Hoe werken luidsprekers: uw gids voor luidsprekertechnologie?
Luidsprekers zetten elektrische audiosignalen om in geluidsgolven door middel van elektromagnetische principes. Er stroomt een elektrische stroom door een spreekspoel die in een magnetisch veld is geplaatst, waardoor een diafragma gaat trillen en lucht verplaatst, waardoor de geluiden ontstaan die we horen.
Als u de technologie achter luidsprekers begrijpt, kunt u weloverwogen beslissingen nemen bij het selecteren van audioapparatuur voor muziekproductie of luisteren. Ondanks technologische vooruitgang op het gebied van materialen en productie sinds de jaren twintig van de vorige eeuw, is het fundamentele werkingsprincipe voor alle soorten luidsprekers hetzelfde gebleven, van smartphoneluidsprekers tot professionele studiomonitors.
In deze gids leert u:
- De elektromagnetische principes achter de werking van luidsprekers
- Interne componenten en hun specifieke functies
- Hoe luidsprekers verschillende frequentiebereiken weergeven
- Technische specificaties: impedantie, gevoeligheid, frequentierespons
- De geschiedenis en toekomst van luidsprekertechnologie
Het basisprincipe van de werking van luidsprekers
De luidsprekerdriver (ook wel transducer genoemd) vervult één essentiële functie: het omzetten van elektrische energie in mechanische beweging die geluidsgolven creëert.
Wanneer een audiosignaal van een versterker de luidsprekeraansluitingen bereikt, gaat het door een spreekspoel, een draad die rond een cilindrische vorm is gewikkeld. Deze spoel bevindt zich in de opening tussen de polen van een permanente magneet. Wanneer wisselstroom door de spoel gaat, zorgt elektromagnetische kracht ervoor dat deze heen en weer beweegt.
De spreekspoel is bevestigd aan een diafragma. Wanneer de spoel beweegt, beweegt het diafragma mee en duwt en trekt het lucht om drukgolven te creëren. Deze drukgolven zijn geluid. De amplitude van de diafragmabeweging bepaalt het volume; de frequentie van de beweging bepaalt de toonhoogte.
Een flexibele rand zorgt ervoor dat het diafragma vrij kan bewegen terwijl het zijn positie behoudt. Een grotere beweging van het diafragma produceert een hoger volumeniveau.
Interne componenten van een luidspreker
Elk onderdeel in een luidspreker vervult een specifieke functie in het geluidsproductieproces.
Onderdelen van het magnetische systeem
Pool, achterplaat en bovenplaat
De pool bevindt zich in het midden en stuurt het magnetische veld. De achterplaat bevindt zich achter de pool, terwijl de bovenplaat zich erboven bevindt. Deze drie componenten richten het magnetische veld op de opening waar de spreekspoel werkt.
Permanente magneet
De permanente magneet levert constante magnetische energie. Hij behoudt zijn magnetische eigenschappen zonder externe stroomvoorziening. De spreekspoel wordt alleen magnetisch wanneer er elektrische stroom doorheen gaat.
Spreekspoel
De spreekspoel is een draad die rond een cilindrische vorm (ook wel spoel genoemd) is gewikkeld. Wanneer er een elektrisch signaal door de spoel loopt, wordt deze een elektromagneet. Magnetische krachten tussen de spreekspoel en de permanente magneet zorgen ervoor dat de spoel beweegt. Net zoals magnetische polen elkaar afstoten, trekken tegengestelde polen elkaar aan. Deze interactie zorgt voor de heen-en-weerbeweging die geluid produceert.
Structurele componenten
Spider
De spider is een gegolfd materiaal dat de spreekspoel ondersteunt en tegelijkertijd verticale beweging mogelijk maakt. Het voorkomt zijwaartse beweging en zorgt voor een stabiele beweging langs slechts één as.
Rand
De surround houdt het diafragma aan de bovenkant van de luidsprekerkorf op zijn plaats, waardoor een soepele beweging mogelijk is tijdens het produceren van geluid.
Diafragma
Het diafragma (in sommige ontwerpen ook wel conus genoemd) is het zichtbare bewegende oppervlak van de luidspreker. Het beweegt in reactie op de beweging van de spreekspoel en creëert drukgolven in de lucht. Deze drukgolven produceren de geluiden die we horen.
