Kaiutin


Kautin on laite, joka muuntaa sähköisen signaalin ilmanpaineen vaihteluiksi eli ääneksi. Ylivoimaisesti yleisin kaiutinelementti tyyppi on dynaaminen kaiutin. Muita kaiutinelementtityyppejä on mm.magnetostaattinen kaiutin ja elektrostaattinen kaiutin.

Dynaaminen kaiutin


kaiutin1.JPG
Tangband W8-740E edestä ja takaa. Kuvassa näkyy edestäpäin kartio ja sitä ympäröivät ripustukset sekä pölysouja. Takaapäin otetussa kuvassa iso magneetti.

Rakenne

Dynaaminen kaiutin koostuu rungosta (engl. basket), kartiosta (engl. cone), sisemmästä ja ympäröivästä ripustuksesta (engl. spider ja surround), magneetista ja puhekelasta (engl. voice coil). Kartion keskellä on lisäksi pölysuoja (dust cap), joka suojaa elementin sisempiä osia. Magneetti on kiinteästi kiinnitetty runkoon. Runko on useimmiten valmistettu teräksestä ja järeissä elementeissä käytetään valurautaa. Magneetti on pyöreä ja sen keskellä on reikä, jonka keskellä on magneetin keskikappale (pole). Näiden väliin jää ilmarako, jossa on mahdollisimman tasainen magneettikenttä. Tähän ilmarakoon sijoittuu puhekela. Puhekela on liimattu kartion keskelle kiinni, eikä sitä voi nähdä kaiutinelementin ulkopuolelta purkamatta kaiutinelementtiä. Kartio on valmistettu useimmiten pahvista. Kartio voidaan valmistaa myös alumiinista. Alumiinisia kartioita käytetään erityisesti autokäytössä, jossa kartio joutuu koviin sääoloihin (kosteus ja auringonvalo). Kartio ja puhekela on ripustusten avulla kiinni rungossa, jonka ansiosta kartio pystyy liikkumaan eteen ja taakse. Ripustus toimii myös jousena, joka palauttaa kartion takaisin kohti lepotilaansa. Kartion ympäri kiertävä ripustus valmistetaan kumista tai vaahtomuovista. Sisempi ripustus on kangasmaista kudosta, joka on kovaa ja joustavaa.[1] [2]

kaiutin_lapileikkaus.png
Kaiuttimen läpileikkaus. (Mittasuhteet eivät ole oikeat.)

kaiutin_spider2.JPG
Kuvassa Tangband W8-740E sivulta päin kuvattuna. Rungossa olevista rei'istä näkyy elementin sisempi ripustus, joka on kiinni puhekelassa, jota näkyy myös hieman.

Toiminta

Puhekela on sijoitettu kestomagneetin aiheuttamaan mahdollisimman tasaiseen magneettikenttään. Johdettaessa puhekelaan vaihtovirta sen ympärille syntyy Ampèren lain mukaisesti magneettikenttä, joka aiheuttaa puhekelan ja magneetin välille voiman. Voiman suunta riippuu vaihtovirran etumerkistä. Voima liikuttaa puhekelaa, jolloin myös siihen kiinnitetty kartio liikkuu. Kartion liike aiheuttaa ilmassa paineen vaihtelun, joka havaitaan korvassa äänenä.[3]

Kaiutinelementin ominaisuuksiin liittyvät suureet


Kaiutinelementtien ominaisuuksia vertaillaan toisiinsa Thile-Small-parametrien (T/S-parametrit) avulla.[4] Seuraavassa taulukossa on esitetty tavallisimpia T/S-parametrejä.[5] Esimerkkinä on Tangbandin W8-740E 8" bassoelementti.[6]

Suure
Lyhenne
W8-740E-arvo
Kuvaus
Nimellisimpedanssi
Znom
4 ohm
Elementin kokonaisimpedanssin likiarvo
DC resistanssi
Re
3.2 ohm
Puhekelan resistanssi tasavirralla
Herkkyys
SPL(1W/1m)
84 dB
Kuvaa äänenpaineen suurutta yhden watin teholla mitattuna metrin etäisyydeltä elementistä
Taajuusvaste

