Hornhøyttaler - Horn loudspeaker

En mellomtonehorndriver som brukes i hjemmehøyttalersystemer
Hvordan en høyttaler fungerer. (A) kompresjonsdriver (B) horn

En hornhøyttaler er en høyttaler eller et høyttalerelement som bruker et akustisk horn for å øke den samlede effektiviteten til drivelementene. En vanlig form (til høyre) består av en kompresjonsdriver som produserer lydbølger med en liten metallmembran vibrert av en elektromagnet , festet til et horn, en blussende kanal for å lede lydbølgene til friluft. En annen type er en bashøyttalerdriver montert i et høyttalerkabinett som er delt med interne skillevegger for å danne en sikksakk -fakkelkanal som fungerer som et horn; denne typen kalles en foldet hornhøyttaler . Hornet tjener til å forbedre koblingseffektiviteten mellom høyttalerdriveren og luften. Hornet kan betraktes som en "akustisk transformator " som gir impedansmatching mellom det relativt tette membranmaterialet og den mindre tette luften. Resultatet er større akustisk utgangseffekt fra en gitt driver.

Den smale delen av hornet ved siden av føreren kalles "halsen" og den store delen lengst unna sjåføren kalles "munnen". Vinkeldekningen ( strålingsmønsteret ) til hornet bestemmes av munnens form og bluss. Et stort problem med hornhøyttalere er at strålingsmønsteret varierer med frekvens; høyfrekvent lyd har en tendens til å sendes ut i smale stråler med dårlig ytelse utenfor aksen. Det er gjort betydelige forbedringer, som begynte med hornet " konstant retning " som ble oppfunnet i 1975 av Don Keele .

Den største fordelen med hornhøyttalere er at de er mer effektive; de kan vanligvis produsere omtrent 3 ganger (10 dB ) mer lydeffekt enn en kjeglehøyttaler fra en gitt forsterkerutgang. Derfor er horn mye brukt i offentlige adressesystemer , megafoner og lydsystemer for store arenaer som teatre, auditorier og idrettsstadioner. Deres ulempe er at frekvensresponsen er mer ujevn på grunn av resonans -topper, og horn har en cutoff -frekvens under hvilken responsen faller. (Avskjæringsfrekvensen tilsvarer bølgelengden som er lik omkretsen på hornmunnen.) For å oppnå tilstrekkelig respons ved basfrekvenser må hornhøyttalere være veldig store og tungvint, så de brukes oftere for mellomtoner og høye frekvenser. De første praktiske høyttalerne, som ble introdusert rundt begynnelsen av 1900 -tallet, var hornhøyttalere. På grunn av utviklingen i de siste tiårene med kjeglehøyttalere som noen ganger har en flatere frekvensrespons, og tilgjengeligheten av billig forsterkerkraft, har bruken av hornhøyttalere i lydsystemer de siste tiårene gått ned.

Operasjon

Ulike hornprototyper i laboratoriet til Theo Wangemann , Thomas Edisons sjefshorndesigner . Fra omtrent 1888 til 1925 ble et horn brukt til å konsentrere lydbølger under innspillingen på Edison -sylindere , og et annet horn ble brukt for å forsterke opptakene under avspilling.

Et akustisk horn konverterer store trykkvariasjoner med et lite forskyvningsområde til en lavtrykksvariasjon med et stort forskyvningsområde og omvendt. Det gjør dette gjennom den gradvise, ofte eksponentielle økningen av hornets tverrsnittsareal. Det lille tverrsnittsarealet i halsen begrenser passasje av luft og gir dermed en høy akustisk impedans for føreren. Dette gjør at sjåføren kan utvikle et høyt trykk for en gitt forskyvning. Derfor er lydbølgene ved halsen høyt trykk og lav forskyvning. Den avsmalnende formen på hornet lar lydbølgene gradvis dekomprimere og øke forskyvningen til de når munnen der de har lavt trykk, men stor forskyvning.

