Reproduktor

Reproduktor
 
3.1 Základné pojmy vyjadrujúce vlastnosti reproduktorov
 
3.1.1 Charakteristická citlivosť
Charakteristická citlivosť udáva priemerný akustický tlak v ose reproduktora vo vzdialenosti 1 m pri príkone 1 VA v určitom frekvenčnom pásme. Príkon sa stanoví s ohľadom na menovitú impedanciu reproduktora a jemu odpovedajúce napätie sa udržuje konštantné. Citlivosť je daná zväčša mechanickou konštrukciou reproduktoru a je rôzna pre rozdielne reproduktory. U basových nižšia, u vysokotónových vyššia.
 
3.1.2 Menovitá impedancia
Pretože je reproduktor napájaný striedavým prúdom, zaujíma nás impedancia jeho cievky. Táto impedancia je však kmitočtovo závislá a vždy je vyššia ako vlastný (činný) odpor kmitacej cievky. Najmenšia impedancia, ktorá je len o málo väčšia ako vlastný odpor cievky reproduktora, sa nazýva menovitá impedancia. Táto impedancia je dôležitá, pretože pri konštantnom napätí je príkon do reproduktora najväčší práve pri najmenšej impedancii. Preto je táto veličina úzko spätá s maximálnym príkonom. Je dôležitým referenčným prvkom z hľadiska využitia reproduktoru. Jej hodnota sa zväčšuje s narastajúcim nárokom na výkon reproduktoru, keďže s narastajúcim výkonom rastie aj prúd prechádzajúci obvodom, a ten spôsobuje veľké straty na vodičoch.
V praxi sa používajú 2, 4 a 8 ohmové reproduktory. Zriedkavejšie sú 16 ohmové.   

3.1.3 Príkon (výkon) reproduktora
Príkon reproduktora je pri rovnakom napätí kmitočtovo závislý. Najväčší je pri najmenšej elektrickej impedancii, čiže pri menovitej impedancii. Pretože z hľadiska používania je dôležitý maximálny príkon a je jedno pri akom kmitočte nastáva, udáva sa tento príkon s ohľadom na kmitočtové rozloženie signálu a podľa normy sa nazýva štandardný príkon. Veľkosť štandardného príkonu sa mení so zmenou privádzaného napätia. Čím je napätie vyššie, tým je štandardný príkon väčší. Príkon reproduktora však nemôžeme zvyšovať neobmedzene, preto výrobcovia udávajú tzv. maximálny štandardný príkon, teda taký príkon, ktorý by sa behom používania nemal prekročiť, pretože by došlo k nadmernému skresleniu akustického signálu, alebo k mechanickému poškodeniu kmitacej sústavy reproduktora.

Mnohý ľudia však mylne považujú výkon (príkon) reproduktora za hlavný ukazovateľ kvality. Akustický tlak, ktorý v podstate určuje hlasitosť reproduktora však vypočítame:
Lp = SL + 10 log  (P:r2) 
Lp – akustický tlak 
SL – citlivosť reproduktora
P – výkon reproduktora
r – vzdialenosť od reproduktora

Na konkrétnom príklade si ukážeme, že výkon neurčuje hlasitosť reproduktora.
Mame reproduktor A s citlivosťou 100 dB a výkonom len 10 W a reproduktor B s citlivosťou 85dB a výkonom 100 W. Stojíme vo vzdialeností 1 meter.
Po dosadení dostaneme:
LpA = 100 + 10 log 10 = 110 dB
LpB = 85 + 10 log 100 = 105 dB
 
Reproduktor s výrazne nižším výkonom dosiahne vyššiu hlasitosť.
 
3.1.4 Rezonančná frekvencia (kmitočet)
Každý reproduktor má určitú rezonančnú frekvenciu , ktorá závisí na hmotnosti a poddajnosti kmitacieho systému. Pre návrh ozvučnice reproduktora je znalosť tohto rezonančného kmitočtu veľmi dôležitá. Tóny blízke rezonančnej frekvencii, pri ktorých má membrána najväčšiu výchylku, najviac mechanicky namáhajú kmitací systém, teda ovplyvňujú mechanickú pevnosť reproduktora.
Obzvlášť u basových reproduktorov je rezonančná frekvencia tiež jedným z ukazovateľov akosti (čím je nižšia, tým je reproduktor kvalitnejší).
 
