En högtalare är ett mekaniskt system, en så kallad dynamisk omvandlare, som omvandlar elektrisk energi till ljudenergi (rörelseenergi). De är i princip den direkta motsatsen till en mikrofon. Högtalaren sätter luften i rörelse och skapar ljudvågor som dina öron fångar upp. Idealhögtalaren omvandlar den elektriska signalen till ljud så exakt det över huvud taget är möjligt.
Högtalare finns i alla storlekar, former och färger. Men hur går det egentligen till när de förvandlar elektrisk ström till ljuvlig musik i dina öron? Här ger vi dig en grundläggande introduktion till hur högtalaren fungerar i teorin och praktiken.
Ljud är vågor av energi
Ljud är ett allmänt uttryck för akustiska svängningar. De här akustiska svängningarna – frekvenserna – mäts i Hertz (svängningar per sekund, förkortas Hz), och örat hos en nyfödd människa kan uppfatta frekvenser i området från cirka 20 till 20 000 Hz, ofta kallat ”det hörbara området”. Förmågan att höra de högsta diskanttonerna försvagas naturligt med åldern, ungefär som förmågan att se skarpt på kort avstånd. Många djur kan uppfatta både lägre och mycket högre frekvenser – välkända exempel är hundar och fladdermöss.
Frekvenser över 20 000 Hz kallas ultraljud, medan de under 20 Hz kallas infraljud. Bastoner och djupa mullrande ljud ligger i området 20–200 Hz, medan högfrekventa ljud (diskant, t.ex. cymbaler och s-ljud) ligger i området mellan cirka 2 000 och 20 000 Hz (2–20 kHz, kilohertz). Mellan de högfrekventa och lågfrekventa ljuden hittar du mellanregistret där vanligt tal ligger. Det är också i det området det mänskliga örat är som känsligast.
Högtalaren förvandlar ström till rörelse
Högtalaren är den enhet som överför de elektriska svängningarna från ljudsystemet till ljudvågor i luften. När högtalaren tillförs en elektrisk ljudsignal leds denna in i den så kallade talspolen som är placerad inuti en kraftig magnet och har fästs vid själva högtalarmembranen. Talspolens och magnetens magnetfält påverkar varandra och får högtalarmembranen att röra sig i takt med den elektriska signalen. På så sätt skapas vibrationer i luften som fångas upp av dina trumhinnor så att du uppfattar dem i form av musik.
Hifi-högtalaren – en ljudåtergivare med hög precision
Högtalare finns i ett otal storlekar, typer och material och för en mängd olika frekvensområden och sammanhang. Den mest använda högtalartypen är den dynamiska Moving Coil-högtalaren som visas här. Högtalare för hifi är vanligtvis bestyckade med två eller flera element för att kunna återge alla frekvenser med hög precision. I små bordsradior, TV-apparater och liknande nöjer man sig ofta med ett litet fullregisterelement.
Seriösa högtalartillverkare i hifi-segmentet siktar vanligtvis på att tillverka högtalare som återger ljudsignalen så exakt det över huvud taget är möjligt, gärna vid alla ljudstyrkor och med en jämn spridning av ljudet.
Djupa och höga toner sprids olika
En av poängerna med att använda flera element i en högtalare är att se till att ljudet får en jämn spridning över hela frekvensområdet. Ljudet blir mer riktningsbestämt när frekvensen stiger och därför använder man vanligtvis högtalarelement som är anpassade för just det frekvensområdet. På så sätt kan man uppnå en jämn spridning av ljudet och samtidigt återge ljudet mer exakt. Exempel på det här är DALIs hybrid-diskanter och B&W:s FST-mellanregister.
Höga toner är väldigt riktningsbestämda, medan djupa toner (låga frekvenser) har stora väglängder som lätt rör sig genom olika material. Det är bland annat därför du alltid hör basen från grannen medan diskanten är omöjlig att höra.
Högtalarens placering är viktig för ljudet
Högtalarens placering i rummet har väldigt stort inflytande på ljudkvaliteten. Du har kanske upplevt att du får riktigt mycket bas om du ställer dina högtalare ända in mot väggen. Det beror på att väggarnas ytor reflekterar och förstärker ljudet, och det här kan ha ett drastiskt inflytande på ljudkvaliteten. Prova själv att prata när du står mitt i rummet, och gör sen samma sak i ett hörn. Upplever du skillnad på ljudet?
