Jak działają głośniki: przewodnik po technologii głośników

Głośniki przekształcają elektryczne sygnały audio w fale dźwiękowe za pomocą zasad elektromagnetycznych. Prąd elektryczny przepływa przez cewkę głosową umieszczoną w polu magnetycznym, powodując drgania membrany i poruszanie powietrza, co tworzy dźwięki, które słyszymy.

Zrozumienie technologii głośników pomaga w podejmowaniu świadomych decyzji przy wyborze sprzętu audio do produkcji muzycznej lub odsłuchu. Pomimo postępu technologicznego w zakresie materiałów i produkcji od lat 20. XX wieku, podstawowa zasada działania pozostaje niezmienna we wszystkich typach głośników — od głośników w smartfonach po profesjonalne monitory studyjne.

W tym przewodniku dowiesz się:

• Zasady elektromagnetyczne działania głośników
• Elementy wewnętrzne i ich konkretne funkcje
• Jak głośniki odtwarzają różne zakresy częstotliwości
• Specyfikacje techniczne: impedancja, czułość, pasmo przenoszenia
• Historia i przyszłość technologii głośników

Podstawowa zasada działania głośników

Przetwornik głośnikowy (zwany również przetwornikiem) pełni jedną podstawową funkcję: przekształca energię elektryczną w ruch mechaniczny, który wytwarza fale dźwiękowe.

Kiedy sygnał audio z wzmacniacza dociera do zacisków głośnika, przechodzi przez cewkę drgającą — drut nawinięty na cylindryczny element formujący. Cewka ta znajduje się w szczelinie między biegunami magnesu stałego. Gdy prąd przemienny przepływa przez cewkę, siły elektromagnetyczne powodują jej ruch w przód i w tył.

Cewka głosowa jest przymocowana do membrany. Kiedy cewka się porusza, membrana porusza się wraz z nią, wypychając i wciągając powietrze, aby wytworzyć fale ciśnienia. Te fale ciśnienia są dźwiękiem. Amplituda ruchu membrany określa głośność, a częstotliwość ruchu określa wysokość dźwięku.

Elastyczna ramka pozwala membranie poruszać się swobodnie, zachowując jednocześnie swoją pozycję. Większy ruch membrany powoduje wyższy poziom głośności.

Wewnętrzne elementy głośnika

Każdy element wewnątrz głośnika pełni określoną funkcję w procesie wytwarzania dźwięku.

Elementy układu magnetycznego

Biegun, płyta tylna i płyta górna

Biegun znajduje się w środku i kieruje polem magnetycznym. Płyta tylna znajduje się za biegunem, a płyta górna nad nim. Te trzy elementy skupiają pole magnetyczne w szczelinie, w której działa cewka drgająca.

Magnes stały

Magnes stały zapewnia stałą energię magnetyczną. Zachowuje swoje właściwości magnetyczne bez zewnętrznego zasilania. Cewka głosowa staje się magnetyczna tylko wtedy, gdy przepływa przez nią prąd elektryczny.

Cewka drgająca

Cewka głosowa to drut nawinięty na cylindryczny element formujący (zwany również szpulą). Gdy przez cewkę przepływa sygnał elektryczny, staje się ona elektromagnesem. Siły magnetyczne między cewką głosową a magnesem trwałym powodują ruch cewki. Podobnie jak bieguny magnetyczne się odpychają, bieguny przeciwne się przyciągają. Ta interakcja powoduje ruch w przód i w tył, który wytwarza dźwięk.

Elementy konstrukcyjne

Pajączek

Pajączek to falisty materiał, który podtrzymuje cewkę głosową, umożliwiając jej ruch pionowy. Zapobiega on ruchom bocznym, utrzymując stabilny ruch tylko wzdłuż jednej osi.

Obramowanie

Obramowanie utrzymuje membranę w górnej części kosza głośnika, umożliwiając płynny ruch podczas wytwarzania dźwięku.

