Zvučnik
Zvučnik je elektromagnetska, elektrostatička ili piezoelektrična naprava koja pretvara električne signale u zvučne talase, suprotno od mikrofona.[1][2] Najčešće je elektromagnetskog (dinamičkog) tipa.
Istorija
urediPrvi je zvučnik je bila telefonska slušalica koju je 1876. patentirao Aleksander Grejam Bel. Nedugo zatim usledila je poboljšana verzija Ernsta Simensa u Nemačkoj i Engleskoj 1878. Veruje se da je sličnu napravu stvorio 1881. i Nikola Tesla. Modernu konstrukciju zvučnika s pomičnom zavojnicom ostvario je Oliver Lodž u Engleskoj 1898.
Princip pomične zavojnice patentirali su 1924. dva Amerikanaca, Čester V. Rajs i Edvard V. Kelog. Postoji debata po kojoj je Britanac Pol Voj pre njih podneo patentni zahtev koji je tek naknadno prihvaćen. Voj je 1928. napravio prvi zvučnik koji je mogao da delotvorno reprodukuje celi raspon frekvencija, a takođe je razvio i prvi sitem za kućnu upotrebu, međutim koristio je elektromagnete umesto permanetnih magneta.
Prvi su zvučnici koristili elektromagnete, jer je u to doba cena permanentnih magneta potrebne veličine i snage bila prevelika. Elektromagnet se pobuđivao istosmernom strujom kroz zavojnicu koja je obično služila i kao prigušnica u ispravljaču pojačala na koje je zvučnik bio priključen.
Vrste zvučnika
urediPrema načinu pretvaranja električne energije u zvuk postoji nekoliko vrsta savremenih zvučnika: dinamički zvučnik, elektrostatski zvučnik, i piezoelektrični zvučnik. Najčešće se u upotrebi sreće dinamički zvučnik koji koristi energiju magnetskog polja. Znatno kvalitetniji i skuplji su elektrostatski zvučnici koji koriste energiju električnog polja. U komercijalnoj upotrebi se nalaze i piezoelektričin zvučnici koji koriste efekt mehaničkog oscilovanja pojedinih kristala pod uticajem električnog napona.
Elektromagnetski (dinamički) zvučnik
urediElektromagnetski ili dinamički zvučnik se sastoji od stalnog (permanentnog) magneta i elektromagneta koji je pričvršćen za papirnu ili plastičnu dijafragmu. Prolaskom električne struje kroz zavojnicu elektromagneta, on se pomjera zajedno sa dijafragmom, jer se nalazi u magnetskom polju stalnog magneta. Pomjeranje dijafragme dovodi do zgušnjavanja i razrjeđivanja vazduha pored nje, i nastaje zvuk.
Prolazak struje kroz elektromagnet u jednom smjeru dovodi do privlačenja dijafragme ka elektromagnetu. Suprotan smjer struje dovodi do udaljavanja dijafragme od magneta.
Pošto je signal naizmjeničan, dijafragma u normalnoj operaciji vibrira u skladu sa jačinom i smjerom struje. Pomjeranje je proporcionalno jačini struje, a smjer pomjeranja smjeru struje u elektromagnetu.
Piezoelektrični zvučnik
urediPiezolektrični zvučnici ulaze u širu upotrebu. Bazirani su na principu piezoelektričnog efekta. U njima protok struje kroz piezo kristal dovodi do deformacije istog. Ako je kristal pričvršćen za membranu ovo se može iskoristiti za stvaranje zvuka.
Problem je slaba reprodukcija niskih frekvencija.
Elektrostatički zvučnik
uredi
Radi na principu sličnom kao kondenzatorski mikrofon. Postoje dvije provodne ploče, od kojih je jedna savitljiva, i jednosmjerni napon je priključen na njih, tako da je savitljiva ploča uvijek pod određenim opterećenjem. Kada se naizmjenični signal superponira jednosmjernom, dolazi do vibracija savitljive ploče, koje stvaraju zvuk.
Problemi su potrebne velike dimenzije za reprodukciju niskih frekvencija.
Trakasti zvučnik
urediTrakasta izbušena folija je smještena između polova magneta. Struja signala uzrokuje pomjeranje trake u magnetskom polju, proizvodeći zvuk.
Nedostaci su vrlo niska impedansa, i slabo djelovanje na niskim frekvencijama.
