Høyttaler

Den elektromagnetiske høyttaleren

Det første patent som omfattet høyttalere ble innvilget skotsk-amerikaneren Alexander Graham Bell i 1876. Hans berømte telefonapparat inneholdt i starten primitive lydomformere. Disse ble etterhvert erstattet av elektromagnetiske mikrofoner og høyttalere. Både mikrofon og høyttaler bestod av en liten magnet koblet til en tynn membran, montert foran en spole med kjerne av jern.
Mikrofonen virket ved at lydbølger fikk membranen og magneten til å vibrere. Den vibrerende magneten påvirket spolens magnetfelt, slik at det ble dannet en vekselstrøm gjennom spolen som svingte i takt med lydbølgene. Denne vekselstrømmen kunne så føres gjennom ledninger til en høyttaler. Høyttalerens konstruksjon var identisk med mikrofonens, men med helt motsatt funksjon. Her fikk den tilførte vekselstrømmen spolen til å vekselvis trekke til seg/støte fra seg magneten, slik at membranen ble satt i svingninger og produserte lyd.
Den elektromagnetiske høyttaleren hadde sine klare begrensninger. Lav effektivitet, høy lydforvrengning og et snevert utnyttbart toneområde gjorde at konstruksjonen stort sett bare ble brukt til taleoverføring og telekommunikasjon. I dag kan man finne eksempler på prinsippet i enkle dørtelefoner.

Den piezoelektriske høyttaleren

Jacques og Pierre Curie oppdaget i 1880 den såkalte piezoelektriske effekten (av gr. piezein; «å presse», «å klemme») i enkelte krystallinske mineraler. Når krystallene ble utsatt for press, oppstod en elektrisk polarisering, det vil si en oppsamling av elektrisk ladning i den ene enden av krystallet. Den resulterende elektriske spenningen varierte proporsjonalt med trykkintensiteten. Den samme egenskapen ble observert når man utsatte krystallet for strekk, men med en resulterende motsatt spenning. Man kunne følgelig bruke piezokrystaller til å generere vekselstrøm, ved at man vekselvis komprimerte og strakk krystallet.
Senere eksperimenter viste at prosessen faktisk var reverserbar. Ved å tilføre vekselspenning fikk man krystallene til å vekselvis ekspandere og trekke seg sammen. Ved å koble krystallet til en membran hadde man plutselig et enkelt lite apparat som produserte lyd. Med tiden kom man fram til nye materialer, også kunstige, som hadde forbedrede piezoelektriske egenskaper. I dag er det meste av produksjonen basert på polymerer og keramiske materialer. Et piezoelektrisk element til bruk i høyttalere er i dag gjerne formet som en rund skive, med membranen festet til den ene siden.
Piezoelektriske omformere er forbløffende enkle, og har et absolutt minimum av bevegelige deler. De kan dessuten gjøres utrolig effektive (opptil 90 % konvertert energi), og dette gjør det mulig å konstruere svært kompakte apparater. Blant annet ble piezoteknikk benyttet i tidlige trådløse fjernkontroller, før infrarødt lys ble tatt i bruk. I musikalsk sammenheng ble prinsippet først og fremst utbredt i form av miniatyrmikrofoner og pick-up'er til platespillere. Høyttalere basert på prinsippet har ved normale lyttenivåer bare evne til å gjengi de høyeste frekvensene (i vesentlighet diskantområdet, over ca. 5 000 Hz), ettersom utvidelsen og sammentrekkingen av et piezokrystall ikke utgjør mer enn brøkdeler av en millimeter. Bruksområdene er i dag først og fremst innen ultralyd, sonar, sensorteknologi, motortenningssystemer og alarmer (for eksempel i røykvarslere).