Membrana

Membrana (w niektórych konstrukcjach nazywana również stożkiem) jest widoczną ruchomą powierzchnią głośnika. Porusza się ona w odpowiedzi na ruch cewki głosowej, wytwarzając fale ciśnienia w powietrzu. Fale ciśnienia wytwarzają dźwięki, które słyszymy.

Osłona przeciwpyłowa

Osłona przeciwpyłowa chroni elementy wewnętrzne przed kurzem i zanieczyszczeniami, zapobiegając ich uszkodzeniu.

Koszyk

Koszyk to rama, która utrzymuje wszystkie elementy głośnika w odpowiednim położeniu.

Elementy elektryczne

Zaciski głośnikowe to metalowe punkty połączeń, w których kable audio łączą się z głośnikiem. Zaciski te łączą się z przewodem podłączonym do cewki drgającej, dostarczając sygnał elektryczny niezbędny do działania.

Obudowa głośnika

Obudowa (zwana również szafką) pełni trzy ważne funkcje:

Po pierwsze, chroni elementy wewnętrzne przed kurzem, brudem i czynnikami zewnętrznymi.

Po drugie, zmniejsza znoszenie fazowe. Kiedy membrana porusza się, wytwarza fale dźwiękowe w obu kierunkach. Bez obudowy fale te mogą się znosić, co powoduje obniżenie jakości dźwięku, szczególnie w zakresie niskich częstotliwości.

Po trzecie, obudowa wpływa na kierunek dźwięku i odpowiedź basową. Konstrukcja obudowy wpływa na to, jak słuchacze postrzegają niskie częstotliwości.

Obudowy są wykonane z gęstych, sztywnych materiałów, aby zapobiec niepożądanemu rezonansowi i wibracjom. Typowe materiały to drewno, płyta MDF (płyta pilśniowa średniej gęstości) i tworzywo sztuczne.

Jak głośniki odtwarzają różne częstotliwości

Pojedynczy przetwornik nie jest w stanie skutecznie odtwarzać wszystkich częstotliwości audio. Ograniczenia fizyczne uniemożliwiają optymalną wydajność w całym zakresie częstotliwości.

Na koncertach można zobaczyć oddzielne systemy głośników dla różnych zakresów częstotliwości: subwoofery i głośniki niskotonowe dla niskich częstotliwości, głośniki średniotonowe dla średnich częstotliwości i głośniki wysokotonowe dla wysokich częstotliwości. Każdy typ przetwornika jest zaprojektowany specjalnie dla swojego zakresu częstotliwości.

W przypadku zastosowań domowych i studyjnych problem ten rozwiązują kompaktowe głośniki wielomembranowe.

Systemy głośników wielomembranowych

Głośniki wielomembranowe wykorzystują dwa, trzy lub cztery przetworniki o różnych rozmiarach do obsługi różnych częstotliwości. Najpopularniejszą konfiguracją jest system dwudrożny, który wykorzystuje dwa przetworniki.

Komponent zwrotnicy dzieli sygnał audio na różne zakresy częstotliwości. Wysokie częstotliwości są wysyłane do głośnika wysokotonowego, natomiast niskie i średnie częstotliwości są kierowane do większego przetwornika. Zwrotnica wykorzystuje filtry do prawidłowego podziału częstotliwości.

Taka konfiguracja pozwala głośnikowi odtwarzać pełny zakres częstotliwości z wyższą jakością niż w przypadku pojedynczego przetwornika.

Dlaczego potrzebne są przetworniki o różnych rozmiarach

Większość głośników ma na przednim panelu wiele przetworników o różnych rozmiarach. Taka konstrukcja wynika z określonych ograniczeń fizycznych.

Małe przetworniki nie są w stanie poruszyć wystarczającej ilości powietrza, aby wytworzyć niskie częstotliwości o odpowiednim poziomie głośności. Duże przetworniki dobrze radzą sobie z basami, ale mają ograniczenia mechaniczne, które uniemożliwiają wydajne odtwarzanie wysokich częstotliwości.

