Reproduktory jsou elektroakustické měniče, které převádějí elektrický signál na signál akustický. Základem reproduktoru je elektroakustický elektrodynamický měnič, v současné době prakticky jediný používaný. Membrána přímovyzařujícího reproduktoru vytváří akustický signál ve vzduchu přímo svou aktivní plochou, u nepřímovyzařujícího reproduktoru prostřednictvím zvukovodu.

Základní parametry reproduktorů

Jmenovitá impedance Z_n je nejmenší hodnota komplexního odporu reproduktoru v celém kmitočtovém pásmu.

Tato hodnota je uvedena na štítku a je podstatná pro určení výkonového zesilovače. U stereo-boxů musí mít oba boxy stejnou impedanci.
Nejčastější hodnotou Z_n jsou 4 Ω a 8 Ω. Při měření stejnosměrným proudem je Z ~ (1,1 až 1,2) R_ss. 

Obr. 1: Závislost impedance na kmitočtu

Impedanční charakteristika: grafické vyjádření závislosti impedance reproduktoru na kmitočtu budicího signálu. Z této charakteristiky je možno odečíst jmenovitou impedanci Z_n a rezonanční kmitočet f_res (při něm dochází k mechanické rezonanci pohybového systému reproduktoru, vzniká rušivé chvění membrány). Vztah pro výpočet obsahuje tuhost pružného upevnění membrány k (ve fyzice tuhost pružiny) a hmotnost membrány:

Pro kmitočty f < f_res  se reproduktory nepoužívají. Tato hodnota je důležitá u hlubokotónových reproduktorů (woofer). Impedanční charakteristika se měří pomocí speciálního měřicího systému s PC, reproduktor je osazen do ozvučnicové desky.

Charakteristická citlivost: je průměrná hodnota efektivního akustického tlaku vztažená k akustickému tlaku p_o = 20 Pa v daném kmitočtovém pásmu v ose reproduktoru ve vzdálenosti 1 m při buzení příkonem 1 VA. Měří se v bezdozvukové komoře (akusticky tlumena, nedochází k odrazu zvuku od stěn).

Vyjádření citlivosti:

S_rep = 20 log (p/po) [dB]

S_rep vyjadřuje zvukovou účinnost reproduktoru, využívá se při párování reproduktorů pro stereoboxy a posouzení výsledné hlasitosti soustavy při daném nf výkonu. Běžné hodnoty jsou 80 až 110 dB.

Účinnost reproduktoru: je poměr vyzářeného akustického výkonu k elektrickému příkonu. U přímo vyzařujících reproduktorů bývá 3 až 5 %, u nepřímo vyzařujících může být až desetinásobná.

Kmitočtová charakteristika: charakterizuje vyrovnanost vyzařování v určeném kmitočtovém intervalu, a tak specifikuje jeho využití – basový (woofer), středotónový (middle) nebo vysokotónový (tweeter).

Hodnoty pro soustavu reproduktorů: 20 Hz až 20 kHz (pro pokles o 6 dB).

Maximální (standardní) výkon: stálý příkon ve VA nebo W, vázaný k dostatečnému odvodu tepla a na maximální výchylku kmitacího systému, kdy ještě nedochází ke znatelnému zkreslení signálu. Dosahované hodnoty bývají 1 VA až 2 kVA. Někdy bývá rovněž uveden maximální krátkodobý příkon P = [W]  (short term maximum power) uváděný ve wattech (W_{rms max}). Tyto dvě hodnoty bývají často napsány takto: 50/100 W.

Je to důležitý údaj pro specifikaci výkonového zesilovače. Měří se postupným zvyšováním dodávaného elektrického příkonu (harmonického tvaru) a současným sledováním harmonického zkreslení (THD – total harmonie distortion) do 10 %. Harmonickému zkreslení se také říká tvarové nebo nelineární zkreslení. Pokud je sledovaný signál zkreslený, obsahuje kromě 1. harmonické také vyšší harmonické složky.

THD = ((U₁² + U₂² + … + U_n² )^1/2 / U₁ ) · 100        [%]

Směrová charakteristika: grafická závislost citlivosti reproduktoru na úhlu natočení jeho geometrické (akustické) osy vůči mikrofonu (pro konstantní kmitočet).

Pro kmitočty zvukových vln, jejichž vlnová délka je značně větší než průměr ústí reproduktoru (cca 4×), je možné považovat směrovou charakteristiku za kulovou. V praxi to platí pro kmitočty nižší než 300 Hz. S rostoucím kmitočtem se směrovost velmi rychle zvyšuje, pro kmitočty nad 5 kHz je vyzařovací charakteristika již úzce směrová.

Měří se v bezdozvukové komoře, harmonickým signálem, budicí příkon bývá 1VA. Měrným mikrofonem je snímán akustický signál postupně v celém kruhu 360° okolo reproduktoru. Graficky se vyhodnocuje polárním diagramem – jednotlivé soustředné kružnice představují velikost akustického tlaku (častěji citlivost v dB).

