Viktigheten av resonans og resonansfrekvens i lydsystemer

Det er to viktige utfordringer for konstruktører som jobber med resonanslydsystemer. Den første er å dra nytte av resonansfrekvensen og resonanssonen til en høyttaler eller summer for å produsere det største lydtrykknivået (SPL – sound pressure level). Den andre er å unngå resonansinduserende summing og rasling i monteringssystemet eller kabinettet til en lydenhet. Selv om resonans er et kjent konsept, vil denne artikkelen gjennomgå implikasjonene av resonans i lydkonstruksjoner, som omfatter utfordringene nevnt ovenfor, faktorer som påvirker resonans, hvordan man leser en frekvensresponskurve, med mer.

Grunnleggende om resonans og resonansfrekvenser

For å forstå virkningen av resonans, må det grunnleggende nivået først forstås. Resonans finner sted når et fysisk objekt eller en elektronisk krets absorberer energi fra en innledende impuls og deretter fortsetter å vibrere med samme frekvens, men med redusert amplitude, og ingen ytterligere kraft påvirker den. Frekvensen hvor denne atferden oppstår er kjent som systemets resonansfrekvens, betegnet som F0.

Resonans kan dukke opp i mange sammenhenger. Gitarer er et perfekt eksempel ettersom de produserer lyd utelukkende ved vibrasjon. Når en gitarspiller klimprer en streng på en akustisk gitar, vibrerer strengen og overfører lydenergien inn i instrumentets hule trehus, slik at den produserer gjenklang og forsterker lyden som produseres. På samme måte kan et LC-filter resonere som en avstemt tankkrets hvis det stimuleres av et signal med akkurat riktig frekvens. Denne effekten brukes i grunnleggende radioer til å fange et kringkastingssignal ved å justere kapasitans- eller induktansverdien i tankkretsen slik at resonansfrekvensen samsvarer med frekvensen til kringkastingsfrekvensen. Elektromekanisk resonans i en piezoelektrisk krystalloscillator kan brukes som frekvensreferanse.

En oversikt over lydutgangskomponenter

Mekanisk resonans påvirkes av vekten og stivheten som forbinder forskjellige masser sammen. Når det kommer til standardhøyttalere, er denne massen membranen (eller konusen), og stivheten er avhengig av fleksibiliteten til opphenget som fester membranen til rammen. Fordi høyttalere produseres på mange forskjellige måter, kan hver høyttalertype gi varierte resonansfrekvenser.

Andre faktorer som vil føre til at en høyttalers resonansfrekvens varierer, omfatter konusmaterialet, opphengets tykkelse og elektromagnetens størrelse, som er festet til baksiden av konusen og påvirker vekten. Generelt sett vil lettere, stivere materialer og fleksible oppheng resultere i høyere resonansfrekvenser. For eksempel er høyfrekvente diskanter små og lette, med stive mylarkonuser og svært fleksible oppheng. Ved å modifisere disse faktorene, har standardhøyttalere et frekvensområde et sted mellom 20 og 20 000 Hz.

Figur 1: Standard høyttalerstruktur (Bildekilde: Same Sky)

En annen type lydutgangskomponent er magnetiske transdusersummere. Disse skiller drivmekanismen fra den lydproduserende mekanismen på en annen måte enn en høyttaler. På grunn av en lettere membran som er festet på en stivere måte til rammen, har magnetiske transdusere et høyere normalt frekvensområde, men redusert rekkevidde. De produserer vanligvis lyd fra 2 til 3 kHz, og en ekstra fordel er at de trenger mindre strøm enn høyttalere for å produsere samme SPL (sound pressure level).

Figur 2: Struktur for standard magnetisk summer (Bildekilde: Same Sky)

Til slutt har vi de piezoelektriske transdusersummerne, som er enda mer effektive når det kommer til å produsere høyere SPL-er gitt samme mengde strømføring som deres magnetiske motstykker. Ved å bruke den piezoelektriske effekten, varierer de et elektrisk felt for å få det piezokeramiske elementet til å bøye seg én vei og deretter en annen, noe som resulterer i produksjon av lydbølger. Dette piezomaterialet er som regel stivt, og komponentene som brukes i disse summerne er små og tynne. Magnetiske versjoner av piezo-transdusersummere genererer høye lydnivåer på mellom 1 og 5 kHz med et smalt frekvensområde.

Figur 3: Struktur for standard piezoelektrisk summer (Bildekilde: Same Sky)

Hensyn til resonanskonstruksjon

Konstruksjon av høyttalere eller summere som utnytter resonans er en kompleks oppgave som innebærer å ta i betraktning ønsket resonansfrekvens eller resonansfrekvensområde, egenskapene til høyttaleren eller summeren som skal brukes, og formen og størrelsen på kabinettet den skal monteres i. Disse faktorene kan påvirke hverandre på en ganske radikal måte.

