Kõlar

Allikas: Vikipeedia

Kõlar on elektroakustiline muundur, mis koosneb harilikult kahest või enamast valjuhääldist, sagedusfiltritest ja korpusest. Viimase moodustavad kõlari konstruktsiooniiosad (eelkõige kast), mille sobiva valikuga saab anda kõlarile tarviliku sagedus- ja suunakarakteristiku.

Lautsprecherboxen.jpg

Üldehitus ja liigid[muuda | muuda lähteteksti]

Korpuseta valjuhääldi kiirgab helilaineid ruumi nii esi- kui ka tagaküljelt. Need vastandfaasis lained nõrgendavad teineteist ja seejuures seda enam, mida madalam on sagedus. Seda interferentsinähtust tuntakse ka akustilise lühisena. Valjuhääldi tagaküljelt saabuvate helilainete teekonda saab kõige lihtsamal viisil pikendada ja seega madalate helide esitust parandada, kui kinnitada valjuhääldi suurele plaadile, nn kõlalauale, või tagant lahtisesse kasti. Kuid niisuguse tarindi mõõtmed kujuneksid kohatult suureks. Seepärast kasutatakse korpuse põhitüüpidena kinnist kasti ja bassireflekskasti. Reflekskõlaril on madalatel sagedustel mõnevõrra parem kasutegur kui kinnisel kõlaril ja ühesuguste gabariitide korral madalam piirsagedus.

Suuruse poolest on võimalik eristada võrdlemisi väikseid riiulikõlareid ja suuremaid põrandakõlareid. Viimastel on üldiselt ka suurem koormatavus, parem kasutegur ja madalam piirsagedus. Riiulikõlareilt ei ole üldiselt oodata sagedusi alla 80–100 hertsi.

Mitmeribalised kõlarid[muuda | muuda lähteteksti]

Üks valjuhääldi ei suuda luua küllalt ühtlast helirõhku kogu laias talitlussagedusalas. Avarriba-valjuhääldeile on lisaks sageduskäigu ebaühtlusele omased mitut liiki moonutused. Neist olulisimana tuleb nimetada ristmodulatsioonmoonutust: madalatel sagedustel võngub membraan suure amplituudiga, moduleerides teatud määral kõrgemaid sagedusi. Seepärast jaotatakse kogu sagedusala kaheks või ka kolmeks ribaks; iga sagedusriba helisagedusi esitab siis valjuhääldi, millel on sobivad parameetrid.

Mitmeribakõlareis kasutatavaid valjuhääldeid nimetatakse harilikult madal-, kesk- ja kõrgsageduselementideks; igas ribas võib olla ka rohkem kui üks valjuhääldi.

Talitlussagedusala jaotatakse ribadeks madal-, kõrg- ja ribapääsfiltreist koosnevate sagedusjaotusfiltritega. Kasutatakse nii passiivseid kui ka aktiivseid analoogfiltreid ja samuti digitaalfiltreid:

  • passiivfiltrid paiknevad kõlaris, s.t on ühendatud võimsusvõimendi väljundi ja kõlari vahele; nad koosnevad suure mahtuvusega kondensaatoritest, jämedast traadist poolidest ja traattakistitest; filtrielementides muundub küllaltki suur osa võimsusvõimendi väljundsignaali energiast soojuseks;
  • aktiivfiltrid ühendatakse nõrga signaali ahelasse (nt eel- ja lõppvõimendi vahele); nende lülitusse kuuluvad peale takistite ja kondensaatorite ka võimenduselemendid; iga riba jaoks on siis vaja eraldi võimsusvõimendit;
  • digitaalfiltrid töötlevad samuti nõrka signaali; nende põhielement on signaaliprotsessor koos juurdekuuluva AD- (analoog-digitaal-) ja DA-muunduriga.

Ribade ülekattealades paratamatult tekkivad lineaar- ja faasimoonutused osutuvad vähem märgatavaks, kui jaotussagedused jäävad väljapoole kõrva kõige tundlikumat sageduspiirkonda, milleks on 600–3000 Hz. Ühtlasi ei sattu siis jaotussagedused suurema osa heliallikate põhitoonide alasse. Nii on enamikus kolmeribakõlareis alumine jaotussagedus vahemikus 300–600 Hz ja ülemine 2500–3500 Hz.

Kõlarisüsteem[muuda | muuda lähteteksti]

Helivõimendi väljundisse ühendatav akustiline süsteem koosneb mitmest kõlarist, näiteks kahest kõlarist stereoheli kuulamiseks või kuuest kõlarist ümbritseva helivälja (surround sound) loomiseks helisüsteemis 5.1.