Teknologihistorie

Francis Barrauds originale maleri av Nipper som ser på en Edison Bell -sylinderfonograf

Fysikken (og matematikken) for hornoperasjon ble utviklet i mange år og nådde betydelig sofistikering før andre verdenskrig. De mest velkjente tidlige hornhøyttalere var de på mekaniske grammofoner , hvor plata beveget et tungmetall nål som eksiterte vibrasjoner i en liten metallmembranen som fungerte som en driver for et horn. Et berømt eksempel var hornet der Nipper til RCA dog hørt "His Master Voice". Hornet forbedrer belastningen og får dermed en bedre "kobling" av energi fra membranen til luften, og trykkvariasjonene blir derfor mindre etter hvert som volumet ekspanderer og lyden beveger seg oppover hornet. Denne typen mekanisk impedansmatching var helt nødvendig i dagene med pre-elektrisk lydgjengivelse for å oppnå et brukbart lydnivå.

Megafon

Et sammenleggbart kjeglehorn med avtagbar blusset bjelle. Dette hornet ble patentert i 1901 for avspilling av grammofonplater .

Den megafon , en enkel kjegle laget av papir eller annet fleksibelt materiale, er den eldste og enkleste akustisk horn, som brukes forut for høyttalere som en passiv akustisk forsterker for mekaniske fonografer og for den menneskelige stemme; den brukes fremdeles av cheerleaders og badevakter. Fordi den koniske snittformen beskriver en del av en perfekt sfære med utstrålt lyd, har kjegler ingen fase- eller amplitudeforvrengning av bølgefronten. De små megafonene som ble brukt i fonografer og som høyttaler var ikke lange nok til å gjengi de lave frekvensene i musikk; de hadde en høy cutoff -frekvens som dempet de to nederste oktavene i lydspekteret, noe som ga megafonen en karakteristisk tinnlyd.

Eksponentiell

En tre-veis Klipsch- høyttaler fra slutten av 1970-tallet som bruker et annet eksponentielt horn ved hver båndpass

Det eksponensielle hornet har en akustisk lasteegenskap som gjør at høyttalerdriveren kan forbli jevnt balansert i utgangsnivået over frekvensområdet. Fordelene med designet ble først utgitt av CR Hanna og J. Slepian i 1924 for American Institute of Electrical Engineers (AIEE). En stor ulempe er at det eksponensielle hornet muliggjør en innsnevring av strålingsmønsteret når frekvensen øker, noe som gir høyfrekvent "stråling" på aksen og kjedelig lyd fra aksen. En annen bekymring er at en hals med liten diameter er nødvendig for høy effektivitet ved høye frekvenser, men en større hals er best for lave frekvenser. En vanlig løsning er å bruke to eller flere horn, hver med passende halsstørrelse, munnstørrelse og blussfrekvens for best ytelse i et valgt frekvensområde, med tilstrekkelig overlapping mellom frekvensområdene for å gi en jevn overgang mellom horn. En annen løsning som ble prøvd på slutten av 1930 -tallet av Harry F. Olson fra RCA, var å bruke flere eksponentielle blusshastigheter, enten ved å koble stadig større horn i serie eller ved å dele det indre av et enkelt horn. Eksponensielle horn fortsetter å bli brukt av noen designere, og i noen applikasjoner.

Multicell

Altec multicell -hornmodeller fra en produktkatalog fra 1978

En rekke symmetriske, smale dispersjon, vanligvis eksponentielle horn kan kombineres i en matrise drevet av en enkelt driver for å produsere flercellehorn. Patentert i 1936 av Edward C. Wente fra Western Electric , har flercellehorn blitt brukt i høyttalere siden 1933 for å løse problemet med direktivitet ved høyere frekvenser, og de gir utmerket lavfrekvensbelastning. Deres retningskontroll begynner å stråle både vertikalt og horisontalt i midten av målfrekvensområdet, og innsnevres ytterligere ved høye frekvenser med nivåendringer så store som 10 dB mellom lappene. Flercellet horn er komplekse og vanskelige å fremstille og har dermed en høyere utgift. De fortsatte i offentlige adressesøknader i mange år fordi, selv med sine feil, hørtes de veldig bra ut, og gjør det fortsatt med kompetent design. Den revolusjonerende koaksiale driveren, Altec Lansing Duplex 601 og 604, brukte et flercellet horn for sin høyfrekvente komponent fra 1943 til 1998.

Radial, sektoriell og diffraksjon

Et diffraksjonshorn av JBL -modell 2397 fra 1978. 2397 inneholdt interne sektorskovler som delte halsen i seks eksponentielle seksjoner.

