Maailma, jossa elämme, on viritetty ääntä varten. Ellet asu vuoren huipulla (olet onnekas), on todennäköistä, että koet äänen tulevan monista eri kaiuttimista, kun vietät päivääsi.

Matkapuhelimet. Televisiot. Hissit. Bluetooth-kaiutin metrossa, joka pauhaa paskaa, jota et halua kuulla.

Ja mikä ehkä tärkeintä meille muusikoille, kaiuttimet antavat meille mahdollisuuden kuulla työmme täydellisessä yksityiskohdassa.

Mutta miten kaiuttimet tarkalleen ottaen toimivat? Vaikka et olisikaan utelias siitä, miten äänimakkara valmistetaan, on hyvä olla peruskäsitys kaiutintekniikasta, jos aiot viettää elämäsi studiossa.

Äänen perusteet

Ennen kuin tarkastelemme kaiuttimia, kerrataan lyhyesti, miten itse ääni toimii.

Ääni on pääasiassa mekaanista energiaa, joka liikkuu aaltojen muodossa väliaineessa - olipa se ilmaa, nestettä tai kiinteää ainetta.

Tämä liike aiheuttaa paikallisia paineen muutoksia aaltomuodon muodon mukaan, aivan kuten aaltoilu, joka syntyy, kun pudotat kiven (tai puhelimen) veteen.

Alla olevassa kuvassa näet 1 kHz:n siniaallon. Näetkö, kuinka äänenpainetaso ensin kasvaa ja sitten laskee suhteessa ympäristön paineeseen? Se on ääntä liikkeessä.

Korvissamme tuhannet pienet karvasolut reagoivat näihin paineenmuutoksiin ja muuttavat ne sähköiseksi signaaliksi, jonka aivomme voivat tulkita Nickelbackiksi. Tai miksi tahansa.

Analoginen audiosignaali on sähköenergiana esiintyvä ääni, joka esitetään jännitteen aaltomuodossa. Tässä on sama ääniaalto sähköisenä signaalina:

Digitaalinen ääni kuvaa tallennettua analogista signaalia binäärimuodossa.

Äänisignaali, olipa se analoginen tai digitaalinen, on muunnettava takaisin ääniaalloksi (mekaaniseksi energiaksi), jotta korvamme voivat ymmärtää sen.

Astu sisään puhuja.

Miten kaiuttimet toimivat: Kaiuttimet: Perusteet

Ennen kuin menemme kaiutinkomponenttien ja niiden toiminnan yksityiskohtiin, tehdään lyhyt katsaus siihen, mitä kaiutin tekee äänen luomiseksi.

Vahvistettu äänisignaali lähetetään metallilankakäämiin. Kela reagoi sen läpi kulkevaan sähkövirtaan, joka on vuorovaikutuksessa kaiuttimen sisällä olevan magneetin kanssa ja saa kalvon värähtelemään.

Kalvo liikuttaa ilmaa ja luo ääniaaltoja, jotka ovat tarkka kopio alkuperäisestä äänisignaalista. Et voila! Voit kuulla äitisi puhuvan sinulle maan toiselta puolelta.

Tämä on tietysti villiä yksinkertaistamista. Mutta nyt kun tiedämme Cliffs Notes -version siitä, miten puhujat hoitavat liiketoimintaansa, jaetaanpa asiat tarkemmin.

Mitä kaiuttimen sisällä on?

Katsotaanpa kaikkia kaiuttimen osia, jotka luovat taikaa...

Kaiutinohjain

Kaiutinohjain vastaa sähköisen signaalin muuntamisesta ääniaalloiksi. Se on moottori, joka antaa kaiuttimen äänentoiston tehon.

Sisäpuolelta ulospäin kaiuttimen muodostavat seuraavat osat:

• Napa
• Takalevy
• Magneetti
• Ylälevy
• Äänikela
• Kori
• Hämähäkki
• Kartio ja kehys
• Pölysuojus

Napa, taka- ja ylälevy

Kaiuttimen napakappale on kuin kapellimestarin kapula, joka pitää kaiuttimen läpi kulkevan äänen orkesterin synkassa. Se on keskiakseli, jonka ympärille koko magneettijärjestelmä rakentuu.

Takalevy istuu tolpan takana, eikä ole yllättävää, että ylälevy istuu sen yläpuolella.