Stofkap
De stofkap beschermt de interne componenten tegen stof en vuil, waardoor schade wordt voorkomen.
Mand
De korf is het frame dat alle luidsprekeronderdelen op hun juiste plaats houdt.
Elektrische componenten
Luidsprekeraansluitingen zijn de metalen aansluitpunten waar audiokabels op de luidspreker worden aangesloten. Deze aansluitingen zijn verbonden met draden die naar de spreekspoel lopen en zorgen voor het elektrische signaal dat nodig is voor de werking.
Luidsprekerbehuizing
De behuizing (ook wel kast genoemd) heeft drie belangrijke functies:
Ten eerste beschermt het de interne componenten tegen stof, vuil en externe elementen.
Ten tweede vermindert het fase-annulering. Wanneer het diafragma beweegt, produceert het geluidsgolven in beide richtingen. Zonder behuizing kunnen deze golven elkaar opheffen, wat resulteert in een verminderde geluidskwaliteit, met name bij lage frequenties.
Ten derde beïnvloedt de behuizing de geluidsrichting en de basweergave. Het ontwerp van de kast beïnvloedt hoe luisteraars lage frequenties waarnemen.
Behuizingen worden gemaakt van dichte, stijve materialen om ongewenste resonantie en trillingen te voorkomen. Veelgebruikte materialen zijn hout, MDF (medium-density fiberboard) en kunststof.
Hoe luidsprekers verschillende frequenties weergeven
Een enkele driver kan niet alle audiofrequenties efficiënt weergeven. Fysieke beperkingen verhinderen optimale prestaties over het volledige frequentiebereik.
Bij concerten zie je aparte luidsprekersystemen voor verschillende frequentiebereiken: subwoofers en woofers voor lage frequenties, midrange drivers voor middenfrequenties en tweeters voor hoge frequenties. Elk type driver is speciaal ontworpen voor zijn frequentiebereik.
Voor thuis- en studiogebruik lossen luidsprekers met meerdere drivers dit probleem op in een compacte vorm.
Luidsprekersystemen met meerdere drivers
Luidsprekers met meerdere drivers gebruiken twee, drie of vier drivers van verschillende grootte om verschillende frequenties te verwerken. De meest voorkomende configuratie is het tweewegsysteem, dat twee drivers gebruikt.
Een crossover-component splitst het audiosignaal in verschillende frequentiebereiken. Hoge frequenties worden naar de tweeter gestuurd, terwijl lage en middenfrequenties naar de grotere driver worden geleid. De crossover maakt gebruik van filters om de frequenties correct te verdelen.
Dankzij deze configuratie kan de luidspreker het volledige frequentiebereik weergeven met een hogere kwaliteit dan een enkele driver zou kunnen bereiken.
Waarom verschillende driverformaten nodig zijn
De meeste luidsprekers hebben meerdere drivers van verschillende grootte op het voorpaneel. Dit ontwerp houdt rekening met specifieke fysieke beperkingen.
Kleine drivers kunnen niet genoeg lucht verplaatsen om lage frequenties op voldoende volumeniveaus te produceren. Grote drivers kunnen bas goed weergeven, maar hebben mechanische beperkingen die een efficiënte weergave van hoge frequenties verhinderen.
De richtingsgevoeligheid van de driver hangt ook af van de grootte. Richtingsgevoeligheid verwijst naar de hoek waarbinnen het geluid goed in balans is. Grote drivers hebben een smalle richtingsgevoeligheid bij hoge frequenties, terwijl kleine drivers een beperkte richtingsgevoeligheid hebben bij lage frequenties.
Inzicht in luidsprekerimpedantie
Luidsprekerimpedantie is de totale weerstand tegen elektrische stroom in een luidspreker, gemeten in ohm. Impedantie omvat zowel de weerstand van de spreekspoeldraad als de inductie die wordt veroorzaakt door de spoelwikkeling.
In tegenstelling tot standaardweerstand verandert inductie met de signaalfrequentie. Deze variatie wordt inductieve reactantie genoemd.
Het afstemmen van de luidsprekerimpedantie op de versterkerimpedantie is belangrijk voor optimale prestaties. Een verkeerde impedantie kan leiden tot verminderde geluidskwaliteit, oververhitting en schade aan de apparatuur.
Controleer altijd of de luidsprekerimpedantie compatibel is met de specificaties van uw versterker.