Dinamički zvučnik
urediKada kroz zavojnicu poteče struja, stvara se magnetsko polje, koje zajedno sa zavojnicom, u skladu s promenom smera struje, menja svoj polaritet, odnosno orijentaciju. Zavojnica je smeštena u polje permanentnog (trajnog) magneta. Polja trajnog magneta i zavojnice međusobno deluju jedno na drugo, kao i svaka druga dva magneta. Budući da je trajni magnet stacionaran, a zavojnica pokretljiva, menjanje polarizacije zavojnice i polja s promenom struje rezultira oscilovanjem zavojnice (polje gura ili privlači zavojnicu, zavisno od trenutka). Zavojnica potiskuje membranu, što proizvodi zvuk, jer se širi zvučni talas. Frekvencija zvučnoga talasa, odnosno dobijenog zvuka podudara se s frekvencijom oscilovanja zavojnice. Dinamički zvučnik je danas najčešće u upotrebi zbog svoje jednostavnosti, pouzdanosti i zadovoljavajućeg kvaliteta reprodukcije uz prihvatljive troškove izrade.
Način rada i delovi
uredi
Dinamički zvučnik koristi međudelovanje magnetskog polja permanentnog magneta i magnetskog polja zavojnice podsticane pobudnom strujom. Premda se zvučnik pobuđuje iz naponskog izvora, valja uočiti da silu koja pokreće membranu stvara električna struja. Najvažniji delovi su (slika desno): permanentni magnet, meko željezo permanentnog magneta, oscilatorna zavojnica s nosačem (voice coil), membrana s kalotom, ovjes (surround), centrator (spider) i košara.
Permanentni magnet, polni nastavci od mekog željeza i vazdušni raspor čine zajedno magnetski krug. Permanentni magnet se izrađuje iz magnetski tvrdih materijala kao što su Alniko, razne feritne strukture i sl.
Oscilatorna zavojnica je namotana na telu od čvrstog papira, duraluminjuma ili posebnih poliesterskih smola. Ostvarena tačnost oblika tela nosača mora biti vrlo velika. Zavojnica se obmotava bakarnom ili aluminijskom žicom, obično okruglog, a ređe pravokutnog preseka. Dužina same oscilatorne zavojnice mora biti ili veća ili manja od dužine vazdušnog raspora. Razlika u dužini određuje se prema proračunatom hodu membrane na rezonantnoj frekvenciji mehaničkog oscilatornog sistema uz maksimalnu pobudu.
Membrana dinamičkog zvučnika je zalepljena užim delom na telo nosača oscilatorne zavojnice te se, posledično, oscilovanje nosača oscilatorne zavojnice prenosi neposredno na membranu. Traži se da, s jedne strane, membrana bude teška i čvrsta kako bi udovoljila zahtevima za reprodukciju u niskotonskom području (niska rezonantna frekvencija mehaničkog oscilatornog sistema, velike amplitude), a s druge strane da bude čvrsta i što lakša kako bi ispunila zahteve za reprodukcijom u visokotonskom području (verni sled i najbržih promena pobudnog napona). Membrana ima najčešće oblik krnjeg stošca ili kupe s eksponencijalnim razvojem. Izrađuje se od smese materijala kao što su papir, tkanine, staklena vlakna, smole i td.
Ovjes membrane i centrator određuju kretanje oscilatorne zavojnice i same membrane po osi zvučnika. Ovjes se izrađuje kao deo same membrane ili u obliku prstena od gume ili tkanine talasastog preseka koji se naknadno lepe na košaru i membranu zvučnika. Centrator se izrađuje od tkanina talasastog preseka impregniranih termootpornim smolama. Košara zvučnika sjedinjuje sve delove zvučnika u jednu celinu. Izrađuje se livenjem ili presovanjem, a pruža čvrst oslonac za ovjes, centrator i magnetski sistem.
Mehanički sistem zvučnika
urediMehanički sistem zvučnika je prigušeni oscilatorni sistem s jednim stupnjem slobode (uz pretpostavku idealno krute membrane) koji čine: ukupna masa (masa membrane zajedno s masom oscilatorne zavojnice i nosača), elastičnost ovjesa i centratora te mehanički otpor trenja materijala na pregibnim mestima.
