Kaiutin on mekaaninen järjestelmä, niin sanottu dynaaminen transduktori, joka muuntaa sähköenergian äänienergiaksi (liike-energiaksi). Periaatteessa se toimii päinvastoin kuin mikrofoni. Kaiutin saa ilman värähtelemään ja muodostaa ääniaaltoja, jotka korvasi havaitsevat. Ihanteellinen kaiutin muuntaa sähköisen signaalin ääneksi mahdollisimman tarkasti.
Kaiuttimia on saatavilla kaikissa mahdollisissa kokoluokissa, muodoissa ja väreissä. Mutta miten ne oikeastaan onnistuvat muuttamaan sähkövirran miellyttäväksi musiikiksi korvissasi? Tässä on perusopas kaiuttimen toiminnan teoriaan ja käytäntöön.
Ääni on energian aaltoja
Ääni on yleinen termi akustisille värähtelyille. Nämä värähtelyt – eli taajuudet – mitataan hertseinä (värähdykset sekunnissa, lyhennettynä Hz). Vastasyntynyt ihminen voi kuulla noin 20–20 000 Hz:n taajuusalueen, jota kutsutaan usein "kuuloalueeksi". Kyky kuulla korkeimpia diskanttitaajuuksia heikkenee luonnollisesti iän myötä, aivan kuten lähinäkö usein heikkenee. Monet eläimet kykenevät aistimaan sekä matalampia että huomattavasti korkeampia taajuuksia – tunnettuja esimerkkejä ovat koirat ja lepakot.
Yli 20 000 Hz:n taajuudet kutsutaan ultraääniksi, kun taas alle 20 Hz:n taajuudet ovat infraääniä. Bassotaajuudet ja matalat, jylisevät äänet sijoittuvat 20–200 Hz:n alueelle, kun taas korkeataajuiset äänet (diskantti, kuten symbaalit ja s-äänteet) sijaitsevat noin 2 000–20 000 Hz:n välillä (2 kHz–20 kHz, kilohertsiä). Näiden kahden välissä ovat keskitaajuudet, joihin kuuluu muun muassa ihmisen puhe. Tämä on myös alue, johon ihmiskorva on kaikkein herkin.
Kaiutin muuntaa sähkövirran liikkeeksi
Kaiutin on laite, joka muuttaa audiosignaalin sähköiset värähtelyt ilman ääniaalloiksi. Kun kaiutin saa sähköisen audiosignaalin, se ohjataan niin sanottuun puhekelaan, joka sijaitsee voimakkaan magneetin sisällä ja on kiinnitetty suoraan kaiutinkalvoon. Puhekelan ja magneetin magneettikentät vaikuttavat toisiinsa ja saavat kaiutinkalvon liikkumaan sähköisen signaalin tahdissa. Tämä liike synnyttää ilman värähtelyjä, jotka korvasi havaitsevat musiikkina.
HiFi-kaiutin – tarkka äänentoisto
Kaiuttimia on saatavilla lukemattomissa eri kokoluokissa, tyypeissä ja materiaaleissa, ja niitä käytetään eri taajuusalueilla ja ympäristöissä. Yleisin kaiutintyyppi on dynaaminen "Moving Coil" -kaiutin, joka näkyy myös yllä. HiFi-kaiuttimissa käytetään tyypillisesti kahta tai useampaa elementtiä, jotta kaikki taajuudet voidaan toistaa tarkasti. Pienissä pöytäradioissa, televisioissa ja vastaavissa laitteissa käytetään usein vain yhtä pientä täysäänielementtiä.
Vakavasti otettavat HiFi-kaiutinvalmistajat pyrkivät tuottamaan kaiuttimia, jotka toistavat sisääntulosignaalin mahdollisimman tarkasti – kaikilla äänenvoimakkuuksilla ja tasaisesti koko kuuntelualueelle.
Matalat ja korkeat äänet leviävät eri tavoin
Yksi syy siihen, miksi kaiuttimissa käytetään useita elementtejä, on varmistaa äänen tasainen leviäminen koko taajuusalueella. Ääni muuttuu suuntaavammaksi taajuuden kasvaessa, minkä vuoksi kaiuttimissa käytetään eri taajuusalueille optimoituja elementtejä. Näin saavutetaan tasainen äänen leviäminen ja tarkka äänentoisto. Esimerkkejä tästä ovat DALIn hybrididiskantit ja B&W:n FST-keskiäänielementit.