32-700 Hz
Alue, jolla elementti toistaa taajuksia. Rajataajuuksien (ulostulo laskee -3 dB) väli.
Resonanssitaajuus
Fs
32 Hz
Elementin luonnollinen resonanssitaajuus ilman koteloa, johon syntyy myös impedanssihuippu impedanssivasteessa
RMS tehonkesto
Prms
120 W
Elementin sähköisen tehonkeston tehollisarvo
Max tehonkesto
Pmax
240 W
Elementin sähköinen maksimitehonkesto
Voimakerroin
Bl
14.6 TM
Magneettikentän voimakkuuden ja puhekelanpituuden ristitulo. Kuvaa sitä, kuinka suuren voiman virta aiheuttaa kartioon.
Tehollinen massa
Mms
104,7 g
Liikkuvien osien massa grammoina
Ripustusjäykkyys
Cms
228.33MN-1
Iskupituuden suhde tarvittavaan voimaan
Pinta-ala
Sd
0,022 m^2
Kartion pinta-ala. Mitataan kartion ripustuksien puolesta välistä.
Puhekelan induktanssi
Le
0,88 mH
Riippuu taajuudesta. Mitataan yleensä 1 kHz taajuudella.
Maksimi impedanssi
Zmax
35 ohm
Impedanssi resonanssitaajuuden kohdalla. Impedanssin huippuarvo.
Maksimi liikepoikkeama
Xmax
12,1 mm
Kartion (ja puhekelan) maksimipoikkeama lepotilastaan.
Ekvivalenttitilavuus
Vas
15,69 l
Ilmamäärä, joka aiheuttaa saman suuruisen jousivoiman kuin elementin ripustus.
Elementin kokonaishyvyysluku
Qts
0,28
Lasketaan Qms:n ja Qes:n tulon ja summan osamääränä.
Elementin mekaaninen hyvyysluku
Qms
3,01
Voidaan laskea Fs:n, Mms:n ja Rms avulla.
Elementin sähköinen hyvyysluku
Qes
0,31
Voidaan laskea Fs:n, Mms:n, Re;n ja Bl:n avulla.

Hyvyysluku eli Q-arvo on suure, joka kuvaa värähtelyn amplitudia ja vaimenemista. Suuri hyvyysluku tarkoittaa, että resonanssitaajuuden lähellä amplitudi on suuri, mutta se vaimenee nopeasti siirryttäessä kauemmaksi resonanssitaajuudesta. Pieni hyvyysluku taas tarkoittaa, että resonanssitaajuudella värähtelyn amplitudi on pienempi, mutta se vaimenee vähemmän siirryttäessä kauemmaksi.[7]

Monet T/S-parametreistä pitävät sisällään myös toisiaan. Toisin sanoen monet arvot voidaan laskea toisten avulla, joten elementistä ei välttämättä tarvitse tietää kaikkia arvoja. Tärkeimpiä T/S-parametreistä on Fs, Vas ja Q-arvot, sillä niitä käytetään koteloiden mitoittamisessa. Muita tärkeitä arvoja on tehonkestot ja nimellisimpedanssi, sillä ne määräävät, millaista vahvistinta voidaan elementin kanssa käyttää.

Kotelot


Kaiutinelementtejä ei juuri koskaan käytetä ilman koteloa. Koteloinnilla voidaan parantaa kaiuttimen herkkyyttä ja muokata taajuusvastetta haluttuun suuntaan. Erityisesti koteloinnilla usein pyritään jatkamaan taajuusvastetta matalemmille taajuuksille. Oikeanlaisella koteloinnilla voidaan myös vähentää kartion liikettä, jolloin sen mekaaninen kestävyys paranee. Yleisimpiä kaiutinkotelotyyppejä on suljettu-, refleksi- ja bandpasskotelo. Harvinaisempia on esimerkiksi transmissiolinjakotelo.

Suljettu kotelo on täysin tiivis joka suunnasta. Kartion liikkuessa kotelon sisällä olevan ilman paine kasvaa ja pienenee kartion liikkeiden mukaan, jolloin ilma toimii jousena ja kontrolloi kartion liikkeitä. Tuloksena on tarkempi bassontoisto, mutta pienempi herkkyys. [8]

Refleksikotelo on myöskin tiivis, mutta siinä on yksi tai useampi tarkkaan mitoitettu putki tai käytävä ulos kotelosta. Putki mitoitetaan siten, että sen sisällä oleva ilma resonoi halutulla matalalla taajuudella. Tätä taajuutta kutsutaan viritystaajuudeksi. Refleksikotelo vahvistaa viritystaajuuden läheisiä taajuuksia, mutta taajuusvaste kuitenkin laskee nopeasti viritystaajuuden alapuolella.[9]

Bandpass- eli kaistanpäästökotelossa elementti on sijoitettu kotelon sisälle kahden kammion väliin. Nimensä mukaisesti kotelon vasteessa on ylä- ja alarajataajuus. Bandpass-koteloita on kahdenlaisia. Suljettuja ja refleksejä. Suljetussa toinen kammioista on refleksikotelo ja toinen suljettu. Refleksi-bandpass-kotelossa taas molemmat kammiot ovat refleksejä. Bandpass-kotelon hyvä puoli on sen suuri herkkyys. Huonona puolena taas voidaan pitää sen suurta kokoa.[10]

