Een blik op het audiofrequentiebereik en audiocomponenten

Van auto's tot huizen tot draagbare apparatuur, audio is overal en neemt alleen maar toe in zijn toepassingen. Bij het ontwerpen van een audiosysteem zijn grootte, kosten en kwaliteit belangrijke factoren om rekening mee te houden. De kwaliteit wordt beïnvloed door vele variabelen, maar komt meestal neer op het vermogen van een systeem om de noodzakelijke audiofrequenties voor een bepaald ontwerp weer te geven. In dit artikel leest u meer over de basisprincipes van het audiofrequentiebereik en de subsets daarvan, de invloed van het ontwerp van de behuizing en hoe u kunt bepalen welk audiobereik nodig is, afhankelijk van de toepassing.

Basisprincipes van het audiofrequentiebereik

20 Hz tot 20.000 Hz is het gangbare audiofrequentiebereik. De gemiddelde mens hoort echter minder dan dit bereik van 20 Hz tot 20 kHz en naarmate mensen ouder worden, wordt dit waarneembare bereik alleen maar kleiner. Audiofrequentie wordt het best begrepen door muziek waarbij elke volgende octaaf de frequentie verdubbelt. De laagste toon van A van een piano is ongeveer 27 Hz, terwijl de hoogste toon van C bijna 4186 Hz is. Buiten deze gewone frequenties produceert elk voorwerp of apparaat dat geluid produceert ook harmonische frequenties. Dit zijn gewoon hogere frequenties bij een lagere amplitude. De "A"-noot van 27 Hz van een piano genereert bijvoorbeeld ook een 54 Hz harmonische, 81 Hz harmonische, enzovoort, waarbij elke harmonische stiller is dan de vorige. Harmonischen worden bijzonder belangrijk in hifi-luidsprekersystemen waar een nauwkeurige weergave van de audiobron nodig is.

Subsets van audiofrequentie

In de onderstaande tabel staan de zeven frequentiesubgroepen binnen het spectrum van 20 Hz tot 20.000 Hz die helpen bij het definiëren van de doelbereiken die bij het ontwerpen van audiosystemen worden gebruikt.

Tabel 1: Deelverzamelingen van het audiofrequentiebereik. (Bron afbeelding: Same Sky)

Grafieken van de frequentierespons

Frequentiegrafieken zijn een goede manier om te visualiseren hoe een buzzer, microfoon of luidspreker verschillende audiofrequenties weergeeft. Omdat zoemers gewoonlijk alleen een hoorbare toon voortbrengen, hebben zij gewoonlijk een smal frequentiebereik. Anderzijds hebben luidsprekers doorgaans een breder frequentiebereik, omdat zij gewoonlijk geluid en stemgeluid moeten weergeven.

De y-as van een frequentieresponsgrafiek voor audio-uitgangsapparatuur, zoals luidsprekers en zoemers, wordt weergegeven in decibel geluidsdrukniveau (dB SPL), in feite de luidheid van het apparaat. De y-as voor audio-invoerapparaten, zoals microfoons, vertegenwoordigt in plaats daarvan de gevoeligheid in dB, aangezien zij geluid detecteren in plaats van produceren. In Afbeelding 1 hieronder stelt de x-as de frequentie voor op een logaritmische schaal en de y-as in dB SPL. Omdat dB's ook logaritmisch zijn, zijn beide assen logaritmisch.

Afbeelding 1: Basisgrafiek van de frequentierespons. (Bron afbeelding: Same Sky)

Deze grafiek geeft weer hoeveel dB SPL wordt geproduceerd bij een constant ingangsvermogen bij verschillende frequenties en is relatief vlak met minimale veranderingen over het frequentiespectrum. Afgezien van een sterke daling onder 70 Hz zou dit audioapparaat met hetzelfde ingangsvermogen een consistent SPL produceren tussen 70 Hz en 20 kHz. Alles onder 70 Hz levert minder SPL op.

De frequentieresponsgrafiek voor de CSS-50508N luidspreker van Same Sky (Afbeelding 2) is een beter voorbeeld van een meer typisch luidsprekerprofiel. Deze grafiek bevat gevarieerde pieken en dalen die de punten aangeven waar de resonantie de output versterkt of vermindert. Het gegevensblad van deze luidspreker van 41 mm x 41mm vermeldt een resonantiefrequentie van 380 Hz ± 76 Hz, die te zien is als de eerste hoofdpiek op de grafiek. Dit neemt snel af bij ongeveer 600 tot 700 Hz, maar biedt dan stabiele SPL-prestaties van ruwweg 800 Hz tot 3.000 Hz. Vanwege het formaat van de luidspreker zou een ontwerper kunnen veronderstellen dat de CSS-50508N bij lagere frequenties minder goed zou presteren dan bij hogere frequenties, wat door de grafiek wordt bevestigd. Door te begrijpen hoe en wanneer een frequentieresponstabel moet worden geraadpleegd, kan een ontwerper bevestigen of een luidspreker of ander uitvoerapparaat de beoogde frequenties kan weergeven.