Magneetti

Kestomagneettia ympäröivät napa ja levyt sen magneettikentän keskittämiseksi, ja se on kiinnitetty kaiutinkoriin.

Sitä kutsutaan kestomagneetiksi, koska se on aina magneetti.

Toisaalta äänikelasta tulee magneetti (tai tarkemmin sanottuna sähkömagneetti) vasta, kun siihen syötetään sähkövirtaa.

Äänikäämi

Äänikäämi on lanka, joka on tiukasti kierretty pienen sylinterin ympärille, jota joskus kutsutaan myös kelaksi. Se näyttää tavallaan jojolta.

Kun sähköinen signaali kulkee kelan läpi, siitä tulee sähkömagneetti, joka on vuorovaikutuksessa kestomagneetin kanssa.

Jos muistat luonnontieteiden tunnit, muistat, että samankaltaiset voimat hylkivät ja vastakkaiset vetävät puoleensa. Tämä magneettisten voimien vuorovaikutus luo liikkeen, joka työntää käämiä ympäriinsä ja luo lopulta ääniaaltoja.

Hämähäkki ja kehys

Hämähäkki on aallotettu materiaalikappale, joka tukee äänikelaa. Se pitää kelan paikallaan ja antaa sen liikkua vapaasti edestakaisin.

Vaikka tämä kuulostaa ristiriitaiselta, se ei ole sitä. Hämähäkkien päätehtävä on antaa äänikelan liikkua vain yhteen suuntaan, nimittäin ylös ja alas. Ilman hämähäkkiä äänikela kiertelisi kaiutinkotelossa ympäriinsä.

Ympäryslevyllä on samanlainen tehtävä kuin hämähäkillä, paitsi että se pitää kartiota paikallaan korin yläosassa.

Kartio

Kaiutinkartio, joka tunnetaan myös nimellä kalvo, on yksi niistä harvoista osista, jotka näet kaiuttimessa.

Kartio liikkuu edestakaisin vasteena äänikelan magneettipulsseille. Kartio liikkuu ja luo ympäröivään ilmaan paineaaltoja, jotka synnyttävät kuulemasi äänet.

Pölysuojus

Tämä pikku kaveri estää pölyä ja likaisia hiukkasia pääsemästä kaiutinkokoonpanoon ja sotkemasta asioita.

Kori

Se on vain hieno termi kotelolle, joka pitää kaikki kaiuttimen osat yhdessä. Se näyttää itse asiassa hieman korilta.

Tässä on siis kaikki se, mistä varsinainen puhuja koostuu. Mutta arkikielessä puhuessamme puhujista tarkoitamme koko kokonaisuutta.

Mitä muuta tarvitaan, jotta kaiuttimet toimisivat?

Sähköiset komponentit

Jotta saat äänikelan pumppaamaan hilloa, sinun on lähetettävä sille sähköinen signaali. Tämä tehdään kaiutinliittimillä ja punotulla johdolla.

Liittimet ovat metallisia kielekkeitä tai liitäntäportteja, jotka yhdistävät äänikaapelin kaiuttimeen.

Näihin liittimiin on kytketty punottu johto, joka on kiinnitetty äänikelaan ja antaa sille sen tarvitsemaa polttoainetta.

Asuminen

Kaiutin tarvitsee kotelon, jota usein kutsutaan koteloksi, toimiakseen kunnolla useista syistä.

Ensinnäkin se tarjoaa suljetun ympäristön, joka suojaa ohjaimen eri osia esimerkiksi pölyltä, lialta ja koirankarvoilta.

Toiseksi se lieventää vaiheen peruutusta. Kun kaiutinmembraani liikkuu, se luo ääniaaltoja molempiin suuntiin. Ilman koteloa nämä aallot kumoaisivat toisensa.

Lopuksi kotelo vaikuttaa siihen, miten ääni leviää. Ääni voidaan suunnata tiettyyn suuntaan, ja matalat taajuudet voidaan virittää oikein.

Kotelo on valmistettu paksusta materiaalista, joka ei ole kovin joustavaa. Puu tai keskitiheä MDF-levy on yleistä, vaikka myös muovia käytetään.

Vahvistaminen

Kaikki tämä on hienoa, mutta kaiutin ei yksinään tuota mitään hyödyllistä.

