Veckans Retro.

Högtalare

En högtalare är en komponent som omvandlar en elektrisk signal till ljud och som används i till exempel radio- och tv-apparater, PA-anläggningar i konsertsalar och biografer, kyrkor, konferenslokaler, flygplatser, i ljudanläggningar för hemmabruk.
Språkligt skiljer vi på högtalarelement, som är den omvandlande enheten och högtalaren, som består av ett eller flera högtalarelement, oftast kopplade via ett delningsfilter och oftast inmonterade i en låda eller en baffel.
I en så kallad aktiv högtalare är även förstärkaren (slutsteget) inbyggd.
En högtalare i studiomiljö kallas ofta monitor.

Olika typer av högtalarelement:

Vanligast är det elektrodynamiska högtalarelementet, med anor från slutet av 1800-talet, där en spole (talspolen) fäst vid ett membran rör sig i en luftspalt med ett koncentrerat magnetfält.
En ström genom spolen skapar en mekanisk kraft som flyttar membranet/spolen proportionellt mot strömstyrkan och skapar på så sätt en ljudvåg.
Högtalarelement av denna typ kan vara utformade för att återge hela frekvensområdet, eller specialiserade för bas- och diskantregistret (tvåvägssystem), bas-, mellan- eller diskantregistret (trevägssystem) eller ytterligare uppdelat.
Elektrodynamiska element är enkla, robusta, effekttåliga.
Bashögtalarelementet har ett stort och styvt, oftast konformat membran,15-39 cm diameter, med stor slaglängd (ibland upp till flera cm) och ett stort tungt magnetsystem (ofta flera kilo).
Baselementet arbetar främst mellan ca 20 Hz upp till ca 600 Hz för de större elementen, ca 40-1 200 Hz för de mindre, där ljudvåglängden är större än membrandiametern och där det därför fungerar som en kolv som pumpar den omgivande luften fram och tillbaka.
Vid högre frekvenser svänger membranet i otakt (partialsvängningar) med ökad distorsion som följd.
Ett bra baselement har kraftigt magnetsystem med långt luftgap och ett mycket styvt membran, förr gjort av kartong men numera ofta kolfiberarmerat eller av något laminat.
Mellanregisterelementet har mindre membran, i form av en kon eller en kupol (dom), 6-12 cm i diameter och det arbetar upp till ca 4 000 Hz.
Elementet måste ha hög magnetisk flödestäthet i luftspalten för att kunna återge transienter distorsionsfritt.
Diskantelementet har numera oftast ett litet kupolformat membran i metalliserad plast eller tyg.
Elementet arbetar helt i ett frekvensområde där ljudvåglängden är mindre än membranet, vilket medför att ljudvågorna koncentreras i membranaxelns riktning, snävare med högre frekvens.
För att minimera denna oönskade inskränkning i ljudspridningen görs membranet litet.
Ibland monteras en akustisk spridningslins framför elementet.
Bredbandselement är antingen kompromisskonstruktioner som kan återge hela frekvensområdet med ett enda membran - oftast ett relativt litet hyperbelformat enkelt eller dubbelt membran, eller kombinationselement med två eller tre sammanbyggda högtalarelement, s.k. koaxialhögtalare.
För att dessa olika element skall kunna samverka kopplas de normalt genom ett delningsfilter som ser till att varje element bara återger det frekvensområde där det fungerar optimalt.
Delningsfiltret består av spolar och kondensatorer innehåller en lågpasskrets som filtrerar bort höga frekvenser, en högpasskrets som filtrerar bort låga frekvenser och ibland även en bandpasskrets som släpper igenom mellanregistret.
Elektrostatiska högtalarelement bygger på principen att ett tunt membran, rörligt upphängt i ett starkt elektriskt fält, när en spänning påförs kommer att inta det läge som svarar mot dess spänningspotential i fältet - det vill säga det rör sig som en funktion av inspänningen.
Principen har använts till bredbandselement i form av tunna paneler (ibland kompletterat med elektrodynamiska element för den djupaste basen) men är vanligast som diskantelement.
Fördelen är att membranet kan göras extremt lätt (behöver ingen egen styvhet eftersom det påverkas likformigt över hela ytan) och får därför minimal mekanisk tröghet och därmed låg distorsion och bra transientegeneskaper.
Nackdelar är den komplicerade konstruktionen med spänningsmatning och impedansomvandling (en transformator som omvandlar den låga spänningen från förstärkaren (<50 volt) till de stora spänningssving som krävs för att driva membranet (ett par tusen volt), samt att ytan måste vara mycket stor för att återge bas (elementet måste vara sin egen baffel: se nedan)
Magnetostatiska högtalarelement fungerar på samma sätt som den elektrostatiska, men membranet hänger i ett magnetfält istället för ett elektriskt fält.
Vanligast är att membranet består av en tunn plastfilm med en metallfolie, där etsade slingor fungerar som talspole, mellan två perforerade metallplattor med permanentmagneter.
Som diskantelement finns även versioner med ett metallband i en magnetspalt.
Finns både som bredbandselement (kvadratmeterstora paneler) men oftare som diskantelement kompletterad med elektrodynamiska element för övriga register.
Fördelen är även här ett lätt membran med liten tröghet - nackdelarna tung och dyr konstruktion och mycket låg verkningsgrad.
Piezoelektriska högtalarelement har använts till diskantelement och bygger på principen att piezoelektriska kristallmaterial ändrar form när de utsätts för elektrisk ström.
Kristallen är kopplad till ett membran och sitter normalt i ett horn för att förbättra verkningsgraden.
Används mest i enkla sammanhang där enkel konstruktion och hög ljudstyrka är viktigare än låg distorsion.
Joniserande högtalarelement är en tämligen ovanlig princip som bygger på att luft som värms upp vid elektrisk urladdning utvidgar sig (som bullret vid ett blixtnedslag).
Ett sådant högtalarelement består av en jonisationskammare där signalen från förstärkaren åstadkommer en kontrollerad urladdning, och som ofta är kopplad till ett horn för att öka verkningsgraden.
Fördelen är att mekanisk tröghet helt saknas - nackdelen komplicerad konstruktion och svag ozonlukt vid användandet. Principen har hittills praktiskt bara använts för diskantåtergivning.

