Jak fungují reproduktory

Přestože Hi-Fi reproduktory existují již více než 70 let, mnohým nováčkům v audio světě mohou tyto dřevěné krabice s různými součástmi a otvory připadat tajemné. Proto jsme sestavili tento článek pro ty, kteří právě začínají svou cestu do světa vysoce kvalitního zvuku.

Je důležité pochopit, že navzdory desetiletím technologického pokroku v designu a výrobě se základní princip fungování reproduktorů – neboli akustických měničů – téměř nezměnil od doby, kdy je Edward Kellogg a Chester Rice poprvé představili v roce 1925. Ať už mluvíme o malé reproduktory ve vašem smartphonu, soundbar pod televizorem nebo masivní reproduktory na koncertě, všechny sdílejí stejný základní design.

Evoluce Hi-Fi systémů nám přinesla neuvěřitelnou kvalitu zvuku, ale pochopení základních principů technologie reproduktorů vám pomůže činit informovanější rozhodnutí při budování vlastního audio systému.

Jak reproduktor funguje?

Než se ponoříme do podrobností o tom, jak komponenty reproduktorů fungují, pojďme na chvíli pochopit, jak reproduktory obecně vytvářejí zvuk. Zesílený zvukový signál je odeslán do kovové cívky vyrobené z drátu. Jak elektrický proud protéká cívkou, interaguje s magnetem uvnitř reproduktoru, což způsobuje vibraci membrány.

Tyto vibrace pohybují vzduchem a vytvářejí zvukové vlny, které jsou přesnou replikou původního zvukového signálu. A stejně tak uslyšíte zvuk – ať už jde o hudbu nebo něčí hlas. Toto je samozřejmě zjednodušené vysvětlení, ale teď, když máme základní porozumění, pojďme si to rozebrat dále.

Reproduktor neboli zvukový měnič je klíčovou součástí každého reproduktorového systému, který nám umožňuje slyšet zvuk. Jeho úkolem je převést elektrický signál ze zesilovače na akustické zvukové vlny, které se šíří vzduchem a dostávají se k našim uším.

Pro připojení k zesilovači má reproduktor dva terminály spojené s kmitací cívkou ukrytou uvnitř reproduktoru. Tato cívka je umístěna v úzké mezeře mezi póly permanentního magnetu umístěného na zadní straně reproduktoru. Když cívkou protéká střídavý proud (elektrický zvukový signál), pohybuje se tam a zpět – podle principů elektromagnetismu, které jsme se všichni učili ve škole.

Protože je cívka připevněna k membráně, což je část, kterou můžete vidět na přední straně reproduktoru, membrána (nebo kužel) se také pohybuje tam a zpět. Tyto pohyby generují zvukové vlny, které vnímáme jako zvuk. Aby se membrána mohla volně pohybovat, je namontována na pružném rámu. Čím větší je amplituda pohybu membrány, tím hlasitější zvuk slyšíme.

Co je uvnitř reproduktoru?

Pojďme se podívat dovnitř reproduktoru a rozebrat, jak jednotlivé části hrají roli při vytváření zvuku.

Reproduktor

Hlavním úkolem reproduktoru je převádět elektrický signál na zvukové vlny. Je to v podstatě „motor“, který pohání produkci zvuku.

Mezi klíčové komponenty reproduktoru patří:

• Pól;
• Zadní deska;
• Magnet;
• Horní deska;
• Hlasová cívka;
• Košík;
• Pavouk;
• Kužel a obklopující;
• Protiprachový uzávěr.

Tyč, zadní deska a horní deska

Sloup funguje jako vodič a koordinuje celý magnetický systém reproduktoru. Sedí ve středu a řídí magnetické pole. Zadní deska je umístěna za tyčí, zatímco horní deska je umístěna přímo nad ní.

Magnet

Magnet poskytuje konstantní zdroj magnetické energie v reproduktoru, obklopený pólem a deskami, které pomáhají zaostřit magnetické pole. Je připevněn ke koši reproduktoru a je označován jako permanentní magnet, protože si zachovává své magnetické vlastnosti po neomezenou dobu. Na druhé straně kmitací cívka, která interaguje s magnetem, se stává magnetickou pouze tehdy, když jí prochází elektrický proud.

Hlasová cívka

Kmitací cívka je drát pevně navinutý kolem malého válečku, někdy nazývaného cívka. Představte si to jako jojo. Když elektrický signál prochází cívkou, stává se elektromagnetem, který interaguje s permanentním magnetem v reproduktoru. Pokud si pamatujete na hodiny fyziky, budete vědět, že podobné náboje se odpuzují a opačné přitahují. Tato magnetická interakce způsobuje, že se cívka pohybuje tam a zpět, což nakonec vytváří zvukové vlny.

