Betydningen af resonans og resonansfrekvens i audiosystemer

Der er to vigtige udfordringer for designere, der arbejder med resonante audiosystemer. Den første er at udnytte højttalerens eller summers resonansfrekvens og resonanszone til at producere det højeste SPL (Sound Pressure Level). Det andet er at undgå resonans, der fremkalder summende og raslende lyde i en audioenhedens kabinet og monteringssystem. Selv om resonans er et velkendt begreb, vil denne artikel gennemgå dets betydning for audiodesign, herunder de ovennævnte udfordringer, faktorer, der påvirker resonans, hvordan man læser en frekvens responsekurve og meget mere.

Resonans og resonansfrekvens - grundlæggende oplysninger

For at forstå virkningen af resonans skal den først forstås på et grundlæggende niveau. Resonans opstår, når en fysisk genstand eller et elektronisk kredsløb absorberer energi fra en indledende impuls og derefter fortsætter med at vibrere med samme frekvens, om end med aftagende amplitude, og der ikke længere virker nogen kraft på den. Den frekvens, hvor denne adfærd forekommer, kaldes systemets resonansfrekvens og betegnes F0.

Resonans kan forekomme i mange sammenhænge. Guitarer er et perfekt eksempel fra hverdagen, da de producerer audio udelukkende ved hjælp af vibrationer. Når en spiller trækker i en streng på en akustisk guitar, vibrerer den og sender audioenergien ind i instrumentets hule trækrop, hvilket får den til at resonere og forstærker den lyd, den producerer. På samme måde kan et LC-filter resonere som et tunet reservoir-kredsløb, hvis det stimuleres af et signal med den rette frekvens. Denne effekt bruges i basale radioer til at opfange et udsendelsessignal ved at justere værdien af kapacitansen eller induktansen i reservoirets kredsløb, så dens resonansfrekvens svarer til udsendelsesfrekvensen. Elektromekanisk resonans i en piezoelektrisk krystaloscillator kan anvendes som frekvensreference.

En oversigt over komponenter til audioudgang

Mekanisk resonans påvirkes af vægten og den stivhed, der forbinder forskellige masser med hinanden. Når det drejer sig om standardhøjttalere, er denne masse membranen (eller konen), og stivheden afhænger af fleksibiliteten i det ophæng, der forbinder membranen med rammen. Da højttalere fremstilles på mange forskellige måder, kan de enkelte typer af højttalere give forskellige resonansfrekvenser.

Andre faktorer, der får en højttalers resonansfrekvens til at variere, omfatter keglematerialet, ophængets tykkelse og elektromagnets størrelse, som er fastgjort bag på keglen og påvirker vægten. Generelt resulterer lettere, stivere materialer og fleksible affjedringer i højere resonansfrekvenser. For eksempel er højfrekvente diskanthøjttalere små og lette med stive mylar-koner og meget fleksible ophæng. Ved at ændre disse faktorer har standardhøjttalere et frekvensområde et sted mellem 20 Hz og 20.000 Hz.

Figur 1: Standard højttalerstruktur (Billedkilde: Same Sky)

En anden type audioudgangskomponent er magnetiske transducer-summendere. De adskiller drivmekanismen fra den audioproducerende mekanisme på en anden måde end en højttaler. På grund af en lettere membran, der er forbundet mere stift med rammen, har magnetiske transducere et højere normalfrekvensområde, men med en reduceret rækkevidde. De producerer typisk lyd fra 2 til 3 kHz og har den ekstra fordel, at de har brug for mindre strøm end højttalere for at producere det samme SPL.

Figur 2: Standardstruktur for magnetisk summer (Billedkilde: Same Sky)

Endelig findes der piezoelektriske transducer-summere, som er endnu mere effektive til at producere højere SPL'er med samme strømstyrke som deres magnetiske modstykker. Ved hjælp af den piezoelektriske effekt varierer de et elektrisk felt for at få det piezokeramiske element til at bøje sig først på den ene og derefter på den anden måde, hvilket resulterer i lydbølger. Dette piezo-materiale er generelt stift, og de komponenter, der anvendes i disse typer summere, er små og tynde. Piezo-transducer-summeapparater som magnetiske versioner genererer høje lyde mellem 1 og 5 kHz med et smalt frekvensområde.

Figur 3: Standard piezoelektrisk summerstruktur (Billedkilde: Same Sky)

Overvejelser om resonansdesign

At designe højttalere eller summere, der udnytter resonans, er en kompleks opgave, der indebærer overvejelser om den ønskede resonansfrekvens eller det ønskede resonansfrekvensområde, egenskaberne ved den højttaler eller summer, der skal bruges, og formen og størrelsen af det kabinet, den skal monteres i. Disse faktorer kan påvirke hinanden ret radikalt.

