A hangsugárzók, mint elektromechanikai átalakítók

A jelforrásokból eredő és megfelelően felerősített hangfrekvenciás feszültség teljesítménnyé erősítve akkor tehető hallhatóvá, ha a teljesítményerősítő kimenetére megfelelő elektromechanikus átalakítót – hangszórót, illetve hangsugárzó rendszert kapcsoltunk. Vagyis hiába van csúcs kategóriás Yamaha erősítőnk, Technics 1210 MK II-es bakelit lemezjátszónk a legszuperebb tűvel, ha a hangfalunk egy szakadt alsókategóriás papírmembrános szerkezet és ezzel próbáljuk meghallgatni a Queen koncertlemezét, kb. annyira lesz élvezhető, mint játszani egy Gibson Les Paul Studio gitáron 0,11-es húrokkal szárazon. Ami szuper, csak épp nem hallunk belőle semmit. Vagy hasonlíthatnánk itt bármit, a lényeg, hogy ha a rendszerben van egyetlen gyenge láncszem, akkor az a szűk keresztmetszetet jelenti a lejátszás minőségében.

A hangsugárzó rendszerrel szemben ugyanolyan minőségi követelményeket támasztunk, mint a hangátviteli lánc bármely más tagjával szemben:

1. Egyenletes frekvencia-átvitel
2. Minimális torzítás
3. Jó tranziens átvitel
4. Megfelelő irányjelleggörbe
5. Jó hatásfok

A jelenleg használt hangsugárzó rendszereknek két fajtáját ismerjük, a hangsugárzókat és a fejhallgatókat. Míg a hangszórókat önmagukban nem tudjuk megszólaltatni, a fejhallgatók önálló hangrendszert alkotnak. A hangszórók segédeszközei: Hangfalak, Hangdobozok.

A hangszórók és a sugárzást javító segédberendezések együttesével szemben módosulnak a minőségi követelmények is:

• Elérhető legyen a szélessávú frekvencia-átvitel.
• Rövid berezgési és lecsengési idővel rendelkezzen.
• Az együttes önrezonanciája minél kisebb legyen.
• Nagy hatásfokkal működjön.

Ezeket egy hangszóró magában nem teljesíti, ezért van szükség a sugárzórendszerre, vagyis többutas kialakításra.

Hangszórók

A korszerű hangtechnikában használt hangsugárzókban, akár fejhallgatók vagy hangszórókról legyen szó, kizárólag dinamikus elven működő típusokat használnak. Mély-, közép- és magashang-sugárzásra egyaránt, permanens mágneses dinamikus hangszórókat alkalmaznak.

Hogy is működik egy hangszóró?

Hangszóró felépítése

Az erős gyűrű alakú permanens (vagyis állandó) mágnes, mágneses teret kelt a gyűrű alakú légrésben, amelyben a lengőtekercs szabadon mozog. Ez a tekercs a széle mentén rugalmasan központosítva van a dugattyúszerűen mozgó membránhoz erősítve. A membrán általában papírtölcsér. Ha a lengőtekercsen hangfrekvenciás áramot vezetünk keresztül, az áram hatására keletkező mágneses erőtér kölcsönhatásba kerül a permanens (állandó) mágnes erőterével. Ennek hatására a hangfrekvenciás feszültség pillanatról pillanatra változó polaritásától függően, a mágnest vagy befelé húzza vagy kifelé löki magából a tekercset. Tehát elkezd mozogni a membrán ki-be, megfelelően a megszólaltatott hang teljesítményével, amit aztán vagy kibír, vagy nem. A tekerccsel együtt a hozzá rögzített papírmembrán is követi az áram változásait. A membrán dugattyú módjára hat a környező levegőre, tehát nyomáshullámokat kelt maga előtt és mögött. Olyan ez, mint a mikrofon membránjára ható, eredeti hangrezgés. Így tehát a hangfrekvenciás áramváltozások mechanikai hangrezgésekké alakulnak. És megszólalhat a hangszórónk. A membrántölcsér átmérőjétől és alapterületétől függően különböző frekvenciás sávok lesugárzására alkalmas. Vagyis a nagy membránból lesz a mélyhang-sugárzó, a közepesből a középhang- és a kis membránátmérőből a magashang-sugárzó.

