Høgtalar

Ein høgtalar er ein akustoelektrisk omformar som konverterer frå elektrisk til akustisk energi (lyd). Høgtalarar arbeider i det høyrbare området for menneske, som grovt sett dekkjer frekvensintervallet 20 Hz til 20 kHz.

Fig. 1 Døme på elektrodynamisk høgtalar (Caton).

Innleiing

Dei fleste høgtalarane er spenningstyrte, slik at lydtrykket er proporsjonalt med drivspenninga. Straumstyrte høgtalarar (lydtrykket er proporsjonalt med drivstraumen) må drivast av straum- eller transkonduktansforsterkarar og har lita utbreiing.

Høgtalarar er meir kompliserte enn dei ser ut for. Dette heng saman med at dei er sett saman av eit elektrisk, eit mekanisk og eit akustisk system. Desse systema er tett kopla og må avstemmast slik at det akustoelektromekaniske systemet fungerer som tiltenkt. Ein kompliserande faktor er at det akustiske systemet ikkje berre består av høgtalaren, men av høgtalaren og lytterommet. Dette er ein lite påakta, men viktig, faktor. Plassering av høgtalarar og lyttarar i lytterommet er viktige faktorar for å oppnå så god attgjeving som mogeleg.

Arbeidsprinsipp

Høgtalarar arbeider etter ulike prinsipp og har ulike eigenskapar.

Elektrodynamisk høgtalar

Hovudartikkel: Elektrodynamisk høgtalar

Fig. 2 Dynamiske høgtalarelement i kabinett. Porten på venstre side, rett over basselementet, syner at rommet bak basselementet er ventilert (bassrefleks).

Elektrodynamiske høgtalarar har ofte ein konisk membran driven av ein lineærmotor. Motoren er konstruert av ein spole plassert i eit magnetisk felt, sett opp av ein permanentmagnet. Motoren vert driven eit audiosignalet forsterka av ein effektforsterkar. Når straumen i svingspolen varierer i takt med audiosignalet vil membranen bevega seg att og fram og setta lufta i rørsle, slik at lydbølgjer brer seg ut frå membranen.

Dynamiske høgtalarelement er som oftast plasserte i ei eller anna form for kabinett, figur 2, som hindrar at lydbølgjene går rundt elementet og vert kortslutta. Den innestengde lufta i kabinettet fungerer som ei fjør som tener som last akustisk last. Dei vanlegaste formene for kabinett er lukka kabinett og ventilert, òg kalla bassrefleks. Mindre utbreidde kabinetttypar er bandpasskabinett og transmisjonslinjehøgtalarar.

På grunn av at strålingsimpedansen i luft er svært liten har direktestrålande høgtalarar dårleg verkningsgrad; ofte berre nokre få prosent. Ein måte å auka verkningsgraden på er å plassera eit horn mellom membranen og lufta. Arealet til hornet utvidar seg gradvis og fungerer som ein akustisk transformator. Tidlegare hadde effektforsterkarar mindre effekt enn i dag og hornhøtalarar svært vanlege. Dei vert framleis nytta der det er bruk for stor akustisk effekt, som til dømes i store PA-system, men òg på jarnbanestasjonar, flyplassar og liknande.

Magnetostatisk høgtalar

Hovudartikkel: Magnetostatisk høgtalar

Magnetostatisk høgtalar (Magnepan).

Magnetostatisk høgtalarar er panelhøgtalarar med ein ein leiande membran som er plassert i eit konstant magnetfelt. Effektforsterkaren driv ein elektrisk straum gjennom membranen, som gjev opphav til ei kraft som set han i rørsle. Membranen set så lufta i rørsle og genererer akustiske bylgjer som breier seg utover. Det magnetiske feltet vert vanlegvis set opp av permanentmagnetar plassert på ei gitterforma ramme bak membranen. Denne ramma har så store opningar at ho er transparent for lyd. Mange magnetostatisk høgtalarar har ikkje noko kabinett attom membranen, så dei to sidene av membranen strålar ut lydbølgjer i motfase. Dei har difor eit strålemønster med åttetalskarakteristikk.