Next.svg Pikemalt artiklis Dolby Digital

Kõlarisüsteemi kuulub sageli kanalitele ühine madalsageduselemendiga kõlar (woofer). Seda nimetatakse bassikõlariks, kui see töötab koos satelliitkõlaritega, s.o keskmisi ja kõrgeid helisagedusi esitavate väikeste kõlaritega, või siis süvabassikõlariks (subwoofer) , kui ta on mõeldud täienduseks laiaribalistele kõlaritele, sest nendegi kõlarite alumine sageduspiir ei küündi kuigi madalale – ka heal põrandakõlaril 40–60 hertsini (helirõhutasemel –3 dB).

Satelliitkõlarisüsteem on mõeldud väiksesse tuppa, kus pole ruumi suuremate kõlarite jaoks. Riiulikõlarite ja bassikõlari vaheliseks jaotussageduseks kujuneb satelliitkõlarite väiksuse tõttu siis paarsada hertsi.

Kõlarite parameetrid[muuda | muuda lähteteksti]

Kõlarite parameetrid ja nende mõõtmise metoodika on kindlaks määratud riikide ja rahvusvaheliste standarditega, nt EVS EN 60268-5 jt.

Nimivõimsus on niisugune kõlarisse juhitava signaali efektiivvõimsus ( RMS-võimsus), millega kõlar võib kestvalt töötada ning mille puhul mittelineaarmoonutus ei ületa etteantud väärtust (nt 1 %). Kui moonutust pole kõlarite andmestikus märgitud, võib see nimivõimsusel ulatuda 10 protsendini. Nimivõimsus ei iseloomusta kõlari kvaliteeti ega otseselt ka tekitatavat helirõhku, vaid näitab üksnes kõlari koormatavust ehk võimsustaluvust.

Kõlari nimivõimsuse kõrval näidatakse sageli tippkoormatavus, ka nime all muusikavõimsus või lühiajaline võimsus, mis võib ületada sõltuvalt mõõtetingimustest nimivõimsust kuni 3-kordselt. Sellele võimsusele vastavat signaali on kõlar suuteline kahjustumata taluma muusikavõimsuse korral kuni paarisekundiste lõikudena, s.o reaalse muusikasignaali tippudena).

Tundlikkus väljendab energiamuunduse tõhusust. Kõlari tundlikkus näitab, millise helirõhu tekitab kõlar 1 meetri kaugusel, kui kõlarisse antakse 1000-hertsine siinussignaal võimsusega 1 vatt. Selle helirõhu taset arvestatakse kuuldelävele vastava helirõhu suhtes ja väljendatakse detsibellides, tähis SPL.

Kõlarite tundlikkus on 90 dB/W/m ringis. Kuna teatavasti 3 detsibellile vastab võimsuse kahekordistumine, siis kõlarisse, mille tundlikkus on nt 86 dB, tuleb anda neli korda rohkem võimsust kui sama helirõhu tekitamiseks 92-detsibellise tundlikkusega kõlarisse.

Nimitakistus on aktiivtakistus, millega asendatakse kõlari tegelik näivtakistus temale rakendatava võimsuse arvutamisel. Kõlari näivtakistuse määrab valjuhääldite ja filtrielementide kompleksne näivtakistus ja oleneb suuresti sagedusest.

Nimitakistuse standardsed väärtused on 2, 4, 6 ja 8 Ω; neist levinuim 4 Ω (tegelik näivtakistus võib sõltuvalt sagedusest muutuda nt vahemikus 3–25 Ω). Võimendit võib enamasti koormata tema ettenähtud koormustakistusest ühe astme võrra erinevat nimitakistust eviva kõlariga, võttes seejuures arvesse, et suurema takistusega kõlar kasutab ära ainult osa väljundvõimsusest, väikse takistusega kõlari aga võib võimendi tugev signaal üle koormata.

Talitlussagedusala on sageduspiirkond, mille piiridel on helirõhutase etteantud detsibellide arvu võrra madalam kui kesksagedustel. Mainekate tootjate andmestikus esitatakse nimisagedusala, mille puhul sagedustunnusjoone langus piirsagedustel on –3 dB või –2 dB (nt sagedustel 50 ja 32 000 hertsi 3 detsibelli madalam kui keskmine helirõhutase sagedusvahemikus 100–8000 Hz). Mõnel juhul antakse sageduskäigu ebaühtlus, nt bassikõlaril 30–150 Hz, ±3 dB. Kõlarite sageduskäigu andmed on tootjate poolt saadud laboritingimustes ning sageli vähemal või suuremal määral idealiseeritud. Kõrgekvaliteediliste võimendite ja kõlarite ülemine sageduspiir ületab kuuldepiiriks peetava 16 kHz mitmekordselt, et edastada ka ülemtoone (kuni 5. harmooniliseni) ja seega loomutruumalt reprodutseerida järsu tõusuga impulsshelisid.

