Výškový reproduktor - Tweeter

Pohled do řezu na dynamický výškový reproduktor s akustickou čočkou a membránou ve tvaru kopule.
  1. Magnet
  2. Voicecoil
  3. Membrána
  4. Suspenze

Výškový nebo výšky reproduktoru je speciální druh reproduktoru (obvykle kopulí, inverzní kupole nebo Rohové), která je navržena tak, aby vysokých zvukových kmitočtů, typicky poskytují vysoké frekvence až do 100 kHz. Název je odvozen od vysokých tónů vydávaných některými ptáky (tweety), zejména na rozdíl od nízkých basů mnoha psů , podle nichž jsou pojmenovány nízkofrekvenční měniče ( basové reproduktory ).

Úkon

Polycellový výškový reproduktor z reproduktoru Infinity zobrazující komponenty.
Reproduktor Ohm CAM 16 s „tweeterem na vajíčka“.

Téměř všechny výškové reproduktory jsou elektrodynamické měniče využívající kmitací cívku zavěšenou v pevném magnetickém poli. Tato provedení fungují tak, že se proud z výstupu obvodu zesilovače aplikuje na cívku drátu nazývanou hlasová cívka . Kmitací cívky vytváří měnící se magnetické pole, které pracuje proti pevné magnetické pole permanentního magnetu, kolem kterého je válcové kmitací cívka je zavěšen, nutí kmitací cívkou a membránou k ní pohybovat. Tento mechanický pohyb připomíná tvar vlny elektronického signálu dodávaného z výstupu zesilovače do kmitací cívky. Protože je cívka připevněna k membráně, vibrační pohyb kmitací cívky se přenáší na membránu; membrána zase vibruje vzduch, čímž vytváří pohyby vzduchu nebo zvukové vlny, které jsou slyšet jako vysoké zvuky.

Moderní výškové reproduktory se obvykle liší od starších výškových reproduktorů, což byly obvykle malé verze basových reproduktorů . Jak pokročila technologie výškových reproduktorů, staly se populární různé designové aplikace. Mnoho měkkých kopulovitých výškových membrán je tepelně tvarováno z polyesterové fólie nebo hedvábí nebo polyesterové tkaniny, která byla impregnována polymerovou pryskyřicí. Tvrdé kopulovité výškové reproduktory jsou obvykle vyrobeny z hliníku, slitin hliníku a hořčíku nebo titanu.

Tweetery jsou určeny k převodu elektrického signálu na mechanický pohyb vzduchu bez přidávání nebo odčítání, ale tento proces je nedokonalý a výškové reproduktory v reálném světě zahrnují kompromisy. Mezi výzvy v konstrukci a výrobě výškových reproduktorů patří: zajištění adekvátního tlumení, rychlé zastavení pohybu kopule, když signál skončí; zajištění linearity odpružení, umožňující vysoký výkon na dolním konci svého frekvenčního rozsahu; zajištění svobody kontaktu se sestavou magnetu a udržování kopule ve středu při jejím pohybu; a zajištění adekvátního výkonu bez přidávání nadměrné hmotnosti.

Tweetery mohou také fungovat ve spolupráci s basovými reproduktory, které jsou zodpovědné za generování nízkých frekvencí nebo basů.

Některé výškové reproduktory jsou umístěny mimo hlavní ozvučnici ve vlastní polo-nezávislé jednotce. Mezi příklady patří „ super tweetery “ a román „tweeter na vajíčka“ od Ohma . Ten se zapojuje a otáčí, aby upravil zvukové pole v závislosti na poloze posluchače a preferencích uživatele. Oddělení od ozvučnice je považováno za optimální na základě teorie, že nejmenší možná ozvučnice je optimální pro výškové reproduktory.