Spider a Surround

Pavouk je vlnitý materiál, který podporuje kmitací cívku, udržuje ji na místě a zároveň jí umožňuje pohybovat se přísně dopředu a dozadu. I když se to může zdát neintuitivní, pavouk zajišťuje, že se cívka neposouvá do stran a udržuje stabilní pohyb.

Obvod slouží podobnému účelu pro kužel. Drží kužel na místě v horní části koše reproduktoru, což mu umožňuje hladký pohyb při produkci zvuku.

Kužel

Kužel, známý také jako membrána, je jednou z mála viditelných částí reproduktoru. Pohybuje se tam a zpět v reakci na magnetické impulsy z kmitací cívky. Tento pohyb vytváří v okolním vzduchu tlakové vlny a vytváří zvuky, které slyšíme.

Prachovka

Protiprachový kryt je malá součástka, která chrání vnitřní části reproduktoru před prachem a nečistotami a zabraňuje možnému poškození.

Košík

Koš je rám, který drží všechny komponenty reproduktoru pohromadě. Jak název napovídá, působí jako koš, který shromažďuje všechny části do jednotné struktury.

Tak funguje reproduktor. Když však mluvíme o „reproduktorech“, obvykle máme na mysli celý systém, nejen vnitřní komponenty. Ale co dalšího je potřeba k tomu, aby reproduktory fungovaly efektivně?

Elektrické komponenty

Aby kmitací cívka produkovala zvuk, potřebuje elektrický signál. Zde přicházejí na řadu reproduktorové terminály a opletené dráty. Terminály jsou kovové spojovací body nebo porty, kde se audio kabel připojuje k reproduktoru.

Tyto svorky se připojují ke splétanému drátu, který napájí kmitací cívku a poskytují potřebné „palivo“ pro její napájení. Tento vodič je zodpovědný za přenos elektrického signálu, který se přemění na zvuk.

Příloha

Skříň nebo „skříň reproduktoru“ hraje zásadní roli v tom, jak reproduktor funguje. Za prvé poskytuje utěsněné pouzdro, které chrání vnitřní součásti před prachem, špínou a vnějšími prvky, jako jsou chlupy domácích mazlíčků.

Za druhé, kryt pomáhá snižovat fázové zkreslení. Když se membrána reproduktoru pohybuje, vytváří zvukové vlny v obou směrech. Bez krytu by se tyto vlny mohly vzájemně rušit, což by mělo za následek špatnou kvalitu zvuku.

Nakonec skříň ovlivňuje směr zvuku a ladění basů. Dobře navržená skříň může pomoci nasměrovat zvuk tam, kde je potřeba, a zlepšit vnímání nízkých frekvencí.

Kryt je obvykle vyroben z hustého tuhého materiálu, aby se zabránilo nežádoucí rezonanci a vibracím. Nejběžnějšími materiály jsou dřevo nebo MDF (středně hustá dřevovláknitá deska), i když se někdy používá i plast.

Jak reproduktory reprodukují různé frekvence?

Již jsme se zabývali tím, jak reproduktory přeměňují elektrickou energii na zvukové vlny. Ne všechny zvukové frekvence jsou však stejné a pokud se jediný reproduktor snaží zvládnout celé spektrum zvuku, utrpí tím kvalita.

Proto na koncertech často uvidíte masivní stohy audiosystémů. Každý reproduktor je navržen tak, aby zvládal specifický frekvenční rozsah: subwoofery a basové reproduktory zvládají nízké frekvence, středotónové měniče pokrývají střední pásmo a malé výškové reproduktory se starají o vysoké frekvence. Tyto reproduktory jsou konstruovány jinak, aby zvládly tyto odlišné rozsahy.

Většina lidí samozřejmě nechce zaplnit své studio nebo obývací pokoj velkým stohem reproduktorů a samostatnými měniči pro každou frekvenci. Zde přicházejí na řadu reproduktory s více měniči.

Reproduktory s více měniči

Reproduktory s více měniči používají dva, tři nebo dokonce čtyři měniče různých velikostí, aby zvládly různé frekvence. Nejběžnějším typem je reproduktor se dvěma měniči, často nazývaný dvoupásmový systém.

Uvnitř dvoupásmového reproduktoru je výhybka – speciální komponent, který rozděluje audio signál do různých frekvenčních rozsahů. Vysoké frekvence jsou posílány do výškového reproduktoru, zatímco střední a nízké frekvence jsou směrovány do wooferu pomocí filtrů, které vhodně rozdělují frekvence.

