Tweeters, tweeters
The name "tweeter" is derived from the high pitched sounds made by some small birds. The terms is contrasted to the low "woofs" made by big dogs (woofers).
Sounds whose wavelength is smaller than 17 cm (above 2 Hz) are important inter alia for the definition of the tone color of various musical instruments. Speaker units that can produce such high frequency sounds, ie. tweeters, have existed since the 1920s but for a long time there was no real need for tweeters - in fact, many listeners preferred a limited frequency band. The true need for tweeters came later along with LPs and FM radio, argues the head designer of Gradient speakers, Jorma Salmi. Having a tweeter in the 1950s was like having a subwoofer or super-tweeter today. In this article Salmi deals with the history of tweeters, the theory HF reproduction, the pros and cons of the most common operating principles: cone tweeters, dome tweeters, ribbon tweeters, AMT tweeters, electrostatic tweeters, ionic tweeters, piezzo tweeters, horn tweeters.
What then is the best tweeter type?
In Salmi's opinion there is no unequivocal answer to this question. A speaker can be excellent irrespectively of which tweeter type have been used. What is clear is that however good and expensive the tweeter is it does not warrant a good speaker. The midrange still remains crucial for the speaker's performance. The tweeter must fit into the whole. Since none of the operating principles is transcendent, maybe the ideal one has not yet been invented. In the meantime one can always take an old principle and try to improve it with the modern techniques. Are modern cone tweeters the next hit?
The full article in Finnish as well as images of various tweeters.
Kaiuttimien diskanttielementtiä tarkoittava sana “tweeter” kuvaa pikkulinnun viserrystä, sirkutusta. Mutta minkälainen on kaiuttimien pikkulinnun historia, teoria ja toimintaperiaatteet?
Diskanttialueella tarkoitetaan yleensä äänitaajuusalueen ylintä dekadia eli yli 2kHz:n taajuuksia. Aallonpituus on siis 17cm tai pienempi. Tämä on hyvä pitää mielessä, koska akustiikassa kaikki mitat suhteutetaan aallonpituuteen.
Harvojen soittimien perustaajuudet yltävät yllä määritellylle diskanttialueelle, mutta perustaajuuksien harmoniset kylläkin. Myös soittimien äänten alukkeet sisältävät korkeita taajuuksia, jotka harmonisten jakautuman ohella auttavat tunnistamaan soittimen. Siksi diskanttitaajuuksien toisto on tarpeen.
Diskanttitaajuuksien toistoon kykenevän kaiuttimen (tai kaiutinelementin) tekeminen on ollut mahdollista ainakin 1920-luvulta alkaen. Siihen ei vain ollut suoranaista tarvetta pitkään aikaan.
Harry F. Olson raportoi kirjassaan Elements of Acoustical Engineering (van Nostrand 1947) kahdesta kuuntelukokeesta: ”Isossa olohuoneessa oli soittamassa kuuden hengen ’tanssibändi’, siihen aikaan luonnollisesti akustisin soittimin. Orkesterin ja kuuntelijoiden välissä oli reikälevyillä tehty akustinen alipäästösuodin, joka saatiin kytkettyä pois kääntämällä vipujen avulla levyjä 90 astetta. Suotimen rajataajuus oli 5kHz. Reikälevyjen ja kuuntelijoiden välissä oli verho – kyseessä siis sokkotesti. Suodin kytkettiin päälle ja pois 30 sekunnin välein. Kuuntelijoilta kysyttiin, kummasta he pitävät enemmän.”
Toisessa kokeessa testattiin sen ajan äänentoistolaitteistoa (Chinn and Eisenberg 1945). Ohjelmalähteinä olivat kaapeliyhteys suoraan studiosta ja levysoitin. Toistoalueeksi oli valittavissa 150Hz-4kHz, 80Hz-6kHz tai 40Hz-10kHz. Kuuntelijoiden piti valita näistä oma suosikki.
