Hogyan működnek a hangszórók

Annak ellenére, hogy a Hi-Fi hangszórók már több mint 70 éve léteznek, az audiovilág sok újonca számára ezek a különféle alkatrészekkel és nyílásokkal ellátott fadobozok titokzatosnak tűnhetnek. Ezért állítottuk össze ezt a cikket azoknak, akik most kezdik útjukat a kiváló minőségű hangzás világába.

Fontos megérteni, hogy a tervezés és gyártás terén elért több évtizedes technológiai fejlődés ellenére a hangszórók – vagy az akusztikus átalakítók – működésének alapelve alig változott azóta, hogy Edward Kellogg és Chester Rice 1925-ben először bemutatta. Az okostelefon apró hangszórói, a TV alatti soundbar vagy a hatalmas hangszórók egy koncerten – mindegyiknek ugyanaz az alapkialakítása.

A Hi-Fi rendszerek fejlődése hihetetlen hangminőséget hozott számunkra, de a hangsugárzó-technológia alapelveinek megértése segít megalapozottabb döntéseket hozni saját audiorendszerének építése során.

Hogyan működik a hangszóró?

Mielőtt belemerülnénk a hangsugárzó-összetevők működésének részleteibe, szánjunk egy percet annak megértésére, hogyan hoznak létre hangot a hangszórók általában. Az erősített hangjelet egy huzalból készült fémtekercsre küldik. Ahogy az elektromos áram átfolyik a tekercsen, kölcsönhatásba lép a hangszóró belsejében lévő mágnessel, ami a membrán rezgését okozza.

Ezek a rezgések mozgatják a levegőt, és olyan hanghullámokat hoznak létre, amelyek az eredeti hangjel pontos másai. És éppen így hallja a hangot – legyen az zene vagy valaki hangja. Természetesen ez egy leegyszerűsített magyarázat, de most, hogy megvan az alapvető ismerete, bontsuk tovább.

A hangszóró vagy hangátalakító minden hangszórórendszer kulcsfontosságú eleme, lehetővé téve számunkra, hogy hangot halljunk. Feladata, hogy az erősítőből érkező elektromos jelet akusztikus hanghullámokká alakítsa, amelyek a levegőben haladva elérik a fülünket.

Az erősítőhöz való csatlakoztatáshoz a hangszórónak két csatlakozója van, amelyek a hangszóró belsejében elrejtett hangtekercshez csatlakoznak. Ez a tekercs egy keskeny résben helyezkedik el a hangszóró hátulján található állandó mágnes pólusai között. Amikor a váltakozó áram (az elektromos hangjel) átfolyik a tekercsen, az oda-vissza mozog – követve az elektromágnesesség elveit, amelyeket mindannyian tanultunk az iskolában.

Mivel a tekercs a membránhoz van rögzítve, amely a hangszóró elején látható rész, ezért a membrán (vagy kúp) is előre-hátra mozog. Ezek a mozgások generálják azokat a hanghullámokat, amelyeket hangként érzékelünk. Annak érdekében, hogy a membrán szabadon mozoghasson, rugalmas burkolatra van felszerelve. Minél nagyobb a membrán mozgásának amplitúdója, annál hangosabb a hang.

Mi van a hangszóró belsejében?

Vessünk egy pillantást a hangszóró belsejébe, és bontsuk fel, hogy az egyes részek hogyan játszanak szerepet a hangképzésben.

Hangszóró

A hangszóró fő feladata az elektromos jelek hanghullámokká alakítása. Lényegében ez a „motor”, amely a hangképzést hajtja.

A hangszóró legfontosabb összetevői a következők:

• Pólus;
• Hátlap;
• Mágnes;
• Felső lemez;
• Hangtekercs;
• Kosár;
• Pók;
• Kúp és körbefutó;
• Porvédő sapka.

Rúd, hátlap és felső lemez

A pólus vezetőként működik, koordinálja a hangszóró teljes mágneses rendszerét. Középen ül és irányítja a mágneses teret. A hátlap a rúd mögött, míg a felső lemez közvetlenül felette található.

