Hur fungerar en hornhögtalare?

En hornhögtalare har egenskapen att spela högre med lägre distorsion än en konventionell s.k. dynamisk högtalare. Detta möjliggörs p.g.a ett hornladdat högtalarmembran mer effektivt kan koppla om rörelsen till luften. Ju högre verkningsgrad desto mindre blir distorsionen, eftersom membranets rörelse blir extremt liten. Detta innebär också att en hornladdad högtalare har möjligheten att spela högre med samma ingångseffekt från förstärkaren. Ett horn ökar också elementets effektiva utstrålningsareal. Det relativt lilla membranet får samma effekt som storleken på hornets mynning. En annan av många fördelar med hornprincipen är dess egenskap att frambringa en precis och homogen delningsstruktur. Något som tillåter konstruktören att i större grad kunna kontrollera ljudets spridning.

Kommer hornprincipen att bli gammaldags?
O, nej! Horn var en av de första och tidigaste metoderna att skapa ljud, vilket var megafonen och Thomas Edison´s tidiga fonografer. Under utvecklingen av Edison´s icke-elektroniska fonografer till eran med elektroniska förstärkare har hornet varit en viktig aktör när det gällt att producera ljud naturligt. De tidigaste förstärkarna var mono och inte särskilt starka. Med dagens standard med transistorförstärkare och klass D-tekniken, som kan leverera 1000-tals Watt, är det lätt att glömma bort att de första förstärkarna bara kunde leverera ett fåtal Watt. Ville man skapa realistiska ljudnivåer var hornet med dess höga verkningsgrad det naturliga valet.
Horn har även spelat en viktig roll i filmindustrins kliv från stumfilmen. Exempelvis så användes tre meter breda hornhögtalare på drive-in biograferna. Även idag används horn i de flesta professionella sammanhang, som biografer, studiobruk och konserter. Med dagens digitala utveckling där vi kan lagra eller streama musik eller film med förbättrat dynamiskt omfång, så ställs det ännu högre krav på systemets återgivning av ljud. Något som gör att hornprincipen åter känns som det självklara valet!

Vad är en kompressionsdriver?
I ett hornsystem driver förstärkarens utgång ett litet och lätt membran, hjärtat i själva sammansättningen. Dess rörelse och vikt bidrar till exakta svar på förstärkarens impulser. Ljudvågorna som skapas av membranet blir pressade genom en fasplugg, som sitter framför själva membranet. Faspluggen fungerar som en kompressor och detta ökar trycket mot membranet och är ett första steg till att ge motkoppling till luften.
Genom att koppla kompressionsdrivern till ett horn får man en överensstämmande rörelse med   hornmynningen, samt en förbättrad akustisk laddning. Resultatet blir bättre delningsstruktur, bättre transientegenskaper och lägre distorsionsvärden.
En större del av förstärkareffekten som matas in i hornet förvandlas till akustisk ut och en mindre del utvecklas till värme i talspolen och drivsystemet. Just utvecklingen av för mycket värme i en talspole är en stor orsak till att en högtalare låter sämre. Med ett hornsystem får man en högtalare som är mer pålitlig och driftsäker.

Amerikanska Klipsch är en av de större aktörerna i världen vad gäller att tillverka förstklassiga högtalare och man har sedan starten på 1940-talet förlitat sig på hornladdade konstruktioner. Grunden Paul W. Klipsch etablerade en filosofi som baserades på fysiken och som tog hänsyn till det mänskliga örats egenskaper. Pauls arv lever vidare där Klipsch s ingenjörer kontinuerligt jobbar vidare med att förbättra högtalarens återgivning. De uppdaterar komponenter och använder det senaste och bästa materialetvalet - men fysikens lagar förändrar sig aldrig, och därmed inte heller Klipsch filosofiska grundkoncept.
De fyra grundpelarna är:

- Hög verkningsgrad ger låg distorsion. Mer akustisk utgångseffekt med mindre ineffekt och membranrörelse.
- Kontrollerad spridning minimerar rumsreflektioner
- Ett större dynamiskt omfång uppnås med förstärkarens tillgängliga kapacitet
- En rakare frekvensgång upplevs vid lyssningspositionen till en följd av den kontrollerade spridningen

