Vi lyssnar på ljud mer än någonsin. Vi har poddar i hörlurarna på bussen, musik i bilen och ljudböcker i soffan. Det är lätt att ta det för givet; vi trycker på play, och plötsligt fylls rummet av en röst eller en melodi. Oavsett om ljudet kommer från de små snäckorna i dina öron eller från de enorma baslådorna på en konsert, så är tekniken inuti nästan exakt densamma.

Vi vet redan att ljud är vibrationer i luften, osynliga vågor som når våra öron. Men hur kan en elektrisk signal från din mobiltelefon omvandlas till något som sätter luften i rörelse? Det verkar nästan magiskt att ström i en kabel kan bli till musik. Svaret på gåtan handlar om ett smart samarbete mellan magneter och elektricitet.

För att förstå hur en högtalare fungerar måste vi titta inuti den. Om vi plockar isär en högtalare hittar vi tre viktiga huvuddelar som måste samarbeta:

1. Membran: Det här är den trattformade delen som vi ofta ser på framsidan av en högtalare. Den fungerar ungefär som skinnet på en trumma. När membranet rör sig fram och tillbaka bildas ljudet. Membranet är ofta gjort av papper, plast eller en lätt metallfolie. Man väljer material som är styva nog att kunna knuffa luften framför sig, men lätta nog att inte bromsa rörelsen.

2. Spole: Det här är högtalarens "elektriska muskel". En spole är en lång, tunn koppartråd som är lindad flera varv, som en rulle sytråd. Spolen sitter i ett smalt utrymme där den kan röra sig fritt fram och tillbaka, utan att nudda kanterna. Den är gjord för att vara så lätt som möjligt, så att den kan röra sig blixtsnabbt. Membranet sitter fast i spolen. Det betyder att varje liten rörelse som spolen gör, måste membranet också göra.

3. Magnet: Längst bak i högtalaren sitter en tung magnet. Den sitter helt stilla, fastmonterad i högtalarens korg (chassit). Magneten är den stabila grunden som hela högtalaren bygger på. Ju starkare denna magnet är, desto bättre kontroll får vi över ljudet.

En högtalare består alltså av en fast magnet och ett membran som sitter fast i en spole som kan röra sig snabbt fram och tillbaka. Men hur förvandlar de tre bitarna elektriska signaler till musik?

Du har säkert någon gång provat att hålla två vanliga magneter mot varandra. Det känns nästan som om det finns en osynlig fjäder mellan dem. Det beror på att alla magneter har en nordpol och en sydpol. Om du håller två olika poler mot varandra (nord mot syd) dras de mot varandra och slår ihop med ett klick. Vi säger att de attraherar varandra. Om du istället försöker tvinga ihop två likadana ändar (nord mot nord eller syd mot syd) händer motsatsen. Då trycks de isär, oavsett hur mycket du försöker pressa ihop dem. De repellerar varandra.

Det är precis den här kraften vi använder i en högtalare för att skapa rörelse. Men vi har ett problem. Den fasta magneten längst bak i högtalaren är alltid lika stark, och den “pekar” alltid åt samma håll. Den kan inte skapa någon rörelse på egen hand. För att skapa vibrationer (ljud) måste vi kunna slå på och av magnetismen när vi vill. Vi måste också kunna byta riktning på kraften – från att dra till att putta. Det är här spolen kommer in.

När vi skickar ström genom en spole bildas ett magnetfält. Detta kallas för en elektromagnet. En elektromagnet är en tillfällig magnet som vi kan styra:

• Om vi stänger av strömmen slutar spolen vara magnetisk.

• Om vi ändrar riktning på strömmen genom spolen, byter magneten poler (nordände blir sydände).

Nu kopplar vi ihop alla delarna. Mobiltelefonen eller datorn skickar ut en elektrisk signal, som är en kopia av ljudvågen i musiken. Den elektriska signalen är en växelström. Det betyder att strömmen hela tiden ändrar riktning och styrka, fram och tillbaka.

Så här går det till, steg för steg:

1. Strömmen skickas från förstärkaren in i spolen.

2. Spolen blir genast magnetisk.

3. Eftersom spolen hänger precis intill den stora, fasta magneten börjar de två magnetfälten påverka varandra.

4. När strömmen går åt ena hållet skapas en kraft som trycker spolen utåt (repulsion). Eftersom membranet sitter fast i spolen, åker det ut och ger luften framför en knuff.

5. När strömmen vänder och går åt andra hållet skapas en kraft som drar spolen inåt (attraktion). Membranet åker då inåt och drar med sig luften tillbaka.

Detta är inte något som bara händer en gång. Membranet rör sig i takt med strömmen. Ut och in, ut och in. Varje gång membranet rör sig skapar det förtätningar (högre tryck) och förtunningar (lägre tryck) i luften. Förtätningarna och förtunningarna bildar tryckvågor i luften. Det är dessa tryckvågor som sprids genom rummet och till slut träffar dina öron som musik.

Förklaring av animationen

I kapitlet om ljudvågor lärde vi oss att olika toner har olika frekvens (svängningar per sekund), och att ljudstyrkan (volymen) beror på amplituden (hur stor svängningen är). Men hur vet högtalaren om den ska viska eller skrika, eller om den ska spela bas eller fiol?

När vi ska ändra vilka toner vi hör, alltså ljudets frekvens, hänger allt på hastigheten. Vilket ljud som spelas upp styrs av hur snabbt strömmen byter riktning. Om strömmen vänder fram och tillbaka 440 gånger på en sekund, så kommer spolen och membranet att tvingas röra sig ut och in exakt 440 gånger under den sekunden. Då hör vi tonen “ettstrukna A” (440 Hz). Ska vi spela en djup, mullrande bas kanske strömmen bara växlar 50 gånger per sekund. Membranet rör sig då långsamt. Ska vi höra en ljus cymbal måste membranet vibrera tusentals gånger varje sekund. När man säger åt mobilen att spela olika toner styr man alltså hur snabbt strömmen byter riktning, och på så sätt hur snabbt membranet i högtalaren rör sig.