3.1.5 Frekvenčný rozsah, frekvenčná charakteristika, grafické znázornenie frekvenčnej charakteristiky
Frekvenčný rozsah udáva oblasť kmitočtov, v ktorej pri konštantnom napájacom napätí reproduktor vyžaruje akustickú energiu. Ak nie je frekvenčný rozsah doplnený údajom, pre aký pokles hladiny akustického tlaku oproti priemernej hladine v prenášanom pásme sú hraničné frekvencie udané, sú tieto údaje bezcenné a môžu skresliť predstavu o reproduktore. Dokonalejšia informácia sa získa z grafického záznamu priebehu hladiny akustického tlaku v závislosti na frekvencii, ktorý sa nazýva frekvenčná charakteristika.
 
3.2 Základné delenie reproduktorov
 
3.2.1 Podľa spôsobu vyžarovania:  - priamovyžarujúce
- nepriamovyžarujúce
 
3.2.2 Podľa rozsahu prenášaných frekvencii:  - širokopásmové
 - hlbokotónové (basové)
  - stredotónové
  - vysokotónové
  - špeciálne
 
3.2.3 Podľa princípu elektromechanického meniča:  - elektrodynamické
- elektromagnetické
- elektrostatické
- piezoelektrické
 
3.2.4 Podľa tvaru membrány:  - kruhové
- eliptické
- zvláštne (guľové)
 
3.3 Priamovyžarujúci elektrodynamický reproduktor


Tento typ reproduktora je v súčasnosti najpoužívanejší. Membrána takéhoto reproduktoru je viazaná s vonkajším prostredím (vzduchom) priamo, bez pomocných zariadení.

3.3.1 Popis činnosti
Ak sa priloží na prívodné svorky reproduktora striedavé napätie, prechádza vinutím cievky, ktorá je v homogénnom magnetickom poli kolmom na smer vinutia cievky, prúd nepriamo úmerný impedancii vinutia. Prúd prechádzajúci cievkou vytvára ďalšie magnetické pole, ktoré sa sčíta alebo odčíta s magnetickým poľom trvalého magnetu a tým vzniká premenná sila pôsobiaca na cievku, ktorá sústavu axiálne vychyľuje z rovnovážnej polohy na jednu alebo druhú stranu, podľa okamžitej polarity striedavého prúdu.
Smer výchylky závisí na smere vinutia, smere magnetických siločiar a okamžitej polarite striedavého prúdu. Cievky dvoch reproduktorov kmitajú pri paralelnom prepojení vo fáze, ak je smer vinutia obidvoch cievok rovnaký a magnetické siločiary majú rovnaký smer. Z dôvodu fázovania dvoch alebo niekoľkých reproduktorov sú začiatky vinutia cievok označené na vývodoch reproduktorov farebnou značkou, v schémach bodkou. Pretože je cievka reproduktora pevne spojená s membránou, prenesú sa kmity cievky na membránu. Membrána predá toto kmitanie okolitému vzduchu.
Je nutné dodať, že priamovyžarujúce reproduktory majú len veľmi malú účinnosť  0,5 až 4%, pretože okolitý vzduch predstavuje pre membránu reproduktora len veľmi malú záťaž..

Hlavné časti:
1. magnetický obvod
2. kmitacia cievka
3. membrána
4. kôš reproduktora
5. strediaci prvok
 
3.3.2 Magnetický obvod
Táto časť je tou najdrahšou časťou celého reproduktora. Magnetický obvod sa vyrába prevažne s permanentným magnetom. Používané tvrdé magnetické zliatiny vytvoria v medzere dostatočne veľký magnetický tok aj pri relatívne malých rozmeroch magnetického obvodu. Magnetický obvod sa delí na permanentný magnet a na magneticky mäkké pólové nástavce.
Pólové nástavce sústreďujú čo najväčšiu časť energie permanentného magnetu do vzduchovej medzery. Permanentný magnet sa obvykle vyrába z magneticky tvrdého feritu (používa sa aj zliatina AlNiCo, alebo PERMAG AOK).
Dnes sa vyrábajú reproduktory prevažne s vonkajším magnetom, no používajú sa aj vnútorné magnety, ktoré majú obvykle menší magnetický rozptyl a preto väčšiu účinnosť. Vzduchová medzera má obvykle prstencový tvar určený tromi charakteristickými rozmermi – výškou, šírkou a vnútorným priemerom. Platí, že čím sú tieto rozmery menšie, tým väčší magnetický tok sa dá v medzere dosiahnuť. Výška vzduchovej medzery je konštrukčne viazaná na výšku kmitacej cievky. Šírka vzduchovej medzery zase závisí od hrúbky kmitacej cievky (priemer drôtu, počet vrstiev a nosný materiál) a oproti tejto hrúbke musí byť zväčšená o bezpečnú vzdialenosť. Táto bezpečná vzdialenosť závisí na výrobných toleranciách a na spôsobe použitia reproduktora.

