Význam rezonance a rezonanční frekvence v audiosystémech

Pro konstruktéry pracující s rezonančními audiosystémy stojí dvě klíčové výzvy. První z nich je využití rezonanční frekvence a rezonanční zóny reproduktoru nebo bzučáku k vytvoření nejvyšší hladiny výstupního akustického tlaku (SPL). Druhou je zabránit rezonanci způsobující bzučení a rachocení v ozvučnici a montážním systému audiozařízení. Přestože je rezonance známým pojmem, jsou v tomto článku zhodnoceny její důsledky v konstrukci audiosystému včetně výše uvedených problémů a faktorů ovlivňujících rezonanci a rovněž se zde uvádí, jak se vyznat v křivce frekvenční odezvy.

Základy rezonance a rezonanční frekvence

K porozumění dopadu rezonance je třeba ji nejprve porozumět na základní úrovni. K rezonanci dochází, když fyzický předmět nebo elektronický obvod absorbuje energii z počátečního impulsu a poté vibruje na stejné frekvenci, i když se zmenšující se amplitudou a bez působení jakékoli další síly. Frekvence, při které k tomuto chování dochází, je známá jako rezonanční frekvence systému a je označována jako F0.

K rezonanci může docházet v mnoha kontextech. Kytary jsou dokonalým každodenním příkladem, protože produkují zvuk výhradně vibracemi. Když hráč brnkne na strunu akustické kytary, ta vibruje a přenáší zvukovou energii do dutého dřevěného těla nástroje, čímž rezonuje a zesiluje zvuk, který vytváří. Podobně může LC filtr rezonovat jako obvod laděné nádoby, pokud je stimulován signálem na správné frekvenci. Tento efekt se používá v základních rádiích k zachycení vysílaného signálu úpravou hodnoty kapacity nebo indukčnosti v obvodu nádoby tak, aby její rezonanční frekvence odpovídala vysílané frekvenci. Jako frekvenční referenci lze použít elektromechanickou rezonanci v piezoelektrickém krystalovém oscilátoru.

Přehled komponent audiovýstupu

Mechanická rezonance je ovlivněna hmotností a tuhostí, která spojuje různé hmoty dohromady. Pokud jde o standardní reproduktory, je touto hmotou membrána (nebo kužel) a tuhost závisí na pružnosti zavěšení, které spojuje membránu s rámem. Vzhledem k tomu, že se reproduktory vyrábějí mnoha různými způsoby, může každý typ reproduktoru poskytovat různé rezonanční frekvence.

Mezi další faktory, které způsobují, že se rezonanční frekvence reproduktoru mění, patří materiál kužele, tloušťka zavěšení a velikost elektromagnetu, který je připevněn k zadní části kužele a ovlivňuje hmotnost. Obecně platí, že lehčí, tužší materiály a flexibilní zavěšení vedou k vyšším rezonančním frekvencím. Například vysokofrekvenční výškové reproduktory jsou malé a lehké s pevnými mylarovými kužely a vysoce flexibilním zavěšením. Úpravou těchto faktorů mají standardní reproduktory frekvenční rozsah někde mezi 20 a 20 000 Hz.

Obrázek 1: Struktura standardního reproduktoru (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Dalším typem komponenty audiovýstupu jsou bzučáky magnetických měničů. Ty oddělují hnací mechanismus od mechanismu produkujícího zvuk jiným způsobem než reproduktor. Díky lehčí membráně, která je k rámu pevněji připojena, mají magnetické měniče vyšší normální frekvenční rozsah, ale se sníženým rozsahem. Obvykle produkují zvuk od 2 do 3 kHz s další výhodou, že k produkci stejné SPL potřebují méně proudu než reproduktory.

Obrázek 2: Struktura standardního magnetického bzučáku (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Konečně existují také bzučáky piezoelektrických měničů, které jsou ještě efektivnější při produkci vyšších SPL při stejném množství proudu jako jejich magnetické protějšky. Využitím piezoelektrického jevu mění elektrické pole, aby způsobily, že se piezokeramický prvek ohýbá jedním a druhým směrem, což vede k výstupu zvukových vln. Tento piezomateriál je obecně tuhý a součásti používané v těchto typech bzučáků jsou malé a tenké. Bzučáky piezosnímačů, jako jsou magnetické verze, generují vysoké zvuky mezi 1 až 5 kHz s úzkým frekvenčním rozsahem.

Obrázek 3: Struktura standardního piezoelektrického bzučáku (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Úvahy o návrhu rezonance

Navrhování reproduktorů nebo bzučáků, které využívají rezonance, je složitý úkol, který zahrnuje zvážení požadované rezonanční frekvence nebo rozsahu rezonanční frekvence, charakteristik reproduktoru nebo bzučáku, který bude použit, a tvaru a velikosti ozvučnice, do které bude namontován. Tyto faktory se mohou navzájem poměrně radikálně ovlivňovat.