Kierunkowość przetwornika zależy również od jego rozmiaru. Kierunkowość odnosi się do kąta, w którym dźwięk jest odpowiednio zrównoważony. Duże przetworniki mają wąską kierunkowość przy wysokich częstotliwościach, podczas gdy małe przetworniki mają ograniczoną kierunkowość przy niskich częstotliwościach.

Aby uzyskać zrównoważony dźwięk we wszystkich częstotliwościach, głośniki wykorzystują wiele przetworników. Każdy przetwornik obsługuje zakres częstotliwości, do którego został zaprojektowany. Zwrotnica zapewnia, że każdy przetwornik odbiera tylko wyznaczone dla niego częstotliwości. 

Zrozumienie impedancji głośnika

Impedancja głośnika to całkowity opór przepływu prądu elektrycznego w głośniku, mierzony w omach. Impedancja obejmuje zarówno opór drutu cewki głosowej, jak i indukcyjność spowodowaną uzwojeniem cewki.

W przeciwieństwie do standardowego oporu, indukcyjność zmienia się wraz z częstotliwością sygnału. Ta zmiana nazywana jest reaktancją indukcyjną.

Dopasowanie impedancji głośnika do impedancji wzmacniacza jest ważne dla uzyskania optymalnej wydajności. Niedopasowana impedancja może spowodować obniżenie jakości dźwięku, przegrzanie i uszkodzenie sprzętu.

Zawsze sprawdzaj, czy impedancja głośnika jest zgodna ze specyfikacją wzmacniacza.

Moc i czułość głośnika

Wiele osób zakłada, że wyższa moc oznacza głośniejszy dźwięk. To założenie jest niepełne.

Lepszym wskaźnikiem porównawczym jest czułość. Czułość, mierzona w decybelach (dB), wskazuje, jak efektywnie głośnik przekształca energię elektryczną w dźwięk. Wyższa czułość oznacza, że głośnik wytwarza więcej dźwięku przy danej mocy.

Wartości czułości umożliwiają rzetelne porównanie różnych głośników. Jednak w przypadku korzystania z zewnętrznego wzmacniacza należy również wziąć pod uwagę moc znamionową — maksymalną moc elektryczną, jaką głośnik może przyjąć bez uszkodzenia. Dopasuj moc wyjściową wzmacniacza do mocy znamionowej głośnika.

Wybierz wysoką czułość w zastosowaniach, w których ważna jest efektywność energetyczna (głośniki przenośne, samochodowe systemy audio). Wybierz wyższą moc znamionową w profesjonalnych zastosowaniach audio.

Pasmo przenoszenia

Pasmo przenoszenia opisuje zdolność głośnika do odtwarzania dźwięku w różnych zakresach częstotliwości. Wykres pasma przenoszenia pokazuje częstotliwości, w których głośnik może nadmiernie wzmacniać lub słabo odtwarzać dźwięk.

Pasmo przenoszenia jest ważne z dwóch powodów. Po pierwsze, jest niezbędne podczas projektowania systemów wielogłośnikowych i konfigurowania zwrotnic. Po drugie, pomaga wybrać odpowiednie głośniki do konkretnych potrzeb, niezależnie od tego, czy chodzi o profesjonalną pracę w studiu, czy słuchanie w domu.

Wiele głośników konsumenckich jest dostrojonych z niewielkim wzmocnieniem niskich i wysokich częstotliwości, aby poprawić wrażenia słuchowe. Jednak produkcja muzyczna wymaga głośników o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej. Płaska charakterystyka zapewnia, że żaden instrument lub próbka nie jest maskowany przez spadki częstotliwości lub sztucznie wzmacniany przez szczyty częstotliwości.

Głośniki o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej zapewniają dokładny dźwięk, który wiernie odzwierciedla oryginalne źródło audio, co jest niezbędne do precyzyjnego miksowania i masteringu.