Mélyhang-sugárzók

Általában 20 Hz-2000 Hz között egyenletesen sugárzó hangszórók. A mély hang visszaadásakor a következőket kell teljesítenie egy hangszórónak, ha hangfalba építik be:

Autós mélyhang-sugárzó reflex nyílással

1. A membránja lehetőleg nagy átmérővel és felülettel rendelkezzen, jó hatásfokkal és nagy teljesítmény lesugárzására legyen alkalmas.
2. Rezonanciafrekvenciája 20 Hz-nél kisebb legyen.
3. Könnyű legyen a membrán, lágy felerősítéssel.
4. Minél nagyobb mágneses térereje legyen, mert ettől függ a hatásfok és a csillapítás.

Középhang-sugárzók

Frekvenciatartományuk 300-5000 Hz között legyen a lehető legkisebb nemlineáris torzítás mellett. Ehhez fontos, hogy a membrán átmérője ideális mérettel, 150-200 mm-es átmérővel rendelkezzen. Rezonanciafrekvenciája a lineáris sugárzási tartomány alsó határfrekvenciájánál kisebb legyen. Szélesebb hangsugárzási szög érhető el ovál hangszóróval, amit egy hangfalba célszerű függőleges nagytengellyel beépíteni.

Magashang-sugárzók

Magashang-sugárzók koncerthez

A legnagyobb kisugárzott frekvencia hullámhosszához képest mindig nagyobb méretű membránnal rendelkeznek. Ez erős hangnyaláboláshoz vezet. Többutas hangszóró-rendszerekben ezért mindig több magashang-sugárzót használnak, amelyek egymáshoz képest különböző irányba sugároznak. Ezekre jellemző, hogy merev, könnyű membránúak, impregnált papírból, műanyagból, esetleg alumíniumból préselve készülnek. Viszonylag nagy rezonanciafrekvencia, ami legalább egy oktávval kisebb a kisugárzott frekvenciasáv alsó határfrekvenciájánál. Terhelhetőségük típustól függően 1-5W.

Hangdobozok

KRK Rokit 8 aktív stúdió monitor hangfalak 

Háromféle elv szerint alakítják ki. Lehet zárt doboz, reflexnyílásos doboz és akusztikai labirintus. Manapság legelterjedtebb a teljesen zárt, belül csillapítóanyaggal töltött doboz, amelyekbe vagy szélessávú hangszórókat egyutas rendszerben, vagy különféle mély-, közép- és magashang-sugárzókat építenek. Hátránya, hogy zárt dobozban az önrezonanciája a dobozba zárt levegő rugalmassága miatt megnő, aminek hatására csökken a mélyhang-átvitel.

Zárt hangfal

A hátoldal lezárása elvileg teljesen megszünteti az akusztikai rövidzárat, viszont a bezárt levegő rugalmas hatást gyakorol a membránra. A hangfal méretének növelésével elvileg elérhető egy olyan határ, amikor már nem befolyásolja lényegesen a dobozba zárt légtömeg a visszatérő erőt és így nem emelkedik jelentős mértékben az önrezonancia-pont sem. Ehhez a megállapításhoz a membránfelfüggesztés rugalmas visszatérő erejének nagyságát kellene ismerni, aminek a mérése egyszerű módon nem végezhető. Azokon a frekvenciákon, ahol a doboz párhuzamos oldalainak a távolsága azonos méretű a hullámhossz felének egész számú többszörösével, állóhullámok keletkezhetnek, amelyek az átviteli egyenletességet csúcsokkal és völgyekkel törik meg. Ezért kell a belső teret 40-50mm vastag vatta vagy habszivacs réteggel akusztikailag csillapítani. Fontos, hogy a hangfal oldalfala legyen eléggé vastag és merev, különben a hangnyomás miatt rezegni fog. Ezzel a szigeteléssel viszont a membrán által befelé sugárzott nyomást elnyeljük, emiatt a hatásfoka a felére csökken, vele együtt a kisugárzott hangteljesítmény is. Cserébe viszont nagy mennyiségben gyárthatók és összeszerelésük egyszerű.

Reflexnyílásos hangfal

Általában a hangfal előlapján, ahol a hangszóró is van, alakítanak ki nyílást. A rezonanciafrekvencia annál kisebb, minél nagyobb a doboz térfogata és minél nagyobb a reflexnyílásban lévő légtömeg. A reflexnyíláson át a dobozban összenyomott levegő a membrán hátrafelé mozgásakor kiegyenlítődhet. Ilyenkor a doboz rezonátorként is működik, vagyis saját rezonanciafrekvenciája van ebben a rendszerben. A mélyreflex-dobozt úgy kell méretezni, hogy a rezonanciafrekvenciája azonos legyen a hangszóróéval. Azaz, legyen egymásra „hangolva”. Optimális impulzusátvitel és frekvenciamenet úgy lehet, ha a dobozba zárt levegő rugóállandója egyenlő a hangszóró membránfelfüggesztésének a rugóállandójával, valamint a hangszóró és a doboz önrezonancia-pontja azonos legyen. Ha ez így teljesül, akkor a reflexnyílásban lévő levegőtömeg egyenlő a membrán tömegével. Ebben az esetben a mélyreflex-doboz rezonanciafrekvenciája lezárt nyílásnál a hangszóró rezonanciafrekvenciájának √2-szerese.

