Vikten av resonans och resonansfrekvens i ljudsystem

Det finns två stora utmaningar för konstruktörer som arbetar med resonanta ljudsystem. Den första är att utnyttja resonansfrekvensen och resonanszonen i en högtalare eller summer för att producera den högsta ljudtrycksnivån (SPL). Det andra är att undvika resonansinducerat surrande och skrammel i ljudenhetens hölje och fästsystem. Även om resonans är ett välkänt begrepp kommer den här artikeln att gå igenom dess betydelse för ljuddesign, inklusive de utmaningar som nämns ovan, faktorer som påverkar resonans, hur man läser en frekvensgångskurva med mera.

Grunderna kring resonans och resonansfrekvens

För att förstå resonansens inverkan måste man först förstå den på en grundläggande nivå. Resonans uppstår när ett fysiskt objekt eller en elektronisk krets absorberar energi från en första impuls och sedan fortsätter att vibrera med samma frekvens, även om det är med avklingande amplitud, utan att några andra krafter påverkar. Frekvensen vid vilken detta beteende inträffar kallas systemets resonansfrekvens och betecknas F0.

Resonans kan förekomma i många sammanhang. Gitarrer är ett perfekt vardagligt exempel eftersom de producerar ljud helt och hållet genom vibrationer. När spelaren knäpper på en sträng på en akustisk gitarr vibrerar strängen och överför ljudenergin till instrumentets ihåliga träkropp, vilket får den att resonera och förstärka det ljud som produceras. På samma sätt kan ett LC-filter resonera som en avstämd tankkrets om det stimuleras av en signal med rätt frekvens. Denna effekt används i enkla radioapparater för att fånga upp en utsänd signal genom att justera värdet på kapacitansen eller induktansen i tankkretsen så att dess resonansfrekvens motsvarar sändningsfrekvensen. Elektromekanisk resonans i en piezoelektrisk kristalloscillator kan användas som frekvensreferens.

En översikt över ljudutmatningskomponenter

Mekanisk resonans påverkas av vikten och den styvhet som förbinder olika massor med varandra. När det gäller standardhögtalare är denna massa membranet (eller konen) och styvheten beror på flexibiliteten i den upphängning som förbinder membranet med ramen. Eftersom högtalare tillverkas på många olika sätt kan varje högtalartyp ha olika resonansfrekvenser.

Andra faktorer som gör att en högtalares resonansfrekvens varierar är konens material, upphängningens tjocklek och elektromagnetens storlek, som är fäst på baksidan av konen och påverkar vikten. I allmänhet ger lättare, styvare material och flexibla upphängningar högre resonansfrekvenser. Högtalare för höga frekvenser är t.ex. små och lätta med styva mylarkoner och mycket flexibla upphängningar. Genom att ändra dessa faktorer har standardhögtalare ett frekvensområde någonstans mellan 20 och 20 000 Hz.

Figur 1: Standardkonstruktion för högtalare (Bildkälla: Same Sky)

En annan typ av ljudutmatningskomponent är sumrar med magnetiska omvandlare. De skiljer drivmekanismen från den ljudproducerande mekanismen på ett annat sätt än en högtalare. På grund av ett lättare membran som är fastare kopplat till ramen har magnetiska omvandlare ett högre normalt frekvensområde, men med en mindre räckvidd. De producerar vanligtvis ljud från 2 till 3 kHz och har dessutom fördelen att de behöver mindre ström än högtalare för att producera samma SPL.

Figur 2: Standardkonstruktion för magnetisk summer (Bildkälla: Same Sky<)

Slutligen, finns det piezoelektriska omvandlare, som är ännu effektivare när det gäller att producera högre SPL med samma mängd ström som deras magnetiska motsvarigheter. Med hjälp av den piezoelektriska effekten varierar de ett elektriskt fält för att få det piezokeramiska elementet att böja sig åt ett håll och sedan åt ett annat, för att skapa ljudvågor. Piezomaterialet är i allmänhet styvt, och de komponenter som används i dessa typer av sumrar är små och tunna. Sumrar med piezo-omvandlare genererar precis som de magnetiska versionerna höga ljud mellan 1 till 5 kHz inom ett smalt frekvensområde.

Figur 3: Standardkonstruktion för piezo-elektrisk summer (Bildkälla: Same Sky

Överväganden vid utformning av resonans

Att konstruera högtalare eller sumrar som drar nytta av resonans är en komplicerad uppgift som innebär att man måste ta hänsyn till den önskade resonansfrekvensen eller det önskade resonansfrekvensområdet, egenskaperna hos den högtalare eller summer som ska användas, samt formen och storleken på det hölje som monteringen ska ske i. Dessa faktorer kan påverka varandra ganska radikalt.