Použitím výhybky může reproduktor reprodukovat celý rozsah zvuku s úrovní kvality, která by byla nemožná pouze s jediným měničem.

Výškové a basové reproduktory

Pokud jste si všimli, většina Hi-Fi reproduktorů má na předním panelu více ovladačů různých velikostí. Ale proč tomu tak je? I když teoreticky může jediný ovladač reprodukovat celý rozsah zvukových frekvencí, tento přístup má praktická omezení.

Výškové a basové reproduktory

Malý ovladač nemůže pohybovat tolik vzduchu, aby produkoval nízké frekvence při adekvátní hlasitosti. Na druhou stranu, větší měniče, které dobře zvládají basy, mají mechanická omezení, která jim brání v efektivní reprodukci vysokých frekvencí. Další důležitou charakteristikou měničů je směrovost, která označuje úhel, ve kterém je zvuk správně vyvážen. Směrovost budiče závisí na jeho velikosti: větší měniče mají užší směrovost na vysokých frekvencích, zatímco menší se potýkají s nízkými frekvencemi.

Vysokofrekvenční reproduktor

Pro dosažení vysoce kvalitního a vyváženého zvuku na všech frekvencích používají reproduktory více měničů různých velikostí. Každý měnič je speciálně navržen tak, aby zvládl určitý frekvenční rozsah – nízké, střední nebo vysoké. Aby bylo zajištěno, že každý měnič přijímá pouze frekvence, pro které je navržen, používá se speciální komponent známý jako crossover, který rozděluje audio signál do různých frekvenčních pásem. Ale o tom až příště.

Co je impedance reproduktoru?

Impedance reproduktoru se týká celkového odporu vůči toku elektrického proudu v reproduktoru. Měří se v ohmech a zahrnuje jak odpor vodiče kmitací cívky, tak indukčnost způsobenou navinutím vodiče do cívky. Na rozdíl od standardního odporu se indukčnost mění s frekvencí signálu, což je jev známý jako indukční reaktance.

Kvůli této proměnné se impedance liší od „běžného“ odporu a vypočítává se pomocí složitých vzorců, které si nemusíte pamatovat, pokud nejste inženýr. Důležité je zapamatovat si, že pro optimální výkon je rozhodující sladění impedance vašich reproduktorů a zesilovače. Neodpovídající impedance může mít za následek nižší kvalitu zvuku, přehřívání a dokonce poškození zařízení.

Vždy se tedy ujistěte, že jsou vaše reproduktory kompatibilní s vaším zesilovačem, abyste předešli problémům a vychutnali si vysoce kvalitní zvuk, aniž byste riskovali své zařízení!

Výkon reproduktoru vs. citlivost reproduktoru

"Větší je lepší," že?

Ne vždy. Mnoho lidí si myslí, že vyšší příkon v reproduktorech automaticky znamená hlasitější zvuk. Ale ve skutečnosti budete vůbec schopni plně využít všechnu tu sílu?

Lepší způsob, jak porovnat reproduktory, je podívat se na jejich citlivost. Citlivost, měřená v decibelech (dB), vám říká, jak efektivně reproduktor přeměňuje elektrickou energii na zvuk. Čím vyšší je hodnota citlivosti, tím více zvuku může reproduktor vytvořit s daným množstvím výkonu. Jinými slovy, dělá lepší práci při přeměně elektřiny na zvukové vlny.

Hodnoty citlivosti vyrovnávají herní pole při porovnávání výkonu a výkonu reproduktorů. Pokud však používáte externí zesilovač, musíte ještě zvážit, jaký výkon reproduktory zvládnou. Manipulace s výkonem udává, kolik elektrické energie může reproduktor spotřebovat, aniž by se poškodil, takže je důležité sladit výstup vašeho zesilovače s jmenovitým výkonem reproduktoru.

Volba mezi vysokou nebo nízkou citlivostí závisí na potřebách vašeho systému. Pokud je důležitá energetická účinnost (jako u přenosných reproduktorů nebo audiosystémů do auta), budete chtít reproduktory s vyšší citlivostí. Na druhou stranu v profesionálním audio nastavení budete možná potřebovat reproduktory s vyšší kapacitou.

Frekvenční odezva

Když mluvíme o frekvenční odezvě reproduktoru, mluvíme o jeho schopnosti reprodukovat zvuk v různých frekvenčních rozsazích. Vzhledem k tomu, že žádný reproduktor není dokonalý, graf frekvenční odezvy pomáhá odhalit frekvence, kde může reproduktor příliš zdůrazňovat nebo podléhat.

