Een luidspreker is een mechanisch systeem, een zogenoemde dynamische omzetter die elektrische energie omzet in kinetische energie (bewegingsenergie, geluid). In principe is een luidspreker dus een soort omgekeerde microfoon. Luidsprekers zetten de lucht in beweging, waardoor geluidsgolven ontstaan die onze oren waarnemen als trillingen in de lucht. De ideale luidspreker zet het elektrische signaal helemaal perfect, zonder vervorming, om in geluid.
Luidsprekers zijn er in allerlei formaten, vormen en kleuren. Maar hoe werken ze eigenlijk? Hoe zorgen ze ervoor dat elektrische stroom wordt omgezet in muziek? Wij geven je een korte inleiding in de theorie en praktijk van de luidspreker.
Geluidsgolven bestaan uit energie
Geluid is de algemene benaming voor akoestische trillingen Deze akoestische trillingen – frequenties – worden gemeten in hertz, het aantal trillingen per seconde, afkorting Hz. Een pasgeboren baby kan frequenties van 20-20.000 Hz horen, wat ook wel het ‘hoorbare spectrum’ genoemd wordt. Naarmate we ouder worden, kunnen we de allerhoogste frequenties steeds slechter horen, net als dat we op grotere afstand steeds minder scherp kunnen zien. Veel dieren kunnen veel hogere en veel lagere frequenties horen, bijvoorbeeld honden en vleermuizen.
Geluid met een frequentie boven de 20.000 Hz wordt ultrageluid genoemd. Geluid met een frequentie lager dan 20 Hz noemen we infrageluid. De bastonen en alle lage, brommende geluiden liggen ergens tussen de 20-200 Hz, terwijl hoge frequenties (schelle, hoge tonen van bijv. bekkens of s-klanken) tussen de 2.000 en 20.000 Hz (2 kHz – 20 kHz, kilohertz) liggen. Tussen de hoge en lage frequenties liggen de middentonen, bijvoorbeeld de menselijke stem. En in dit gebied zijn onze oren het gevoeligst.
Luidsprekers zetten stroom om in beweging
Een luidspreker is een apparaat dat de elektrische variaties van een audiosysteem omzet in geluidsgolven die zich door de lucht verplaatsen. Als een luidspreker een elektrisch audiosignaal ontvangt, wordt dit signaal doorgestuurd naar de zogenoemde spreekspoel die in een krachtige magneet zit en vastgemaakt is aan de luidsprekermembraan. De spreekspoel en de wisselende sterkte van het magneetveld zorgen ervoor dat de luidsprekermembraan zich heen en weer beweegt op basis van het elektrische signaal. Deze membraan zet vervolgens de lucht in beweging, wat onze trommelvliezen registreren als ‘muziek’.
Hifi-luidsprekers – de perfecte weergave
Er zijn luidsprekers in alle soorten en maten, in allerlei vormen en types, gemaakt van verschillende materialen en speciaal ontworpen voor bepaalde frequentiegebieden of functies. Het meest gebruikte type is de dynamische ‘Moving Coil’-luidspreker die we hierboven hebben beschreven. De meeste hifi-luidsprekers hebben twee of meer speakers om alle frequenties zo nauwkeurig mogelijk weer te kunnen geven. Kleine tafelradio’s, TV’s en dergelijke hebben vaak maar één fulltone-speaker.
Serieuze luidsprekerfabrikanten proberen hun luidsprekers zo te bouwen dat het ingangssignaal zo nauwkeurig mogelijk wordt weergegeven, en bij alle mogelijke volumes en met een gelijkmatige spreiding van het geluid.
Lage en hoge tonen bewegen zich anders
Een van de redenen om een luidspreker te voorzien van verschillende speakers, is om te zorgen voor een optimale spreiding van het geluid. De spreiding van geluid wordt smaller bij hogere frequenties, en daarom worden er vaak speakers gebruikt die speciaal ontwikkeld zijn voor een specifiek frequentiegebied. Dit zorgt voor een gelijkmatige spreiding en een nauwkeurige weergave van het geluid; zie bijvoorbeeld de hybride tweeters van DALI of de FST-middenspeakers van Bowers & Wilkins.