Lådor och kortslutning:

När membranet eller konen rör sig framåt blir lufttrycket framför konen högre än bakom.
Är ljudvåglängden större än membranets diameter utjämnas tryckskillnaden runt kanten på elementet - s.k. akustiskt kortslutning.
Det innebär att låga frekvenser inte kan återges om inte luften på elementets fram och baksida isoleras från varandra.
Baffel är helt enkelt en skiva stor nog att hindra akustisk kortslutning vid de frekvenser som elementet skall återge.
I diskantområdet är elementets egen storlek tillräcklig.
I mellanregistret krävs baffelyta på ett par kvadratdecimeter utöver elementets egen storlek.
I basen är problemen större - den yta som krävs för att återge djup bas är många kvadratmeter och följaktligen opraktisk i de flesta sammanhang.
Panelhögtalare (eletrostater och magnetostater) måste därför vara mycket stora för att återge bas.
Dämpning är ytterst viktigt i alla typer av högtalarlådor, genom att ordentligt använda sig av dämpningsmaterial kan man öka verkningsgraden med upp till 15%.
Högtalarlådor är den vanligaste principen och finns av flera typer.
I en sluten låda (acoustic suspension) dämpas ljudstrålningen från elementets baksida i en med dämpmaterial fylld sluten låda.
Principen ger små ytterdimensioner, förhållandevis djup bas och hög effekttålighet, men låg verkningsgrad - som bäst någon tiondels procent (alla högtalare har egentligen extremt låg verkningsgrad - omkring 1% för de allra mest lättdrivna hornsystemen.
Det innebär att minst 99% av förstärkareffekten går förlorad i mekanisk vibration, värmeutveckling etc).
För att minska dopplereffekten bör man använda sig av fler element eller ett stort.
Basreflexlådan har en noga avstämd öppning (basreflexport eller -tunnel) där ljudtrycket från membranets baksida kan samverka i fas med ljudet från membranets framsida och därigenom öka verkningsgraden i basområdet.
Basreflexlådan blir större än den slutna lådan för samma lägsta frekvens men har högre verkningsgrad och bättre dynamik.
Specialversioner är akustisk resistans (dämpmaterial för att sänka lufthastigheten i tunneln), olika varianter av venturiportar (aerodynamiskt utformad tunnel för att minska blåsljud) eller slavbas (ett tungt passivt membran i porten).
Hornsystem är konstruktioner där ljudtrycket från membranets framsida och/eller baksida kopplas till luften via ett horn (en stor tratt) som kan ha parabolisk eller exponentiell form.
Byggs numera alltid som veckade horn - d.v.s hornets form skapas av vinklade mellanväggar inom en fyrkantig högtalarlådas ytterväggar.
Hornet fungerar som en "lufttransformator", som höjer lufthastigheten och sänker trycket, vilket förbättrar kopplingen mellan element och luft.
Hornet får därför högre verkningsgrad än andra system samt bättre dynamik och transientegenskaper.
Ljudledningshögtalare (transmission line, halvvågs- eller kvartsvågspipa) är i praktiken raka rör där ljudet från membranets baksida leds genom en lång tunnel för att simulera en oändlig baffel.
Tunneln är normalt, precis som hornen, veckad i ett fyrkantigt hölje, och kan vara tom eller fylld med dämpmaterial. Ljudledaren kännetecknas av ren och djup basåtergivning.
Pelarhögtalare bygger på att flera likadana högtalarelement i linje monterade i en smal låda gör det möjligt att styra ljudutbredningen - mycket användbart för PA-ljud, i konferenslokaler, konsertsalar, kyrkor, idrottsanläggningar m.m.