Uz sinusoidalnu pobudu brzina kretanja membrane u području kružne frekvencije srazmerna je pobudnoj sili i obrnuto srazmerna mehaničkoj impedanciji mehaničkog oscilatornog sistema. Na rezonantnoj frekvenciji brzina kretanja membrane biće određena veličinom otpora trenja, na frekvenciji nižoj od rezonantne elastičnošću ovjesa i centratora, a na frekvenciji višoj od rezonantne ukupnom masom oscilatornog sistema.
Akustički sistem zvučnika
urediOscilovanje membrane prenosi se na čestice vazduha – sredstva kroz koje se širi zvuk. Vazduh pri tome predstavlja za membranu akustičko opterećenje. Realni deo tog opterećenja je mehaničko trenje čestica i istovetan je s akustičkim otporom zračenja, dok je imaginarni deo posledica inercije mase vazduha ispred membrane.
Otpor zračenja postiže najveću vrednost u tački gde je poluprečnik membrane r približno jednak 1/3 talasne dužine. Smanjenjem frekvencije otpor zračenja pada s kvadratom kružne frekvencije. Međutim, kako je s druge strane isijana snaga proporcionalna s kvadratom brzine kretanja membrane, postavljanjem rezonantne frekvencije mehaničkog oscilatornog sistema na donji kraj prenosnog opsega nadoknađuje se pad otpora isijavanja porastom brzine kretanja membrane. Zvučnik će prema tome imati približno linearnu amplitudnu karakteristiku u području između rezonantne frekvencije i tačke maksimuma otpora isijavanja, pad od 6 dB/oktavi iznad tačke maksimuma otpora isijavanja te pad od 12 dB/oktavi ispod rezonantne frekvencije.
Električni sistem zvučnika
urediElektrična impedansa zvučnika je kompleksna veličina koja opterećuje pojačalo gde je jedan deo te impedancije svakako impedancija same električne oscilatorne zavojnice. Međutim, električne, mehaničke i akustičke veličine zvučnika čine jednu celinu te postoji i uticaj mehaničkih te znatno manje i akustičkih veličina na ukupnu impedanciju zvučnika. Može se spomenuti da indukovana protivelektromotorna sila u zavojnici neposredno zavisi od brzine oscilatorne zavojnice, te posledično uz električnu se može govoriti i elektrodinamičkoj impedanciji koja je direktno srazmerna jačini magnetske indukcije u vazdušnom rasponu, a obrnuto srazmerna veličini mehaničke impedancije na određenoj kružnoj frekvenciji. Elektrodinamička impedancija zvučnika najviše je izražena u okolini i na samoj rezonantnoj frekvenciji mehaničkog oscilatornog sistema te u tom području može i višestruko premašiti iznos električne impedancije zavojnice.
Amplitudna karakteristika dinamičkog zvučnika
urediAmplitudna karakteristika zvučnika pokazuje zavisnost zvučnog pritiska ili isijane snage kao funkciju frekvencije pobudnog napona. Već je ustanovljeno da je ona uglavnom linearna između rezonantne frekvencije zvučnika i tačke maksimuma otpora isijavanja uz odgovarajući pad ispred i iza tog frekvencijskog područja. Ovo razmatranje vredi uz pretpostavku idealno krute klipne membrane ugrađene u površinu beskonačno velikih dimenzija. Membrana zvučnika u stvarnosti nije idealno kruta, a površina konačnih dimenzija više ne odeljuje u potpunosti zračenje prednjeg i stražnjeg dela (zračenja su u protufazi). Za frekvencije koje se nalaze iznad maksimuma otpora zračenja membrana se ne može smatrati idealno krutim štapom te pojedini delovi membrane počinju da osciluju s različitim fazama. Amplitudna i fazna karakteristika postaju u tom području vrlo nepravilne, a zvučnik se za manje talasne dužine (više frekvencije) više ne može smatrati tačkastim izvorom te dolazi do usmeravanja zračenja po osi zvučnika. Nadalje, za frekvencije iznad kojih 1 kHz može se računati i na uticaj induktivnog otpora oscilatorne zavojnice zvučnika te je konačni pad amplutudne karakteristike u tom području 12 dB/oktavi. Prema nižim frekvencijama prilike su takođe nepovoljnije. Zavisno od dimenzija površina na koju je ugrađen zvučnik, dolazi do tzv. „akustičkog kratkog spoja” uz dodatni pad od 6 dB/oktavi prema nižim frekvencijama.