Mágnes

A mágnes állandó mágneses energiaforrást biztosít a hangszóróban, körülvéve a pólussal és a mágneses teret fókuszáló lemezekkel. A hangszóró kosarához van rögzítve, és állandó mágnesnek nevezik, mert korlátlan ideig megőrzi mágneses tulajdonságait. Másrészt a hangtekercs, amely kölcsönhatásba lép a mágnessel, csak akkor válik mágnesessé, ha elektromos áram halad át rajta.

Hangtekercs

A hangtekercs egy huzal, amelyet szorosan egy kis henger köré tekercselnek, amelyet néha orsónak neveznek. Gondolj rá úgy, mint egy jojóra. Amikor egy elektromos jel áthalad a tekercsen, az elektromágnessé válik, és kölcsönhatásba lép a hangszóróban lévő állandó mágnessel. Ha emlékszel a fizikaóráidra, tudni fogod, hogy a hasonló töltések taszítják, az ellentétes töltések pedig vonzanak. Ez a mágneses kölcsönhatás arra készteti a tekercset, hogy oda-vissza mozog, és végül hanghullámokat hoz létre.

Spider and Surround

A pók egy hullámosított anyag, amely támogatja a hangtekercset, a helyén tartja, miközben szigorúan előre és hátra mozog. Bár ellentmondásosnak tűnhet, a pók biztosítja, hogy a tekercs ne mozduljon el oldalra, így stabilan mozog.

A keret hasonló célt szolgál a kúp esetében. A hangszórókosár tetején lévő kúpot a helyén tartja, így simán mozoghat, miközben hangot ad.

Kúp

A kúp, más néven membrán, a hangszóró azon kevés látható részének egyike. A hangtekercstől érkező mágneses impulzusok hatására előre-hátra mozog. Ez a mozgás nyomáshullámokat hoz létre a környező levegőben, és olyan hangokat kelt, amelyeket hallunk.

Porvédő sapka

A porvédő sapka egy kis alkatrész, amely megvédi a hangszóró belső részeit a portól és a törmeléktől, megelőzve az esetleges sérüléseket.

Kosár

A kosár az a keret, amely az összes hangsugárzó alkatrészt egyben tartja. Ahogy a neve is sugallja, úgy működik, mint egy kosár, amely minden alkatrészt egységes szerkezetbe gyűjt.

Így működik a hangszóró. Amikor azonban „hangszórókról” beszélünk, általában a teljes rendszerre gondolunk, nem csak a belső komponensekre. De mi kell még a hangszórók hatékony működéséhez?

Elektromos alkatrészek

Ahhoz, hogy a hangtekercs hangot állítson elő, elektromos jelre van szüksége. Itt jönnek képbe a hangszórókivezetések és a fonott vezetékek. A csatlakozók azok a fém csatlakozási pontok vagy portok, ahol az audiokábel a hangszóróhoz csatlakozik.

Ezek a terminálok a fonott huzalhoz kapcsolódnak, amely táplálja a hangtekercset, biztosítva a szükséges „üzemanyagot” a tápellátáshoz. Ez a vezeték felelős az elektromos jel továbbításáért, amely hanggá alakul.

Tokozás

A ház vagy a hangszóró „szekrény” döntő szerepet játszik a hangszóró működésében. Először is, zárt házat biztosít, amely megvédi a belső alkatrészeket a portól, szennyeződésektől és a külső elemektől, például a háziállatszőrtől.

Másodszor, a ház segít csökkenteni a fázistorzulást. Amikor a hangszóró membránja elmozdul, mindkét irányban hanghullámokat kelt. A burkolat nélkül ezek a hullámok kiolthatják egymást, ami rossz hangminőséget eredményezhet.

Végül a ház befolyásolja a hangirányt és a basszushangolást. Egy jól megtervezett szekrény segíthet oda irányítani a hangot, ahol szükséges, és javíthatja az alacsony frekvenciák érzékelését.

A ház jellemzően sűrű, merev anyagból készül, hogy megakadályozza a nem kívánt rezonanciát és vibrációt. A leggyakoribb anyagok a fa vagy az MDF (közepes sűrűségű farostlemez), bár néha műanyagot is használnak.

