Jak działają głośniki

Mimo że głośniki Hi-Fi istnieją na rynku od ponad 70 lat, dla wielu nowicjuszy w świecie audio te drewniane pudełka z różnymi komponentami i otworami mogą wydawać się tajemnicze. Dlatego przygotowaliśmy ten artykuł z myślą o tych, którzy dopiero rozpoczynają swoją podróż w świat wysokiej jakości dźwięku.

Ważne jest, aby zrozumieć, że pomimo dziesięcioleci postępu technologicznego w projektowaniu i produkcji podstawowa zasada działania głośników – lub przetworników akustycznych – prawie się nie zmieniła od czasu, gdy Edward Kellogg i Chester Rice po raz pierwszy wprowadzili ją w 1925 roku. Niezależnie od tego, czy mówimy o maleńkie głośniki w smartfonie, listwa dźwiękowa pod telewizorem lub masywne głośniki na koncercie – wszystkie mają tę samą podstawową konstrukcję.

Ewolucja systemów Hi-Fi zapewniła nam niesamowitą jakość dźwięku, ale zrozumienie podstawowych zasad technologii głośników pomoże Ci podejmować bardziej świadome decyzje podczas budowania własnego systemu audio.

Jak działa głośnik?

Zanim zagłębimy się w szczegóły działania komponentów głośników, poświęćmy chwilę na ogólne zrozumienie, w jaki sposób głośniki wytwarzają dźwięk. Wzmocniony sygnał audio przesyłany jest do metalowej cewki wykonanej z drutu. Gdy prąd elektryczny przepływa przez cewkę, wchodzi on w interakcję z magnesem wewnątrz głośnika, powodując wibracje membrany.

Wibracje te poruszają powietrze, tworząc fale dźwiękowe, które są dokładną repliką oryginalnego sygnału audio. I tak po prostu słyszysz dźwięk — niezależnie od tego, czy jest to muzyka, czy czyjś głos. Oczywiście jest to uproszczone wyjaśnienie, ale teraz, gdy mamy już podstawową wiedzę, rozłóżmy to jeszcze bardziej na szczegóły.

Głośnik, czyli przetwornik dźwięku, jest kluczowym elementem każdego systemu głośnikowego, umożliwiającym słyszenie dźwięku. Jego zadaniem jest zamiana sygnału elektrycznego ze wzmacniacza na akustyczną falę dźwiękową, która przemieszcza się w powietrzu i dociera do naszych uszu.

Aby podłączyć się do wzmacniacza, głośnik posiada dwa zaciski połączone z cewką drgającą ukrytą wewnątrz głośnika. Cewka ta znajduje się w wąskiej szczelinie pomiędzy biegunami magnesu stałego znajdującego się z tyłu głośnika. Kiedy prąd przemienny (elektryczny sygnał audio) przepływa przez cewkę, porusza się tam i z powrotem – zgodnie z zasadami elektromagnetyzmu, których wszyscy uczyliśmy się w szkole.

Ponieważ cewka jest przymocowana do membrany, czyli tej części, którą widać z przodu głośnika, membrana (lub stożek) również porusza się do przodu i do tyłu. Ruchy te generują fale dźwiękowe, które postrzegamy jako dźwięk. Aby membrana mogła swobodnie się poruszać, zamontowano ją na elastycznej ramce. Im większa amplituda ruchu membrany, tym głośniejszy dźwięk słyszymy.

Co kryje się w głośniku?

Przyjrzyjmy się wnętrzu głośnika i przyjrzyjmy się roli poszczególnych części w tworzeniu dźwięku.

Głośnik

Głównym zadaniem głośnika jest konwersja sygnału elektrycznego na falę dźwiękową. Zasadniczo jest to „silnik” napędzający produkcję dźwięku.

Do kluczowych elementów głośnika zaliczają się:

• Polak;
• Płyta tylna;
• Magnes;
• Płyta górna;
• Cewka drgająca;
• Koszyk;
• Pająk;
• Stożek i otoczka;
• Osłona przeciwpyłowa.

Słup, płyta tylna i płyta górna

Biegun pełni rolę przewodnika, koordynując cały układ magnetyczny głośnika. Znajduje się w środku i kieruje polem magnetycznym. Płyta tylna znajduje się za słupkiem, natomiast płyta górna znajduje się bezpośrednio nad nim.