Luidsprekervermogen en gevoeligheid
Veel mensen gaan ervan uit dat een hoger wattage een luider geluid betekent. Deze aanname is onvolledig.
Een betere vergelijkingsmaatstaf is gevoeligheid. Gevoeligheid, gemeten in decibel (dB), geeft aan hoe efficiënt een luidspreker elektrische energie omzet in geluid. Een hogere gevoeligheid betekent dat de luidspreker meer geluid produceert met een bepaald vermogen.
Gevoeligheidsclassificaties bieden een eerlijke vergelijking tussen verschillende luidsprekers. Wanneer u echter een externe versterker gebruikt, moet u ook rekening houden met het vermogen dat de luidspreker aankan, d.w.z. het maximale elektrische vermogen dat een luidspreker kan ontvangen zonder schade op te lopen. Stem de uitgang van de versterker af op het vermogen van de luidspreker.
Kies voor een hoge gevoeligheid voor toepassingen waarbij energie-efficiëntie belangrijk is (draagbare luidsprekers, audiosystemen voor auto's). Kies voor een hoger vermogen voor professionele audiotoepassingen.
Frequentierespons
De frequentierespons beschrijft het vermogen van een luidspreker om geluid over verschillende frequentiebereiken weer te geven. Een frequentieresponsgrafiek toont frequenties waarbij de luidspreker mogelijk te veel of te weinig weergeeft.
Frequentierespons is om twee redenen belangrijk. Ten eerste is het noodzakelijk bij het ontwerpen van systemen met meerdere drivers en het configureren van crossovers. Ten tweede helpt het u bij het selecteren van de juiste luidsprekers voor uw specifieke behoeften, of het nu gaat om professioneel studiowerk of thuis luisteren.
Veel consumentenspeakers zijn afgestemd met een lichte versterking bij lage en hoge frequenties om de luisterervaring te verbeteren. Voor muziekproductie zijn echter speakers met een vlakke frequentierespons nodig. Een vlakke respons zorgt ervoor dat geen enkel instrument of sample wordt gemaskeerd door frequentiedips of kunstmatig wordt versterkt door frequentiepieken.
Luidsprekers met een vlakke frequentierespons leveren een nauwkeurig geluid dat de originele audiobron nauwkeurig weergeeft, wat nodig is voor nauwkeurig mixen en masteren.
Hoofdtelefoons
Hoofdtelefoons maken gebruik van dezelfde technologie als luidsprekerdrivers, maar dan op kleinere schaal. Het zijn kleine luidsprekers die op of in uw oren worden geplaatst en het geluid rechtstreeks aan de luisteraar leveren.
Hoe stereoluidsprekers werken
Een enkele luidspreker speelt geluid in mono af. Om een volledig stereogeluid te creëren, hebt u twee luidsprekers nodig, die elk linker- en rechteraudiosignalen uitzenden en zo zijn geplaatst dat ze een breed geluidsbeeld creëren.
Soundbars creëren stereogeluid met behulp van meerdere drivers die over de behuizing zijn verdeeld. Het stereosignaal wordt opgesplitst in linker- en rechterkanalen, en elke driver ontvangt het voor hem bestemde deel om een breder stereobeeld te creëren. Deze systemen bevatten vaak een aparte subwoofer voor de weergave van lage frequenties.
De geschiedenis van de ontwikkeling van luidsprekers
Net als veel andere uitvindingen uit het begin van de 20e eeuw werd de luidspreker in de loop van de tijd door meerdere uitvinders ontwikkeld, naarmate het begrip van geluidsgolven en elektrische stromen verbeterde.
Alexander Graham Bell, de uitvinder van de telefoon, leverde een belangrijke bijdrage aan de audiotechnologie door aan het einde van de 19e eeuw een vroege versie van een luidspreker te ontwikkelen. Oliver Lodge creëerde de eerste luidspreker met bewegende spoel. In 1915 patenteerden de Deense ingenieurs Peter L. Jensen en Edwin Pridham de elektrodynamische luidspreker, waarbij een draadspoel die aan een diafragma was bevestigd, in een magnetisch veld werd geplaatst.
In 1925 ontwikkelden Edward W. Kellogg en Chester W. Rice de dynamische luidspreker met een diafragma, waarvoor RCA later een licentie verkreeg. Hun ontwerp bevatte veel elementen die de basis vormen van de moderne luidsprekertechnologie.