Hoge tonen hebben hoge frequenties en een duidelijke richting, terwijl lage tonen (lage frequenties) een grote golflengte hebben die zich gemakkelijk door verschillende materialen heen beweegt. Dat is bijv. de reden dat je altijd de bastonen van je buurman hoort, terwijl de hoge tonen bijna onhoorbaar zijn.
De plaatsing van de luidsprekers is belangrijk voor het geluid
De plaatsing van de luidsprekers heeft een enorme invloed op de geluidskwaliteit. Zo zul je wel gemerkt hebben dat je extra veel bas krijgt als de luidsprekers dicht tegen de muur staan. Dat komt doordat de muren het basgeluid reflecteren en versterken, wat een enorme invloed kan hebben op de geluidskwaliteit. Probeer zelf maar. Zeg maar eens iets hardop in het midden van de kamer, en daarna in een van de hoeken. Hoor je het verschil?
Zoals we hierboven al hebben gezien, hebben lage tonen een minder duidelijke richting. Bastonen worden in alle richtingen verspreid, terwijl middentonen en hoge tonen veel minder spreiding hebben. Dit betekent dat de lage tonen vaak meer gereflecteerd worden, wat nadelig is voor de geluidskwaliteit. Middentonen en hoge tonen kunnen echter ook teruggekaatst worden, met name door harde oppervlakken zoals houten vloeren, tegels of kale muren.
En al deze reflecties hebben een storend effect op de timing, diepte en definitie van de luidspreker en moeten dus zoveel mogelijk beperkt worden. Daarom zijn de wanden en plafonds van geluidsstudio’s of bioscopen vaak bekleed met geluidsabsorberende materialen, om te voorkomen dat het geluid uit de luidsprekers verslechtert door reflecties in de ruimte.
Een goede plaatsing van de luidsprekers betekent dus dat je genoeg afstand hebt tussen de luidspreker en de zij- en achterwanden, om reflecties zoveel mogelijk te voorkomen. Sommige luidsprekers kun je zelfs direct op je luisterpositie richten, voor een gelijkmatigere frequentierespons, een beter stereoperspectief en minder vroege reflecties via de zijwanden.
Iedere kamer heeft een eigen, unieke akoestiek en dus is er geen standaardoplossing voor de plaatsing van luidsprekers. Neem rustig de tijd om te luisteren op welke plek in de kamer ze het best klinken. We zouden je ook aanraden om alle tips en adviezen van de fabrikant goed door te lezen.
Als de luidsprekers niet in een kast staan of aan de muur hangen, kun je ze het best op oorhoogte plaatsen en zoveel mogelijk richten op je luisterpositie.
Speakers / Drivers
De meeste luidsprekers hebben twee of meerdere speakers die het hele frequentiegebied zo nauwkeurig mogelijk moeten weergeven. Meestal gaat het hier om een drietal: een basspeaker, een middenspeaker en een tweeter.
En het type luidspreker bepaalt hoeveel en welke speakers er gebruikt worden. Een tweewegluidspreker heeft bijv. geen aparte middenspeaker. De middentonen worden hier weergegeven door de basspeaker, terwijl een driewegconstructie wel een aparte middenspeaker heeft. Sommige luidsprekers hebben zelfs maar één speaker die het hele frequentiegebied voor zijn rekening neemt en daarom een ‘fulltone-speaker’ wordt genoemd. Andere constructies hebben zelfs vier of nog meer speakers, meestal voor een betere spreiding van het geluid of meer geluidsdruk.
“Een leuk wetenswaardigheidje is dat de Engelse termen ‘woofer’ en ‘tweeter’ afkomstig zijn uit de dierenwereld. ‘Woofer’ verwijst naar het ‘WOOF!’ van een hond, terwijl het woord ‘tweeter’ is afgeleid van het ‘tweet, tweet, tweet’ van een vogeltje.
