En titt på lydfrekvensområde og lydkomponenter (audiokomponenter)

Fra biler, til hjem, til bærbare enheter – lyd er overalt, og antall bruksområder er i kontinuerlig vekst. Når det gjelder lydsystemdesign, er størrelse, kostnader og kvalitet viktige faktorer å ta hensyn til. Kvaliteten påvirkes av mange variabler, men kommer vanligvis an på et systems evne til å gjenskape de nødvendige lydfrekvensene for en gitt design. I denne artikkelen kan du lære mer om grunnleggende lydfrekvensområde og delområder av frekvensen, virkningen av kabinettdesign og hvordan du bestemmer hvilke lydområder som kan være nødvendige avhengig av bruksområde.

Grunnleggende om lydfrekvensområde

20 Hz til 20 000 Hz er det vanlige refererte lydfrekvensområdet. Det gjennomsnittlige mennesket kan imidlertid høre mindre enn dette frekvensområdet på 20 Hz til 20 kHz, og etter hvert som personer blir eldre, krymper dette området gradvis. Lydfrekvensen er mest forstått gjennom musikk, der hver påfølgende oktav dobler frekvensen. Et pianos laveste tone av A er rundt 27 Hz, mens den høyeste tonen av C er nær 4186 Hz. Utenfor disse vanlige frekvensene, vil enhver gjenstand eller enhet som produserer lyd, også produsere harmoniske svingningsfrekvenser (oversvingninger/overtoner). Dette er ganske enkelt høyere frekvenser ved en lavere amplitude. Som et eksempel genererer et pianos 27 Hz «A»-tone også en 54 Hz harmonisk svingning (oversvingning/overtone), 81 Hz overtone og så videre, og hver overtone blir stillere enn den forrige. Overtoner blir spesielt viktig i høykvalitets høyttalersystemer der nøyaktig gjenskaping av lydkilden er nødvendig.

Delområder av lydfrekvens

Tabellen nedenfor viser de syv delområdene innenfor 20 Hz til 20 000 Hz-spekteret som hjelper til med å definere målområdene som brukes i lydsystemdesign.

Tabell 1: Delområder for lydfrekvens. (Bildekilde: Same Sky)

Frekvensresponsgrafer

Frekvensresponsgrafer er en god måte å visualisere hvordan en summer, mikrofon eller høyttaler vil gjengi forskjellige lydfrekvenser. Fordi summere vanligvis bare sender ut en hørbar tone, har de vanligvis et smalt frekvensområde. På den annen side har høyttalere generelt bredere frekvensområder fordi de vanligvis har som oppgave å gjenskape lyd og stemmer.

Y-aksen på en frekvensresponsgraf for lydutgangsenheter, for eksempel høyttalere og summere, er representert i desibel av lydtrykknivå (dB SPL), som i bunn og grunn er lydstyrken til en enhet. Y-aksen for lydinngangsenheter, for eksempel mikrofoner, representerer i stedet følsomhet i dB, siden de detekterer snarere enn produserer lyd. I figur 1 nedenfor representerer x-aksen frekvensen på en logaritmisk skala med y-aksen oppført i dB SPL, som gjør dette til en graf for en lydutgangsenhet. Merk at fordi desibel (dB) også er logaritmiske, er begge aksene logaritmiske.

Figur 1: Graf over grunnleggende frekvensrespons. (Bildekilde: Same Sky)

Denne grafen representerer hvor mange dB av SPL som vil bli produsert med en konstant inngangseffekt ved forskjellige frekvenser, og er relativt flat med minimale endringer over hele frekvensspekteret. Annet enn en bratt minsking under 70 Hz, vil denne lydenheten med samme inngangseffekt produsere en konsistent SPL mellom 70 Hz og 20 kHz. Alt under 70 Hz vil gi mindre SPL-utgang.

Frekvensresponsgrafen for Same Sky sin CSS-50508N-høyttaler (figur 2) er et bedre eksempel på en mer typisk høyttalerprofil. Denne grafen inkluderer varierte topper og daler som betegner punkter der resonansen enten styrker eller reduserer utgangen. Databladet til denne høyttaleren på 41 x 41 mm viser en resonansfrekvens på 380 Hz ± 76 Hz, som kan sees som den første hovedtoppen på grafen. Dette faller raskt ved rundt 600 til 700 Hz, men gir deretter stabil SPL-ytelse fra omtrent 800 Hz til 3000 Hz. På grunn av høyttalerens størrelse kan en designer anta at CSS-50508N ikke vil fungere bra ved lavere frekvenser sammenlignet med høyere frekvenser, noe som bekreftes av grafen. Ved å forstå hvordan og når det skal refereres til et frekvensresponsdiagram, kan en designtekniker bekrefte om en høyttaler eller annen utgangsenhet kan reprodusere målfrekvensene sine.