Korkeat taajuudet ovat hyvin suuntaavia, kun taas matalat taajuudet (basso) etenevät pitkien aallonpituuksiensa ansiosta helposti eri materiaalien läpi. Tästä syystä kuulet usein naapurista vain basson jylinän, mutta et diskanttitaajuuksia.
Kaiuttimen sijoittaminen vaikuttaa äänenlaatuun
Kaiuttimen sijainti huoneessa vaikuttaa merkittävästi äänenlaatuun. Olet ehkä huomannut, että basso korostuu huomattavasti, jos kaiuttimet asetetaan suoraan seinää vasten. Tämä johtuu siitä, että seinäpinnat heijastavat ja vahvistavat ääntä, mikä voi muuttaa äänenlaatua merkittävästi. Voit kokeilla tätä itse: puhu ensin keskellä huonetta ja sitten nurkassa – huomaatko eron?
Kuten mainittu, matalat taajuudet eivät ole kovin suuntaavia, vaan basso leviää kaikkiin suuntiin, kun taas keskiäänet ja diskantti suuntautuvat tarkemmin. Tämä tarkoittaa, että bassotaajuudet heijastuvat helpommin huoneen pinnoista ja voivat heikentää äänen selkeyttä. Myös keskiäänet ja diskantit voivat heijastua, erityisesti kovista pinnoista, kuten parkettilattiasta, kaakeleista tai paljaista seinistä.
Nämä heijastukset voivat vaikuttaa kaiuttimen ajalliseen tarkkuuteen, äänen syvyyteen ja erottelukykyyn – ja tätä tulisi välttää. Tästä syystä äänitysstudioissa ja elokuvateattereissa seinät ja katot päällystetään ääntä vaimentavilla materiaaleilla, jotta huoneen akustiikka ei vääristä kaiuttimien tuottamaa ääntä.
Hyvä kaiuttimen sijoitus tarkoittaa yleensä riittävää etäisyyttä takaseinästä ja sivuseinistä, jotta huoneen aiheuttamat heijastukset vähenevät. Jotkut kaiuttimet voidaan myös kääntää hieman kohti kuuntelupaikkaa, jolloin saadaan tasaisempi taajuusvaste, parempi stereokuva ja vähemmän aikaisia sivuseinistä heijastuvia ääniä.
Jokainen huone on akustiikaltaan erilainen, joten ei ole olemassa yhtä oikeaa sääntöä kaiuttimen sijoittamiseen. Kannattaa aina käyttää aikaa kuuntelemiseen ja etsiä paikka, jossa kaiutin soi parhaiten. Suosittelemme myös tutustumaan valmistajan ohjeisiin oikeasta sijoittelusta ja asennuksesta.
Jos kaiuttimet ovat kirjahyllyssä tai seinälle asennettuina, ne kannattaa sijoittaa korvan korkeudelle tai kallistaa kuuntelupaikkaa kohti, jotta äänentoistosta saa parhaan mahdollisen hyödyn.
Kaiutinelementit – matalista korkeisiin taajuuksiin
Useimmissa kaiuttimissa on kaksi tai useampi elementti, jotta koko taajuusalue voidaan toistaa mahdollisimman tarkasti. Nämä elementit jaetaan yleensä kolmeen tyyppiin: basso-, keskiääni- ja diskanttielementteihin.
Eri elementtien käyttö riippuu kaiuttimen rakenteesta. Esimerkiksi kaksitie-kaiuttimessa ei yleensä ole erillistä keskiäänielementtiä – tällöin bassoelementti hoitaa myös keskiäänet. Kolmitie-kaiuttimessa sen sijaan on erillinen elementti jokaiselle taajuusalueelle.
Jotkin kaiuttimet käyttävät vain yhtä täysäänielementtiä, joka kattaa koko taajuusalueen, kun taas toiset voivat sisältää neljä tai useampia elementtejä. Tämä voi parantaa äänen leviämistä ja mahdollistaa korkeamman äänenpaineen ilman vääristymiä.
“Englanninkieliset termit woofer ja tweeter ovat itse asiassa saaneet inspiraationsa eläinmaailmasta. Woofer (bassoelementti) viittaa koiran matalaan ”WOOF!”-haukuntaan, kun taas tweeter (diskanttielementti) on saanut nimensä linnun kirkkaasta ”tweet, tweet” -viserryksestä.
Subwoofer – tervehdys syvyyksistä
Subwoofer on erikoiskaiutin, joka on suunniteltu toistamaan ainoastaan äänialan matalimpia taajuuksia, tyypillisesti 200 Hz:stä alaspäin kuluttajakäyttöön tarkoitetuissa järjestelmissä. Subwoofer säädetään yleensä tukemaan pääkaiuttimen (wooferin) toistoa siinä kohtaa, missä sen matalien taajuuksien suorituskyky heikkenee. Tästä juontuu myös nimi subwoofer – se soittaa "wooferin alapuolella".