Kõlari kasutegur – akustilise ja elektrilise võimsuse suhe – jääb üldiselt vahemikku 0,1–1%. Põhiosa kõlarisse juhitavast elektrienergiast muundub soojuseks (peamiselt võnkepoolides). Kui on teada kõlari tundlikkus (näites 90 dB/W/m), võib kasuteguri η0 arvutada valemiga

	\eta_{0}=10^{\frac{90-112}{10}}=0,006,

s.o 0,6%; valemis esinev helirõhut ase 112 dB vastab teoreetilisele kasutegurile 100%.

Kõlaritüübid[muuda | muuda lähteteksti]

Kõlari kasti tüüp ja suurus määrab sagedusala alumise piiri, olgu siis tegemist kolmeribalise stereokõlariga või eraldi bassikõlariga. Valjuhääldi võnkeruumi tarvilik maht väheneb võrdeliselt alumise piirsageduse 3. astmega (nt sagedusel 150 Hz on vajalik maht 8 korda väiksem kui sagedusel 75 Hz).

Kinnine kõlar

Kinnine kõlar[muuda | muuda lähteteksti]

Kinnises kastis paiknev valjuhääldi kiirgab helindatavasse ruumi ainult oma esiküljelt, nii et akustilist lühist ei saa tekkida. Kuid kinnine kast tõstab oluliselt võnkesüsteemi omaresonantsi sagedust. Kõlari sageduspiiri aitavad alandada eriehitusega, nn kompressioonvaljuhääldid, millel on algselt väga madal omaresonantsi sagedus ja mille võnkesüsteem saab moonutusvabalt liikuda suure amplituudiga. Suletud ruumis olev õhk pidurdab madalatel sagedustel valjuhääldi difuusori võnkeulatust. Seetõttu tõuseb valjuhääldi põhiresonantsisagedus seda enam, mida suurem on valjuhääldi suudme läbimõõdu ja kasti mahu suhe. Seega üldjuhul väiksema valjuhääldi kasutamisel kõlari sageduspiir alaneb (seda küll kasuteguri arvel).

Kinnisel kõlaril on hea impulsiesitus (väike DIM-moonutus) ning bassid kõlavad puhtalt. Arvutuslikult optimaalse vabamahu korral on sageduskarakteristiku kasv sujuv; liiga väikese mahuga kastis kasvab helirõhk ülabasside piirkonnas (kostab muutumatu sagedusega tüminana).

Reflekskõlar

Reflekskõlar[muuda | muuda lähteteksti]

Bassireflekskõlari ehk lühemalt reflekskõlari iseloomulik tarinduselement on kasti siseruumi välisõhuga ühendav toru või ristkülikuline kanal. Selles võnkuv õhumass moodustab koos kastis oleva õhu elastsusega Helmholtzi resonaatori. Toru (kanali) mõõtmed valitakse sõltuvalt kasti mõõtmeist nii, et membraani tagaküljelt lähtuvad bassihelid väljuvad toru suudmest valjuhääldi esikülje võnkumistega pärifaasis. Tulemusena kasvab madalatel sagedustel helirõhk ja sumbub membraani võnkumine valjuhääldi omaresonantsi sageduse piirkonnas.

Reflekskõlarit tuntakse ka inverterkõlari nime all, tulenevalt tema omadusest pöörata (inverteerida) resonaatori abil valjuhääldi tagaküljelt lähtuvate helivõnkumiste faasi 180° võrra.

Kinnise kõlariga võrreldes on reflekskõlaril järgmised eelised:

  • ühesuguse mahu ja alumise piirsageduse korral 1,41 korda suurem kasutegur;
  • ühesuguse mahu ja kasuteguru korral 1,26 korda madalam piirsagedus;
  • ühesuguse piirsageduse ja kasuteguri koral korral väiksem kasti vamaht.

