Świat, w którym żyjemy, jest podłączony do dźwięku. O ile nie mieszkasz na szczycie góry (szczęściarz), istnieje duże prawdopodobieństwo, że doświadczasz dźwięku dochodzącego z mnóstwa różnych głośników podczas wykonywania codziennych czynności.

Telefony komórkowe. Telewizory. Windy. Głośnik Bluetooth w metrze emitujący gówno, którego nie chcesz słyszeć.

I być może najważniejsze dla nas, muzyków, głośniki pozwalają nam słyszeć naszą pracę w nieskazitelnych szczegółach.

Ale jak dokładnie działają głośniki? Nawet jeśli nie jesteś ciekawy, jak powstaje kiełbasa dźwiękowa, dobrze jest mieć podstawową wiedzę na temat technologii głośników, jeśli planujesz spędzić życie w studiu.

Podstawy dźwięku

Zanim przyjrzymy się głośnikom, przypomnijmy sobie, jak działa sam dźwięk.

Dźwięk jest zasadniczo energią mechaniczną w postaci fal, które przemieszczają się przez medium - powietrze, ciecz lub ciało stałe.

Ruch ten powoduje lokalne zmiany ciśnienia zgodnie z kształtem fali, podobnie jak fale powstające po upuszczeniu kamyka (lub telefonu) do wody.

Na poniższym obrazku widać falę sinusoidalną o częstotliwości 1 kHz. Widzisz, jak następuje wzrost, a następnie spadek poziomu ciśnienia akustycznego w stosunku do ciśnienia otoczenia? To dźwięk w ruchu.

Wewnątrz naszych uszu tysiące maleńkich komórek rzęsatych reaguje na te zmiany ciśnienia, przekształcając je w sygnał elektryczny, który nasz mózg może zinterpretować jako Nickelback. Albo cokolwiek innego.

Analogowy sygnał audio to dźwięk w postaci energii elektrycznej, reprezentowany jako przebieg napięcia. Oto ta sama fala dźwiękowa przedstawiona jako sygnał elektryczny:

Cyfrowy sygnał audio jest odwzorowaniem zapisanego sygnału analogowego w formacie binarnym.

Sygnał audio, zarówno analogowy, jak i cyfrowy, musi zostać przekształcony z powrotem w falę dźwiękową (energię mechaniczną), aby nasze uszy mogły go zrozumieć.

Wprowadź głośnik.

Jak działają głośniki: Podstawy

Zanim przejdziemy do szczegółowych informacji na temat komponentów głośników i ich działania, przyjrzyjmy się, co głośnik robi, aby odtworzyć dźwięk.

Wzmocniony sygnał audio jest przesyłany do metalowej cewki z drutu. Cewka ta reaguje na przepływający przez nią prąd elektryczny, oddziałując z magnesem wewnątrz głośnika i powodując wibracje membrany.

Membrana porusza powietrze, tworząc fale dźwiękowe, które są dokładną kopią oryginalnego sygnału audio. Et voila! Możesz słyszeć swoją mamę rozmawiającą z tobą z drugiego końca kraju.

Oczywiście jest to zbyt daleko idące uproszczenie. Ale teraz znamy wersję Cliffs Notes tego, jak głośniki prowadzą swoją działalność, podzielmy rzeczy.

Co kryje w sobie głośnik?

Przyjrzyjmy się wszystkim elementom głośnika, które tworzą magię...

Sterownik głośnika

Przetwornik głośnikowy jest odpowiedzialny za przekształcanie sygnału elektrycznego w fale dźwiękowe. Jest to silnik, który napędza reprodukcję dźwięku przez głośnik.

Od wewnątrz na zewnątrz głośnika znajdują się następujące komponenty:

• Polak
• Płyta tylna
• Magnes
• Płyta górna
• Cewka drgająca
• Kosz
• Pająk
• Stożek i obudowa
• Osłona przeciwpyłowa

Słup, tył i płyta górna

Nabiegunnik w głośniku jest jak batuta dyrygenta, utrzymująca orkiestrę dźwięku przepływającego przez głośnik w synchronizacji. Jest to centralna oś, wokół której opiera się cały system magnetyczny.