3.3.3 Kmitacia cievka
Kmitacia cievka býva navinutá na tenkú papierovú podložku smaltovaným drôtom. Po navinutí sa cievka bakelizuje, poprípade sa spevní vhodným lepidlom. Dnes sa však už stretneme aj s hliníkovými alebo kaptonovými formermi (nosičmi cievky), ktoré znesú podstatne väčšiu teplotu.
Kmitacia cievka je pevne spojená s membránou. Vývody cievky sú spravidla vyvedené na membránu blízko samotnej kmitacej cievky a odtiaľ sú vyvedené ohybným káblikom napr. na spájkovacie očká. Ohybný káblik nesmie byť príliš dlhý aby nespôsoboval prípadné pazvuky, no taktiež nemôže brániť membráne v pohybe. Prierez drôtu cievky môže byť malý, pretože teplo vzniknuté stratami v činnom odpore vinutia je dobre odvedené pólovými nástavcami a vyžiarené hmotou magnetického obvodu. Ak je cievka rovnako vysoká ako vzduchová medzera dochádza k skresleniu zvuku okolo 5%.Toto skreslenie spôsobuje nehomogénnosť magnetického poľa na okrajoch vzduchovej medzery. Z toho dôvodu býva cievka vyššia, alebo nižšia ako vzduchová medzera.
 
3.3.4 Membrána
Membrány sa kedysi vyrábali výlučne zo špeciálne pripravovanej papieroviny, kedy sa rozomletý papier nechal usadiť na sitách tvaru budúcej membrány a usušiť. Okraj membrány mal niekoľko vlniek, aby sa dosiahla dobrá poddajnosť, a aby membrána kmitala piestovo. Materiál je však v týchto miestach oslabený, a tak sa vlnky pretierajú tlmiacim lakom aby nedochádzalo k nežiadúcim kmitom. Dnes sa papierové membrány vyskytujú len u lacných reproduktorov, alebo naopak u profesionálnych reproduktorov vysokej účinnosti do PA systémov. V súčasnosti používané reproduktory majú membrány buď z lakovaného papiera, alebo z polypropylénu, výnimočne aj z hliníka alebo kevlaru a namiesto vlniek sa používajú aj gumené alebo textilné obruby, ktoré majú dlhšiu životnosť.

Tieto membrány dokážu premieňať na zvuk aj kmity s frekvenciou menšou ako 30 Hz, s čím majú klasické papierové membrány značné problémy.
Membrána však musí mať čo najmenšiu hmotnosť, pretože účinnosť reproduktora klesá s druhou mocninou hmotnosti kmitacieho systému.
Tvar a materiálové vlastnosti majú teda veľký vplyv na prenosové vlastnosti reproduktora. Membrána ovplyvňuje nielen kmitočtový priebeh, ale môže spôsobiť rôzne skreslenia. Jedným z nich je vznik subharmonických tónov, ktoré pôsobia v reprodukcii rušivo. Sú to nežiadúce vlastné kmity membrány, ktoré majú polovičnú frekvenciu ako prenášaný signál. Aby sa predišlo vzniku týchto nežiadúcich kmitov používa sa tzv. nerozvinuteľný tvar membrány
 
3.3.5 Kôš reproduktora
Kôš reproduktora tvorí mechanicky nosnú časť magnetického obvodu a membrány, a preto musí mať dokonalú mechanickú pevnosť. Väčšinou to je výlisok z plechu, u reproduktorov veľkých rozmerov je z hliníkovej alebo inej zliatiny. Kôš má veľké otvory, aby za membránou nevznikal nevhodný akustický obvod.
 
3.3.6 Strediaci prvok
Strediaci prvok udržuje kmitaciu cievku s membránou v ose vzduchovej medzery. Zabraňuje posunutiu kmitacej cievky, ktoré by spôsobilo trenie cievky o časti magnetického obvodu. Umožňuje však aj voľný pohyb membrány a kmitacej cievky v smere osi vzduchovej medzery. Strediaci prvok musí byť takisto ako membrána čo najľahší. Taktiež však musí byť dokonale priedušný, aby nekládol nežiadúci prídavný odpor.
 
