Valjuhääldi

Valjuhääldi (ingl k speaker driver) on elektroakustiline seade, mis muundab helisagedusliku elektrivõnkumise (audiosignaali) heliks. Valjuhääldeid kasutatakse kõlarites, telerites, raadiovastuvõtjates ja muudes helivõimendiga aparaatides. Tänapäevani valdavalt kasutatav elektrodünaamiline valjuhääldi loodi USA firmas Western Electric 1925. aastal. 1930. aastail asendati valjuhääldis kasutatud elektromagnet tugeva püsimagnetiga. Muud tüüpi valjuhääldid (nt elektrostaatilised, magnetostaatilised, piesokeraamilised) leiavad peamiselt eriotstarbelist kasutamist. Kõlaris on tavaliselt mitu valjuhääldit, mis esitavad teadud osa üldisest helisagedusalast, nt 20–150 Hz (süvabassid), 40–400 Hz (madalsagedused), 400–2500 Hz (kesksagedused), 2,5–16 kHz (kõrgsagedused) ja üle 16 kHz (superhelisaged). Vastavalt on kasutusel järgmist tüüpi väljuhääldid (kõlarielemendid): ülimadalsagedushääldid ehk süvabassielemendid (ingl k subwoofer); madalsagedushääldid ehk bassielemendid (woofer); kesksagedushääldid ehk kesksageduselemendid (midrange driver); kõrgsagedushääldid ehk kõrgsageduselemendid (tweeter); ülikõrgsagedushääldid ehk supersageduselemendid (ingl k super tweeter). Kasutatakse ka avarsagedushääldeid, mis esitavad helisagedusi võrdlemisi laias vahemikus, enamasti alates 50 hertsist. Joonistel on näidatud ka valjuhääldite sisemist ehitust (kohtlõikes). Suure nimivõimsusega elemendil võib olla jahutusradiaator (nagu see on kesksageduselemendil), mis hajutab võimsa valjuhääldi võnkepoolis eralduvat soojust. Elektrodünaamilise muunduri talitlus põhineb elektromagnetismi nähtusel, et magnetväljas asuvale juhtmele mõjub juhet läbiva vooluga võrdeline mehaaniline jõud. Juhe on mähitud ja tugevalt kinnitatud silindrilisele poolialusele. Võnkepool paikneb magnetahela rõngakujulises õhupilus. Pooli hoiab pilus kontsentriliselt lainestatud elastne tsentreerimisrõngas, nii et pool saab telje sihis teatud ulatuses liikuda, kuid ei puutu magneti osade vastu. Võnkepooli külge kinnitub heli kiirgava osana koonuse- või kuplikujuline membraan. Valjuhääldi magnet (täpsemalt magnetahel) koosneb magnetvälja tekitavast püsimagnetist ja magnetringi loomiseks vajalikest pehmemagnetmaterjalist valmistatud magnetjuhtivatest detailidest (ikkest). Püsimagnetina kasutatakse peamiselt ferriidist rõngasmagnetit. Eriti heade magnetiliste omadustega on neodüümmagnetid (neodüümi, raua ja boori sulamist). Koonusmembraan on enamasti pressitud kiudmaterjalist või polüpropüleenist ja tema lainestatud välisserv on liimitud valjuhääldi osi ühendava metallkorpuse ehk korvi külge. Madalsageduselementidel kinnitub membraan korvi külge elastse kummist või plastist manseti vahendusel, nii et liikuv süsteem saab võnkuda suure amplituudiga. Koonuse keskosa katab sfääriline kaitsekuppel, mis ühtlasi jäigastab membraani ja tõkestab õhu läbipääsu, eraldades seega kõlaris valjuhääldi tagakülje esiküljest. Mööda membraani pinda väljuvad võnkepooli otsad on paindjuhtmete abil ühendatud korvi küljes olevate klemmidega. Ühe klemmi juures on polaarsust tähistav märgis (plussmärk või värvitäpp), mille järgi saab süsteemi kuuluvaid valjuhääldeid ühendada õiges faasis. Kõrgetel sagedustel, mil heli lainepikkus on samas suurusjärgus membraani läbimõõduga, kiirgaks koonusmembraan liiga kitsalt suunatuna. Seepärast valmistatakse kõrgsageduselementide membraan kuplikujulisena; niisugune kuppelmembraan on ainult veidi suurem võnkepooli läbimõõdust (15–25 mm). Kuppelvaljuhääldeid valmistatakse ka keskmistele helisagedustele; sel juhul on võnkepool suurema