Rozsah

Většina výškových reproduktorů je navržena tak, aby reprodukovaly frekvence až do formálně definované horní hranice rozsahu lidského sluchu (obvykle uváděné jako 20 kHz); některé pracují na frekvencích až přibližně mezi 5 kHz až 20 kHz. Tweetery s vyšším horním rozsahem byly navrženy pro psychoakustické testování, pro digitální audio s rozšířeným dosahem, jako je Super Audio CD určené pro audiofily , pro biology provádějící výzkum reakce zvířat na zvuky a pro okolní zvukové systémy v zoologických zahradách. Byly vyrobeny pásové výškové reproduktory, které dokážou reprodukovat 80 kHz a dokonce 100 kHz.

Kupolovité materiály

Všechny kopulovité materiály mají výhody i nevýhody. Tři vlastnosti, které designéři v kopulích hledají, jsou nízká hmotnost, vysoká tuhost a dobré tlumení. Celestion byli prvními výrobci, kteří vyrobili kopulovité výškové reproduktory z kovu, mědi . V současné době se používají další kovy, jako je hliník , titan , hořčík a berylium , jakož i jejich různé slitiny, které jsou lehké a tuhé, ale mají nízké tlumení; jejich rezonanční režimy se vyskytují nad 20 kHz. Pro jejich extrémní tuhost se používají i exotičtější materiály, jako je syntetický diamant . Polyetyléntereftalátová fólie a tkané hedvábí trpí méně vyzváněním, ale nejsou zdaleka tak tuhé, což může omezit jejich velmi vysoký frekvenční výstup.

Obecně menší kopulovité výškové reproduktory poskytují širší rozptyl zvuku na nejvyšších frekvencích. Menší kopulovité výškové reproduktory však mají méně vyzařující oblasti, což omezuje jejich výkon na dolním konci jejich dosahu; a mají menší hlasové cívky, které omezují jejich celkový výstupní výkon.

Ferrofluid

Ferrofluid je suspenze velmi malých (typicky 10 nm) magnetických částic oxidu železa ve velmi málo těkavé kapalině, obvykle syntetickém oleji. Široká škála variant viskozity a magnetické hustoty umožňuje konstruktérům přidat tlumení, chlazení nebo obojí. Ferrofluid také pomáhá při centrování kmitací cívky v magnetické mezeře, což snižuje zkreslení. Tekutina se obvykle vstřikuje do magnetické mezery a je držena na místě silným magnetickým polem. Pokud byl výškový reproduktor vystaven zvýšeným úrovním výkonu, dochází k určitému zesílení ferrofluidu, protože část nosné kapaliny se odpařuje. V extrémních případech to může snížit kvalitu zvuku a výstupní úroveň výškového reproduktoru a kapalinu je třeba odstranit a nainstalovat novou.

Profesionální zvukové aplikace

Výškové reproduktory určené pro zesílení zvuku a aplikace hudebních nástrojů jsou široce podobné vysoce věrným výškovým reproduktorům, ačkoli se obvykle neoznačují jako výškové reproduktory, ale jako „vysokofrekvenční měniče“. Klíčové rozdíly v konstrukčních požadavcích jsou: úchyty postavené pro opakovanou přepravu a manipulaci, řidiči často montovaní do struktur houkaček, aby zajistily vyšší hladiny zvuku a lepší kontrolu rozptylu zvuku, a robustnější kmitací cívky, aby vydržely vyšší úrovně výkonu, se kterými se běžně setkáváme. Vysokofrekvenční budiče v PA houkačkách jsou často označovány jako „ kompresní budiče “ z režimu akustického spojení mezi membránou budiče a hrdlem houkačky.

