Spojrzenie na zakres częstotliwości akustycznych i komponenty audio

Od samochodów, przez domy, po urządzenia przenośne - dźwięk jest wszędzie, a jego zastosowania wciąż rosną. Jeśli chodzi o projekt systemu audio, ważnymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę, są jego rozmiary, koszt i jakość. Na jakość wpływa wiele zmiennych, ale zazwyczaj sprowadza się ona do zdolności systemu do odtworzenia niezbędnych częstotliwości dźwięku dla danego projektu. Niniejszy artykuł omawia podstawy zakresu częstotliwości akustycznych i ich podzakresów, znaczenie konstrukcji obudowy oraz to, jak określić, które zakresy akustyczne mogą być potrzebne w zależności od zastosowania.

Podstawy zakresu częstotliwości akustycznych

Powszechnie stosowanym zakresem częstotliwości akustycznych jest przedział od 20Hz do 20kHz. Jednak zakres słyszalny przez przeciętnego człowieka jest węższy niż 20Hz - 20kHz, a wraz z wiekiem jeszcze bardziej się kurczy. Pojęcie częstotliwości akustycznej najłatwiej zrozumieć na przykładzie muzyki, gdzie każda kolejna oktawa podwaja częstotliwość. Najniższa nuta A fortepianu ma częstotliwość około 27Hz, a najwyższa - C - jest bliska 4186Hz. Poza tymi powszechnymi częstotliwościami każdy przedmiot lub urządzenie, które wytwarza dźwięk, również wytwarza częstotliwości harmoniczne. Są to po prostu wyższe częstotliwości o mniejszej amplitudzie. Na przykład fortepianowa nuta „A” o częstotliwości 27Hz generuje również harmoniczną o częstotliwości 54Hz, harmoniczną 81Hz i tak dalej, przy czym każda kolejna harmoniczna jest cichsza niż poprzednia. Harmoniczne stają się szczególnie ważne w systemach głośnikowych o wysokiej wierności, gdzie potrzebne jest dokładne odtworzenie źródła dźwięku.

Podzakresy częstotliwości akustycznych

W poniższej tabeli wymieniono siedem podzakresów częstotliwości w przedziale od 20Hz do 20kHz, które pomagają w zdefiniowaniu docelowych zakresów używanych w projektowaniu systemów audio.

Tabela 1: Podzakresy częstotliwości akustycznych. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Wykresy odpowiedzi częstotliwościowej

Wykresy odpowiedzi częstotliwościowej pozwalają zobrazować, w jaki sposób brzęczyk, mikrofon lub głośnik odtwarza różne częstotliwości dźwięku. Ponieważ brzęczyki zwykle emitują tylko słyszalny ton, zazwyczaj mają wąski zakres częstotliwości. Z drugiej strony głośniki na ogół przenoszą szersze zakresy częstotliwości, ponieważ ich zadaniem jest zwykle odtwarzanie dźwięku i głosu.

Oś Y na wykresie odpowiedzi częstotliwościowej dla urządzeń wyjściowych audio, takich jak głośniki i brzęczyki, jest wyskalowana w decybelach poziomu ciśnienia akustycznego (dB SPL), który jest zasadniczo głośnością urządzenia. Oś Y dla urządzeń wejściowych audio, takich jak mikrofony, reprezentuje czułość w dB, ponieważ urządzenia te raczej wykrywają dźwięk niż go wytwarzają. Na ilustracji 1 poniżej, oś X przedstawia częstotliwość w skali logarytmicznej, a na osi Y pokazywany jest poziom ciśnienia akustycznego (SPL) w dB, co sprawia, że jest to wykres dla urządzenia wyjściowego audio. Uwaga: ponieważ dB mają również charakter logarytmiczny, obie osie są logarytmiczne.

Ilustracja 1: wykres podstawowej odpowiedzi częstotliwościowej. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Wykres przedstawia poziom ciśnienia akustycznego w dB wytworzonego przy stałej mocy wejściowej przy różnych częstotliwościach. Jest on stosunkowo płaski z minimalnymi zmianami w całym widmie częstotliwości. Poza stromym spadkiem poniżej 70Hz, omawiane urządzenie zasilane tą samą mocą wejściową generowałoby ciśnienie akustyczne na stałym poziomie dla częstotliwości między 70Hz a 20kHz. Wszystkie częstotliwości poniżej 70 Hz wytwarzają niższy wyjściowy poziom ciśnienia akustycznego (SPL).

Wykres odpowiedzi częstotliwościowej dla głośnika CSS-50508N firmy Same Sky (ilustracja 2) jest lepszym przykładem bardziej typowego profilu głośnika. Ten wykres zawiera różne szczyty i doliny, które oznaczają punkty, w których rezonans zwiększa lub zmniejsza parametry wyjściowe. Karta katalogowa omawianego głośnika o wymiarach 41mm x 41mm podaje częstotliwość rezonansową 380Hz ± 76Hz, którą można zobaczyć jako pierwszy główny szczyt na wykresie. Następuje szybki spadek przy około 600 do 700Hz, ale następnie poziom ciśnienia akustycznego jest stabilny dla częstotliwości od około 800Hz do 3000Hz. Ze względu na rozmiar głośnika CSS-50508N, projektant mógłby przypuszczać, że nie będzie on działał przy niższych częstotliwościach tak dobrze jak przy wyższych, co potwierdza wykres. Rozumiejąc, jak i kiedy korzystać z wykresu odpowiedzi częstotliwościowej, inżynier-projektant może potwierdzić, czy głośnik lub inne urządzenie wyjściowe może odtworzyć swoje docelowe częstotliwości.