Hangszórórendszerek

Egyedi gyártású Cselló hangszórórendszer

Több önálló hangszóróból állnak, amelyeket egy hangfal foglal egységbe. Erre akkor van szükség, ha széles frekvenciasávban akarunk egyenletes intenzitással hangot sugározni. A Hi-Fi hangszórórendszereknél alapvető követelmény, hogy a 20-20.000 Hz közötti frekvenciákat ±6dB tűrésen belül egyenletesen adják vissza. Erre egy hangszóró nem képes, mert a torzítás minimális szinten tartása egy hangszóróval nem valósítható meg. A különböző hangszórókat frekvenciaváltókkal kapcsolják össze. Ezek biztosítják, hogy az adott frekvenciaszakaszban sugárzó hangszóróra főként csak az ide tartozó hangfrekvenciák jussanak. Lehetnek 6, 12 vagy 18 dB/oktáv meredekségű frekvenciaváltók.

Fejhallgatók

A hangtechnikában használt fejhallgatók többsége Hi-Fi minőségű hangközlésre alkalmas, sztereo vagy kvadro rendszerű. A minőségi jellemzők alapvetően itt is befolyásolják a teljes hangátviteli lánc minőségét. Megszűnik a tökéletlen akusztikai tér káros hatása. Egy-egy miniatűr hangszóró sugározza a teljes hangfrekvenciás sávban megszólaló hangokat. Mivel kicsi a membrán és érvényesül a bezárt levegő hatása, a mélyhang-átvitel különösen gyenge. Erre két módszer van. A külső légpárna a hallgatómembrán köré vont habszivacs kerettel lezárt levegő mozgás lezárásával egy kívülről elszigetelt akusztikai üreggel, a másik módszer szerint, pedig főként az 500 Hz alatti mélyhangok jobb hatásfokú visszaadását segíti elő a „lélegző membrános” hátsó légnyílás. Ekkor a befelé nyomott levegő a hátsó nyíláson át kifelé áramlik, a membrán elé mozgásakor visszaszívódik az üregbe. Általánosságban a Hi-Fi fejhallgatók 40-20.000 Hz között tudnak megszólalni ±8dB-en belüli közvetítésre.

Nyitott karakterisztikájú stúdió fejhallgató
mix, mastering munkákhoz

Hangfrekvenciás erősítők

Mikrofon előerősítő koncertre - hátsó panel

Míg egy akusztikus hangszer közvetlenül szolgáltat zenei élményt, egy elektromos zenei jel közvetlenül alkalmatlan arra, hogy megszólaltasson egy hangfalat. Ezt az általában előforduló alacsony jelszintet ezért erősíteni kell. A folyamat közben lehetőségünk nyílik arra is, hogy a szükséges vagy célszerű korrekciókat elvégezzük az eredeti műsoranyagon. Ezért a rendszer kétirányú: egyrészt a bemeneti tulajdonságaival a hang forrásához közelít, a kimeneti jellemzőivel pedig az átalakítóhoz illeszkedik. Ezeket a hangtechnikában használt erősítőket –és rendszereket csoportosíthatjuk:

1.     Rendeltetés szerint:

a.     Mikrofon-előerősítők

b.     Hangszedő-előerősítők

c.     Végerősítők

2.     Alkalmazott erősítőelemek szerint lehet elektroncsöves, tranzisztoros és integrált áramkörös típusú.

3.     Munkapont-beállítás szerint

a.     A-osztályú végerősítők

b.     B-osztályú végerősítők

c.     AB-osztályú végerősítők

Minőségi jellemzők szerinti megítélésükhöz szükséges ismerni a legfontosabbakat, de természetesen nem minden erősítőfajtára vonatkoztatható minden jellemző, így a kimeneti teljesítmény, a teljesítmény-sávszélesség és a hangszóró-kimenetiillesztés csak a végerősítőkre érvényes.

