Hva gjør en høyttaler?
Øret vårt kan registrere svingninger med frekvens mellom 20–20 000 Hz (hertz). Jobben til en høyttaler er å kunne gjengi lyder i dette frekvensområdet, basert på vekselstrømsignaler den mottar fra en forsterker. Høyttaleren beveger seg i forhold til disse signalene og skaper lydbølger som vi kan høre.
Se en enkel animasjon av lydbølgene som oppstår (edumedia-sciences.com).
Det finnes mange forskjellige typer høyttalere, tilpasset for ethvert bruksområde. Noen høyttalere baserer seg på funksjonalitet, det vil si de har som oppgave å gi et signal eller en alarm. Du finner gjerne disse i vekkerklokker, mikrobølgeovner og lignende. Vi har en egen kategori for PA-høyttalere (PA = Public Address). Disse brukes til konserter samt på andre store områder hvor man skal gi opplysninger, for eksempel på en togstasjon. Det mest spennende området for mange er stereo- og surroundhøyttalere, altså høyttalere som er lagd for å skape god lyd til musikk og film. Fagfeltet for akustikk er veldig stort og interessant og kan være vel verdt å fordype seg i.
Virkemåte
Her kan du se et basselement som er konstruert for bruk i bil. Bassen har en svært kraftig magnet for å gi rikelig med "trøkk" i de lave frekvensene. Denne modellen spiller rundt 25–55 Hz, avhengig av dimensjon. Jo større elementer er, jo lavere frekvenser spiller de.
Selve høyttalerprinsippet er likt for mange høyttalere. Bakerst på elementet står magneten, det er selve motoren på høyttaleren. Den er topolt (både nord og sør) og har et hulrom i midten. På siden finner vi terminalene (pluss og minus). Herfra går det ledninger til en spole som er plassert i hulrommet i magneten. Denne spolen er festet til membranen, en "plate" i fronten av høyttaleren. Når høyttaleren mottar signaler fra forsterkeren gjennom terminalene, så vil spolen bevege seg fram og tilbake inne i magneten (Faradays lov), som igjen beveger membranen. På kraftige basselementer har membranen mye slaglengde (inn- og utbevegelse) som gjør at membranen kan revne. For å unngå dette konstrueres den med et membranoppheng av myk gummi. Alle delene monteres sammen i et chassis av metall.
Animasjon om hvordan lufta settes i bevegelse rundt en høyttaler (micro.magnet.fsu.edu)
Bass og diskant
Det er ikke så vanskelig å se for seg at høyttalere med stor diameter skaper store (lange) bølger. Lange bølger har lav frekvens, og øret oppfatter slik lyd som mørke, dype toner. Vi kaller slike toner basstoner eller bare bass. Lange bølger sprer seg mer enn korte og er derfor lettest å høre i omgivelsene. Derfor kan vi ha basskassen i bagasjerommet eller ha den plassert nesten hvor som helst i stua når vi vil ha en god filmopplevelse.
For høyttalere med liten diameter blir det selvfølgelig omvendt. Vi kaller toner med kort bølgelengde og høy frekvens for diskant. Disse høyttalerne er langt mer retningsbestemte og må peke rett mot lytteren.
Høyttalerelementer
Vi bruker begrepet høyttaler også om en kasse med flere høyttalere i. Du ser et eksempel på bildet øverst på siden. Hver høyttaler i kassen kalles et høyttalerelement.
Ett og samme høyttalerelement kan ikke gjengi alle lydfrekvenser like godt, og det er derfor vanlig å sette sammen flere høyttalerelementer med forskjellige egenskaper i én kasse for å oppnå best mulig lydgjengivelse.
Basshøyttaler
De dype og mørke basstonene har lave frekvenser og lange bølgelengder. For eksempel har en ren 100 Hz-tone bølgelengde på cirka 3,4 meter. Da ser du kanskje at man godt kunne ønske seg en stor membran for å skape slike lange bølger.
På den andre siden vil en slik stor bassmembran måtte svinge cirka 100 ganger fram og tilbake per sekund (ved 100 Hz), og det setter noen fysiske begrensninger for hvor stor det er praktisk å lage den.
Diskanthøyttaler
De høye, lyse tonene kalles diskant. En ren tone på 10 000 Hz (10 KHz) har en bølgelengde på cirka 340 ⁄ 10 000 = 0,034 meter = 3,4 centimeter. Sammenlignet med bølgelengden på en basstone ser du at den er svært kort, og vi kan derfor greie oss med en membran på bare noen centimeter i diameter.
Motsatt av bassmembranen vil diskanten svinge svært hurtig, opp mot 20 000 (20 KHz) svingninger i sekundet. Diskantelementet må være lite og lett for å henge med i slike hastigheter.
