Pohled na frekvenční rozsah zvuku a zvukové komponenty

By Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Zvuk je všudypřítomný - od automobilů přes domácnosti až po přenosná zařízení a jeho aplikační využití jen roste. Pokud jde o návrh audiosystému, 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, dopadu konstrukce skříně a o tom, jak určit, která zvuková pásma mohou být potřebná v závislosti na aplikaci.

Základy frekvenčního rozsahu zvuku

20 Hz až 20 000 Hz je běžně uváděný zvukový kmitočtový 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 každá následující oktáva je dvojnásobkem předchozí frekvence. Nejnižší nota A klavíru má kmitočet kolem 27 Hz, zatímco jeho nejvyšší nota C se blíží 4186 Hz. Mimo tyto běžné frekvence jakýkoli objekt nebo zařízení produkující zvuk generuje také harmonické složky. Jedná se jednoduše o vyšší frekvence s nižší amplitudou. Například nota „A“ 27 Hz klavíru také generuje harmonickou 54 Hz, harmonickou 81 Hz atd., přičemž každá harmonická je tišší než ta předchozí. Harmonické složky se stávají obzvláště důležitými v reproduktorových systémech s vysokou věrohodností, kde je nutná přesná rekreace 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 audio systému.

Tabulka podmnožin frekvenčního rozsahu zvukuTabulka 1: Podmnožiny zvukových kmitočtových rozsahů. (Zdroj obrázku: CUI Devices)

Grafy kmitočtové charakteristiky

Grafy kmitočtové charakteristiky představují dobrý způsob vizualizace, jakým způsobem bude bzučák, mikrofon, nebo reproduktor reprodukovat různé zvukové kmitočty. Protože bzučáky obvykle vydávají pouze slyšitelný tón, obvykle mají úzký frekvenční rozsah. Na druhou stranu reproduktory obecně nesou širší frekvenční rozsahy, protože mají běžný úkol znovu vytvořit zvuk a hlas.

Osa y v grafu kmitočtové charakteristiky výstupních audio zařízení, jako jsou reproduktory a bzučáky, představuje hladinu akustického tlaku v decibelech (dB SPL), což je v zásadě hlasitost zařízení. Osa y pro vstupní audio zařízení, jako jsou mikrofony, naopak představuje 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, čímž se stává grafem výstupního zvukového zařízení. Všimněte si, že jelikož hodnoty dBs jsou logaritmické, obě osy jsou též logaritmické.

Základní graf kmitočtové charakteristikyObrázek 1: Základní graf kmitočtové charakteristiky. (Zdroj obrázku: CUI Devices)

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 zvukové zařízení se stejným odebíraným 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 kmitočtové charakteristiky reproduktoru CSS-50508N od společnosti CUI Devices (obrázek 2) je lepším příkladem typičtějšího profilu reproduktoru. Tento graf obsahuje různá maxima a minima představující body, ve kterých se vlivem rezonance zesiluje nebo zeslabuje výkon. Datový list tohoto reproduktoru o rozměrech 41 mm x 41 mm uvádí rezonanční frekvenci 380 Hz ± 76 Hz, kterou lze v grafu považovat za první hlavní maximum. To rychle klesá v okolí 600 až 700 Hz, ale pak poskytuje stabilní hladinu akustického tlaku (SPL) v rozsahu přibližně 800 Hz až 3 000 Hz. 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. Pochopením způsobu, kdy a jak využívat graf kmitočtové charakteristiky, může konstruktér potvrdit, zda reproduktor nebo jiné výstupní zařízení mohou reprodukovat jejich cílové frekvence.

Graf kmitočtové charakteristiky reproduktoru CSS-50508N 41 mm x 41 mm od společnosti CUI DevicesObrázek 2: Graf kmitočtové charakteristiky reproduktoru CSS-50508N 41 mm x 41 mm od společnosti CUI Devices. (Zdroj obrázku: CUI Devices)

Kritéria zvukového rozsahu a skříně

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

Velikost reproduktoru

Menší reproduktory se pohybují rychleji ve srovnání s většími reproduktory, což jim umožňuje produkovat vyšší frekvence s méně nežádoucími harmonickými složkami. Pokud se však snažíte 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 na vyšších tónech. Ačkoli jsou větší membrány jsou mnohem těžší, tato skutečnost obvykle nevytváří problémy 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 CUI Devices Jak navrhnout skříň mikro reproduktorů.

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 se zvyšovala amplituda. Pokud však jde o zvuk, stejný jev může vést k nežádoucímu brumu a chrastění s okolními předměty. Další informace o tomto tématu naleznete v blogu společnosti CUI Devices rezonance a rezonanční frekvence.

Aby byl u reproduktoru vyloučen nelineární výstup i nežádoucí harmonické složky, při návrhu skříně je důležité zajistit, aby vlastní rezonanční frekvence skříně neležela ve stejném spektru jako zamýšlený zvukový výstup.

Materiálové kompromisy

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

Schéma základní konstrukce reproduktoruObrázek 3: Základní konstrukce reproduktoru. (Zdroj obrázku: CUI Devices)

Stejné kompromisy lze pozorovat také při srovnání mikrofonních technologií. 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 také důležitou volbou v konstrukci skříně, která ovlivňuje rezonanci i pohlcování zvuku. Primárním cílem skříně je tlumit rozfázovaný, dozadu generovaný zvuk, což znamená, že zvolený materiál musí být účinně pohlcovat zvuk. To je obzvláště důležité v aplikacích s nízkou zvukovou frekvencí, kde je zajištění 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 věrohodnosti. Obecně platí, že většina aplikací nebude tuto úroveň věrohodnosti vyžadovat a dokonale lineární výstup pravděpodobně nebude potřebný. Pochopení zvukového frekvenčního rozsahu však bude i nadále hrát důležitou roli při výběru vhodné zvukové komponenty pro návrh. Díky tomuto porozumění mohou konstruktéři lépe zvážit kompromisy mezi náklady, velikostí a výkonem. Společnost CUI Devices poskytuje širokou řadu audio řešení s různými frekvenčními rozsahy pro podporu celé škály aplikací.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors