Referaat "Heli edastus ja taasesitus" (1)

Heliedastus ja taasesitus
Juhendaja : Mihhail Lavrov
Tallinna Tehnika Ülikool
XXXX21
999999XXXX
silveeer
Sisukord
Sissejuhatus 3
Helivõimendi ajalugu 4
Võimendi disain ja parameetrid 5
Edasised arengud võimendi disainis 6
Kõlari ajalugu 7
Kõlari ehitus 8
Kasutatud kirjandus 10
Sissejuhatus
Heliedastus elektroonika abil koosneb mitmest järgust, käesolevas referaadis keskendun helivõimendile ja kõlari elemendile(e. valjuhääldile).
Helivõimendi on elektrooniline võimendi, mis võimendab väikese võimsusega helisignaali valjuhäälditele sobivale tasemele , helivõimendi on helitöötlemise ahelas viimane samm. Tavaliselt võimendatakse vaid inimesele kuuldavat sagedusvahemikku (20 – 20 000 Hz), kuid spetsiifiliste vajaduste korral on ka erandeid .
Eelnevad etapid helitöötlemises on väikese võimsusega helivõimendid, mis täidavad eelvõimenduse, helitasanduse, tooni kontrolli, heli allikate segamise ja tasandamise rolle. Näiteks vinüül- ja cd-mängijad, kassettpleierid, raadiod . Enamik lõppastme helivõimendeid nõuavad neilt seadetelt ettekirjutatud võimsustaset.
Võimendus peab olema tihtilugu suhteliselt suur, muutes mõnisada mikrovatti kuni kümneteks kilovattideks (10 000 000 000 vahe). Kogu võimendus peab toimuma võimalikult müravabalt, et tulemusena oleks heli kuulatav ka suurtel võimsustel (vabaõhu kontserdid, üritused).
Valjuhääldi(kõlari üksik element) on elektrooniline seadeldis , mis muundab elektrilise signaali kuuldavaks heliks . Tihti kasutatakse mitut erineva sagedusvahemikuga kõlari elementi korraga, et taasesitada lai, detailirikas ja täpne heli piirkond.
Üksikuid valjuhääldeid kasutatakse kitsa sagedusriba esitamiseks . Näiteks subwoofer ’id(väga madala sageduse jaoks), woofer ’id(madala sageduse jaoks), kesksageduskõlarid(keskmiste sageduste jaoks),tweeter’id(kõrgsageduse esitamiseks). Vahest kasutatakse ka supertweeter’eid(kõrgeima kuuldava helisageduspiirkonna esitamiseks).
Ajalugu
Päritolu
Esimene helivõimendi loodi 1906. aastal Lee De Forest -nimelise mehe poolt. See oli elektronvaakumtriood. Eelmainitud mehhanism arenes välja Audion-ist, mis oli diood , ehk passiivne element kahe jalaga (võrdluseks triood, millel on kolm jalga). Audion ei võimendanud heli. Esimene helivõimendi oli tähtis AM-raadio leiutamisel.
Elektronvaakumtorud, -lambid
Pärast II maailmasõda oli tehnoloogia tõusuteel tänu sõjaaegsetele arendustele. Esimesed helivõimendid olid valmistatud elektronvaakumtorudest/-lampidest. Näiteks Williamson ’i võimendi, mida tutvustati aastal 1946. Tol ajal, võrreldes teiste saadaolevate võimenditega, oli Williamson-i võimendil puhtam ja kvaliteetsem heli. Helivõimendite turg oli lapsekingades ja lambi-tüüpi võimendid olid mõistliku hinnaga. 1960-ndate alguseks olid grammofonid ja televiisorid muutnud lampvõimendid üsna populaarseteks.
Transistorid
1970-ndate alguseks oli lampide tehnoloogia välja vahetatud ränitransistorite vastu. Kuigi mitte täielikult, lampide idee arenes edasi elektronkiiretoruks, mida kasutati võimendamiseks. Transistorvõimendid muutusid üha enam kasutatavateks oma väiksuse ja odavuse tõttu. Transistorid võimendavad heli muutes sisendi pinget pooljuhtseadiste kaudu.
