Beim Erstellen eines Audiosystems, sei es für ein Haus, ein Auto oder ein eingebettetes oder tragbares Gerät, gibt es immer ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Größe und Qualität. Qualität hat viele Faktoren, aber einer davon ist die Fähigkeit eines Systems, den gesamten Bereich der benötigten Audiofrequenzen wiederherzustellen. In diesem Blog werden diese Frequenzen und ihre verschiedenen Teilmengen sowie deren Auswirkungen auf das Design von Audiogehäusen erörtert. Es wird auch etwas Licht darauf werfen, wann die verschiedenen Audioreihen benötigt werden und wann sie nicht in einer Endanwendung sind.

Was ist der Audiofrequenzbereich?

Der allgemein etablierte Audiofrequenzbereich beträgt 20 Hz bis 20.000 Hz, obwohl die meisten Menschen weniger als diesen gesamten Bereich hören können, und wenn sie älter werden, neigt der Bereich dazu, sich an beiden Enden zusammenzuziehen. Die Beziehung zwischen Musik und Audiofrequenz besteht darin, dass Sie jedes Mal, wenn Sie eine Oktave nach oben bewegen, die Frequenz verdoppeln. Bei einem Klavier beträgt die tiefste Note, ein A, ungefähr 27 Hz, während die höchste Note, ein C, ungefähr 4186 Hz beträgt. Neben diesen Grundfrequenzen erzeugt fast alles, was Klänge erzeugt, auch harmonische Frequenzen, die ein Vielfaches höherer Frequenzen sind, jedoch mit einer niedrigeren Amplitude. Zum Beispiel erzeugt dieses 27 Hz „A“ auf dem Klavier auch eine 54 Hz Harmonische, die viel leiser ist, sowie eine 81 Hz Harmonische, die noch leiser ist, und so weiter. Diese Oberschwingungen sind wichtig für High-Fidelity-Lautsprechersysteme, die die ursprüngliche Quelle genau wiedergeben möchten.

Audiofrequenz-Teilmengen

Innerhalb des Audiofrequenzbereichs von 20 Hz bis 20 kHz werden sieben Teilmengen von Frequenzen verwendet, um die Bereiche zu definieren, auf die bei der Entwicklung von Systemen für die Aufnahme oder Wiedergabe abgezielt werden kann.

Frequenz Teilmenge Frequenz Bereich Beschreibung
Sub-Bass 16 bis 60 Hz Dies ist der tiefe musikalische Bereich – ein Kontrabass, eine Tuba oder eine Bassgitarre am unteren Ende fallen in diese Kategorie
Bass 60 bis 250 Hz Dies ist der normale Sprechstimmumfang
Unterer Mitteltonbereich 250 bis 500 Hz Im unteren Mitteltonbereich befinden sich typische Blechblasinstrumente und mittlere Holzbläser, wie Altsaxophon und der mittlere Bereich eines klarinette
Midrange 500 Hz bis 2 kHz Der Name mag Midrange sein, liegt aber am oberen Ende der Grundfrequenzen, die von den meisten Musikinstrumenten erzeugt werden. Hier findet man Instrumente wie Violine und Piccolo
Höherer Mitteltonbereich 2 bis 4 kHz Wie bereits erwähnt, liegen die Oberwellen bei Vielfachen der Grundfrequenz. Wenn Sie also erwarten, dass sich die Grundlagen für eine Trompete im unteren Mitteltonbereich befinden, können Sie erwarten, dass die Oberwelle 2-mal, 3-mal und 4-mal so fundamental ist, was sie in diesen Bereich bringen würde
Presence 4 bis 6 kHz Harmonische für Violine und Piccolo finden Sie hier
Brillanz 6 bis 20 kHz Oben 6 kHz ist, wo Töne mehr wie Jammern und Pfeifen werden, weil sie so hoch sind. In diesem Bereich finden sich Zischlaute (das unerwünschte Pfeifen, wenn manchmal ein ’s‘ ausgesprochen wird) und Obertöne für bestimmte perkussive Klänge wie Becken

Frequenzgang Diagramm

EINE gute möglichkeit zu sehen, wie ein lautsprecher, summer, oder mikrofon können reproduzieren diese verschiedenen frequenzen ist mit die frequenzgang diagramm. Im Allgemeinen haben Summer einen engeren Frequenzbereich, da sie nur einen hörbaren Ton ausgeben sollen, während Lautsprecher einen größeren Bereich bieten, um Geräusche und Stimme wiederzugeben.

Wenn es um Lautsprecher, Summer und andere Ausgabegeräte geht, ist die Y-Achse in einem Frequenzgangdiagramm in dB SPL oder Dezibel des Schalldruckpegels angegeben (grob als Lautstärke interpretiert). Bei Mikrofonen misst die y-Achse die Empfindlichkeit in dB, da sie erkennen, anstatt Ton zu erzeugen. Beachten Sie im folgenden Beispiel, dass die x-Achse die Frequenz ist (auf einer logarithmischen Skala) und da die y-Achse dB SPL ist, ist bekannt, dass dieses Diagramm für einen Lautsprecher oder ein anderes Ausgabegerät gilt. Denken Sie daran, dass Dezibel auch logarithmisch sind, sodass sowohl die x- als auch die y-Achse logarithmisch sind.