3.3.7 Ozvučnice pre priamovyžarujúce reproduktory
Priamovyžarujúce reproduktory potrebujú ku svojej správnej činnosti ozvučnicu. Piestový pohyb membrány vytvára akustický tlak na obidvoch stranách membrány, ale okamžitá fáza týchto tlakov je opačná - v okamihu vytvorenia pretlaku pred membránou sa vytvára podtlak za membránou. Zvukové vlny s vlnovou dĺžkou väčšou ako je priemer membrány (tóny s nižšou frekvenciou) vyrovnávajú pretlak a podtlak a pre tieto kmitočty nastáva akustický skrat, ktorý sa prejaví poklesom frekvenčnej charakteristiky. Aby sa tomuto akustickému skratu zabránilo, upevňuje sa reproduktor na dosku  - ozvučnicu. Táto doska predlžuje vzdialenosť medzi prednou a zadnou stranou membrány a tým posúva hraničnú frekvenciu, pri ktorej nastáva akustický skrat, k nižším kmitočtom. Akustické obvody vytvorené v ozvučnici môžu priaznivo, niekedy však i nepriaznivo ovplyvniť priebehy frekvenčnej charakteristiky, prevažne na okrajoch prenášaného pásma.

Podľa konštrukčného riešenia sa typy ozvučníc delia na:

- doskové – Dnes sa už takmer vôbec nepoužíva. Reproduktor bol prednou stranou spojený
s doskou, ktorá zabraňovala skratu len čiastočne

- skriňové otvorené – V minulosti bol veľmi rozšírený a používal sa najmä u televízorov a iných
  zariadení, kde otvorená zadná strana umožňovala chladenie

- skriňové uzavreté - Použitím tejto ozvučnice dokonale predídeme akustickému skratu. Uzavretý
objem vzduchu za membránou na ňu pôsobí ako pneumatická pružina, ktorá
   posúva rezonančnú frekvenciu sústavy k vyšším kmitočtom. Tieto ozvučnice
sa používajú pre drahšie reproduktorové sústavy, kde ide o vyrovnanú
frekvenčnú charakteristiku. Obvykle sa vyplňujú tlmiacim materiálom.

- typu bass-reflex - Basreflexná ozvučnica je v súčasnosti najrozšírenejšia, pretože nepotrebuje tak hrubé steny ako uzavretá ozvučnica, tiež odstraňuje akustický skrat a nízke tóny vyžaruje s vyšším akustickým tlakom. Táto ozvučnica obsahuje basreflexový otvor, ktorého úlohou je vyžariť energiu zo zadnej strany spolu s energiou
  vyžiarenou prednou stranou membrány tak, že jej fázu zmení o 180°. Vyrobiť takýto akustický obvod je však veľmi zložité. Výhodou tohto riešenia je to, že  ozvučnica neposúva rezonančnú frekvenciu reproduktora, no správne funguje len v určitom frekvenčnom rozmedzí a tým zvlňuje frekvenčnú charakteristiku, čo môžeme v praxi pozorovať ako dunivé a nekonkrétne basy.

- iné

3.4 Nepriamovyžarujúci reproduktor
Keďže priamovyžarujúce reproduktory majú malú účinnosť, existujú aj reproduktory nepriamovyžarujúce, u ktorých je záťaž membrány prostredím väčšia.
Ak uzatvára membrána trúbku rovnakého priemeru ako je priemer membrány, môže v tejto trúbke vytvoriť postupujúcu rovinnú vlnu. Ak má trúbka konečnú dĺžku, chová sa výstupný otvor trúbky ako tenká membrána, ktorá časť energie vyžiari a časť energie sa odrazí späť. V trúbke takto vzniknú stojaté vlny. Ak dáme pred membránu trúbku, ktorej prierez sa smerom od membrány zväčšuje až do prierezu, pri ktorom je odrazená energia na prechode do prostredia minimálna, je membrána viac zaťažená ako pri priamej väzbe s prostredím. Funkciu takejto trúbky, ktorá mení prierez s dĺžkou, plní vhodný zvukovod. Takýmto reproduktorom so zvukovodom je napríklad tlakový reproduktor, ktorý dosahuje účinnosť 10 až 30%. Takýto tlakový reproduktor sa vyskytoval aj na starých magnetofónoch. Dnes sa využíva ako vysokotónový reproduktor vo výkonných sústavách.
 