Vaikka kaiuttimia on monen muotoisia ja kokoisia, niillä kaikilla on sama vaatimus: äänisignaali on voimakkaampi kuin toistolaitteiden, kuten television tai ääniliitännän, lähettämä linjatason signaali.

Tehovahvistinta käytetään signaalin vahvistamiseen linjatasolta kaiutintasolle. Kaiuttimista riippuen tämä voi olla ulkoinen yksikkö tai sisäänrakennettu itse kaiutinkoteloon.

Aktiiviset kaiuttimet

Aktiivikaiuttimissa on sisäänrakennettu vahvistin Yamaha HS5 on suosittu aktiivikaiutin studiomonitorointiin.

Passiiviset kaiuttimet

Passiiviset kaiuttimet vaativat ulkoisen tehovahvistimen, jotta äänisignaalista voidaan tuottaa ääniaaltoja.

JBL PRX412 on vankka esimerkki passiivisesta kaiuttimesta, joka tarvitsee ulkoisen tehovahvistimen, jotta se saisi tarpeeksi melua.

Miten kaiuttimet tuottavat eri taajuuksia?

Tähän mennessä olemme tarkastelleet, miten kaiuttimet muuttavat sähköenergian (signaalin) ilmanpaineaalloiksi ja siten ääneksi.

Kaikki taajuudet eivät kuitenkaan ole samanarvoisia, ja yksittäinen kaiutin, joka yrittää kattaa kaiken (anteeksi sanaleikki), on todella huono.

Siksi näet keikoilla massiivisia kaiutinpinoja. Osa kattaa bassotaajuudet (subwooferit ja wwooferit), osa keskitaajuudet, ja pienet diskantit huolehtivat kaikista korkeista taajuuksista.

Nämä kaiuttimet on kaikki rakennettu eri tavalla käsittelemään eri taajuuksia, joita ne käsittelevät.

Kaikki eivät kuitenkaan halua studioonsa (tai olohuoneeseensa) jättimäistä kaiutinpinoa, puhumattakaan tehovahvistimien ja taajuusmuuttajien sekamelskasta.

Sisään moniäänikaiutin.

Moniääniset kaiuttimet

Moniohjainkaiuttimissa käytetään 2, 3 tai jopa 4 erikokoista ohjainta, jotka käsittelevät eri taajuuksia. Yleisin näistä on kaksoiskaiutin, jota kutsutaan joskus kaksitiekaiuttimeksi.

Kaksisuuntaisen kaiutinkaapin sisällä on taajuusmuuttaja, joka lähettää kaikki korkeat taajuudet korkea- ja matalasuodattimen kautta korkea- ja matalasuodattimen kautta korkea- ja matalataajuusalueet korkeakaiuttimelle ja keskitaajuusalueet syväkaiuttimelle.

Käyttämällä crossoveria tällä tavoin kaiutin tuottaa koko taajuusalueen ja säilyttää samalla äänenlaadun, jota yksittäinen kaiutin ei pystyisi saavuttamaan.

Jos teet musiikkia kotistudiossasi, on todennäköistä, että käytät monitorointiin kaksisuuntaista kaiutinta, kuten edellä mainittua Yamaha HS5:tä tai alla kuvassa olevaa KRK Rokit 5 G4:ää.

Kaksoiskaiuttimet sopivat hyvin äänittämiseen ja miksaamiseen omassa studiossasi. Mutta kun on kyse masteroinnista (käytitpä sitten verkkopalvelua, kuten eMasteredia, tai annoit sen jonkun oikean henkilön tehtäväksi), haluat hieman enemmän yksityiskohtia, joten 3- tai 4-tie-kaiuttimet sopivat sinulle paremmin.

Sama pätee kaupallisiin äänitysstudioihin. He saattavat käyttää äänitykseen ja monitorointiin aktiivisia monitorikaiuttimia, mutta kun on kyse miksauksesta, he kytkevät päälle pahat pojat.

Mikä on kaiuttimen impedanssi?

Kaiutinimpedanssi on lähinnä tapa mitata kaiuttimessa kulkevan sähkövirran kokonaisvastusta.