Meerdere ingenieurs hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de technologie die vandaag de dag hoogwaardige audioweergave mogelijk maakt.
De toekomst van luidsprekertechnologie
De kerntechnologie van luidsprekers is sinds de uitvinding ervan grotendeels ongewijzigd gebleven. Luidsprekers zijn inefficiënte energieomzetters: meer dan 99% van de ingevoerde energie wordt omgezet in warmte in plaats van geluid.
De toekomstige luidsprekertechnologie kan echter veranderen met grafeen, een materiaal dat in 2004 werd ontdekt. Grafeen is licht van gewicht en heeft minder energie nodig om te bewegen en geluidsgolven te creëren. Deze eigenschap is met name gunstig voor hoogfrequente drivers, die lichtgewicht materialen nodig hebben voor een efficiënte werking bij hoge frequenties.
Als de productie van grafeen kan worden opgeschaald voor commerciële producten, kunnen toekomstige luidsprekers lichter en aanzienlijk energiezuiniger worden.
Belangrijkste conclusies
- Luidsprekers zetten elektrische signalen om in geluid door middel van elektromagnetische interactie tussen een spreekspoel en een permanente magneet.
- Het diafragma beweegt in reactie op de beweging van de spreekspoel, waardoor drukgolven ontstaan die wij als geluid waarnemen.
- Er zijn meerdere drivers van verschillende grootte nodig om het volledige frequentiebereik efficiënt weer te geven.
- Impedantieaanpassing tussen luidsprekers en versterkers is noodzakelijk voor optimale prestaties en veiligheid van de apparatuur.
- De gevoeligheid geeft aan hoe efficiënt een luidspreker elektrisch vermogen omzet in geluidsuitvoer.
- Een vlakke frequentierespons is nodig voor een nauwkeurige muziekproductie en mixage
- De luidsprekertechnologie is sinds de jaren twintig van de vorige eeuw fundamenteel onveranderd gebleven, hoewel de materialen steeds beter worden.
Veelgestelde vragen
Wat is het belangrijkste verschil tussen een woofer en een tweeter?
Een woofer is een grote driver die is ontworpen om lage frequenties (bas) weer te geven. Een tweeter is een kleine driver die is ontworpen om hoge frequenties (treble) weer te geven. Elke drivergrootte is geoptimaliseerd voor zijn specifieke frequentiebereik vanwege fysieke beperkingen: kleine drivers kunnen niet genoeg lucht verplaatsen voor bas, en grote drivers kunnen niet snel genoeg bewegen voor hoge frequenties.
Waarom is de impedantie van luidsprekers belangrijk?
De impedantie van de luidspreker moet overeenkomen met de specificaties van de versterker om een goede werking, optimale geluidskwaliteit en veiligheid van de apparatuur te garanderen. Een verkeerde impedantie kan leiden tot verminderde geluidskwaliteit, oververhitting van de versterker en permanente schade aan de apparatuur.
Wat meet de gevoeligheid van een luidspreker?
De gevoeligheid van een luidspreker, gemeten in decibel (dB), geeft aan hoe efficiënt een luidspreker elektrisch vermogen omzet in geluidsoutput. Een hogere gevoeligheid betekent dat de luidspreker meer volume produceert met hetzelfde vermogen. Gevoeligheid is nuttiger dan het vermogen bij het vergelijken van het geluidsvolume van luidsprekers.
Wat is een vlakke frequentierespons en waarom is dit belangrijk?
Een vlakke frequentierespons betekent dat de luidspreker alle frequenties op hetzelfde niveau weergeeft, zonder bepaalde bereiken te benadrukken of te verminderen. Dit is noodzakelijk voor muziekproductie omdat het zorgt voor een nauwkeurige weergave van de audiobron, waardoor producers de juiste beslissingen kunnen nemen op het gebied van mixen en masteren.
Hoe werkt een crossover in een luidspreker met meerdere drivers?
Een crossover splitst het audiosignaal in verschillende frequentiebereiken en stuurt elk bereik naar de juiste driver. In een tweewegluidspreker stuurt de crossover bijvoorbeeld hoge frequenties naar de tweeter en lage frequenties naar de woofer, zodat elke driver alleen de frequenties weergeeft waarvoor hij is ontworpen.