Radiale horn har to overflater basert på en eksponentiell blussfrekvens, og to rette vegger som bestemmer utgangsmønsteret. Det radiale hornet viser noe av strålingen av det eksponensielle hornet. Altec sektorhorn var radiale horn med skovler plassert i hornets munn for det angitte formålet med mønsterkontroll. For enkel montering på høyttalerkabinetter har flate radiale horn foran blitt brukt, for eksempel av Community i deres SQ 90 høyfrekvente horn. JBLs diffraksjon eller "Smith" -horn var en variant av det radiale designet, ved å bruke en veldig liten vertikal dimensjon ved munnen som en metode for å unngå midtre horisontale stråling av radiale horn som har en større vertikal dimensjon ved munnen.

Diffraksjonshornet har vært populært i skjermdesign og for nærfelt-adresser som har fordeler av det brede horisontale spredningsmønsteret. På den motsatte måte sørger den smale vertikale dimensjonen for et ekspansivt vertikalt utgangsmønster som nærmer seg 90 ° for frekvenser med en bølgelengde lik den smale vertikale dimensjonen. En veldig liten versjon av diffraksjonshornet ble designet i 1991 i JBL-modellen 2405H Ultra-High Frequency Transducer, noe som gir et utgangsmønster på 90 ° x 35 ° ved 20 kHz .

Tractrix

Den hundekurve horn er svært like på mange måter til den eksponentielle horn og har fått tilhengere blant DIY horn entusiaster, audiofile forbrukere, og noen produsenter. Den bruker en kurveformel avledet ved å anta at en tangens til et hvilket som helst punkt på hornets indre kurve vil nå hornets sentrale akse med et linjestykke med angitt lengde. Ved munnen blir tangenslinjesegmentet vinkelrett på aksen og beskriver munnens radius. Dette hornkonseptet ble studert av Paul GAH Voigt på midten av 1920-tallet og patentert i 1927. Størrelsen på tractrix-hornet genereres ved å spesifisere ønsket lavfrekvent "cutoff" eller grense som bestemmer munndiameteren. To trinnvise forbedringer i forhold til det eksponensielle hornet inkluderer litt bedre støtte for lavfrekvent forlengelse og et noe bredere høyfrekvent dekningsmønster.

Konstant retningslinje

Don Keeles første patent på konstant direktivitetshorn ble tildelt Electro-Voice i 1978.

I mai 1975, for å løse problemer med strålebreddeendring ved forskjellige frekvenser, introduserte D. Broadus "Don" Keele, Jr. fra Electro-Voice et hybridhorn med en eksponentiell ekspansjonshastighet nær halsen etterfulgt av en konisk ekspansjonsdel og avsluttet med en raskt flammende flens ved munnen. Flensen ved munnen løste noen gjenværende problemer med flik ved høyere frekvenser. Don Keele spesifiserte i en versjon av designet hans en bredere horisontal bluss for mønsterkontroll som er egnet for offentlige adresser. Keeles papir beskriver forholdet mellom munnstørrelse, frekvens og dekningsvinkel, og gir grunnlag for mange fremtidige utviklinger av horndesign. Et problem med horn med konstant retning er at det horisontale dekningsmønsteret ikke kan begrenses uten å gjøre det vertikale dekningsmønsteret for lite til å være nyttig.

Mantaray

Etter Keeles arbeid og bruk av prinsippene hans, designet Clifford A. Henricksen og Mark S. Ureda fra Altec et påfallende annerledes hybridhorn som viser konstante direktivitetstrekk, horisontal diffraksjon eller "Mantaray" horn. Mantaray -hornet skiller ønsket vertikalt dekningsmønster fra horisontalt, noe som gjør det mulig å designe horn for en rekke dekningsmønstre. Mantaray-formen starter med et vertikalt orientert diffraksjonshorn i JBL-stil, som leder inn i en konisk bølgeleder (tidligste design), eller et firkantet eller rektangulært horn med fire plane sider. For mellomtone strålekontroll utvides den ytre munnen ytterligere med en kort, flenset flens i Keele -stilen, eller med ekstra plane sider med større fakkelvinkel. Lavfrekvent effektivitet er ikke like uttalt som designen for konstant direktivitet. I motsetning til tidligere design, er den tilsynelatende toppen, som er fokuspunktet for mønsterdispersjon, ikke den samme for hver frekvens, noe som gir en ellipsoidal bølgefront i stedet for sfærisk. På grunn av dette kan Mantaray bare settes tilfredsstillende sammen i ett plan (i stedet for flere fly). Dens brå brudd i blussfrekvensen forårsaker diffraksjon, refleksjon og forvrengningskomponenter.

