Reproduktorové sústavy: Od základov po pokročilé technológie

Reproduktorová sústava je zariadenie na premenu elektrického signálu z audio zariadení na počuteľný zvuk.

Reproduktorové sústavy sa používajú pre ozvučenie vo frekvenčnom pásme počuteľnom pre ľudské ucho (20Hz - 20kHz).

Reproduktorová sústava je finálny výrobok určený konečnému spotrebiteľovi.

Typy reproduktorových sústav

Reproduktorové sústavy možno deliť podľa viacerých kritérií, pričom každé delenie nám pomáha lepšie pochopiť ich funkciu a určenie.

Pasívne a aktívne sústavy

Pasívna reproduktorová sústava - neobsahuje zosilňovacie prvky (predzosilňovač, zosilňovač). Vstupom je elektronický signál z audio zosilňovača o napätiach > 2V.

Aktívna reproduktorová sústava - obsahuje zosilňovače. Vstupom pre ňu je audio signál o napätí 0,7V -1V (<2V). Počítačové reproduktory sú najbežnejším príkladom aktívnych reproduktorov.

Delenie podľa frekvenčného spektra

Úzkopásmové - Jedná sa o reproduktor, ktorý prenáša len jednu časť počuteľného spektra (20 Hz -20 kHz), podľa toho na čo je určený. Obvykle ich delíme na vysokotónové (prenášajúce frekvencie 1.5 kHz až 16 kHz, strednotónové 300 Hz - 11 kHz, nízkotónové 20 Hz - 3kHz). Hranice záležia na konštrukcii reproduktora.

Širokoopásmové - Reproduktorová sústava prenáša celé spektrum (alebo jeho podstatnú časť). Niekedy sa nazýva aj širokopásmový. Slúži na prenášanie celého počuteľného spektra zvuku (20 Hz - 20 kHz). Keďže býva veľmi namáhaný, jeho kvalita je vo väčšine prípadov veľmi obmedzená, preto sa používa najmä v malých rádiách, v nákupných centrách, gitarových kombách, v starších televízoroch a v zariadeniach spotrebnej elektroniky.

Jednopásmové - Reproduktor sústavy je tvorený jedným širokopásmovým meničom (reproduktorom, ktorý prenáša celé pásmo).

Viacpásmové - Sústava je osadená reproduktormi obvykle na tri frekvenčné pásma. Dôvodom je, že reprosústavy dvojpásmové mávajú zvyčajne problém s nadviazaním pásiem. Deliaca frekvencia je medzi 1 - 3 kHz, čo je tzv. rečová oblasť, kde má ľudské ucho najväčšiu citlivosť. Ak pásmo predelíme na dve pásma, potom sa akusticky dve reproduktory stretnú práve na týchto frekvenciách a fázové posuvy spôsobia, že v oblasti deliacej frekvencie vyžarujú oba reproduktory ten istý signál, ale s rôznou fázou, čo spôsobí zmenu amplitúdy a zafarbenia zvuku. Z tohoto hľadiska sú na tom lepšie trojpásmové sústavy, kde rečové pásmo od 1 kHz do 3 kHz môže vyžarovať jeden reproduktor.

Viacprvkové sústavy

Viacprvková sústava - je obvykle tvorená viacprvkovými reproduktormi (napr. 2.1, 4.1, 5.1, 7.1). Číslo pred bodkou udáva počet satelitov, číslo za bodkou počet subwooferov. Viacprvkové sústavy sa využívajú pre získanie dojmu priestorového zvuku hlavne v spojení s domácim kinom (zvuk deja odohrávajúceho sa za chrbtom osoby sledujúcej dej sa ozve zozadu).

• 2.1 je stereo zostava s jedným subwooferom.
• 4.1 je zostava dvoch predných, dvoch zadných reproduktorov a jedného subwoofera.
• 5.1 je 4.1 doplnená o dialógový (stredný reproduktor).

