Hoe werken luidsprekers

Ook al bestaan ​​hifi-luidsprekers al meer dan 70 jaar, voor veel nieuwkomers in de audiowereld kunnen deze houten kisten met verschillende componenten en openingen mysterieus overkomen. Daarom hebben we dit artikel samengesteld voor degenen die net aan hun reis in de wereld van geluid van hoge kwaliteit zijn begonnen.

Het is belangrijk om te begrijpen dat, ondanks decennia van technologische vooruitgang op het gebied van ontwerp en productie, het fundamentele principe achter de manier waarop luidsprekers (of akoestische transducers) werken nauwelijks is veranderd sinds Edward Kellogg en Chester Rice het voor het eerst introduceerden in 1925. Of we het nu hebben over de kleine luidsprekers in je smartphone, de soundbar onder je tv of de enorme luidsprekers tijdens een concert, ze hebben allemaal hetzelfde basisontwerp.

De evolutie van hifisystemen heeft ons een ongelooflijke geluidskwaliteit gebracht, maar als u de basisprincipes achter luidsprekertechnologie begrijpt, kunt u weloverwogen beslissingen nemen bij het bouwen van uw eigen audiosysteem.

Hoe werkt een luidspreker?

Voordat we ingaan op de details van hoe luidsprekercomponenten werken, nemen we even de tijd om te begrijpen hoe luidsprekers in het algemeen geluid creëren. Het versterkte audiosignaal wordt naar een metalen spoel van draad gestuurd. Terwijl de elektrische stroom door de spoel vloeit, werkt deze samen met een magneet in de luidspreker, waardoor het diafragma gaat trillen.

Deze trillingen verplaatsen de lucht en creëren geluidsgolven die een exacte replica zijn van het originele audiosignaal. En zomaar hoor je het geluid, of het nu muziek is of iemands stem. Dit is natuurlijk een vereenvoudigde uitleg, maar nu we een basiskennis hebben, gaan we het verder uitsplitsen.

De luidspreker, of geluidstransducer, is het belangrijkste onderdeel van elk luidsprekersysteem, waardoor we audio kunnen horen. Zijn taak is om het elektrische signaal van de versterker om te zetten in akoestische geluidsgolven die door de lucht reizen en onze oren bereiken.

Om verbinding te maken met de versterker heeft de luidspreker twee aansluitingen die zijn verbonden met een spreekspoel die verborgen is in de luidspreker. Deze spoel bevindt zich in een smalle opening tussen de polen van een permanente magneet aan de achterkant van de luidspreker. Wanneer wisselstroom (het elektrische audiosignaal) door de spoel stroomt, beweegt deze heen en weer – volgens de principes van elektromagnetisme die we allemaal op school hebben geleerd.

Omdat de spoel aan het diafragma is bevestigd, het gedeelte dat je aan de voorkant van de luidspreker kunt zien, beweegt het diafragma (of de kegel) ook heen en weer. Deze bewegingen genereren de geluidsgolven die wij als geluid waarnemen. Om het membraan vrij te laten bewegen, is het op een flexibele rand gemonteerd. Hoe groter de amplitude van de beweging van het middenrif, hoe luider het geluid dat we horen.

Wat zit er in een luidspreker?

Laten we eens een kijkje nemen in een luidspreker en uiteenzetten hoe elk onderdeel een rol speelt bij het creëren van geluid.

Spreker

De belangrijkste taak van een luidspreker is het omzetten van een elektrisch signaal in geluidsgolven. Het is in wezen de “motor” die de geluidsproductie aandrijft.

De belangrijkste componenten van een spreker zijn onder meer:

• Pool;
• Achterplaat;
• Magneet;
• Bovenplaat;
• Spreekspoel;
• Mand;
• Spin;
• Kegel en rand;
• Stofkap.

Paal, achterplaat en bovenplaat

De pool fungeert als een geleider en coördineert het gehele magnetische systeem van de luidspreker. Het bevindt zich in het midden en stuurt het magnetische veld. De achterplaat bevindt zich achter de paal, terwijl de bovenplaat er direct boven zit.

