Bashögtalare

En bashögtalare eller bashögtalare är en teknisk term för en högtalardrivrutin utformad för att producera lågfrekventa ljud, vanligtvis från 50 Hz upp till 1000 Hz . Namnet kommer från det onomatopeiska engelska ordet för en hunds skäll, " woof " (i motsats till namnet som används för högtalare designade för att återge högfrekventa ljud, tweeter ). Den vanligaste designen för en bashögtalare är den elektrodynamiska drivenheten, som vanligtvis använder en styv papperskon, driven av en talspole omgiven av ett magnetfält .

Talspolen är fäst med lim på baksidan av högtalarkonen. Talspolen och magneten bildar en linjär elmotor . När ström flyter genom talspolen, rör sig spolen i förhållande till ramen enligt Flemings vänsterhandsregel för motorer, vilket gör att spolen trycker eller drar i drivkonen på ett kolvliknande sätt. Den resulterande rörelsen av konen skapar ljudvågor när den rör sig in och ut.

Vid vanliga ljudtrycksnivåer (SPL) kan de flesta människor höra ner till cirka 20 Hz. Bashögtalare används vanligtvis för att täcka de lägsta oktaverna i en högtalares frekvensområde. I tvåvägshögtalarsystem är de förare som hanterar de lägre frekvenserna också skyldiga att täcka en betydande del av mellanregistret, ofta så högt som 2000 till 5000 Hz; sådana drivrutiner kallas vanligtvis mellanhögtalare . Sedan 1990-talet har en typ av bashögtalare (kallad subwoofer ), som är designad endast för mycket låga frekvenser, kommit att användas i hemmabiosystem och PA-system för att förstärka basresponsen; de hanterar vanligtvis de allra lägsta två eller tre oktaverna (dvs från så låga som 20 till 80 eller 120 Hz).

Woofer design

Tvärsnitt av en standardhögtalare, ej skalenlig

Bra wooferdesign kräver att en lågfrekvent förstärkarsignal effektivt omvandlas till mekanisk luftrörelse med hög tillförlitlighet och acceptabel effektivitet, och det är både assisterat och komplicerat av nödvändigheten av att använda ett högtalarhölje för att koppla konrörelsen till luften. Om det görs bra, reduceras många av de andra problemen med basdesign (till exempel krav på linjära avvikelser).

I de flesta fall måste bashögtalaren och dess hölje utformas för att fungera tillsammans. Vanligtvis är höljet utformat för att passa egenskaperna hos den eller de högtalare som används. Storleken på kapslingen är en funktion av de längsta våglängderna (lägsta frekvenserna) som ska reproduceras, och bashöljet är mycket större än vad som krävs för mellanregister och höga frekvenser .

Ett crossover-nätverk , antingen passivt eller aktivt, filtrerar bandet av frekvenser som ska hanteras av bashögtalaren och andra högtalare. Normalt förväntas delnings- och högtalarsystemet, inklusive bashögtalaren, omvandla den elektriska signalen från förstärkaren till en akustisk signal med identisk vågform utan annan interaktion mellan förstärkaren och högtalarna, även om förstärkaren och högtalarna ibland är designade tillsammans med högtalarna tillhandahåller distorsion - korrigerar negativ återkoppling till förstärkaren.

Det finns många utmaningar i design och tillverkning av bashögtalare. De flesta har att göra med att kontrollera konens rörelse så att den elektriska signalen till bashögtalarens talspole återges troget av ljudvågorna som produceras av konens rörelse. Problem inkluderar att dämpa könen rent utan hörbar distorsion så att den inte fortsätter att röra sig, orsaka ringsignal när den momentana insignalen faller till noll varje cykel, och att hantera höga avvikelser (vanligtvis krävs för att återge höga ljud) med låg distorsion. Det finns också utmaningar med att presentera en elektrisk impedans för förstärkaren som inte är alltför långt ifrån konstant på alla frekvenser.

En tidig version av den nu allmänt använda basreflexkabinettdesignen patenterades av Albert L. Thuras från Bell Laboratories 1932.

Aktiva högtalare

1965 introducerade Sennheiser Electronics ljudsystemet Philharmonic, som använde elektronik för att övervinna några av de problem som vanliga subsystem för bashögtalare möter. De lade till en rörelsesensor till bashögtalaren och använde signalen som motsvarar dess faktiska rörelse för återkoppling som en kontrollingång till en specialdesignad förstärkare. Om det görs noggrant kan detta förbättra prestandan (både i "täthet" och förlängning av lågfrekvent prestanda) avsevärt på bekostnad av flexibilitet (förstärkaren och högtalaren är sammanbundna permanent) och kostnaden. I USA introducerade LW Erath, en ingenjör inom oljeindustrin, en serie avancerade högtalare i ungefär samma linje.