Subwoofer – de stem uit het diepe
Een subwoofer is een speciale luidspreker die alleen de allerlaagste frequenties van het hoorbare spectrum weergeeft, meestal 200 Hz en lager. De meeste subwoofers worden zo ingesteld dat ze het overnemen waar de primaire baseenheid (de woofer) tekort begint te schieten. Daar komt ook de naam ‘subwoofer’ vandaan, hij geeft tonen weer die ‘onder’ die van de woofer liggen.
Omdat de subwoofer maar een heel klein gedeelte van het frequentiespectrum hoeft weer te geven, is het vaak een vrij eenvoudige constructie met één basspeaker en een compacte behuizing. Sommige modellen hebben echter twee speakers, en er zijn natuurlijk nog meer varianten. Er is behoorlijk wat vermogen nodig om een basspeaker in een kleine behuizing zulke lage tonen te laten spelen. Daarom is de speaker van een subwoofer erg krachtig en voorzien van een eigen, geïntegreerde versterker met equaliser, zodat hij genoeg vermogen heeft om de allerlaagste frequenties weer te geven. Dit noemen we een actieve subwoofer.
De meeste home-cinema’s hebben een subwoofer, omdat het multikanaalsgeluid van films een speciaal geluidsspoor voor de bastonen heeft. Maar subwoofers worden ook wel gebruikt in stereosystemen, bijv. als aanvulling op compacte luidsprekers met een beperkte basweergave. Subwoofers kun je het beste in een hoek of dicht tegen de muur zetten, om resonanties en staande golven in de kamer te vermijden.
Basspeaker – de betrouwbare diesel
De basspeaker geeft de laagste tonen van het geluidssignaal weer, maar niet zo laag als de subwoofer. Afhankelijk van het formaat en het type, ligt het frequentiebereik van een basspeaker ergens tussen de 30-600 Hz.
Bij een driewegluidspreker houdt de basspeaker zich alleen maar bezig met de laagste tonen, terwijl hij in een tweewegluidspreker ook de middentonen moet weergeven (bas-/middenspeaker). Deze speakers hebben dus een dubbele functie en een bereik van ongeveer 40-4.000/5.000 Hz. Dit is mogelijk doordat de tweeter ook lagere frequenties weergeeft en zich dus ‘vermengt’ met de basspeaker, waardoor ook de middentonen correct worden weergegeven.
De meeste basspeakers zijn groter dan de middenspeaker, omdat lage tonen een grotere golflengte hebben en dus meer energie nodig hebben. Er moet gewoon meer lucht verplaatst worden, en daarvoor is een grotere membraan nodig die meer heen en weer kan bewegen.
Middenspeaker – het gematigde midden
De middenspeaker geeft alle frequenties tussen de bas en de tweeter weer, meestal ongeveer 300-5.000 Hz. In het middenregister bevinden zich stemmen en de grondtonen van veel instrumenten, zoals een gitaar, viool, snaredrum, cello en trompet.
In dit middenspectrum is het menselijk oor het gevoeligst voor vervorming en afwijkingen van de natuurlijke weergave. Daarom wordt voor dit frequentiegebied vaak een aparte speaker gebruikt, die speciaal ontwikkeld is om alle middentonen zo zuiver mogelijk weer te geven. Een voorbeeld is bijv. Bowers & Wilkins’ unieke ‘randloze’ FST-speaker die je hier ziet.
Tweeter – de luchtige details
Tweeters nemen de hoogste frequenties uit het audiosignaal voor hun rekening – van 2 kHz tot 20 kHz en vaak nog veel hoger. In extreme gevallen zelfs tot 70.000 Hz, zoals de kostbare Diamond-tweeters van Bowers & Wilkins. Het meest gangbare tweetertype is de dometweeter. Deze tweeter bestaat in twee varianten: met een membraan van stof (softdome) zoals bij de luidsprekers van DALI, of van metaal zoals veel modellen van Bowers & Wilkins.
