Zvučnik je elektromehanički pretvarač koji pobuđen električnim signalom proizvodi zvuk namijenjen ljudskomuhu. Opseg učestanosti zvučnika navodi se u hercima (Hz). Ljudsko uho čuje zvuk u opsegu od 20 Hz do 20 kHz.[1] Zvučnici generišu zvuk različitih opsega učestanosti, u zavisnosti od veličine i namene (na primer, u stereo sistemu jedan zvučnik generiše niske učestanosti - bas, a drugi visoke - sopran).[1]
Prema načinu pretvaranja električne energije u zvuk, zvučnici se dele na dinamičke, elektrostatske i piezoelektrične. Podrazumevana vrsta je dinamički zvučnik, koji koristi energiju magnetskog polja. Znatno kvalitetniji i skuplji su elektrostatski zvučnici koji koriste energiju električnog polja. Piezoelektrički zvučnici koriste efekt mehaničkog titranja kristala pod utjecajem električnog napona.
Zvučnik se sastoji od magneta, elektromagneta i papirne kupe. Elektromagnet je pričvršćen za kupu. Kada kroz elektromagnet prolazi električna struja, on se ili privlači ka magnetu ili (ako struja teče u drugom smeru) odbija od njega. Kretanje elektromagneta izaziva vibriranje kupe i tada nastaju zvučni talasi.[1]
Pod zvučnikom se nekad podrazumeva i kutija zvučnika u kojoj se nalazi jedan ili više zvučnika.
Prvi je zvučnik je bila telefonska slušalica koju je 1876. patentirao Alexander Graham Bell. Nedugo zatim uslijedila je poboljšana verzija Ernsta Siemensa u Njemačkoj i Engleskoj 1878. Modernu konstrukciju zvučnika s pomičnom zavojnicom ostvario je Oliver Lodge u Engleskoj 1898.
Princip pomične zavojnice patentirali su 1924. dva Amerikanaca, Chester W. Rice i Edward W. Kellog. Postoji dvojba kako je BritanacPaul Voigt prije njih podnio patentni zahtjev koji je tek naknadno prihvaćen. Voigt je 1928. napravio prvi zvučnik koji je mogao učinkovito reproducirati cijeli raspon frekvencija, a također je razvio i prvi sustav za kućnu upotrebu, međutim koristio je elektromagnete umjesto permanetnih magneta.
Prvi su zvučnici koristili elektromagnete jer je u to doba cijena permanentnih magneta potrebne veličine i snage bila prevelika. Elektromagnet se pobuđivao istosmjernom strujom kroz zavojnicu koja je obično služila i kao prigušnica u ispravljaču pojačala na koje je zvučnik bio priključen.
Način rada
Radio modul sa zvučnikom.
Kada kroz zavojnicu poteče struja, stvara se magnetsko polje, koje zajedno sa zavojnicom, u skladu s promjenom smjera struje, mijenja svoj polaritet, odnosno orijentaciju. Zavojnica je smještena u polje permanentnog (trajnog) magneta. Polja trajnog magneta i zavojnice međusobno djeluju jedno na drugo, kao i svaka druga dva magneta. Budući da je trajni magnet stacionaran, a zavojnica pokretljiva, mijenjanje polarizacije zavojnice i polja s promjenom struje rezultira titranjem zavojnice (polje gura ili privlači zavojnicu, ovisno o trenutku). Zavojnica potiskuje membranu, što proizvodi zvuk jer se širi zvučni val. Frekvencija zvučnoga vala, odnosno dobivenoga zvuka podudara se s frekvencijom titranja zavojnice. Dinamički zvučnik je danas najčešće u upotrebi zbog svoje jednostavnosti, pouzdanosti i zadovoljavajuće kvalitete reprodukcije uz prihvatljive troškove izrade.
Dinamički zvučnik koristi međudjelovanje magnetskog polja permanentnog magneta i magnetskog polja zavojnice proticane pobudnom strujom. Premda se zvučnik pobuđuje iz naponskog izvora, valja uočiti da silu koja pokreće membranu stvara električna struja. Najvažniji dijelovi su (slika desno): permanentni magnet, meko željezo permanentnog magneta, titrajna zavojnica s nosačem (voice coil), membrana (cone) s kalotom (dustcap), ovjes (surround), centrator (spider) i košara (basket).
Permanentni magnet, polni nastavci od mekog željeza i zračni raspor čine zajedno magnetski krug. Permanentni magnet se izrađuje iz magnetski tvrdih materijala kao što su Alnico, razne feritne strukture i sl.