Koska subwoofer toistaa vain kapeaa taajuusaluetta, sen rakenne on usein melko yksinkertainen, ja se sisältää vain yhden bassoäänielementin kompaktissa kotelossa. Joissakin malleissa on kuitenkin kaksi elementtiä, ja erilaisia rakenteita on olemassa. Syvän basson toistaminen pienessä kotelossa vaatii paljon tehoa ja mekaanista kestävyyttä, minkä vuoksi subwoofer-elementit ovat rakenteeltaan erityisen vahvoja. Useimmissa subwoofereissa on myös oma tehokas, sisäänrakennettu vahvistin ja taajuuskorjain syvimpien taajuuksien hallintaan – tällaista mallia kutsutaan aktiiviseksi subwooferiksi.
Subwooferit ovat erityisen suosittuja kotiteattereissa, sillä monikanavaisessa elokuvaäänentoistossa on usein erillinen bassokanava. Subwooferia käytetään kuitenkin myös stereojärjestelmissä, yleensä tukemaan pienempien kaiuttimien bassotoistoa. Optimaalinen sijoitus on usein nurkassa tai lähellä seinää, jotta vältetään huoneen aiheuttamat resonanssit ja seisovat aallot.
Bassoelementti – väsymätön työhevonen
Bassoelementin tehtävä on toistaa äänisignaalin matalat taajuudet, kuten subwooferinkin, mutta se ulottuu taajuusalueella korkeammalle. Toisin kuin subwoofer, joka on suunniteltu pelkästään syväbasson toistoon, bassoelementti kattaa laajemman taajuusalueen. Sen taajuusalue riippuu koosta ja tyypistä, mutta sijoittuu yleensä noin 30–600 Hz:n välille, ennen kuin keskiäänielementti astuu mukaan.
Kolmitie- ja monitie-kaiuttimissa bassoelementti vastaa ainoastaan matalista taajuuksista, kun taas kaksitiekaiuttimissa sen tehtävänä on myös keskiäänien toisto. Tällaista elementtiä kutsutaan basso-/keskiäänielementiksi, ja sen taajuusalue on tyypillisesti noin 40 Hz – 4–5 kHz. Tämä on mahdollista, jos diskanttielementti pystyy ulottumaan riittävän matalille taajuuksille, jotta sen ja bassoelementin välinen siirtymä on saumaton ja keskialue toistuu luonnollisesti.
Bassoelementti on yleensä kooltaan suurempi kuin keskiäänielementti, sillä matalat taajuudet vaativat pidempiä aallonpituuksia ja enemmän energiaa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että ilmamassaa on siirrettävä enemmän, mikä edellyttää suurempaa kalvopinta-alaa ja pidempää kalvon liikerataa.
Keskiäänielementti – äänten ydin
Keskiäänielementti toistaa äänialueen, joka sijoittuu basson ja diskantin väliin, tyypillisesti noin 300–5000 Hz:n välille. Tämä taajuusalue kattaa ihmisen puheen sekä useimpien instrumenttien, kuten kitaran, viulun, pikkurummun, sellon ja trumpetin, pääasialliset perustaajuudet.
Juuri keskitaajuuksilla ihmiskorva havaitsee helpoimmin vääristymiä ja poikkeamia luonnollisesta äänen toistosta. Tämän vuoksi monissa kaiuttimissa käytetään erillistä keskiäänielementtiä, joka on suunniteltu mahdollisimman alhaisella vääristymällä toistamaan ainoastaan tätä aluetta. Esimerkkinä tästä on B&W:n ainutlaatuinen, "reunaton" FST-elementti, joka näkyy tässä.
Diskanttielementti – ilmavuutta ja yksityiskohtia
Diskanttielementti vastaa äänisignaalin korkeimmista taajuuksista, yleensä noin 2 kHz – 20 kHz, mutta monissa tapauksissa huomattavasti korkeammalle. Äärimmäisissä tapauksissa diskanttitaajuudet voivat yltää jopa 70 kHz:iin, kuten B&W:n arvokkaissa Diamond-diskanteissa.
Yleisimpiä diskanttityyppejä ovat dome-diskantit, joissa kalvo on kupolimallinen. Kalvo voi olla valmistettu joko pehmeästä materiaalista (soft-dome), kuten DALIn kaiuttimissa, tai metallista, kuten monissa B&W-malleissa.