Kokeiden lopputulokset eivät sinänsä olleet yllättäviä. Livemusiikilla pidettiin täyttä kaistaa poikkeuksetta parempana, mutta hifilaitteiston kanssa tulos oli päinvastainen. Parhaina pidettiin kapeinta tai korkeintaan keskimmäistä vaihtoehtoa. Olson arveli sen johtuvan kahdesta syystä: rajoitettuun kaistaan oli niin totuttu, että näin sen “kuuluikin” olla. Laajempi taajuuskaista paljasti toistolaitteiston särön ja kohinan, mikä koettiin epämiellyttävänä.
Milloin ja miksi diskanttialueen toistaminen tuli tarpeelliseksi?
Täyden audiokaistan toistaminen tuli tavoittelemisen arvoiseksi LP-levyn ja FM-radion myötä 1950-luvulla. LP-levyltä kuului diskanttipäässä jo muutakin kuin kohinaa ja ritinää. Se oli savikiekkoon verrattuna suuri harppaus eteenpäin.
FM-radiolähetysten tekniikka ja edut olivat tunnettuja jo 1930-luvulla, mutta lähetykset alkoivat todenteolla vasta toisen maailmansodan jälkeen. Saksa oli tässä edelläkävijänä. Voittajavaltiot olivat omineet itselleen Saksan vanhat lähetystaajuudet keskipitkillä ja pitkillä aalloilla, ja siksi saksalaisten oli etsittävä uusia taajuuksia. Näin siirryttiin ultralyhyille aalloille ja ryhdyttiin samalla käyttämään taajuusmodulaatiota (FM = frequency modulation). FM-lähetysstandardissa sovittiin audiokaistan ylärajataajuudeksi 15kHz, joka oli “musiikin toistoon ehdottomasti riittävä”. Ero oli huomattava AM-radion 4.5kHz:iin verrattuna (Yhdysvalloissa 5kHz, siellä noudatettiin 10kHz:n asemajakoa).
Jo 1950-luvulla paremmissa saksalaisissa pöytäradioissa alkoi olla erillisiä diskanttielementtejä, jopa sähköstaattisia (putkiradiossahan oli valmiiksi saatavana riittävä polarisaatiojännite ja audiosignaali otettiin ennen päätemuuntajaa). Muualla maailmassa FM-radiolähetykset etenivät erilaista tahtia, Suomessa lähetykset alkoivat vuonna 1953, Yhdysvalloissa todenteolla vasta 1960-luvulla ja Australiassa 15 vuoden tauon jälkeen vasta 1975.
Hifisti hankkii ensimmäisen tweeterin (the first tweeters)
1950-luvun hifistillä alkoi bassotoisto olla joltisessakin kunnossa. Yleinen ratkaisu oli 10- tai 12-tuumainen muutamaan kilohertsiin yltävä laajakaistaelementti isossa kotelossa. Tällainen hifikaiutin tunnettiin Suomessa nimellä bassokaappi. Nyt kun ohjelmalähteet tarjosivat jo täyttä kaistaa, alettiin hankkia erillisiä diskanttielementtejä. Sellainen oli vaikkapa diskanttitorvi, joka sijoitettiin bassokaapin päälle. Lopputulos oli mitä todennäköisimmin melkoista kihinää, mutta niin sen kai pitikin olla. Muutenhan se ei olisi vastannut taloudellista uhrausta. Ei voi välttyä vertaamasta tätä tämän päivän subbarihankintoihin. Supertweetereistä puhumattakaan. Tuohon aikaan oli toki jo saatavana valmiita monitiekaiuttimia – varsin hyviäkin – mutta harrastajat olivat omatoimisempia kuin nykyään.
Dynaaminen toimintaperiaate
Lähes kaikki tweeterit noudattavat dynaamista toimintaperiaatetta.