Bi-radial

Et 1996 JBL modell 2344A Bi-Radial "butt-cheeks" horn med et 100 ° × 100 ° utskriftsmønster fra 1 kHz til 12,5 kHz

I 1980 var Keele på JBL hvor han tok både hans og Altecs design et skritt videre. Han parret et diffraksjonshorn i JBL-stil til et sekundært horn bestående av eksponentielt buede sider avledet ved å bruke to radielle formler. Dette resulterte i et hybrid konstant retningshorn som var fritt fra forvrengningskomponentene forbundet med brå vinkelendringer. Markedet reagerte godt på designet i produkter som JBL modell 4430 studiomonitor med 100 ° × 100 ° modell 2344 Bi-Radial høyfrekvent horn som ofte kalles "butt-cheeks". Bi-Radial-designen hadde problemer med tilsynelatende toppunkt og fleksibilitet på samme måte som Mantaray.

Twin Bessel

Ramsa, den profesjonelle lydavdelingen til Panasonic Corporation , introduserte et tvilling Bessel konstant retningshorn kort tid etter at Mantaray dukket opp. Designet var veldig likt Mantaray og Bi-Radial, men det brukte en Bessel-ekspansjonsformel i to serier for å bestemme blusshastigheten til den sekundære horndelen.

CD horn egenskaper

De mest populære hornene med konstant direktivitet (også kjent som CD-horn) lider av ikke-sfæriske bølgefronter, begrensninger i arrayability og forvrengning ved høye lydtrykksnivåer samt refleksjoner og forvrengninger knyttet til overgangen fra diffraksjonsspor til sekundærhorn. De har en tendens til å redusere spredningsmønsteret ved de høyere frekvensene hvis bølgelengder nærmer seg halsens bredde eller bredden på diffraksjonssporet.

Fordi CD -hornets høye frekvenser er mer spredt over dekningsmønsteret, virker de dempet i forhold til andre horn. CD -hornet krever en utjevningsøkning på omtrent 6 dB per oktav med et filterknær sentrert mellom 2 og 4 kHz (avhengig av horndesign) for å høres nøytral og balansert ut. De fleste produsenter av aktive elektroniske lydoverkryssinger svarte på dette kravet ved å legge til et valgfritt CD EQ boost -filter eller høyfrekvent hyllefilter. For eksempel ble slike kretser levert via interne jumperlenker av BSS i deres FDS-310 crossover og av Rane i deres AC 22S og AC 23B crossovers. Rane åpnet for større frontpanelkontroll av to båndpass ("hi-mid" og "high") ved hjelp av CD-hornutjevning inkludert sveipbart frekvensområde på deres AC 24 crossover. Ytterligere forbedringer av filtreringsprosessen er tilgjengelige i DSP -baserte delefilter.

Hybrid konstant direktivitet (HCD)

Først publisert i desember 2019 i en Voice Coil -artikkel og deretter på 148. AES -stevne i juni 2020, presenterte Dario Cinanni en ny hornfamilie.

HCD -algoritmen, som allerede ble brukt av SpeakerLAB Horn.ell.a -programvare fra 2006, forvandler enhver ekspansjon (eksponentiell, hyperbolisk sinus, hyperbolisk cosinus, catenoidal, tractrix, sfærisk eller en ny ekspansjon) til et konstant hornet med direktivitet.

HCD tillater å opprettholde den samme akustiske belastningen som den opprinnelige ekspansjonen. HCD -algoritme reduserer refleksjoner sammenlignet med et CD -horn, eller generelt med et multiflare -horn, noe som gir lav forvrengning ved høye lydtrykksnivåer.