Beispielzeichnung einer Frequenzgangkurve
Beispiel einer Frequenzgangkurve

Dieses Diagramm zeigt, wie viele dB Schalldruckpegel bei konstanter Leistungsaufnahme bei verschiedenen Frequenzen erzeugt werden. In diesem Fall ist der Ausgang eher flach mit einem starken Abfall unter 70 Hz und einem flacheren Abfall über 20 kHz. Dies bedeutet, dass dieses Audiogerät bei gleicher Eingangsleistung ungefähr den gleichen Schalldruckpegel zwischen 70 Hz und 20 kHz erzeugt, jedoch außerhalb dieser Grenzen deutlich weniger Schalldruckpegel erzeugt.

Es gibt auch Frequenzdiagramme mit übertriebeneren Peaks und Dips, die Punkte anzeigen, an denen Resonanz den Ausgang verstärkt oder etwas den Ausgang dämpft. Am Beispiel des CSS-50508N-Lautsprechers von CUI Devices zeigt die folgende Abbildung ein typischeres Lautsprecherprofil. Aus dem Datenblatt geht hervor, dass die Resonanzfrequenz 380 Hz ± 76 Hz beträgt, was mit dem ersten Peak korreliert, gefolgt von einem großen Abfall zwischen 600 und 700 Hz. Es hat jedoch eine flache Antwort zwischen 800 Hz und 3 kHz. Da dieser Lautsprecher nur 41 mm x 41 mm groß ist, würde man davon ausgehen, dass er sowohl niedrigere als auch höhere Frequenzen nicht wiedergeben würde, was durch die Grafik bestätigt wird. Diese Informationen können dann von einem Konstrukteur verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Lautsprecher die Zielfrequenzen wiedergeben kann.

Beispielzeichnung einer Frequenzgangkurve mit typischeren Spitzen und Tälern
Frequenzgangkurve mit typischeren Spitzen und Tälern

Audiofrequenzbereich und Gehäusedesign

Wie wirkt sich der Audiofrequenzbereich auf die Auswahl oder das Design des Gehäuses aus, nachdem Sie nun die Grundlagen der Audiofrequenz behandelt haben? In der Praxis beeinflusst der Audiobereich das Gehäusedesign auf verschiedene Arten.

Größe des Lautsprechers und des Gehäuses

Ein kleinerer Lautsprecher kann sich schneller bewegen, sodass er höhere Frequenzen genauer erzeugen und gleichzeitig unerwünschte Oberwellen reduzieren kann. Wie in unserem Blog über das Design von Mikrolautsprechergehäusen beschrieben, bedeutet ein kleinerer Lautsprecher auch ein entsprechend kleineres Gehäuse, was Platz und Materialkosten spart.

Um den gleichen dB SPL bei extrem niedrigen Frequenzen zu erzeugen, ist eine größere Membran erforderlich, um ausreichend Luft zu bewegen. Dies liegt an den inhärenten Herausforderungen, genügend Luft zu bewegen, um den gleichen wahrgenommenen dB SPL wie höhere Tonhöhen zu erreichen. Positiv zu vermerken ist, dass das erhöhte Gewicht einer größeren Membran bei den niedrigeren Frequenzen, bei denen sie sich viel langsamer bewegt, kein so großes Problem darstellt.

Resonanz

Die meisten Objekte haben eine Resonanzfrequenz – oder eine Frequenz, mit der ein Objekt natürlich vibrieren möchte. Eine Gitarrensaite vibriert beispielsweise, wenn sie gezupft wird, mit ihrer Resonanzfrequenz. Wenn Sie die Resonanzfrequenz mit einem Lautsprecher in der Nähe der Gitarrensaite spielen würden, würde sie anfangen zu vibrieren und mit der Zeit an Amplitude zunehmen. Dasselbe Phänomen tritt bei anderen Objekten auf und kann in Bezug auf Audio unerwünschte Rasseln und Summen mit umgebenden Objekten verursachen. Unser Blog über Resonanz und Resonanzfrequenz behandelt dieses Thema genauer.

Wenn Sie ein Gehäuse entwerfen, müssen Sie sicherstellen, dass das Gehäuse selbst keine Eigenresonanzfrequenz im selben Bereich wie die erwartete Audioausgabe aufweist oder dass der Lautsprecher selbst sowohl einen nichtlinearen Ausgang als auch unerwünschte Oberwellen aufweist. Gleichzeitig wird je nach Anwendung manchmal die Kontrolle der Resonanz einer Box oder die Erweiterung des Resonanzbereichs angestrebt.