Kortfattad historia:

År 1876 patenterar Alexander Graham Bell högtalare som en del av sin telefon.
År 1877 skaffade tysken Ernst Siemens patent för den första högtalaren, den 14 december.
Engelsmannen Oliver Lodge fick det andra patentet för en högtalare den 27 april 1898.
Flera olika tyska och amerikanska patent mellan 1874 och 1900 ledde gradvis fram till den första fungerande högtalaren - en trumpetliknande tratt med en rörlig spole i ett magnetfält.
1925 presenterades det första elektrodynamiska högtalarelementet för placering i en baffel och samma år kom det veckade hornet.
Den tidens förstärkare med ett rör i klass-A hade blygsamma effekter - någon enstaka watt - och mycket hög verkningsgrad hos högtalaren krävdes.
1928 patenterades den första koaxialhögtalaren.
1929 patenterades principen för elektrostatiska högtalare (fick dock ingen större praktisk betydelse förrän Quads ESL 1955).
1930 kom den första basreflexlådan och 1931-1933 utvecklades två- och trevägssystem för att kunna återge ett större frekvensområde.
1933 demonstrerades för första gången ett stereosystem med två högtalare och kablar från ett närbeläget konserthus.
1935 patenterar Paul G.A.H. Voigt Voigthornet, en högtalarkonstruktion påminnande om en orgelpipa.
1940 patenterade Paul Klipsch ett horn för hörnplacering, där rummets väggar och golv utgjorde en förlängning av själva hornet - med dittills oöverträffad basåtergivning som främsta fördel.
1941 skapade Altec Lansing de stora tvåvägshorn som under namnet "Voice of the Theatre" kom att dominera biografljudet under lång tid framåt
1954 introducerades den slutna lådan. De tillgängliga förstärkarna hade nu sådan effekt att verkningsgrad kunde offras för att få mindre och mer lättplacerade högtalarlådor.
1957 lanserades de elektrostatiska högtalarna Quad ESL (kallas oftast ESL 57)
1970 utvecklades ljudledningsprincipen.
1981 lanserades Quad ESL 63 (63 efter det år högtalarna började utvecklas) och blev världens första punktformiga ljudkälla, världens första faskorrekta samt den mest lågdistorderande högtalare som gjorts. Hittills har man inte överträffat dess egenskaper

Tekniska egenskaper:

De senare decenniernas utveckling av ljudkvaliteten har inte inneburit några stora innovationer när det gäller högtalare och högtalarelement, utan främst handlat om finputsning av tekniska data, högre effekttålighet samt längre slaglängd(x-max) mm.
Främst har det handlat om elektronisk utveckling av komponenterna före högtalaren, digitalisering av ljudkällor och förstärkare.
Högtalaren får betraktas som den primitiva och ofulländade komponenten i ljudsystemet, där det största felaktigheterna i ljudåtergivningen uppstår.

Känslighet:
Betecknar hur starkt (mätt i ljudtryck) en högtalare spelar 1 meter framför högtalaren given 1 watt.
Med 8 Ohms last (vanlig nominell impedans) motsvarar detta en inspänning på 2,83V.

Impedans:

Högtalares impedans är svårbestämd, och data kan egentligen bara ges i grafisk form.
Oftast anges någon form av medelvärde (ibland kallat nominell impedans).
Standardvärden för moderna högtalare är 4, 6 eller 8 ohm.
Impedansen varierar över högtalarens frekvensområde - den engelska tillverkaren B&W anger 8 ohm och 4,3 ohm minimum för en av sina modeller.
Förstärkaren som används bör vara anpassad till högtalarimpedansen - för låg impedans kan möjligen skada en förstärkare och en högtalare med för hög impedans kommer inte att utnyttja den fulla uteffekten och stående vågor kan bli ett faktum.
Konstruktion av transistorförstärkare blir enklare om belastningsimpedansen är något högre,därför väljs ofta 8 ohm i moderna anläggningar.