I likhet med det radiale hornet tilbyr HCD en konstant direktivitet på ett plan, for å være spesifikk en progressiv konstant direktivitet på planet langs hornmunnens hovedakse. Progresjonen avhenger av det valgte munnforholdet. Mens vi er på flyet langs munnaksen, vil vi ha en tilsvarende retningskontur av et sirkulært munnhorn (med samme ekspansjon).

Flere inngangshorn

Et treveis flerinngangshorn hvor hvert passbånd går inn i det samme hornet

I 1996, Ralph D. Heinz av Renkus-Heinz fikk patent for en multippel inngang horn som inkorporeres flere drivere for to bandpasses, høye og mellom, hvis lydbølger alle kom ut i et enkelt horn, men ved forskjellige avstander, avhengig av båndpass. Det ble markedsført som "CoEntrant" -hornet. Mellom- og høyfrekvente drivere i produktlinjen Renkus-Heinz ST/STX gikk begge gjennom en "Complex Conic" bølgeleder. På slutten av 1990-tallet begynte Thomas J. "Tom" Danley fra Sound Physics Labs å jobbe med et tre-veis fleroppføringshorn, og brakte SPL-td1 til markedet i 2000. Designet brukte syv drivere, med en høyfrekvent driver på horns hals, fire mellomfrekvente drivere i nærheten av halsen og to lavfrekvente drivere portet nærmere hornmunnen. I 2001 begynte Tom Danley å utvikle "Unity" -hornet for Yorkville Sound , og patenterte forbedringen i 2002. Etter utgivelsen av Yorkville's Unity-linje i 2003 dannet Danley Danley Sound Labs og utviklet en betydelig forbedring i forhold til SPL-td1 kalt "Synergy" "horn, noe som gir vesentlig bedre fase- og størrelsesrespons sammen med jevnere polarmønster. Synergihornutformingen lover større effekt fra et mindre høyttalerkabinett . Fordi designet beholder mønsterkontroll gjennom delekryssingsområdene og over et stort område av den totale båndbredden, og fordi det akustiske senteret i designet ligger nær baksiden av kabinettet, kombineres det lettere i matriser for offentlige adresseapplikasjoner.

Waveguide horn

Begrepet "bølgeleder" brukes for å beskrive horn med lav akustisk belastning, for eksempel kjegle, kvadratisk, oblat sfærisk eller elliptisk sylindrisk horn. Disse er designet mer for å kontrollere strålingsmønsteret i stedet for å oppnå effektivitet via forbedret akustisk belastning. Alle horn har en viss mønsterkontroll, og alle bølgeledere gir en grad av akustisk belastning, så forskjellen mellom en bølgeleder og et horn er et spørsmål om vurdering.

Quadratic-Throat Waveguide

I 1999 søkte Charlie Hughes fra Peavey Electronics om patent på et hybridhorn han kalte Quadratic-Throat Waveguide. Hornet var i utgangspunktet en enkel kjeglesnitt, men halsen var buet i en sirkelbue for å matche ønsket halsstørrelse for riktig parring med høyttalerdriveren. I stedet for å øke hornmunnstørrelsen med en bluss for å kontrollere mellomtone -stråling, ble det funnet et relativt tynt lag med skum som dekker munnkanten som passer i samme ende. QT-bølgelederen, sammenlignet med populære CD-horn, produserte omtrent 3-4 dB lavere nivåer av andre harmoniske forvrengninger på tvers av alle frekvenser, og i gjennomsnitt 9 dB lavere nivåer av den mer irriterende tredje harmoniske forvrengningen. Siden QT -bølgelederen var uten en diffraksjonsspor, var den fri for problemer med tilsynelatende toppunkt, noe som gjorde den fleksibel etter behov for offentlige adresser.

Oblat kuleformet bølgeleder

Oblate spheroid waveguide (OSWG) horndesign forbedrer kontrollen over direktivitetsmønster over 1 kHz, gir en lavere frekvens av direktivitet for bedre å matche mellomdistributørene, og, som hevdet av oppfinneren Dr. Earl Geddes, reduserer moduser for høyere orden, en form for fase- og amplitudeforvrengning. Den praktiske begrensningen av hornlengde blir eksplisitt ikke behandlet av OSWG -teorien.

applikasjoner

Offentlig tale og konsertbruk

Den innadgående (refleks) horn høyttaler, eller bullhorn, en type foldet horn høyttaleren som brukes i stor utstrekning i høyttaleranlegg . For å redusere størrelsen på hornet følger lyden en sikksakkbane gjennom eksponensielt ekspanderende konsentriske kanaler i det sentrale fremspringet (b, c) , som kommer fra det ytre hornet (d) . Oppfunnet på 1940 -tallet.