Využívá se pro posouzení možnosti, v jak širokém prostoru je reproduktor účinný.

Obr. 2: Měření směrové charakteristiky reproduktoru

 

Ekvivalentní objem [V_as] [m³] (v praxi litry): toto je při návrhu reprosoustavy poměrně důležitý parametr. Ekvivalentní objem informuje přibližně o tom, jak velkou ozvučnici bude reproduktor potřebovat (není to doporučený objem reprosoustavy).

Činitel jakosti [Q]: bezrozměrná veličina. Činitele jsou tři: elektrický {Q_es}, mechanický {Q_ms} a celkový {Q_ts}. Důležitý pro výběr reproduktoru je celkový činitel jakosti, čím je menší, tím má reproduktor lepší tlumení (nezakmitává) a stačí relativně menší objem ozvučnice. Většinou se reproduktorové soustavy navrhují tak, aby byla amplitudová charakteristika co nejplošší, tedy aby měl výsledný činitel jakosti hodnotu 0,7.

Provedení reproduktoru

Elektrodynamický reproduktor – přímovyzařující:

Nejvíc používaný, jeho účinnost je malá: η = 3–5 %. Kmitací cívka je navinuta na membráně a umístěna v poli permanentního magnetu. Prochází-li cívkou střídavý proud, vytváří střídavé magnetické pole. S polem permanentního magnetu vzniká síla, která působí na cívku spojenou s membránou. Membrána se pohybuje ve směru své osy a vytváří ve vzduchu akustický tlak (zhušťování a zřeďování).

 

Eelektrodynamický reproduktor – nepřímovyzařující:

Kmitající membrána je navázána na okolní (vzduchové) prostředí nepřímo – pomocí velmi malé, tzv. tlakové komůrky. Komůrka je navázána na okolní prostředí nejčastěji exponenciálním zvukovodem. Tím pak dochází k akustickému impedančnímu přizpůsobení.

Plocha membrány je větší než plocha vstupního otvoru do zvukovodu, roste velikost rychlosti pohybu vzduchu.

Účinnost η vzrůstá na 10 až 30 %.

Piezoelektrický reproduktor (přímo- nebo nepřímovyzařující):

Je založen na piezoelektrickém jevu. U některých materiálů (např. krystaly, Seignettova sůl…) vzniká působením elektrického pole mechanické napětí, které vyvolává síly, mechanicky deformující materiál. Přilepená membrána – většinou se zvukovodem – převádí chvění do okolního (vzduchového) prostředí. Má velkou impedanci a jeho vybuzení je napěťové (malý příkon). Základem je tenká disková destička – základní membrána, na niž je přilepen tenký diskový piezoelektrický měnič menšího průměru, opatřený kovovými elektrodami s připájenými přívody.

Obr. 3: Piezo reproduktor

 

Používá se jako beeper v hodinkách, výškové reproduktory v levných aplikacích, např. reproduktorky u PC, v přenosných rádiích, telefonních sluchátkách.

Ochrana reproduktorů – zvláště vysokotónový reproduktor (tweeter) bývá výkonově dimenzován na podstatně menší výkon (1/4) než basový (woofer) a může se poškodit, když nastane u přebuzeného nf zesilovače omezení signálu s následkem prudkého nárůstu vyšších harmonických, které procházejí do tweeteru a mohou ho přetížit a zničit.

Vícepásmová reprodukce zvuku

K dosažení akustického výkonu (110 dB/l m) v celém frekvenčním pásmu (50 Hz až 15 kHz/–3 dB) jediným reproduktorem by bylo teoreticky nutné, aby byl průměr membrány < 10 mm, výchylka membrány ~ 11 m, rychlost membrány ~ l,8 km/s.

V praxi se toto řeší více reproduktory pro jednotlivá frekvenční pásma (nízké, střední a vysoké frekvence) a rozdělením signálu do těchto pásem pomocí vhodných frekvenčních výhybek, jde o tzv. vícepásmovou reprodukci zvuku.

Používají se tyto varianty:

Obr. 4: Vícepásmová reprodukce

Požadavky na jednotlivé reproduktory:

Hlubokotónový (basový) reproduktor (woofer):

Požadovaný frekvenční rozsah 30 Hz až 600 Hz (někdy i několik kHz).

Výkon vyzářený membránou:

Pak = y · S2                     y – výchylka; S – plocha

Provedení wooferu – velká plocha membrány (100–600 mm); velký zdvih (5–15 mm); pružné uchycení membrány ke koši.

Pístový pohyb membrány vytváří akustický tlak na obou jejích stranách, ale fáze obou vln je opačná – zředění × zhuštění. Přetlak i podtlak se vyrovnávají a dochází k poklesu vyzářeného akustického výkonu (akustický zkrat).

