O prezentare a intervalului de frecvențe audio și a componentelor audio

De la mașini, la case și dispozitive portabile, sistemul audio este prezent peste tot, iar aplicațiile sale sunt în continuă creștere. Când vine vorba de proiectarea unui sistem audio, dimensiunea, costul și calitatea sunt factori importanți de luat în considerare. Calitatea este influențată de multe variabile, dar, de obicei, se reduce la capacitatea unui sistem de a reproduce frecvențele audio necesare pentru un anumit proiect. În acest articol, aflați mai multe despre elementele de bază ale intervalului de frecvențe audio și subgrupurile sale, despre impactul proiectării carcasei și despre cum să determinați ce intervale audio ar putea fi necesare în funcție de aplicație.

Noțiuni de bază privind intervalul de frecvențe audio

Intervalul cuprins între 20 Hz – 20.000 Hz este intervalul de frecvențe audio despre care se vorbește în mod obișnuit. Cu toate acestea, un om obișnuit poate auzi sub acest interval de la 20 Hz până la 20 kHz, iar odată cu vârsta, acest interval detectabil se reduce și mai mult. Frecvența audio se înțelege cel mai bine prin intermediul muzicii, unde fiecare octavă ulterioară dublează frecvența. Nota cea mai joasă a unui pian, nota la, este de aproximativ 27 Hz, în timp ce nota cea mai înaltă, nota do, se apropie de 4186 Hz. În afara acestor frecvențe comune, orice obiect sau dispozitiv care produce sunet produce și frecvențe armonice. Acestea sunt, pur și simplu, frecvențe mai mari la o amplitudine mai mică. De exemplu, nota „la” de 27 Hz a unui pian generează și o armonică de 54 Hz, o armonică de 81 Hz și așa mai departe, fiecare armonică fiind mai silențioasă decât ultima. Armonicele devin deosebit de importante în sistemele difuzoarelor de înaltă fidelitate, unde este necesară reproducerea exactă a sursei audio.

Subgrupuri de frecvență audio

Tabelul de mai jos enumeră cele șapte subgrupuri de frecvențe din spectrul 20 Hz – 20.000 Hz, care ajută la definirea intervalelor țintă utilizate în proiectarea sistemelor audio.

Tabelul 1: subgrupuri de intervale de frecvențe audio. (Sursa imaginii: Same Sky)

Grafice de răspuns în frecvență

Graficele de răspuns în frecvență sunt o modalitate bună de a vizualiza modul în care o sonerie, un microfon sau un difuzor va reproduce diferite frecvențe audio. Deoarece, de obicei, soneriile emit doar un ton sonor, acestea au, în general, un interval de frecvențe îngust. Pe de altă parte, difuzoarele au, în general, intervale de frecvențe mai largi, deoarece au sarcina de a reproduce sunetul și vocea.

Axa Y pe un grafic de răspuns în frecvență pentru dispozitivele de ieșire audio, cum ar fi difuzoarele și soneriile, este reprezentată în decibeli de nivelul de presiune acustică (dB SPL), care, practic, arată cât de tare sună un dispozitiv. Axa Y pentru dispozitivele de intrare audio, cum ar fi microfoanele, reprezintă în schimb sensibilitatea în dB, deoarece acestea detectează, nu produc sunet. În Figura 1 de mai jos, axa X reprezintă frecvența pe o scară logaritmică, iar axa Y este indicată în dB SPL, ceea ce face ca acesta să fie un grafic pentru un dispozitiv de ieșire audio. Rețineți că, deoarece și decibelii sunt logaritmici, ambele axe sunt logaritmice.

Figura 1: grafic de răspuns în frecvență de bază. (Sursă imagine: Same Sky)

Reprezentând câți dB de SPL vor fi produși cu o intrare de putere constantă la diferite frecvențe, acest grafic este relativ plat, cu schimbări minime pe tot spectrul de frecvențe. În afară de o scădere abruptă sub 70 Hz, acest dispozitiv audio, cu aceeași putere de intrare, ar produce un SPL consecvent între 70 Hz și 20 kHz. Orice frecvență sub 70 Hz ar produce o ieșire SPL mai mică.

Graficul de răspuns în frecvență pentru difuzorul CSS-50508N de la Same Sky (Figura 2) este un exemplu mai bun de profil mai tipic al unui difuzor. Acest grafic include diferite puncte maxime și minime care denotă punctele în care rezonanța fie consolidează, fie reduce ieșirea. Fișa tehnică a acestui difuzor de 41 mm x 41 mm indică o frecvență de rezonanță de 380 Hz ± 76 Hz, care poate fi observată sub forma primului punct maxim principal de pe grafic. Aceasta scade rapid în jurul valorii de 600-700 Hz, dar apoi oferă o performanță SPL stabilă de la aproximativ 800 Hz până la 3.000 Hz. Din cauza dimensiunii difuzorului, un proiectant ar putea presupune că CSS-50508N nu va avea performanțe bune la frecvențe joase în comparație cu frecvențele mai înalte, lucru confirmat de grafic. Înțelegând cum și când să consulte un grafic de răspuns în frecvență, un inginer proiectant poate confirma dacă un difuzor sau un alt dispozitiv de ieșire poate reproduce frecvențele țintă.