Špeciálne konštrukcie ozvučníc

Izobarická (s konštantným akustickým tlakom) - v uzatvorenej ozvučnici sú reproduktory sú umiestnené za sebou, tak aby sa tlakovo ovplyvňovali.

Pásmový priepust (bandpass) - v ozvučnici reproduktor nehrá bezprostredne do posluchového priestoru, ale cez nátrubok. V uzatvorenej ozvučnici je nízkofrekvenčný rozsah interakciou reproduktora a ozvučnice, ale rozsah vyšších frekvencií je výsledkom prirodzenej charakteristiky reproduktora.

Pasívny žiarič (passive radiator) - uzatvorená ozvučnica obsahuje aktívny reproduktor a pasívny reproduktor (bez magnetickej časti a cievky).

Slimák - ozvučnica má vnútorne zložitú štruktúru - vytvorený zvukovod, ktorý prenáša akustický tlak vyvolaný pohybom membrány reproduktora vzad.

So zvukovodom - na výstupe reproduktora je umiestnený nátrubok lievikovitého tvaru brániaci akustickému skratu. Používa sa hlavne pre vysokotónové reproduktory.

Konštrukcia reproduktora

Reproduktor je elektromechanické zariadenie, ktoré mení elektrický signál na mechanický pohyb, ktorý spôsobuje akustické vlnenie. Nazýva sa teda elektromechanický a mechanickoakustický menič, ale zaužívané je elektroakustický menič.

V širšom zmysle sa ako reproduktor označuje časť reproduktorovej sústavy, ktorá pozostáva z reproduktorov (ako elektroakustického meniča) spojeného s akustickým zariadením - ozvučnicou rezonančnou doskou, alebo rezonančnou debnou, na zosilnenie, alebo usmernenie zvuku.

Takáto zostava je obvykle doplnená o elektrické diely deliace vstupnú frekvenciu pre jednotlivé reproduktory (vysoké tóny, stredné tóny, basové tóny), ktorú nazývame reproduktorová výhybka, tiež niekedy obsahujúca elektronické zosilňovače a ekvalizéry.

Tieto diely sú kompaktne uložené a dizajnovo upravené na použitie s audiovizuálnym zariadením.

Základné komponenty reproduktora

Kôš reproduktora

Kôš reproduktora je základnou nosnou konštrukciou reproduktora. Slúži pre upevnenie reproduktora do skrinky a zároveň nesie elektromagnetický obvod, závesy membrány a pripojovacie terminál. Konštrukcia koša musí byť čo najpevnejší a zároveň musia mať antirezonanční vlastnosti. Je vyrobený z lisovaného plechu. U drahších reproduktorov môže byť kôš odlievaný. Nesie všetky ostatné diely reproduktora a za kôš sa reproduktor upevňuje k ozvučnici.

Magnetický obvod

Magnetický obvod - Je to základná súčasť pohonu elektrodynamického reproduktora. Je vytvorený z permanentného kruhového magnetu, uloženého medzi dvoma opornými doskami z masívneho magneticky vodivého materiálu (magneticky mäkká oceľ). Stred systému tvorí jadro ktoré je taktiež z magneticky mäkkého materiálu a pre lepší odvod tepla je u niektorých reproduktorov duté.