Om man till exempel monterar en liten högtalare i ett mycket stort hölje kan den röra sig mer fritt, så systemets resonansfrekvens (högtalare plus hölje) är troligen densamma som den inbyggda resonansen hos högtalaren när den arbetar i fri luft. Men om du placerar en högtalare i ett litet, tättslutande hölje kommer luften inuti att fungera som en mekanisk fjäder och interagera med högtalarens kon, och därmed påverka systemets resonansfrekvens. Det finns andra interaktioner, t.ex. de icke-linjära egenskaperna hos det elektriska drivelementet, som också måste beaktas för att uppnå en effektiv konstruktion.

Med tanke på denna komplexitet är det bästa sättet att gå vidare med någon form av ljuddesign ofta att bygga några prototyper, mäta deras egenskaper och sedan justera dem för att producera det bästa ljudet med den valda ljudkällan. Detta prototypbaserade tillvägagångssätt kan också hjälpa konstruktörerna att förstå och kompensera för det faktum att komponenternas egenskaper kommer att variera inom tillverkningstoleranser och att kapslingens geometrier och styvhet kommer att vara föremål för produktionsvariationer. En handbyggd högtalare med de bästa komponenterna som valts ut från ett parti uppnår ofta en prestanda som är svår att uppnå vid upprepade tillfällen med hjälp av massproduktionsmetoder och standardkomponenter.

Höljen, särskilt för högtalare, måste också vara utformade så att de har tillräckligt med utrymme för att den ljudkraft som produceras ska kunna utvecklas utan dämpning. En blygsam minskning av SPL med 3 dB, som orsakas av höljet eller materialet, halverar den utgående ljudeffekten. I blogginlägget "Hur man konstruerar kapslingar för mikrohögtalare" från Same Sky diskuteras detta mer ingående.

Överlag är det viktigt att titta på en ljudkomponents respons i hela spektrumet och dra nytta av dess prestanda vid de frekvenser som finns på båda sidor av dess resonansfrekvenstopp. Eftersom resonansfrekvensen inte är ett exakt tal och inte heller nödvändigtvis ett mycket smalt band, särskilt inte för högtalare, finns det sannolikt ett användbart frekvensomfång som konstruktörer kan utnyttja på båda sidor av det toppvärde som anges i ett datablad. Tanken är att optimera den utmatade ljudtrycksnivån och frekvensen för en given ineffekt. För att uppnå detta bör anordningen drivas vid sin resonansfrekvens och vid frekvenser inom dess resonansområden.

I databladet för högtalaren CSS-10246-108 från Same Sky, står det exempelvis att den har en resonansfrekvens på 200 Hz ±40 Hz, men dess frekvensgångsdiagram visar en annan resonansspets vid ungefär 3,5 kHz. Det finns även ett resonansområde från cirka 200 Hz till 3,5 kHz. Konstruktörer kan dra nytta av dessa insikter för att anpassa valet av högtalare för tillämpningen.

Figur 4: Frekvensgångskurva för högtalaren CSS-10246-108 (bildkälla: Same Sky)

Ett annat exempel är summern CMT-4023S-SMT-TR med magnetisk omvandlare från Same Sky som i databladet anger en resonansfrekvens på 4000 Hz. Detta bekräftas av sumrarnas frekvensgångsdiagram nedan. För att förenkla resonansproblemen finns det även sumrar som ljudindikatorer med inbyggda drivkretsar. Eftersom denna funktion är inställd på en fast, nominell frekvens behöver dessa internt drivna enheter inte någon frekvensgångskurva eftersom de är konstruerade för att maximera ljudtrycksnivån i det specificerade frekvensfönstret.

Figur 5: Frekvensgångskurva för summern CMT-4023S-SMT-TR med magnetisk omvanldare (bildkälla: Same Sky)

Sammanfattning

När en ljudenhet utformas för en tillämpning måste ingenjörerna ta hänsyn till enhetens resonansfrekvens för att säkerställa att den ger högsta ljudtrycksnivå utan att framkalla oönskade vibrationer. Detta innebär att man använder data från leverantören, i synnerhet resonansfrekvensen, som en utgångspunkt i konstruktionen och sedan optimerar konstruktionen i resonanszonen som finns runt detta värde. När den första konstruktionen är klar bör prototyper användas för att kontrollera att ljudanordningens sätt att interagera med sitt hölje och sin montering motsvarar den avsedda prestandan. Same Sky erbjuder en rad olika ljudlösningar i hela frekvensspektrumet för att hjälpa ingenjörer att hitta rätt komponent för jobbet.