Afbeelding 2: Frequentieresponsgrafiek voor de CSS-50508N 41 mm x 41 mm luidspreker van Same Sky. (Bron afbeelding: Same Sky)

Overwegingen met betrekking tot audiobereik en behuizing

Het audiobereik kan het ontwerp van de behuizing op verschillende manieren beïnvloeden, zoals hieronder uiteengezet.

Grootte van de spreker

Kleinere luidsprekers bewegen sneller dan grotere, waardoor ze hogere frequenties kunnen produceren met minder ongewenste harmonischen. Wanneer men echter bij lagere frequenties een vergelijkbaar SPL wil bereiken, zijn grotere luidsprekermembranen nodig om voldoende lucht te verplaatsen om hetzelfde waargenomen dB SPL te bereiken als bij hogere tonen. Hoewel grotere membranen veel zwaarder zijn, vormt dit meestal geen probleem bij lagere frequenties, waar ze veel langzamer bewegen.

De keuze tussen een kleinere of grotere luidspreker hangt uiteindelijk af van de eisen van de toepassing, maar kleinere luidsprekers leiden doorgaans tot een kleinere behuizing, wat de kosten kan drukken en ruimtewinst oplevert. Lees meer in de blog van Same Sky over het ontwerpen van een micro-luidsprekerbehuizing.

Resonantiefrequentie

Resonantiefrequentie is de frequentie waarmee een voorwerp van nature wil trillen. Gitaarsnaren trillen bij tokkelen op hun resonantiefrequentie, wat betekent dat als een luidspreker naast een gitaarsnaar wordt geplaatst die zijn resonantiefrequentie afspeelt, de gitaarsnaar begint te trillen en in amplitude toeneemt met de tijd. Bij audio kan ditzelfde verschijnsel echter leiden tot ongewenst gezoem en gerammel met omringende voorwerpen. De blog van Same Sky over resonantie en resonantiefrequentie biedt aanvullende informatie over dit onderwerp.

Om te voorkomen dat een luidspreker zowel een niet-lineaire output als ongewenste harmonischen heeft, is het bij het ontwerp van de behuizing belangrijk om te bevestigen dat de behuizing geen natuurlijke resonantiefrequentie heeft in hetzelfde spectrum als de beoogde audio-output.

Materiële afwegingen

Het ontwerp van luidsprekers en microfoons is een delicaat evenwicht tussen componenten die stil, flexibel en stijf moeten blijven tijdens de beweging. Het diafragma (of de conus) van een luidspreker moet licht zijn voor een snelle respons, terwijl het zo stijf mogelijk moet blijven om vervorming tijdens de beweging te voorkomen. De luidsprekers van Same Sky gebruiken gewoonlijk papier en mylar, die beide licht en stijf zijn. Als soort plastic heeft mylar ook het extra voordeel dat het bestand is tegen vocht. Naast het membraan wordt rubber gebruikt om het membraan met het frame te verbinden. Om breuk door extreme beweging te voorkomen, moet dit materiaal zowel sterk als buigzaam zijn, zodat de beweging van het membraan niet wordt beperkt.

Afbeelding 3: Basisconstructie van een luidspreker. (Bron afbeelding: Same Sky)

Dezelfde afwegingen kunnen ook worden gemaakt bij het vergelijken van microfoontechnologieën. Electret-condensatormicrofoons en MEMS-microfoons bieden gebruikers duurzaamheid, compacte verpakkingen en een laag vermogen, maar met een beperktere frequentie en gevoeligheid. Anderzijds bieden lintmicrofoons een betere gevoeligheid en een groter frequentiebereik, met als nadeel dat ze minder duurzaam zijn.

Materiaal is ook een belangrijke keuze bij het ontwerp van de behuizing, omdat het zowel de resonantie als de geluidsabsorptie beïnvloedt. Het primaire doel van een behuizing is het dempen van het geluid dat uit de fase naar achteren wordt gegenereerd, wat betekent dat het gekozen materiaal een effectieve geluidsabsorptie moet hebben. Dit is bijzonder belangrijk bij toepassingen met een lagere frequentie, waar het moeilijker is om het geluid te dempen.

Conclusie

Uiteindelijk zijn er een beperkt aantal audiosystemen en geen enkel individueel audio-uitgangsapparaat dat het hele audiospectrum met enige getrouwheid kan overspannen. In het algemeen zullen de meeste toepassingen dit niveau van getrouwheid niet vereisen, en een perfect lineaire uitvoer is waarschijnlijk niet nodig. Inzicht in het audiofrequentiebereik blijft echter een belangrijke rol spelen bij de keuze van een geschikte audiocomponent voor een ontwerp. Met dit inzicht kunnen ingenieurs de afweging tussen kosten, omvang en prestaties beter maken. Same Sky biedt een reeks audio-oplossingen met verschillende frequentiebereiken ter ondersteuning van een volledige reeks toepassingen.