Kmitacia cievka

Kmitacia cievka - ďalšia podstatná časť pohonu elektrodynamického reproduktora. Cievka v reproduktore je navinutá na nosiči (formeri) a zapríčiňuje pohyb membrány s ktorou je nosič pevne spojený. Kmitanie cievky závisí od veľkosti a charakteru privedeného signálu. Pri pretekaní striedavého prúdu cievkou vzniká v jej okolí magnetické pole, pretože signál privádzaný do cievky zo zdroja sa v čase mení. Signál môže byť hudobný (nepravidelný) alebo aj tzv. sínusový (pravidelný). Cievka je navinutá na nosiči vyrobenom z papiera, hliníka alebo kaptonu, ktorý je prilepený k membráne, alebo je vyrobená ako samonosná - jednotlivé závity cievky sú zlepené tvrdým lakom navzájom, a tvoria symetrický valcový tvar. Cievka je umiestnená tak, že jej jadrom je jadro magnetického systému. Najčastejšie to býva vinutie z izolovaného vodiča, navinutého na cievkové teleso, ktoré je spojené s membránou. Vinutie býva obvykle v dvoch vrstvách, u niektorých (najmä stredových a vysoko tónových reproduktorov) často len jedna vrstva, výnimočne 4 vrstvy (niektoré basové reproduktory). Na cievku, najmä u výkonných reproduktorov, sú kladené značné nároky.

Membrána

Membrána - Membrána svojim pohybom mení elektrickú energiu na mechanickú a tak spôsobuje akustické vlnenie. Membrána má kužeľovitý tvar. Tvar membrány vytvára tzv. zvukovú charakteristiku reproduktora - tvar akustického poľa v okolí reproduktora. Tvar membrány basových a stredových reproduktorov je väčšinou kužeľový. U širokopásmových reproduktorov sa často používa ľahká pomocná membrána menšieho priemeru, ktorá je upevnená pred hlavnou membránou, a zlepšuje vyžarovanie vysokých kmitočtov.

Materiály membrán:

• Papier: Najrozšírenejší, vyrába sa striekaním papierovej suspenzie na špeciálne sitá. Je lacný, a preto sa vyskytuje na väčšine reproduktorov. Z dôvodu zvýšenia tuhosti a k utlmeniu nežiaducich vlastných kmitov, sa na papierovú membránu väčšinou nanáša špeciálny lak.
• Polypropylén: Lacná výroba a dostatočná tuhosť membrány bez nutnosti ďalších úprav.
• Uhlíkové vlákno: Veľmi kvalitné, ale zato veľmi drahé.
• Kovové membrány: Väčšinou hliníkové nebo horčíkové či titanové. Výhodou je nízka hmotnosť a tuhosť membrány.
• Sendvičové membrány: Skladajú sa z viacerých vrstiev.

Konštrukcia membrány reproduktora spôsobuje, že niektoré frekvencie dokáže reprodukovať veľmi dobre, niektoré horšie alebo vôbec. Malý reproduktor môže mať vysoký výkon, ale konštrukcia mu bráni dosiahnuť veľkú výchylku (amplitúdu) na to, aby v nízkych frekvenciách prekročil čo i len prah počuteľnosti. Veľmi veľkej ozvučnici na druhej strane zotrvačnosť membrány bráni meniť svoju polohu podľa signálu príliš rýchle (vysoké frekvencie), pri nízkych frekvenciách však dokáže vytvoriť vysokú amplitúdu a teda vysoký akustický tlak.

Vývody

Vývody - Pre pripojenie k zdroju signálu sú reproduktory vybavené rôznymi svorkami. U lacných a miniatúrnych reproduktorov to bývajú jednoduchá spájkovacia oka. Kladná svorka býva označená zvyčajne červenou farbou alebo znamienkom +. Zmluvne platí, že pri privedení napätia súhlasné polarity sa membrána pohybuje dopredu.

Princípy činnosti reproduktorov

Reproduktor pracuje väčšinou na elektrodynamickom princípe a teda na princípe vzájomného pôsobenia síl magnetického poľa trvalého magnetu s magnetickým poľom cievky pevne spojenej s membránou. Cievkou prechádza elektrický prúd (výstupný signál zo zosilňovača), ktorý na základe amplitúdy a frekvencie signálu vyvolá meniace sa elektromagnetické pole. Takto je cievka vťahovaná a vytláčaná do a z magnetického poľa trvalého magnetu. Tento kmitavý pohyb cievky (a teda aj membrány s ktorou je spojená) sa prenesie na okolitý vzduch.