Magnes

Magnes stanowi stałe źródło energii magnetycznej w głośniku, otoczony biegunem i płytkami, które pomagają skupiać pole magnetyczne. Jest on przymocowany do kosza głośnika i nazywany jest magnesem trwałym, ponieważ zachowuje swoje właściwości magnetyczne przez czas nieokreślony. Z drugiej strony cewka drgająca, która oddziałuje z magnesem, staje się magnetyczna dopiero wtedy, gdy przepływa przez nią prąd elektryczny.

Cewka drgająca

Cewka drgająca to drut ciasno owinięty wokół małego cylindra, czasami zwanego szpulką. Pomyśl o tym jak o jojo. Kiedy sygnał elektryczny przechodzi przez cewkę, staje się ona elektromagnesem oddziałującym z magnesem trwałym w głośniku. Jeśli pamiętasz lekcje fizyki, wiesz, że ładunki podobne odpychają się, a ładunki przeciwne przyciągają. Ta interakcja magnetyczna powoduje, że cewka porusza się tam i z powrotem, ostatecznie tworząc fale dźwiękowe.

Pająk i otoczenie

Pająk to falisty materiał, który podtrzymuje cewkę drgającą, utrzymując ją na miejscu, jednocześnie umożliwiając jej ciągły ruch do przodu i do tyłu. Choć może się to wydawać sprzeczne z intuicją, pająk zapewnia, że ​​cewka nie przesuwa się na boki, utrzymując stabilny ruch.

Obramowanie służy podobnemu celowi stożka. Utrzymuje stożek na miejscu w górnej części kosza głośnika, umożliwiając jego płynne poruszanie się podczas wytwarzania dźwięku.

Stożek

Stożek, zwany także membraną, to jedna z niewielu widocznych części głośnika. Porusza się tam i z powrotem w odpowiedzi na impulsy magnetyczne z cewki drgającej. Ruch ten wytwarza fale ciśnienia w otaczającym powietrzu, wytwarzając dźwięki, które słyszymy.

Osłona przeciwpyłowa

Osłona przeciwpyłowa to niewielki element, który chroni wewnętrzne części głośnika przed kurzem i zanieczyszczeniami, zapobiegając potencjalnym uszkodzeniom.

Koszyk

Kosz to rama, która utrzymuje razem wszystkie elementy głośnika. Jak sama nazwa wskazuje, działa jak kosz, łącząc wszystkie części w jednolitą strukturę.

Tak działa głośnik. Kiedy jednak mówimy o „głośnikach”, zwykle mamy na myśli cały system, a nie tylko jego elementy wewnętrzne. Ale co jeszcze jest potrzebne, aby głośniki działały efektywnie?

Komponenty elektryczne

Aby cewka drgająca mogła wytworzyć dźwięk, potrzebuje sygnału elektrycznego. Tutaj z pomocą przychodzą zaciski głośnikowe i przewody w oplocie. Zaciski to metalowe punkty połączeń lub porty, przez które kabel audio łączy się z głośnikiem.

Zaciski te łączą się z plecionym przewodem zasilającym cewkę drgającą, zapewniając niezbędne „paliwo” do jej zasilania. Ten przewód jest odpowiedzialny za przesyłanie sygnału elektrycznego, który jest przekształcany na dźwięk.

Załącznik

Obudowa, czyli „obudowa” głośnika, odgrywa kluczową rolę w funkcjonowaniu głośnika. Po pierwsze, zapewnia szczelną obudowę, która chroni wewnętrzne elementy przed kurzem, brudem i elementami zewnętrznymi, takimi jak sierść zwierząt.

Po drugie, obudowa pomaga zredukować zniekształcenia fazowe. Kiedy membrana głośnika porusza się, wytwarza fale dźwiękowe w obu kierunkach. Bez obudowy fale te mogłyby się wzajemnie znosić, co skutkowałoby słabą jakością dźwięku.

Wreszcie obudowa wpływa na kierunek dźwięku i strojenie basu. Dobrze zaprojektowana obudowa może pomóc skierować dźwięk tam, gdzie jest potrzebny i poprawić percepcję niskich częstotliwości.