Herrat Chester W. Rice ja Edward W. Kellogg kuvasivat vuonna 1925 artikkelissaan “Notes on the Development of a New Type of Hornless Loudspeaker” dynaamisen kaiutinelementin sellaisena kuin se tänä päivänäkin tunnetaan. Siinä oli kiinteä magneettipiiri, jonka ilmaraossa puhekela. Ääntä tuottava kalvo oli kevyt, jäykkä ja kartion muotoinen. Puhekela oli kiinnitetty kartion tyveen. Kartio oli ripustettu joustavasti sekä tyvestä että ulkoreunalta. Kartion koko oli pieni aallonpituuteen nähden niillä taajuuksilla, joilla sitä oli pääasiassa tarkoitus käyttää. Alin toistettava taajuus vastasi elementin resonanssitaajuutta, joten se toimi massakontrolloidulla alueella. Rice ja Kellogg mainitsivat myös, että elementti on hyvä asentaa joko etulevyyn tai koteloon akustisen oikosulun välttämiseksi matalilla taajuuksilla ja että korkeammilla taajuuksilla, joilla kartio ei ole enää aallonpituuteen nähden pieni, se alkaa suunnata ääntä.
Hiukan teoriaa (briefly on the underlying theory)
Dynaamisen kaiutinelementin kartioon kohdistuva voima F=Bli, jossa B on magneettivuon tiheys ilmaraossa, l=ilmaraossa olevan puhekelan langan pituus, i= puhekelan läpi kulkeva virta. Kaiutinelementin resonanssitaajuus fs määräytyy ripustuksen joustavuudesta ja liikkuvien osien massasta.
Oletetaan, että puhekelan virta I on vakio taajuudesta riippumatta. Silloin myös kartioon vaikuttava voima F on vakio. Resonanssitaajuuden fs alapuolella kartion liikettä vastustaa sen ripustus (jousi). Sanotaan, että silloin toimitaan joustavuuskontrolloidulla alueella. Vakiovoimalla aikaansaadaan vakio liikepoikkeama (mm. jousivaa'an toiminta perustuu tähän). Liikepoikkeama on siis vakio taajuudesta riippumatta fs:n alapuolella.
Resonanssitaajuuden yläpuolella liikkuvien osien massan hitaus muuttuu määrääväksi tekijäksi. Silloin toimitaan massakontrolloidulla alueella. Fysiikan alkeista muistamme, että F=ma. Koska liikkuvien osien massa m on vakio – kuten myös F, sehän oli sovittu – kiihtyvyyden a täytyy olla myös vakio taajuudesta riippumatta. Tämä tarkoittaa sitä, että fs:n yläpuolella kartion liikepoikkeama pienenee neljäsosaan taajuuden kaksinkertaistuessa.
Diatone TW-5030BM
Aallonpituuteen nähden pienikokoisen kartion impedanssisovitus ilmaan on huono. Mutta taajuuden kasvaessa aallonpituus pienenee ja kartio ikään kuin kasvaa kokoa (suhteessa aallonpituuteen tietysti). Siten myös sen säteilyimpedanssin resistiivinen osa kasvaa taajuuden funktiona. Tästä seuraa, että vakiovirralla massakontrolloidulla alueella kaiutinelementin säteilemä ääniteho on vakio taajuudesta riippumatta. Tämä on tärkeä havainto, jonka myös Rice ja Kellogg aikanaan oivalsivat.
Kartion säteilyresistanssi ei kuitenkaan kasva loputtomiin taajuuden mukana. Nimittäin sen taajuuden (f1) yläpuolella, jolla aallonpituus on noin 1.5 kertaa kartion halkaisija, säteilyresistanssi muuttuu vakioksi. Elementin säteilemä ääniteho alkaa pienentyä. Samanaikaisesti kartio alkaa suunnata ääntä ja suoraan akselilta tarkasteltuna sen tuottama äänenpaine ei kuitenkaan pienene.