Słuchawki

Słuchawki wykorzystują tę samą technologię co przetworniki głośników, ale w mniejszej skali. Są to małe głośniki, które umieszcza się na uszach lub w uszach, dostarczając dźwięk bezpośrednio do słuchacza.

Jak działają głośniki stereo

Pojedynczy głośnik odtwarza dźwięk w trybie mono. Aby uzyskać pełną scenę dźwiękową stereo, potrzebne są dwa głośniki, z których każdy transmituje sygnały audio lewego i prawego kanału i jest ustawiony tak, aby stworzyć szerokie środowisko dźwiękowe.

Soundbary tworzą dźwięk stereo za pomocą wielu przetworników rozmieszczonych w obudowie. Sygnał stereo jest dzielony na kanały lewy i prawy, a każdy przetwornik odbiera wyznaczoną część, aby stworzyć szerszy obraz stereo. Systemy te często zawierają oddzielny subwoofer do odtwarzania niskich częstotliwości. 

Historia rozwoju głośników

Podobnie jak wiele wynalazków z początku XX wieku, głośnik był rozwijany przez wielu wynalazców w miarę postępu wiedzy na temat fal dźwiękowych i prądów elektrycznych.

Alexander Graham Bell, wynalazca telefonu, wniósł znaczący wkład w rozwój technologii audio, opracowując pod koniec XIX wieku wczesną wersję głośnika. Oliver Lodge stworzył pierwszy głośnik z ruchomą cewką. W 1915 roku duńscy inżynierowie Peter L. Jensen i Edwin Pridham opatentowali głośnik elektrodynamiczny, w którym cewka drutu przymocowana do membrany została umieszczona w polu magnetycznym.

W 1925 roku Edward W. Kellogg i Chester W. Rice opracowali dynamiczny głośnik z membraną, który później został licencjonowany przez RCA. Ich projekt zawierał wiele elementów, które stanowią podstawę nowoczesnej technologii głośników.

Wielu inżynierów przyczyniło się do rozwoju technologii, która pozwala dziś na odtwarzanie dźwięku w wysokiej jakości.

Przyszłość technologii głośników

Podstawowa technologia głośników pozostała w dużej mierze niezmieniona od czasu jej wynalezienia. Głośniki są nieefektywnymi przetwornikami energii — ponad 99% energii wejściowej zamienia się w ciepło, a nie dźwięk.

Jednak przyszłość technologii głośników może ulec zmianie dzięki grafenowi, materiałowi odkrytemu w 2004 roku. Grafen jest lekki i wymaga mniej energii do poruszania się i wytwarzania fal dźwiękowych. Ta właściwość jest szczególnie korzystna w przypadku przetworników wysokotonowych, które wymagają lekkich materiałów do wydajnej pracy przy wysokich częstotliwościach.

Jeśli produkcja grafenu zostanie dostosowana do potrzeb produktów komercyjnych, przyszłe głośniki mogą być lżejsze i znacznie bardziej energooszczędne.

Najważniejsze wnioski

• Głośniki przekształcają sygnały elektryczne w dźwięk poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne między cewką głosową a magnesem trwałym.
• Membrana porusza się w odpowiedzi na ruch cewki głosowej, tworząc fale ciśnienia, które postrzegamy jako dźwięk.
• Aby efektywnie odtworzyć pełny zakres częstotliwości, konieczne jest zastosowanie wielu przetworników o różnych rozmiarach.
• Dopasowanie impedancji między głośnikami a wzmacniaczami jest niezbędne dla uzyskania optymalnej wydajności i bezpieczeństwa sprzętu.
• Czułość wskazuje, jak efektywnie głośnik przekształca energię elektryczną w dźwięk.
• Płaska charakterystyka częstotliwościowa jest niezbędna do dokładnego odtwarzania i miksowania muzyki.
• Technologia głośników pozostała zasadniczo niezmieniona od lat 20. XX wieku, chociaż materiały są stale ulepszane.

FAQ