Importanța rezonanței și a frecvenței de rezonanță în sistemele audio

Există două provocări cheie pentru proiectanții care lucrează cu sisteme audio rezonante. Prima implică utilizarea frecvenței de rezonanță și a zonei de rezonanță a unui difuzor sau a unui buzer pentru a genera cel mai mare nivel de presiune sonoră (SPL). A doua implică evitarea rezonanței care induce bâzâituri și zăngănituri în incinta și sistemul de montare ale unui dispozitiv audio. Deși rezonanța este un concept familiar, acest articol va trece în revistă implicațiile sale în proiectarea audio, inclusiv provocările menționate mai sus, factorii care afectează rezonanța, cum să citiți o curbă de răspuns în frecvență și multe altele.

Elementele de bază ale rezonanței și ale frecvenței de rezonanță

Pentru a înțelege impactul rezonanței, aceasta trebuie mai întâi să fie înțeleasă la un nivel de bază. Rezonanța are loc atunci când un obiect fizic sau un circuit electronic absoarbe energie de la un impuls inițial și apoi continuă să vibreze la aceeași frecvență, deși cu o amplitudine din ce în ce mai mică, fără ca vreo forță să acționeze asupra sa. Frecvența la care apare acest comportament este cunoscută sub numele de frecvență de rezonanță a sistemului, desemnată prin F0.

Rezonanța poate apărea în multe contexte. Chitarele oferă un exemplu comun perfect, deoarece produc sunetul în întregime prin vibrații. Atunci când un cântăreț trage de coarda unei chitare acustice, aceasta vibrează și transmite energia sonoră în corpul gol din lemn al instrumentului, ceea ce îl face să rezoneze și amplifică sunetul pe care îl produce. În mod similar, un filtru LC poate rezona ca un circuit oscilant anodic acordat dacă este stimulat de un semnal la frecvența potrivită. Acest efect este utilizat în radiourile de bază pentru a capta un semnal emis prin ajustarea valorii capacității sau a inductanței din circuitul oscilant anodic, astfel încât frecvența rezonantă a acestuia să se potrivească cu cea a frecvenței de emisie. Rezonanța electromecanică dintr-un oscilator cu cristal piezoelectric poate fi utilizată ca referință de frecvență.

O prezentare generală a componentelor de ieșire audio

Rezonanța mecanică este afectată de greutate și de rigiditatea care leagă diferite mase între ele. În cazul difuzoarelor standard, această masă este diafragma (sau conul), iar rigiditatea depinde de flexibilitatea suspensiei care unește diafragma cu cadrul. Deoarece difuzoarele sunt fabricate în multe moduri diferite, fiecare tip de difuzor poate produce frecvențe de rezonanță variate.

Alți factori care vor determina variația frecvenței de rezonanță a unui difuzor includ materialul conului, grosimea suspensiei și dimensiunea electromagnetului, care este atașat la partea din spate a conului și care are un impact asupra greutății. În general, materialele mai ușoare, mai rigide și suspensiile flexibile rezultă în frecvențe de rezonanță mai mari. De exemplu, tweeterele de înaltă frecvență sunt mici și ușoare, cu conuri rigide din Mylar și suspensii foarte flexibile. Prin modificarea acestor factori, difuzoarele standard au o gamă de frecvențe undeva între 20 Hz și 20.000 Hz.

Figura 1: structura standard a difuzorului (Sursa imaginii: Same Sky)

Un alt tip de componentă de ieșire audio este reprezentat de buzerele magnetice cu traductor. Acestea separă mecanismul de acționare de mecanismul de producere a sunetului într-un mod diferit de cel al unui difuzor. Datorită unei diafragme mai ușoare, care este legată mai rigid de cadru, traductoarele magnetice au o gamă de frecvențe normale mai mare, dar cu o rază de acțiune redusă. De obicei, acestea produc un sunet de la 2 la 3 kHz, cu avantajul suplimentar că au nevoie de mai puțin curent decât difuzoarele pentru a produce același SPL.

Figura 2: structura unui buzer magnetic standard (Sursa imaginii: Same Sky )

În cele din urmă, există buzere piezoelectrice cu traductor, care sunt și mai eficiente la producerea de SPL-uri mai mari cu aceeași cantitate de curent ca și omologii lor magnetici. Prin utilizarea efectului piezoelectric, acestea variază un câmp electric pentru a determina elementul piezoceramic să se îndoaie într-un fel și apoi în altul, ceea ce duce la emiterea de unde sonore. Acest material piezoelectric este în general rigid, iar componentele utilizate în aceste tipuri de buzere sunt mici și subțiri. Buzerele piezoelectrice cu traductor, ca și versiunile magnetice, generează zgomote înalte între 1 și 5 kHz, cu o gamă de frecvențe îngustă.

Figura 3: structura unui buzer piezoelectric standard (Sursa imaginii: Same Sky)

Considerente privind proiectarea rezonanței

Proiectarea difuzoarelor sau a buzerelor care folosesc rezonanța este o sarcină complexă care implică luarea în considerare a frecvenței de rezonanță sau a intervalului de frecvență de rezonanță dorit, a caracteristicile difuzorului sau ale buzerului care va fi utilizat, precum și forma și dimensiunea incintei în care va fi montat. Acești factori se pot influența reciproc destul de radical.

