Kaiutin

Yleistä

Eräs yleinen kaiutinmalli on kaksitieperiaatteella toimiva passiivinen dynaamisilla elementeillä toteutettu kotelokaiutin. Siinä on tavallisesti halkaisijaltaan 4 - 8 tuuman keskiäänielementti, joka kotelon bassovirityksen eli refleksikotelon avulla toistaa myös matalampia taajuuksia. Korkeita ääniä varten on diskanttielementti. Jakosuodin erottelee eri elementeille menevät taajuusalueet ja muokkaa taajuusvastetta halutunlaiseksi. Ns. kolmitierakenteessa on äänitaajuuskaista vastaavasti jaettu kolmeen rinnakkaiseen kaistaan niille erityisesti optimoitujen kapeampikaistaisten kaiutinelementtien tai -elementtiryhmien kesken.
On arvioitu että kaiuttimien laatu on ratkaisevin tekijä äänentoistojärjestelmän laadukkuudessa, samoin kaiuttimien sijoittaminen vaikuttaa merkittävästi äänenlaatuun.

Kaiutintyyppejä

Aktiivikaiuttimissa on aktiivielektroniikalla (tästä nimitys) toteutettu yhdysrakenteinen monikanavainen vahvistin ja jakosuodin kutakin eri kaistan kaiutinelementtiä tai -elementtiryhmää varten. Jakosuodatus eri taajuusalueita toistaville elementeille on toteutettu ennen tehovahvistinta, ja kukin elementti tai -ryhmä on suoraan kytketty vahvistimen ulostuloihin. Aktiivinen jakosuodatus voi olla toteutettu analogiaelektroniikalla tai nykyään yhä yleisemmin käytetyllä digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP). Jälkimmäisellä tekniikalla saavutetaan merkittäviä etuja esimerkiksi kaiutinelementtien taajuus- ja vaihevasteen korjauksessa sekä kaiuttimen huonevasteen korjauksessa sen varsinaisessa loppusijoituspaikassa.
Dipolikaiuttimessa, joka periaatteessa toimii ilmamolekyylien ns. nopeuslähteenä, elementtejä ei ole koteloitu, joten se säteilee ääntä sekä eteen- että taaksepäin. Taaksepäin suuntautunut ääni on vastavaiheessa eteenpäin suuntautuvaan nähden johtuen elementin liikkeestä. Vastavaiheiset ääniaallot kumoavat toisensa, ja siksi dipolikaiutin ei juurikaan säteile ääntä sivuille, kun taas tavallinen monopolilähde, joka erotuksena edellisestä toimii ns. painelähteenä, säteilee kaikkiin suuntiin kotelon mittoja merkittävästi suuremmilla aallonpituuksilla. Dipolikaiuttimen etuna taas on, että kuuntelutila ei väritä ääntä kovin paljoa kaiuttimen suuren suuntaavuuden takia. Haittapuolena on se, että dynamiikkaa kadotetaan sitä enemmän mitä matalempaa taajuutta soitetaan mutta jakosuotimella asiaa voi auttaa. Subwoofereita ei juurikaan ole dipoliperiaatteella tehty.
Sähköstaattiset sekä magneto­staattiset paneelikaiuttimet ovat pääsääntöisesti dipoleita, mutta monopolirakenteitakin esiintyy erityisesti korkeataajuuselementeissä. Dipolikaiutin voidaan toteuttaa myös perinteisillä dynaamisilla elementeillä yleensä noin 5 kHz taajuuksiin asti.
Kardioidikaiutin on kaiutin, joka säteilee ääntä etuavaruuteen. Taka- ja sivusäteilyä on vaimennettu tai kumottu hidastamalla ääniaallon kulkeutumista kotelon rajapinnoille ja/tai vastavaiheistettuna signaalina suoraan haluttuihin suuntiin.
Siirtolinjakaiutin (engl. transmission line speaker) on kotelokaiutin, jossa on loppua kohti kapeneva tunneli. Kotelo mitoitetaan aallonpituuden osuuksien mukaan pyrkimyksenä bassotoiston jatkaminen ilman refleksikoteloita vaivaavaa impedanssikäytöstä.
PA-kaiutin on suunniteltu tuottamaan paljon ääntä pienellä teholla. Sellaisia käytetään varsinkin, kun tila, jossa ääntä toistetaan, on melko iso.
Plasmakaiutin käyttää plasmaa äänen tuottamiseen mutta sellaiset ovat harvinaisia. Periaatteella voidaan päästä suuriin taajuuksiin, jotka ylittävät ihmisen kuuloalueen.
Venekaiutin sietää kosteutta niin hyvin, että sellaisia voi käyttää vaikka veneessä.
Lisäksi on olemassa erikoisempiakin akustisia rakenteita, esimerkiksi dynaamisia nauhakaiuttimia, torvella tai muulla akustisella sovitteella kuormitettuja säteilijöitä.