Yhteenvetona siis: (i) taajuuden fs alapuolella taajuusvaste laskee 12dB/oktaavi, (ii) taajuuksien fs ja f1 välillä vaste tasainen, (iii) taajuuden f1 yläpuolella tehovaste laskee 12dB/oktaavi ja (iv) vapaakenttävaste akselilla ei kuitenkaan laske vaan jopa nousee.
Näin siis teoriassa. Käytännössä asiat ovat hieman toisin.
Audax TW8B - a classic
Kaiutinelementin kartio ei ole äärettömän jäykkä. Korkeammilla taajuuksilla värähtelee vain kartion keskiosa ja sen tehollinen halkaisija siten pienenee. Puhekela ei ole puhdas resistanssi, vaan siinä on myös induktiivinen komponentti. Kaiutinta ohjataan virtalähteen asemesta jännitelähteellä ja siten korkeilla taajuuksilla puhekelan induktanssi pienentää virtaa. Kartion ominaisuuksia muokkaamalla voidaan siis muuttaa taajuutta f1 kartion kokoa vastaamattomaan paikkaan. Jos vain osa kartiosta värähtelee, sen tehollinen massa on pienempi. Tämä asettaa uuden parametrin massakontrolloidun alueen toimintaan.
Puhekelan induktanssilla voidaan ekvalisoida taajuusalueen yläpäätä.
Näitä keinoja onkin käytetty laajakaistaelementeissä, kun yhdellä ainoalla kaiutinelementillä on tarkoitus kattaa suurin osa äänitaajuusalueesta. Kartion tehollisen koon pienenemiseen taajuuden kasvaessa liittyy kuitenkin ongelmia. Käytännössä se ei tapahdu kauniin tasaisesti.
Mikäli tasaista vapaakenttävastetta ja korkeita taajuuksia kohti nätisti laskevaa tehovastetta pidetään ihanteellisen kaiuttimen ominaisuuksina, ideaalikaiutinta ei pystytä toteuttamaan yhdellä ainoalla kaiutinelementillä. Tästä syystä tarvitaan eri kokoisia kaiutinelementtejä ja on päädytty monitiekaiuttimiin.
Edellä tarkastellun perusteella voidaankin todeta, että muuttamalla elementin mittoja se voidaan skaalata toimivaksi halutulla taajuusalueella: f1 (ja myös fs) siirretään haluttuun paikkaan.
Kartiodiskantit (cone tweeters)
Whaferdale Super3 - a super tweeter of its time
Ensimmäiset laajalti käytetyt diskanttielementit olivat kartioelementtejä. Runko oli takaa suljettu, joten se oli “umpikotelokaiutin”. Kartion halkaisija oli tyypillisesti 35-70mm ja puhekelan halkaisija 10-12mm. Resonanssitaajuus oli yleensä 1kHz paikkeilla. Tällaisen elementin laadun määrää lähes pelkästään kartion käyttäytyminen. Jotkut kartiodiskantit oli varustettu “mekaanisella jakosuotimella”: puhekela oli liimattu kartion tyveen sopivasti elastisella liimalla ja pölykuppi kovalla liimalla suoraan puhekelan rungon päähän. Siten diskanttialueen alapäässä koko kartio värähtelee, taajuuden kasvaessa kartion keskiosa ja kaikkein korkeimmilla taajuuksilla vain pölykuppi. Diskanttialueen yläpäässä se olikin itse asiassa 12mm dometweeter! Mikään liima ei ole äärettömän kovaa (jäykkää) ja taajuuden vielä kasvaessa vain puhekela värähtelee ja pölykuppi ei enää tuota ääntä. Elementin ylärajataajuus on saavutettu.
Koska tällaisen elementin puhekela on pieni ja kevyt, sen terminen tehonkesto on pieni, vain muutamia watteja. Siksi tarvitaan aina ylipäästösuodin.
Kartiotweeterin rakenne vaikuttaa järkevältä, mutta 50-luvun tuotantotekniikalla hajonta oli suurta. Parhaat yksilöt olivat jopa erinomaisia.