A frekvencia-átviteli sávszélesség mindig a ±3 dB-es pontokhoz tartozó határfrekvenciák Hz-ben megadott értéke és az átviteli karakterisztika ezen sávon belüli ingadozásának a tűréshatára ±dB-ben kifejezve.

Jel-zaj viszont a hangerősítőkre vonatkoztatva kétféle módon adható meg:

a. legnagyobb szinuszos teljesítményre vonatkoztatva (végerősítőknél). Ez a megadott legnagyobb szinuszos kimeneti teljesítményhez tartozó kimeneti feszültség és az erősítőben keletkező zajfeszültség dB-ben kifejezett viszonya.

b.  Az erősítőben keletkező zajfeszültség és egy adott szabványban előírt szinuszos kimeneti jelszinthez tartozó feszültség dB-ben kifejezett viszonya.

A teljes harmonikus torzítás (Total Harmonic Distortion – THD) a nemlineáris átviteli jellemző adat, ami azt mutatja, hogy az erősítő bemenetére adott tiszta szinuszos hangfrekvenciás jelből az erősítőn keresztül, milyen arányban keletkeznek olyan felharmonikusok, amik a bemeneten még nem voltak jelen. Ez %-ban megadva az összes felharmonikusra vonatkozik.

A zajszintet az erősítő legnagyobb szinuszos kimeneti teljesítménye (végerősítőknél) vagy maximális erősítése (előerősítőknél) esetén, a kimenetén – bemeneti vezérlés nélkül – megjelenő zaj dB-ben meghatározott értéke.

A teljesítmény-sávszélesség a hangfrekvenciás végerősítőket jellemző átviteli frekvenciasáv, amelyen belül az erősítő előírt állandó harmonikus torzítás mellett leadott kimeneti teljesítménye legfeljebb 3 dB-el kisebb a vonatkoztatási frekvenciára megadott értéknél.

A Hi-Fi erősítőkre vonatkozóan szabványos előírás a lineáris fázismenet – az állandó futási idő. Mivel abszolút lineáris fázismenetű erősítő nincs, a jelenleg gyártott Hi-Fi erősítőkkel szemben az a követelmény, hogy a közvetített hangfrekvenciás sávban minden frekvencián azonos legyen a fáziseltolás mértéke (pl. 10-18000 Hz között 90°).

A hangszóró kimeneti illesztés a végerősítőknél az a terhelő impedancia, aminél az erősítő a legnagyobb szinuszos kimeneti teljesítményt szolgáltatja, a névleges torzítási tényező megnövekedése nélkül.

A bemeneti érzékenység a végerősítőkre vonatkoztatva az a névleges legkisebb bemeneti feszültség, ami ahhoz szükséges, hogy az erősítő kimenetén a névleges szinuszos kimeneti teljesítmény jelenjen meg, az előírt terhelőimpedancián. Ezt mV-ban, az illesztő impedanciát Ω-ban vagy kΩ-ban adják meg.

Mikrofon-előerősítőket, a különféle jelforrások kis szintű jelfeszültségének kívánt mértékű felerősítésére használjuk. Ezek a legegyszerűbb felépítésűek. Mivel a mikrofonok jelszintje igen alacsony, igen nagy bemeneti érzékenységű előerősítőre van szükség. A legfontosabb követelmények: széles átviteli frekvenciasáv, kis torzítás, minimális zajszint és nagy túlvezérelhetőség az adott torzítási érték túllépése nélkül.

Focusrite Studio Kit

Az elsősorban kondenzátormikrofonokhoz használt nagy bemeneti impedanciájú mikrofon-előerősítők 0,1-1MΩ bemenettel rendelkeznek, ezek mellett kis kimeneti impedanciával készülnek (200Ω-2kΩ). Így illeszthetők leginkább a következő erősítőfokozathoz.

A kis bemeneti impedanciájú előerősítők 200Ω-1kΩ-os bemenettel rendelkeznek, kimeneti impedanciájuk szintén ilyen értékű.

Tehát, ha erősítőt választunk a dinamikus mikrofonunkhoz, amiről már tudjuk, hogy hogyan működik és milyen karakterisztikával képes befogni a hangunkat a ruhásszekrényben kialakított hangvisszaverődésben gátolt, de nem szigetelt amatőr szobánkban, válasszunk hozzá egy előerősítőt, ami továbbítja a jelet a következő feldolgozó egységünkbe, ami szintén továbbítja a lejátszáshoz szükséges jelet a hangszóróinkba, amiről hamarosan megtudjuk, hogy milyennek kell lennie ahhoz, hogy tisztán halljuk vissza magunkat.