Typy reproduktorov podľa princípu pohonu

• Elektrodynamické - Tento princíp pohonu je najbežnejší. Základom je cievka a permanentný magnet. Cievka sa pohybuje vo valcovej štrbine medzi pólovými nadstavcami magnetického obvodu. Princíp činnosti spočíva v pôsobení sily na vodič, ktorým preteká elektrický prúd v magnetickom poli.
• Elektromagnetické - Tento princíp sa dnes príliš nepoužíva. Základom je membrána, treba z tenkého železného plechu, ktorú priťahuje elektromagnet, ktorý pohybuje s membránou.
• Elektrostatické - Membrána z tenkej fólie s vodivou vrstvou býva umiestnená medzi dve pevné elektródy, zvyčajne v tvare sieťok. Reproduktor pracuje na princípe vzájomného priťahovanie a odpudzovanie elektricky nabitých dosiek. Podľa usporiadania a vzdialenosti elektród vyžaduje značne veľké prevádzkové a polarizačné napätie (stovky až tisíce Voltov).
• Piezoelektrické - Doštička z piezomateriálu je mechanicky spojená s vhodnou membránou, alebo tvorí membránu. Použitie je skôr pre lacné vysoko tónové, alebo pre tlakové meniče aj pomerne veľkých výkonov (malé sirény apod). Ich nevýhodou je pomerne väčšie skreslenie. Piezo-elektrický - Je to typ vysokotónového reproduktora s vysokým zaťažením, no taktiež veľmi zvlnenou frekvenčnou charakteristiou, je teda určený pre nenáročné použitie.
• Plazmové - Tieto reproduktory nemajú membránu. Využíva sa zmien tlaku vzduchu, vyvolaných koronou alebo oblúkovým výbojom. Hoci je princíp poznám dlho a experimenty sa robili už okolo roku 1900, je použitie reproduktorov na tomto princípe veľmi okrajové.
• Pneumatické - Medzi ďalšie typy pohonov patrí napr Pneumatické.

Špeciálne reproduktory

Pre elektrické hudobné nástroje - špeciálne vyrábané reproduktory pre nástroje zvlášť el.

Umiestnenie reproduktorových sústav

Správne umiestnenie reproduktorových sústav je kľúčové pre dosiahnutie optimálnej kvality zvuku.

Vplyv umiestnenia na zvuk

V prípade že sa jedná o veľkú miestnosť, reprosústavy by mali byť umiestnené minimálne 1 m od zadnej steny. Vo voľnom priestore vzdialenosť od zadnej steny určuje, ako hlboko na basoch reprosústava v danej miestnosti pôjde. Všeobecne možno skonštatovať, že najlepším riešením je vyhnúť sa pri umiestňovaní rohom, nakoľko dochádza k prebasovaniu čo má za následok výrazne zhoršenú kvalitu zvuku.

Väčšina stereofónnych systémov používa nastavenie reprosústav príliš blízko pri sebe. Ako hrubá smernica a štartovací bod môže poslúžiť nasledovné odporúčanie: vzdialenosť medzi reprosústavami by mala byť cca 70 percent šírky izby za predpokladu, že vaše reprosústavy majú byť umiestnené na dĺžku izby. Ak sú príliš blízko pri sebe vytvoria „duchov“ zdvojené obrazy ktoré rozmažú jasnosť a priestorovú scénu. Ak sú príliš ďaleko, začnú hrať tenko a v extrémnych prípadoch vytvoria separátny ľavý a pravý kanál bez priestorovej scény.

V ideálnej miestnosti môžu byť reprosústavy nasmerované priamo dopredu. Pootočením reprosústav na poslucháča sa eliminuje množstvo odrazov na stredných a vysokých frekvenciách od bočných stien. Natočenie reprosústav dovnútra bude mať za následok vyrovnanejší a muzikálnejší zvuk a ostrejšiu priestorovú scénu.