Resonans ja särö – puhtaan äänen viholliset
Ihanteellisessa tilanteessa dome-diskanttielementin tulisi toimia kuin täydellinen mäntä, joka liikkuu edestakaisin muotoaan muuttamatta. Kun elementti ei enää pysty säilyttämään muotoaan, se alkaa taipua ja värähdellä hallitsemattomasti, mikä aiheuttaa resonanssia (breakup). Tämä ilmiö tapahtuu niin sanotulla resonanssitaajuudella, ja jos se osuu lähelle kuuloaluetta (20–30 kHz), syntyy merkittävää säröä ja äänen puhtaus kärsii.
Valmistajat käyttävät monia eri keinoja estääkseen tämän ilmiön. Jotkin dome-diskantit on erityisesti vahvistettu, kuten B&W:n 600 S2 -sarjassa, tai ne on valmistettu eksoottisista materiaaleista, kuten titaanista, berylliumista tai jopa timantista (B&W 800 D3 -sarja). Tavoitteena on siirtää resonanssitaajuus mahdollisimman kauas kuuloalueelta, jolloin saavutetaan puhtaampi ja tarkempi diskanttitoisto.
Toinen lähestymistapa, jota esimerkiksi DALI käyttää, on hybrididiskantti, jossa yhdistetään soft-dome-diskantti ja nauhadiskantti. Nauhadiskantin etuna on sen herkkä ja nopea reagointi heikkoihinkin signaaleihin sekä kyky värähdellä erittäin nopeasti ilman säröä. Lisäksi se säilyttää laajan äänenleviämisen myös korkeilla taajuuksilla.
Äänen leviämisen ongelmana dome-diskanteissa on se, että korkeiden taajuuksien suuntaavuus kasvaa, mikä heikentää kuuntelualueen kattavuutta. Dome-diskantti pystyy kuitenkin toistamaan matalampia taajuuksia kuin nauhadiskantti. Hybrididiskanttiratkaisu yhdistää molempien teknologioiden hyvät puolet, mutta samalla se tekee kaiuttimen rakenteesta monimutkaisemman.
Täysäänielementit ja koaksiaaliratkaisut
Täysäänielementit on suunniteltu kattamaan koko taajuusalue ilman muiden elementtien apua. Näitä käytetään usein pienissä pöytäradioissa ja televisioissa, mutta ne ovat myös suosittuja joidenkin HiFi-harrastajien keskuudessa. Täysäänielementit voivat toimia täysin ilman jakosuodinta (crossover), mutta ne ovat yleensä pieniä, jotta ne voivat toistaa myös korkeita taajuuksia. Tämä tarkoittaa samalla sitä, että ne eivät pysty toistamaan syvää bassoa tehokkaasti tai tuottamaan kovia äänenvoimakkuuksia ilman vääristymiä.
Joidenkin mielestä jakosuotimen välttäminen mahdollistaa dynaamisemman, yhtenäisemmän ja vääristymättömämmän äänen, koska signaalin vaihe ja ajoitus on helpompi hallita, kun koko taajuusalue toistetaan yhdellä elementillä.
Täysääniratkaisujen lisäksi on olemassa monia erilaisia koaksiaalisia kaiutinkonstruktiota, joissa basso-, keskiääni- ja diskanttielementit on rakennettu yhteen yksikköön, jotta koko taajuusalue voidaan kattaa yhdellä kaiutinyksiköllä. Koaksiaalikaiuttimia käytetään erityisesti ammattilaiskäytössä ja autostereoissa, mutta niiden tarkempi käsittely vaatisi oman aiheensa.
Jakosuodin jakaa äänisignaalin
Jakosuodin on kaiuttimen sisällä oleva komponentti, joka jakaa vahvistimelta tulevan signaalin eri elementeille. Matalat taajuudet ohjataan bassoelementille, korkeammat diskantille ja niin edelleen. Kaiutinelementit on suunniteltu toistamaan vain tiettyä taajuusaluetta, ja jakosuodin varmistaa, että jokainen elementti saa vain sille tarkoitetut taajuudet. Muut taajuudet suodatetaan pois, jotta kaiutin toimii mahdollisimman optimaalisesti.
Jakosuodin koostuu tyypillisesti kolmesta sähköisestä komponentista: keloista, kondensaattoreista ja vastuksista. Kela (L) päästää läpi matalat taajuudet ja estää korkeat. Kondensaattori (C) päästää läpi korkeat taajuudet ja estää matalat. Vastus (R) säätelee impedanssia (vaihtovirran vastusta) ja vaimentaa signaalia tarvittaessa.