Ilustracja 2: wykres odpowiedzi częstotliwościowej dla głośnika CSS-50508N 41mm x 41mm firmy Same Sky. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Zakres akustyczny i kwestie dotyczące obudowy

Zakres akustyczny może wpływać na konstrukcję obudowy na kilka sposobów, jak opisano w poniższych sekcjach.

Rozmiar głośnika

Mniejsze głośniki drgają szybciej w porównaniu z większymi, dzięki czemu mogą wytwarzać wyższe częstotliwości z mniejszą ilością niepożądanych harmonicznych. Jednak próbując osiągnąć podobny poziom ciśnienia akustycznego (SPL) przy niższych częstotliwościach, jak przy wyższych tonach, aby przemieścić wystarczającą ilość powietrza, potrzebne są większe membrany. Podczas gdy większe membrany są znacznie cięższe, zwykle nie stwarza to problemu przy niższych częstotliwościach, gdyż poruszają się znacznie wolniej.

Wybór między mniejszym lub większym głośnikiem będzie ostatecznie zależeć od wymagań konkretnego zastosowania, ale mniejsze głośniki to zwykle mniejsza obudowa, a to z kolei oznacza możliwość obniżenia kosztów i zaoszczędzenia miejsca. Więcej informacji na ten temat zawiera artykuł „Jak zaprojektować obudowę mikrogłośnika” na blogu firmy Same Sky.

Częstotliwość rezonansowa

Częstotliwość rezonansowa to naturalna częstotliwość drgań danego obiektu. Struny gitarowe po szarpnięciu drgają z częstotliwością rezonansową, co oznacza, że gdyby obok struny gitarowej umieszczono głośnik grający jej częstotliwość rezonansową, struna gitarowa zaczęłaby drgać i z czasem zwiększać amplitudę. Jednak w przypadku dźwięku to samo zjawisko może prowadzić do niepożądanego brzęczenia i zakłóceń z otaczającymi obiektami. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykule poświęconym rezonansowi i częstotliwości rezonansowej opublikowanym na blogu firmy Same Sky.

Aby uniknąć posiadania głośnika zarówno z nieliniowymi parametrami wyjściowymi, jak i niepożądanymi harmonicznymi, przy projektowaniu obudowy ważne jest sprawdzenie, czy obudowa nie ma naturalnej częstotliwości rezonansowej w tym samym widmie, co zamierzone sygnały wyjściowe.

Kompromisy materiałowe

Konstrukcja głośnika i mikrofonu zapewnia delikatną równowagę między komponentami, które muszą pozostać nieruchome, elastyczne i sztywne podczas ruchu. Membrana (lub kopułka) głośnika powinna być lekka, aby umożliwić szybką odpowiedź, a jednocześnie pozostać tak sztywna, jak to możliwe, aby uniknąć deformacji podczas ruchu. W głośnikach firmy Same Sky powszechnie stosuje się papier i mylar. Oba te materiały są zarówno lekkie, jak i sztywne. Mylar, jako rodzaj tworzywa sztucznego, ma również tę dodatkową zaletę, że jest odporny na wilgoć. Kauczuk jest stosowany nie tylko w membranie, ale także do łączenia membrany z ramą. Aby zapobiec pękaniu z powodu ekstremalnych ruchów, materiał ten musi być mocny i giętki, aby nie ograniczał ruchu membrany.

Ilustracja 3: podstawowa konstrukcja głośnika. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Te same kompromisy można również zauważyć, porównując technologie mikrofonowe. Elektretowe mikrofony pojemnościowe i mikrofony mikroelektromechaniczne (MEMS) zapewniają użytkownikom trwałość, kompaktowość i niską moc, ale też bardziej ograniczoną częstotliwość i czułość. Z drugiej strony mikrofony wstążkowe oferują lepszą czułość i zakres częstotliwości, ale mają niższą trwałość.

Dobór materiału jest także bardzo ważny przy projektowaniu obudowy, gdyż wpływa on na rezonans, jak i pochłanianie dźwięku. Głównym celem obudowy jest tłumienie przesuniętego w fazie dźwięku generowanego do tyłu, co oznacza, że wybrany materiał musi skutecznie pochłaniać dźwięk. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach dźwiękowych o niższych częstotliwościach, gdzie tłumienie jest trudniejsze.

Podsumowanie

Ostatecznie bardzo niewiele systemów audio, a praktycznie żadne indywidualne akustyczne urządzenia wyjściowe nie są w stanie objąć całego widma akustycznego z dowolnym poziomem wierności. Ogólnie rzecz biorąc, większość zastosowań nie wymaga tego poziomu wierności i prawdopodobnie idealnie liniowe parametry wyjściowe nie są potrzebne. Jednak zrozumienie zakresu częstotliwości akustycznych nadal będzie odgrywać ważną rolę w wyborze odpowiedniego komponentu audio do projektu. Dzięki temu inżynierowie mogą lepiej rozważyć kompromisy między kosztami, rozmiarami i wydajnością. Firma Same Sky zapewnia szereg rozwiązań audio o różnych zakresach częstotliwości do wielu różnych zastosowań.