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好聲音離不開好共振 為什么?

發(fā)布時(shí)間:2024-05-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】共振音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著兩項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。第一項(xiàng)挑戰(zhàn)是利用揚(yáng)聲器或蜂鳴器的共振頻率和共振區(qū)來產(chǎn)生最大的輸出聲壓級(jí)(SPL)。第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是避免共振在音頻器件的音箱和安裝系統(tǒng)中引入的嗡嗡聲和格格聲。雖然共振是人們熟悉的概念,但本文將回顧共振對(duì)音頻設(shè)計(jì)的意義,其中包括上方提到的挑戰(zhàn)、共振影響因素、如何理解頻率響應(yīng)曲線等等。


共振音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著兩項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。第一項(xiàng)挑戰(zhàn)是利用揚(yáng)聲器或蜂鳴器的共振頻率和共振區(qū)來產(chǎn)生最大的輸出聲壓級(jí)(SPL)。第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是避免共振在音頻器件的音箱和安裝系統(tǒng)中引入的嗡嗡聲和格格聲。雖然共振是人們熟悉的概念,但本文將回顧共振對(duì)音頻設(shè)計(jì)的意義,其中包括上方提到的挑戰(zhàn)、共振影響因素、如何理解頻率響應(yīng)曲線等等。


共振和共振頻率基礎(chǔ)知識(shí)


要了解共振的影響,首先要了解共振的基本特征。當(dāng)物理對(duì)象或電子電路吸收來自初始脈沖的能量并隨后以相同頻率振動(dòng)時(shí),就會(huì)發(fā)生共振。不過,如果沒有更多的作用力量,振幅會(huì)越來越小。發(fā)生共振時(shí)的頻率稱為系統(tǒng)的共振頻率,表示為 F0。


共振可以出現(xiàn)在多種情況下。吉他就是一個(gè)很好的常見例子,它完全通過振動(dòng)來產(chǎn)生聲音。當(dāng)演奏者撥動(dòng)原聲吉他的琴弦時(shí),琴弦振動(dòng)并將聲能傳遞到樂器的空心木質(zhì)琴身,使其產(chǎn)生共振并放大所產(chǎn)生的聲音。同樣,如果使用適當(dāng)頻率的信號(hào)激發(fā) LC 濾波器,濾波器就會(huì)作為調(diào)諧振蕩電路發(fā)生共振。在基本無線電中,這種效應(yīng)可用來捕獲廣播信號(hào),只需通過調(diào)整振蕩電路的電容或電感值,使振蕩電路的共振頻率與廣播頻率相一致。壓電晶體振蕩器中的機(jī)電共振可以用作頻率參考。


音頻輸出元器件概覽


機(jī)械共振的影響因素包括重量,以及將不同質(zhì)量連接在一起的剛度。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器,這個(gè)質(zhì)量就是振膜(或音盆),而剛度則取決于連接振膜和框架的懸架的柔性。由于揚(yáng)聲器的制造方式多種多樣,每種揚(yáng)聲器類型都可能產(chǎn)生不同的共振頻率。


其他導(dǎo)致?lián)P聲器共振頻率不同的因素包括振膜材料、懸架厚度和電磁鐵尺寸。電磁鐵連接至音盆后部,且會(huì)對(duì)重量產(chǎn)生影響。一般來說,更輕、剛性更強(qiáng)的材料和柔性的懸掛部件會(huì)形成更高的共振頻率。例如,高頻揚(yáng)聲器體積小、重量輕,具有剛性的聚酯薄膜音盆和高度柔性的懸掛部件。通過修改這些因素,標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器可擁有 20 Hz 至 20,000 H 的頻率范圍。

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圖 1:標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)(圖片來源:CUI Devices)


另一種類型的音頻輸出元器件是磁傳感器蜂鳴器。它們將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與發(fā)聲機(jī)構(gòu)分開的方式不同于揚(yáng)聲器。由于更輕的膜片與框架連接得更牢固,磁傳感器具有更高的正常頻率范圍,但范圍會(huì)縮小。它們通常能產(chǎn)生 2 至 3 kHz 的聲音,額外優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生相同聲壓級(jí)所需的電流比揚(yáng)聲器要小。
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圖 2:標(biāo)準(zhǔn)磁性蜂鳴器結(jié)構(gòu)(圖片來源:CUI Devices)


最后,還有壓電傳感器蜂鳴器。相比于磁性同等產(chǎn)品,在相同電流下,它們能夠更高效地產(chǎn)生更高的聲壓級(jí)。蜂鳴器利用壓電效應(yīng),通過改變電場,以不同方向使壓電陶瓷元件發(fā)生彎曲,從而產(chǎn)生聲波輸出。這種壓電材料通常具有剛性,而且這些類型的蜂鳴器中使用的元器件都很小很薄。壓電傳感器蜂鳴器與磁性產(chǎn)品一樣,能夠產(chǎn)生窄頻率范圍的 1 至 5 kHz 高音調(diào)噪聲。

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圖 3:標(biāo)準(zhǔn)壓電蜂鳴器結(jié)構(gòu)(圖片來源:CUI Devices)


共振設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)