Den elektrodynamiske høyttaleren

Dagens mest utbredte høyttalerprinsipp, den elektrodynamiske høyttaleren (oppfunnet av dansken Peder Laurits Jensen og amerikaneren Edwin S. Pridham i 1914), ble patentert i 1924 av amerikanerne Chester W. Rice og Edward W. Kellogg. Det bevegelige systemet består her av en spole festet til membranen, mens den nå fastmonterte magneten utgjør referansepunktet. I den elektrodynamiske høyttaleren har altså magnet og spole byttet plass sammenlignet med høyttalere av det eldre elekromagnetiske slaget. De fysiske kreftene som virker er de samme, siden det fremdeles dreier seg om to magnetfelter som påvirker hverandre, men den nye konstruksjonen muliggjorde en langt høyere effektivitet, ettersom magneten kunne gjøres mye kraftigere uten at massen til det bevegelige systemet økte.
Rice og Kelloggs design med bevegelig spole hadde fordelen av å bevege seg meget lineært. Innenfor praktiske rammer gav en forandring i den elektriske signalstyrken en tilnærmet like stor og tilsvarende forandring av lydstyrken. Apparatet var altså i stand til å omforme elektriske signaler til bevegelse svært nøyaktig. For å kunne ivareta denne grunnleggende lineariteten ble membran og spole festet til rammen via fleksible konsentriske oppheng, slik at membranen skulle kunne bevege seg fritt fram og tilbake langs en nøye definert akse, ikke ulikt et stempel. Opphenget gav ytterligere gevinst i form av at spole og membran kunne bevege seg tilnærmet støyfritt, det vil si uten bilyder som skraping og knitring. Det større bevegelsesområdet (slaglengden) gav høyttaleren evne til å reprodusere også lave frekvenser.
Omtrent samtidig søkte britiske Paul Voigt patent på en liknende konstruksjon. Han ble slått på målstreken, etter at søknadsbehandlingen trakk ut i tid. Likevel fortsatte han sitt arbeid, og kun fire år senere hadde han klart å foredle designet til å bli en såkalt fullfrekvenshøyttaler, ett enkelt høyttalerelement som kunne gjengi toner over en stor del av menneskets hørselsspekter. Senere ble det vanlig å kombinere spesielt tilpassede høyttalerenheter til et sammensatt system, hvor et lite høyttalerelement gjengav de høyeste frekvensene, mens et langt større element gjengav de dypere tonene. På denne måten kunne man dekke et enda bredere tonespekter med forbedret lydkvalitet. Metoden ble først gjort kjent av Bell Labs med deres divided range to-veis høyttalersystem i 1931, og allerede to år senere viste de fram det første tre-veis systemet.
1950-årene ble innledningen på en rivende utvikling hva angår den elektrodynamiske høyttaleren. Etterspørselen var stor, og ettersom radio og grammofon for lengst var i ferd med å bli allemannseie, ble kvalitet forventet. Også utenfor hjemmet ble kravet til kvalitet større. Datidens populærmusikk trakk stadig større publikumsmasser til konsertsalene. Høyttalere ble allerede benyttet til å forsterke sang og enkeltinstrumenter, men for å spre høykvalitets lyd av et helt orkester ut til en stor gruppe tilskuere måtte det betydelig utvikling til. Lyden måtte være kraftig nok til å kunne høres av alle, og dette satte krav til høyttalernes evne til å tåle store mekaniske belastninger og kraftig varmeutvikling. For å sikre en tilnærmet lik lydopplevelse for hele tilskuergruppen måtte dessuten lydspredningen forbedres. Dette ble gjerne oppnådd ved hjelp av stadig større kolonner av høyttalere. Såkalt hornladning, hvor høyttaleren plasseres innerst i en traktformet struktur for å øke effektiviteten, fikk en ny blomstringsperiode, da teknikken også hjalp til med å kontrollere lydens spredningsmønster.
Etterhvert som bedre og kraftigere forsterkerelektronikk ble tilgjengelig utover 1950- og 1960-tallet forsvant mye av fokuset på ren energieffektivitet (som en bieffekt krympet høyttalerne dessuten gradvis i størrelse). Man begynte i stedet å konsentrere seg om å bli kvitt de ulike formene for lydfarging og forvrengning som fremdeles fulgte med musikken fra høyttalere. Som følge av dette ble det etterhvert etablert faktiske mål og standarder for lydgjengivelse. I den tekniske utviklingen lå britiske BBC og KEF Loudspeakers langt framme. De forsket fram og prøvde ut nye materialer og produksjonsmetoder, og oppnådde enkelte banebrytende resultater. Sprøytestøpte høyttalermembraner av plast (bextren, polystyren) og kantoppheng av kunstig gummi (neopren) var enkeltfaktorer som førte til markant reduksjon av lydfargingen fra høyttalerne, selv om det kostet i form av effektivitet grunnet økt bevegelig masse. På denne tiden i USA hadde General Electric og Jordan allerede arbeidet noen år med metallmembraner, noe som benyttes i høykvalitets høyttalere den dag i dag. Acoustic Research revolusjonerte på sin side kabinettkonstruksjonen med sitt akustiske oppheng («acoustic suspension»), hvor basshøyttaleren ble gitt svært myke oppheng. Hoveddelen av fjærvirkningen mot membranen ble dermed pneumatisk, forårsaket av luftmengden inne i det lukkede kabinettet. Konstruksjonen kunne gjøres svært kompakt sammenliknet med datidens standard, igjen på bekostning av effektiviteten.
Den elektrodynamiske høyttaleren viste seg allerede på et tidlig stadium i stand til å gjengi lyd med en til da uovertruffen kvalitet. De gode lydegenskapene, samt en relativt enkel konstruksjon, muliggjorde økonomisk forsvarlig produksjon. Konstruksjonen hadde med andre ord gode forutsetninger for å bli en suksess. Stadig nye bruksområder dukket opp, og dagens utgaver varierer i både størrelse og utforming; fra små enheter i ørepropper og hodetelefoner, via undervannshøyttalere, til dedikerte dypbassystemer på opptil 75 cm i diameter. På tross av stadige designforbedringer opp gjennom årene har det grunnleggende prinsippet forblitt uendret, og i dag anslås det at over 99 % av alle produserte høyttalere er nettopp av den elektrodynamiske varianten.