Bandhøgtalar

Hovudartikkel: Bandhøgtalar

Bandhøgtalarar har ein leiande membran plassert i eit magnetfelt set opp av ein permanentmagnet. Det magnetiske feltet vert leia gjennom polstykkje med liten reluktans og magneten og polstykkja utgjer ein magnetisk krins, med eit gap der ein rektanguær membran er plassert. Når ein effektforsterkar driv ein elektrisk straum gjennom membranen oppstår det ei kraft som set han i rørsle normalt på magnetfeltet. Ein bandhøgtalar kan sjåast på som det motsette av ein bandmikrofon.

Membranen er litt smalare enn gapet, slik at han er fri til å røra seg att og fram. Han er ofte korrugert for å bryta opp ståande svingningar i materialet. Bredda på membranen kan vera frå nokre mm til nokre cm og lengda (høgda) frå nokre cm til nokre dm. I nokre høgtalarar er fleire slike element plassert vertikalt oppå kvarandre. Om ein stablar nok element oppå kvarandre får ein ei linjekjelde. Bandhøgtalarar har vanlegvis eit lukka kabinett på bakside, så strålemønstret er forskjellig frå magnetostatiske høgtalarar, med tilnærma sylindriskt strålemønster.

Elektrostatisk høgtalar

Hovudartikkel: Elektrostatisk høgtalar

Prinsippskisse for ein elektrostatisk høgtalar.

Elektrostatiske høgtalarar, eller elektrostatar, har ein tynn membran med ein tilnærma konstant elektrisk ladning, plassert mellom to gitter. Membranen er polarisert til nokre kV i høve til gitra på kvar side. Avstanden mellom gitra og membranen er frå ein til fleire mm. For at ladningen ikkje skal flytta seg på membranen, må han ha svært stor motstand, helst i G$\Omega$-området. Membranen er stramma på ei ramme som òg held gitra på plass. Utgangsspenninga frå effektforsterkaren vert transformert opp i ein signaltransformator, og dei to gitra på kvar side av membranen vert drive i motfase, med ei spenning på frå nokre hundre til nokre kV. Ein får slik eit elektrisk felt mellom dei to gitra som saman med den elektriske ladningen på membranen gjev opphav til ei kraft som vekselvis trekkjer ladningen, og derved membranen, mot eit av dei to gitra etter som polariteten på drivspenninga varierer i takt med musikken.

Membranen står i strekk i ramma, men om utslaget vert for stort, vil han klistra seg til eit av gitra. Membranen må difor ha etter måten stort areal for å oppnå høge nok lydtrykk. Elektrostathøgtalarar er vanlegvis opne, utan kabinett på baksida. Dei har difor eit strålemønster med åttetalskarakteristikk.

Koronahøgtalar

Koronahøgtalar.

Koronahøgtalarar, og kalla ionehøgtalar, har to elektrodar med høg nok spenningsdifferanse til at lufta mellom dei vert ionisert, slik at det oppstår ein leiande plasma mellom elektrodane. Det flyt då ein elektrisk straum mellom dei. Ved å modulera den ioniserande straumen med musikksignalet oppnår ein at temperaturen på plasmaen mellom elektrodane varierer i takt med musikken. Volumet til plasmaen er proporsjonalt med temperaturen, så når temperaturen varierer varierer òg volumet. På det viset får ein ei akustisk kjelde med tilnærma kulekarakteristikk. Koronahøgtalarar har aldrig fått kommersiell utbreiing, noko som heng saman med at plasmaen genererer ozon, som er ein svært aggressiv gass.

Pizoelektrisk høgtalar

Denne typen vert stort sett nytta i alarmar og liknande, der det er viktig at den fysiske storleiken er liten.