Při konstrukci membránových kompresních ovladačů se používají různé materiály, včetně titanu, hliníku, fenolické impregnované textilie, polyimidu a PET fólie , z nichž každý má své vlastní vlastnosti. Membrána je přilepena k formátoru kmitací cívky, obvykle vyrobené z jiného materiálu z kopule, protože se musí vyrovnat s teplem, aniž by došlo k roztržení nebo výrazné rozměrové změně. Pro tuto aplikaci jsou oblíbené polyimidové fólie, Nomex a skleněná vlákna. Zavěšení může být pokračováním membrány a je přilepeno k montážnímu kroužku, který může zapadnout do drážky, přes polohovací kolíky, nebo může být upevněn strojními šrouby. Membrána má obecně tvar obrácené kopule a zatěžuje se do řady zúžených kanálů ve středové struktuře zvané fázová zástrčka , která vyrovnává délku dráhy mezi různými oblastmi membrány a hrdelního rohu a brání akustickému rušení mezi různými body na povrch membrány. Fázová zástrčka vychází do zúžené trubice, která tvoří začátek samotného rohu. Toto pomalu se rozšiřující hrdlo v řidiči pokračuje v klaksonu. Světlice klaksonu ovládá vzor pokrytí nebo směrovost a jako akustický transformátor dodává zisk. Profesionální kombinace klaksonu a komprese má výstupní citlivost mezi 105 a 112 dB/watt/metr. To je podstatně účinnější (a méně tepelně nebezpečné pro malou cívku a dřívější cívku) než jiná konstrukce výškového reproduktoru.

Typy výškových reproduktorů

Kuželový výškový reproduktor

Kuželový výškový reproduktor z reproduktoru Marantz 5G

Kuželové výškové reproduktory mají stejný základní design a tvar jako basový reproduktor s optimalizací pro provoz na vyšších frekvencích. Optimalizace obvykle jsou:

  • velmi malý a lehký kužel, aby se mohl rychle pohybovat;
  • kuželové materiály zvolené pro tuhost (např. keramické kužely v řadě jednoho výrobce) nebo dobré tlumicí vlastnosti (např. papír, hedvábí nebo potahovaná tkanina) nebo obojí;
  • odpružení (nebo pavouk), které je tužší než u ostatních ovladačů - pro vysokofrekvenční reprodukci je zapotřebí menší flexibility;
  • malé hlasové cívky (typický je 3/4 palce) a lehký (tenký) drát, který také pomáhá rychlému pohybu kužele výškového reproduktoru.

Kuželové výškové reproduktory byly oblíbené u starších stereofonních hi-fi reproduktorů navržených a vyráběných v 60. a 70. letech 20. století jako alternativa k kupolovému výškovému reproduktoru (který byl vyvinut na konci 50. let). Kuželové výškové reproduktory jsou dnes často relativně levné, ale mnoho z nich v minulosti mělo vysokou kvalitu, například od společností Audax/Polydax, Bozak, CTS, JBL, Tonegen a SEAS. Tyto vinobraní kuželové výškové reproduktory vykazovaly velmi plochou frekvenční odezvu, nízké zkreslení, rychlou přechodovou odezvu, nízkou rezonanční frekvenci a jemný low-end roll-off, což usnadňuje konstrukci crossoveru.

Typický pro éru šedesátých a sedmdesátých let byl kuželový výškový reproduktor CTS „fenolický kruh“, vykazující plochou odezvu od 2 000 do 15 000 Hz, nízké zkreslení a rychlou přechodovou odezvu. Výškový reproduktor „fenolický kruh“ CTS je pojmenován podle oranžově zbarveného závěsného kroužku, který je vyroben z fenolických látek. To bylo použito v mnoha značkách a modelech dobře-pokládaný vintage reproduktory, a byl střední cena jednotka.

Kuželové výškové reproduktory mají užší rozptylovou charakteristiku, která je stejná jako u kuželového basového reproduktoru. Mnoho návrhářů se proto domnívalo, že se díky tomu dobře hodí ke středovým a basovým reproduktorům, což umožňuje vynikající stereofonní obraz. „Sweet spot“ vytvořený úzkou disperzí kuželových výškových reproduktorů je však malý. Reproduktory s kuželovými výškovými reproduktory nabízely nejlepší stereofonní zobrazení, když byly umístěny v rozích místnosti, což je běžná praxe v 50., 60. a na počátku 70. let.

V sedmdesátých a osmdesátých letech rozšířené zavádění kvalitnějších audiofilských disků a příchod CD způsobily, že kuželový výškový reproduktor vypadl z popularity, protože kuželové výškové reproduktory jen zřídka přesahovaly 15 kHz. Audiofilové cítili, že kuželovým výškovým reproduktorům chybí „vzdušnost“ kopulovitých výškových reproduktorů nebo jiných typů. Přesto mnoho špičkových kuželových výškových reproduktorů zůstalo v omezené produkci společností Audax, JBL a SEAS až do poloviny 80. let minulého století.