Figur 2: Graf over frekvensrespons for Same Sky sin CSS-50508N-høyttaler på 41 mm x 41 mm. (Bildekilde: Same Sky)

Hensyn til lydrekkevidde og kabinett

Lydområdet kan påvirke kabinettets utforming på flere måter, som beskrevet i avsnittene nedenfor.

Høyttalerstørrelse

Mindre høyttalere beveger seg raskere sammenlignet med større høyttalere, slik at de kan produsere høyere frekvenser med mindre uønskede overtoner. Men når du prøver å oppnå lignende SPL-utgang ved lavere frekvenser, kreves det større høyttalermembraner for å bevege nok luft for å matche den samme oppfattede dB SPL som høyere tonehøyder. Mens større membraner er mye tyngre, skaper dette vanligvis ikke et problem ved lavere frekvenser der de beveger seg mye saktere.

Å velge mellom en mindre eller større høyttaler vil til syvende og sist avhenge av kravene til enheten, men mindre høyttalere fører vanligvis til et mindre kabinett, noe som kan redusere kostnadene og forbedre plassbesparelsen. Les mer i Same Sky sin blogg: Slik konstrueres et kabinett for en mikrohøyttaler.

Resonansfrekvens

Resonansfrekvensen representerer frekvensen som et objekt naturlig ønsker å vibrere med. Gitarstrenger vibrerer med sin resonansfrekvens når det klimpres på strengene, noe som betyr at hvis en høyttaler ble plassert ved siden av en gitarstreng som spiller sin resonansfrekvens, ville gitarstrengen begynne å vibrere og øke i amplitude med tiden. Men når det kommer til lyd, kan dette samme fenomenet føre til uønsket summing og rangler med omkringliggende objekter. På Same Sky sin blogg om resonans og resonansfrekvens finnes ytterligere informasjon om dette emnet.

For å unngå å ha en høyttaler med både en ikke-lineær utgang og uønskede overtoner, blir det viktig i kabinettets utforming å bekrefte at kabinettet ikke har en naturlig resonansfrekvens i samme spektrum som den tiltenkte lydutgangen.

Materialkompromisser

Høyttaler- og mikrofonkonstruksjon gir en delikat balanse mellom komponenter som må forbli stille, fleksible og stive under bevegelse. En høyttalers membran bør være lett for å gi rask respons – og være så stiv som mulig for å unngå deformasjon mens den beveger seg. Same Sky sine høyttalere bruker vanligvis papir og mylar, som er både lette og stive. Som en type plast har mylar også den ekstra fordelen av å være motstandsdyktig mot fuktighet og fuktighet. I tillegg til membranen, brukes gummi til å koble membranen til rammen. For å hindre brudd på grunn av ekstrem bevegelse, må dette materialet være sterkt og smidig for ikke å begrense membranens bevegelse.

Figur 3: Grunnleggende konstruksjon av en høyttaler. (Bildekilde: Same Sky)

Disse samme fordelene og kompromissene kan også sees når man sammenligner mikrofonteknologier. Elektrisk kondensormikrofoner og MEMS-mikrofoner gir brukere holdbarhet, kompakte kapslinger og lavt energiforbruk, men med mer begrenset frekvens og følsomhet. På den annen side tilbyr båndmikrofoner (ribbon microphones) forbedret følsomhet og frekvensområde, men kompromisset er dårlig levetid.

Materiale er også et viktig valg i kabinettkonstruksjon, og påvirker både resonans og absorpsjon av lyd. Hovedmålet til et kabinettet er å dempe den faseforskjøvede lyden som rettes bakover, noe som betyr at det valgte materialet må kunne absorbere lyd effektivt. Dette er spesielt avgjørende i lavfrekvente lydkonstruksjoner, der det er vanskeligere å dempe.

Konklusjon

Når alt kommer til alt, er det et begrenset antall lydsystemer og ingen individuelle lydutgangsenheter som kan strekke seg over hele lydspekteret med noe særlig kvalitetsnivå. Generelt vil de fleste enheter ikke kreve dette nivået av gjengivelseskvalitet, og en helt lineær utgang er sannsynligvis ikke nødvendig. Forståelse av lydfrekvensområdet vil imidlertid fortsatt spille en viktig rolle når det gjelder å velge en egnet lydkomponent for en konstruksjon. Ved å ha denne forståelsen kan teknikere bedre veie fordelene og ulempene mellom kostnad, størrelse og ytelse. Same Sky tilbyr en rekke lydløsninger med varierende frekvensområder for å støtte en hel rekke bruksområder.