Et kig på lydfrekvensområde og audio-komponenter

Fra biler til hjem til bærbare enheder. Lyd er alle steder og deres betydning i applikationer fortsætter med at stige. Når det kommer til design af et lydsystem er størrelse, omkostninger og kvalitet vigtige faktorer at overveje. Kvaliteten påvirkes af mange variabler, men afhænger typisk af et systems evne til at genskabe de nødvendige lydfrekvenser for et givet design. I denne artikel kan du få mere at vide om det grundlæggende om lydfrekvensområdet og dets undergrupper, om indvirkningen af kabinetdesignet og om, hvordan du kan bestemme, hvilke lydområder der kan være nødvendige afhængigt af applikationen.

Grundlæggende om lydfrekvensområdet

20 Hz til 20.000 Hz er det frekvensområde, der almindeligvis refereres til i lyden. Det gennemsnitlige menneske kan dog høre mindre end dette område på 20 kHz til 20 kHz, og med alderen bliver dette område kun mindre og mindre. Lydfrekvenser er bedst forstået gennem musik, hvor hver efterfølgende oktav fordobler frekvensen. Et klavers laveste tone A er omkring 27 Hz, mens dets højeste tone C er tæt på 4186 Hz. Ud over disse almindelige frekvenser producerer ethvert objekt eller apparat, der producerer lyd, også harmoniske frekvenser. Det er simpelthen højere frekvenser med en lavere amplitude. Som eksempel kan nævnes, at et klavers 27 Hz A-note også genererer en 54 kHz harmonisk tone, en 81 Hz harmonisk tone osv., hvor hver harmonisk tone er mere dæmpet end den sidste. Harmoniske er særligt vigtige i hi-fi højttalersystemer, hvor det er nødvendigt med en nøjagtig gengivelse af lydkilden.

Undergrupper af lydfrekvenser

Tabellen nedenfor viser de syv frekvensundergrupper inden for spektret fra 20 Hz til 20.000 Hz, som er med til at definere de målområder, der anvendes ved design af lydsystemer.

Tabel 1: Undergrupper af lydfrekvensområder. (Billedkilde: Same Sky)

Diagram over frekvensrespons

Diagrammer over frekvensrespons er en god måde at visualisere, hvordan en summer, mikrofon eller højttaler gengiver forskellige lydfrekvenser. Da summere typisk kun udsender en hørbar tone, har de normalt et smalt frekvensområde. På den anden side har højttalere generelt et bredere frekvensområde, fordi de normalt har til opgave at genskabe lyd og stemme.

Y-aksen på et diagram over frekvensrespons for audio-enheder, f.eks. højttalere og summere, er repræsenteret i decibel lydtryksniveau (dB SPL), hvilket grundlæggende er enhedens lydstyrke. Y-aksen for lydindgangsenheder, f.eks. mikrofoner, repræsenterer i stedet følsomheden i dB, da de registrerer og ikke producerer lyd. I figur 1 nedenfor repræsenterer x-aksen frekvensen på en logaritmisk skala med y-aksen angivet i dB SPL, hvilket gør dette til en graf for en audio-enhed. Bemærk, at da dB'er er logaritmiske, er begge akser logaritmiske.

Figur 1: Diagram over grundlæggende frekvensrespons. (Billedkilde: Same Sky)

Denne graf, der viser, hvor mange dB SPL der produceres med en konstant indgangseffekt ved forskellige frekvenser, er relativt flad med minimale ændringer i hele frekvensspektret. Bortset fra et stejlt fald under 70 Hz vil denne lydenhed med den samme indgangseffekt give et ensartet SPL mellem 70 Hz og 20 kHz. Alt under 70 Hz vil give mindre SPL-udgang.

Diagram over frekvensrespons for Same Sky CSS-50508N (figur 2) er et bedre eksempel på en mere typisk højttalerprofil. Dette diagram inkludere varierede toppe og dale, som angiver punkter, hvor resonans enten styrker eller reducerer output. Databladet for denne 41 mm x 41 mm-højttaler angiver en resonansfrekvens på 380 Hz ±76 Hz, som kan ses som den første hovedtop på grafen. Dette falder hurtigt ved ca. 600 – 700 Hz, men giver derefter en stabil SPL-ydelse fra ca. 800 Hz til 3.000 Hz. På grund af højttalerens størrelse kunne en designer formode, at CSS-50508N ikke ville yde godt ved lavere frekvenser sammenlignet med højere frekvenser, hvilket bekræftes af diagrammet. Ved at forstå, hvordan og hvornår man skal henvise til et diagram over frekvensrespons, kan en konstruktør bekræfte, om en højttaler eller en anden udgangsenhed kan gengive de ønskede frekvenser.