Kuželové výškové reproduktory se nyní v moderním hi-fi použití používají jen zřídka a běžně se vyskytují v levných aplikacích, jako jsou tovární automobilové reproduktory, kompaktní stereo systémy a boom boxy. Někteří výrobci butikových reproduktorů se nedávno vrátili k špičkovým kuželovým výškovým reproduktorům, zejména k obnově modelů fenolických prstenů CTS, aby vytvořili vintage-znějící produkt.

Dome tweeter

Kopulovitý výškový reproduktor je konstruován připojením kmitací cívky k kopuli (vyrobené z tkané textilie, tenkého kovu nebo jiného vhodného materiálu), která je připevněna k magnetu nebo horní desce pomocí odpružení s nízkou poddajností. Tyto výškové reproduktory obvykle nemají rám nebo koš, ale jednoduchou přední desku připevněnou k sestavě magnetu. Dome výškové reproduktory jsou rozděleny do kategorií podle průměru jejich cívky a pohybují se od 19 mm (0,75 palce) do 38 mm (1,5 palce). Drtivá většina kupolových výškových reproduktorů, které se v současné době používají v hi-fi reproduktorech, má průměr 25 mm (1 palce).

Variací je prstencový radiátor, ve kterém se „vyzařování“ kužele nebo kopule stává hlavním vyzařujícím prvkem. Tyto výškové reproduktory mají ve srovnání se standardními kupolovými výškovými reproduktory odlišné charakteristiky směrovosti.

Piezo výškový reproduktor

Piezo (nebo piezoelektrické) reproduktor obsahuje piezoelektrický krystal spojený s mechanickým membrány. Na krystal je aplikován zvukový signál, který reaguje ohnutím v poměru k napětí aplikovanému na povrchy krystalu, čímž přeměňuje elektrickou energii na mechanickou.

Přeměna elektrických impulzů na mechanické vibrace a přeměna vrácených mechanických vibrací zpět na elektrickou energii je základem pro ultrazvukové testování. Aktivní prvek je srdcem měniče, který převádí elektrickou energii na energii akustickou a naopak. Aktivní prvek je v podstatě kus polarizovaného materiálu (tj. Některé části molekuly jsou nabité kladně, zatímco jiné části molekuly jsou záporně nabité) s elektrodami připevněnými ke dvěma protilehlým plochám. Když je na materiál aplikováno elektrické pole, polarizované molekuly se zarovná s elektrickým polem, což má za následek indukované dipóly v molekulární nebo krystalové struktuře materiálu. Toto zarovnání molekul způsobí, že materiál změní rozměry. Tento jev je známý jako elektrostrikce . Navíc trvale polarizovaný materiál, jako je křemen (SiO 2 ) nebo titaničitan barnatý (BaTiO 3 ), bude vytvářet elektrické pole, když materiál mění rozměry v důsledku uložené mechanické síly. Tento jev je známý jako piezoelektrický efekt .

Piezo výškové reproduktory se zřídka používají ve špičkovém zvuku kvůli jejich nízké věrnosti, ačkoli se objevily v některých špičkových provedeních z konce 70. let, jako je Celef PE1, ve kterém byly použity jako super tweeter v kombinaci s konvenční kopulovitý výškový reproduktor. Často se používají v hračkách, bzučácích, alarmech, skříních reproduktorů basové kytary, levných počítačových nebo stereofonních reproduktorech a PA houkačkách.

Páskový výškový reproduktor

Philips ribbon tweeter.