3.5 Reproduktory podľa prenášanej frekvencie
Úlohou reproduktorov je premeniť elektrickú energiu na akustický signál, pričom sa čoraz viac kladie dôraz na kvalitu prenosu zvukového signálu (hlavne hudby a hlasu).Keďže každý hudobný nástroj aj ľudský hlas má svoje špecifické zafarbenie, hlasitosť a výšku, musí byť zvuk z jednotlivých zdrojov prenášaný (reprodukovaný) osobitými reproduktormi. Neexistuje reproduktor, ktorý by zachytil celú paletu tónov.
 
3.5.1 Širokopásmové reproduktory
Tieto reproduktory nachádzajú široké uplatnenie v bežnej spotrebnej elektronike ako sú rádiomagnetofóny alebo televízory, lebo reprodukujú tóny s frekvenciou 100 – 15000 Hz.. Zachytávanie nižších tónov je však slabšie.
Tieto reproduktory môžu mať aj eliptický tvar, čo vyrovnáva ich frekvenčnú charakteristiku, ale na druhej strane znižuje charakteristickú citlivosť. Membrány týchto reproduktorov sa vyrábajú z papiera. Pre zlepšenie reprodukcie sa používajú vysokotónové kužele, ktoré sú pevne spojené s membránou a sú obvykle vyrobené z materiálu tvrdšieho ako samotná membrána. K širokopásmovým reproduktorom možno zaradiť aj reproduktory koaxiálne, kde už síce je reproduktor aj vysokotónový stále však dohromady tvoria jeden nedeliteľný celok. Takéto reproduktory nachádzajú uplatnenie hlavne v automobiloch, kde je na klasické viacpásmové rozloženie málo miesta.
 
3.5.2 Hlbokotónové (basové) reproduktory
Zachytávajú frekvencie zhruba od 20 do 4000. Ich citlivosť sa pohybuje medzi 87 a 103 dB. Rozmermi sú najväčšie pretože s veľkosťou membrány stúpa účinnosť reprodukcie nižších tónov. Avšak reproduktory s väčšou výchylkou a menšou membránou sa vyrovnajú väčším reproduktorom. To sa dnes vo veľkom využíva, preto dnešné reproduktory s priemerom 20 cm predbehnú kvalitou reprodukcie niekdajšie 38 centimetrové reproduktory. Okrem toho, že sú najväčšie, sú basové reproduktory aj najvýkonnejšie pretože výkon 1W neznamená pre reproduktor to isté zaťaženie pri kmitočte 50 Hz a pri kmitočte 15000 Hz. Platí, že čím je kmitočet pri danom príkone nižší, tým je zaťaženie pre reproduktor vyššie. Tieto reproduktory sa vyskytujú v každej reproduktorovej ozvučnici (v kompletnej reproduktorovej skrini), kde je zvuk vytváraný viac ako jedným reproduktorom.  
 
3.5.3 Stredotónové reproduktory
Zachytávajú frekvencie od 500 do 4000 a ich citlivosť je okolo 95 dB.
Na rozdiel od basových reproduktorov sú podstatne menšie a využívajú sa najmä v Hi-Fi systémoch. Majú však menšie vinutie cievky, a preto sa pri nadmernom zaťažení môžu ľahko spáliť.
 
3.5.4 Vysokotónové reproduktory
Používajú sa pri rerodukcii vysokých tónov s frekvenciami od 2000 Hz. Sú malých rozmerov s vysokou citlivosťou a ľahko sa spália. Na rozdiel od predchádzajúcich sú smerované, a preto bývajú v repro-sústavách  umiestňované do výšky hlavy.
Takisto ako basové aj tieto reproduktory sa nachádzajú v každej viacpásmovej ozvučnici
Poznáme viac typov týchto reproduktorov:
 
-  klasický elektrodynamický reproduktor - Tento typ reproduktora však účinne nevyžaruje
  najvyššie tóny.  
-  tlakové reproduktory so zvukovodom – Kedysi sa často používal, dnes sa však kvôli vysokej  
  cene v bežných reprosústavách nevyskytuje.
 
 -  piezoelektrický reproduktor so zvukovodom – Vyznačuje sa vysokou citlivosťou, impedanciou 
  a je vynikajúci čo sa týka hornej hranice 
 frekvenčného rozsahu. Jeho frekvenčná  
  charakteristika však už  nie je až taká 
 vyrovnaná.
-  kalotový reproduktor -  Dnes zo spomínaných typov používa najviac vďaka jeho nízkej cene,
  vyrovnanému frekvenčnému rozsahu a taktiež vďaka jeho malým
  rozmerom.