när du skapar ett ljudsystem, oavsett om det är för ett hus, en bil eller en inbyggd eller bärbar enhet, finns det alltid en balans mellan kostnad, storlek och kvalitet. Kvalitet har många bidragande faktorer men en av dem är möjligheten för ett system att återskapa hela utbudet av ljudfrekvenser som behövs. Den här bloggen kommer att diskutera dessa frekvenser och deras olika delmängder samt hur de påverkar utformningen av ljud kapslingar. Det kommer också att belysa när de olika ljudområdena behövs och när de inte är i ett slutprogram.

Vad är Ljudfrekvensområdet?

det allmänt etablerade ljudfrekvensområdet är 20 Hz till 20 000 Hz, även om de flesta kan höra mindre än hela detta intervall, och när de blir äldre tenderar intervallet att dra ihop sig i båda ändarna. Förhållandet mellan musik och ljudfrekvens är att varje gång du flyttar upp en oktav fördubblar du frekvensen. Med ett piano är den lägsta tonen, en A, ungefär 27 Hz medan den högsta tonen, en C, är cirka 4186 Hz. Förutom dessa grundläggande frekvenser genererar nästan allt som skapar ljud också harmoniska frekvenser, som är multiplar av högre frekvenser, men med en lägre Amplitud. Till exempel producerar den 27 Hz ”A” på piano också en 54 Hz harmonisk som är mycket tystare, liksom en 81 Hz harmonisk som är ännu tystare och så vidare. Dessa övertoner är viktiga för high fidelity högtalarsystem som vill exakt återskapa den ursprungliga källan.

Ljudfrekvensundergrupper

inom ljudfrekvensområdet 20 Hz till 20 kHz finns det sju delmängder av frekvenser som används för att definiera de områden som kan riktas in vid utformning av system för inspelning eller uppspelning.

frekvens delmängd frekvensområde beskrivning
Sub-bass 16 till 60 Hz detta är det låga musikaliska intervallet – en upprätt bas, tuba, basgitarr, i nedre änden, kommer att falla i denna kategori
bas 60 till 250 Hz detta är det normala talande röstområdet
lägre mellanregister 250 till 500 Hz i det nedre mellanregistret är typiska mässingsinstrument och mittvindar, som altsaxofon och mittområdet för a klarinett
mellanregister 500 Hz till 2 kHz namnet kan vara mellanregister, men det är på den högre änden av de grundläggande frekvenser som skapas av de flesta musikinstrument. Här kan man hitta instrument som fiol och piccolo
högre mellanregister 2 till 4 kHz som nämnts är övertoner vid multiplar av grundfrekvensen, så om man förväntar sig grunden för en trumpet att vara i det nedre mellanområdet kan man förvänta sig att övertonen är 2 gånger, 3 gånger och 4 gånger den grundläggande, vilket skulle sätta dem i detta intervall
närvaro 4 till 6 kHz övertoner för fiol och piccolo finns här
briljans 6 till 20 kHz ovan 6 kHz är där ljud blir mer som whines och visselpipor eftersom de är så höga. I detta intervall finns sibilantljud (den oönskade visselpipan när man ibland uttalar ett ’s’) och övertoner för vissa slagljud som cymbaler

Frekvensresponsdiagram

ett bra sätt att se hur en högtalare, Summer eller mikrofon kan reproducera dessa olika frekvenser är med frekvensresponsdiagrammet. I allmänhet har buzzers ett smalare frekvensområde eftersom de bara har till uppgift att mata ut en hörbar ton, medan högtalare erbjuder ett bredare utbud för att återskapa ljud och röst.

när det gäller högtalare, buzzers och andra utmatningsenheter är y-axeln på ett frekvenssvarsdiagram i dB SPL eller decibel av Ljudtrycksnivå (grovt tolkad som ljudstyrka). För mikrofoner, eftersom de upptäcker istället för att producera ljud, mäter y-axeln känslighet i dB. I exemplet nedan, notera att x-axeln är frekvens (på en logaritmisk skala) och eftersom y-axeln är dB SPL, är det känt att detta diagram är för en högtalare eller annan utmatningsenhet. Kom ihåg att decibel också är logaritmiska, så både X-och y-axlarna är logaritmiska.