Ohmeina mitattuna impedanssi muodostuu sekä äänikelan langan resistanssista että induktanssista, joka aiheutuu langan käämimisestä kelaksi. Induktanssi eroaa resistanssista, koska se muuttuu taajuuden mukaan - sitä kutsutaan induktiiviseksi reaktanssiksi.

Tämän muuttujan vuoksi impedanssi eroaa "normaalista" resistanssista, ja se lasketaan monimutkaisella kaavalla, jota muusikoiden ei pitäisi koskaan joutua ymmärtämään.

Sen sijaan on tärkeää sovittaa kaiuttimien ja vahvistimen impedanssi yhteen. Epäsuhtainen impedanssi voi johtaa äänenlaadun heikkenemiseen, ylikuumenemiseen ja ääritapauksissa laitteiden vaurioitumiseen.

Muistakaa lapset, että kaiuttimet on aina yhdistettävä yhteensopiviin vahvistimiin.

Kaiuttimen teho vs. kaiuttimen herkkyys

Isompi on parempi, eikö niin?

Ei aina. Useimmat kaiuttimia vertaillessaan pitävät suurempaa tehoa (watteina) suurempana äänenvoimakkuutena. Mutta pystytkö käytännössä hyödyntämään tuota tehoa täysimääräisesti?

Parempi tapa verrata kaiuttimia on tarkastella kaiuttimien herkkyyttä. Se mitataan desibeleinä ja kertoo, kuinka tehokkaasti kaiutin muuntaa sähkötehon ääneksi.

Korkeampi herkkyysluokitus tarkoittaa, että kaiutin pystyy tuottamaan enemmän ääntä tietyllä tehomäärällä. Toisin sanoen se muuntaa sähköä tehokkaammin ääniaalloiksi.

Kaiuttimien herkkyyden mittaaminen tasoittaa pelikenttää kaiuttimien tehokkuuden ja tehon vertailussa.

On kuitenkin tärkeää ottaa huomioon kaiuttimien kyky käsitellä virtaa, jos käytät ulkoista vahvistinta. Mitta edustaa sitä, kuinka paljon sähkötehoa kaiutin pystyy käsittelemään vahingoittumatta, joten on tärkeää varmistaa, että vahvistimen lähtöteho vastaa kaiuttimen tehoa.

Se, valitsetko korkean vai matalan herkkyyden kaiuttimet, riippuu asennuksesi vaatimuksista. Jos virrankäytön tehokkuus on tärkeää (esimerkiksi kannettavissa kaiuttimissa tai autostereojärjestelmissä), korkea herkkyys on paras vaihtoehto, kun taas ammattikäyttöön tarkoitetuissa äänentoistolaitteissa saatat haluta kaiuttimet, joissa on suurempi tehokapasiteetti.

Taajuusvaste

Kun puhumme kaiuttimen taajuusvasteesta, tarkoitamme sen kykyä toistaa ääntä eri taajuuksilla.

Mikään kaiutin ei ole täydellinen, joten taajuusvasteen kuvaaja auttaa meitä näkemään, missä taajuuksissa voi olla huippuja tai notkahduksia, joissa kaiutin korostaa tai alisuorittaa.

Tietyn kaiuttimen tai tiettyjen kaiuttimien taajuusvaste on tärkeä monestakin syystä.

Se auttaa ensinnäkin monikaiutinjärjestelmän suunnittelussa ja siinä, mihin ristiinkytkentäasetukset kannattaa asettaa.

Toiseksi, se auttaa valitsemaan parhaat kaiuttimet juuri siihen äänityöhön, joka sinulla on mielessäsi.

Vaikka monien kuluttajaluokan kaiuttimien taajuusvasteessa on pieni "hymy", joka sulostuttaa ääntä, musiikintuottajana haluat kaiutinparin, jonka taajuusvaste on tasainen.

Tällä tavoin mikään instrumentti tai näytekappale ei peity tuotettujen taajuuksien notkahduksesta tai kuulosta kovemmalta kuin mitä ne todellisuudessa ovat kuvaajan piikin vuoksi.

Kaiuttimien tasainen taajuusvaste varmistaa, että kaikki kuulemasi on mahdollisimman lähellä todellista tilannetta.

Entä kuulokkeet?

Kuulokkeissa käytetään samaa kaiutinohjaintekniikkaa kuin kaiuttimissa. Ne ovat itse asiassa pieniä kaiuttimia, jotka istuvat korviesi päällä (tai korvissasi).