Tylna płyta znajduje się za słupkiem, a górna płyta znajduje się powyżej.

Magnes

Magnes stały jest otoczony biegunem i płytkami, aby skupić jego pole magnetyczne i jest przymocowany do kosza głośnika.

Nazywany jest magnesem trwałym, ponieważ zawsze jest magnesem.

Z drugiej strony cewka drgająca staje się magnesem (a dokładniej elektromagnesem) tylko wtedy, gdy jest zasilana prądem elektrycznym.

Cewka głosowa

Cewka drgająca to drut ciasno zwinięty wokół małego cylindra, czasami nazywanego szpulką. Wygląda to trochę jak jo-jo.

Gdy sygnał elektryczny przepływa przez cewkę, staje się ona elektromagnesem, oddziałującym z magnesem stałym.

Jeśli pamiętasz lekcje przedmiotów ścisłych, przypomnisz sobie, że podobne siły odpychają się, a przeciwne przyciągają. Ta gra sił magnetycznych tworzy ruch, który popycha cewkę i ostatecznie tworzy fale dźwiękowe.

Pająk i otoczenie

Pająk to pofałdowany kawałek materiału, który podtrzymuje cewkę drgającą. Utrzymuje on cewkę w miejscu, pozwalając jej jednocześnie na swobodne poruszanie się w przód i w tył.

Choć brzmi to jak sprzeczność, wcale nią nie jest. Główną rolą pająka jest umożliwienie cewce drgającej poruszania się tylko w jednym kierunku, a mianowicie w górę i w dół. Bez pająka cewka drgałaby bezładnie w obudowie głośnika.

Obramowanie pełni podobną funkcję do pająka, z wyjątkiem tego, że utrzymuje stożek na miejscu w górnej części kosza.

Stożek

Znany również jako membrana, stożek głośnika jest jednym z niewielu elementów, które można zobaczyć na głośniku.

Stożek porusza się do przodu i do tyłu w odpowiedzi na impulsy magnetyczne z cewki drgającej. Ruch membrany wytwarza fale ciśnienia w otaczającym ją powietrzu, tworząc słyszalne dźwięki.

Osłona przeciwpyłowa

To maleństwo powstrzymuje kurz i cząsteczki brudu przed przedostaniem się do zespołu głośnika i zepsuciem wszystkiego.

Kosz

To tylko fantazyjne określenie na obudowę, która utrzymuje wszystkie części głośnika razem. W rzeczywistości wygląda trochę jak kosz.

Jest to więc wszystko, co składa się na rzeczywistego mówcę. Ale w języku potocznym, kiedy mówimy o głośnikach, mamy na myśli cały shebang.

Co jeszcze jest potrzebne, aby głośniki działały?

Komponenty elektryczne

Aby cewka drgająca zaczęła pompować dżem, należy wysłać do niej sygnał elektryczny. Służą do tego zaciski głośnikowe i przewód w oplocie.

Zaciski to metalowe wypustki lub porty łączące, które łączą kabel audio z głośnikiem.

Do tych zacisków podłączony jest pleciony przewód, który jest przymocowany do cewki drgającej, dostarczając jej potrzebnego paliwa.

Obudowa

Głośnik potrzebuje obudowy, często nazywanej obudową, do prawidłowego działania z kilku powodów.

Po pierwsze, zapewnia szczelne środowisko chroniące różne elementy składające się na sterownik przed kurzem, brudem i sierścią psa.

Po drugie, łagodzi anulowanie fazy. Gdy membrana głośnika porusza się, wytwarza fale dźwiękowe w obu kierunkach. Bez obudowy fale te wzajemnie by się znosiły.

Wreszcie, obudowa wpływa na sposób dystrybucji dźwięku. Dźwięk może być kierowany w określonym kierunku, a niskie częstotliwości mogą być odpowiednio dostrojone.

Obudowa wykonana jest z grubego materiału, który nie jest zbyt elastyczny. Powszechnie stosuje się drewno lub płyty MDF o średniej gęstości, choć używane są również tworzywa sztuczne.