Magneet

De magneet zorgt voor een constante bron van magnetische energie in de luidspreker, omringd door de paal en platen die helpen het magnetische veld te focusseren. Hij is bevestigd aan de mand van de luidspreker en wordt een permanente magneet genoemd omdat hij zijn magnetische eigenschappen voor onbepaalde tijd behoudt. Aan de andere kant wordt de spreekspoel, die samenwerkt met de magneet, pas magnetisch als er een elektrische stroom doorheen gaat.

Spreekspoel

De spreekspoel is een draad die strak om een ​​kleine cilinder is gewikkeld, ook wel een spoel genoemd. Zie het als een jojo. Wanneer een elektrisch signaal door de spoel gaat, wordt het een elektromagneet, die in wisselwerking staat met de permanente magneet in de luidspreker. Als je je natuurkundelessen nog herinnert, weet je dat gelijke ladingen elkaar afstoten en tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Deze magnetische interactie zorgt ervoor dat de spoel heen en weer beweegt, waardoor uiteindelijk geluidsgolven ontstaan.

Spin en surround

De spin is een gegolfd materiaal dat de spreekspoel ondersteunt, deze op zijn plaats houdt en tegelijkertijd strikt naar voren en naar achteren kan bewegen. Hoewel het misschien contra-intuïtief lijkt, zorgt de spin ervoor dat de spoel niet zijwaarts verschuift, waardoor een stabiele beweging behouden blijft.

De surround dient een soortgelijk doel voor de kegel. Het houdt de kegel op zijn plaats aan de bovenkant van de luidsprekermand, waardoor deze soepel kan bewegen terwijl hij geluid produceert.

Kegel

De kegel, ook wel diafragma genoemd, is een van de weinige zichtbare delen van de luidspreker. Het beweegt heen en weer als reactie op magnetische impulsen van de spreekspoel. Deze beweging creëert drukgolven in de omringende lucht en produceert de geluiden die we horen.

Stofkap

De stofkap is een klein onderdeel dat de interne onderdelen van de luidspreker beschermt tegen stof en vuil, waardoor mogelijke schade wordt voorkomen.

Mand

De mand is het frame dat alle luidsprekercomponenten bij elkaar houdt. Zoals de naam al doet vermoeden, fungeert het als een mand en verzamelt alle onderdelen in een uniforme structuur.

Zo werkt een luidspreker. Als we het echter over 'luidsprekers' hebben, bedoelen we meestal het hele systeem, niet alleen de interne componenten. Maar wat is er nog meer nodig om ervoor te zorgen dat luidsprekers effectief werken?

Elektrische componenten

Om de spreekspoel geluid te laten produceren, heeft deze een elektrisch signaal nodig. Dit is waar luidsprekeraansluitingen en gevlochten draden een rol spelen. De aansluitingen zijn de metalen aansluitpunten of poorten waar de audiokabel op de luidspreker wordt aangesloten.

Deze aansluitingen zijn verbonden met de gevlochten draad die de spreekspoel voedt en zorgen voor de nodige ‘brandstof’ om deze van stroom te voorzien. Deze draad is verantwoordelijk voor het verzenden van het elektrische signaal dat wordt omgezet in geluid.

Behuizing

De behuizing, of de luidsprekerkast, speelt een cruciale rol in de manier waarop de luidspreker functioneert. Ten eerste biedt het een afgesloten behuizing die de interne componenten beschermt tegen stof, vuil en externe elementen zoals haren van huisdieren.

Ten tweede helpt de behuizing fasevervorming te verminderen. Wanneer het diafragma van de luidspreker beweegt, produceert het geluidsgolven in beide richtingen. Zonder de behuizing zouden deze golven elkaar kunnen opheffen, wat resulteert in een slechte geluidskwaliteit.

Ten slotte beïnvloedt de behuizing de geluidsrichting en de basafstemming. Een goed ontworpen kast kan helpen het geluid te richten waar het nodig is en de perceptie van lage frequenties te verbeteren.

