Znaczenie rezonansu i częstotliwości rezonansowej w systemach audio

Przed projektantami pracującymi z rezonansowymi systemami audio stoją dwa kluczowe wyzwania. Pierwszym z nich jest wykorzystanie częstotliwości i strefy rezonansowej głośnika lub brzęczyka w celu uzyskania najwyższego wyjściowego poziomu ciśnienia akustycznego (SPL). Drugim jest uniknięcie rezonansu wywołującego brzęczenie i grzechotanie w obudowie i systemie montażowym urządzenia audio. Rezonans jest pojęciem znanym, a w tym artykule omówimy jego implikacje w projektowaniu systemów audio, przyglądając się wymienionym powyżej wyzwaniom, czynnikom wpływającym na rezonans, sposobowi odczytu krzywej odpowiedzi częstotliwościowej i wielu innym kwestiom.

Podstawy rezonansu i częstotliwości rezonansowych

Aby zrozumieć wpływ rezonansu, należy go najpierw poznać na poziomie podstawowym. Rezonans ma miejsce, gdy obiekt fizyczny lub obwód elektroniczny pochłania energię z początkowego impulsu, a następnie drga z tą samą częstotliwością, chociaż z malejącą amplitudą i nie oddziałuje na niego żadna siła. Częstotliwość, przy której występuje to zjawisko, jest znana jako częstotliwość rezonansowa układu i oznaczana jako F0.

Rezonans może pojawić się w wielu kontekstach. Gitary stanowią doskonały przykład z życia codziennego, ponieważ wytwarzają dźwięk wyłącznie poprzez wibracje. Kiedy osoba grająca szarpie strunę gitary akustycznej, struna ta drga i przekazuje energię dźwiękową do pustego drewnianego korpusu instrumentu, wprawiając go w rezonans i wzmacniając wytwarzany dźwięk. Podobnie filtr LC stymulowany sygnałem o odpowiedniej częstotliwości może rezonować jako dostrojony obwód rezonansowy. Efekt ten jest wykorzystywany w podstawowych radioodbiornikach do przechwytywania nadawanego sygnału poprzez dostosowanie wartości pojemności lub indukcyjności w obwodzie rezonansowym tak, aby jego częstotliwość rezonansowa odpowiadała częstotliwości nadawania. Jako częstotliwość odniesienia można wykorzystać rezonans elektromechaniczny w piezoelektrycznym oscylatorze kwarcowym.

Przegląd komponentów wyjściowych audio

Na rezonans mechaniczny wpływa waga i sztywność elementów, które łączą różne masy ze sobą. W standardowych głośnikach takim elementem jest membrana (lub kopułka), a sztywność zależy od elastyczności zawieszenia, które łączy membranę z ramą. Ponieważ głośniki są produkowane na wiele różnych sposobów, każdy typ głośnika może dawać różne częstotliwości rezonansowe.

Inne czynniki, które powodują zmiany częstotliwości rezonansowej głośnika, to m.in. materiał kopułki, grubość zawieszenia oraz rozmiar elektromagnesu, który jest przymocowany z tyłu kopułki i wpływa na wagę. Ogólnie rzecz biorąc, lżejsze, sztywniejsze materiały i elastyczne zawieszenia dają wyższe częstotliwości rezonansowe. Na przykład głośniki wysokotonowe o wysokiej częstotliwości są małe i lekkie, mają sztywne kopułki mylarowe i bardzo elastyczne zawieszenie. Przy założeniu modyfikacji tych czynników w standardowych głośnikach można uzyskać zakres częstotliwości od 20Hz do 20kHz.

Ilustracja 1: standardowa konstrukcja głośnika (źródło ilustracji: Same Sky)

Innym rodzajem komponentu wyjściowego audio są brzęczyki z przetwornikiem magnetycznym. Oddzielają one mechanizm sterujący od mechanizmu wytwarzającego dźwięk w inny sposób niż głośnik. Ze względu na lżejszą membranę, która jest sztywniej połączona z ramą, przetworniki magnetyczne mają wyższy, ale węższy normalny zakres częstotliwości. Zwykle wytwarzają dźwięk od 2 do 3kHz z dodatkową korzyścią polegającą na tym, że do wytworzenia tego samego poziomu ciśnienia akustycznego (SPL) potrzebują mniej prądu niż głośniki.

Ilustracja 2: standardowa konstrukcja brzęczyka magnetycznego (źródło ilustracji: Same Sky)

Na końcu mamy brzęczyki z przetwornikiem piezoelektrycznym,, które są jeszcze bardziej wydajne w wytwarzaniu wyższych poziomów ciśnienia akustycznego (SPL) przy takim samym natężeniu prądu, jak ich magnetyczne odpowiedniki. Wykorzystując efekt piezoelektryczny, zmieniają one pole elektryczne, aby spowodować wygięcie elementu piezoceramicznego w jedną, a potem w drugą stronę, w wyniku czego powstają fale dźwiękowe. Materiał piezoelektryczny jest generalnie sztywny, a elementy używane w tego typu brzęczykach są małe i cienkie. Brzęczyki z przetwornikami piezoelektrycznymi, podobnie jak wersje magnetyczne, generują dźwięki o wysokim tonie od 1 do 5kHz w wąskim zakresie częstotliwości.

Ilustracja 3: standardowa konstrukcja brzęczyka piezoelektrycznego (źródło ilustracji: Same Sky)

Zagadnienia dotyczące projektowania urządzeń rezonansowych

Projektowanie głośników lub brzęczyków wykorzystujących rezonans jest złożonym zadaniem, które wymaga rozważenia pożądanych częstotliwości rezonansowych lub ich zakresu, charakterystyki głośnika lub brzęczyka, który zostanie użyty, oraz kształtu i rozmiaru obudowy, w której zostanie zamontowany. Czynniki te mogą mieć dość radykalny wpływ na siebie nawzajem.

