En titt på ljudfrekvensområde och ljudkomponenter

Ljud finns överallt omkring oss, från bilar till hemmet till bärbara produkter, och användningsområdena blir bara fler. När det gäller utformning av ljudsystem är storlek, kostnad och kvalitet viktiga faktorer att ta hänsyn till. Kvalitet påverkas av många variabler men beror vanligtvis på systemets förmåga att återskapa de nödvändiga ljudfrekvenserna för en given konstruktion. Artikeln lär dig mer om grunderna kring ljudfrekvenser och dess delområden, hur kapslingens konstruktion påverkar och hur man avgör vilka ljudområden som kan behövas beroende på tillämpning.

Grunderna kring ljudfrekvensområden

Ljudfrekvensområdet mellan 20 och 20 000 Hz är det man oftast refererar till. Men, genomsnittspersonen hör mindre än dessa 20 till 20 000 Hz och med stigande ålder fortsätter det hörbara området att minska. Ljudfrekvenser är lättast att förstå genom musik där varje efterföljande oktav fördubblar frekvensen. Ett pianos lägsta A-ton är på ungefär 27 Hz medan dess högsta C-ton är nära 4 186 Hz. Utöver dessa vanligt förekommande frekvenser genereras även harmoniska övertoner av alla föremål eller enheter som skapar ljud. Dessa är helt enkelt högre frekvenser med en lägre amplitud. Ett exempel är att ett pianos A-ton, som normalt är på 27 Hz, även genererar en harmonisk överton på 54 Hz, en harmonisk överton på 81 Hz och så vidare, där varje harmonisk överton är tystare än den föregående. Övertoner är särskilt viktiga i högtalarsystem av hög kvalitet, där det krävs en exakt återgivning av ljudkällan.

Ljudfrekvensers delområden

I tabellen nedan listas frekvensernas sju delområden i spektrat 20 till 20 000 Hz som gör det lättare att definiera de målområden som används vid utformning av ljudsystem.

Tabell 1: Ljudfrekvensers delområden. (Bildkälla: Same Sky)

Frekvenssvarsdiagram

Frekvenssvarsdiagram är ett bra sätt att visualisera hur en summer, mikrofon eller högtalare kommer att återskapa olika ljudfrekvenser. Eftersom sumrar vanligtvis bara avger en hörbar ton så har de vanligtvis ett smalt frekvensområde. Högtalare har å sin sida i allmänhet större frekvensområden eftersom de vanligtvis har till uppgift att återskapa ljud och röster.

Y-axeln i ett frekvenssvarsdiagram för ljudutmatningsapparater, som t.ex. högtalare och sumrar, redovisas i decibel för ljudnivå (dB SPL), vilket i princip är en apparats ljudstyrka. Y-axeln för ljudinmatningapparater, som t.ex. mikrofoner, representerar istället känsligheten i decibel eftersom de känner av snarare än genererar ljud. I figur 1 nedan representerar x-axeln frekvensen på en logaritmisk skala och y-axeln anges i decibel för ljudtnivå, vilket gör detta till ett diagram för en ljudutmatningsapparat. Obs! Eftersom decibel också är logaritmiskt är båda axlarna logaritmiska.

Figur 1: Diagram över grundfrekvenssvar. (Bildkälla: Same Sky )

Diagrammet visar hur många decibel av ljudnivå som produceras vid en konstant ingående effekt vid olika frekvenser och är relativt jämn med minimala förändringar över hela frekvensspektrat. Bortsett från en brant nedgång under 70 Hz skulle denna ljudapparat med samma ingångseffekt ge en jämn ljudnivå från 70 Hz till 20 kHz. Allt under 70 Hz skulle generera lägre utmatad ljudnivåer.

Frekvenssvarsdiagrammet för högtalaren CSS-50508N från Same Sky (figur 2) är ett bättre exempel på en mer typisk högtalarprofil. Diagrammet innehåller varierande toppar och dalar som anger punkter där resonansen antingen förstärker eller förminskar uteffekten. I databladet för denna högtalare, med måtten 41 x 41 mm, anges en resonansfrekvens på 380 Hz ± 76 Hz vilket kan ses som den första huvudtoppen i diagrammet. Denna sjunker snabbt vid cirka 600 till 700 Hz men ger därefter en stabil ljudnivå från cirka 800 till 3 000 Hz. Tack vare högtalarens storlek skulle en konstruktör kunna anta att CSS-50508N inte skulle prestera bra vid lägre frekvenser jämfört med högre frekvenser, vilket bekräftas av diagrammet. Genom att förstå hur och när man ska referera till ett frekvenssvarsdiagram kan konstruktörer bekräfta om en högtalare eller annan utmatningsapparat kan återge sina målfrekvenser.