Geometria posluchového priestoru

V prípade stereosústavy by mali reproboxy tvoriť s hlavou poslucháča rovnoramenný trojuholník ( z pohľadu poslucháča by mali zvierať 60° uhol).

V prípade zapojenia quadrophonic reproduktory vzájomne zvierajú 90 stupňový uhol. Predné sú umiestnené oproti zadným do kríža.

V prípade Dolby Surround je rozmiestnenie odlišné. Predné reproduktory sú umiestnené ako pri základnom stereo a zadné s nimi zvierajú pravý uhol. Uvedené zapojenie je využívané a odporúčané v prípade že sa jedná o fantómový center.

Rozloženie pre domáce kino (vhodné rozloženie aj pre hry) je prakticky identické so zapojením 5-CH surround, iba nám pribudol subwoofer. Zadné dva surroundové kanály zvierajú uhol cca 40 stupňov pričom rozloženie ostatných boxov je identické so zapojením 5.

V prípade THX 7.1 sa zadné surroundy posúvajú viac dopredu a mali by zvierať cca 25 stupňový uhol zo zadnými reproduktormi.

S 11.2-kanálmi si vychutnáte revolučný Dolby Atmos® priestorový zvuk s plynulým 4K videom v 60 snímkach za sekundu. Pridajte reproduktory na strop na rozšírenie nastavenia 5.2, 7.2 alebo 9.2 priestorového zvuku na úplné využitie potenciálu tohto formátu meniaceho pravidlá hry, ktorý vytvára zvuk preletu lietadla nad hlavami poslucháčov.

Pokročilé technológie a formáty

V súčasnosti existujú systémy čisto softvérové a softvérovo-hardvérové, ktoré dokážu vytvoriť hodnovernú ilúziu 3D audio efektu, pričom sú schopné pracovať nielen so slúchadlami, ale aj s reproduktormi, dokonca umožňujú nakonfigurovať systém podľa tvaru ušnice poslucháča.

Popri viacerých reproduktoroch a slúchadlách so psychoakustickým modelom jestvuje i tretia metóda vytvárania dojmu priestorového zvuku. Využíva sa Huygensov princíp. Každý bod média, do ktorého dorazí vlna, môže byť považovaný za nový zdroj vlnenia.

Prvý prístup je menej náročný na hardvér, softvér a výpočtovú kapacitu a existuje mnoho produktov (hardvérových i softvérových, komerčných i voľne dostupných), ktoré ho realizujú. Druhý prístup rozvíjajú napr. komerčné riešenia firiem Sonic Emotions a Iosono.

Ozvučnice a ich vplyv na zvuk

Reproduktorové sústavy musia mať tuhosť, aby nedochádzalo k nežiaducim parazitickým kmitom, vibráciám, rezonanciám. Preto sa vyrábajú z tuhého materiálu najlepšie so zložitou vnútornou štruktúrou pohlcujúcou vibrácie. Ideálna je hrubá drevotrieska, preglejka, MDF, plast (obvykle tenkostenný, ale s rebrovaním), kov, ale aj betón a iné neštandardné materiály. Vnútro ozvučnice býva vystlané tlmiacim materiálom (vatelín).

Skriňa 504C II má zadný Tractrix port, ktorý vie prehĺbiť basovú odozvu reproduktora. Tvar klaksónu podporuje účinnejšie prúdenie vzduchu dovnútra a von zo skrine, tiež minimalizuje hluk portu a nízkofrekvenčné skreslenie.

Veľkú rolu hrá usadenie reproduktora so stredovým kanálom, nemal by stáť pri stene ani pri zadnej časti zvukového systému. Reproduktor potrebuje trochu viac miesta, aby mohol „dýchať“, a to stojí za dobrú basovú odozvu reproduktora.