Multidrivarhøgtalarar

Fig. 3 Audiosprektret delt i tre delfrekvensband.

Det hørbare området dekkjer eit frekvensintervall på om lag ti oktavar (tre dekadar) og det er svært vanskeleg å laga høgtalarelement med så stor bandbreidd.

Dei aller fleste høgtalarar nyttar difor to, eller fleire, drivarar som dekkjer kvart sitt frekvensområde. Figur 3 syner korleis ein trevegs høgtalar deler frekvensintervallet i eit lågfrekvensområdet (bass), eit mellomtoneområde og eit høgfrekvensområde (diskant).

Delefiltre

Delefiltra skil bass, mellomtone og diskant frå kvarandre. Dei fleste høgtalarane har passive delefiltre, men i aktive høgtalarar er det vanleg med aktive delefiltre, realiserte i form av analog elektronikk. Det finst òg nokre høgtalarar med digital delefiltre, som er meir fleksible og nøyaktigare. Digitale delefiltre kan kombinerast med equalisarar, som korrigerer frekvensresponsen til høgtalarane.

Høgtalararray

Dette er grupper av høgtalarar (en: høgtalararrayer etter den engelske nemninga Loudspeaker arrays. Ved å setta saman høgtalarar i grupper etter nøye utrekna mønster oppnår ein større direktivitet og/eller styrbar direktivitet. Høgtalararrayer er svært utbreidde i PA-system, der ein ynskjer å kontrollera direktiviteten slik at ein dekkjer ein heil sal eller stadion. I moderne høgtalararrayer nyttar ein digital signalhandsamimg for å kontrollera direktiviten, noko som gjev stor fleksibilitet og gjer det lett å tilpassa strålemønstret til ulike føremål.

Bruksområde

Høgtalarar vert nytta til mange ulike føremål. Ein skil ofte mellom forbrukarhøgtalarar, høgttalarar til profesjonell bruk, lydforsterkingsystem, men det finst mange andre måtar å klassifiser bruksområda på.

Forbrukarhøgtalarar

Spendor LS3/5A «bokhyllehøgtalar».

Denne gruppa femnar om alt frå små frå små billige høgtalarar av låg kvalitet, nytta i til dømes klokkeradioar og gettoblasterar, til dyre entusiasthøgtalarar. Ein skil ofte mellom billighøgtalarar som dei utan spesiell interesse for lydkvalitet kjøper og kvalitetshøgtalarar, men det er stort overlapp mellom desse gruppene og like stor usemje om kva gruppe ein høgtalar høyrer heime i. Sjølv om kvalitet ikkje let seg måla på ein objektiv måte er det i stort mon semje om at kvaliteten ikkje alltid står i høve til prisen. Dette heng saman med mange faktorar, som produksjonsvolum, fraktkostnadar, omsetningskjeda, salsstrategi, osb. Høgtalarar innbygde i apparat er òg ofte av låg kvalitet.

Høgtalarar for lågprisutstyr

Dette er små billige høgtalarar for klokkeradioar, mobiltelefonar, gettoblastarar, og liknande. I denne gruppa vert det langt stor vekt på billige råmaterialar og rimeleg produksjon, noko som går ut over kvaliteten.

Rimelege høgtalarar for attgjeving av musikk i heimen

Ei stor gruppe av forbrukarane (kanskje dei fleste) er nøgde når lydkvaliteten kjem opp på eit vist minimumsnivå og er ikkje viljuge til å betala for å oppnå betre lydkvalitet enn det dei er vane med. Kvar denne grensa går varierer kraftig med musikksmak, interesse for teknologi, personleg økonomi, osb.

Kvalitetshøgtalarar for stereofonisk attgjeving

Høgtalarar for stereofonisk attgjeving.