Exempelritning av en frekvensresponskurva
Frekvensresponskurva exempel

detta diagram representerar hur många dB SPL som kommer att produceras med en konstant effektingång vid olika frekvenser. I detta fall är utgången ganska platt med en kraftig nedgång under 70 Hz och en grundare nedgång över 20 kHz. Detta innebär att denna ljudenhet, med samma ingångseffekt, kommer att producera ungefär samma ljudtrycksnivå mellan 70 Hz och 20 kHz men kommer att producera betydligt mindre ljudtrycksnivå utanför dessa gränser.

det finns också frekvensdiagram med mer överdrivna toppar och dips, vilket indikerar punkter där resonans stärker utgången, eller något dämpar utgången. Med hjälp av CUI-enheternas CSS-50508n-högtalare som exempel visar figuren nedan en mer typisk högtalarprofil. Från databladet är resonansfrekvensen 380 Hz 76 Hz, vilket är korrelerat med den första toppen, följt av ett stort dopp mellan 600 och 700 Hz. Det har dock ett platt svar mellan 800 Hz och 3 kHz. Eftersom denna högtalare bara är 41 mm x 41 mm, skulle man förutse att den inte skulle reproducera lägre frekvenser såväl som högre frekvenser och detta bekräftas av grafen. Denna information kan sedan användas av en designingenjör för att säkerställa att högtalaren kommer att kunna reproducera de riktade frekvenserna.

Exempelritning av en frekvensresponskurva med mer typiska toppar och dalar
Frekvensresponskurva med mer typiska toppar och dalar

ljudfrekvensområde och Kapslingsdesign

hur påverkar ljudfrekvensområdet val eller design? I praktiken påverkar ljudområdet kapslingens design på flera sätt.

storlek på högtalare och hölje

en mindre högtalare kan röra sig snabbare, så det kan mer exakt producera högre frekvenser och samtidigt minska oönskade övertoner. Skisserat i vår blogg om att designa mikrohögtalare, innebär en mindre högtalare också ett motsvarande mindre hölje, vilket sparar utrymme och kostnad i material.

för att skapa samma dB SPL vid extremt låga frekvenser behövs ett större membran för att flytta tillräckligt med luft. Detta beror på de inneboende utmaningarna att flytta tillräckligt med luft för att matcha samma upplevda dB SPL som högre platser. På den positiva sidan är den ökade vikten av ett större membran inte lika mycket av ett problem vid de lägre frekvenserna där det rör sig mycket långsammare.

resonans

de flesta objekt har en resonansfrekvens – eller en frekvens vid vilken ett objekt naturligtvis vill vibrera. En gitarrsträng, till exempel när den plockas, kommer att vibrera vid sin resonansfrekvens. Om du skulle spela resonansfrekvensen med en högtalare nära gitarrsträngen, skulle den börja vibrera och öka i amplitud med tiden. Samma fenomen uppstår med andra objekt, och när det gäller ljud, kan orsaka oönskade skallror och surrande med omgivande föremål. Vår blogg om resonans och resonansfrekvens täcker detta ämne mer detaljerat.

när du utformar ett hölje måste du se till att höljet i sig inte har en naturlig resonansfrekvens i samma intervall som den förväntade ljudutgången eller att högtalaren själv har både en icke-linjär utgång och oönskade övertoner. Samtidigt är det ibland eftertraktat att kontrollera resonansen hos en låda, eller utvidga resonansområdet, beroende på applikationen.