Diskanthøyttalere som gjengir spesielt høye diskanttoner, kalles også tweeter.
Akustisk kortslutning
Når en høyttalermembran svinger framover, oppstår det en trykkøkning foran den og en trykkminking bak. Vi ønsker at overtrykket på forsiden skal forplante seg rett framover, men noe av dette trykket vil i stedet utjevnes direkte til baksiden av membranen der det er lavt trykk og dermed svekke utbredelsen av lydbølgen drastisk. Dette kalles akustisk kortslutning.
Det bør derfor være et fysisk skille mellom for- og baksiden av en høyttalermembran. Vi kan oppnå dette ved å sette høyttaleren inn i et hull i en uendelig stor vegg!
I praksis ønsker vi ikke altfor store frontplater (baffel) på høyttalere, men vi tilstreber en størrelse på minst en halv bølgelengde av den laveste frekvensen høyttaleren skal gjengi.
Høyttalerkasser
For å unngå akustisk kortslutning settes høyttalerelementene inn i kasser eller kabinetter.
Høyttalere med tette kasser kalles trykkammerhøyttalere. En tett kasse fører til at lufta inne i kassen blir komprimert når membranen gjør store svingninger innover, og at det oppstår undertrykk når membranen svinger utover. Dette demper utsvinget, spesielt på de laveste frekvensene.
For å unngå dempingen ved over- eller undertrykk har man utviklet bassreflekshøyttalere. Disse høyttalerkassene har en nøye tilpasset kanal som munner ut i et hull. Trykkendringene inne i kassen kan derfor utjevnes, men kanalen fram til hullet er utformet slik at trykkutjevningen forsinkes og akustisk kortslutning unngås.
Filter/delefilter
Du har kanskje hørt begrepene toveis og treveis i forbindelse med høyttalere. Det er ikke antall elementer i et kabinett som definerer dette. Det er delefilteret som definer om lydsignalet blir delt i to eller tre områder.
Et typisk eksempel på toveis høyttalere er bokhyllehøyttalere, der delefilteret deler lydsignalet i et diskantområde og et mellomtoneområde. Dersom vi i tillegg legger til bassområdet, får vi et treveis delefilter, noe vi typisk finner i gulvstående høyttalere. Det kreves minimum ett dedikert høyttalerelement for hver deling, det kan også være flere.
Delefiltre består av kondensatorer, mostander og spoler. De kobles forskjellig utifra hvilke frekvensområde høyttalerelementene skal ha, og hvilke frekvenser som skal filtreres bort. I bassområdet skal vi for eksempel ha en spole i serie med høyttaleren, mens en diskant skal ha en kondensator i serie. Grunnideen er at delefilter skal ha så få og så gode komponenter som mulig.
Høyttalere til surroundanlegg/hjemmekinoanlegg
De siste årene har det blitt mer og mer vanlig med surroundanlegg til hjemmebruk.
Surround sound kan vi oversette til "lyd som omfavner oss" i positiv forstand. Et surroundanleggs oppgave er å gi oss mer innlevelse i filmen og få oss til å føle at vi er til stede i det som foregår på skjermen.
- Senterkanalen er antagelig den viktigste høyttaleren. Den skal være plassert så nær bildet som mulig, da alt av dialog blir spilt av denne.
- Fronthøyttalerne gir oss et inntrykk av omgivelsene handlingen foregår i.
- Bakhøyttalere gir oss et inntrykk av handlingen som forgår bak oss.
- Subwoofer gir dypbass i heftige actionscener.
Høyttalerprinsipper
Det å omdanne det elektriske lydsignalet til en fysisk membranbevegelse kan gjøres på mange forskjellige måter. Vi kan dele inn høyttalere etter hvilket prinsipp som er brukt, og du vil da få følgende fire hovedgrupper:
- elektrodynamiske
- elektrostatiske
- elektromagnetiske
- piezoelektriske
De to første gruppene ovenfor er mest brukt, og av dem igjen er nok elektrodynamiske høyttalere aller mest utbredt. Vi går ikke nærmere inn på detaljert virkemåte for alle disse prinsippene i Vg1.
Bygg høyttalere selv
Det å bygge høyttalere kan være spennende og ikke minst lærerikt. Det gir deg en god sjanse til å lære deg om frekvenser, ulike konstruksjoner og prinsipper. Du kan for eksempel ta utgangspunkt i et byggesett og tilpasse det etter ønske. Dersom du har en venn med snekkerferdigheter, kan dere gjøre det som et samarbeidsprosjekt. Hvis jobben utføres godt, vil du ha en velspillende høyttaler til en langt lavere pris enn fra en produsent. Det ligger mye stolthet i å bygge høyttalere du kan ha glede av i mange år framover. Kanskje du kan bygge høyttalere for andre også.