läbimõõduga. Membraan võib olla tekstiilmaterjalist, plastist või metallist. Dünaamiliste elektroakustiliste kiirgurite erikuju on koaksiaalvaljuhääldi, milles madal- ja kõrgsageduselemendid on kokku ehitatud. Need võimaldavad valmistada kaheribalisi kõlareid väga väikestena. Suure valjuhääldi ümber on tugev magnetväli, mis võib kustutada nt kõvaketta isegi kuni poole meetri kauguselt (magnetvälja mõju väheneb koos kauguse ruuduga). Kvaliteetsed valjuhääldid (eriti bassikõlarites kasutatavad) on magnetiliselt varjestatud, mille tulemusena väheneb magnetvälja tugevus vähemalt 50% võrra. Tasapinnalise membraaniga elektroakustiltest muunduritest on tuntud elektrostaatilised ja magnetostaatilised valjuhääldid. Elektrostaatilises valjuhääldis mõjub liikumapanev jõud ühtlaselt kogu membraani pinnale. Helikiirguriks on metallitatud kile, mis paikneb pinguldatult kahe metallvõrgust elektroodi vahel. Elektroodidele rakendatakse kõrge polarisatsioonipinge (nt 2000 V) ja membraanile pingekõrgendustrafo kaudu kuni 1000-voldine helisageduspinge. Füüsikast tuntud nähtuse tõttu, et erinimeliselt laetud kehad tõmbuvad, hakkab membraan helisagedusega võnkuma. Kasutegur on siiski võrdlemisi väike. Magnetostaatilises valjuhääldis on võnkepooli mähis trükiribana liimitud plastkile pinnale, mis toimib membraanina. Püsimagneti elemendid (sirgmagnetid) on ühtlaselt jaotatud kogu membraani pinna ulatuses. Toimemehhanism on sama mis elektrodünaamilisel valjuhääldil. Mõlemat tüüpi valjuhääldeid kasutatakse eriti kvaliteetsetes kõlarisüsteemides kõrgetel ja mõnel juhul ka keskmistel helisagedustel. Piesokeraamilises ehk ferroelektrilises valjuhääldis muundab helisagedusvõnkumised mehaanilisteks võngeteks ferroelektrik ehk piesoelement. Piesoelemendi kristallile elektrivälja rakendamisel muutub piesoelektrilise pöördefekti toimel kristalli paksus vastavalt kristalli vastastahkudele rakendatavale helisageduspingele. Ferroelektrilise elemendi võnkumised kanduvad membraanile. Piesoelektriline valjuhääldi on võimendile mahtuvuslikuks koormuseks, seepärast ei väljendata tema koormatavust vattides, vaid voltides. Sageduskäigu lineariseerimiseks võib niisuguse valjuhääldi juurde kuuluda sagedusfilter kaldega 6 dB/oktav. Valjuhääldile on iseloomulikud resonantsitipud sagedusvahemikus 1–5 kHz, ultrahelirakendusteks mõeldud seadistel ka kuni 50 kHz-ni. Seetõttu on seda tüüpi helikiirgurid piiratult kasutusel keskmiste ja kõrgete helisageduste jaoks, küll aga levinud odava ja kompaktse signaaltooni allikana (summerina) mitmesugustes aparaatides. Ruuporvaljuhääldi iseloomulik osa on lehtrikujuliselt (eksponentsiaalfunktsiooni kohaselt) laienev toru. Selle toru sisendava küljes on elektrodünaamiline muundur, mis muudab elektrisignaali helivõngeteks samal põhimõttel kui tavaline valjuhääldi. Ruuporvaljuhääldi membraan töötab siin kolbkiirgurina, mis on akustiliselt tugevalt koormatud, sest ruupori sisendava on palju väiksem kui membraan. Niiviisi saavutatakse akustiliste impedantside hea sobitus ja vastavalt ka kõrge muunduri kasutegur – kuni 50% (võrdluseks: tavaliste valjuhäälditega kõlarite kasutegur jääb vahemikku 0,2–5%). Heli väljub ruuporist võrdlemisi kitsa vihuna ja helirõhk on kõrge (nt 2-vatisel sisendvõimsusel võib helitase 1 m kaugusel saavutada väärtuse 110 dB). Ruuporvaljuhääldi puudusteks on võrdlemisi suur mittelineaarmoonutus (tingituna akustilisest ülekoormusest õhu sisenemisel suure surve all ruuporisse) ja samuti piiratud sagedusala. Alumise piirsageduse määrab ruupori suurus ja kõrgematel sagedustel väheneb muunduri