Dinamički zvučnik u zvučničkoj kutiji
uredi
Potreba za odvajanjem prednjeg i zadnjeg dela zračenja uslovljava ugradnju zvučnika na površinu što većih dimenzija, što je u stvarnosti praktično nemoguće izvesti. Zvučnik se zato zatvara u zvučničku kutiju i time je zračenje prednjeg i stražnjeg dela potpuno odvojeno. Zadnji deo zračenja se apsorbuje u samoj kutiji, a rezonantna frekvencija zatvorenog zvučnika se povisi jer zatvoreni vazduh svojom krutošću smanjuje elastičnost ovesa zvučnika. Zbog toga se frekvencijsko područje zvučnika ugrađenog u zvučničku kutiju sužava prema nižim frekvencijama. Zvučniku koji je ugrađen u zvučničku kutiju prijenosni opseg u niskotonskom području može se u izvjesnoj mjeri proširiti na donjem rubu prenosnog frekvencijskog opsega i to ugradnjom zvučnika u tzv. „bas-refleks” zvučničku kutiju.
Bas-refleksna zvučnička kutija ima na prednjoj strani otvor sa svojstvima akustičke induktivnosti (inercija mase vazduha koji osciluje u otvoru, odn. cevi). Akustička induktivnost čini rezonantni krug sa akustičkom kapacitivnosti elastičnosti vazduha zatvorenog u kutiji te ugađanjem rezonantne frekvencije akustičkog rezonatora na rezonantnu frekvenciju zvučnika proširuje se upotreba frekvencijskog područja zvučnika uz iskorištenje zadnjeg dela zračenja na najnižim frekvencijama u okolini rezonatne frekvencije zvučnika. Osim bas-refleksnih zvučničkih kutija postoje i druge izvedbe zvučničkih kutija koje svojim oblikom i građom prilagođavaju fizička svojstva oscilovanja vazduha (akustičku impedanciju vazduha) karakterističnim svojstvima zvučnika (eksponencijalne zvučničke kutije) ili se zračenje zadnje strane zvučnika zakreće u fazi te na pogodan način potpomaže zračenju prednje strane membrane zvučnika.
Prenosne karakteristike dinamičnog zvučnika
uredi
Pri ispitivanju i opisivanju svojstva dinamičkog zvučnika koriste se različi merni metodi i načini njihovog prikazivanja. Prenosne karakteristike zvučnika ispituju se najčešće merenjem amplitudnih i tranzijentnih karkteristika, merenjem različitih vrsta nelinearnih izobličenja te merenjem efikasnosti i usmerne karakteristike. Zbog niza međusobno isključivih konstrukcijskih zahteva, izrazito je teško konstruisati zvučnik koji će na zadovoljavajući način preneti celi čujni frekvencijski opseg (rezonantna frekvencija, prečnik zvučnika, usmerena karakteristika, otpor isijavanja, ....), naročito tamo gde se traži veća izlazna snaga, odn. opteretivost zvučnika. Sve ti zahtevi mogu biti daleko lakše ispunjeni ukoliko se frekvencijsko područje deli na dva, tri ili znatno ređe četiri dela gde svaki zvučnik reproducira samo jedno, uže frekvencijsko područje. Kako u takvim sistemima pojedini zvučnik umesto skoro 10 oktava (širokopojasni zvučnik) mora reprodukovati znatno uže frekvencijsko područje, daleko ga je lakše optimalno konstruirati za područje za koje je namenjen. U takvim, višestaznim zvučničkim sistemima, posebno izvedenim električkim filtrima se iz reprodukcijskog opsega u većoj ili manjoj meri uklanjaju oni delovi spektra gde se zvučnik više ne ponaša kao idealno kruti štap i tačkasti izvor (parcijalne oscilacije, interferencija) ili oni delovi spektra gde bi ga velike amplitude mogle mehanički ili električki uništiti.
Vidi još
urediReference
uredi- ^ Ballou, Glen (2008). Handbook for Sound Engineers, 4th Ed. (na jeziku: engleski). Taylor and Francis. str. 597. ISBN 978-1136122538.
- ^ Talbot-Smith, Michael (1999). Audio Engineer's Reference Book (na jeziku: engleski). CRC Press. str. 2.52. ISBN 978-1136119743.
Literatura
uredi- Principles of Electric Circuits, 7th edition, Thomas I. Floyd. . Prentice Hall. pp. 392-393. ISBN 9780-13-098576-7..
- Basic Audio & Video Systems, D. Harvey, Mohawk College, Hamilton, Ontario, pp. 41 do 56.
