Vývoj záznamových zařízení XVI
Reproduktory I
Vznik prvních elektroakustických měničů
Sebelepší záznamový systém je v podstatě zbytečný, pokud k němu neexistuje adekvátní zařízení schopné reprodukovat uložená data. Úloha reproduktoru, který v podstatě v záznamovém řetězci představuje prvek inverzní k mikrofonu, je proto velmi zásadní. V následujícím textu je představen původ tohoto zařízení, problémy, které provázely počátky jeho vzniku, a vývoj až do začátku třicátých let, odkud pochází vícepásmové reproduktory i stereofonní zvuk.
Úvodem je třeba alespoň letmo zmínit základy jakési encyklopedické klasifikace. Reproduktor, někdy také tlampač či amplión, je elektroakustický měnič, který převádí energii elektrického signálu kmitáním na mechanickou energii ve formě zvuku. Reproduktory lze rozdělovat podle mnoha různých kritérií, například dle způsobu vyzařování (přímo vyzařující - membránové, či nepřímo vyzařující - tlakové), dle principu funkce měniče (elektrodynamické, elektromagnetické, piezoelektrické, plazmové...), podle účelu (domácí, profesionální, nástrojové...) či podle frekvenčního rozsahu (basové, středové, výškové či širokopásmové). Možností klasifikace je samozřejmě více a mnohem víc je také různých druhů, typů a technologií reproduktorů. Prakticky nejvýznamnější jsou však reproduktory elektrodynamické (většinou se používá výraz dynamické), které nás obklopují téměř na každém kroku.
První dynamický reproduktor, tehdy ještě pod titulem měnič s pohyblivou cívkou, popsal Ernst W. Siemens v roce 1874, jak bylo již zmíněno v 11. dílu seriálu v souvislosti s vývojem dynamického mikrofonu. Jeho „magneto-elektrický apparatus“ byl patentován jako zařízení, které se vlivem proměnného elektrického signálu pohybuje v axiálním směru. Své zařízení však Siemens nepoužil pro tvorbu či přenos zvuku. Tato myšlenka napadla až Alexandra G. Bella, který v roce 1876 patentoval telefon. S podobnými zařízeními experimentovali i mnozí další vynálezci, většinou spojení s pokusy o vynález telefonu. Další podrobnosti byly popsány ve 4. dílu s názvem Vznik fonografu.
Siemens na konci roku 1877 podal (a na začátku 1878 získal) patent na nemagnetickou papírovou ozvučnici ve tvaru exponenciálně se rozšiřujícího kužele. Tento zvukovod trumpetového tvaru byl později používán na většině fonografů akustické éry jako zesilovač přehrávaného zvuku pod názvem loudspeaker horn.
Horna se tak stala první používanou reproduktorovou konstrukcí, ačkoliv neobsahovala žádné elektrické prvky. Thomas Edison, Magnavox i Victrola v období akustického přehrávání vyvinuli mnoho druhů zesilovacích „trumpet“, z nichž některé dokázaly poskytnout překvapivě velkou úroveň zesílení (připomeňme, že samotný zvuk byl generován pohybem přehrávací jehly po válečku, která rozvibrovala obvykle jakýsi kovový plátek - membránu na začátku horny). Hornové reproduktory se vyráběly v mnoha podobách a z nejrůznějších materiálů. Jejich praktický účel šel ruku v ruce s dekorativní funkcí.
V roce 1898 byla zveřejněna inovace Olivera Lodge, který doplnil Siemensovu původní konstrukci dynamického reproduktoru o nemagnetické rozpěrky, tak aby stále udržel vzduchovou mezeru mezi póly cívek (aby se cívky k sobě „nepřicvakly“). Zde je třeba zdůraznit, že v pionýrských dobách dynamických reproduktorů nebyly používány permanentní magnety, neboť v té době nebyly schopné vyvinout dostatečně silné magnetické pole. První pokusné ampliony se tedy skládaly ze dvou cívek, z nichž k jedné byl většinou připevněn rezonující element (obdoba kovové destičky v telefonním sluchátku, které lze označit jako elektromagnetický reproduktor).
Elektromagnetická část reproduktoru byla tedy známa již na konci 19. století, proč tedy trvalo tak dlouho, než se elektrodynamické reproduktory dostaly do provozuschopného stavu? K jejich skutečnému vzniku totiž byly potřeba znalosti nejenom elektřiny, ale také pochopení zvukového vlnění, mechaniky a dalších oblastí chemie a fyziky, které v té době nebyly zdaleka prozkoumány. Současně bez možnosti zesílení elektrického signálu byl jakýkoliv elektrický reproduktor prakticky k nepotřebě.