Hogyan reprodukálják a hangszórók a különböző frekvenciákat?

Már foglalkoztunk azzal, hogy a hangszórók hogyan alakítják át az elektromos energiát hanghullámokká. Azonban nem minden hangfrekvencia egyforma, és ha egyetlen hangszóró megpróbálja kezelni a hang teljes spektrumát, a minőség romlik.

Éppen ezért a koncerteken gyakran látni fogsz audiorendszerek hatalmas halmazát. Mindegyik hangsugárzót úgy tervezték, hogy egy adott frekvenciatartományt kezeljen: a mély- és mélysugárzók az alacsony frekvenciákat kezelik, a középső meghajtók a középsőt, a kis magassugárzók pedig a magas frekvenciákat. Ezeket a hangszórókat másképp építették, hogy kezeljék ezeket a különböző tartományokat.

Természetesen a legtöbb ember nem akarja megtölteni a stúdióját vagy a nappaliját nagy halom hangszóróval és frekvenciánként külön meghajtókkal. Itt jönnek be a több meghajtós hangszórók.

Több meghajtós hangszórók

A több meghajtós hangszórók két, három vagy akár négy különböző méretű meghajtót használnak a különböző frekvenciák kezelésére. A legelterjedtebb típus a két meghajtós hangszóró, amelyet gyakran kétutas rendszernek neveznek.

A kétirányú hangszóró belsejében van egy keresztváltó – egy speciális komponens, amely az audiojelet különböző frekvenciatartományokra osztja fel. A magas frekvenciákat a magassugárzóra, míg a közép- és mélyfrekvenciákat a mélysugárzóra irányítják, szűrők segítségével a frekvenciák megfelelő felosztására.

Crossover használatával a hangszóró a hang teljes tartományát olyan minőségben képes reprodukálni, amely egyetlen meghajtóval lehetetlen lenne.

Magas- és mélysugárzók

Ha észrevette, a legtöbb Hi-Fi hangszóró előlapján több különböző méretű meghajtó található. De miért? Míg elméletileg egyetlen meghajtó képes reprodukálni a hangfrekvenciák teljes tartományát, ennek a megközelítésnek vannak gyakorlati korlátai.

Magas- és mélysugárzók

Egy kis vezető nem tud annyi levegőt mozgatni, hogy megfelelő hangerőn alacsony frekvenciákat állítson elő. A másik oldalon a nagyobb meghajtók, amelyek jól kezelik a basszust, mechanikai korlátokkal rendelkeznek, amelyek megakadályozzák, hogy hatékonyan reprodukálják a magas frekvenciákat. A meghajtók másik fontos jellemzője az irányíthatóság, amely arra a szögre utal, amelyen belül a hang megfelelően kiegyensúlyozott. A meghajtó irányíthatósága a méretétől függ: a nagyobb meghajtók szűkebb irányítottságot mutatnak magas frekvencián, míg a kisebbek az alacsony frekvenciákkal küzdenek.

Magas frekvenciájú hangszóró

A kiváló minőségű, kiegyensúlyozott hangzás elérése érdekében minden frekvencián a hangszórók többféle, különböző méretű meghajtót használnak. Mindegyik meghajtót kifejezetten egy adott frekvenciatartomány kezelésére tervezték – alacsony, közepes vagy magas. Annak biztosítására, hogy minden illesztőprogram csak az általa tervezett frekvenciákat kapja, egy speciális komponenst, úgynevezett crossovert használnak, amely az audiojelet különböző frekvenciasávokra osztja fel. De erről majd legközelebb beszélünk.

Mi a hangszóró impedancia?

A hangszóró impedanciája a hangszóró elektromos áramának általános ellenállására utal. Ohmban mérik, és magában foglalja a hangtekercs vezeték ellenállását és a tekercsbe tekercselés okozta induktivitást. A szabványos ellenállástól eltérően az induktivitás a jel frekvenciájával változik, ezt a jelenséget induktív reaktanciaként ismerik.