Solid State e. pidev olek
Tänapäeval kasutatavatest helivõimenditest põhinevad enamjaolt Solid State transistoritel – kolme elemendiga bipolaartransistorid, MOSFET transistorid, mis on leiutatud Julius Edgar Lilienfeld’i poolt. Ka esimene kontseptsioonjoonis, leitatud aastal 1925, leiab kasututst nii digitaal - kui analoogskeemidel.
Arengud
Kuigi SS-võimendid pakkusid mugavust ja effektiivsust, ei suutnud nad jäljendada lampvõimendite helikvaliteeti, puhtust ja soojust. Matti Otala avastas aastal 1972 põhjuse: mööduva intermoduleerimise müra (TIM). Sellist müra põhjustas väljundis kiirelt tõusev pinge. Edasised uuringud leidsid lahenduse, mis filtreerib TIM-i välja.
Disain ja parameetrid
Lambid ja transistorid
Aktiivsetest seadmetest, nagu lampidest ja transistoritest kokku pandud võimendid, meenutavad mitmetest elementidest koosnevaid fotoläätsesi. Läätsed, millel on mitte- lineaarsed attribuudid, nagu nõgusus ja kumerus , tasakaalustatakse omavahel, et tekitada suurendus ilma moonutuseta. Seda põhimõtet elektroonikasse edasikandes saavutame kasvu ja lineaarsuse, tasakaalustades aktiivsete seadmete loomupäraseid kõveraid. Arvatavasti pole lampidel mingisugust loomupärast üleolekut transistorite suhtes, ainult disaini probleem, kuidas aktiivsed elemendid harmoonilisemail viisil siduda skeemi.
Ka audiofiilide eitus eeltoodud väitega tõestab siiski vaid seda, et lambid on analoogajastul kauem arenduses ja kasutuses olnud kui transistorid, samuti transistorite tööpõld on muutunud digitaalseks – seega eelnevat tehnoloogiat enam eriti ei arendata.
Toiteahel
Toiteahel peaks täitma kahte funktsiooni: toiteahel peaks varustama ühtlast alalisvoolu kõikidele tasemetele ning peaks isoleerima taseme sellisel viisil, et tahtmatud tagasiside tsüklid nende vahel ei tekiks. Et elimineerida toite kõikumised, on võimalik komplementaarsuse tõttu transistorite tasemed tasakaalustada. Lampe on vaid ühte sugu, seega tasakaalustamisoperatsioon on palju keerulisem (viib diferentsiaalsete skeemide kasutamisele ning millel on omakorda lisaraskusi) kui transistoritel.
Heli võimenduseks on raske välja tuua üldiseid väiteid toiteallika valimise kohta. Isegi
ideaalse tasakaalu puhul võib tekkida intermodulatsioon - siis kui kasvu parameeter on tundlik
pingele. Siit järeldub, et ka toiteallika valik ja konfiguratsioon on sama tähtsad kui võimendi
disain.
Filtrid ja eelvõimendid
Ajalooliselt on suurem osa kommertshelivõimenditest sisaldanud keerukaid filtri - ja
toonikohandamisskeeme, kuid neid oli vaja, sest tihti oli sisendsignaal ja kõlarid kehva kvaliteediga. Viimase kahekümne aasta jooksul on need hakanud kaduma
odavama otsa kodustest võimenditest, tänu tänapäeval tihti eksisteerivale kõrgekvaliteedilisele ( digi )signaalile. Ka audiofiilid nõustuvad, et heli peaks olema võimalikult sarnane algallikale ja ei tohiks sisaldada (lisatud) moonutusi.
