Pohled na frekvenční rozsah zvuku a zvukové komponenty

Zvuk je všudypřítomný, od automobilů přes domácnosti až po přenosná zařízení, a jeho využití v aplikacích jen roste. Pokud jde o návrh zvukového systému, je důležité vzít v úvahu velikost, cenu a kvalitu. Kvalita je ovlivněna mnoha proměnnými, ale obvykle se odvíjí od schopnosti systému obnovit potřebné zvukové frekvence pro danou konstrukci. V tomto článku se dozvíte více o základech zvukového frekvenčního rozsahu a jeho podmnožinách, vlivu konstrukce skříně a o tom, jak určit, která zvuková pásma mohou být v závislosti na aplikaci potřebná.

Základy frekvenčního rozsahu zvuku

20 Hz až 20 000 Hz je běžně uváděný zvukový frekvenční rozsah. Vnímaný slyšitelný rozsah průměrného člověka však může být o něco nižší než 20 Hz až 20 kHz a s věkem jednotlivců se tento detekovatelný rozsah pouze snižuje. Zvuková frekvence je nejlépe srozumitelná prostřednictvím hudby, kde je každá následující oktáva dvojnásobkem předchozí frekvence. Nejnižší nota A klavíru má frekvenci kolem 27 Hz, zatímco jeho nejvyšší nota C se blíží 4 186 Hz. Mimo tyto běžné frekvence generuje jakýkoli objekt nebo zařízení produkující zvuk také harmonické frekvence. Jedná se jednoduše o vyšší frekvence s nižší amplitudou. Například nota A 27 Hz klavíru generuje také harmonickou 54 Hz, harmonickou 81 Hz atd., přičemž každá další harmonická je tišší než ta předchozí. Harmonické složky se stávají obzvláště důležitými v reproduktorových systémech s vysokou věrností, kde je nutné přesné znovuvytvoření zdroje zvuku.

Podmnožiny zvukové frekvence

Níže uvedená tabulka uvádí sedm frekvenčních podmnožin v rámci spektra 20 Hz až 20 000 Hz, které pomáhají při definování cílových rozsahů použitých při návrhu zvukového systému.

Tabulka 1: Podmnožiny frekvenčního rozsahu zvuku. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Grafy frekvenční odezvy

Grafy frekvenční odezvy představují dobrý způsob vizualizace, jakým bude bzučák, mikrofon nebo reproduktor reprodukovat různé zvukové frekvence. Protože bzučáky obvykle vydávají pouze slyšitelný tón, mají obvykle úzký frekvenční rozsah. Na druhou stranu reproduktory obecně nesou širší frekvenční rozsahy, protože jejich běžným úkolem je znovu vytvořit zvuk a hlas.

Osa y v grafu frekvenční odezvy výstupních audiozařízení, jako jsou reproduktory a bzučáky, představuje hladinu akustického tlaku v decibelech (dB SPL), což je v zásadě hlasitost zařízení. Osa y pro vstupní audiozařízení, jako jsou mikrofony, představuje naopak citlivost v dB, protože tato zařízení zvuk detekují, nikoli produkují. Na níže uvedeném obrázku 1 představuje osa x frekvenci v logaritmickém měřítku a osa y hladinu akustického tlaku (SPL) v dB, což z ní činí graf výstupního audiozařízení. Všimněte si, že jelikož jsou decibelové hodnoty logaritmické, obě osy jsou také logaritmické.

Obrázek 1: Základní graf frekvenční odezvy. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Tento graf, který znázorňuje generovanou hladinu akustického tlaku (SPL) v dB při konstantním příkonu na různých frekvencích, je relativně plochý a s minimálními změnami napříč frekvenčním spektrem. Kromě prudkého poklesu pod 70 Hz by toto audiozařízení se stejným vstupním výkonem generovalo konzistentní hladinu akustického tlaku (SPL) mezi 70 Hz a 20 kHz. Cokoli pod 70 Hz by produkovalo nižší hladinu akustického tlaku (SPL).

Graf frekvenční odezvy reproduktoru CSS-50508N od společnosti Same Sky (obrázek 2) je lepším příkladem typičtějšího profilu reproduktoru. Tento graf obsahuje různé vrcholy a poklesy představující body, ve kterých dochází vlivem rezonance k zesilování nebo zeslabování výkonu. Katalogový list tohoto reproduktoru o rozměrech 41 mm × 41 mm uvádí rezonanční frekvenci 380 Hz ± 76 Hz, kterou lze v grafu vidět jako první větší vrchol. Ten rychle klesá na přibližně 600 až 700 Hz, ale pak v rozsahu přibližně 800 Hz až 3 000 Hz poskytuje stabilní hladinu akustického tlaku (SPL). Vzhledem k velikosti reproduktoru by konstruktér mohl předpokládat, že model CSS-50508N nebude dobře fungovat na nižších frekvencích ve srovnání s vyššími frekvencemi, což potvrzuje graf. Když konstruktér pochopí, jak a kdy využívat graf frekvenční odezvy, může si ověřit, zda reproduktor nebo jiné výstupní zařízení dokáží reprodukovat cílové frekvence.