Figur 2: Frekvenssvarsdiagram för högtalaren CSS-50508N från Same Sky med måttet 41 x 41 mm. (Bildkälla: Same Sky)

Ljudområde och överväganden kring kapslingen

Ljudområdet kan påverka kapslingens konstruktion på flera sätt, vilket beskrivs i avsnitten nedan.

Högtalarens storlek

Mindre högtalare rör sig snabbare än större högtalare vilket gör att de kan producera högre frekvenser med en mindre mängd oönskade övertoner. Men, när man försöker uppnå motsvarande ljudnivå vid utmatning på lägre frekvenser krävs dock större högtalarmembran för att flytta tillräckligt med luft för att uppnå samma upplevda decibel i ljudnivå som vid högre frekvenser. Större membran är visserligen mycket tyngre men det är vanligtvis inget problem vid lägre frekvenser eftersom de rör sig mycket långsammare.

Att välja mellan en mindre eller större högtalare beror i slutänden på kraven i tillämpningen, men mindre högtalare leder vanligtvis till en mindre kapsling, vilket kan minska kostnaderna och spara utrymme. Läs mer i Same Sky blogg om Hur man konstruerar en kapsling för mikrohögtalare.

Resonansfrekvens

Resonansfrekvensen är den frekvens vid vilken ett föremål naturligt börjar vibrera. Gitarrsträngar vibrerar vid sin resonansfrekvens när man spelar på dem vilket innebär att om en högtalare placeras bredvid en gitarrsträng som spelar sin resonansfrekvens skulle gitarrsträngen börja vibrera och öka i amplitud med tiden. När det gäller ljud, kan samma fenomen dock leda till ett oönskat surrande och skrammel från omgivande föremål. Same Sky blogg om resonans och resonansfrekvens ger ytterligare information om detta ämne.

För att undvika att få en högtalare med både en icke-linjär utmatning och oönskade övertoner är det viktigt att man vid konstruktionen av en kapsling bekräftar att kapslingen inte har en naturlig resonansfrekvens i samma spektrum som den avsedda ljudutmatningen.

Materialkompromisser

Konstruktion av högtalare och mikrofoner är en känslig balansgång mellan komponenter som måste vara stilla, flexibla och styva vid rörelse. Ett högtalarmembran (eller en högtalarkon) ska vara lätt för att ge ett snabbt svar samtidigt som det ska vara så styvt som möjligt för att undvika att bli deformerat när det rör sig. Högtalare från Same Sky använder vanligtvis papper och mylar, som är både lätt och styvt. Mylar, som är en form av plast, har även den extra fördelen att den är beständig mot fukt och luftfuktighet. Utöver membranet används gummi för att ansluta membranet i ramen. För att förhindra att materialet går sönder på grund av extrema rörelser måste det vara både starkt och följsamt så att det inte begränsar membranets rörelse.

Figur 3: En grundläggande högtalarkonstruktion. (Bildkälla: Same Sky)

Samma kompromisser gäller även när man jämför mikrofontekniker. Elektretmikrofoner och MEMS-mikrofoner ger användare hållbarhet, kompakta kapslingar och låg strömförbrukning, men med en mer begränsad frekvens och känslighet. Å andra sidan erbjuder bandmikrofoner en förbättrad känslighet och bättre frekvensområde, men de är istället inte lika hållbara.

Material är även ett viktigt val vid utformningen av en kapsling, eftersom det påverkar både ljudet resonans och absorption. Huvudmålet för en kapsling är att dämpa det fasförskjutna bakåtriktade ljud som genereras, vilket innebär att det valda materialet måste vara effektivt för ljudabsorption. Detta är särskilt viktigt i ljudtillämpningar med lägre frekvenser där det är svårare att dämpa ljudet.

Sammanfattning

När det kommer till kritan, så finns det ett begränsat antal ljudsystem och ingen enskild ljudutmatningsapparat som kan täcka hela ljudspektrat med någon form av korrekt återgivning. I allmänhet kräver de flesta tillämpningar inte den här nivån av korrekt återgivning, och en perfekt linjär utgång behövs troligen inte. Men att förstå ljudfrekvensområdet spelar dock fortfarande en viktig roll när man väljer en lämplig ljudkomponent för en konstruktion. Med denna insikt kan tekniker välja bättre kompromisser mellan kostnad, storlek och prestanda. Same Sky erbjuder en rad olika ljudlösningar med olika frekvensområden för att stödja en komplett serie tillämpningar.