Hornhøyttalere brukes i mange lydapplikasjoner. Driverne i hornhøyttalere kan være svært liten, selv for bassfrekvenser hvor konvensjonelle høyttalere trenger å være veldig stort for tilsvarende ytelse. Hornhøyttalere kan utformes for å gjengi et bredt spekter av frekvenser ved hjelp av en enkelt, liten driver; til en viss grad kan disse designes uten at det kreves en crossover .

Hornhøyttalere kan også brukes til å gi de meget høye lydtrykknivåene som trengs for lydforsterkning og offentlige adresseapplikasjoner, selv om høy trofasthet noen ganger kompromitteres av hensyn til nødvendig effektivitet, og også for den kontrollerte spredningen i disse applikasjonene for høyt lydtrykk. egenskaper som vanligvis kreves i de fleste store volumrom. "Gunness Focusing", en ny metode for å motvirke noen av hornforvrengningene, spesielt på tidsområdet, ble banebrytende av Dave Gunness mens han var i Eastern Acoustic Works (EAW). EAW hornbelastede høyttalere som har blitt behandlet med dette proprietære systemet viser redusert forvrengning av komprimeringsdrivermembran/ fasekontakt, samtidig som den beholder høy utgangseffekt og kontrollert spredning.

Konsertlokaler bruker ofte store grupper med hornhøyttalere for bassreproduksjon med høy volum ("bassbinger" eller subwoofere ), for å gi bass som konsertgjengere ikke bare kan høre, men også føle. Ved å kombinere flere hornhøyttalere i en matrise får du de samme fordelene som å ha et enkelt horn med større munnområde: lavfrekvensavbruddet strekker seg lavere ettersom hornmunnen blir større, og matrisen har større utgangseffekt for flere drivere.

Kommersielle teatre

Kommersielle kinoer bruker ofte hornbelastede høyttalere for mønsterkontroll og økt følsomhet som trengs for å fylle et stort rom.

Lydfiler og hjemmebruk

Forbruker lyd anvender hornhøyttalere for kontrollert retnings (for å begrense audio refleksjoner fra rommets flater, slik som vegger, gulv og tak), og for større høyttaler følsomhet .

Hornhøyttalere kan gi meget høye virkningsgrader, noe som gjør dem en god match for svært lav styrke forsterkere , slik som single-ended triode forsterkere eller andre rør forsterkere. Etter andre verdenskrig gikk noen tidlige hi-fi-fans så langt som å bygge lavfrekvente horn hvis munn tok opp mye av en vegg i lytterommet. Noen ganger var strupen ute på plenen, eller i kjelleren. Da stereoen kom på 1960 -tallet, ble denne tilnærmingen sjelden sett. Mange kjøpere av høyttalere og gjør-det-selv høyttalervifter søkte mindre design av estetiske årsaker.

Noen audiofiler bruker hornhøyttalere for lydgjengivelse, mens andre unngår hornsystemer for deres harmoniske resonanser og finner i dem en ubehagelig form for forvrengning . Siden det finnes en rekke horndesign (av ulik lengde, materiale og konisk], så vel som forskjellige drivere, er det til en viss grad umulig å gi slike teppe -karakteriseringer til høyttalere. Lydfiler som bruker forsterkere med lav effekt, noen ganger i 5 til 25 watt -området, kan finne den høye effektiviteten til hornhøyttalere som en spesielt attraktiv funksjon.Motsatt kan den høye følsomheten også gjøre bakgrunnsstøy fra forsterkerutgangene merkbart verre.

Film lydspor har et stort dynamisk område der toppnivåene er 20 dB større enn gjennomsnittlige nivåer. Den høye følsomheten til hornhøyttalere hjelper deg med å oppnå lydnivå på kino i lytteposisjonen med typiske mottakere/forsterkere på ~ 100 watt per kanal som brukes i hjemmekino .

Se også

Referanser

Merknader

Eksterne linker