Kartiomateriaalina käytettiin paperimassaa, mutta ei aina. Audaxin TW8B on saavuttanut harrastajien keskuudessa jonkinlaista kulttimainetta. Siinä oli 0.05mm paksusta alumiinista valmistettu eksponentiaalinen kartio, halkaisijaltaan 5cm. Liikkuvien osien massa oli 0.55g. Ylärajataajuudeksi ilmoitettiin 40kHz. Se oli siis aikansa supertweeter, käyttökelpoinen kylläkin noin 4kHz:stä ylöspäin. Vapaakenttävaste oli sangen hyvä suoraan akselilta tarkasteltuna, mutta kulmissa melkoisen rikkinäinen. Alumiinikartiota ei saa alhaisen sisäisen vaimennuksensa vuoksi “pienenemään” kauniisti taajuuden kasvaessa. TW8B oli tuotannossa 1960-luvun alusta 1980-luvulle saakka.
Dometweeterit (domes)
Seas 27 TFF dome tweeter
Dometweeterissä ääntä tuottava kalvo on puhekelan päähän liimattu kalotti (dome). Sen muodolla haetaan pelkästään rakenteellista jäykkyyttä. Kalotin halkaisija on yleensä sama kuin puhekelan. Ripustus on puhekelan kiinnityskohdan ympärillä oleva kapea reunuspoimu, tehty usein samasta materiaalista kuin itse kalottikin.
Dometweeterit alkoivat yleistyä 1960-luvulla ja tänä päivänä se on ehdottomasti yleisin diskanttielementti. Siihen on hyvin raadolliset syyt. Dometweeter on rakenteeltaan yksinkertainen ja siinä on vähän osia. Se on helppo ja halpa valmistaa. Laatu on tasainen.
Dometweeterin tultua markkinoille myyntipuheet kehuivat sen ylivoimaisuutta kartiolla varustettuun kilpailijaan nähden. Erityisesti sen laajaa säteilykuviota ylistettiin: “Näkeehän sen jo silmälläkin, kun kalotti pullottaa ulkona etulevystä.” Tässä on kuitenkin totta vain toinen puoli. 25mm dome on kylläkin pieni verrattuna useimpiin kartiotweetereihin joten tietyllä alueella aladiskantissa se säteilee laajemmalle (onko se toivottavaa vai ei – kokonaan toinen asia).
25mm domen tapauksessa f1 on noin 9kHz, kun 50mm kartiolla f1 on 4.5kHz. Mutta koska puhekelan halkaisija on sama kuin kalotin, lähteen tehollinen halkaisija ei pienenekään taajuuden kasvaessa. Tästä johtuu tehovasteen nopea lasku f1:n yläpuolella. Ongelmallisinta on kuitenkin se, että f1:n alapuolella tehovaste on lähes vaakasuora. Yli 10kHz taajuuksilla 25mm domen säteilykuvio on kapeampi kuin hyvän kartiotweeterin.
Celestion HF1300 dome tweeter
Dometweeterin suuntaominaisuuksia voidaan parantaa torvisovitteen eli suuntaimen avulla. Korkeimmilla taajuuksilla ei keilaa saada kuitenkaan leveämmäksi, mutta matalilla taajuuksilla sitä saadaan kavennettua ja lopputulos on siten tasapainoisempi ja helpompi sovittaa yhteen keskiääniä toistavan elementin kanssa.
Dometweeterin kalotteja tehdään useasta eri materiaalista. Niiden paremmuudesta on ikuinen kiista ja yksiselitteistä vastausta ei taida tähän olla. Materiaalia muuttamalla saadaan jotain yksittäistä ominaisuutta parannettua, mutta se tapahtuu jonkin toisen kustannuksella. Näin kompromissit tulevat asetetuksi vain toisella tavalla.