若要設(shè)計(jì)能利用共振的揚(yáng)聲器或蜂鳴器,這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù),其中需要考慮所需的共振頻率或共振頻率范圍、將使用的揚(yáng)聲器或蜂鳴器特性,以及封裝揚(yáng)聲器或蜂鳴器的音箱的形狀和尺寸。這些因素彼此之間存在顯著的影響。


例如,將小型揚(yáng)聲器安裝在一個(gè)非常大的音箱中時(shí),揚(yáng)聲器能夠自由移動(dòng),此時(shí)系統(tǒng)(揚(yáng)聲器加上音箱)的共振頻率可能與在自由空氣中運(yùn)行的揚(yáng)聲器的固有共振頻率相同。但是,如果將揚(yáng)聲器放在一個(gè)緊密密封的小型音箱中,內(nèi)部的空氣將充當(dāng)機(jī)械彈簧,其能與揚(yáng)聲器音盆相互作用并影響系統(tǒng)的共振頻率。除此之外,還存在其他相互作用,例如非線性電氣驅(qū)動(dòng)特性,這些也必須給予考慮以實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。

鑒于這種復(fù)雜性,進(jìn)行任何種類音頻設(shè)計(jì)的最佳方式往往是建立一些原型,測量這些原型的特性,然后進(jìn)行調(diào)整,以便在所選擇的音頻信源下產(chǎn)生最佳輸出。這種基于原型的方法還可以幫助設(shè)計(jì)人員理解和彌補(bǔ)以下現(xiàn)實(shí):元器件特性在制造公差范圍內(nèi)存在差異,并且音箱幾何形狀和剛度也將受到生產(chǎn)差異的影響。對(duì)于基于一批元器件中挑選出的最好元器件手工制作的揚(yáng)聲器,其所能達(dá)到性能通常難以通過大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)元器件來重現(xiàn)。

音箱(特別是用于揚(yáng)聲器)還必須設(shè)計(jì)有足夠的內(nèi)部空間,以便在沒有衰減的情況下使產(chǎn)生的音頻能量發(fā)揮作用。由音箱覆蓋物或材料引起的 3 dB 輕度聲壓級(jí)降低,將使輸出的聲功率減半。CUI Devices 的“How to Design a Micro Speaker Enclosure”(如何設(shè)計(jì)微型揚(yáng)聲器音箱)博客對(duì)此進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。

總體而言,務(wù)必要查看音頻元器件的全頻譜響應(yīng),并利用其在共振頻率峰值任一側(cè)頻率上的性能。由于共振頻率不是一個(gè)精確的數(shù)字,也不一定是一個(gè)非常窄的頻帶(對(duì)于揚(yáng)聲器而言尤其如此),因此在規(guī)格書中指定的峰值的任一側(cè)上,都可能有設(shè)計(jì)人員可以利用的有用頻率響應(yīng)。這一概念旨在優(yōu)化給定輸入功率下的輸出聲壓級(jí)和頻率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),器件應(yīng)以其共振頻率及其共振區(qū)內(nèi)的頻率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

例如,CUI Devices 的 CSS-10246-108 揚(yáng)聲器的規(guī)格書顯示其共振頻率為 200 Hz ± 40 Hz,但其頻率響應(yīng)圖顯示在大約 3.5 kHz 處有另一個(gè)共振尖峰。此外,還有一個(gè)大約 200 Hz 至 3.5 kHz 的共振區(qū)。設(shè)計(jì)人員可以利用這些信息,為其應(yīng)用選擇相匹配的揚(yáng)聲器。

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圖 4:CSS-10246-108 揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)曲線(圖片來源:CUI Devices)


再如,CUI Devices 的 CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的規(guī)格書中列出 4000 Hz 的共振頻率。這一點(diǎn)可以通過下面的蜂鳴器頻率響應(yīng)圖得到證實(shí)。另外,為了簡化共振問題,蜂鳴器也可作為內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路的音頻指示器使用。由于它們的運(yùn)行設(shè)置為固定的額定頻率,因此這些內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的器件不需要頻率響應(yīng)圖,原因是它們設(shè)計(jì)用于在其指定頻率窗口中實(shí)現(xiàn)最大的聲壓級(jí)。

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圖 5:CMT-4023S-SMT-TR磁傳感器蜂鳴器的頻率響應(yīng)曲線(圖片來源:CUI Devices)


總結(jié)


在為應(yīng)用設(shè)計(jì)音頻器件時(shí),工程師必須考慮器件的共振頻率,以確保它產(chǎn)生最大的聲壓級(jí),而不會(huì)引起不必要的振動(dòng)。這意味著使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)(特別是共振頻率)作為設(shè)計(jì)起點(diǎn),然后在這個(gè)值周圍存在的共振區(qū)內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。一旦初步設(shè)計(jì)完成,應(yīng)使用原型來檢查音頻器件與其音箱和安裝部件的互動(dòng)方式是否符合設(shè)計(jì)的性能。CUI Devices 提供一系列跨頻譜的音頻解決方案,以幫助工程師找到適合作業(yè)的元器件。

作者: Jeff Smoot 來源:得捷電子DigiKey)


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