De behuizing is doorgaans gemaakt van dicht, stijf materiaal om ongewenste resonantie en trillingen te voorkomen. De meest voorkomende materialen zijn hout of MDF (vezelplaat met gemiddelde dichtheid), hoewel soms ook plastic wordt gebruikt.

Hoe reproduceren luidsprekers verschillende frequenties?

We hebben al besproken hoe luidsprekers elektrische energie omzetten in geluidsgolven. Niet alle geluidsfrequenties zijn echter hetzelfde, en als een enkele luidspreker het hele geluidsspectrum probeert te verwerken, zal de kwaliteit daaronder lijden.

Daarom zie je tijdens concerten vaak enorme stapels audiosystemen. Elke luidspreker is ontworpen voor een specifiek frequentiebereik: subwoofers en woofers beheren de lage frequenties, drivers voor de middentonen bestrijken de middentonen en kleine tweeters zorgen voor de hoge frequenties. Deze luidsprekers zijn anders gebouwd om deze verschillende bereiken te kunnen verwerken.

De meeste mensen willen hun studio of huiskamer uiteraard niet vullen met een grote stapel speakers en aparte drivers voor elke frequentie. Dit is waar multi-driver-luidsprekers in beeld komen.

Luidsprekers met meerdere drivers

Luidsprekers met meerdere drivers gebruiken twee, drie of zelfs vier drivers van verschillende grootte om verschillende frequenties te verwerken. Het meest voorkomende type is de luidspreker met twee drivers, ook wel een tweewegsysteem genoemd.

In een tweewegluidspreker bevindt zich een crossover: een speciaal onderdeel dat het audiosignaal in verschillende frequentiebereiken splitst. De hoge frequenties worden naar de tweeter gestuurd, terwijl de midden- en lage frequenties naar de woofer worden gestuurd, waarbij filters worden gebruikt om de frequenties op de juiste manier te verdelen.

Door gebruik te maken van een crossover kan de luidspreker het volledige geluidsbereik reproduceren met een kwaliteitsniveau dat onmogelijk zou zijn met slechts één enkele driver.

Tweeters en woofers

Als je het hebt gemerkt: de meeste hifiluidsprekers hebben meerdere drivers van verschillende groottes op het voorpaneel. Maar waarom is dat? Hoewel in theorie één enkele driver het volledige bereik aan audiofrequenties kan reproduceren, zijn er praktische beperkingen aan deze aanpak.

Tweeters en woofers

Een kleine driver kan niet genoeg lucht verplaatsen om lage frequenties op een voldoende volume te produceren. Aan de andere kant hebben grotere drivers, die goed overweg kunnen met bas, mechanische beperkingen waardoor ze hoge frequenties niet efficiënt kunnen reproduceren. Een ander belangrijk kenmerk van drivers is directiviteit, wat verwijst naar de hoek waarbinnen het geluid goed in balans is. De richtingsgevoeligheid van een driver hangt af van zijn grootte: grotere drivers hebben een smallere richtingsgevoeligheid bij hoge frequenties, terwijl kleinere moeite hebben met lage frequenties.

Hoogfrequente luidspreker

Om een ​​gebalanceerd geluid van hoge kwaliteit over alle frequenties te bereiken, gebruiken luidsprekers meerdere drivers van verschillende groottes. Elke driver is speciaal ontworpen voor een bepaald frequentiebereik: laag, midden of hoog. Om ervoor te zorgen dat elke driver alleen de frequenties ontvangt waarvoor hij is ontworpen, wordt een speciaal onderdeel gebruikt dat bekend staat als een crossover, dat het audiosignaal in verschillende frequentiebanden splitst. Maar daar zullen we het de volgende keer over hebben.

Wat is luidsprekerimpedantie?

Luidsprekerimpedantie verwijst naar de algehele weerstand tegen de stroom van elektrische stroom in een luidspreker. Het wordt gemeten in ohm en omvat zowel de weerstand van de spreekspoeldraad als de inductie die wordt veroorzaakt doordat de draad tot een spoel wordt gewikkeld. In tegenstelling tot standaardweerstand verandert de inductie met de frequentie van het signaal, een fenomeen dat bekend staat als inductieve reactantie.