Nende omaduste tõttu on reflekskõlar levinuim kõlaritüüp. Õigesti dimensioneeritud, ehitatud ja väljahäälestatud kõlaril on sile (laineteta) sagedustunnusjoon kuni alumise lõikesageduseni. Reflekskõlari sageduskäik on eriti tundlik kõlari parameetrite muutuste ja ehitusvigade suhtes (nt korpuse ebatihedus): tagajärjeks basside nõrgenemine ning hägustumine. Kuna reflekskõlari sagedustunnusjoon langeb järsumalt (teoreetiliselt 24 dB/oktav) kui kinnisel kõlaril (12 dB/oktav), siis annab mõnel juhul tunda faasi- ja siirdemoonutus alumise piirsageduse ümbruses. Resonaatori häälestussagedusest madalamate sagedustega võnkumistele on kast tegelikult avatud, mistõttu membraani võnkumised võivad osutuda siis ohtlikult suureks. Võimsatel bassikõlaritel kasutatakse seepärast madala, umbes 25-hertsise lõikesagedusega kõrgpääsfiltrit, mida nimetatakse infrahelifiltriks (infrasonic filter, subsonic filter).

Ribapääskõlar

Ribapääskõlar[muuda | muuda lähteteksti]

Kinnise ja reflekskorpuse kombinatsioonina leiavad teatavat kasutamist ka ribapääskõlarid. Niisuguse kõlari kast on jaotatud kahte ossa, kusjuures valjuhääldi asetseb kinnise ruumi ja bassikanaliga ruumi vahelises seinas. Seega on näha ainult bassikanali suue korpuse ühel küljel. Valjuhääldi ette jääv õhumaht koos kanaliga moodustab Helmholtzi resonaatori, mis toimib madalpääsfiltrina.

Ribapääskõlari nimetus tulebki kaheosalise korpuse omadusest piirata nii ülimadalaid kui ka bassihelidest kõrgemaid sagedusi (nt alates sagedusest 120–150 hertsist); sagedustunnusjoon langeb mõlemale poole umbes 12 dB oktavi kohta. Niisiis on tegemist bassikõlariga, kusjuures pole vaja infrahelifiltrit ega kõrgemaid sagedusi tõkestavat madalpääsfiltrit. Seda tüüpi kõlar tekitab ka tagasihoidliku mahu korral küllalt tugeva helirõhu, kuid bassid pole alati kuigi puhtad.

Bassikõlarid[muuda | muuda lähteteksti]

Eriti madalate sageduste – basside – esiletoomiseks ühendatakse helivõimendi või ressiivri eriväljundisse bassikõlar. Nii satelliit- kui ka lairibakõlaritega akustilistes süsteemides kasutatakse enamasti aktiivset bassikõlarit, mille korpuses paikneb madalpääsfilter ja võimsusvõimendi. Nagu teada, vajavad madalamad sagedused märksa võimsamat signaali, sest kõrva tundlikkus sageduse alanedes väheneb tugevasti (vt helivaljus). Näiteks kostavad ühevaljuselt 1000-hertsine toon tasemel 80 dB ja 50-hertsine toon tasemel 92 dB. Et helirõhutaseme tõstmine 3 dB võrra vajab võimsuse kahekordistamist, siis vastab kesksageduselementi juhitavale 1 vatile bassikõlaris 8 W.

Bassikõlarid võivad olla kinnises või reflekskorpuses. Kast on traditsiooniliselt kuubile lähedase kujuga. Reflekskõlari alumine sageduspiir on tööpõhimõttest tulenevalt mõnevõrra madalam kui niisama suurel kinnisel kõlaril. Seevastu on kinnise kõlari bassid puhtamad.

Toimepõhimõttelt tuntakse otsekiirgureid, millest helilained levivad ruumi nagu tavalisest kõlarist ettepoole, ja põrandakiirgureid, mis suruvad olulise osa võnkeenergiat välja kõlari põhja ja põranda vahelt ümberringi, seejuures ka põrandatarindite kaudu (seega mõeldav kasutada ainult üksikelamus).

Süvabassikõlari ülemine piirsagedus (tasemel –3 dB) jääb tüüpiliselt vahemikku 50–120 Hz. Madalaim esitatav sagedus võib olla 15–30 Hz.

Kvaliteetsete süvabassikõlarite võimenditel on jaotussagedus astmeliselt või sujuvalt reguleeritav; nii saab akustise süsteemi kõlarite sageduskarakteristikuid omavahel katsetamise teel nii sobitada, et kõik kõlarid koos looksid tervikliku helivälja. Parematel kõlaritel on ka faasinihkeregulaator saabuva helilaine ajaliseks nihutamiseks (enamasti sujuvalt vahemikus 0–180°). Siis saab kindlas kuulamiskohas kuuldeliselt sobitada omavahel bassikõlari ja lairibakõlarite (või ka teise bassikõlari) helitasemed, kasutades muidugi ka bassikõlari helitugevusregulaatorit.