Dometweeterin puhekela on myös pieni ja se ei kestä suurta virtaa. Langan halkaisija on tyypillisesti luokkaa 0.1mm. Puhekela kestää tehoa vain muutamia watteja ja sen terminen aikavakio on sekunnin luokkaa. Jos kela on käämitty kuparilangasta, 100 asteen lämpötilassa sen resistanssi on kasvanut kolmanneksen verran. Samalla jännitteellä puhekelan virta onkin pienempi. Tätä kutsutaan termiseksi kompressioksi. Eräs keino jäähdyttää puhekelaa on magneettisen nesteen (ferrofluid) käyttö. Ilmarako täytetään magneettisella nesteellä, joka johtaa lämpöä paljon paremmin kuin ilma. Ferrofluid siirtää siten lämpöä tehokkaasti puhekelasta magneettipiirin napalevyihin. Ferrofluidin avulla voidaan puhekelan terminen aikavakio kasvattaa kolminkertaiseksi.
Eräs ensimmäisiä dometweetereitä oli Celestionin HF1300, josta oli monta eri versiota 1950-luvulta alkaen. Nykypäivän sukulaisistaan poiketen kalvo ei ollut kalotti vaan matala kartio kärki ulospäin. Puhekelan halkaisija oli 19mm ja reunus sangen leveä, liikkuvien osien kokonaishalkaisija oli 38mm. Kalvo oli jäykkä, valmistettu fenolihartsilla kyllästetystä tekstiilistä. Elementin yläpään toistoa muokattiin diffusorilla. Käytännön ylärajataajuus oli14kHz ja sen kanssa käytettiin joskus supertweeteriä. HF1300:n rakenne perustui Celestionin torvidriveriin.
Nauhatweeter (ribbon tweeters)
E. Gerlach kehitti Saksassa nauhamikrofonin jo vuonna 1924. Englantilainen Stanley Kelly oli ensimmäisiä, jotka “käänsivät” sen kaiuttimeksi ja kehittivät siitä kaupallisen tuotteen viitisenkymmentä vuotta sitten. Valmistuksen aloitti Decca Special Products.
Nauhakaiuttimen kalvo on magneettipiirin ilmarakoon sijoitettu johtavasta materiaalista valmistettu nauha, joka siis toimittaa puhekelan virkaa. Nauhakaiutin on sähköstaattisen kaiuttimen ohella ainoa, jossa edes yritetään ohjata ääntä tuottavan kalvon jokaista pistettä samalla voimalla ja samanvaiheisesti. Nauhan tehollinen pituus ja leveys ovat siten vakioita taajuudesta riippumatta.
Decca/Kelly “London”- tweeterin nauha oli alumiinia, 55mm pitkä ja 8.5mm leveä. Paksuus oli 0.01mm ja massa vain 4.65mg. Nauhan resistanssi oli 0.02 ohmia, joten sitä ei voinut ohjata suoraan vahvistimella. Väliin tarvittiin muuntaja. “London” oli varustettu torvella, mutta siitä oli saatavana myös ilman torvea oleva versio, jota käytettiin supertweeterinä.
Edellä luetelluista numeroista voidaan tehdä muutamia huomioita. Jotta 8.5mm leveä nauha mahtuisi ilmarakoon, raon pitää olla ainakin 9mm levyinen. Tämä tekee magneettipiiristä sangen epäedullisen. Nauhatweeterin magneettipiiristä meneekin 97% hukkaan, ilmarakoon saadaan kohdistettua kokonaisvuosta vain kolmisen prosenttia.
Toinen ilmeinen ongelmakohta on alumiininauhan päiden sähköiset liitokset muuntajan toisiokäämiin. Kontaktien ylimenovastuksen pitää olla paljon alhaisempi kuin nauhan oma resistanssi. “London”-nauhatweeteriä voitiin käyttää 1kHz:stä ylöspäin. Ylärajataajuus oli 30kHz:n paikkeilla.