Material

designen av högtalare och mikrofoner är en intressant balans mellan delar som måste förbli stilla, måste böjas och måste förbli styva när de rör sig. Speciellt för högtalare måste konen eller membranet vara så lätt som möjligt för att reagera snabbt men måste också vara så styvt som möjligt så att det kan röra sig utan deformation. De vanligaste materialen som används med CUI-enheternas högtalare är papper och mylar. De är båda extremt lätta och styva, men mylar, som är en typ av plast, är också resistent mot fukt och fuktighet. Det finns också gummit som förbinder membranet med ramen. Detta bör vara starkt för att motstå extrem rörelse utan att bryta, samtidigt som det är så smidigt som möjligt för att inte störa konens rörelse.

 ritning av en typisk högtalarkonstruktion
allmän högtalarkonstruktion

denna avvägning i känslighet, frekvensområde, robusthet och SPL-intervall är också sant med mikrofonmaterial. Mikrofoner kan vara enkla Elektret-eller MEMS-mikrofoner med tillräcklig men begränsad frekvens och känslighet men med hållbarhet, liten storlek och låga effektkrav. I den motsatta änden av spektrumet är bandmikrofoner som använder ett tunt metallband som membran kända för sin känslighet och frekvensområde. Som en avvägning är de så ömtåliga att de inte kan användas för många slaginstrument och inte heller bör de bäras utan lock på dem, så att membranet inte tårar.

de avvägningar som krävs för dessa, förutom kostnaden för olika material, varierar för olika ljudområden. Högtalare med lägre räckvidd behöver inte oroa sig för konens vikt lika mycket men behöver upphängningar som kan röra sig större.

den typ av material som används för ett hölje kommer också att påverka resonans och ljudabsorption. Vid utformning av ett hölje, vars primära roll är att dämpa det Utfasade bakåtgenererade ljudet, vill en ingenjör ha ett material som effektivt absorberar ljuden. Detta är viktigare med lägre frekvensljud som är svårare att dämpa.

slutliga design överväganden för ljud frekvensområde

det är viktigt att notera att mycket få system och ingen enskild högtalare och kapsling kommer att erbjuda hela skalan av ljud med någon nivå av trohet. I synnerhet kräver de extrema frekvenserna speciella högtalare och kapslingar, men för riktigt exakta reproduktioner måste det finnas en balans mellan högtalare i varje intervall som är inställd för att skapa den mest linjära utgången.

 varierade frekvensvågformer
eftersom frekvensen varierar krävs olika tillvägagångssätt i design och material

för det andra kräver majoriteten av applikationerna inte denna nivå av trohet och en linjär utgång kanske inte är det önskade resultatet. Till exempel behöver en telefon bara täcka det grundläggande mänskliga röstområdet och även när man fördubblar eller tredubblar frekvensområdet för att rymma övertoner, faller det fortfarande långt ifrån 20 Hz till 20 kHz-intervallet. Ett annat exempel skulle vara anmälnings-eller säkerhetsapplikationer, som bara behöver en buzz, warble eller screech i ett mycket litet frekvensområde men vid olika SPL. För dessa mönster är buzzers eller sirener som flyttar avvägningarna bort från frekvensområdet och mer mot kostnad, storlek, kraft och ljudstyrka ett bra alternativ.

i slutändan kan bara en individ vara medveten om de fullständiga begränsningarna i sitt projekt och att fatta beslut om avvägningar är en viktig del av att vara ingenjör och designer.

slutsats

ljudfrekvensområdet är en stor, men inte den enda delen av design-och komponentvalet med högtalare, buzzers, kapslingar och mikrofoner. En grundläggande förståelse för detta intervall, vad det innebär i inspelnings-eller reproduktionsapplikationer och hur de är relaterade till de fysiska begränsningarna och begränsningarna för all ljudrelaterad utrustning kommer att informera designprocessen. Det stora utbudet av ljudkomponenter från CUI-enheter kommer att ge lösningar för många olika applikationer med olika frekvensområden.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.