Wzmocnienie

Wszystko to jest dobre, ale głośnik sam w sobie nie wyrzuci z siebie nic użytecznego.

Chociaż głośniki są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach, wszystkie mają te same wymagania: sygnał audio silniejszy niż sygnał liniowy wysyłany przez urządzenia odtwarzające, takie jak telewizor lub interfejs audio.

Wzmacniacz mocy służy do wzmocnienia sygnału z poziomu liniowego do poziomu głośnika. W zależności od posiadanych głośników może to być urządzenie zewnętrzne lub wbudowane w obudowę głośnika.

Głośniki aktywne

Aktywne głośniki mają wbudowany wzmacniacz Yamaha HS5 to popularne aktywne głośniki do monitoringu studyjnego.

Głośniki pasywne

Głośniki pasywne wymagają zewnętrznego wzmacniacza mocy do generowania fal dźwiękowych z sygnału audio.

JBL PRX412 to solidny przykład pasywnego głośnika, który wymaga zewnętrznego wzmacniacza mocy, aby zapewnić mu wystarczający poziom hałasu.

Jak głośniki wytwarzają różne częstotliwości?

Do tej pory przyjrzeliśmy się, w jaki sposób głośniki przekształcają energię elektryczną (sygnał) w fale ciśnienia w powietrzu, a tym samym w dźwięk.

Ale nie wszystkie częstotliwości są sobie równe, a pojedynczy głośnik próbujący objąć wszystkie bazy (przepraszam za kalambur) będzie naprawdę kiepski.

Dlatego na koncertach można zobaczyć ogromne stosy głośników. Niektóre pokrywają częstotliwości basowe (subwoofery i głośniki niskotonowe), inne średni zakres, a małe głośniki wysokotonowe zajmują się wszystkimi zakresami wysokich częstotliwości.

Wszystkie te głośniki są zbudowane w różny sposób, aby obsługiwać różne częstotliwości, którymi się zajmują.

Ale nie każdy chce mieć gigantyczny stos głośników w swoim studiu (lub salonie), nie wspominając o bałaganie związanym ze wzmacniaczami mocy i zwrotnicami.

Wprowadź głośnik z wieloma przetwornikami.

Głośniki wielogłośnikowe

Głośniki z wieloma przetwornikami wykorzystują 2, 3 lub nawet 4 przetworniki o różnych rozmiarach do obsługi różnych częstotliwości. Najpopularniejszym z nich jest głośnik z dwoma przetwornikami, czasami określany jako głośnik 2-drożny.

Wewnątrz 2-drożnej kolumny głośnikowej znajduje się zwrotnica, która wysyła wszystkie wysokie częstotliwości do głośnika wysokotonowego, a zakres średnich i niskich częstotliwości do głośnika niskotonowego, za pomocą filtra górnoprzepustowego i dolnoprzepustowego.

Zastosowanie zwrotnicy w ten sposób oznacza, że głośnik wytwarza pełny zakres częstotliwości wyjściowych, zachowując jakość dźwięku, której nie mógłby osiągnąć pojedynczy przetwornik.

Jeśli tworzysz muzykę w swoim domowym studiu, prawdopodobnie będziesz używać 2-drożnego głośnika do monitorowania, takiego jak wspomniany powyżej Yamaha HS5 lub KRK Rokit 5 G4, na zdjęciu poniżej.

Głośniki dwudrożne sprawdzą się podczas nagrywania i miksowania we własnym studiu. Ale jeśli chodzi o mastering (niezależnie od tego, czy korzystasz z usługi online, takiej jak eMastered, czy zlecasz to prawdziwej osobie), będziesz potrzebować nieco więcej szczegółów, więc głośniki 3- lub 4-drożne będą ci lepiej służyć.

To samo dotyczy komercyjnych studiów nagraniowych. Mogą one używać pary zasilanych głośników monitorowych do nagrywania i monitorowania, ale gdy przychodzi do miksowania, włączają złe chłopaki.

Co to jest impedancja głośnika?