Eftersom elektronikkostnaderna har minskat har det blivit vanligt att ha sensorutrustade bashögtalare i billiga "musiksystem", bomboxar eller till och med bilstereosystem. Detta görs vanligtvis i ett försök att få bättre prestanda från billiga eller underdimensionerade drivrutiner i lätta eller dåligt designade kapslingar. Detta tillvägagångssätt ger svårigheter eftersom inte all distorsion kan elimineras med hjälp av servotekniker , och en dåligt utformad kapsling kan översvämma fördelarna med alla försök till elektronisk korrigering.

Utjämnade högtalare

Eftersom egenskaperna hos en högtalare kan mätas, och i stor utsträckning förutsägas, är det möjligt att konstruera speciella kretsar som till viss del kompenserar för bristerna i ett högtalarsystem.

Utjämningstekniker används i de flesta tillämpningar för högtalare och ljudförstärkning . Här är problemet inte i första hand hifi-reproduktion, utan att hantera den akustiska miljön. I detta fall måste utjämningen anpassas individuellt för att matcha de speciella egenskaperna hos de högtalarsystem som används och det rum där de används.

Digital filtrerande crossover och utjämning

Datorteknik, i synnerhet digital signalbehandling (DSP), möjliggör en korsning med högre precision. Genom att använda finita impulssvar (FIR) och andra digitala tekniker kan övergångarna för ett bi- eller tri-amped system åstadkommas med en precision som inte är möjlig med analoga filter, vare sig de är passiva eller aktiva. Dessutom kan många förarsärdrag (ned till och inklusive individuella varianser) åtgärdas samtidigt som i Klein och Hummels nya design. Detta tillvägagångssätt är komplext och kommer därför sannolikt inte att användas i billigare utrustning.

Konmaterial

Två P-Audio Woofers. Notera den gjutna ramen, den ventilerade stolpdelen och den förstärkta papperskonen.

Alla konmaterial har fördelar och nackdelar. De tre främsta egenskaperna som designers letar efter i koner är låg vikt, styvhet och brist på färg (på grund av frånvaro av ringning ). Exotiska material som Kevlar och magnesium är lätta och styva, men kan ha problem med ringsignaler, beroende på deras tillverkning och design. Material som papper (inklusive bestrukna papperskoner) och olika polymerer kommer i allmänhet att ringa mindre än metallmembran, men kan vara tyngre och inte lika styva. Det har gjorts bra och dåliga baselement med alla typer av konmaterial. Nästan alla typer av material har använts för kottar, från glasfiber, bambufiber, till smörgåsar med vaxkaka av aluminium och plastkoner med glimmer .

Ramdesign

Ramen, eller korgen, är strukturen som håller konen, röstspolen och magneten i rätt riktning. Eftersom röstspolens gap är ganska smalt (spelrum är typiskt i de låga tusendelar av en tum), är styvhet viktig för att förhindra att talspolen skaver mot magnetstrukturen i gapet och även undvika yttre rörelser. Det finns två huvudtyper av metallram, stämplad och gjuten. Stämplade korgar (vanligtvis av stål) är ett billigare tillvägagångssätt. Nackdelen med denna typ av ram är att korgen kan böjas om högtalaren drivs med höga volymer, det finns motstånd mot böjning endast i vissa riktningar. Gjutna korgar är dyrare, men är vanligtvis styvare i alla riktningar, har bättre dämpning (minskar sin egen resonans), kan ha mer invecklade former och är därför vanligtvis att föredra för drivare av högre kvalitet.