Gamma Fountek tweeter is based on a similar Decca/Kelly horn/ribbon tweeter. Right: Fountek Neo CD3.0 ribbon tweeter.
Torvella varustetun nauhatweeterin suuntaominaisuudet määräytyvät pitkälti torven geometriasta. Ilman torvea ne tulevat suoraan nauhan mitoista. Nauha asennetaan yleensä pystyasentoon, jolloin säteilykuvio on vaakatasossa laaja. Pystytasossa se on huomattavasti kapeampi ja kuuntelukorkeuden muutos vaikuttaa selvästi ylimpien diskanttien kuuluvuuteen.
Nauhatweeterit ovat tehneet uutta tulemista viime vuosina. Neodymium-magneettimateriaali on mahdollistanut ennen isokokoisen magneettipiirin rakentamisen huomattavasti pienempään tilaan ja entistä halvemmalla.
Townshendin supertweeter on Kellyn nauhatweeterin pienoismalli. Hyvä esimerkki siitä, miten fyysisiä mittoja muuttamalla siirretään toiminta uudelle taajuusalueelle.
Air Motion Transformer
Oskar Heil kehitti Yhdysvalloissa 1970-luvulla nauhatweeteriä muistuttavan diskanttielementin. Kalvo on muovia ja siihen on metalloitu yhdensuuntaiset johtimet tasaisin välein. Sen jälkeen kalvo on laskostettu siten, jokaisen poimun sivussa kulkee johdin. Virran kulku on järjestetty siten, että sen suunta on vastakkainen viereisissä poimuissa. Magneettipiirin navat tulevat kalvon etu- ja takapuolelle. Napojen pitää siis olla akustisesti läpinäkyviä.
Toiminta on sangen yksinkertainen: ensimmäisellä virran puolijaksolla kalvon etupuolen poimut kapenevat ja pumppaavat ilmaa ulos. Takapuolella poimut leviävät ja imaisevat ilmaa sisään. Toisella puolijaksolla tapahtuu täsmälleen päinvastoin. Suhteessa johtimien liikkeeseen tällä tavoin kalvosta saadaan enemmän ääntä ulos kuin edestakaisella liikuttamisella.
“Puhekelan” resistanssi on 6 ohmin luokkaa, joten muuntajaa ei tarvita.
Kuten nauhatweeterissä, tässäkin kalvo on yleensä kapea ja pitkä. Esimerkiksi ESS Amt 1B:n tapauksessa kalvo on kooltaan 3cm x 10.5cm. Suuntakuviot ovat siis erilaiset vaaka- ja pystytasossa ja kalvon tehollinen koko ei muutu taajuuden mukana. Tämä “haitaridiskantti” on herännyt uudelleen henkiin viime aikoina samoista syistä kuin nauhadiskanttikin.
Air Motion Transformer –kalvo, that can be find eg. in ESS Amt 1B tweeter.
Muut toimintaperiaatteet (other principles)
The tweeter unit of Quad ESL57
Sähköstaattisessa kaiuttimessa (kaiutinelementissä) sähköisesti varattua kalvoa liikutetaan staattorilevyjen välissä sähkökentän avulla. Kalvon jokaiseen pisteeseen kohdistuu ainakin periaatteessa sama voima. Saavutettavissa oleva liikepoikkeama on hyvin pieni, siksi kalvon pinta-alasta pitää tehdä suuri. Tämä johtaa kapeaan säteilykeilaan varsinkin taajuusalueen yläpäässä. Säteilykuviota voidaan muokata käyristämällä kalvoa mekaanisesti (esim. Martin-Logan) tai sähköisesti (esim Quad ESL-63) tai sitten jakamalla kalvo osiin (Quad ESL, 2.5-tieratkaisu). Sähköstaattinen kaiutin vaatii toimiakseen polarisaatiojännitteen ja muuntajan väliin, tavallisesta audiovahvistimesta saatava jännite ei riitä ohjaamaan sitä. Periaate on ollut tunnettu jo hyvin kauan. Arthur Janszenin sähköstaattiset diskanttielementit olivat ensimmäisiä tämän lajin kaupallisia tuotteita 1950-luvulla.