Výhybky a ich funkcia

Potrebnou súčasťou viacpásmových reproduktorových zostáv je elektrická LC frekvenčná výhybka, ktorá slúži na rozdelenie privádzaného signálu do niekoľkých frekvenčných pásiem. Pretože dnešné potreby pre kvalitný posluch hudby sú vyššie ako v minulosti, do reproduktorových sústav sa osadzuje niekoľko reproduktorov špecializovaných pre jednotlivé frekvenčné pásma. Základné časti výhybky sú krabicové (zvitkové, elektrolytické kondenzátory s nízkou impedanciou) zadržiavajúce nízke frekvencie a tlmivky (cievky) zadržiavajúce vysoké frekvencie. Pomocou týchto pasívnych súčiastok zapojených do série môžeme ľahko odvodiť väčšinu jednoduchších pasívnych výhybiek. Tieto obvody slúžia na vyhladenie chodu meničov v reproduktorovej zostave a na ich ochranu.

Príklad pokročilej reproduktorovej sústavy

Vďaka výkonným ovládačom vie navodiť ostrý dialóg. Dobre vybavený 2,5-pásmový center Referencie Premiere RP-504C II sa spoločnosti Klipsch rozhodne vydaril. Stredový reproduktor využíva väčšiu veľkosť hornov Tractrix, ktoré hostí titánový odvetrávaný výškový reproduktor LTS ao 70% väčšie kmitacie cievky v štyroch cerametalických kužeľových basových reproduktoroch. Klipsch stavia na pokročilých technológiách. Získané know-how neopúšťa, ale inovuje, modernizuje, modifikuje. Nový, väčší 90 ° x 90 ° silikónový kompozitný hybridný Tractrix horn má naštartovať ostrejší a jasnejší dialóg. Titánový tweeter s exkluzívnou LTS technológiou minimalizuje skreslenie a taktiež podporuje detailnejší výkon. Všetkému napomáha dizajn odvetrávaného tweetera, pričom zvýrazňuje detaily toho, čo ich počuť. Inovatívne woofery a ich bezchybná reprodukcia zvuku predpokladá minimálne skreslenie a maximálnu účinnosť. Porty Reference Premiere využívajú geometriu Tractrix, umožňujú najúčinnejší a najrýchlejší prenos vzduchu zo skrine. Pokročilý dizajn kabinetu vychádza z dodatočného vystuženia, delená skriňa minimalizuje vibrácie a vylepšený je aj vstupný panel. Výrobca venuje veľkú starostlivosť výberu materiálov a povrchových úprav. Stredový modul je pekný kúsok nábytku a hodí sa do každej miestnosti.

Spoločnosť Klipsch prepracovala rad RP pre rok 2022 a priniesla na trh množstvo nových vylepšení ovládačov. RP-504C II je vlajková loď stredového kanála reproduktora v novej sérii, tentoraz s mnohými esami v rukáve. Rafinovaný horn a aktualizovaný výškový reproduktor je neoddiskutovateľný, najmä keď reproduktor so stredovým kanálom je najdôležitejším reproduktorom v systéme domáceho kina. Dokáže presadiť dve zásadné časti filmového soundtracku: dialógy a efekty centrálneho kanála. Väčšie basové reproduktory Cerametallic poskytujú zvukové efekty ako sú explózie s väčšou údernosťou.

Zariadenie funguje vo frekvenčnej odozve 50 - 25 000 Hz (± 3dB) s citlivosťou zvuku 96 dB as výkonom až 150 W RMS, pričom impedancia je 8 Ohm. Štýlový dizajn, odolný proti poškriabaniu so saténovo lakovanými prepážkami, ochranná mriežka, hliníkové viazacie koncovky reproduktorov s vnútorným zapojením reproduktorov na audiofilskej úrovni - to všetko je zásadné. Výpočet špecifík dopĺňajú korkové podložky na spodnej strane, ktoré produktu dodávajú stabilitu a bezpečnosť. Zároveň pomáhajú oddeliť reproduktor od povrchov.

tags: #delena #reprodukcia #elektronika