Som nämnts är de djupa frekvenserna mindre riktningsbestämda. Bas är rundstrålande i alla riktningar, medan mellanregister och diskant är mer direktstrålande. Det betyder normalt sett att du i basområdet får fler reflektioner från rummet som kan försämra ljudupplevelsen. Dock kan även mellanregister och diskant reflekteras, särskilt från hårda ytor som trä- och klinkergolv eller tomma väggar.
Alla de här reflektionerna kan förstöra högtalarens timing, djup och definition, vilket man naturligtvis helst ska undvika. Det är därför man i ljudstudior och biografer klär in väggar och tak med ljudabsorberande material. På så sätt undviker man nämligen att reflektioner från rummet försämrar ljudet från högtalarna.
En bra högtalarplacering är vanligtvis med ordentligt avstånd till väggen bakom och vid sidan om för att minska reflektionerna från rummet. Vissa högtalare kan man till och med rikta in mot lyssningspositionen för att få jämnare frekvensåtergivning, bättre stereoperspektiv och färre tidsmässiga reflektioner från sidoväggarna.
Alla rum har sin egen akustik, så tyvärr finns det inget givet recept på hur du ska placera dina högtalare. Men du bör alltid ta dig tid att lyssna efter och ta reda på var högtalaren låter bäst i rummet. Vi rekommenderar också starkt att du läser tillverkarens rekommendationer när det gäller placering och installation.
Om högtalarna står i en hylla eller har monterats på väggen är det mest optimalt att placera högtalaren i öronhöjd eller vinkla den mot lyssningspositionen för att få ut så mycket som möjligt av den.
Högtalarelementen – från botten till toppen
De flesta högtalare är bestyckade med två eller flera element för att täcka in hela frekvensområdet så exakt som möjligt. Elementen utgörs vanligtvis av tre typer: bas-, mellanregister- och diskantelement.
Arbetsförhållandena för de olika typerna av element varierar utifrån var de ska användas. Man använder till exempel inte ett dedikerat mellanregisterelement i en 2-vägshögtalare. Här sköter baselementet även mellanregistret, medan man i en 3-vägskonstruktion har ett separat element för det här området. Vissa högtalare har bara ett enda element som sköter hela frekvensområdet och kallas därför fullregisterelement. Andra konstruktioner har fyra eller fler element, vanligtvis för att ge en bättre spridning av ljudet eller för att uppnå ett högre maximalt ljudtryck.
“Som en liten kuriositet har inspirationen till de engelska beteckningarna ”woofer” och ”tweeter” faktiskt hämtats från djurvärlden. Woofern (basen) refererar till hundens skall, ”WOOF!”, medan tweetern (diskanten) refererar till fågelns ”tweet, tweet”.
Subbasen – en hälsning från djupet
Subbasen är en specialhögtalare som uteslutande ska återge de allra djupaste frekvenserna i det hörbara området, vanligtvis från 200 Hz och nedåt i vanliga konsumentsystem. Vanligtvis ställer man in subbasen så att den bara hjälper till i det område där det primära baselementet (bashögtalaren) inte mäktar med. Därav namnet subbas – den spelar ”under” basen.
Eftersom subbasen bara ska hantera en förhållandevis liten del av frekvensområdet, är det ofta en ganska enkel konstruktion med ett enda baselement i ett kompakt kabinett. Vissa modeller har dock två element, och det finns även andra varianter. Det krävs rejält med råstyrka och effekt för att få ett baselement att spela djupbas i ett litet kabinett. Därför är subbaselement väldigt kraftigt byggda, och subbasar har i regel en egen kraftfull inbyggd förstärkare med equalizer för att ha tillräckligt med effekt för att kunna återge de djupaste frekvenserna. Det här kallas en aktiv subbas.
Subbasen används ofta i hemmabiografer eftersom flerkanaligt filmljud har ett dedikerat ljudspår för basen. Men den används ofta också i stereoanläggningar, där de i regel får hjälpa mindre högtalare med ett tillskott i djupbasen. Subbasen placeras gärna i ett hörn eller nära väggen för att undvika resonanser och stående vågor från rummet.
Baselementet – en seg arbetshäst
Baselementet ska precis som subbasen återge de djupaste tonerna i ljudsignalen. Dock går den högre upp i frekvenserna än subbasen eftersom den inte uteslutande är utformad för subbas, utan ska täcka in ett större frekvensområde. Beroende på storlek och typ ligger frekvensområdet för ett baselement mellan cirka 30–600 Hz innan mellanregistret tar över.