Obrázek 2: Graf frekvenční odezvy reproduktoru CSS-50508N 41 mm × 41 mm od společnosti Same Sky. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Aspekty týkající se zvukového rozsahu a skříně

Zvukový rozsah může ovlivnit konstrukci skříně několika způsoby, jak je uvedeno v následujících částech.

Velikost reproduktoru

Menší reproduktory se ve srovnání s většími reproduktory pohybují rychleji, což jim umožňuje produkovat vyšší frekvence s menším množstvím nežádoucích harmonických. Při snaze dosáhnout podobné výstupní hladiny akustického tlaku (SPL) na nižších frekvencích je zapotřebí větších membrán reproduktoru, aby pohybovaly dostatečným objemem vzduchu odpovídajícím stejnému vnímanému akustickému tlaku (SPL) v dB jako u vyšších výšek. Ačkoli jsou větší membrány mnohem těžší, tato skutečnost obvykle nepředstavuje problém na nižších frekvencích, kde se pohybují mnohem pomaleji.

Rozhodování mezi menším nebo větším reproduktorem bude nakonec záviset na požadavcích aplikace. Menší reproduktory však obvykle vedou k menší skříni, což může snížit náklady a zlepšit úsporu místa. Další informace naleznete v blogu společnosti Same Sky Jak navrhnout skříň mikroreproduktorů.

Rezonanční frekvence

Rezonanční frekvence představuje frekvenci, při které má objekt snahu přirozeně vibrovat. Kytarové struny při brnkání kmitají na své rezonanční frekvenci, což znamená, že pokud by byl reproduktor umístěn vedle kytarové struny hrající její rezonanční frekvenci, kytarová struna by začala vibrovat a postupem času by se zvyšovala amplituda. Pokud však jde o zvuk, stejný jev může vést k nežádoucímu bzučení a chrastění s okolními předměty. Další informace o tomto tématu naleznete v blogu společnosti Same Sky týkajícím se rezonance a rezonanční frekvence.

Aby se u reproduktoru zabránilo nelineárnímu výstupu i nežádoucím harmonickým, při návrhu skříně je důležité zajistit, aby vlastní rezonanční frekvence skříně neležela ve stejném spektru jako zamýšlený zvukový výstup.

Kompromisy ohledně materiálu

Konstrukce reproduktoru a mikrofonu představuje nastolení citlivé rovnováhy mezi součástmi, které musí zůstat během pohybu nehybné, pružné a tuhé. Membrána reproduktoru (nebo kužel) by měla být lehká, aby umožňovala rychlou odezvu, a zároveň by měla zůstat co nejpevnější, aby se zabránilo její deformaci při pohybu. Reproduktory od společnosti Same Sky běžně využívají papír a mylar, které jsou lehké a tuhé. Jako druh plastu má mylar také další výhodu spočívající v odolnosti proti vlhkosti a vlhku. K připojení membrány k rámu se používá pryž. Aby se zabránilo prasknutí v důsledku extrémního pohybu, musí být tento materiál pevný a poddajný, aby neomezoval pohyb membrány.

Obrázek 3: Základní konstrukce reproduktoru. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Stejné kompromisy lze pozorovat také při srovnání technologií mikrofonů. Elektretové kondenzátorové mikrofony a mikrofony MEMS poskytují uživatelům odolnost, kompaktní pouzdra a nízkou spotřebu, avšak s omezenější frekvencí a citlivostí. Na druhou stranu páskové mikrofony nabízejí vylepšenou citlivost a frekvenční rozsah, ovšem za cenu kratší životnosti.

Materiál je důležitou volbou také v konstrukci skříně, která ovlivňuje rezonanci i absorpci zvuku. Primárním cílem skříně je tlumit zvuk generovaný mimo fázi směrem dozadu, což znamená, že zvolený materiál musí být v absorpci zvuku účinný. To je obzvláště důležité ve zvukových aplikacích s nižší frekvencí, kde je tlumení obtížnější.

Závěr

Celkově vzato, existuje jen omezený počet zvukových systémů a žádné jednotlivé výstupní zvukové zařízení, které by dokázalo překlenout celé zvukové spektrum s neomezenou úrovní věrnosti. Obecně platí, že většina aplikací nebude tuto úroveň věrnosti vyžadovat a dokonale lineární výstup nebude pravděpodobně potřebný. Pochopení frekvenčního rozsahu zvuku však bude i nadále hrát důležitou roli při výběru vhodné zvukové komponenty pro návrh. Díky těmto znalostem mohou konstruktéři lépe zvážit kompromisy mezi náklady, velikostí a výkonem. Společnost Same Sky poskytuje širokou řadu audiořešení s různými frekvenčními rozsahy pro podporu celé škály aplikací.