Medan folk flest er nøgde når lydkvaliteten når opp på eit visst nivå finst det lydentuistar som ser det som viktig at lydkvaliteten er så god som mogeleg og som ofte er villige til å betala mange gongar så mykje som folk flest for å oppnå dette.

På 1960-talet tok ein til å nytta omgrepet Hi-Fi generelt og Hi-Fi-høgtalarar om høgtalarar spesielt, etter den engelske nemninga High Fidelity (høg naturlegheit). På grunn av at omgrepet Hi-Fi har vorte misbruka i reklame vert det ikkje lenger forbunde med kvalitet. Eit anna importord, High End, vert ofte nytta om dyrt utstyr, men høg pris er ingen garanti for at kvaliteten er høg.

I denne øvre enden av marknaden finst det eit stort utval av ulike typar høgtalarar. Sjølv om dei aller fleste er dynamiske er det òg eit godt utval av magnetostatiske, elektrostatiske, ymse typar bandhøgtalarar og mange ulike hybridhøgtalarar, som nyttar kombinasjonar av ulike høgtalarelement. Både mellom produsentar og kjøparar er det mange ulike oppfattningar både om kva for eigenskapar ein høgtalar bør ha og kva som er den beste måten å oppnå desse eigenskapane på.

Høgtalarar for 5.1-kringlyd

ITU-standarisert plassering av høgtalane i eit 5.1-system.

Innføringa av 5.1 kringlyd med 5 kanalar plus ein lågfrekvent effektkanal har ført til at fem høgtalarar vert selt som ein «pakke». Slike system nyttar to like fronthøgtalarar, ein på venstre og ein på høgre side, i same posisjon som i eit tokanals attgjevingssystem , plus ein midthøgtalar og to bakhøgtalarar. Midthøgtalaren ver fyrst og fremst nytta for å plassera film/video-dialog i same posisjon som skjermen. For å få plass til både skjem og midthøgtaler vert midthøgtalaren ofte langt horisontalt under skjermen. Dette fører til at han får eit heilt anna strålemønster enn venstre og høgre fronthøgtalar. Dette er uheldig, men vert akseptert av dei fleste kundane. Dei to bakhøgtalarane vert som oftast nytta for å gje ei føling av «rom», men vert òg nytta for å plassera lydkjelder bak lyttarane. Lyden frå bakhøgtalarane er meint å vera diffus og bakhøgtalarane har ofte eit anna strålemønster enn fronthøgtalarane. Den 6. høgtalaren er bygd som ein djupbasshøgtalar, men den 6. kanalen i eit 5.1-system er berre meint for å gje att lågfrekvente effektar, som eksplosjonar, kollisjonar, osv. Oppgåva til denne høgtalaren er difor ikkje den same som ein basskasse (subwoofer) i eit tokanals system. For å halda prisen nede er dei 5 (eller 6) høgtalarane i eit 5.1-system ofte av dårlegare kvalitet enn dei to høgtalarane i eit tokanals system.

Høgttalarar til profesjonell bruk

Høgtalarar som vert nytta til profesjonelt arbeid med lyd har ofte eigenskapar som skil seg noko frå forbrukarhøgtalarar.

Studiomonitorar

Studiomonitorar i eit lydstudio.

Når lydteknikarar arbeider med opptak, redigering og kontrollytting nyttar dei sokalla studiomonitorar, som har stort frekvensområde, rett amplituderespons over heile frekvensområdet og kan generere store lydtrykk utan at den ulineære forvrengninga vert alt for stor. Studiomonitorar er ofte aktive. I små lytterom, som til dømes opptaksbussar, vert det nytta små monitorhøgtalarar, ofte kalla minimonitorar. LS3/5A var ein klassisk, men no utdatert, minimonitor.

Studiomonitorar har mykje til felles med forbrukarhøgtalarar av høg kvalitet og det hender at sistnemnte vert nytta for kontrollytting. Elektrostatiske høgtalarar har låg forvrenging, slik at det er lettare å oppdage små feil. Av den grunn er nyttar somme lydteknikarar dei til kritisk kontrollytting av opptak av klassisk musikk.