Edellä liikutettiin varattua kalvoa sähkökentän avulla. Mitään kalvoa ei tarvita, jos suoraan ilmahiukkasia liikutetaan sähkökentässä. Hiukkaset pitää vain ionisoida ensin, jotta ne tottelisivat. Näin menetellään ionikaiuttimessa (tunnetaan myös plasmakaiuttimena). Tämäkin periaate oli tunnettu jo 1800-luvun lopulla, mutta saatiin odottaa vuoteen 1946, ennenkuin ranskalainen Siegfried Klein esitteli tällaisen diskanttikaiuttimen.Tunnetuin kaupallinen versio oli englantilainen IonoFane. Ionitweeteristä saatava maksimi äänenpaine on pieni, siksi se varustetaan aina torvella.
Pietsosähköinen kide tai keraami muuttaa muotoaan, kun sitä ohjataan jännitteellä. Kun tällaiseen liitetään kartio tai torvi, syntyy pietsotweeter. Näin toimivat diskanttielementit ovat perinteisesti olleet hifistien ylenkatsomia, mutta esimerkiksi arvostetussa Dahlquist DQ-10-kaiuttimessa oli Motorolan pietsodiskanttitorvi.
Torvidiskantit (horn tweeters)
Kun vaaditaan suurta herkkyyttä ja/tai korkeita äänenpainetasoja, torvidiskantti on paras ratkaisu. Torven avulla parannetaan impedanssisovitusta ilmaan ja voidaan kasvattaa varsinaisen äänilähteen – toimii se millä periaatteella tahansa – hyötysuhdetta tai ainakin herkkyyttä. Säteilykuviota voidaan räätälöidä torven muodolla halutunlaiseksi. Torvidiskanteilla on joissain piireissä huonohko maine. Puhutaan ikävästä “torvisoundista”. Tämä johtunee siitä, että epäonnistuneita käytännön toteutuksia on ollut liian paljon. Esimerkiksi voimakkaasti suuntaavaa diskanttitorvea on mahdotonta saada toimimaan saumattomasti yhdessä huomattavasti laajemmalle säteilevän keskiäänisen kanssa. Silloin olisikin parempi käyttää torvea myös keskiäänialueella, tai valita torvi siten, että se hoitaa samalla myös suurimman osan keskiäänistä.
Pioneer PT-6 horn tweeter
Mikä on paras?
Kysymykseen on mahdoton antaa yksiselitteistä vastausta. Maailmassa on erinomaisia kaiuttimia, joissa on käytetty kaikilla edellämainituilla periaatteilla toimivia diskanttielementtejä. Se on kuitenkin selvää, että “hyvä ja kallis” diskanttielementti – toimii se millä periaatteella tahansa - ei tee hyvää kaiutinta. Keskiäänialue on kaiuttimessa kaikkein tärkein ja sen varassa se joko seisoo tai kaatuu. Diskanttielementin pitää olla muuhun kokonaisuuteen sopiva. Koska mikään periaate ei ole muihin verrattuna ylivoimainen, voidaan myös ajatella, että sitä oikeaa ja lopullista ei ole vielä löydetty. Sen sijaan kaivetaan koipussista aina uudelleen esiin jokin jo unholaan painunut rakenne. Tämä tapahtuu muutaman kymmenen vuoden jaksoissa. Nyt alkaisikin modernilla tekniikalla tehdyn kartiotweeterin aika olla käsillä.
PS. Diskantti tulee sanasta ”discant” (discantus), millä tarkoitetaan ääntä tai melodiaa muiden äänien ja melodioiden yläpuolella. Bassoelementtiä tarkoittava sana ”woofer” on tweeterin tavoin onomatopoeettinen ja kuvaa koiran möreää haukuntaa. Wof, wof!