De exemplu, montarea unui difuzor mic într-o incintă foarte mare îi va permite acestuia să se miște liber, astfel că este probabil ca frecvența de rezonanță a sistemului (difuzor plus incintă) să fie aceeași cu rezonanța intrinsecă a difuzorului care funcționează în aer liber. Dar dacă puneți un difuzor într-o incintă mică și etanșă, aerul din interior va acționa ca un resort mecanic care interacționează cu conul difuzorului și afectează frecvența de rezonanță a sistemului. Există și alte interacțiuni, cum ar fi caracteristicile neliniare ale acționării electrice, care trebuie, de asemenea, luate în considerare pentru a realiza o proiectare eficientă.

Având în vedere această complexitate, cel mai bun mod de a proceda cu orice tip de proiectare audio este adesea construirea unor prototipuri, măsurarea caracteristicilor acestora și apoi ajustarea pentru a produce cea mai bună ieșire cu sursa audio aleasă. De asemenea, această abordare bazată pe prototipuri îi poate ajuta pe proiectanți să înțeleagă și să compenseze faptul că caracteristicile componentelor vor varia în cadrul toleranțelor de fabricație, iar geometria și rigiditatea incintei vor fi supuse variațiilor de producție. Un difuzor construit manual, populat cu cele mai bune componente selectate dintr-un lot, atinge deseori o performanță greu de obținut în mod repetat cu ajutorul tehnicilor de producție în masă și al componentelor standard.

În plus, incintele, în special cele pentru difuzoare, trebuie să fie proiectate astfel încât să aibă suficient spațiu intern pentru ca energia audio produsă să se dezvolte fără atenuare. O reducere modestă de 3 dB în SPL, cauzată de acoperirea incintei sau de materiale, va înjumătăți puterea sonoră de ieșire. În postarea de pe blogul Same Sky „Cum se proiectează o incintă de micro-difuzor”) se discută despre acest lucru în detaliu.

În general, este important să analizați răspunsul întregului spectru al unei componente audio și să profitați de performanța sa la frecvențele care există de o parte și de alta a vârfului de frecvență de rezonanță. Deoarece frecvența de rezonanță nu este un număr exact și nici nu este neapărat o bandă foarte îngustă, în special în cazul difuzoarelor, este posibil să existe un răspuns de frecvență util pe care proiectanții îl pot exploata de o parte și de alta a valorii de vârf specificate pe o fișă tehnică. Ideea este de a optimiza SPL-ul și frecvența de ieșire pentru o anumită putere de intrare. Pentru a realiza acest lucru, dispozitivul trebuie să fie acționat la frecvența sa de rezonanță și la frecvențe din zonele sale de rezonanță.

De exemplu, fișa tehnică a difuzorului CSS-10246-108 de la Same Sky spune că acesta are o frecvență de rezonanță de 200 Hz ±40 Hz, dar graficul de răspuns în frecvență arată un alt vârf de rezonanță la aproximativ 3,5 kHz. De asemenea, există o zonă de rezonanță de la aproximativ 200 Hz la 3,5 kHz. Proiectanții pot utiliza aceste informații pentru a adapta difuzorul ales la aplicația lor.

Figura 4: o curbă de răspuns în frecvență pentru difuzorul CSS-10246-108 (Sursa imaginii: Same Sky)

Ca un alt exemplu, buzerul magnetic cu traductor CMT-4023S-SMT-TR de la Same Sky indică o frecvență de rezonanță de 4000 Hz în fișa sa tehnică. Acest lucru este confirmat prin intermediul graficului de răspuns în frecvență al buzerului de mai jos. Alternativ, pentru a simplifica problemele de rezonanță, buzerele sunt, de asemenea, disponibile ca indicatori audio care dispun de circuite de acționare încorporate. Deoarece funcționarea lor este setată la o frecvență fixă, nominală, aceste dispozitive acționate intern nu au nevoie de un grafic de răspuns în frecvență, deoarece sunt proiectate pentru a maximiza SPL în fereastra lor de frecvență specificată.

Figura 5: o curbă de răspuns în frecvență pentru buzerul magnetic cu traductor CMT-4023S-SMT-TR (Sursa imaginii: Same Sky)

Concluzie

La proiectarea unui dispozitiv audio într-o aplicație, inginerii trebuie să ia în considerare frecvența de rezonanță a dispozitivului, pentru a se asigura că acesta produce cel mai mare SPL fără a induce vibrații nedorite. Acest lucru înseamnă utilizarea datelor furnizate de furnizor, în special a frecvenței de rezonanță, ca punct de plecare în proiectare și apoi optimizarea proiectului în zona de rezonanță care există în jurul acestei valori. După finalizarea unui proiect inițial, ar trebui să se utilizeze prototipuri pentru a verifica dacă modul în care dispozitivul audio interacționează cu carcasa și cu montajul său corespunde performanței proiectate. Same Sky oferă o gamă de soluții audio pe tot spectrul de frecvențe pentru a-i ajuta pe ingineri să găsească componenta potrivită pentru fiecare sarcină.