Men vad händer när vi höjer volymen på mobilen? Vad gör vi rent fysiskt för att ändra volym ? Jo, vi skickar in mer ström i spolen! En starkare ström gör spolen till en kraftigare elektromagnet. Det betyder att den knuffas utåt och dras inåt med större kraft. Membranet rör sig en längre sträcka fram och tillbaka vid varje svängning. Vi säger att svängningens amplitud ökar. När membranet slår hårdare på luften blir ljudvågen starkare, tryckskillnaderna blir större, och vi upplever ljudet som starkare.

Varför ser högtalare så olika ut? I en stor stereoanläggning eller på bio ser man ofta att det finns flera olika delar i samma låda. Det beror på att vi stöter på ett fysikaliskt problem: en enda högtalare kan inte vara bra på allt samtidigt.

Det handlar om en krock mellan två krav: massa och luftmängd. För att skapa djupa bastoner måste högtalarens membran knuffa iväg mycket luft. Det kräver en stor yta. Men en stor yta väger mer. För att skapa ljusa toner behöver högtalarens membran istället svänga fram och tillbaka väldigt snabbt, tusentals gånger i sekunden. För att inte bli trögt och bromsas in måste membranet då vara så lätt som möjligt. Det är omöjligt att samtidigt vara både stor och tung och liten och snabb.

Därför har en högtalare ofta flera delar som fördelar jobbet mellan sig. Delarna är helt enkelt olika små högtalare, som bara spelar upp ljud med vissa frekvenser. Uppdelningen görs vanligtvis i tre typer:

• Diskant: Sköter de allra snabbaste vibrationerna.

• Mellanregister: Hanterar det mellersta området där röster och många instrument ligger.

• Bas: Tar hand om de tunga lyften och de låga frekvenserna.

Diskanten: För att skapa ljusa toner måste membranet vibrera extremt snabbt, upp till 20 000 gånger i sekunden. För att klara det måste membranet vara litet och väldigt lätt. Om det vore tungt skulle det inte hinna byta riktning så snabbt, precis som att det är svårt att vända en tung kundvagn snabbt. Därför är diskantelement ofta pyttesmå.

Mellanregistret: Mitt emellan diskanten och basen hittar vi mellanregistret. Här ligger de flesta ljud vi lyssnar på till vardags, som den mänskliga rösten, fioler och gitarrer. Högtalaren måste vara en "lagom" kompromiss: tillräckligt lätt för att kunna röra sig snabbt nog för ljusa toner, men tillräckligt stor för att kunna flytta nog med luft för att ge ljudet fyllighet.

Basen: För att skapa mörka bastoner är det tvärtom. Basvågor är stora och långa. För att vi ska känna trycket i bröstet måste högtalaren flytta massor av luft. Det kräver ett stort membran med stor yta. Baselementet är därför den största delen på högtalaren.

Genom att dela upp jobbet kan vi få det bästa av två världar: en stor högtalare som tar hand om de tunga lyften i basen, och en liten som hanterar de snabba detaljerna i diskanten. Tillsammans skapar de en fullständig ljudbild.

En högtalare omvandlar elektriska signaler till ljudvågor. Ljudet vi hör består av vibrationer i luften, och högtalarens uppgift är att skapa dessa vibrationer så att de motsvarar musik, tal eller andra ljud.

De viktigaste delarna i en högtalare är membran, spole och magnet. Membranet är den del som rör sig fram och tillbaka och sätter luften i rörelse. Spolen består av koppartråd och sitter fast i membranet. Längst bak i högtalaren finns en fast magnet.

När en elektrisk signal skickas genom spolen blir spolen till en elektromagnet. Eftersom spolen befinner sig nära den fasta magneten påverkas den av magnetiska krafter. När strömmen går åt ena hållet rör sig spolen och membranet utåt. När strömmen byter riktning rör de sig inåt. Eftersom signalen hela tiden växlar riktning börjar membranet vibrera.

Membranets rörelse skapar förtätningar och förtunningar i luften. Dessa tryckförändringar sprider sig som ljudvågor genom rummet. När ljudvågorna når örat börjar trumhinnan vibrera, och hjärnan tolkar vibrationerna som ljud.

Tonen som högtalaren spelar beror på hur snabbt strömmen växlar riktning. Om strömmen växlar snabbt vibrerar membranet snabbt, och vi hör en hög ton. Om strömmen växlar långsamt vibrerar membranet långsamt, och vi hör en låg ton. Frekvensen hos den elektriska signalen bestämmer alltså frekvensen hos ljudvågen.

Volymen beror på hur kraftigt membranet rör sig. När mer ström skickas genom spolen blir den magnetiska kraften större. Då rör sig membranet längre fram och tillbaka. Amplituden ökar, ljudvågorna får större tryckskillnader och ljudet upplevs som starkare.

Olika högtalarelement är bra på olika frekvenser. Djupa bastoner kräver ett stort membran som kan flytta mycket luft. Ljusa toner kräver däremot ett litet och lätt membran som kan vibrera mycket snabbt. Därför innehåller många högtalare flera delar: bas för låga frekvenser, mellanregister för röster och många instrument, samt diskant för höga frekvenser.

Genom att använda elektromagnetism kan en högtalare alltså omvandla en elektrisk signal till rörelser i ett membran. Dessa rörelser skapar ljudvågor i luften, vilket gör att vi kan höra musik, tal och andra ljud.