Krafthantering

En viktig basspecifikation är dess effektklassning, mängden kraft som bashögtalaren kan hantera utan att skadas. Den elektriska effekten är inte lätt att karakterisera och många tillverkare citerar toppvärden som endast kan uppnås under mycket korta ögonblick utan skador. Bashögtalarnas effektvärden blir viktiga när högtalaren pressas till det yttersta: applikationer som kräver hög uteffekt, överbelastningsförhållanden för förstärkaren, ovanliga signaler (dvs. icke-musikaliska), mycket låga frekvenser där höljet ger liten eller ingen akustisk belastning (och så kommer att vara maximal konexkursion), eller förstärkarfel. I situationer med hög volym kommer en bashögtalares röstspole att värmas upp, öka dess motstånd, vilket orsakar "effektkompression", ett tillstånd där utgående ljudeffektnivå minskar efter långvarig aktivitet med hög effekt. Ytterligare uppvärmning kan fysiskt förvränga talspolen, orsaka repor, kortslutning på grund av försämring av trådisoleringen eller andra elektriska eller mekaniska skador. Plötslig impulsenergi kan smälta en del av talspolens tråd, vilket orsakar en öppen krets och en död bas; den nödvändiga nivån kommer att variera med förarens egenskaper. I musiktillämpningar på normal lyssningsnivå är den elektriska effekten för bashögtalare i allmänhet oviktig; det är fortfarande viktigt för förare med högre frekvens.

Det finns tre typer av effekthantering i högtalarelement, inklusive bashögtalare: termisk (värme), elektrisk (båda ovan) och mekaniska. Den mekaniska krafthanteringsgränsen nås när konens rörelse sträcker sig till dess maximala gräns. Termisk effekthanteringsgränser kan nås när ganska höga effektnivåer matas till en bashögtalare för länge, även om de inte överskrider mekaniska gränser vid något tillfälle. Det mesta av energin som appliceras på talspolen omvandlas till värme, inte till ljud; all värme överförs till slut till polstycket, resten av magnetstrukturen och ramen. Från basstrukturen avleds värmen så småningom till den omgivande luften. Vissa drivrutiner inkluderar åtgärder för bättre kylning (t.ex. ventilerade magnetpolstycken, dedikerade värmeledningsstrukturer) för att reducera ökade spole/magnet/ramtemperaturer under drift, speciellt höga effektnivåförhållanden. Om för mycket kraft tillförs talspolen jämfört med dess förmåga att avge värme, kommer den så småningom att överstiga en maximal säker temperatur. Lim kan smälta, talspolebildaren kan smälta eller förvrängas, eller så kan isoleringen som separerar talspolelindningarna misslyckas . Var och en av dessa händelser kommer att skada bashögtalaren, kanske bortom användbarhet.

Högtalare (PA) och instrumentansökningar

Bashögtalare designade för högtalarsystem (PA) och instrumentförstärkarapplikationer liknar makeup till hemmabashögtalare, förutom att de vanligtvis är mer robusta. Typiskt inkluderar designavvikelser: skåp byggda för upprepad frakt och hantering, större baskoner för att möjliggöra högre ljudtrycksnivåer, mer robusta talspolar för att motstå högre effekt och högre fjädringsstyvhet. I allmänhet kan en hemmabas som används i en PA/instrumentapplikation förväntas misslyckas snabbare än en PA/instrumentbas. Å andra sidan kommer en PA/instrumentbashögtalare i en hemmaljudapplikation inte att ha samma prestandakvalitet, särskilt vid låga volymer. En PA-woofer kommer inte att producera samma hörbara high fidelity som är målet för högkvalitativt hemmaljud på grund av dessa skillnader. ^{[ citat behövs ]}

PA-systembashögtalare har vanligtvis hög effektivitet och hög effekthanteringskapacitet. Avvägningen för hög effektivitet till rimlig kostnad är vanligtvis relativt låg utflyktskapacitet (dvs oförmåga att röra sig "in och ut" så långt som många hemmabashögtalare kan), eftersom de är avsedda för horn eller stora reflexhöljen. De är också vanligtvis illa lämpade för utökad låg basrespons eftersom den sista oktaven av lågfrekvensrespons ökar storleken och kostnaden avsevärt, och det är allt mer oekonomiskt att försöka på höga nivåer som i en PA-applikation. En stereowoofer för hemmet kan, eftersom den används på relativt låga volymer, klara mycket låga frekvenser. På grund av detta är de flesta PA-bashögtalare inte väl lämpade att använda i högkvalitativa hemtillämpningar och vice versa.

Frekvensområden

Vid vanliga ljudtrycksnivåer kan de flesta människor höra ner till cirka 20 Hz. För att korrekt återge de lägsta tonerna måste en bashögtalare, eller grupp av baselement, flytta en passande stor volym luft ⁠— ⁠en uppgift som blir svårare vid lägre frekvenser. Ju större rummet är, desto mer luft måste basens rörelse förskjuta för att producera den erforderliga ljudeffekten vid låga frekvenser.

Se även