Hvis man f.eks. monterer en lille højttaler i et meget stort kabinet, kan den bevæge sig frit, og systemets resonansfrekvens (højttaler plus kabinet) vil derfor sandsynligvis være den samme som den iboende resonans for højttaleren i fri luft. Men hvis du placerer en højttaler i et lille, tæt lukket kabinet, vil luften indeni fungere som en mekanisk fjeder, der interagerer med højttalerkonen og påvirker systemets resonansfrekvens. Der er andre interaktioner, f.eks. de ikke-lineære elektriske drevkarakteristika, som også skal tages i betragtning for at opnå et effektivt design.

På grund af denne kompleksitet er den bedste måde at gå videre med enhver form for audiodesign på ofte at bygge nogle prototyper, måle deres egenskaber og derefter justere dem for at opnå det bedste output med den valgte audiokilde. Denne prototyping-baserede tilgang kan også hjælpe designere med at forstå og kompensere for, at komponentkarakteristika vil variere inden for fremstillingstolerancer, og at kabinettets geometrier og stivhed vil være underlagt produktionsvariationer. En håndbygget højttaler med de bedste komponenter, der er udvalgt fra et parti, opnår ofte en ydeevne, som det er vanskeligt at opnå gentagne gange ved hjælp af masseproduktionsteknikker og standardkomponenter.

Kabinetter, især til højttalere, skal også være konstrueret således, at der er tilstrækkelig plads til, at den producerede audioenergi kan udvikle sig uden dæmpning. En beskeden reduktion på 3 dB i SPL, som skyldes kabinettets beklædning eller materialerne, vil halvere udgangseffekten. I "How to Design a Micro Speaker Enclosure" blogindlæg fra Same Sky diskuteres dette mere detaljeret.

Generelt er det vigtigt at se på en audiokomponents respons i hele spektret og drage fordel af dens ydeevne ved de frekvenser, der findes på begge sider af dens resonansfrekvens-top. Da resonansfrekvensen ikke er et nøjagtigt tal eller nødvendigvis et meget smalt bånd, især for højttalere, vil der sandsynligvis være et nyttigt frekvensrespons, som designere kan udnytte på begge sider af den maksimale værdi, der er angivet på databladet. Ideen er at optimere udgangsspejl og frekvens for en given indgangseffekt. For at opnå dette skal enheden drives ved dens resonansfrekvens og ved frekvenser inden for dens resonansområder.

For eksempel står der i databladet for Same SkyCSS-10246-108 højttaler, at den har en resonansfrekvens på 200 Hz ±40 Hz, men dens frekvensresponsdiagram viser en anden resonansspids ved ca. 3,5 kHz. Der er også en resonanszone fra ca. 200 Hz til 3,5 kHz. Designere kan drage fordel af denne indsigt for at tilpasse deres valg af højttaler til deres anvendelse.

Figur 4: En frekvensresponskurve for CSS-10246-108 højttaleren (Billedkilde: Same Sky)

Et andet eksempel er Same SkyCMT-4023S-SMT-TR-summer med magnetisk transducer, der på databladet angiver en resonansfrekvens på 4000 Hz. Dette bekræftes ved hjælp af nedenstående graf over summerens frekvensrespons. For at forenkle resonansproblemerne fås summerne også som audio indikatorer med indbygget driverkredsløb. Da deres drift er indstillet ved en fast nominel frekvens, har disse internt drevne enheder ikke brug for en frekvensresponsdiagram, fordi de er designet til at maksimere SPL i deres specificerede frekvensvindue.

Figur 5: En frekvensresponskurve for CMT-4023S-SMT-TR-summeren med magnetisk transducer (billedkilde: Same Sky)

Konklusion

Når en audioenhed skal konstrueres i en applikation, skal ingeniører tage højde for enhedens resonansfrekvens for at sikre, at den producerer den største SPL uden at fremkalde uønskede vibrationer. Dette betyder, at man bruger data fra leverandøren, især resonansfrekvensen, som udgangspunkt i et design og derefter optimerer designet i resonansområdet omkring denne værdi. Når det første design er færdiggjort, bør der anvendes prototyper til at kontrollere, at den måde, hvorpå audioenheden interagerer med kabinettet og monteringen, svarer til den planlagte ydeevne. Same Sky tilbyder en række audio løsninger i hele frekvensspektret for at hjælpe ingeniører med at finde den rette komponent til opgaven.