I trevägshögtalare och däröver sköter baselementet bara de djupa frekvenserna, medan man i en tvåvägshögtalare även låter baselementet spela mellanregistertoner (kallat ett bas-/mellanregisterelement). Ett sådant element täcker vanligtvis in området från cirka 40 Hz till 4–5 kHz. Det här är möjligt om man använder en diskant som kan gå tillräcklig långt ned i frekvenserna så att den ”blandar” sig med baselementets frekvenser och mellanregistret återges korrekt.
Ett baselement är vanligtvis större än mellanregistret eftersom bas har en längre våglängd och kräver mer energi. Kort sagt är det mer luft som ska flyttas, vilket kräver en större membranyta och därmed en större omkrets på själva membranet.
Mellanregistret – rösten i mitten
Mellanregistret är det element som återger registret mellan basen och diskanten, vanligtvis mellan 300–5 000 Hz. Det är i mellanregistret röster och instrument som exempelvis gitarr, fiol, virveltrumma, cello och trumpet har sina primära grundtoner.
Det är i mellanregisterområdet det mänskliga örat lättast uppfattar förvrängningar och avvikelser från den naturliga återgivningen. Därför använder man ofta ett dedikerat element som utvecklats enkom för att spela mellanregisterfrekvenser med låg förvrängning. Ett exempel är B&W:s unika, ”kantlösa” FST-element som du ser här.
Diskanten – luft och detaljer
Diskanten ombesörjer de högsta frekvenserna i ljudsignalen, från omkring 2 kHz till 20 kHz – och i de flesta fall avsevärt högre. I extrema fall ända upp till omkring 70 kHz, som i B&W:s påkostade Diamond-diskanter. De vanligaste diskanttyperna är dome-diskanter, där membranen är gjorda av antingen tyg (soft-dome) som i DALIs högtalare, eller av metall, som i många B&W-modeller.
Uppbrytning och förvrängning – fiender till det rena ljudet
En domediskant ska under idealförhållanden fungera som en perfekt pistong som rör sig fram och tillbaka i sin helhet. När elementet inte längre kan hålla sin form, utan böjs och ger efter, börjar den att skapa uppbrytningar. Då har man nått elementets uppbrytningsfrekvens, och det här skapar en massa förvrängning, särskilt om uppbrytningen sker nära det hörbara området, dvs. i området 20 kHz–30 kHz.
Tillverkarna använder flera olika metoder för att förhindra uppbrytning. Vissa domediskanter är särskilt stabiliserade (som B&W 600 S2-serien) eller gjorda av exotiska material som titan, beryllium eller diamant (som i B&W:s 800 D3-serie). Allt för att flytta den här uppbrytningen och förvrängningen långt bort från det hörbara området och på så sätt uppnå en renare, mer exakt och oförvrängd diskantåtergivning.
En annan lösning, som t.ex. DALI använder sig av, är hybrid-diskanter, som består av en softdome i samspel med en banddiskant. Fördelen med banddiskanten är att den är otroligt lätt att driva och svarar väldigt bra på svaga signaler. Den kan också svänga väldigt snabbt utan att skapa förvrängningar, samtidigt som den behåller en stor spridning av ljudet även om frekvensen ökar.
Just spridningen av ljudet är problematisk för en domediskant, eftersom spridningen dessvärre blir sämre ju högre frekvensen blir. I gengäld kan domediskanten vanligtvis spela längre ner i frekvensområdet än en banddiskant kan. Hybrid-diskanter ger en lång rad fördelar från bägge typer, men den här konstruktionen blir naturligtvis också mer komplex än med ett enda element.
Fullregisterelement och koaxiala element
Fullregisterelement har utformats för att täcka hela frekvensspekteret utan hjälp av andra element. De här elementen används ofta i små bordsradior eller TV-apparater, men är också väldigt populära bland vissa hifi-entusiaster. De här elementen kan fungera helt utan delningsfilter men är oftast väldigt små för att även kunna spela diskant. Och av den anledningen har de samtidig svårt att spela djupbas och spela riktigt högt.