Kinohøgtalarar

I ein kino ynskjer ein at lyden kjem frå same retning som lerretet der filmen vert vist. Dette er særleg viktig for dialog mellom skodespelarane. Det vert difor nytta fleire høgtalarar, spreidd ut over scena. For at dei ikkje skal skugga for biletet vert dei plasserte bak lerretet. På grunn av at sjåarane i kinosalen er spreidd over heile salen nyttar ein fleire høgtalarar og freistar å plassera dei slik at lyden vert så lik som mogeleg i heile salen. Direktiviteten til høgtalarane som vert nytta spelar òg ein viktig rolle. Det finst fleire ulike system for kringlyd for film.

Mange kinosalar er difor utstyrte med fleire mindre høgtalarar på sidene og i bakkant av salen. Føremålet med desse er ofte å skapa ei viss kjensle av å vera omslutta av lyd, men dei vert òg i noko mon nytta for effektar, som til dømes å skapa ein illusjon av fly over hovudet på forsamlinga. Mange kinosalar er òg utstyrte med kraftige djupbasshøgtalarar, som vert nytta for lågfrekvente effektar, som til dømes eksplosjonar.

Høgtalarar for lydforsterkarsystem (PA-høgtalarar)

Utandørs PA-høgtalarar.

Lydforsterkarsystem vert òg kalla PA-system, etter det engelske omgrepet Public Address system. Dette er system som vert nytta for å forsterka lyden til ein som talar til ei forsamling i ein stor sal, forsterka lyden frå songarar og akustiske og/eller elektriske musikkinstrument, ved innandørs eller utandørs konsertar. Andre døme på bruk av slike system er forsterking av stemma til kommentatorar ved sportarrangement og liknande. I nokre land køyrer politikarar rundt i bilar utstyrte med lydforsterkarsystem for å sanka stemmer. Lydforsterkarsystem for å annonsera avgangar og andre meldingar på jarnvegstasjonar, flyplassar og liknande vert òg ofte rekna til denne gruppa.

Slike system har ofte høgtalarar med stor effekt, laga spesielt for dette føremålet. Slike høgtalarar er så godt om alltid dynamiske høgtalarar og nokre er utstyrte med akustiske transformatorar (horn) for å auka virkningsgraden. Det vert produsert mange forskjellige typar lydforsterkingssystemhøgtalarar, med stor variasjon i effekt, spredekarakteristikk, forvrengning og andre data. Ofte vert det lagt meir vekt på å oppnå stor virkningsgrad enn låg forvrengning, men det er ingen direkte samanheng mellom stor virkningsgrad og låg forvrenging.

Bilhøgtalarar

Høgtalarar for bruk i bil har hittil alltid vore dynamiske høgtalarar, men det vert forska på å nytta distribuert mode panelhøgtalarar som ein del av instrumentpanelet, tak, dører, og liknande. På grunn av at dei som oftast vert drivne med låge spenningar har bilhøgtalarar ofte relativt låge impedansar. Det har vore vanleg å nytta holrommet i dører, instrumentpanelet, og liknande som akustisk last på baksida av elementet, noko som har ført til slumpmessig avstemming (ofte for lite demping), slik at det oppstår ein kraftig resonans ved nedre grensefrekvens.

Dei akustiske tilhøva i bilkupear, saman med veg- og motorstøy gjer at kvaliteten på lyden er mykje lågare enn kva som er mogeleg å oppnå i heimen. Storleiken på ein typisk bilkupe, plasseringa av høgttalarane i høve til førar og passasjerar, resonansar i interiøret, osb. er òg med på å gjera det vanskeleg å oppnå god kvalitet på lyden. I det siste tiåret har det vore forska på å nytta aktiv romkorreksjon og støykansellering for å i noko mon bøta på desse problema.