Například montáž malého reproduktoru do velmi velké ozvučnice mu umožní volný pohyb, takže rezonanční frekvence systému (reproduktor plus ozvučnice) bude pravděpodobně stejná jako vlastní rezonance reproduktoru pracujícího ve volném vzduchu. Pokud ale reproduktor vložíte do malé, pevně utěsněné ozvučnice, vzduch bude uvnitř fungovat jako mechanická pružina, která interaguje s kuželem reproduktoru a ovlivňuje rezonanční frekvenci systému. Existují další interakce, jako jsou nelineární charakteristiky elektrického pohonu, které je také třeba vzít k dosažení efektivního návrhu v úvahu.

Vzhledem k této složitosti je nejlepším způsobem, jak postupovat s jakýmkoli druhem audionávrhu, často sestavit nějaké prototypy, změřit jejich charakteristiky a poté je upravit tak, aby produkovaly se zvoleným zdrojem zvuku nejlepší výstup. Tento přístup založený na prototypování může také pomoci konstruktérům pochopit a kompenzovat skutečnost, že charakteristiky součástí se budou lišit v rámci výrobních tolerancí a geometrie ozvučnice a tuhost budou podléhat výrobním odchylkám. Ručně vyrobený reproduktor osazený nejlepšími komponenty vybranými ze série často dosahuje výkonu, kterého je obtížné opakovaně dosáhnout pomocí technik masové výroby a standardních komponent.

Ozvučnice, zejména pro reproduktory, musí být také navrženy tak, aby měly dostatek vnitřního prostoru pro to, aby se produkovaná zvuková energie vyvíjela bez útlumu. Mírné snížení SPL o 3 dB, způsobené krytem ozvučnice nebo materiály, sníží výstupní akustický výkon na polovinu. V příspěvku „Jak navrhnout ozvučnici mikroreproduktoru“ na blogu společnosti Same Sky se o tom pojednává podrobněji.

Celkově je důležité se podívat na celospektrální odezvu audiokomponenty a využít její výkon na frekvencích, které existují na obou stranách jejího rezonančního frekvenčního vrcholu. Vzhledem k tomu, že rezonanční frekvence není přesné číslo ani nutně velmi úzké pásmo, zejména u reproduktorů, je pravděpodobné, že zde bude užitečná frekvenční odezva, kterou mohou konstruktéři využít na obou stranách maximální hodnoty uvedené v katalogovém listu. Cílem je optimalizovat výstupní SPL a frekvenci pro daný vstupní výkon. K dosažení tohoto cíle by mělo být zařízení řízeno na své rezonanční frekvenci a na frekvencích v jeho rezonančních zónách.

Například v katalogovém listu reproduktoru CSS-10246-108 společnosti Same Sky se uvádí, že má rezonanční frekvenci 200 Hz ±40 Hz, ale jeho graf frekvenční odezvy ukazuje další rezonanční špičku na zhruba 3,5 kHz. Je zde také rezonanční zóna přibližně od 200 Hz do 3,5 kHz. Konstruktéři mohou využít těchto poznatků k přizpůsobení výběru reproduktorů své aplikaci.

Obrázek 4: Křivka frekvenční odezvy pro reproduktor CSS-10246-108 (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Jako další příklad lze uvést bzučák magnetického měniče CMT-4023S-SMT-TR společnosti Same Sky, u kterého je v katalogovém listu uvedena rezonanční frekvence 4 000 Hz. To je potvrzeno níže uvedeným grafem frekvenční odezvy bzučáku. Alternativně jsou pro zjednodušení problémů s rezonancí k dispozici bzučáky také jako zvukové indikátory, které mají vestavěný obvod pohonu. Protože je jejich provoz nastaven na pevnou, jmenovitou frekvenci, tato interně řízená zařízení nepotřebují graf frekvenční odezvy, protože jsou navržena tak, aby maximalizovala SPL v jejich specifikovaném frekvenčním okně.

Obrázek 5: Křivka frekvenční odezvy pro bzučák magnetického měniče CMT-4023S-SMT-TR (zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Závěr

Při navrhování audiozařízení do aplikace musí vzít technici v úvahu rezonanční frekvenci zařízení, aby zajistili, že bude produkovat největší SPL bez vyvolání nežádoucích vibrací. To znamená použít jako výchozí bod v návrhu data dodaná dodavatelem, zejména rezonanční frekvenci, a poté optimalizovat návrh napříč rezonanční zónou, která kolem této hodnoty existuje. Po dokončení počátečního návrhu by měly být prototypy použity ke kontrole, zda způsob, jakým audiozařízení interaguje se svou ozvučnicí a jejím upevněním, odpovídá navrženému výkonu. Společnost Same Sky nabízí řadu audiořešení napříč frekvenčním spektrem, aby konstruktérům pomohla najít tu správnou součást pro daný úkol.