Opbreking en vervorming – vijanden van zuiver geluid
De ideale dometweeter werkt als een volmaakte zuiger die perfect en in zijn geheel van voor naar achter beweegt. Als de speaker zijn vorm niet kan behouden, begint hij op te breken in afzonderlijke delen die los van elkaar bewegen. Dit betekent dat de opbrekingsfrequentie van de speaker bereikt is en zorgt voor enorm veel vervorming, zeker als de opbreking in de buurt van het hoorbare spectrum gebeurt, dus bij 20-30 kHz.
Luidsprekerfabrikanten proberen allemaal op hun eigen manier opbreking te voorkomen. Sommige dometweeters zijn extra stijf gemaakt (zoals de Bowers & Wilkins 600 S2-serie) of gemaakt van exotische materialen zoals titanium, beryllium of diamant (zoals de Bowers & Wilkins 800 D3-serie). De bedoeling hiervan is dat de opbreking en vervorming verplaatst worden tot ver buiten het hoorbare spectrum, zodat de tweeter de hoge tonen zuiver, nauwkeurig en onvervormd weergeeft.
Een andere oplossing, die bijv. DALI gebruikt, is een hybride tweeter, dat wil zeggen een softdome in combinatie met een bandtweeter. Bandtweeters hebben namelijk het voordeel dat ze heel simpel aan te sturen zijn en veel beter reageren op zwakke signalen. Ook bewegen ze met ultrahoge snelheden zonder te vervormen, en ze behouden een optimale spreiding van het geluid, ook bij hoge frequenties.
En deze spreiding is nou juist een van de problemen van dometweeters, omdat daar de spreiding afneemt bij hogere frequenties. Aan de andere kant kunnen dometweeters wel lagere frequenties weergeven dan bandtweeters. Hybride tweeters combineren de voordelen van deze twee tweetertypes, maar de uiteindelijke constructie is natuurlijk een stuk ingewikkelder dan met één simpele unit.
Fullrange-speakers en coaxiale speakers
Fullrange-speakers zijn speciaal ontwikkeld om het volledige frequentiespectrum weer te geven, zonder hulp van andere speakers. Ze worden vaak gebruikt in kleine tafelradio’s of TV’s, maar ook sommige hardcore hifi-fans zweren erbij. Deze eenheden werken zonder scheidingsfilters, maar zijn vaak erg klein, zodat ze ook de hoge tonen kunnen weergeven. Dit betekent natuurlijk wel dat ze niet echt geschikt zijn voor superdiepe bastonen of hoge volumes.
Sommige mensen zijn echter van mening dat de afwezigheid van een scheidingsfilter zorgt voor een dynamischer, homogener en onvervormder geluid, en dat de timing/fase beter wordt omdat er maar één speaker aangestuurd hoeft te worden. Er bestaat ook een groot aantal zogenoemde coaxiale constructies, waarbij de basspeaker, middenspeaker en tweeter op verschillende manieren zijn samengevoegd tot één speaker die het hele frequentiespectrum aankan. Deze luidsprekers kom je vaak tegen bij professionele geluidstoepassingen of in autosystemen, maar we gaan er hier niet verder op in.
Scheidingsfilter verdeelt het geluid
Het scheidingsfilter verdeelt het signaal dat van de versterker komt en stuurt het naar de verschillende speakers. De laagste tonen worden naar de basspeaker gestuurd, de hoogste tonen naar de tweeter enz. De meeste speakers kunnen namelijk maar een beperkt deel van het spectrum weergeven en het scheidingsfilter zorgt ervoor dat elke speaker precies het frequentiebereik krijgt waarvoor hij gemaakt is. De rest wordt weg gefilterd, zodat de speakers optimaal hun werk kunnen doen.