Páskový výškový reproduktor používá k reprodukci vysokých frekvencí velmi tenkou membránu (často z hliníku nebo snad metalizovanou plastovou fólii), která podporuje planární cívku často vyrobenou depozicí hliníkové páry, zavěšenou v silném magnetickém poli (obvykle dodávané neodymovými magnety). Vývoj páskových výškových reproduktorů víceméně následoval vývoj pásových mikrofonů . Stuha je vyrobena z velmi lehkého materiálu a je tak schopná velmi vysokého zrychlení a rozšířené vysokofrekvenční odezvy. Pásky tradičně nejsou schopné vysokého výkonu (velké mezery magnetů vedoucí ke špatné magnetické vazbě jsou hlavním důvodem). Verze pásových výškových reproduktorů s vyšším výkonem se však stávají běžnými v rozsáhlých systémech řady zvukových zesilovačů, které mohou sloužit tisícům posluchačů. Jsou atraktivní v těchto aplikacích, protože téměř všechny výškové reproduktory na pásech inherentně vykazují užitečné směrové vlastnosti, s velmi širokou horizontální disperzí (pokrytím) a velmi těsnou vertikální disperzí. Tyto měniče lze snadno skládat svisle a vytvořit tak vysokofrekvenční linkové pole, které produkuje vysoké hladiny akustického tlaku mnohem dále od umístění reproduktorů než konvenční výškové reproduktory.

Planárně magnetický výškový reproduktor

Někteří návrháři reproduktorů používají planární magnetický výškový reproduktor, někdy nazývaný kvazi-stuha. Planární magnetické výškové reproduktory jsou obecně levnější než skutečné výškové reproduktory, ale nejsou přesně ekvivalentní, protože páska z kovové fólie je lehčí než membrána v planárním magnetickém výškovém reproduktoru a magnetické struktury jsou různé. Obvykle se používá tenký kousek PET fólie nebo plastu s drátem kmitací cívky, který na materiálu běží několikrát svisle. Struktura magnetu je levnější než u pásových výškových reproduktorů.

Elektrostatický výškový reproduktor

Elektrostatický výškový reproduktor Shackman MHT85.

Elektrostatický výškový funguje na stejných principech jako v celém rozsahu měření elektrostatického reproduktoru nebo pár elektrostatických sluchátek. Tento typ reproduktoru využívá tenkou membránu (obvykle plastovou a obvykle PET fólii) s tenkým vodivým povlakem, zavěšenou mezi dvěma obrazovkami nebo děrovanými plechy, označovanými jako statory.

Výstup hnacího zesilovače je aplikován na primární z step-up transformátor s středovou odbočkou sekundární, a velmi vysoké napětí několika set do několika tisíc voltů, se aplikuje mezi střed vinutí transformátoru a membránou. Elektrostatika tohoto typu nutně obsahuje vysokonapěťový napájecí zdroj zajišťující použité vysoké napětí. Statory jsou připojeny ke zbývajícím svorkám transformátoru. Když je zvukový signál aplikován na primární transformátor, statory jsou elektricky poháněny o 180 stupňů mimo fázi, střídavě přitahují a odpuzují membránu.

Neobvyklým způsobem pohonu elektrostatického reproduktoru bez transformátoru je připojení desek zesilovače s elektronkou push-pull přímo ke statorům a napájení vysokého napětí mezi membránou a zemí.

Elektrostatika snížila harmonické zkreslení rovnoměrného řádu díky své konstrukci push-pull. Mají také minimální fázové zkreslení. Design je poměrně starý (původní patenty pocházejí z 30. let 20. století), ale zabírá velmi malý segment trhu kvůli vysokým nákladům, nízké účinnosti, velké velikosti pro design celého rozsahu a křehkosti.

AMT výškový reproduktor

Air Motion Transformer tweeter funguje tak, že tlačí vzduch ven kolmo ze skládaného bránice. Jeho membrána je skládané záhyby fólie (obvykle PET fólie) kolem hliníkových vzpěr držených v silném magnetickém poli. V minulých desetiletích společnost ESS of California vyrobila řadu hybridních reproduktorů využívajících takové výškové reproduktory spolu s konvenčními basovými reproduktory, které je označovaly jako měniče Heil po svém vynálezci Oskaru Heilovi . Jsou schopné značných výstupních úrovní a jsou spíše odolnější než elektrostatika nebo pásky, ale mají podobné pohyblivé prvky s nízkou hmotností.