Titrajna zavojnica je namotana na tijelu od čvrstog papira, duraluminija ili posebnih poliesterskih smola. Ostvarena točnost oblika tijela nosača mora biti vrlo velika. Zavojnica se namata bakrenom ili aluminijskom žicom, obično okruglog, a rjeđe pravokutnog presjeka. Duljina same titrajne zavojnice mora biti ili veća ili manja od duljine zračnog raspora. Razlika u duljini određuje se prema proračunatom hodu membrane na rezonantnoj frekvenciji mehaničkog titrajnog sustava uz maksimalnu pobudu.
Membrana dinamičkog zvučnika je zalijepljena užim dijelom na tijelo nosača titrajne zavojnice te se, posljedično, titranje nosača titrajne zavojnice prenosi neposredno na membranu. Traži se da, s jedne strane, membrana bude teška i čvrsta kako bi udovoljila zahtjevima za reprodukciju u niskotonskom području (niska rezonantna frekvencija mehaničkog titrajnog sustava, velike amplitude), a s druge strane da bude čvrsta i što lakša kako bi ispunila zahtjeve za reprodukcijom u visokotonskom području (vjerni slijed i najbržih promjena pobudnog napona). Membrana ima najčešće oblik krnjeg stošca ili trube s eksponencijalnim razvojem. Izrađuje se od smjese materijala kao što su papir, tkanine, staklena vlakna, smole i td.
Ovjes membrane i centrator određuju gibanje titrajne zavojnice i same membrane po osi zvučnika. Ovjes se izrađuje kao dio same membrane ili u obliku prstena od gume ili tkanine valovita presjeka koji se naknadno lijepe na košaru i membranu zvučnika. Centrator se izrađuje od tkanina valovita presjeka impregniranih termootpornim smolama. Košara zvučnika sjedinjuje sve dijelove zvučnika u jednu cjelinu. Izrađuje se lijevanjem ili prešanjem, a pruža čvrst oslonac za ovjes, centrator i magnetski sustav.
Potreba za odvajanjem prednjeg i stražnjeg dijela zračenja uvjetuje ugradnju zvučnika na plohu što većih dimenzija, što je u stvarnosti praktički nemoguće izvesti. Zvučnik se zato zatvara u zvučničku kutiju i time je zračenje prednjeg i stražnjeg dijela potpuno odvojeno. Stražnji dio zračenja se apsorbira u samoj kutiji, a rezonantna frekvencija zatvorenog zvučnika se povisi jer zatvoreni zrak svojom krutošću smanjuje elastičnost ovjesa zvučnika. Zbog toga se frekvencijsko područje zvučnika ugrađenog u zvučničku kutiju sužava prema nižim frekvencijama. Zvučniku koji je ugrađen u zvučničku kutiju prijenosni opseg u niskotonskom području može se u izvjesnoj mjeri proširiti na donjem rubu prijenosnog frekvencijskog opsega i to ugradnjom zvučnika u
tzv. «bas-refleks» zvučničku kutiju.
Bas-refleksna zvučnička kutija ima na prednjoj strani otvor sa svojstvima akustičke induktivnosti (inercija mase zraka koji titra u otvoru, odn. cijevi). Akustička induktivnost čini rezonantni krug sa akustičkom kapacitivnosti elastičnosti zraka zatvorenog u kutiji te ugađanjem rezonantne frekvencije akustičkog rezonatora na rezonantnu frekvenciju zvučnika proširujemo upotrebivo frekvencijsko područje zvučnika uz iskorištenje stražnjeg dijela zračenja na najnižim frekvencijama u okolini rezonatne frekvencije zvučnika. Osim bas-refleksnih zvučničkih kutija postoje i druge izvedbe zvučničkih kutija koje svojim oblikom i građom prilagođavaju fizikalna svojstva titranja zraka (akustičku impedanciju zraka) karakterističnim svojstvima zvučnika (eksponencijalne zvučničke kutije) ili se zračenje stražnje strane zvučnika zakreće u fazi te na pogodan način potpomaže zračenju prednje strane membrane zvučnika.
Druge vrste zvučnika
Elektrostatski zvučnik
Elektrostatski zvučnik koristi tanku ravnu membranu, obično izrađenu od materijala kao što je poliester, debljine kojih 2-20 µm, izvanrednih mehaničkih svojstava i impregniranih vodljivim materijalima kao što je grafit. Membrana je postavljena između dvije električki vodljive rešetke s malim zračnim razmakom između rešetki i membrane. Zahvaljujući vanjskom izvoru napona membrana je postavljena na potencijal od nekoliko kV u odnosu na rešetku. Na rešetke se dovodi električni napon u obliku tonskog signala i to u protufazi kako bi se stvorilo jednoliko električno polje koje će pokrenuti membranu na titranje sukladno sadržaju frekvencijskog spektra tonskog signala.