Impedancja głośnika jest zasadniczo sposobem pomiaru całkowitej rezystancji przepływu prądu elektrycznego w głośniku.

Mierzona w omach impedancja wynika zarówno z rezystancji przewodu cewki drgającej, jak i indukcyjności spowodowanej nawinięciem tego przewodu w cewkę. Indukcyjność różni się od rezystancji, ponieważ zmienia się wraz z częstotliwością - nazywana jest reaktancją indukcyjną.

Ze względu na tę zmienną, impedancja różni się od "normalnej" rezystancji i jest obliczana za pomocą skomplikowanego wzoru, którego muzycy nie powinni nigdy rozumieć.

Zamiast tego należy pamiętać, że ważne jest, aby dopasować impedancję głośników i wzmacniacza. Niedopasowana impedancja może skutkować obniżeniem jakości dźwięku, przegrzaniem, a w skrajnych przypadkach uszkodzeniem sprzętu.

Pamiętajcie dzieci, zawsze parujcie głośniki z kompatybilnymi wzmacniaczami.

Moc głośnika a jego czułość

Większy znaczy lepszy, prawda?

Nie zawsze. Większość ludzi porównując głośniki przypisuje wyższą moc znamionową (w watach) do wyższej głośności. Ale czy w praktyce będziesz w stanie w pełni wykorzystać tę moc?

Lepszym sposobem na porównanie głośników jest przyjrzenie się ich czułości. Jest ona mierzona w decybelach i określa, jak skutecznie głośnik przekształca energię elektryczną w dźwięk.

Wyższy wskaźnik czułości oznacza, że głośnik może wytwarzać więcej dźwięku przy danej mocy. Innymi słowy, jest bardziej wydajny w przekształcaniu energii elektrycznej w fale dźwiękowe.

Pomiar czułości głośników wyrównuje szanse, jeśli chodzi o porównanie wydajności i mocy wyjściowej głośników.

Jednak nadal ważne jest, aby wziąć pod uwagę zdolność głośników do obsługi mocy, jeśli używasz zewnętrznego wzmacniacza. Pomiar reprezentuje ilość mocy elektrycznej, jaką głośnik może obsłużyć bez uszkodzenia, dlatego ważne jest, aby upewnić się, że wzmacniacz ma moc wyjściową równą głośnikowi.

Wybór głośników o wysokiej lub niskiej czułości zależy od wymagań danej konfiguracji. Jeśli ważna jest wydajność energetyczna (na przykład w głośnikach przenośnych lub samochodowych systemach stereo), najlepsza jest wysoka czułość, podczas gdy w profesjonalnym zestawie audio mogą być potrzebne głośniki o większej mocy

Odpowiedź częstotliwościowa

Kiedy mówimy o charakterystyce częstotliwościowej głośnika, mówimy o jego zdolności do odtwarzania dźwięku w całym zakresie częstotliwości.

Żaden głośnik nie jest idealny, więc wykres charakterystyki częstotliwościowej pomaga nam zobaczyć, gdzie mogą występować szczyty lub dołki częstotliwości, w których głośnik uwydatnia lub obniża swoje osiągi.

Istnieje kilka powodów, dla których pasmo przenoszenia konkretnego głośnika lub głośników jest ważne.

Po pierwsze, jest to pomocne przy projektowaniu systemu wielogłośnikowego i ustawianiu zwrotnic.

Po drugie, pomaga to w wyborze najlepszych głośników do konkretnego zadania audio.

Podczas gdy wiele głośników klasy konsumenckiej ma lekki "uśmiech" w paśmie przenoszenia, aby osłodzić dźwięk, jako producent muzyczny potrzebujesz pary głośników o płaskim paśmie przenoszenia.

W ten sposób żadne instrumenty lub próbki nie będą maskowane przez spadek generowanych częstotliwości lub nie będą brzmiały głośniej niż w rzeczywistości z powodu szczytu na wykresie.

Zasadniczo płaska charakterystyka częstotliwościowa głośników zapewnia, że wszystko, co słyszysz, jest jak najbardziej zbliżone do rzeczywistości.

A co ze słuchawkami?