Na przykład zamontowanie małego głośnika w bardzo dużej obudowie pozwoli mu się swobodnie poruszać, a więc częstotliwość rezonansowa układu (głośnik plus obudowa) prawdopodobnie będzie taka sama, jak rezonans wewnętrzny głośnika pracującego na wolnym powietrzu. Ale jeśli umieścimy głośnik w małej, szczelnie zamkniętej obudowie, powietrze wewnątrz będzie działać jak mechaniczna sprężyna, która współdziała z kopułką głośnika i wpływa na częstotliwość rezonansową układu. Aby uzyskać wydajne rozwiązanie, należy wziąć pod uwagę jeszcze inne interakcje takie jak nieliniowa charakterystyka napędu elektrycznego.

Biorąc pod uwagę tę złożoność, najlepszym sposobem na projektowanie urządzeń audio jest często zbudowanie kilku prototypów, zmierzenie ich właściwości, a następnie ich modyfikowanie do momentu uzyskania najlepszego efektu z wybranym źródłem dźwięku. To podejście oparte na prototypowaniu może również pomóc projektantom zrozumieć i zrekompensować fakt, że charakterystyka komponentów będzie się różnić w ramach tolerancji produkcyjnych, a geometria i sztywność obudowy będą podlegać zmianom produkcyjnym. Ręcznie zbudowany głośnik wypełniony najlepszymi komponentami wybranymi z partii często osiąga parametry, które są trudne do osiągnięcia wielokrotnie przy użyciu technik masowej produkcji i standardowych komponentów.

Obudowy, szczególnie dla głośników, muszą być również zaprojektowane tak, aby mieć wystarczająco dużo przestrzeni wewnętrznej, aby wytwarzana energia dźwiękowa nie była tłumiona. Niewielka redukcja poziomu ciśnienia akustycznego (SPL) o 3dB, spowodowana okładziną lub materiałami obudowy, zmniejszy wyjściową moc akustyczną o połowę. Bardziej szczegółowo omówiono ten problem w poście na blogu firmy Same Sky zatytułowanym “How to Design a Micro Speaker Enclosure” (Projektowanie obudowy mikrogłośnika).

Ogólnie rzecz biorąc, ważne jest, aby przyjrzeć się pełnej odpowiedzi komponentu audio i wykorzystać jego parametry działania przy częstotliwościach występujących po obu stronach jego szczytowej częstotliwości rezonansowej. Częstotliwość rezonansowa nie jest dokładną liczbą, jak również niekoniecznie bardzo wąskim pasmem, dlatego szczególnie w przypadku głośników, prawdopodobnie istnieje użyteczna odpowiedź częstotliwościowa, którą projektanci mogą wykorzystać po obu stronach wartości szczytowej określonej w arkuszu danych. Pomysł polega na optymalizacji wyjściowego poziomu ciśnienia akustycznego (SPL) i częstotliwości dla danej mocy wejściowej. Aby to osiągnąć, urządzenie powinno być sterowane z częstotliwością rezonansową i częstotliwościami w jego strefach rezonansowych.

Na przykład w arkuszu danych głośnika CSS-10246-108 firmy Same Sky podano, że głośnik ma częstotliwość rezonansową 200Hz ± 40Hz, ale jego wykres odpowiedzi częstotliwościowej pokazuje kolejny skok rezonansowy przy wartości około 3,5kHz. Istnieje również strefa rezonansowa w zakresie od około 200Hz do 3,5kHz. Projektanci mogą skorzystać z tych spostrzeżeń, aby dopasować głośniki do swoich zastosowań.

Ilustracja 4: krzywa odpowiedzi częstotliwościowej głośnika CSS-10246-108 (źródło ilustracji: Same Sky)

Kolejny przykład: w arkuszu danych brzęczyka z przetwornikiem magnetycznym CMT-4023S-SMT-TR firmy Same Sky podano częstotliwość rezonansową 4000Hz. Potwierdza to poniższy wykres odpowiedzi częstotliwościowej wspomnianego brzęczyka. Aby uniknąć niektórych problemów związanych z rezonansem, można również skorzystać z dostępnych brzęczyków określanych jako wskaźniki dźwiękowe, które posiadają wbudowane obwody sterujące. Ponieważ ich działanie jest ustawione na ustaloną częstotliwość znamionową, urządzenia ze sterowaniem wewnętrznym nie potrzebują wykresu odpowiedzi częstotliwościowej, ponieważ są zaprojektowane tak, aby zmaksymalizować poziom ciśnienia akustycznego (SPL) w określonym oknie częstotliwości.

Ilustracja 5: krzywa odpowiedzi częstotliwościowej dla brzęczyka z przetwornikiem magnetycznym CMT-4023S-SMT-TR (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Projektując urządzenie audio, inżynierowie muszą wziąć pod uwagę częstotliwość rezonansową urządzenia, aby zapewnić najwyższy poziom ciśnienia akustycznego (SPL) bez wywoływania niepożądanych wibracji. Oznacza to wykorzystanie danych dostarczonych przez dostawcę, w szczególności częstotliwości rezonansowej jako punktu wyjścia w projekcie, a następnie optymalizację projektu w strefie rezonansowej wokół tej wartości. Po ukończeniu wstępnego projektu należy wykonać prototypy, aby sprawdzić, czy sposób interakcji urządzenia audio z jego obudową i elementami mocującymi jest zgodny z założeniami. Firma Same Sky oferuje szereg rozwiązań audio w poszczególnych widmach częstotliwości, które pomagają inżynierom znaleźć komponent odpowiedni do danego zastosowania.