Torvikaiutin koostuu kaiutinelementistä, sekä siihen yhdistetystä passiivisesta torvesta. Torvikaiuttimet ovat yleisesti käytössä suuritehoisissa kaiutinjärjestelmissä ja myös esimerkiksi megafoneissa. Torvikaiuttimia on käytännössä kahta eri tyyppiä. Ylätaajuuksilla (> 5kHz) käytetään torven yhteydessä tietynlaista painekammio-ohjainelementtiä. Matalempien taajuuksien tullessa kyseeseen, käytetään torven yhteydessä 'normaalia' kaiutinelementtiä. Torven avulla voidaan laajentaa kaiuttimen taajuusvastetta ja vaikuttaa sen suuntaavuuteen.[11]

Kaiutinelementin tutkiminen


Minulta sattui löytymään rikkinäinen Tangbandin 8" subwoofer-elementti, joka minun on ollut tarkoitus purkaa muutenkin. Elementti päästää liikkuessaan pidempiä iskuja todella pahan kuuloista kolinaa. Luulisin, että ääni johtuu siitä, että puhekela on ehkä vinossa ja iskee magneetin reunaan pitkillä iskuilla. Elementti sopi tähän projektiin loistavasti, sillä elementti on nykyisellään käyttökelvoton, joten purkamalla mitään ei voi hävitä, mutta mahdollisesti voin onnistua korjaamaan sen. Elementin suuren koon vuoksi siitä on myös helppo ottaa hyviä kuvia ja siitä saa hyvin dynaamisen kaiuttimen rakenteen selville.

Aloitin purkamisen irroittamalla elementin joustavat ripustukset rungosta. Ne irtosivat yllättävän helposti. Ripustukset on tässä elementissä valmistettu kumista ja ovatkin aika massiiviset suuren maksimi liikepoikkeaman takaamiseksi. Seuraava vaihe olikin pölykupin irroitus, mikä onnistui terävää veistä ja eräänlaista koukkua käyttäen kohtuullisen hyvin. Aikaa tosin siihen vierähti, kun yritin olla varovainen ja olla rikkomatta kartion pintaa. Kartio on tässä elementissä pahvia.

Pölykupin alta paljastui näkyviin puhekela ja mahdollinen vian aiheuttajakin. Puhekelan liimaus kartioon vaikutti hieman löysältä erityisesti toiselta puolelta. Ilmeisesti puhekelan liikkuessa taaksepäin, se kääntyy hieman vinoon, koska liimaus ei pidä sitä kunnolla suorassa. Puhekelan keskeltä näkyy myös magneetin keskikappale ja voidaan hyvin nähdä kuinka puhekela on sijoitettu ilmaväliin ympäri kiertävän magneetin ja keskikappaleen väliin.

kaiutin_polysuojapois.JPG
Kuvassa Tangband W8-740E pölysuoja irroitettuna. Pölykupin alla on puhekelan yläpää, johon tulee johtimet kaiuttimen terminaaleilta. Puhekelan läpi näkyy magneetin keskikappale ja ilmaväli, johon puhekela työntyy.

Sisemmän ripustuksen irroittaminen osoittautui vaikeammaksi urakaksi erittäin vahvan liimauksen takia, joten jätin purkamisen tähän vaiheeseen. Jos olisin onnistunut tässä, olisimme saaneet parempia kuvia puhekelasta ja nähneet magneetin muodon paremmin.
  1. ^ Asiaa HiFi:stä ja HiFin:n vierestä (http://koti.mbnet.fi/~fere/kajari.html) [25.1.2010]
  2. ^ The Loudspeaker Design Cookbook - 4th edition, Dickason, Vance, 1991
  3. ^ The Loudspeaker Design Cookbook - 4th edition, Dickason, Vance, 1991
  4. ^ Wikipedia - Thiele Small (http://en.wikipedia.org/wiki/Thiele/Small)[25.1.2010]
  5. ^ Tietoboxi - Rami Aikion kotisivut (http://koti.netplaza.fi/~mikaa/rami/tietoboxi/kaiuttimet.html) [25.1.2010]
  6. ^ Hifitalo - Tangband W8-740E - tuotekuvaus (http://hifitalo.fi/cat/product_details.php?p=473) [25.1.2010]
  7. ^ Wikipedia - Hyvyysluku (http://fi.wikipedia.org/wiki/Hyvyysluku) [28.1.2010]
  8. ^ The Loudspeaker Design Cookbook - 4th edition, Dickason, Vance, 1991, s. 11
  9. ^ The Loudspeaker Design Cookbook - 4th edition, Dickason, Vance, 1991, s. 43
  10. ^ Autosound - Bandpass-kotelo (http://www.autosound.fi/tietoa_subbarit_bandpass.htm) [27.1.2010]
  11. ^ Audiokirja, E. Blomberg, A. Lepoluoto, s. 62. Saatavilla http://ari.lepoluo.to/audiokirja/