Ennek a változónak köszönhetően az impedancia eltér a „normál” ellenállástól, és összetett képletekkel számítják ki, amelyeket nem kell megjegyeznie, hacsak nem mérnök. Fontos megjegyezni, hogy a hangszórók és az erősítő impedanciájának összehangolása elengedhetetlen az optimális teljesítményhez. A nem megfelelő impedancia rosszabb hangminőséget, túlmelegedést és akár a berendezés károsodását is okozhatja.

Ezért mindig győződjön meg arról, hogy hangszórói kompatibilisek az erősítővel, hogy elkerülje a problémákat, és élvezze a kiváló minőségű hangzást a felszerelés kockáztatása nélkül!

Hangszóró teljesítmény vs. hangszóró érzékenység

"A nagyobb, annál jobb", igaz?

Nem mindig. Sokan azt gondolják, hogy a hangszórók nagyobb teljesítménye automatikusan hangosabb hangot jelent. De a valóságban képes lesz teljes mértékben kihasználni ezt az erőt?

A hangszórók összehasonlításának jobb módja az érzékenységük vizsgálata. A decibelben (dB) mért érzékenység megmutatja, hogy a hangszóró milyen hatékonyan alakítja át az elektromos energiát hanggá. Minél nagyobb az érzékenység, annál több hangot tud a hangszóró adott teljesítmény mellett produkálni. Más szóval, jobb munkát végez az elektromos áram hanghullámokká alakításában.

Az érzékenységi besorolások kiegyenlítik a játékteret a hangsugárzók teljesítményének és teljesítményének összehasonlításakor. Ha azonban külső erősítőt használ, akkor is mérlegelnie kell, hogy a hangszórók mekkora teljesítményt képesek kezelni. A teljesítménykezelés azt jelzi, hogy a hangszóró mennyi elektromos energiát képes felvenni anélkül, hogy megsérülne, ezért fontos, hogy az erősítő kimenetét a hangsugárzó teljesítményéhez igazítsa.

A magas vagy alacsony érzékenység közötti választás a rendszer igényeitől függ. Ha fontos az energiahatékonyság (például a hordozható hangszóróknál vagy az autós audiorendszereknél), akkor nagyobb érzékenységű hangszórókra van szüksége. Egy professzionális hangbeállításnál viszont nagyobb teljesítményű hangszórókra lehet szükség.

Frekvenciaválasz

Amikor a hangszóró frekvenciaválaszáról beszélünk, akkor annak a képességéről beszélünk, hogy különböző frekvenciatartományokban képes reprodukálni a hangot. Mivel egyetlen hangszóró sem tökéletes, a frekvencia átviteli grafikon segít feltárni azokat a frekvenciákat, ahol a hangszóró esetleg túlhangsúlyozza vagy alulteljesít.

A frekvenciaválasz több okból is fontos. Először is, ez kritikus a több meghajtós rendszerek tervezésekor és a crossoverek beállításakor, amelyek megosztják a frekvenciákat a különböző meghajtók között. Másodszor, segít kiválasztani a megfelelő hangszórókat az adott hangszükségletnek, legyen szó professzionális stúdiómunkáról vagy otthoni zenehallgatásról.

Sok fogyasztói minőségű hangszórót szándékosan enyhe „mosoly” görbével hangolnak a frekvenciaválaszában, hogy fokozzák a hangélményt. Ha azonban zenei produkcióval dolgozik, lapos frekvenciaátvitelű hangszórókra van szüksége. Ez biztosítja, hogy egyetlen műszert vagy mintát se takarjanak el a frekvenciatartomány csökkenései vagy mesterségesen emeljenek fel csúcsok.

Lényegében a lapos frekvencia-átvitelű hangszórók pontos, tiszta hangzást biztosítanak, szorosan tükrözve az eredeti hangforrást, ami elengedhetetlen a precíz keveréshez és masteringhez.

Mi a helyzet a fejhallgatóval?

