Høgtalaren

Høgtalarens oppgåve er å omforme elekstrisk energi til akustisk energi (lyd).

Det finnes to hovedprinsipp som er i bruk i dag, elektrodynamisk og elektrostatisk. Det er den elektrodynamiske som er vanlegast.

Elektrodynamiske høgtalarar

Dette prinsippet går ut på at ein straumførande ledning som er i eit magnetfelt vil flytta seg ettersom straumen i leiaren forandrar seg. For å få større kraft bruker ein fleire ledningar vikla saman ("surra opp") til ein spole.

Hoveddelene i ein elektrodynamisk høgtalar er:

• Chassis
• Magnetsystem
• Spole
• Sentreringsring
• Membran og membranoppheng

Figuren under viser eit snitt av ein høgtalar.

Chassis

Chassiset kan vere laga av lettmetall eller plast og skal gje skikkeleg stivhet for å feste resten av delene. Dersom chassiset ikkje er stivt nok, kan det lett opptstå vridning ved montering. Dette vil gje forvrenging i lyden fordi spolen ikkje vil bli rett plassert i luftspalta (det mellomrom som spolen ligg i). Støypte lettmetallchassis er vanlegvis mest stabile og gjer mindre resonansfrekvensar.

Magnetsystem

Feltstyrken på magneten (Styrken på magnetfeltet) bestemmer kor store krefter som oppstår når det går straum i spolen. Når det går straum den eine vegen i spolen vil spolen (som er festa på membranen) bli skjøvet utover (for eksempel).

Når straumen går andre vegen vil spolen bli skjøvet andre vegen (innover).

Dette gir trykkauke og -minke på framsida av membranen. Desse trykkforandringane er proporsjonale med amplituden og frekvensen til siganlet som er tilført.

For å få størst mulig kraft mellom spolen og magneten må luftspalta vere minst mulig. Dermed må spolen lagast så tynn som mulig for at spalta skal bli tynn (spolen skal jo passa ned i spalta)

Spole

Spolen må som sagt gjerast liten. Det skule helst ha vore mange viklingar på den , men då blir spolen ganske enkelt for stor og tung og ville ikkje klart å følga dei hurtigaste frekvensane. Derfor brukes det ein liten spole med få viklingar. Diameteren på kopperstråden (ledningen) som brukes i spolen varierer etter kva effekt høgtalaren skal kunne tåle, men den kan vere ned mot 0,1mm. Vanlegvis blir spolen vikla i fleire lag, to eller fire lag. Spolen blir lagt på ei form av aluminium. Aluminium blir brukt fordi den leder varmen frå spolen best vekk. Deretter blir spolen påført eit belegg med spesiallim slik at den blir mekanisk stabil ved temperatursvingingar og ved f.eks fuktighet.

Svingeamplituden (lengden membranen går ut eine vegen) for dei lavaste frekvensane kan bli ganske stor. Me går ut frå eit eksempel der ein høgtalar gjer ut konstant akustisk effekt over eit stort frekvensområde. For eit element med diameter 8 tommer (20cm) vil dette bety at membranen må settas i mekaniske svingingar med ein amplitude på 20 mm ved 50 Hz for å gje full effekt, mens amplituden ved 500 Hz berre blir 1mm. Amplitudane ved mellomtone og diskant vil , som me ser, vera ganske små og ikkje vera noko vidare problem. Men ved bassfrekvensane må enten amplituden vere veldig stor eller så må membranen ha eit stort areal. Poenget er jo å oppnå trykkforandringar framfor mebranen.

Sentrering

Det stilles store krav til sentrering. Sentreringsringen skal holda spolen midt i luftspalta slik at den ikkje skrapar mot magneten sjølv ved store utsving. Luftspalta skal vera så lita så mulig for å gje stor magnetkraft, så sentreringa må vere veldig nøyaktig.

Dersom sentreringa er feil, kan du høyra det dersom du forsiktig presser membranen inn og slepp den ut igjen. Du vil høyra ein skrapelyd som kjem av spolen som skrapar mot magneten.

Membran og membranoppheng

Membranen er det vanskeligaste å laga i ein høgtalar. Membranen lagast ut frå erfaring frå forsøk. Membranen skal sette lufta framfor seg i bevegelse. Eit av dei grunnlegande problem er at dersom membranen er mindre enn 1/10 av lydens bølgelengde, vil evna til å sette lufta i bevegelse avta sterkt. For ein 8" membran vil dette bety at frekvenser under 200 Hz ikkje vil bli gjengitt.

• Ein stor membran gjengir mykje bass
• Ein liten membran sprer diskanten

Vanlegvis har membranane blitt laga av papirfibre men i den seinare tid har det også kome membranar av plast og metall.

For ein høgtalar som skal gjengi alle frekvensar frå bass til diskant, vil me sjå at diskanten blir laga i midten av membranen, mellomtonen blir laga i midten og lengre ut på membranen. Bassen blir laga over heile membranen, frå midten og heilt ut i kanten.