Figur 2: Diagram over frekvensrespons for Same Sky CSS-50508N 41 mm x 41 mm højttaler CSS-50508N. (Billedkilde: Same Sky)

Overvejelser om lydområde og kabinet

Lydområdet kan påvirke kabinetdesignet på flere måder, som beskrevet i nedenstående afsnit.

Størrelse på højttaler

Mindre højttalere bevæger sig hurtigere end større højttalere, hvilket gør det muligt for dem at producere højere frekvenser med færre uønskede overtoner. Men når man forsøger at opnå samme SPL-udgang ved lavere frekvenser, er det nødvendigt med større højttalermembraner for at flytte nok luft for at opnå samme dB SPL som ved højere frekvenser. Mens større membraner er meget tungere, er det normalt ikke noget problem ved lavere frekvenser, hvor de bevæger sig meget langsommere.

Beslutningen om at vælge mellem en mindre eller større højttaler afhænger i sidste ende af kravene til applikationen, men mindre højttalere fører typisk til et mindre kabinet, hvilket kan reducere omkostningerne og forbedre pladsbesparelsen. Få mere at vide i Same Sky blog om hvordan man designer et mikrohøjttalerkabinet.

Resonansfrekvens

Resonansfrekvensen er den frekvens, som en genstand naturligt vil vibrere ved. Guitarstrenge vibrerer ved deres resonansfrekvens, når de plukkes, hvilket betyder, at hvis en højttaler blev placeret ved siden af en guitarstreng, der spiller dens resonansfrekvens, ville guitarstrengen begynde at vibrere og stige i amplitude med tiden. Men når det gælder lyd, kan det samme fænomen føre til uønsket summen og raslen med de omkringliggende genstande. Same Sky blog om resonans og resonansfrekvens indeholder yderligere oplysninger om dette emne.

For at undgå at få en højttaler med både et ikke-lineært output og uønskede overtoner er det vigtigt at bekræfte, at kabinettet ikke har en naturlig resonansfrekvens i samme spektrum som det tilsigtede lydoutput.

Materialeafvejninger

Design af højttalere og mikrofoner er en vanskelig balance mellem komponenter, der skal forblive dæmpet, fleksible og stive under bevægelse. En højttalers membran (eller kegle) skal være let for at give hurtig respons, samtidig med at den skal være så stiv som muligt for at undgå deformation, når den bevæger sig. Same Sky højttalere bruger normalt papir og mylar, som er både lette og stive. Som en type plast har mylar også den ekstra fordel, at den er modstandsdygtig over for fugt og fugtighed. Ud over membranen anvendes gummi til at forbinde membranen med rammen. For at undgå brud på grund af ekstreme bevægelser skal dette materiale være stærkt og samtidig fleksibelt, så det ikke begrænser membranens bevægelser.

Figur 3: Grundlæggende opbygning af en højttaler. (Billedkilde: Same Sky)

De samme afvejninger kan også ses, når man sammenligner mikrofonteknologier. Elektret kondensormikrofoner og MEMS-mikrofoner giver brugerne holdbarhed, kompakte pakninger og lav effekt, men med mere begrænsede frekvenser og følsomhed. På den anden side giver båndmikrofoner en forbedret følsomhed og frekvensområde, men de har til gengæld en dårlig holdbarhed.

Materialet er også et vigtigt valg i forbindelse med kabinetdesignet, da det har indflydelse på både resonans og absorption af lyd. Det primære mål med et kabinet er at dæmpe den bagudrettede lyd, der er genereret ud af fase, hvilket betyder, at det valgte materiale skal være effektivt til at absorbere lyd. Dette er især vigtigt i anvendelser med lavere frekvenser, hvor det er sværere at dæmpe lyd.

Konklusion

Når alt kommer til alt, er der et begrænset antal lydsystemer og ingen individuel audio-enhed, der kan dække hele lydspektret med et hvilket som helst niveau af troværdighed. Generelt vil de fleste anvendelser ikke kræve denne nøjagtighed, og der er sandsynligvis ikke behov for et perfekt lineært output. Forståelse af lydfrekvensområdet spiller dog stadig en vigtig rolle i forbindelse med valg af en passende lydkomponent til et design. Ved at have denne forståelse kan ingeniører bedre afveje afvejningen mellem omkostninger, størrelse og ydeevne. Same Sky tilbyder en række lydløsninger med forskellige frekvensområder til at understøtte et komplet udvalg af applikationer.