Materialien

Das Design von Lautsprechern und Mikrofonen ist ein interessantes Gleichgewicht von Teilen, die ruhig bleiben, sich biegen und während der Bewegung starr bleiben müssen. Insbesondere bei Lautsprechern muss der Kegel oder die Membran so leicht wie möglich sein, um schnell zu reagieren, aber auch so steif wie möglich sein, damit er sich ohne Verformung bewegen kann. Die am häufigsten verwendeten Materialien für die Lautsprecher von CUI Devices sind Papier und Mylar. Sie sind beide extrem leicht und steif, aber Mylar, eine Art Kunststoff, ist auch resistent gegen Feuchtigkeit und Feuchtigkeit. Es gibt auch den Gummi, der die Membran mit dem Rahmen verbindet. Dies sollte stark sein, um extremen Bewegungen standzuhalten, ohne zu brechen, und gleichzeitig so biegsam wie möglich sein, um die Bewegung des Kegels nicht zu beeinträchtigen.

Zeichnung einer typischen Lautsprecherkonstruktion
Allgemeine Lautsprecherkonstruktion

Dieser Kompromiss in Bezug auf Empfindlichkeit, Frequenzbereich, Robustheit und Schalldruckbereich gilt auch für Mikrofonmaterialien. Mikrofone können einfache Elektret- oder MEMS-Mikrofone mit ausreichender, aber begrenzter Frequenz und Empfindlichkeit, aber mit Haltbarkeit, geringer Größe und geringem Strombedarf sein. Am anderen Ende des Spektrums sind Bändchenmikrofone, die ein dünnes Metallband als Membran verwenden, für ihre Empfindlichkeit und ihren Frequenzbereich bekannt. Als Kompromiss sind sie so zerbrechlich, dass sie nicht für viele perkussive Instrumente verwendet werden können und auch nicht ohne Abdeckung getragen werden sollten, damit das Zwerchfell nicht reißt.

Die dafür erforderlichen Kompromisse sowie die Kosten für verschiedene Materialien variieren für verschiedene Audioreihen. Lautsprecher im unteren Bereich müssen sich nicht so sehr um das Konusgewicht kümmern, sondern benötigen Aufhängungen, die größere Bewegungsmengen ermöglichen.

Die Art des Materials, das für ein Gehäuse verwendet wird, beeinflusst auch die Resonanz und Schallabsorption. Beim Entwurf eines Gehäuses, dessen Hauptaufgabe darin besteht, den phasenverschobenen, rückwärtsgerichteten Schall zu dämpfen, wünscht sich ein Ingenieur ein Material, das die Geräusche effektiv absorbiert. Dies ist wichtiger bei niederfrequentem Schall, der schwerer zu dämpfen ist.

Endgültige Überlegungen zum Design des Audiofrequenzbereichs

Es ist wichtig zu beachten, dass nur sehr wenige Systeme und keine einzelnen Lautsprecher und Gehäuse die gesamte Bandbreite an Audio mit einer beliebigen Wiedergabetreue bieten. Insbesondere die extremen Frequenzen erfordern spezielle Lautsprecher und Gehäuse, aber für wirklich genaue Reproduktionen muss in jedem Bereich ein Gleichgewicht der Lautsprecher vorhanden sein, das auf die linearste Ausgabe abgestimmt ist.

 Variierte Frequenzwellenformen
Da die Frequenz variiert, sind unterschiedliche Ansätze in Design und Materialien erforderlich

Zweitens erfordern die meisten Anwendungen dieses Maß an Wiedergabetreue nicht und eine lineare Ausgabe ist möglicherweise nicht das gewünschte Ergebnis. Zum Beispiel muss ein Telefon nur den grundlegenden menschlichen Stimmbereich abdecken, und selbst wenn der Frequenzbereich verdoppelt oder verdreifacht wird, um Oberwellen aufzunehmen, bleibt er immer noch weit hinter dem Bereich von 20 Hz bis 20 kHz zurück. Ein anderes Beispiel wären Benachrichtigungs- oder Sicherheitsanwendungen, die nur ein Summen, Trällern oder Kreischen in einem sehr kleinen Frequenzbereich, aber bei verschiedenen Schalldruckpegeln benötigen. Für diese Designs sind Summer oder Sirenen, die die Kompromisse weg vom Frequenzbereich und mehr in Richtung Kosten, Größe, Leistung und Lautstärke verschieben, eine gute Option.

Letztendlich kann sich nur ein Einzelner der vollen Einschränkungen seines Projekts bewusst sein, und Entscheidungen über Kompromisse zu treffen, ist ein wesentlicher Bestandteil des Ingenieur- und Konstruktionslebens.

Fazit

Der Audiofrequenzbereich ist ein großer, wenn auch nicht der einzige Teil der Design- und Komponentenauswahl mit Lautsprechern, Buzzern, Gehäusen und Mikrofonen. Ein grundlegendes Verständnis dieses Bereichs, was es in Aufnahme- oder Wiedergabeanwendungen bedeutet und wie sie mit den physischen Einschränkungen und Einschränkungen aller Audiogeräte zusammenhängen, wird den Designprozess beeinflussen. Die große Vielfalt an Audiokomponenten von CUI Devices bietet Lösungen für viele verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Frequenzbereichen.

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