Edasised arengud võimendi disainis
Solid State-võimendid vs lampvõimendid
Ka mitmed aastad peale SS-võimendite välja töötamist ei olnud neist tulenev helikvaliteet võrreldav lampide suurepärase heliga. See viis audiofiilid arusaamale, et lampide hea helikvaliteet on just tänu lampide tehnoloogiale endale. Aastal 1972 avastatud TIM ja selle
likvideerimine viis SS-võimendite heli hoopis teisele tasemele. Kahjuks see tehnoloogia ei
leia tänapäeval veel laialdast kasutust odava otsa koduses helitehnikas.
Baxandall’i teoreem
Järgmine samm edasijõudnud elektroonika disainis: inglane Peter Baxandall lõi tehnoloogia,
mis võrdleb sisendi ja väljundi müra suhet. See uus idee aitas inseneridel heli paremini mõõta
ja müraprotsesse jälgida helivõimendi siseselt.
Topelttsükli negatiivne tagasiside
Võimendi müra vähendamisega hakkas edasi tegelema Oscar Bonello Buenos Airese ülikoolis. See tehnoloogia viis skeemidisainideni, mis suutsid
saavutada palju väiksema mürataseme, võrreldes lampvõimenditega - kõik see väikse hinna ja suure võimsuse juures. Bonello esitas ka ettepaneku kasutada 0-e tagasiside ahelas ,et saada 9dB/oct kallak traditsioonilise 6 dB/oct asemel. See lubas väljundis kaotada ära igasuguse
kuuldava müra kõrgsageduse spektris . Tänapäeval kasutatakse Bonello ideed väga tihti operatsioonvõimendites, et saavutada heli salvestamisel ja taasesitamisel väiksem müratase.
Kõlari ajalugu
Johann Philipp Reis paigaldas elektroonilise valjuhääldi oma telefoni aastal 1861. See oli võimeline esitama puhtaid toone, kuid suutis ka taasesitada kõnet. Alexander Graham Bell patendeeris oma esimese elektrilise valjuhääldi (võimeline tekitama arusaadavat kõnet) osana tema telefonist aastal 1876 millele järgnes 1876. aastal parendatud versioon Ernst Siemens ’i poolt. Nikola Tesla tegi väidetavalt sarnase seadme aastal 1881, kuid temale patenti ei väljastatud. Aastal 1898 võttis Horace Short patendi suruõhul töötava valjuhääldi jaoks. Ta müüs need õigused Charles Parsons’ile, kes sai enne 1910 veel mitu patenti. Mõned firmad nagu Victor Talking Machine Company ja Pathé tootsid plaadimängijaid, mis kasutasid suruõhuga töötavaid valjuhääldeid.
Kaasaegse kõlari ehitusega (dünaamilise ehitusega), mis kasutab liikuvat mähist, tuli välja Oliver Lodge aastal 1898.
Tänapäevani kasutatava kõlari patendeerisid Chester W. Rice ja Edward W. Kellogg 1924. aastal. Põhiline erinevus varasemate katsete ja Rice’i ning Kellog’i patendi vahel oli seadeldise põhiliste mõõtmete muutmine, et resonants madalamtele sagedustele viia.
Esimesed valjuhääldid kasutasid elektromagneteid, sest suuri ja võimsaid püsimagneteid ei olnud mõistliku hinna eest saadaval.
Altec'i "Voice of the Theatre " kõlarisüsteem jõudis turule 1945. aastal, pakkudes piisavalt võimsat ja puhast heli, et kinodes hakkama saada.1955. aastal kinnitati see süsteem kinodes standardiks.
Helisüsteemide arendus jätkub pidevalt. Märkimisväärsed uuendused viimaste aastate jooksul on parendused membraani ja magneti materjalides. Paranenud on ka mõõtmis- ja tootmistehnikad.
Kõlari ehitus
Enamik kõlareid kasutavad membraani, mis on lõdviku ja diafragmaga tugeva kesta külge ühendatud. Membraani küljes on mähis, mis elektrivoolu mõjul muutub elektromagnetiks. Magnetilised vastastikmõjud mähise ja kesta küljes oleva püsimagneti vahel põhjustavad mähise ja selle küljes oleva membraani võnkumist. Võnkumist kontrollitakse mähisesse lastud elektrisignaali abil.