kasutegur. Seda tüüpi valjuhääldi kuulub koos mikrofoni ja helivõimendiga ruupori (megafoni) koosseisu. Ruuporit kasutatakse peamiselt kõne võimendamiseks avalikel üritustel ja avalikes helindussüsteemides, nt staadionil. IEC standardisarjas 60268-5 iseloomustatakse valjuhääldeid mitmesuguste parameetritega. Maksimaalne müravõimsus on suurim elektriline võimsus, mida valjuhääldi võib kahjustumata kestvalt taluda. Selle võimsuse määramisel rakendatakse valjuhääldile ettenähtud sagedusalas roosa müra signaal 100 tunni kestel, kusjuures mürasignaal oma spektraalkoostiselt kajastab tüüpiliste muusikasignaalide sagedusjaotust. Maksimaalne siinusvõimsus on suurim siinussignaali võimsus, mida valjuhääldi talub 1 tunni kestel, ilma et seejärel oleks kuulda valjuhääldi klirisemist, s.t müra, mis tekib võnkepooli hõõrdumisest magnetsüsteemi osade vastu. See võimsus moodustab maksimaalsest müravõimsusest 30–60%. Maksimaalne lühiajaline võimsus on suurim roosa müra signaali võimsus, mida valjuhääldi talub 2 sekundi kestel, ilma et ta klirisema hakkaks. See võimsus on maksimaalsest müravõimsusest 2–4 korda suurem ning iseloomustab valjuhääldi võimet taluda tugevaid pingeimpulsse, mis tekivad nt võimendi ja signaaliallikate sisse- ja ümberlülitamisel. Muusikavõimsus väljendab samuti impulsitaluvust; selle mõõtmisel DIN-standardi kohaselt rakendatakse valjuhääldile kuni kahesekundiste lõikudena siinussignaali sagedusega kuni 250 Hz. Muusikavõimsus on väärtuselt lähedane maksimaalsele lühiajalisele võimsusele. Valjuhääldeid on iseloomustatud ka nimivõimsusega, mis on suurim valjuhääldisse juhitav siinussignaali võimsus, mille puhul mittelineaarmoonutus ei ületa etteantud piire (need on sageduseti erinevad). Karakteristlik tundlikkus on keskmine helirõhk valjuhääldi tööteljel 1 meetri kaugusel, kui signaali elektrivõimsus on 1 W. Karakteristliku tundlikkuse tase on kümme korda kümnendlogaritm karakteristliku tundlikkuse suthest helirõhu kontrollväärtuse (20 μPa) suhtes detsibellides. Lahtises kõlaris paikneval valjuhääldil on tundlikkuse tase vähemalt 90 dB. Teist tüüpi kõlarites kasutatavatel avar- ja madalribahääldeil vähemalt 85 dB, kesk- ja kõrgsageduselementidel 88 dB. Sageduskarakteristik väljendab tunnusjoonena või arvuliselt valjuhääldi poolt töötelje sihis teatud kaugusel (nt 1 m) mõõdetava helirõhu spektraaltiheduse taseme sagedussõltuvust püsival sisendpingel. Talitlussagedusala on sagedusriba, mille alumisel ja ülemisel piiril on valjuhääldi teljesihiline helirõhutase väiksem etteantud väärtuse võrra (nt madal- ja kõrgsageduselementidel 14 dB ning kesksageduselementidel 10 dB) allapoole sageduskarakteristiku kõige kõrgemast tingnivoost (tingnivooks loetakse sagedustunnusjoone keskmine tase ühe oktavi ulatuses). Näivtakistus ehk impedants Z on valjuhääldi võnkepooli klemmipinge ja pooli läbiva voolu jagatis (mingil signaalisagedusel). Selle takistuse suurus sõltub võnkepooli aktiivtakistusest, induktiivsusest ja eriti ekvivalentsest takistusest, mis kandub elektriahelasse valjuhääldi mehaanilisest võnkesüsteemist ning on suurim valjuhääldi võnkuva süsteemi resonantsisagedusel. Nimitakistus on aktiivtakistus, millega asendatakse valjuhääldi takistus temale rakendatava võimsuse määramisel. See takistus võib kuni 20% erineda näivtakistuse väikseimast väärtusest, mis esineb resonantsisagedusest kõrgemal sagedusel. Nimitakistus on enamasti 4 või 8 oomi, kõrgsageduselementidel ka rohkem. Nimitakistus on lähedane võnkepooli alalisvoolutakistusele. Lembit Abo. Elektroonikakomponendid. Tallinn, 1997. 240 lk. Valjuhääldid