Słuchawki wykorzystują tę samą technologię przetworników co głośniki. W rzeczywistości są to małe głośniki, które znajdują się nad (lub w) uszach użytkownika.

Jak działają głośniki stereo?

Pojedynczy głośnik (zazwyczaj) przesyła dźwięk w mono. Aby uzyskać stereofoniczne pole dźwiękowe, potrzebne są dwa głośniki monofoniczne przekazujące odpowiednio lewy i prawy sygnał audio, odpowiednio rozmieszczone.

Ale czy kiedykolwiek patrzyłeś na soundbar i zastanawiałeś się, w jaki sposób tworzone jest pole stereo?

Pojedyncze zestawy głośnikowe zaprojektowane do generowania obrazu stereo mają wiele przetworników rozmieszczonych w całym urządzeniu.

Sygnał stereo jest dzielony na lewy i prawy kanał i wysyłany w różnych ilościach do każdego przetwornika, aby uzyskać pełny obraz stereo.

Głośniki tego typu są zwykle wyposażone w dodatkowy głośnik - subwoofer - do obsługi niskich częstotliwości i głosu Batmana.

Kto wynalazł głośnik?

Podobnie jak w przypadku wielu wynalazków z przełomu XIX i XX wieku, trudno jest dokładnie określić, kto wynalazł głośnik. Pojawił się on z czasem, gdy naukowcy i wynalazcy zaczęli lepiej rozumieć fale dźwiękowe i prąd elektryczny.

Alexander Graham Bell (słynny wynalazca telefonu) wniósł znaczący wkład w technologie związane z dźwiękiem, w tym opracował wczesną wersję głośnika pod koniec XIX wieku.

Pod koniec tego wieku Oliver Lodge opracował pierwszy głośnik z ruchomą cewką. Następnie, w 1915 roku duński inżynier Peter L. Jensen i Edward Pridham otrzymali patent na swój wynalazek głośnika elektrodynamicznego wykorzystującego cewkę z drutu przymocowaną do membrany umieszczonej w polu magnetycznym.

Po drugiej stronie stawu, w 1925 roku, Edward W. Kellogg i Chester W. Rice zaprojektowali dynamiczny głośnik z membraną, który ostatecznie został licencjonowany przez RCA. Projekt ten obejmował wiele aspektów, które są uważane za podstawę nowoczesnej technologii głośnikowej.

Potrzeba wioski i tak dalej. Wystarczy powiedzieć, że wiele stożkowych głów poświęciło niezliczone godziny, aby zapewnić, że dziś możesz cieszyć się koncertami Nickelback w pełnej wierności.

Przyszłość głośników

Technologia staje się coraz mniejsza i tańsza. Wszyscy o tym wiemy. Ale jeśli chodzi o głośniki, podstawy technologii nie zmieniły się zbytnio od czasu ich wynalezienia.

W rzeczywistości głośniki są jedną z najbardziej nieefektywnych technologii, z jakich obecnie korzystamy. Ponad 99% energii dostarczanej do głośnika generuje coś innego niż dźwięk. Większość z niej zamienia się w ciepło.

To trochę zaskakujące, że EPA nie zakazała używania głośników ze względu na ich słabą wydajność energetyczną.

Ale dzięki nowemu materiałowi odkrytemu w 2004 roku głośniki przyszłości mogą być inne.

Grafen jest niezwykle lekkim materiałem, co oznacza, że potrzebuje znacznie mniej energii do poruszania się tam i z powrotem w celu wytworzenia fali ciśnienia. Doskonała wiadomość dla użytkowników głośników wysokotonowych.

Jeśli naukowcom uda się z powodzeniem wdrożyć produkcję grafenu na dużą skalę i zintegrować go z zastosowaniami komercyjnymi, głośniki przyszłości mogą być lżejsze i znacznie bardziej energooszczędne.

Do tego dnia pozostaniemy przy mini-ogrzewaczach, które wytwarzają zmiany ciśnienia powietrza pod wpływem sygnałów elektrycznych, czyli głośników.

Teraz idź i posłuchaj muzyki!