A fejhallgatók ugyanazt a technológiát használják, mint a hangszóró-meghajtók, de kisebb léptékben. Lényegében apró hangszórókról van szó, amelyek a fülben vagy a fülben helyezkednek el, és személyre szabott hangzást biztosítanak.

Hogyan működnek a sztereó hangszórók?

Egyetlen hangszóró általában monóban játssza le a hangot. A teljes sztereó hangszín eléréséhez két hangszóróra van szükség, amelyek mindegyike a bal és a jobb oldali audiojeleket továbbítja, és tágas hangkörnyezetet biztosít.

De mi a helyzet a soundbarokkal? Hogyan hoznak létre sztereó hatást?

A sztereó kimenetre tervezett hangsávok több meghajtóval rendelkeznek a szekrényben. A sztereó jel bal és jobb csatornákra oszlik, és mindegyik meghajtó megkapja a maga részét, hogy szélesebb sztereó képet hozzon létre. Ezek a rendszerek gyakran egy további mélysugárzóval rendelkeznek a mély basszus érdekében – tökéletesek az alacsony frekvenciák vagy Batman kavicsos hangjának reprodukálásához.

Ki találta fel a hangszórót?

Sok más, a 20. század eleji találmányhoz hasonlóan nehéz egyetlen embernek tulajdonítani a hangszóró feltalálását. A technológia idővel fejlődött, ahogy a tudósok és mérnökök jobban megértették a hanghullámokat és az elektromos áramokat.

Alexander Graham Bell, a telefon híres feltalálója jelentős mértékben hozzájárult az audiotechnológiához, és a 19. század végén kifejlesztette a hangszóró egyik legkorábbi változatát. Nem sokkal később Oliver Lodge megalkotta az első mozgó tekercses hangszórót. 1915-ben Peter L. Jensen és Edwin Pridham dán mérnökök szabadalmaztatták az elektrodinamikus hangszórót, ahol a membránhoz rögzített huzaltekercset mágneses térbe helyeztek.

Az Atlanti-óceán túloldalán 1925-ben Edward W. Kellogg és Chester W. Rice kifejlesztette a dinamikus, membrános hangszórót, amelyet később az RCA engedélyeztetett. Tervezésükben sok olyan elem szerepelt, amelyek a modern hangsugárzó-technológia alapját képezik.

Nyugodtan kijelenthetjük tehát, hogy sokan hozzájárultak annak a technológiának a kifejlesztéséhez, amely lehetővé teszi, hogy ma kiváló hangminőségben élvezhesse a zenét és a filmeket. Mint sok nagyszerű találmány esetében, a modern hangszóró életre keltéséhez valóban egy falu kellett!

Az akusztikus rendszerek jövője

A technológia egyre kisebb és olcsóbb – ez tény. De ami a hangszórókat illeti, az alapvető technológia gyakorlatilag változatlan maradt a feltalálásuk óta.

Valójában a hangszórók az egyik legkevésbé hatékony technológia, amelyet ma használunk. A hangszóróba jutó energia több mint 99%-a nem alakul át hanggá. Ennek nagy része hőként elvész. Meglepő, hogy a Környezetvédelmi Ügynökség (EPA) még nem tiltotta be a hangszórókat rossz energiahatékonyságuk miatt.

A hangszórók jövője azonban megváltozhat egy 2004-ben felfedezett új anyagnak, a grafénnek köszönhetően. Ez az anyag hihetetlenül könnyű, ami azt jelenti, hogy sokkal kevesebb energiát igényel, hogy ide-oda mozogjon hanghullámok létrehozásához. Ez nagyszerű hír, különösen a magassugárzók számára, amelyeknek ilyen könnyű anyagokra van szükségük ahhoz, hogy hatékonyan működjenek magas frekvencián.

Ha a tudósok sikeresen fel tudják léptetni a graféntermelést, és integrálni tudják azt kereskedelmi termékekbe, a jövő hangszórói könnyebbek és sokkal energiahatékonyabbak lehetnek.

Addig be kell érnünk azzal, amivel most rendelkezünk – az elektromos jeleket légnyomásváltozásokká alakító mini térfűtőkkel, más néven hangszórókkal.