Vanwege deze variabele verschilt de impedantie van de “normale” weerstand en wordt deze berekend met behulp van complexe formules, die u niet hoeft te onthouden, tenzij u een ingenieur bent. Wat belangrijk is om te onthouden is dat het matchen van de impedantie van uw luidsprekers en versterker cruciaal is voor optimale prestaties. Een niet-overeenkomende impedantie kan leiden tot een lagere geluidskwaliteit, oververhitting en zelfs schade aan de apparatuur.

Zorg er dus altijd voor dat uw luidsprekers compatibel zijn met uw versterker om problemen te voorkomen en te genieten van geluid van hoge kwaliteit zonder uw uitrusting te riskeren!

Luidsprekervermogen versus luidsprekergevoeligheid

“Groter is beter”, toch?

Niet altijd. Veel mensen denken dat een hoger wattage in luidsprekers automatisch luider geluid betekent. Maar zul je in werkelijkheid al die kracht überhaupt ten volle kunnen benutten?

Een betere manier om luidsprekers te vergelijken is door naar hun gevoeligheid te kijken. Gevoeligheid, gemeten in decibel (dB), vertelt u hoe efficiënt een luidspreker elektrische energie omzet in geluid. Hoe hoger de gevoeligheidsgraad, hoe meer geluid de luidspreker kan produceren met een bepaalde hoeveelheid vermogen. Met andere woorden, het kan elektriciteit beter omzetten in geluidsgolven.

Gevoeligheidsbeoordelingen zorgen voor een gelijk speelveld bij het vergelijken van luidsprekerprestaties en -vermogen. Als u echter een externe versterker gebruikt, moet u er nog steeds rekening mee houden hoeveel vermogen de luidsprekers kunnen verwerken. Het belastbaarheidsvermogen geeft aan hoeveel elektrisch vermogen een luidspreker kan verdragen zonder beschadigd te raken. Het is dus belangrijk om het uitgangsvermogen van uw versterker af te stemmen op het vermogen van de luidspreker.

De keuze tussen hoge of lage gevoeligheid hangt af van de behoeften van uw systeem. Als energie-efficiëntie belangrijk is (zoals bij draagbare luidsprekers of autoradiosystemen), heb je luidsprekers met een hogere gevoeligheid nodig. In een professionele audio-opstelling heb je daarentegen mogelijk luidsprekers met een hoger vermogen nodig.

Frequentierespons

Als we het hebben over de frequentierespons van een luidspreker, hebben we het over het vermogen ervan om geluid over verschillende frequentiebereiken te reproduceren. Omdat geen enkele luidspreker perfect is, helpt een frequentieresponsgrafiek de frequenties te onthullen waarop de spreker mogelijk te veel nadruk legt of juist ondermaats presteert.

Frequentierespons is om verschillende redenen belangrijk. Ten eerste is het van cruciaal belang bij het ontwerpen van systemen met meerdere drivers en het opzetten van crossovers, die frequenties verdelen tussen verschillende drivers. Ten tweede helpt het u bij het kiezen van de juiste luidsprekers voor uw specifieke audiobehoeften, of het nu gaat om professioneel studiowerk of het luisteren naar muziek thuis.

Veel luidsprekers van consumentenkwaliteit zijn opzettelijk afgestemd met een lichte ‘smile’-curve in hun frequentierespons om de geluidservaring te verbeteren. Als je echter in de muziekproductie werkt, heb je luidsprekers nodig met een vlakke frequentierespons. Dit zorgt ervoor dat geen enkel instrument of sample wordt gemaskeerd door dips in het frequentiebereik of kunstmatig wordt versterkt door pieken.

In wezen zorgen luidsprekers met een vlakke frequentierespons voor een nauwkeurig, helder geluid, dat de originele audiobron nauw weerspiegelt, wat cruciaal is voor nauwkeurig mixen en masteren.

Hoe zit het met koptelefoons?