Teho

Tavalliselle passiivikaiuttimille menevästä tehosta iso osa käytetään matalia ääniä tuottavissa bassoelementeissä. Suurin osa vahvistimen tuottamasta tehosta muuttuu puhekelassa hukkalämmöksi. Kaiuttimen hyötysuhde on elementtivalintojen lisäksi voimakkaasti sidottu kotelotyypin hyötysuhteeseen. Hyötysuhde on alhaisimmillaan suljetussa kotelossa n. 1 % ja suurimmillaan torvikaiuttimissa jopa 70 %. Kaiutinelementin kestomagneetin magneettisuuden voimakkuudella on myös merkitystä.
Kaiuttimen sähköakustinen muuntosuhde ilmoitetaan spesifikaation yhteydessä painejänniteherkkyytenä redusoituna 1 W tehotasoon syötettynä kaiuttimen nimellisimpedanssia vastaavaan resistanssiin. Vakiintunut tapa ilmoittaa herkkyys on metrin päästä kaiuttimen edestä mitattu keskimääräinen äänenpaine 1 W:n (vastaa noin 2,83 V rms-jännitettä 8 Ω kuormaan) teholla vapaassa äänikentässä (kaiuton tila). Käytännön kaiuttimien herkkyys vaihtelee suuresti noin 80 dB:stä jopa 110 dB:n herkkyyksiin yltäviin torvikaiuttimiin. Kaiuttimen tällä tavoin määriteltyä painejänniteherkkyyttä ei tule sekoittaa hyötysuhteeseen, joka on määritelty kaiuttimen antaman akustisen kokonaistehon suhteena kaiuttimeen syötettyyn sähkötehoon.
Kaiuttimen herkkyydellä on suuri merkitys suurimpaan saatavaan äänenpaineeseen. Desibeliasteikko on luonteeltaan logaritminen: Siinä missä 100 dB herkkä kaiutin vaatii siis 1 watin tehon vahvistimelta tuottaakseen äänenpainetta 100 dB, 90 dB herkkä kaiutin vaatii 10 W ja 80 dB herkkä kaiutin 100 W. Toisaalta tehon puoliintuminen tai kaksinkertaistuminen tuottaa aina noin 3 dB:n muutoksen äänenpaineeseen. 3 dB:n lisäys vaatisi kuitenkin kaiuttimen kompressoitumisen puuttumista, joten todellinen lisäys äänenpaineessa on yleensä 2 dB:tä tai jopa alle sen. Huomioitavaa on myös "tehonkesto", joka tulee aina vastaan ennemmin tai myöhemmin. PA- ja konserttijärjestelmissä onkin nykyään keskitytty suuntaavuuden hallintaan ja "riittävän" herkkyyden saavuttamiseksi. Nykyaikainen linearray tuottaa harvoin alle 100 dB:n akustisen tehon 1 W teholla, joten useiden kaiuttimien muodostama viuhka tuottaa helposti merkittävästi paremman hyötysuhteen ja suuntaavuuden tarkan hallinnan.

Kaiutinsuunnittelu

Kaiutinsuunnittelu on kokeellista tiedettä, jonka pyrkimyksenä on akustisen äänen tuottaminen halutulla tavalla.
Kaiuttimen suunnittelussa huomioidaan joukko muuttujia, joista osa on fyysisiä ja osa akustisia. Tasaisen taajuusvasteen saavuttamiseksi suunnittelijan on huomioitava äänen värin ja ominaisuuksien lisäksi huoneakustiikan ja mieltymysten vaatimukset. Tyypillisimmillään suunnittelija valitsee kaiuttimen fyysisen koon ympärille muut tekijät. Kotelon mitoituksen jälkeen tutkitaan elementtivaihtoehdot, sovitetaanko kaiutinelementit toisiinsa vai yritetäänkö löytää mahdollisimman helposti sovitettavat komponentit. Suunnittelija päättää myös elementtien lukumäärän, joka tyypillisesti on 1–5.
Toteutuksen apuvälineenä käytetään kuuntelua, mallinnusta ja mittauksia. Mittaukset suoritetaan yleensä kaiuttomassa huoneessa tai akustoidussa tilassa soveltaen mittauksessa aikaikkunaa heijastumien poissulkemiseksi.
Suomessa on pitkät perinteet kaiuttimen valmistamisessa. Tunnettuja suomalaisia valmistajia ovat muun muassa Genelec, Gradient, Aurelia, Amphion Loudspeakers, Penaudio ja Olavi Räsänen.