For eksempel vil montering av en liten høyttaler i et veldig stort kabinett gjøre det mulig for høyttaleren å bevege seg fritt, så resonansfrekvensen til systemet (høyttaler pluss kabinett) vil sannsynligvis være den samme som den iboende resonansen til høyttaleren som opererer i fri luft. Hvis du plasserer en høyttaler i et lite, tett forseglet kabinett, vil luften på innsiden fungere som en mekanisk fjær som samhandler med høyttalerens konus og påvirker systemets resonansfrekvens. Det er andre samhandlinger, for eksempel ikke-lineære elektriske driveregenskaper, som også må tas i betraktning for å oppnå en effektiv konstruksjon.

Gitt denne kompleksiteten, er den beste måten å fortsette med enhver form for lydkonstruksjon ofte å bygge noen prototyper, måle egenskapene til disse og deretter justere for å produsere den beste ytelsen med den valgte lydkilden. Denne prototypebaserte tilnærmingen kan også hjelpe konstruktører med å forstå og kompensere for det faktum at komponentegenskapene vil variere innenfor definerte produksjonstoleranser, og at kapslingsgeometrier og stivheter vil være gjenstand for produksjonsvariasjoner. En håndbygd høyttaler som er bestykket med de beste komponentene valgt fra et parti oppnår ofte en ytelse som er vanskelig å oppnå gjentatte ganger ved bruk av masseproduksjonsteknikker og standardkomponenter.

Kabinetter, særlig for høyttalere, må også være utformet på en slik måte at de har nok innvendig plass til at lydenergien som produseres kan utvikles uten demping. En beskjeden reduksjon på 3 dB i SPL, som er forårsaket av kabinettets deksel eller materialer, vil halvere den utgående lydeffekten. I blogginnlegget til Same Sky, «Slik konstrueres et kabinett for en mikrohøyttaler» (How to Design a Micro Speaker Enclosure), diskuteres dette nærmere.

Samlet sett er det viktig å se på fullspektrumresponsen til en lydkomponent og dra nytte av ytelsen den fremviser ved frekvensene som eksisterer på hver side av resonansfrekvenstoppene. Siden resonansfrekvensen ikke er et eksakt tall og heller ikke nødvendigvis et svært smalt bånd, spesielt for høyttalere, er det sannsynlig at det er en god frekvensrespons som konstruktører kan utnytte på hver side av toppverdien som er spesifisert på et datablad. Tanken er å optimalisere utgangens SPL (lydtrykksnivå) og frekvens for en gitt inngangseffekt. For å oppnå dette bør enheten drives med resonansfrekvensen sin og med frekvenser som ligger innenfor resonanssonene.

For eksempel sier databladet til Same Sky sin CSS-10246-108-høyttaler at den har en resonansfrekvens på 200 Hz ±40 Hz, men frekvensresponsgrafen viser en annen resonansspiss ved omtrent 3,5 kHz. Det er også en resonanssone fra ca. 200 Hz til 3,5 kHz. Konstruktører kan dra nytte av denne innsikten når de skal samsvare høyttalervalget sitt med den aktuelle konstruksjonen.

Figur 4: En frekvensresponskurve for CSS-10246-108-høyttaleren (bildekilde: Same Sky)

Som et annet eksempel, viser databladet til Same Sky sin magnetiske transdusersummer CMT-4023S-SMT-TR en resonansfrekvens på 4000 Hz. Dette bekreftes via summerens frekvensresponsgraf nedenfor. Alternativt, for å forenkle resonansproblemer, er summere også tilgjengelig som lydindikatorer med innebygd drivkrets. Fordi driften deres er angitt som en fast, nominell frekvens, trenger ikke disse internt drevne enhetene en frekvensresponsgraf, fordi de er konstruert for å maksimere SPL i deres spesifiserte frekvensvindu.

Figur 5: En frekvensresponskurve for den magnetiske transdusersummeren CMT-4023S-SMT-TR (bildekilde: Same Sky)

Konklusjon

Når en lydenhet skal integreres i en konstruksjon, må teknikere ta i betraktning enhetens resonansfrekvens for å sikre at den produserer den største SPL-en uten å indusere uønskede vibrasjoner. Dette betyr å bruke leverandørforsynte data, og da særlig resonansfrekvensen, som et utgangspunkt i en konstruksjon og deretter optimalisere konstruksjonen på tvers av resonanssonen som finnes rundt denne verdien. Når en innledende konstruksjon er fullført, bør prototyper brukes til å kontrollere at måten lydenheten samhandler med kabinettet og montasjen på, samsvarer med konstruksjonens angitte ytelse. Same Sky tilbyr en rekke lydløsninger på tvers av hele frekvensspekteret for å gjøre det enklere for teknikere å finne den riktige komponenten for jobben.