Koptelefoons gebruiken dezelfde technologie als luidsprekerdrivers, maar op kleinere schaal. In wezen zijn het kleine luidsprekers die op of in uw oren zitten en een persoonlijk geluid leveren.

Hoe werken stereoluidsprekers?

Een enkele luidspreker speelt geluid doorgaans in mono af. Om een ​​volledig stereogeluidsbeeld te bereiken, hebt u twee luidsprekers nodig, die elk de linker en rechter audiosignalen uitzenden en zodanig zijn geplaatst dat een ruimtelijke geluidsomgeving wordt gecreëerd.

Maar hoe zit het met soundbars? Hoe creëren ze een stereo-effect?

Soundbars die zijn ontworpen voor stereo-uitvoer hebben meerdere drivers verspreid over de kast. Het stereosignaal wordt opgesplitst in linker- en rechterkanalen, en elke driver ontvangt zijn deel om een ​​breder stereobeeld te creëren. Deze systemen worden vaak geleverd met een extra subwoofer voor diepe bassen, perfect voor het reproduceren van lage frequenties of de schorre stem van Batman.

Wie heeft de luidspreker uitgevonden?

Net als veel andere uitvindingen uit het begin van de 20e eeuw, is het moeilijk om slechts één persoon de uitvinder van de luidspreker te noemen. De technologie evolueerde in de loop van de tijd naarmate wetenschappers en ingenieurs een beter begrip kregen van geluidsgolven en elektrische stromen.

Alexander Graham Bell, de beroemde uitvinder van de telefoon, leverde belangrijke bijdragen aan de audiotechnologie en ontwikkelde eind 19e eeuw een van de eerste versies van een luidspreker. Niet lang daarna creëerde Oliver Lodge de eerste luidspreker met bewegende spoel. In 1915 patenteerden de Deense ingenieurs Peter L. Jensen en Edwin Pridham de elektrodynamische luidspreker, waarbij een draadspiraal bevestigd aan een diafragma in een magnetisch veld werd geplaatst.

Aan de overkant van de Atlantische Oceaan ontwikkelden Edward W. Kellogg en Chester W. Rice in 1925 de dynamische luidspreker met een diafragma, waarvoor later een licentie werd verleend door RCA. Hun ontwerp omvatte veel elementen die de basis vormen van de moderne luidsprekertechnologie.

Je kunt dus met zekerheid zeggen dat veel mensen hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de technologie waarmee je tegenwoordig met geluid van hoge kwaliteit kunt genieten van muziek en films. Zoals bij veel geweldige uitvindingen was er echt een dorp nodig om de moderne luidspreker tot leven te brengen!

De toekomst van akoestische systemen

Technologie wordt kleiner en goedkoper, dat is een feit. Maar als het om luidsprekers gaat, is de kerntechnologie sinds hun uitvinding vrijwel onveranderd gebleven.

In werkelijkheid zijn luidsprekers een van de meest inefficiënte technologieën die we tegenwoordig gebruiken. Ruim 99% van de energie die in een luidspreker gaat, wordt niet omgezet in geluid. Het grootste deel ervan wordt verspild als warmte. Het is verrassend dat de Environmental Protection Agency (EPA) luidsprekers nog niet heeft verboden vanwege hun slechte energie-efficiëntie.

De toekomst van luidsprekers zou echter kunnen veranderen dankzij een nieuw materiaal dat in 2004 werd ontdekt: grafeen. Dit materiaal is ongelooflijk licht van gewicht, wat betekent dat het veel minder energie nodig heeft om heen en weer te bewegen om geluidsgolven te creëren. Dat is geweldig nieuws, vooral voor tweeters, die zulke lichtgewicht materialen nodig hebben om efficiënt te kunnen functioneren bij hoge frequenties.

Als wetenschappers de productie van grafeen met succes kunnen opschalen en in commerciële producten kunnen integreren, zouden de luidsprekers van de toekomst lichter en veel energiezuiniger kunnen zijn.

Tot die tijd zullen we het moeten doen met wat we nu hebben: mini-ruimteverwarmers die elektrische signalen omzetten in luchtdrukveranderingen, ook wel luidsprekers genoemd.