Når frekvensen er så stor at membranen ikkje klarar å svinga heilt ut før den blir trekt inn igjen, vil den oppstå delsvingingar som er svært uheldig for lyden (intermodulasjonsforvrenging). For å unngå dette deler me frekvensane i delefiltre og sender eit frekvensområde til kvar høgtalar. Dermed kan me bruka høgtalarar som er spesielt tilpassa kvart frekvensområde. Ein bruker då ein basshøgtalar (eng. woofer), ein mellomtonehøgtalar (eng. squawker) og ein diskanthøgtalar (eng. tweeter). Ein sub-woofer, som er populær å ha i bilen og som ekstra spiss på heimekinoanlegget, er ein høgtalar laga for å gje høge lydtrykk i bassen (som namnet tyder på blei denne type høgtalar brukt i tillegg til andre høgtalarar for å gje ekstra bass).

Høgtalarar for forskjellige frekvensar vil ha forskjellig dekkingsområde, sjå figuren under.

Lyden frå basshøgtalarar brer seg jevnt ut i rommet og kan høyrast like godt overalt. Men lyden frå mellomtone og diskant-høgtalarane går meir direkte ut i rommet. Diskanthøgtalaren sender omtrent all lyden rett fram.

Membranopphenget har også ein viss betydning, særleg i basshøgtalarar. Der blir opphenget ofte laga av gummi for ikkje å hindra store utsving.

Resonans

Verknadsgraden (forholdet mellom tilført og avgitt effekt/energi) til ein høgtalar varierer med frekvensen. Men for ein bestent frekvens har høgtalaren ein spesielt høg verknadsgrad. Denne frekvensen blir kalla resonansfrekvensen. Ved lavare frekvensar enn resonansfrekvensen synker verknadsgraden dramatisk. Resonansfrekvensen bør altså ligga utanfor det området ein ynskjer å bruka høgtalaren i. For å få det til må ein basshøgtalar ha ein stor membran med mjukt oppheng, som vil føra til at den er ubrukelig for mellomtone og diskant.

Verknadsgrad og følsomhet

Ein høgtalar har eigentleg ein utruleg lav verknadsgrad. Vanlegvis er den på rundt 1%. Dette er eigentleg uinterressant. Ein bruker istaden å oppgi driftseffekten eller følsomheten.

Driftseffekten er den effekt som må til for å få eit lydtrykknivå på 96dB i ein avstand på 1m. Høgtalarar med driftseffekt under 1W blir kalla lettdrevne, mens høgtalarar med ein driftseffekt på over 10W blir kalla tungdrevne.

Følsomheten er det lydtrykknivå du har i ein avstand på 1m når du tilfører 1W til høgtalaren.

Akustisk effekt er den effekten som mottas av øyra vårt. Tabellen under viser samanhengen mellom lydtrykknivå og akustisk effekt.

Oppgitt effekt for høgtalarar

Merkeeffekten er den støyeffekten høgtalaren tåler utan å ta skade ved følgende test:

Støy i 1 min, pause i 2 min, støy i 1 min. Dette gjentas i 300 timar.

Musikkeffekten er den effekten som høgtalaren tåler i frekvensområdet frå resonansfrekvensen og opp til 250 Hz.

Dette er standarer i følge DIN, vær oppmerksom på at andre målestandarar kan vere brukt ved merking av høgtalarar. Spør då forhandlar om kva forhold effekten vart målt under. Effekten kan f.eks vere målt ved 16% forvrenging som ikkje er akseptabelt når ein høyrer på musikk, eller den kan vere målt som toppeffekt, den effekt høgtalaren klarer i x antall sekund før den blir øydelagd. Pass på at du ikkje blir lurt..

Domehøgtalarar

Domehøgtalaren er ein diskanthøgtalar som har ein spesielt utforma membran som liknar på ein kuppel (eng. dome) som figuren viser. Formen på denne membranen gir stor spredningsvinkel slik at diskanten blir spredt i eit stort område. Den som er teikna her har innlagt dempingsmateriale.

Forvrenging i dynamiske høgtalarar

Den vanlegaste forvrenging er intermodulasjonsforvrenging (sjå lydteori ). Det vil bety at ein må dele opp frekvensområdet til fleire høgtalarar med eit delefilter.

Elektrostatiske høgtalarar

Prinsippet for denne type høgtalar er ikkje nytt, men prisen og frekvensområdet har hittil hindra den i å bli noko særleg utbredt. Det er derimot mykje forskning på dette og det finns no elektrostatiske høgtalarar som dekker heile frekvensområdet. Men prisen er framleis for høg.

Nedanfor ser du ei prinsippskisse for ein elektrostatisk høgtalar. Den bygger på prinsippet om elektrisk tiltrekkjing og fråstøting. Dei eine av dei ytterste platene og den midtre blir kopla til ei høg spenning (i tusen volts klassen) og deretter variert slik at plata i midten blir tiltrekt og fråstøytt vekslande med lyden. Me skal ikkje gå nærare inn på denne sidan den ikkje er så utbredt.