Většina současných dnes používaných ovladačů AMT má podobnou účinnost a frekvenční odezvu jako původní návrhy Oskara Heila ze 70. let minulého století.

Trubkový výškový reproduktor

Trubkový výškový reproduktor je jakýkoli z výše uvedených výškových reproduktorů spojený se vzplanutou nebo rohovou strukturou. Rohy se používají ke dvěma účelům - k ovládání disperze a k připojení tweeterové membrány ke vzduchu pro vyšší účinnost. Výškový reproduktor je v obou případech obvykle nazýván ovladačem komprese a je zcela odlišný od běžnějších typů výškových reproduktorů (viz výše). Správně používaný roh zlepšuje odezvu výškového reproduktoru mimo osu řízením (tj. Snížením) směrovosti výškového reproduktoru. Může také zlepšit účinnost výškového reproduktoru spojením relativně vysoké akustické impedance budiče s nižší impedancí vzduchu. Čím větší je roh, tím nižší jsou frekvence, na kterých může fungovat, protože velké rohy zajišťují spojení se vzduchem při nižších frekvencích. Existují různé typy rohů, včetně radiální a konstantní směrovosti (CD). Trubkové výškové reproduktory mohou mít poněkud 'jiný' zvukový podpis než jednoduché kopulovité výškové reproduktory. Špatně navržené rohy nebo nesprávně překřížené rohy mají předvídatelné problémy s přesností výstupu a zátěží, kterou představují pro zesilovač. Někteří výrobci si možná dělají starosti s obrazem špatně navržených rohů, protože používají výškové reproduktory s rohovým zatížením, ale vyhýbají se používání tohoto výrazu. Mezi jejich eufemismy patří „eliptická clona“, „polohorh“ a „řízená směrovost“. Jedná se však o formu zatěžování rohu.

Plazmový nebo iontový výškový reproduktor

Protože je ionizovaný plyn elektricky nabitý a lze s ním manipulovat pomocí variabilního elektrického pole, je možné jako tweeter použít malou sféru plazmy . Takovým výškovým reproduktorům se říká „plazmový“ výškový reproduktor nebo „iontový“ výškový reproduktor. Jsou složitější než jiné výškové reproduktory (generování plazmy není u jiných typů vyžadováno), ale nabízejí tu výhodu, že pohybující se hmota je optimálně nízká a tak velmi citlivá na vstup signálu. Tyto typy výškových reproduktorů nejsou schopné vysokého výkonu ani jiné než velmi vysokofrekvenční reprodukce, a proto se obvykle používají v hrdle struktury rohu ke správě použitelných výstupních úrovní. Jednou nevýhodou je, že plazmový oblouk typicky produkuje ozón , jedovatý plyn, v malých množstvích jako vedlejší produkt. Z tohoto důvodu byl v 80. letech 20. století zakázán dovoz reproduktorů Magnat „magnasphere“ německé výroby do Spojených států.

V minulosti byl dominantním dodavatelem DuKane poblíž St Louis v USA, který vyrobil Ionovac; prodává se také ve variantě pro Spojené království jako Ionophane. Electro-Voice vyrobil model na krátkou dobu v licenci společnosti DuKane. Tyto rané modely byly vybíravé a vyžadovaly pravidelnou výměnu buňky, ve které byla generována plazma (jednotka DuKane používala přesně opracovanou křemennou buňku). V důsledku toho to byly ve srovnání s jinými provedeními drahé jednotky. Ti, kteří slyšeli Ionovacs, hlásili, že v rozumně navrženém systému reproduktorů byly výšky „vzdušné“ a velmi podrobné, i když vysoký výkon nebyl možný.

V 80. letech minulého století používal reproduktor Plasmatronics také plazmový výškový reproduktor, ačkoli výrobce nezůstal v podnikání příliš dlouho a prodalo se jen velmi málo těchto komplexních jednotek.

Viz také

Reference