mini|200px|Prednja strana zvučnika Zvučnik je elektromehanički pretvarač koji pobuđen električnim signalom proizvodi zvuk frekvencijskog opsega od 20 do 20.000 Hz, odnosno zvuk namijenjen ljudskom uhu. Pojam zvučnik se također često koristi i za zvučničku kutiju u kojoj se nalazi jedna ili više zvučničkih jedinica, tj. zvučnika u užem smislu.
Povijest 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. Vjeruje se da je sličnu napravu stvorio 1881. i Nikola Tesla. 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 Britanac Paul 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.
Vrste zvučnika Prema načinu pretvaranja električne energije u zvuk postoji nekoliko vrsta suvremenijih zvučnika: Dinamički zvučnik Elektrostatski zvučnik Piezoelektrični zvučnik
Najčešće u upotrebi susrećemo dinamički zvučnik koji koristi energiju magnetskog polja. Znatno kvalitetniji i skuplji su elektrostatski zvučnici koji koriste energiju električnog polja. U komercijalnoj upotrebi nalazimo i piezoelektričke zvučnike koji koriste efekt mehaničkog titranja pojedinih kristala pod utjecajem električnog napona.
Dinamički zvučnik 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.
Način rada i dijelovi
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.
Mehanički sustav zvučnika Mehanički sustav zvučnika je prigušeni titrajni sustav s jednim stupnjem slobode (uz pretpostavku idealno krute membrane) koji čine: ukupna masa (masa membrane zajedno s masom titrajne zavojnice i nosača), elastičnost ovjesa i centratora te mehanički otpor trenja materijala na pregibnim mjestima.
Uz sinusoidalnu pobudu brzina gibanja membrane u području kružne frekvencije razmjerna je pobudnoj sili i obrnuto razmjerna mehaničkoj impedanciji mehaničkog titrajnog sustava. Na rezonantnoj frekvenciji brzina gibanja membrane bit će određena veličinom otpora trenja, na frekvenciji nižoj od rezonantne elastičnošću ovjesa i centratora, a na frekvenciji višoj od rezonantne ukupnom masom titrajnog sustava.
Akustički sustav zvučnika Titranje membrane prenosi se na čestice zraka – sredstva kroz koje se širi zvuk. Zrak pri tome predstavlja za membranu akustičko opterećenje. Realni dio tog opterećenja je mehaničko trenje čestica i istovjetan je s akustičkim otporom zračenja, dok je imaginarni dio posljedica inercije mase zrake ispred membrane.
Otpor zračenja postiže najveću vrijednost u točki gdje je polumjer membrane r približno jednak 1/3 valne duljine. Smanjenjem frekvencije otpor zračenja pada s kvadratom kružne frekvencije. Međutim, kako je s druge strane isijana snaga proporcionalna s kvadratom brzine gibanja membrane, postavljanjem rezonantne frekvencije mehaničkog titrajnog sustava na donji kraj prijenosnog opsega nadoknađujemo pad otpora isijavanja porastom brzine gibanja membrane. Zvučnik će prema tome imati približno linearnu amplitudnu karakteristiku u području između rezonantne frekvencije i točke maksimuma otpora isijavanja, pad od 6 dB/oktavi iznad točke maksimuma otpora isijavanja te pad od 12 dB/oktavi ispod rezonantne frekvencije.
Električni sustav zvučnika Električna impedancija zvučnika je kompleksna veličina koja opterećuje pojačalo gdje je jedan dio te impedancije svakako impedancija same električne titrajne zavojnice. Međutim, električne, mehaničke i akustičke veličine zvučnika čine jednu cjelinu te postoji i utjecaj mehaničkih te znatno manje i akustičkih veličina na ukupnu impedanciju zvučnika. Spomenimo samo da inducirana protuelektromotorna sila u zavojnici neposredno ovisi o brzini titrajne zavojnice, te posljedično uz električnu možemo govoriti i elektrodinamičkoj impedanciji koja je upravo razmjerna jakosti magnetske indukcije u zračnom rasporu, a obrnuto razmjerna veličini mehaničke impedancije na određenoj kružnoj frekvenciji. Elektrodinamička impedancija zvučnika najviše je izražena u okolini i na samoj rezonantnoj frekvenciji mehaničkog titrajnog sustava te u tom području može i višestruko premašiti iznos električne impedancije zavojnice.
Amplitudna karakteristika dinamičkog zvučnika Amplitudna karakteristika zvučnika pokazuje ovisnost zvučnog tlaka ili isijane snage kao funkciju frekvencije pobudnog napona. Već je ustanovljeno da je ona uglavnom linearna između rezonantne frekvencije zvučnika i točke maksimuma otpora isijavanja uz odgovarajući pad ispred i iza tog frekvencijskog područja. Razmatranje vrijedi uz pretpostavku idealno krute stapne membrane ugrađene u plohu beskonačno velikih dimenzija. Membrana zvučnika u stvarnosti nije idealno kruta, a ploha konačnih dimenzija više ne odjeljuje u potpunosti zračenje prednjeg i stražnjeg dijela (zračenja su u protufazi). Za frekvencije koje se nalaze iznad maksimuma otpora zračenja membrana se ne može smatrati idealno krutim stapom te pojedini dijelovi membrane počinju titrati s različitim fazama. Amplitudna i fazna karakteristika postaju u tom području vrlo nepravilne, a zvučnik se za manje valne duljine (više frekvencije) više ne može smatrati točkastim izvorom te dolazi do usmjeravanja zračenja po osi zvučnika. Nadalje, za frekvencije iznad kojih 1 kHz valja računati i na utjecaj induktivnog otpora titrajne zavojnice zvučnika te je konačni pad amplutudne karakteristike u tom području 12 dB/oktavi. Prema nižim frekvencijama prilike su također nepovoljnije. Ovisno o dimenzijama plohe na koju je ugrađen zvučnik, dolazi do tzv. «akustičkog kratkog spoja» uz dodatni pad od 6 dB/oktavi prema nižim frekvencijama.
Dinamički zvučnik u zvučničkoj kutiji mini|180px|Zvučnička kutija
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 s 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.
Prijenosne karakteristike dinamičkog zvučnika