Miten stereokaiuttimet toimivat?

Yksi kaiutin (yleensä) lähettää äänen monona. Stereoäänikentän aikaansaamiseksi tarvitaan kaksi monokaiutinta, jotka syöttävät vasemman ja oikean puolen äänisignaalin ja jotka on sijoitettu sopivasti.

Mutta oletko koskaan katsonut soundbaria ja miettinyt, miten stereokenttä luodaan?

Stereokuvan tuottamiseen suunnitelluissa yksittäisissä kaiutinyksiköissä on useita kaiuttimia, jotka on sijoitettu eri puolille yksikköä.

Stereosignaali jaetaan vasempaan ja oikeaan kanavaan, ja se lähetetään vaihtelevasti kummallekin ohjaimelle, jotta saadaan täysi stereokuva.

Tällaisissa kaiuttimissa on yleensä lisäkaiutin - subwoofer - matalia taajuuksia ja Batmanin ääntä varten.

Kuka keksi kaiuttimen?

Kuten monien 1900-luvun vaihteen keksintöjen kohdalla, myös kaiuttimen keksijää on vaikea tarkalleen määritellä. Se syntyi ajan myötä, kun tiedemiehet ja keksijät alkoivat ymmärtää enemmän ääniaalloista ja sähkövirrasta.

Alexander Graham Bell (joka tunnetaan puhelimen keksimisestä) edisti merkittävästi ääniteknologiaa, muun muassa kehittämällä varhaisen version kaiuttimesta 1800-luvun lopulla.

Aivan vuosisadan lopulla Oliver Lodge kehitti ensimmäisen liikkuvan kelan kaiuttimen. Vuonna 1915 tanskalainen insinööri Peter L. Jensen ja Edward Pridham saivat patentin keksinnöstään, joka koski elektrodynaamista kaiutinrakennetta, jossa käytettiin magneettikenttään sijoitettuun kalvoon kiinnitettyä lankakäämiä.

Lammen toisella puolella Edward W. Kellogg ja Chester W. Rice suunnittelivat vuonna 1925 dynaamisen kaiuttimen, jossa oli kartio ja joka lopulta lisensoitiin RCA:lle. Tähän suunnitteluun sisältyi monia seikkoja, joita pidetään nykyaikaisen kaiutintekniikan perustana.

Tarvitaan koko kylä ja kaikkea sellaista. Riittää, kun sanon, että monet kartiopäät tekivät lukemattomia päätä raastavia työtunteja varmistaakseen, että voit nauttia Nickelbackin konserteista täydellä uskollisuudella nykyään.

Puhujien tulevaisuus

Teknologia pienenee ja halpenee jatkuvasti. Me kaikki tiedämme sen. Mutta kaiuttimien osalta tekniikan perusteet eivät ole juurikaan muuttuneet sen jälkeen, kun ne keksittiin.

Itse asiassa kaiuttimet ovat yksi nykyisin käyttämistämme tehottomimmista tekniikoista. Yli 99 prosenttia kaiuttimeen menevästä energiasta tuottaa jotain muuta kuin ääntä. Suurin osa siitä muuttuu lämmöksi.

On tavallaan yllättävää, ettei EPA ole kieltänyt kaiuttimien käyttöä niiden huonon energiatehokkuuden vuoksi.

Mutta vuonna 2004 löydetyn uuden materiaalin ansiosta tulevaisuuden kaiuttimet voivat olla erilaisia.

Grafeeni on erittäin kevyt materiaali, joten se tarvitsee paljon vähemmän energiaa edestakaisen liikkeen tekemiseen paineaallon synnyttämiseksi. Erinomainen uutinen, jos olet diskantti.

Jos tiedemiehet pystyvät keksimään, miten grafeenin laajamittainen tuotanto onnistuu ja miten se voidaan integroida kaupallisiin sovelluksiin, tulevaisuuden kaiuttimet voivat olla kevyempiä ja energiatehokkaampia.

Siihen asti olemme jumissa minilämmittimissä, jotka luovat muutoksia ilmanpaineeseen sähköisten signaalien eli kaiuttimen avulla.

Menkää nyt eteenpäin ja kuunnelkaa musiikkia!