Kui süvabassikõlaril on infrahelifilter, lõikab see ära kuuldamatud sagedused allpool 15–20 Hz, kaitstes niiviisi kõlarit ja ka kuulajat võimsate infrahelide eest. Selliseid filtreid toodetakse ka eraldi üksusena signaalikaablisse ühendamiseks.

Aktiivkõlari ja võimendi vaheline ühendus luuakse varjestatud madalsageduskaabliga; selleks on ka spetsiaalseid bassikõlarikaableid. Kui helitugevuse suurendamisel on märgata tugevnevat võrgumüra, võib põhjus peituda just kaabli puudulikus varjestuses. Abi võib sel juhul olla ka varjevoolufiltrist (lihtsaimal juhul kaablikeeruga ümbritsetud ferriitrõngast).

Kõlarite paigutus[muuda | muuda lähteteksti]

Kõlarite paigutamisel on oluline saavutada otseheli ja ruumi seintelt peegelduva heli sobiv tasakaal. Ruumikõla komponent osutub märgatavaks vähemalt keskmise suurusega (25–30 m2) elutoas, kus pole väga palju pehmet mööblit ega vaipu, nii et järelkõla kestus on umbes 0,5 s.

Peegeldused pääsevad rohkem mõjule, kui kõlarid asetsevad paralleelselt, teineteisest paari meetri kaugusel, külgseintele mitte lähemale kui pool meetrit. Põrandakõlarid on soovitatav asetada ka otsaseinast veidi eemale. Riiulikõlarid on konstrueeritud sellistena, et nende sageduskäik on madalatel sagedustel parem (riiuli) tagaseina lähedal.

Lähedalt kuulamisel osutub valdavaks otseheli. Selle osa kasvab ka stereokõlarite pööramisel kuulamiskoha poole; siis paraneb ühtlasi heliallikate (häälte, pillide) eristatavus kõlaritevahelises helipanoraamis ja seega ka stereoefekt. Täiuslik stereokuuldeala jääb siiski võrdlemisi ahtaks, nt stereokõlarite normaalse, 2–3-meetrise vahekauguse korral 3 m kaugusel kuulates osutub helipanoraam sümmeetriliseks ainult paarikümne sentimeetri laiuses alas, arvates kõlaritevahelisest sümmeetriatasandist. Hoopis ruumilisema helivälja loovad muidugi mitmekanalilise kodukino helisüsteemi kõlarid.

Kuna kõrged helid kiirguvad võrdlemisi kitsas ruuminurgas, seatakse stereokõlarid sellisele kõrgusele (alusel, konsoolil, statiivil), et nende kõrgsageduselemendid jäävad istuva kuulaja kõrvade tasandile.

Bassikõlari asukohta peetakse üldiselt suvaliseks, sest sagedustel alla 120 Hz pole helilainete saabumise suund enam määratav. Näiteks sagedusel 100 hertsi on heli lainepikkus 340/100 = 3,4 m, nii et kummagi kõrva mõnesentimeetrist kaugusevahet heliallikast ei suuda kuulmistaju eristada.

Ometi väljuvad bassikõlarist sujuvalt nõrgenevalt ka jaotusfiltri siirdealasse jäävad alumised kesksagedused kuni mõnesaja hertsini, mõjutades üldist stereopanoraami. Seepärast on soovitatav paigutada see kõlar esikõlarite vahele ja seejuures suunatuna ruumi seinte suhtes kaldu, et vähendada seisevlainete tekkimise võimalust (seisevlaine sagedusel kujuneksid ruumi eri kohtades paisud ja sõlmed, kusjuures viimastes on seisevlaine amplituud null).

Sobiva difuussusega (ruumikõlaosaga) ning võimalikult ühtlase sageduskäiguga helivälja saavutamine on igas konkreetses ruumis võimalik ainult katsetamise teel. Juba kõlari nihutamine paarikümne sentimeetri võrra võib üldist kõla märgatavalt muuta.

Kõlaritootjate andmeil vajavad kõlarid parameetrite stabiliseerimiseks teatud sissemängimisaega – paarist päevast kuni nädalani. Siis keskmisel signaalitugevusel koormamisel väheneb võnkesüsteemi jäikus ja selle ühe tulemusena alaneb madalsageduselemendi resonantsisagedus.

Kasutatud kirjandus[muuda | muuda lähteteksti]

  • Lembit Abo. Koduelektroonika käsiraamat, Tallinn, 2007

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]