Obudowa jest zwykle wykonana z gęstego, sztywnego materiału, aby zapobiec niepożądanym rezonansom i wibracjom. Najpopularniejszymi materiałami są drewno lub MDF (płyta pilśniowa średniej gęstości), chociaż czasami stosuje się również tworzywo sztuczne.

W jaki sposób głośniki odtwarzają różne częstotliwości?

Omówiliśmy już, jak głośniki przekształcają energię elektryczną w fale dźwiękowe. Jednak nie wszystkie częstotliwości dźwięku są takie same i jeśli pojedynczy głośnik będzie próbował obsłużyć całe spektrum dźwięku, jakość ucierpi.

Dlatego na koncertach często można zobaczyć ogromne stosy systemów audio. Każdy głośnik jest zaprojektowany do obsługi określonego zakresu częstotliwości: subwoofery i głośniki niskotonowe zarządzają niskimi częstotliwościami, przetworniki średniotonowe pokrywają średnicę, a małe głośniki wysokotonowe dbają o wysokie częstotliwości. Głośniki te są zbudowane inaczej, aby obsługiwać te różne zakresy.

Oczywiście większość ludzi nie chce wypełniać swojego studia lub salonu dużą grupą głośników i oddzielnymi przetwornikami dla każdej częstotliwości. Tutaj z pomocą przychodzą głośniki wieloprzetwornikowe.

Głośniki z wieloma przetwornikami

Głośniki z wieloma przetwornikami wykorzystują dwa, trzy lub nawet cztery przetworniki o różnej wielkości do obsługi różnych częstotliwości. Najpopularniejszym typem są głośniki z dwoma przetwornikami, często nazywane systemem dwudrożnym.

Wewnątrz głośnika dwudrożnego znajduje się zwrotnica – specjalny element, który rozdziela sygnał audio na różne zakresy częstotliwości. Wysokie częstotliwości przesyłane są do głośnika wysokotonowego, natomiast średnie i niskie częstotliwości kierowane są do głośnika niskotonowego, przy użyciu filtrów, które odpowiednio dzielą częstotliwości.

Dzięki zastosowaniu zwrotnicy głośnik może odtwarzać pełny zakres dźwięku z poziomem jakości, który byłby niemożliwy przy użyciu tylko jednego przetwornika.

Głośniki wysokotonowe i niskotonowe

Jeśli zauważyłeś, większość głośników Hi-Fi ma na panelu przednim wiele przetworników o różnych rozmiarach. Ale dlaczego tak jest? Chociaż teoretycznie pojedynczy przetwornik może odtwarzać pełny zakres częstotliwości audio, istnieją praktyczne ograniczenia tego podejścia.

Głośniki wysokotonowe i niskotonowe

Mały przetwornik nie jest w stanie przemieścić wystarczającej ilości powietrza, aby wytworzyć niskie częstotliwości przy odpowiedniej głośności. Z drugiej strony, większe przetworniki, które dobrze radzą sobie z basem, mają ograniczenia mechaniczne, które uniemożliwiają im efektywne odtwarzanie wysokich częstotliwości. Kolejną ważną cechą przetworników jest kierunkowość, która odnosi się do kąta, pod jakim dźwięk jest odpowiednio zrównoważony. Kierunkowość przetwornika zależy od jego rozmiaru: większe przetworniki mają węższą kierunkowość przy wysokich częstotliwościach, podczas gdy mniejsze mają problemy z niskimi częstotliwościami.

Głośnik wysokiej częstotliwości

Aby uzyskać wysokiej jakości, zrównoważony dźwięk na wszystkich częstotliwościach, w głośnikach zastosowano wiele przetworników o różnych rozmiarach. Każdy przetwornik jest specjalnie zaprojektowany do obsługi określonego zakresu częstotliwości – niskich, średnich i wysokich. Aby mieć pewność, że każdy przetwornik odbiera tylko częstotliwości, dla których został zaprojektowany, zastosowano specjalny element zwany zwrotnicą, który dzieli sygnał audio na różne pasma częstotliwości. Ale o tym porozmawiamy następnym razem.