Het scheidingsfilter bestaat meestal uit drie verschillende elektrische componenten: spoelen, condensatoren en weerstanden. De spoel (L) laat de lage frequenties door en blokkeert de hoge frequenties. De condensator (C) laat de hoge frequenties door en blokkeert de lage frequenties. De weerstand (R) controleert de impedantie (wisselstroomweerstand) en dempt het signaal. De werking van een scheidingsfilter wordt bepaald door de combinatie van componenten en hun onderlinge verhoudingen.
Het is een hele wetenschap om een scheidingsfilter te ontwikkelen, want de onderlinge waarden, de speakers en zelfs de luidsprekerkabel bepalen hoe het filter precies werkt.
Behuizing
Bij de meeste luidsprekers zitten de speakers in een behuizing. Deze behuizing houdt de units op hun plaats, maar voorkomt ook dat het geluid dat aan de achterkant van de speakers vrijkomt zich vermengt met het geluid dat aan de voorkant van de speakers ontstaat. Dit voorkomt faseproblemen die enorm negatieve gevolgen kunnen hebben voor het volume en de kwaliteit van de lagere frequenties.
Demping en vormgeving
De geluidsdruk binnen in de behuizing is even groot als daarbuiten, en een groot deel van het inwendige geluid wordt in de behuizing heen en weer gekaatst. Dit betekent dat de behuizing kan gaan ‘meetrillen’ en het geluid kan vervormen. Het gereflecteerde geluid kan ook via de luidsprekermembraan ‘ontsnappen’, waardoor de geluidskwaliteit enorm verslechtert.
Al deze vervorming kan tegengegaan worden door de binnenkant van de behuizing te dempen met schuim of een ander geluidsabsorberend materiaal. Ook kan de luidspreker verstevigd worden of een vorm krijgen die interne reflecties elimineert. Dit zie je bijv. bij de grotere modellen van Bowers & Wilkins:
Gesloten en basreflex – voordelen en nadelen
Er bestaan luidsprekerbehuizingen in alle soorten, maten en vormen. De meeste mensen hebben een gesloten behuizing of een basreflexconstructie.
Een gesloten behuizing is gemakkelijk te maken en heeft als voordeel dat de demping van de basfrequenties ongeveer het tegenovergestelde is van de ‘boost’ die de basfrequenties krijgen in de meeste luisterruimtes. Daarom kan een gesloten behuizing heel goed klinken als hij dicht tegen de muur staat, en kunnen kleine luidsprekers een heel behoorlijke basweergave hebben, ondanks de kleine behuizing. De meeste gesloten behuizingen hebben ook een erg goede impulsrespons. Aan de andere kant is een gesloten constructie meestal erg inefficiënt en heeft deze dus veel meer versterkervermogen nodig.
Een behuizing met een basreflexsysteem is voorzien van een poort of een buis die samen met de speakers in de behuizing zit. Deze buis of poort is zo ‘afgestemd’ dat hij begint te resoneren bij een bepaalde frequentie. Hierdoor kan hij een bepaald frequentiegebied van de lage tonen versterken, of verbetert hij de basrespons van de luidspreker.
De basreflexpoort helpt ook om de speakers af te stemmen op de behuizing. Dit is de populairste en effectiefste behuizing die er bestaat. Basreflex heeft echter het nadeel dat de resonantiefrequentie van de poort in de buurt kan liggen van de resonantiefrequentie van de ruimte zelf, wat een krachtige en oncontroleerbare resonantie kan veroorzaken die funest is voor het geluid.
Nog een nadeel is dat de luchtstroom door de basreflexpoort bij hoog volume ervoor kan zorgen dat de poort gaat fluiten of ruisen. Vergelijk het maar met het geluid dat je krijgt als je in een flessenhals blaast. Om deze poortruis te elimineren, heeft Bowers & Wilkins de Flowport-technologie ontwikkeld, die de luchtweerstand in de poort vermindert en turbulentie voorkomt.