Vissa anser att man genom att undvika delningsfiltret kan få ett mer dynamiskt, homogent och oförvrängt ljud med hjälp av den här typen av element, samtidigt som timing/fas också blir lättare att styra när det bara är ett enda element att ta hänsyn till. Det finns ett stort antal så kallade koaxial-konstruktioner där bas, mellanregister och diskant på olika vis byggts samman i ett och samma element som då kan återge hela frekvensområdet. De här högtalarna hittar du till exempel i den professionella ljudvärlden och i bilstereons värld, men det kommer vi inte att gå närmare in på här.
Delningsfiltret fördelar ljudsignalen
Delningsfiltret är den komponent i högtalaren som delar upp signalen från förstärkaren och skickar ut den till de olika elementen. De djupa tonerna skickas till baselementet, de höga till diskanten osv. Elementen är normalt sett begränsade till att spela ett visst frekvensområde och delningsfiltret ser till att de olika elementen bara matas med precis det frekvensområde de är avsedda för. Resten filtreras bort så att elementen spelar optimalt.
Delningsfiltret består vanligtvis av tre typer av elektriska komponenter: spolar, kondensatorer och motstånd. Spolen (L) låter de djupa frekvenserna passera och blockerar de höga frekvenserna. Kondensatorn (C) låter de höga frekvenserna passera och blockerar de låga frekvenserna. Motstånd (R) används för att styra impedansen (växelströmsmotståndet) och dämpa signalen. Kombinationen av de olika komponenterna och deras inbördes värden och typer utgör tillsammans delningsfiltret.
Det är en hel vetenskap att utveckla ett delningsfilter eftersom både de inbördes värdena, högtalarelementen och själva högtalarkabeln har inflytande på hur filtret verkar.
Kabinettet
I de allra flesta högtalare har högtalarelementen monterats i ett kabinett. Utöver att hålla fast elementen och placera dem i förhållande till varandra ska kabinettet också förhindra det utstrålande ljudet från baksidan av högtalarelementen att blanda sig med ljudet som strålar ut på framsidan. Det här kan nämligen betyda utfasning, något som har en väldigt negativ inverkan på ljudstyrkan och kvaliteten hos de nedre frekvenserna.
Dämpning och utformning
Ljudtrycket är lika högt inuti högtalarkabinettet som utanför, och mycket av det här invändiga ljudet reflekteras inuti lådan. Det här kan medföra att kabinettet ”sjunger med” och förvränger ljudet. Det reflekterade ljudet kan också strålas tillbaka ut genom högtalarmembranen, vilket i hög grad kan förvränga ljudet.
All denna förvrängning kan minskas genom att dämpa insidan av kabinettet med skum eller något annat ljudabsorberande material. Man kan också staga upp kabinettet på olika sätt och ge det speciella former som minskar de interna reflektionerna. Det här ser du till exempel på några av B&W:s stora modeller:
Slutet och basreflex – fördelar och nackdelar
Det finns många typer av högtalarkabinett. De som är vanligast i hifi-branschen är slutna kabinett och basreflexkonstruktioner.
Ett slutet kabinett är lätt att konstruera och har fördelen att avrullningen i basområdet omvänt någorlunda motsvarar kurvan man ser för den ökning många lyssningsrum ger i basområdet. Därför kan man ofta få ett slutet kabinett att spela riktigt bra om man placerar det ända in mot väggen, och man kan få små högtalare att spela bas även om de har ett litet kabinett. Impulsresponsen i ett slutet kabinett är normalt sett också riktigt bra. På minussidan är en sluten konstruktion ofta ganska ineffektiv och kräver mer effekt från förstärkaren.
I ett basreflexkabinett har man monterat en port eller ett rör i lådan tillsammans med elementen. Porten är stämd för att resonera vid en viss frekvens. På så sätt kan man få porten att ”sjunga med” och antingen höja ett bestämt område i basen eller hjälpa högtalaren att få en bättre basrespons.
Porten kan också hjälpa till att stämma av elementen till kabinettet. Det här är ett mer effektivt sätt att göra ett kabinett på och det är också den vanligaste metoden. Nackdelen med basreflex är dock att om portens resonansfrekvens ligger nära rummets kan man få en kraftig och okontrollerbar resonans som kan försämra ljudet.
En annan nackdel med basreflexkonstruktioner är att man vid höga ljudtryck kan få störande portljud från luftströmmen som passerar genom basreflexporten, lite som när du blåser över en flaskhals. För att eliminera portljud har B&W utvecklat sin Flowport-teknik som minskar luftmotståndet i porten och på så sätt skapar mindre turbulens.