Näiden komponenttien yhdistelmä ja niiden arvot muodostavat jakosuotimen.
Jakosuotimen suunnittelu on monimutkainen prosessi, sillä sen toimintaan vaikuttavat paitsi komponenttien arvot, myös itse kaiutinelementit ja jopa kaiutinkaapelit. Pienetkin muutokset voivat vaikuttaa merkittävästi lopulliseen äänentoistoon, minkä vuoksi jakosuotimien kehittäminen on oma tieteenalansa.
Kaiutinkotelo
Lähes kaikissa kaiuttimissa elementit on asennettu koteloon. Kotelo ei ainoastaan pidä elementtejä paikallaan ja oikeassa asennossa, vaan sillä on myös tärkeä akustinen tehtävä: se estää kaiutinelementtien takapuolelta lähtevää ääniaaltoa sekoittumasta eteenpäin suuntautuvaan ääneen.
Jos koteloa ei olisi, takana syntyvät ääniaallot voisivat kumota (vaihetta vastakkaiset) eteenpäin suuntautuvat aallot, mikä heikentäisi merkittävästi matalien taajuuksien äänenvoimakkuutta ja laatua. Tästä syystä kaiutinkoteloiden rakenne ja suunnittelu vaikuttavat ratkaisevasti kaiuttimen äänentoistoon.
Vaimentaminen ja muotoilu
Kaiutinkotelon sisällä äänenpaine on yhtä korkea kuin sen ulkopuolella, ja suuri osa tästä sisäisestä äänestä heijastuu kotelon sisällä. Tämä voi aiheuttaa sen, että kotelo "soi mukana" ja vääristää ääntä. Lisäksi heijastunut ääni voi kulkeutua takaisin kaiutinelementin kalvon läpi, mikä voi merkittävästi heikentää äänenlaatua.
Näitä vääristymiä voidaan vähentää vaimentamalla kotelon sisäpintoja akustisella vaahtomuovilla tai muilla ääntä absorboivilla materiaaleilla. Lisäksi kotelo voidaan vahvistaa ja muotoilla siten, että sisäiset heijastukset minimoidaan. Esimerkiksi B&W:n suuremmissa kaiutinmalleissa hyödynnetään erikoismuotoiltuja koteloita, jotka vähentävät sisäisiä resonansseja ja parantavat äänenlaatua.
Suljettu ja bassorefleksi – edut ja haitat
HiFi-kaiuttimissa käytetään monenlaisia kotelorakenteita, mutta yleisimmät ovat suljettu kotelo ja bassorefleksikotelo.
Suljettu kotelo on rakenteeltaan yksinkertainen ja sen etuna on bassotoiston luonnollinen vaimeneminen, joka usein kompensoi huoneen aiheuttamaa bassokorostusta. Tämän ansiosta suljetut kaiuttimet voivat toimia hyvin myös seinää vasten sijoitettuina, ja niiden avulla voidaan saada pienikokoisista kaiuttimista kohtuullinen bassotoisto. Lisäksi suljettujen kaiuttimien impulssivaste (äänen nopeus ja tarkkuus) on yleensä erittäin hyvä.
Haittapuolena on, että suljettu rakenne on usein melko tehoton, mikä tarkoittaa, että se vaatii vahvistimelta enemmän tehoa saavuttaakseen saman äänenpaineen kuin muut kotelotyypit.
Bassorefleksikaiuttimissa koteloon on lisätty portti tai putki, joka on viritetty tietylle taajuudelle. Tämä portti toimii resonanssina, joka vahvistaa tiettyjä matalia taajuuksia ja parantaa bassotoistoa.
Bassorefleksirakenne on tehokkaampi kuin suljettu kotelo, minkä vuoksi se onkin yleisin ratkaisu HiFi-kaiuttimissa. Kuitenkin, jos portin viritystaajuus osuu huoneen resonanssitaajuuden kanssa samalle alueelle, voi syntyä voimakas ja hallitsematon bassoresonanssi, joka heikentää äänenlaatua.
Toinen bassorefleksikaiuttimen haittapuoli on mahdollinen porttikohina eli ilman aiheuttama ääni refleksiportissa, joka muistuttaa pullon suulle puhaltamista. Tämän ongelman ratkaisemiseksi B&W on kehittänyt Flowport-teknologian, joka vähentää ilmanvastusta ja turbulenssia refleksiportissa, mikä minimoi häiriöäänet.