Soge

Ein av dei eldste metodane å forsterka lyd på var å nytta ein reflektor som kasta lyden mot ei folkemengd. Dei greske amfieteatera er døme på arkitektur som nytta bakveggen for å reflektera lyden mot folkemengda i teateret. På tingstaden Tingvellir på Island nytta ein ein fjellformasjon for å reflektera lyden mot folkemengda på ei slette fromom fjellveggen.

Ein annan metode var å nytta ein akustisk transformator, i form av eit horn. Den enklaste forma for horn er å forma ei trakt framom munnen med handflatene. Denne metoden har vore i bruk i uminnelege tider. Mange blåseinstrument er forma som eit horn og enkle ropertar fungerer etter dette prinsippet. Dei fyrste fonografane og sveivegramofonane har ein stift som sette ein liten membran i rørsle og eit horn som tilpassar kjeldeimpedansen til den mykje mindre strålingsimpedansen.

I 1898 utvikla Horace Short ein høgtalar som arbeidde med trykkluft, der ei opningen på ei dyse vart modulert av musikksignalet. I 1903 selde han rettigheiten til Parsons, som tok til å produsera trykklufthøgtalarar, under namnet Auxetophone. Trykklydtstraumen gjennom dysa gererte mykje støy, så kvaliteten var nok ikkje så god.

Utviklinga av høgtalarar som omformar elektriske energi til akustisk energi (lyd) tok til på slutten av 1800-talet. Werner von Siemens tykkjest ha vore den fyrste som arbeidde med elektrisk drive høgtalarar og i 1874 fekk han patent på ein slik høgtalar. Men på denne tida fanst det ikkje forsterkarar, så han vart berre nytta for å reprodusera ulike testsignal. I 1882 fekk Thomas Watson patent på ein balansert armaturhøgtalar, som vart nytta i ein telefon og i 1894 presenterte Oliver Logde eit teoretisk grunnlag for elektrisk drivne høgtalarar. Telefonen til Thomas Alva Edison frå 1876 hadde ein variabel-kontakt-høgtalar, som eigentleg var ein karbonmikrofon nytta som høgtalar.

Men det var ikkje før Lee de Forest i 1907 fann opp vakumtrioden at det vart mogleg å laga elektroniske forsterkarar. I 1911 presenterte Peter L. Jensen ein høgtalar med bevegeleg spole, under namnet Magnavox, som vart driven av ein de Forest-forsterkar. Det vart no mogleg å forsterka eit elektrisk signal og driva ein høgtalar, men kvaliteten var framleis dårleg.

Dei fyrste høgtalarane hadde svært dårleg verkningsgrad og det vart nytta horn for å oppnå brukbare lydtrykk. Den fyrste høgtalaren utan horn vart utvikla av Chaster W. Rice og Edward W. Kellog i 1924. Det var ein elektrodynamisk høgtalar med massekontrollert membran, og vert rekna som ein milepel i utviklinga av høgtalarar. I 1928 laga Paul Voigt ein høgtalar med stor nok bandbreidd til at han kunne nyttast som fulltonehøgtalar.

Dei fyrste høgtalarane hadde ikkje lukka kabinett, med ofte berre ein frontbaffel og sideveggar. I 1930 plasserte A.L. Thuras ein elektrodynamisk høgtalar i eit lukka kabinett med ei opning i form av eit røyr. Luftmassen i røyret resonerte saman med luftfjøra i kassen fungerte som ein Helmholtz-resonator, som utvida frekvensområdet i bassområdet. Dette var den fyrste bassreflekshøgtalaraen. I 1949 fekk Harry F. Olson patent på ein høgtalar med lukka kabinett. Men det tok mange år før det vart utvikla eit vitskapleg teoretisk grunnlag for desse høgtalarane.

Sjå òg

• Høgtalarprodusentar
• Mikrofon