Membraan on tavaliselt koonuse või kupli kujuga, kuid täpne kuju on tootja otsustada. Ideaalne materjal oleks:
Väga tugev, et ära hoida kontrollimatuid membraani võnkumisi
Väga kerge, et võimalikult suur osa signaalist võimalikult täpselt heliks muutuks - füüsiliselt hakkab membraan liikuma mingi aeg pärast valjuhääldi mähisele antud elektrisignaali. Mida massiivsem on membraan, seda "uimasem" see on ning suurem osa valjuhääldi sisendisse antud elektrisignaalist muundatakse heliks moonutatult. Samuti kui membraan on liikunud oma ekstreemumpunkti, peab lõdvik selle tagasi normaalasendisse tõmbama. Ka siin muutub protsess aeglasemaks ja "uimasemaks", mida massiivsem on membraan.
Hea summutuvusega, et ära hoida resoneerimist ja võnkumise jätkumist signaali kadumisel.
Kahjuks ei ole ideaalset materjal olemas. Et võimalikult palju eelnimetud tingimusi täita, kasutatakse membraani ehitamisel paberit, pappi, metalli ja plastmassi või materjalide segu. Näiteks lisatakse paberile jäikuse andmiseks süsinikkiudu, klaaskiudu või kevlari .
Raam on tehtud väga tugevatest materjalidest , tavaliselt terasest . Kui raam peaks mingil põhjusel deformeeruma siis see võib hakata põhjustama mähise hõõrdumist magneti vastu, mis oluliselt halvendab helikvaliteeti ja kõlari eluiga. Väikestes kõlarites kasutatakse aina tihedamini tugevaid plastikuid. Metallraam on vajalik ka soojuse ära juhtimiseks .
Lõdvikul on kaks peamist ülesannet: hoida membraani kõlari keskel ja membraani algseisundit taastada. Lõdvik on membraani ümber. Materjalidena kasutatakse tavaliselt kummi. Mõnel juhul kasutatakse ka membraani materjali kokkuvolditult (paber, papp ).
Diafragma ehitus ja ülesanded on väga sarnased lõdvikule. Diafragma asub samuti membraani ümber, kuid kõlari keskosas. Diafragmast sõltub väga suurel määral heli kvaliteet. Materjalidena kasutatakse kummi, polüester vahtu, riiet ja muud.
Mähis on tavaliselt tehtud vasktraadist, kuid leidub ka alumiinium- ja hõbetraati. Mähise kuju on erinevatel tootjatel erinev, tavaliselt kasutatakse ringikujulisi mähiseid, kuid leidub ka ristkülikukujulisi ja kaheksanurkseid. Kujust sõltub mähise pindala. Mähise jaoks on magnetis vastav auk, soon või ava. Mähis ei tohi otseselt magnetiga kokku puutuda. Väike õhuvahe aitab tõsta magnetilisi jõude. Magnetitena kasutati enne 1980. aastat enamasti sulamit alumiiniumist, niklist ja koobaltist (Alnico). Sulam oli küll väga heade magnetiliste omadustega, kuid tootmine oli suhtelist kallis ja magnetilised omadused võisid kaduda kui juhtmed halvasti ühendati. Kaasaegsemates magnetites kasutatakse enamasti ferriite. Vähem on kasutuses haruldased elemendid nagu neodüüm. Haruldastest elementidest koosnevaid magneteid nimetatakse supermagnetiteks. Ferriidid ei ole nii heade magnetiliste omadustega kui Alnico, kuid selle tootmine on oluliselt odavam. Magnetites kasutatakse ka keraamikat.
Kasutatud kirjandus
http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_amplifier
http://www.ehow.com/about_4899502_history-audio-amplifier.html
http://depalma.pair.com/Analog/analog.html
http://et.wikipedia.org/wiki/Kõlar
http://en.wikipedia.org/wiki/Loudspeaker