Na rešetke je nužno dovesti napon dovoljno velike amplitude u namjeri da se stvori dovoljno jako električno polje za pokretanje membrane poželjnim, dovoljno velikim intenzitetom.
Elektrostatski zvučnik u osnovi predstavlja velik pločasti kondenzator te predstavlja izvor napona relativno velike kapacitivne unutarnje impedancije, za razliku od dinamičkog zvučnika koji ima relativno nisku električnu impedanciju induktivnih svojstava. Uvjetovano potrebom prilagođenja visoke impedancije elektrostatskog zvučnika na razinu optimalnu za priključenje na pojačalo snage (predviđeno za priključak zvučnika impedancije 4 ili 8 Ohma), elektrostatski zvučnik se na pojačalo spaja preko prilagodnog transformatora relativno velikog omjera transformacije napona.
Takav prilagodni transformator zbog niza razloga je posebno zahtjevna komponenta sustava elektrostatskih zvučnika. U novije vrijeme grade se sustavi elektrostatskih zvučnika bez prilagodnog transformatora izvedeni visokonaponskim pojačalima s elektronskim cijevima.
Prednosti elektrostatskih zvučnika uključuju relativno malu težinu i posebno linearnu amplitudnu i faznu frekvencijsku karakteristiku. Posebno su dobre tranzijentne karakteristike, gdje membrana zvučnika treba slijediti izrazito brze promjene reproduciranog tonskog signala, a zahvaljujući posebno laganoj membrani elektrostatskog zvučnika.
Nedostatak je elektrostatskih zvučnika što u području nižih frekvencija dolazi do poništavanja zračenja prednjeg i stražnjeg dijela membrane, a iz razloga nedostatka zatvorene zvučničke kutije u kakvu je, na primjer, ugrađen dinamički zvučnik. Navedeni nedostaci pokušavaju se rješiti hibridnim zvučničkim sustavima gdje se za reprodukciju nižeg frekvencijskog područja koristi klasični dinamički niskotonski zvučnik, a za reprodukciju preostalog dijela tonskog spektra koristi se elektrostatski zvučnik. Dodatni je nedostatak elektrostatskih zvučnika osjetljivost na prašinu i vlagu te uvijek prisutna opasnost od strujnog udara visokog napona.
Piezoelektrični zvučnici
Piezoelektrični buzzer.
Piezoelektrički zvučnici se često koriste kao visokotonski zvučnici u komercijalnim zvučničkim sustavima ili kao zvučnici za reprodukciju zvuka s računala i manjih prijenosnih radio aparata. Otporni su na preopterećenje koje bi inače uništilo osjetljive visokotonske dinamičke zvučnike te se mogu priključiti na pojačalo snage bez zvučničke skretnice. Priključak valja, međutim, izvesti putem odgovarajućeg razdjelnog otpornika kako bi se spriječio neposredni priključak visoke kapacitivne impedancije piezoelektričnog zvučnika na izlaz pojačala snage, a iz razloga spriječavanja pojave samooscilacija pojačala.
Amplitudni frekvencijski odziv je u piezoelektričnih zvučnika znatno neujednačeniji u odnosu na dinamički zvučnik te ga se ugrađuje isključivo tamo gdje visoka kvaliteta reprodukcije nije bitna.
Donedavno se zvuk reproducirao u mono i stereo tehnici, a ideje o kvadrofoniji su davno izumrle, no krajem stoljeća postali su popularni surround zvučnički sustavi, kojima se postiže ono što kvadrofonija nije svojedobno uspjela.
Tipičan razmještaj je 5.1 (noviji standardi su 6.1 i 7.1):
dva zvučnika naprijed (lijevi i desni - osnova stereo sustava)
dva pozadinska zvučnika (također lijevi i desni)
centralni zvučnik ispred nas
takozvani subwoofer - zvučnik koji reproducira frekvencije na donjoj granici čujnosti ljudskog uha
7.1 sistem je zapravo jednak 5.1 samo što ima još dva zvučnika "središnji" koji su naravno lijevi i desni.
Kvaliteta ovakvog sistema je u tome što sada doslovno možemo sudjelovati u filmu te osječati svaki zvuk te dobiti doživljaj kao da smo u filmu ili nekoj drugoj aplikaciji.
Literatura
Cohen A.B., Hi-Fi Loudspeakers and Enclosures, London: Butterworth and Co. Ltd, 1975.
Klinger H.H., Lautsprecher und Lautsprechergehause fur HiFi, München: Franzis-Verlag, 1978.