 

Basreflexový rezonátor – nátrubek:

Bývá naladěný na určitou frekvenci (nízkou) a vyzařuje zvukové vlny ve stejné fázi jako membrána zepředu. Zlepšuje vyzařování hlubokých tónů – snižuje se celková rezonance uzavřené ozvučnice. Rozměry nátrubku je nutno vypočítat a měřením frekvenční charakteristiky celé reproduktorové soustavy doladit na optimální velikost.

Středotónový reproduktor (middle):

Požadovaný frekvenční rozsah je 400 Hz až 5–10 kHz, bývá někdy výkonově více namáhán než woofer (např. u řeči nebo vyšší harmonické symfonické hudby).

Vysokotónový reproduktor (tweeter):

Požadovaný frekvenční rozsah je 2 kHz až 20 kHz.

Vzhledem k malým délkám vlny dosahují reproduktory velké směrovosti. Membrána musí mít malou setrvačnost, aby kmitala 20 000× za sekundu, někdy dochází k jejímu mírnému prolamování, což způsobuje zkreslení.

Reproduktorové soustavy

Reproduktorová soustava (box) je sestava několika reproduktorů, z nichž každý (nebo několik) reprodukuje určité frekvenční pásmo uzavřené do jedné skříňové ozvučnice. Jednotlivá frekvenční pásma jsou z celkového signálu oddělena frekvenčními výhybkami.

Frekvenční výhybky (crossover): aktivní nebo pasivní

Pasivní:

• signál se frekvenčně rozděluje na výstupu výkonového zesilovače – těsně před reproduktorem, prochází jí celý nf výkon.

Obr. 5: Pasivní výhybka

 

Aktivní:

• Signál se frekvenčně rozděluje před výkonovými zesilovači, každý reproduktor (či reproduktory daného frekvenčního pásma) musí mít svůj výkonový stupeň.

Obr. 6: Aktivní výhybka

Parametry:

• Strmost – strmost poklesu frekvenční charakteristiky výhybky v okolí přechodu do vedlejšího frekvenčního pásma:

                     1. řádu = 6 dB/oktávu 

                     2. řádu = 12 dB/oktávu

• Počet frekvenčních pásem – dvoupásmové, třípásmové, (čtyřpásmové)

• Dělicí frekvence – u dvojpásmové: f_D ~ 2000 Hz; u třípásmové: f_D1 ~ 500 Hz; f_D2 ~ 6000 Hz

Použité součástky na výhybky:

• kondenzátory: velikost kapacity 1–40 μF, metalizovaný papír, plast, elektrolytické bipolární

• cívky: velikost vlastní indukčnosti 0,1–5 mH, vzduchová nebo s feromagnetickým jádrem (ferit), navinuté drátem CuL velkého průměru ~ 1 mm, aby odpor vinutí byl < 0,1·Z_NOM reproduktoru

• rezistory: běžné vrstvové, dimenzované na dostatečný výkon.

 

 

 

 

Zásady pro umísťování reproduktorových soustav

• neinstalovat kvalitní reproduktorové soustavy těsně do rohu místnosti nebo těsně ke stěně (naopak menším reproduktorovým soustavám může toto umístění prospět)

• neumísťovat poslechový prostor těsně před odrazivou stěnou (například před okno nebo holou stěnu)

• natočit osy reproduktorových soustav na posluchače

• potlačit nejbližší možné odrazy od podlahy zakrytím kobercem

• instalovat reprodukční zařízení v zabydlené místnosti, ve které je zaručena krátká doba dozvuku (kratší než 1 sekunda)

• vzdálenost posluchače od obou soustav by měla být pokud možno stejná

• reproduktorové soustavy by měly být instalovány ve stejné výšce a ne výše, než je ucho posluchače

• zdroje signálu (především gramofon) nesmí stát z důvodu vzniku akustické zpětné vazby na stejné podložce jako reproduktorové soustavy

Z těchto úvah je zřejmé, že instalace zvukového reprodukčního zařízení je úspěšná pouze v případě, máme-li možnost ovlivnit rozmístění a dispozice poslechového místa a umístění reproduktorových soustav. V případě, že tyto dispozice nemůžete ovlivnit, jsou investice do reprodukčního zařízení spíše dekorační než účelnou záležitostí.

 

 

Zdroje

• BARTONĚK, Josef. Základy audio a video techniky. Interní skriptum, VOŠ a SPŠE Olomouc. 2012
• SALAVA, Tomáš. Elektroakustická a elektromechanická měření, 1. vydání, Praha: SNTL, 1979
• SVOBODA, Ladislav. Reproduktory a reproduktorové soustavy, 3. vydání, Praha: SNTL, 1983

Obrázky

• Obr. 1 - Obr. 20: Archiv autora