Co to jest impedancja głośnika?

Impedancja głośnika odnosi się do całkowitego oporu przepływu prądu elektrycznego w głośniku. Jest mierzona w omach i obejmuje zarówno rezystancję drutu cewki drgającej, jak i indukcyjność spowodowaną nawinięciem drutu w cewkę. W przeciwieństwie do standardowej rezystancji, indukcyjność zmienia się wraz z częstotliwością sygnału i jest to zjawisko znane jako reaktancja indukcyjna.

Ze względu na tę zmienną impedancja różni się od „zwykłej” rezystancji i jest obliczana przy użyciu skomplikowanych wzorów, których nie musisz zapamiętywać, jeśli nie jesteś inżynierem. Należy pamiętać, że dopasowanie impedancji głośników i wzmacniacza ma kluczowe znaczenie dla optymalnej wydajności. Niedopasowana impedancja może skutkować niższą jakością dźwięku, przegrzaniem, a nawet uszkodzeniem sprzętu.

Dlatego zawsze upewnij się, że głośniki są kompatybilne ze wzmacniaczem, aby uniknąć problemów i cieszyć się dźwiękiem wysokiej jakości bez narażania sprzętu!

Moc głośnika a czułość głośnika

„Większe jest lepsze”, prawda?

Nie zawsze. Wiele osób uważa, że ​​wyższa moc głośników automatycznie oznacza głośniejszy dźwięk. Ale czy w rzeczywistości będziesz w stanie w pełni wykorzystać całą tę moc?

Lepszym sposobem porównania głośników jest sprawdzenie ich czułości. Czułość mierzona w decybelach (dB) informuje, jak skutecznie głośnik przekształca energię elektryczną w dźwięk. Im wyższa czułość, tym więcej dźwięku może wytworzyć głośnik przy danej mocy. Innymi słowy, lepiej przetwarza energię elektryczną w fale dźwiękowe.

Wartości czułości wyrównują szanse przy porównywaniu wydajności i mocy głośników. Jeśli jednak korzystasz ze wzmacniacza zewnętrznego, nadal musisz wziąć pod uwagę, jaką moc mogą wytrzymać głośniki. Moc znamionowa wskazuje, ile energii elektrycznej może pobrać głośnik bez uszkodzenia, dlatego ważne jest, aby dopasować moc wyjściową wzmacniacza do mocy znamionowej głośnika.

Wybór pomiędzy wysoką lub niską czułością zależy od potrzeb systemu. Jeśli ważna jest efektywność energetyczna (np. w przypadku głośników przenośnych lub samochodowych systemów audio), potrzebne będą głośniki o wyższej czułości. Z drugiej strony, w profesjonalnej konfiguracji audio możesz potrzebować głośników o większej mocy.

Pasmo przenoszenia

Kiedy mówimy o odpowiedzi częstotliwościowej głośnika, mówimy o jego zdolności do odtwarzania dźwięku w różnych zakresach częstotliwości. Ponieważ żaden głośnik nie jest doskonały, wykres charakterystyki częstotliwościowej pomaga wykryć częstotliwości, w których głośnik może albo przesadzić, albo uzyskać słabszą wydajność.

Pasmo przenoszenia jest ważne z kilku powodów. Po pierwsze, ma to kluczowe znaczenie przy projektowaniu systemów z wieloma przetwornikami i konfigurowaniu zwrotnic, które dzielą częstotliwości pomiędzy różnymi przetwornikami. Po drugie, pomaga wybrać odpowiednie głośniki do konkretnych potrzeb audio, niezależnie od tego, czy jest to praca w profesjonalnym studiu, czy słuchanie muzyki w domu.

Wiele głośników klasy konsumenckiej jest celowo dostrojonych z lekką krzywą „uśmiechu” w odpowiedzi częstotliwościowej, aby poprawić wrażenia dźwiękowe. Jeśli jednak pracujesz przy produkcji muzycznej, potrzebujesz głośników o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej. Dzięki temu żaden instrument ani próbka nie zostanie zamaskowana przez spadki w zakresie częstotliwości lub sztucznie wzmocniona przez szczyty.