Vad innebär hög verkningsgrad?
Hög verkningsgrad (kallas även för känslighet) innebär att man har en effektivare konstruktion som bättre omvandlar förstärkareffekten till akustisk laddning. Detta resulterar i lägre nivåer av distorsion och ett större dynamisk omfång, vilket i sin tur ger högtalaren bättre kapacitet att skapa en högre realism i en konsertinspelning eller från det senaste filmljudspåret. För att enkelt illustrera effektivitet och riktningskontroll konstruerade Klipsch-ingenjörerna på 90-talet ett mer konventionellt 4" element som sattes i ett kabinett, där drivern kunde köras både med och utan hornladdning. Vid båda tillfällena tillfördes lika mycket förstärkareffekt.
Innan hornladdningen tillfördes så hade elementet en känslighet på 85 dB, med 1 Watts inkommande förstärkareffekt. När elementet blev kopplat till ett horn så ökade känsligheten till 100 dB, vilket alltså är en förbättring på 15 dB. En motsvarande ökning av volymen i en förstärkare innebär att man måste ha 32 gånger så mycket förstärkareffekt!


I dagens digitala era med mer högupplösta ljudformat så ställs det större krav på anläggningens förmåga att återge det dynamiska omfånget. I en hemmabio kan det i ena stunden återges en svag viskning för att i nästa ögonblick låta en explosion skaka om hela rummet.

För att exempelvis kunna återge de starkaste dynamiska topparna i ett THX Ultra 2-certifierat filmljudspår på 120 dB, så behöver en hornladdad högtalare (beroende på dess känslighet) inte mer än dryga 30 till 200 Watt från förstärkaren. En mer konventionell högtalare, som i genomsnitt har en känslighet mellan 87 till 90 dB behöver i sin tur upp till ett par tusen Watt. Då spelar alltså de båda systemen på exakt samma ljudnivå!
Diagrammet till vänster visar hur känsligheten är relaterad till
effektbehovet, helt beroende på det dynamikomfång som skall uppnås.


Vad är kontrollerad spridning?
Egenskapen att kunna fokusera den akustiska energin och dess spridningsmönster mot lyssningspositionen kallas kontrollerad spridning. Får man en större mängd av ljudets energi som sprids direkt mot lyssningspositionen, utan att ha reflekterats i väggar, tak eller golv, så får man en rakare frekvensgång och bättre fasstabilitet i de olika registrena. Ljud som reflekteras i ett rum blir  fördröjt än det direktstrålande och även om vi pratar om millisekunder av fördröjt ljud, så är våra hjärnor skarpa analysverktyg och vi kommer uppleva tappad fokus i ljudbilden.

Får man en större mängd av ljudets energi som sprids direkt mot lyssningspositionen, utan att ha reflekterats i väggar, tak eller golv, så får man en upplevd rakare frekvensgång och bättre fasstabilitet i de olika registrena. Ljud som reflekteras i ett rum blir fördröjt än det direktstrålande och även om vi pratar om millisekunder, så är våra hjärnor skarpa analysverktyg och vi kommer tappa fokus i ljudbilden.

Bilden till vänster visar hornhögtalarens mer kontrollerade spridningsmönster som minimerar reflektioner i rummet. Tänk dig att ha en hemmabio-setup med minst fem högtalare runt dig. Med den kontrollerade spridningen kan man mer effektivt lokalisera alla effekter i surroundljudet.
Med ett Klipsch-system är det lite som kan gå fel!

Tractrix-hornet
Det finns olika typer av horn där dess geometriska form på hornets väggar mellan halsen och munnen skiljer dem åt. De mest välbekanta hornen är exponentialhornet, det koniska hornet och hyperboliska hornet. Den 5:e Oktober 1927 fick P.G.A. Voight ett brittiskt patent (nr 278.078) för ett horn som var baserat på Tractrix-principen. Tractrix är utformat för att producera en halvsfärisk vågfront med mindre färgning än andra horn. Man kan kort sammanfatta det med att man kan uppnå bättre riktningskontroll, bättre impedansförlopp och en rakare frekvenskurva.