Frekvenční odezva je důležitá z několika důvodů. Za prvé, je to důležité při navrhování systémů s více měniči a nastavování výhybek, které rozdělují frekvence mezi různé měniče. Zadruhé vám pomůže vybrat ty správné reproduktory pro vaše specifické audio potřeby, ať už jde o profesionální studiovou práci nebo domácí poslech hudby.

Mnoho reproduktorů pro spotřebitele je záměrně vyladěno s mírnou křivkou „úsměvu“ ve své frekvenční odezvě, aby se zlepšil zvukový zážitek. Pokud však pracujete v hudební produkci, potřebujete reproduktory s plochou frekvenční charakteristikou. Tím je zajištěno, že žádný nástroj nebo vzorek není maskován poklesem frekvenčního rozsahu nebo uměle posílen špičkami.

Reproduktory s plochou frekvenční odezvou v podstatě poskytují přesný, čistý zvuk, který přesně odráží původní zdroj zvuku, což je zásadní pro přesné mixování a mastering.

A co sluchátka?

Sluchátka používají stejnou technologii jako reproduktory, ale v menším měřítku. V podstatě jsou to malé reproduktory, které sedí na uších nebo uvnitř uší a poskytují personalizovaný zvuk.

Jak fungují stereo reproduktory?

Jeden reproduktor obvykle přehrává zvuk v mono. K dosažení plné stereofonní zvukové scény potřebujete dva reproduktory, z nichž každý přenáší levý a pravý zvukový signál a jsou umístěny tak, aby vytvořily prostorné zvukové prostředí.

Ale co soundbary? Jak vytvářejí stereo efekt?

Soundbary určené pro stereo výstup mají více měničů rozmístěných napříč skříní. Stereo signál je rozdělen do levého a pravého kanálu a každý měnič přijímá svou část, aby vytvořil širší stereo obraz. Tyto systémy se často dodávají s přídavným subwooferem pro hluboké basy – ideální pro reprodukci nízkých frekvencí nebo Batmanova štěrkovitého hlasu.

Kdo vynalezl reproduktor?

Stejně jako mnoho jiných vynálezů z počátku 20. století je těžké připsat zásluhy jedinému člověku, který vynalezl reproduktor. Tato technologie se postupem času vyvíjela, jak vědci a inženýři lépe porozuměli zvukovým vlnám a elektrickým proudům.

Alexander Graham Bell, slavný vynálezce telefonu, významně přispěl k audio technologii a na konci 19. století vyvinul jednu z nejstarších verzí reproduktoru. Nedlouho poté vytvořil Oliver Lodge první reproduktor s pohyblivou cívkou. V roce 1915 dánští inženýři Peter L. Jensen a Edwin Pridham patentovali elektrodynamický reproduktor, kde byla cívka drátu připojená k membráně umístěna v magnetickém poli.

Přes Atlantik vyvinuli v roce 1925 Edward W. Kellogg a Chester W. Rice dynamický reproduktor s membránou, který později získal licenci RCA. Jejich design zahrnoval mnoho prvků, které tvoří základ moderní technologie reproduktorů.

Dá se tedy s jistotou říci, že mnoho lidí přispělo k vývoji technologie, která vám dnes umožňuje vychutnat si hudbu a filmy ve vysoké kvalitě zvuku. Stejně jako u mnoha skvělých vynálezů to skutečně trvalo celou vesnici, než přivést moderní reproduktor k životu!

Budoucnost akustických systémů

Technologie se zmenšují a zlevňují – to je fakt. Ale pokud jde o reproduktory, základní technologie zůstala od jejich vynálezu prakticky nezměněna.

Reproduktory jsou ve skutečnosti jednou z neefektivnějších technologií, které dnes používáme. Více než 99 % energie, která jde do reproduktoru, se nepřemění na zvuk. Většina z toho je promarněna jako teplo. Je překvapivé, že Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) dosud reproduktory nezakázala pro jejich špatnou energetickou účinnost.

Budoucnost reproduktorů by se však mohla změnit díky novému materiálu objevenému v roce 2004 — grafenu. Tento materiál je neuvěřitelně lehký, což znamená, že vyžaduje mnohem méně energie k pohybu tam a zpět k vytvoření zvukových vln. To je skvělá zpráva, zejména pro výškové reproduktory, které potřebují tak lehké materiály, aby efektivně fungovaly při vysokých frekvencích.

Pokud se vědcům podaří úspěšně rozšířit výrobu grafenu a integrovat ji do komerčních produktů, reproduktory budoucnosti by mohly být lehčí a mnohem energeticky účinnější.

Do té doby si budeme muset vystačit s tím, co máme nyní – mini ohřívače prostoru, které převádějí elektrické signály na změny tlaku vzduchu, známé také jako reproduktory.