Na začátku 20. století je tak postupně vylepšována konstrukce reproduktoru. Roku 1901 je Johnem Strohem poprvé popsána papírová membrána připevněná k cívce (ovšem zatím nepoužita), v roce 1908 Anton Pollak vymyslel nový systém uchycení pohyblivé cívky (Suspension Spider) a kolem roku 1915, kdy již existovalo významné centrum jménem Bell Labs, začaly experimenty s elektronkou v roli zesilovače elektrického signálu.
Výzkumný program pod vedením Harolda Arnolda za účelem vylepšení fonografické nahrávky měl tři hlavní priority: za prvé vyvinout zesilovač založený na elektronce, druhou prioritou byl mikrofon a na třetím místě byl reproduktor. V letech 1925-26 tak Bell Labs představily dynamický reproduktor postavený A. C. Wentem (vyráběný jako Western Electric 555), Ortofonický fonograf, či Vitafone - systém k ozvučení prvních zvukových filmů.
Skutečně použitelné dynamické reproduktory začaly být dostupné až v polovině dvacátých let, tedy zhruba po padesáti letech od počátků výzkumu! Do té doby si sice mnozí vynálezci „hráli“ s různými variantami přístroje, nebyli však schopni vytvořit víc než velmi hrubý a zkreslený zvuk, který sice stačil pro hlasovou telefonii, ale hudební průmysl musel spoléhat na akustické horny. První komerční dynamický reproduktor se začal vyrábět v roce 1921 pod názvem Phonetron následovaný Thorophonem ve tvaru husího krku z roku 1923.
Zlomový rok 1925 přinesl významný technologický pokrok, neboť Western Electric ve spolupráci s Bell Labs představilo 555-W Speaker Driver s desetiwattovým zesilovačem 205-D a konkurenční General Electric přišel s rádio-modelem Radiola Loudspeaker #104. Stočtyřka se prodávala za tehdejších 250 dolarů, což představuje dnešních zhruba 3000 dolarů. Její vynálezci C. W. Rice a E. W. Kellog v témže roce zveřejnili významnou výzkumnou publikaci na téma přímo vyzařujících reproduktorů s membránou kontrolovanou pohyblivou cívkou. Mimo jiné zde popisují konstrukci membrány ve vztahu k její vlastní rezonanční frekvenci.
V roce 1928 představil Fanger reproduktorovou strukturu známou jako koaxiální speaker, kdy malý výškový reproduktor s vlastní membránou je vložený doprostřed velké basové membrány vnějšího reproduktoru. Jedná se tedy o jakýsi první vícepásmový systém. Téhož roku vzniká i návrh směrového reproduktoru, určený pro lepší přenos mluveného slova k divákovi v kině či divadle. Tyto mohly být kombinovány s „běžnými“ reproduktory určenými pro hudbu, které ovšem nebyly zdaleka tak směrové a mluvené slovo z nich bylo hůře srozumitelné.
Zcela nový princip tvorby zvuku popsal E. W. Kellogg ve svém patentu z roku 1929, který hovoří o elektrostatickém reproduktoru, schopném emitovat zvuk bez přítomnosti cívek, membrán či zvukovodů. Nejenom jeho práce inspirovala o mnoho let později britského hudebníka a audio inženýra Petera Walkera k vytvoření prvního plochého panelového elektrostatického reproduktoru s širokopásmovou frekvenční charakteristikou. Model ESL-57 firmy Quad Electroacoustics z roku 1957 byl tvořen několika tenkými vrstvami různě vodivého materiálu, mezi kterými proměnný náboj tvořený velmi vysokým napětím vytvářel zvuk. Reproduktor byl okamžitě adoptován BBC pro monitorování zvukové kvality vysílání.
Další z významných inovací byl systém bass-reflexu, patentovaný A. L. Thurasem roku 1930 (patent udělen 1932). Thuras během svého výzkumu v Bell Labs propočítal a experimentálně ověřil systém otevřené trubice o přesných rozměrech, která vedla a zesilovala basové frekvence dopředu směrem k posluchači. Dosavadní systémy byly pro hluboké tóny otevřené dozadu, nebo byly zcela uzavřené, čímž docházelo naopak k nežádoucímu útlumu.
Začátek třicátých let lze již považovat za přelomové období, kdy zvukové soustavy dostávaly obrysy dnešních moderních technologií - v roce 1931 je představen první skutečně dvoupásmový reproduktor s oddělenými frekvenčními pásmy, o dva roky později se konala první veřejná prezentace stereofonního systému, který přinesl dojem prostorového zvuku a který se ve druhé polovině dvacátého století vyvinul až do podoby dnešních vícekanálových ozvučovacích soustav. O tom ale až v příštím díle.