Den elektrostatiske høyttaleren

Edward W. Kellogg, en av hjernene bak den utbredte elektrodynamiske høyttaleren, er også ansvarlig for oppfinnelsen av den elektrostatiske høyttaleren omkring 1934. Mens førstnevnte raskt oppnådde suksess, gikk det derimot mer enn 20 år før den såkalte elektrostaten fant veien ut på markedet. Dette skjedde i 1957, da britiske Peter J. Walker, grunnleggeren av nåværende Quad Electroacoustics, lanserte sin ESL.
Den elektrostatiske høyttaleren består i sin enkleste utførelse av en tynn (5–15 mikrometer) film av polyester, dekket av et elektrisk ledende belegg, for eksempel grafitt. Denne filmen spennes opp foran en perforert metallplate, eventuelt et metallgitter, i en avstand på 2–6 mm. Filmen gis en jevnt fordelt og stabil elektrisk ladning ved å tilføre ca. 5000 V likespenning. Også selve vekselstrømsignalet fra forsterkeren blir transformert opp til svært høye spenninger, og føres deretter til metallgitteret. Gitteret får dermed en ladning som varierer i takt med musikksignalet, og de to ladningene vil vekselvis tiltrekke og frastøte hverandre. Resultatet er at filmen beveger seg som en membran, og skaper lydbølger.
Walker forbedret prinsippet ved å plassere et gitter på hver side av filmen. Fasen til det ene gitteret ble snudd, og dermed hadde systemet to motorer i såkalt push-pull-konfigurasjon, hvor det ene gitteret dyttet på membranen mens det andre trakk, og omvendt. Ved at membranen ble drevet fra begge sider, oppnådde man ikke bare økt lydstyrke, men også en helt eksepsjonell linearitet.
I Kelloggs opprinnelige konstruksjon med bare ett gitter varierte drivkraften med avstanden mellom film og gitter; jo lenger inn mot gitteret filmen beveget seg, jo sterkere ble påvirkningen fra gitteret, og jo lenger ut filmen beveget seg, desto svakere ble kraften. Denne ujevnheten resulterte i en høy grad av såkalt harmonisk forvrengning, det vil si produksjon av utilsiktede overtoner og bilyder. Walkers genistrek sørget for at drivkraften fra den ene siden ble sterkere etterhvert som kraften fra den andre siden avtok, og motsatt. Slik befant den ultralette membranen seg hele tiden i et jevnt elektromagnetisk felt, hvor forvrengningen fra de to statorene kansellerte hverandre.
For å skape det jevne elektromagnetiske feltet må imidlertid metallstatorene monteres temmelig nær hverandre, og membranfilmens utsving (slaglengde) blir dermed begrenset av metallgitrene på hver side. For å oppnå tilstrekkelig lydstyrke til musikalsk bruk kompenserte man for dette ved å gi filmen en relativt stor overflate, slik at det nødvendige «slagvolumet» ble opprettholdt. De korte utsvingene har altså positiv innvirkning på lineariteten, men størrelsen på sin side – ESL's membran målte hele 78 × 87 cm (h × b) – gjør montering i kabinett særdeles upraktisk. I stedet blir systemet benyttet frittstående, med lydbølger strålende ut fra begge sider av høyttaleren, i et såkalt bipolart mønster.
Lydkvaliteten fra Quad-systemet fikk raskt ry på seg for å være fremragende, mye takket være den ekstremt lave forvrengningen i det viktige mellomtoneområdet (0,03 % v/90 dB). Den opprinnelige ESL-modellen ble snart etterfulgt av nye, større og forbedrede versjoner, men forble i produksjon uforandret helt fram til 1982. Den ble i kortere perioder også produsert av andre fabrikanter på lisens, blant annet av tyske Braun, og er i dag et yndet objekt på bruktmarkedet for entusiaster.
Den elektrostatiske høyttaleren har noen få fundamentale svakheter, som har bidratt til å gjøre den til et produkt for spesielt interesserte. Den er først og fremst kostbar å produsere, og tar lett skade. Den har også begrenset bassgjengivelse og lydnivå, og dårlig spredning av de høyere frekvensene. I tillegg opereres det med svært høye spenninger, som medfører fare for gnistdannelse.
Noen få produsenter har fortsatt utviklingen etter at Quad forsvant. Mest kjent er trolig amerikanske Martin Logan og nederlandske Audiostatic. Man har løst eller bedret de fleste av elektrostathøyttalerens problemer gjennom avanserte modifiseringer av konseptet, men med enda høyere pris som følge.