Figura 2: graficul de răspuns în frecvență pentru difuzorul CSS-50508N de 41 mm x 41 mm de la Same Sky. (Sursă imagine: Same Sky)

Considerente privind intervalul audio și carcasa

Intervalul audio poate afecta proiectarea carcasei în mai multe moduri, după cum se arată în secțiunile de mai jos.

Dimensiunea difuzorului

Difuzoarele de dimensiuni mai mici se mișcă mai repede în comparație cu difuzoarele mai mari, ceea ce le permite să producă frecvențe mai înalte cu mai puține armonici nedorite. Cu toate acestea, atunci când se încearcă obținerea unei ieșiri SPL similare la frecvențe mai joase, este nevoie de diafragme mai mari ale difuzoarelor pentru a mișca suficient aer, astfel încât să se atingă același dB SPL perceput ca și la frecvențele mai înalte. În timp ce diafragmele mai mari sunt mult mai grele, acest lucru nu creează, de obicei, o problemă la frecvențe joase, unde se mișcă mult mai încet.

Decizia de a alege între un difuzor mai mic sau mai mare va depinde, în cele din urmă, de cerințele aplicației, dar difuzoarele mai mici vin, de obicei, cu o carcasă mai mică, ceea ce poate reduce costurile și poate îmbunătăți economisirea spațiului. Aflați mai multe pe blogul Same Sky despre Cum să proiectați o carcasă pentru un micro-difuzor.

Frecvența de rezonanță

Frecvența de rezonanță reprezintă frecvența la care un obiect tinde să vibreze în mod natural. Corzile de chitară vibrează la frecvența lor de rezonanță atunci când sunt ciupite, ceea ce înseamnă că, dacă un difuzor ar fi așezat lângă o coardă de chitară care emite la frecvența sa de rezonanță, coarda de chitară ar începe să vibreze și, în timp, ar crește în amplitudine. Cu toate acestea, atunci când vine vorba de sistemele audio, același fenomen poate duce la bâzâituri și zăngănituri nedorite cauzate de obiectele din jur. Blogul Same Sky privind rezonanța și frecvența de rezonanță oferă informații suplimentare pe această temă.

Pentru a evita o ieșire neliniară, cât și armonici nedorite în cazul unui difuzor, atunci când se proiectează carcasa este important să se confirme că aceasta nu are o frecvență de rezonanță naturală în același spectru cu cea a ieșirii audio preconizate.

Compromisuri privind materialele

Proiectarea difuzoarelor și a microfoanelor implică un echilibru delicat între componentele care trebuie să rămână nemișcate, flexibile și rigide în timpul mișcării. Diafragma (sau conul) unui difuzor trebuie să aibă o greutate redusă, pentru a permite un răspuns rapid, rămânând în același timp cât mai rigidă posibil pentru a evita deformarea în timpul mișcărilor. Difuzoarele Same Sky folosesc, de obicei, hârtie și mylar, care sunt ușoare și rigide. Fiind un tip de plastic, mylar-ul are avantajul suplimentar de a fi rezistent la umiditate și la umezeală. Pe lângă diafragmă, se utilizează și cauciuc pentru a conecta diafragma la cadru. Pentru a preveni ruperea din cauza mișcărilor extreme, acest material trebuie să fie rezistent, dar și maleabil, astfel încât să nu limiteze mișcarea diafragmei.

Figura 3: construcția de bază a unui difuzor. (Sursă imagine: Same Sky)

Aceleași compromisuri pot fi observate și atunci când se compară tehnologiile microfoanelor. Microfoanele cu condensator Electret și microfoanele MEMS oferă utilizatorilor durabilitate, construcție compactă și consum redus de putere, dar cu frecvență și sensibilitate mai limitate. Pe de altă parte, microfoanele cu bandă oferă sensibilitate și un interval de frecvențe îmbunătățit, dar au, în schimb, durabilitate redusă.

De asemenea, materialul este o alegere importantă pentru proiectarea carcasei, având un impact atât asupra rezonanței, cât și asupra absorbției sunetului. Scopul principal al unei carcase este de a atenua sunetul din spate generat în afara fazei, ceea ce înseamnă că materialul ales trebuie să poată absorbi sunetul în mod eficient. Acest lucru este deosebit de important în aplicațiile de sunet de frecvență joasă, unde este mai greu de amortizat.

Concluzie

În final, există un număr limitat de sisteme audio și nu există niciun dispozitiv de ieșire audio individual care poate acoperi întregul spectru audio cu orice nivel de fidelitate. În general, majoritatea aplicațiilor nu va necesita acest nivel de fidelitate, iar o ieșire perfect liniară nu este, probabil, necesară. Cu toate acestea, înțelegerea intervalului de frecvențe audio continuă să aibă un rol important în selectarea unei componente audio adecvate pentru un anumit proiect. Având această înțelegere, inginerii pot evalua mai bine compromisurile dintre costuri, dimensiuni și performanță. Same Sky oferă o gamă de soluții audio cu diferite intervale de frecvențe pentru a susține o suită completă de aplicații.