Zasadniczo głośniki o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej zapewniają dokładny, czysty dźwięk, ściśle odzwierciedlający oryginalne źródło dźwięku, co jest kluczowe dla precyzyjnego miksowania i masteringu.

A co ze słuchawkami?

W słuchawkach zastosowano tę samą technologię co przetworniki głośników, ale na mniejszą skalę. Zasadniczo są to maleńkie głośniki umieszczane na uszach lub wewnątrz nich, zapewniające spersonalizowany dźwięk.

Jak działają głośniki stereo?

Pojedynczy głośnik zazwyczaj odtwarza dźwięk w trybie monofonicznym. Aby uzyskać pełną scenę dźwiękową stereo, potrzebne są dwa głośniki, każdy transmitujący lewy i prawy sygnał audio i ustawione tak, aby stworzyć przestronne środowisko dźwiękowe.

Ale co z soundbarami? Jak tworzą efekt stereo?

Listwy dźwiękowe zaprojektowane z myślą o wyjściu stereo mają wiele przetworników rozmieszczonych w całej obudowie. Sygnał stereo jest rozdzielany na lewy i prawy kanał, a każdy przetwornik otrzymuje swoją część, aby stworzyć szerszy obraz stereo. Systemy te często są wyposażone w dodatkowy subwoofer zapewniający głębokie basy — idealny do odtwarzania niskich częstotliwości lub chropawego głosu Batmana.

Kto wynalazł głośnik?

Podobnie jak wiele innych wynalazków z początku XX wieku, trudno przypisać tylko jednej osobie wynalezienie głośnika. Technologia ewoluowała z biegiem czasu, w miarę jak naukowcy i inżynierowie lepiej rozumieli fale dźwiękowe i prądy elektryczne.

Alexander Graham Bell, słynny wynalazca telefonu, wniósł znaczący wkład w technologię audio, opracowując pod koniec XIX wieku jedną z najwcześniejszych wersji głośnika. Niedługo potem 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 z drutu przymocowana do membrany została umieszczona w polu magnetycznym.

Po drugiej stronie Atlantyku w 1925 roku Edward W. Kellogg i Chester W. Rice opracowali dynamiczny głośnik z membraną, który później uzyskał licencję firmy RCA. Ich konstrukcja zawierała wiele elementów, które stanowią podstawę nowoczesnej technologii głośników.

Można więc śmiało powiedzieć, że wiele osób przyczyniło się do rozwoju technologii, która pozwala dziś cieszyć się muzyką i filmami z dźwiękiem wysokiej jakości. Podobnie jak w przypadku wielu wspaniałych wynalazków, naprawdę trzeba było całej wioski, aby ożywić nowoczesny głośnik!

Przyszłość systemów akustycznych

Technologia staje się coraz mniejsza i tańsza – to fakt. Ale jeśli chodzi o głośniki, podstawowa technologia pozostała praktycznie niezmieniona od czasu ich wynalezienia.

W rzeczywistości głośniki są jedną z najbardziej nieefektywnych technologii, z jakich dziś korzystamy. Ponad 99% energii trafiającej do głośnika nie jest przekształcane w dźwięk. Większość z nich jest marnowana w postaci ciepła. Zaskakujące jest, że Agencja Ochrony Środowiska (EPA) nie zakazała jeszcze używania głośników ze względu na ich słabą efektywność energetyczną.

Jednak przyszłość głośników może się zmienić dzięki nowemu materiałowi odkrytemu w 2004 roku – grafenowi. Materiał ten jest niezwykle lekki, co oznacza, że ​​poruszanie się tam i z powrotem w celu wytworzenia fal dźwiękowych wymaga znacznie mniej energii. To wspaniała wiadomość, zwłaszcza dla głośników wysokotonowych, które potrzebują tak lekkich materiałów, aby skutecznie działać przy wysokich częstotliwościach.

Jeśli naukowcom uda się zwiększyć skalę produkcji grafenu i zintegrować go z produktami komercyjnymi, głośniki przyszłości mogą być lżejsze i znacznie bardziej energooszczędne.

Do tego czasu będziemy musieli zadowolić się tym, co mamy teraz — mini grzejnikami, które przekształcają sygnały elektryczne na zmiany ciśnienia powietrza, zwanymi także głośnikami.