查看音訊頻率範圍和音訊元件

作者:CUI Devices 應用工程與動作控制部門副總裁 Jeff Smoot

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

從車輛、家庭到可攜式裝置,音訊無所不在,應用也越來越多。提到音訊系統,其設計、尺寸、成本、品質是需要考量的重要因素。品質會由許多變數影響,但一般可將範圍縮小至特定設計中,系統重新產生必要音訊頻率的能力。本文會介紹音訊頻率範圍及其組成項目、外殼設計造成的影響,以及如何依據應用決定可能會需要的音訊範圍。

音訊頻率範圍基本知識

20 Hz 至 20,000 Hz 是最常見的參考音訊頻率範圍。不過,人耳平均能聽到少於此 20 Hz 至 20 kHz 的範圍,並且隨著年齡增加,範圍也會縮小。音訊頻率最能透過音樂來理解,每高八度音,頻率便提升一倍。鋼琴最低音的 A 約為 27 Hz,最高音的 C 接近 4186 Hz。除了這些常見的頻率,任何產生聲音的物體或裝置都能產生諧波頻率。更高的頻率有更低的振幅。例如,鋼琴的 27 Hz A 音會產生 54 Hz 諧音、81 Hz 諧音等,每一個諧音都會比前一個小聲。在高傳真揚聲器系統中,諧音特別重要,因為這是準確重新產生音訊源的要素。

音訊頻率子集

下表列出七個頻率子集,介於 20 Hz 至 20,000 Hz 頻譜,協助定義用於音訊系統設計的目標範圍。

音訊頻率範圍子集表表 1:音訊頻率範圍子集表。(圖片來源:CUI Devices)

頻率響應圖

頻率響應圖是以視覺化方式顯示蜂鳴器麥克風揚聲器如何重新產生多種音訊頻率的良好方式。由於蜂鳴器典型僅輸出可聽音調,通常頻率範圍較窄。另一方面,揚聲器一般承載較寬的音訊頻率,這是由於揚聲器通常用於重新建立聲響和聲音。

頻率響應圖的 Y 軸是音訊輸出裝置,例如揚聲器和蜂鳴器,以聲壓度的分貝數 (dB SPL) 表示,基本上就是裝置的聲音大小。Y 軸的音訊輸入裝置 (如麥克風),則是以 dB 代表其靈敏度,因為此類裝置的用途為偵測聲音而非產生聲音。在下圖 1 中,X 軸以對數尺度代表頻率,Y 軸為 dB SPL,此圖用於音訊輸出裝置。請注意,由於 dB 也是對數尺度,因此雙軸都是對數尺度。

基本頻率響應圖圖 1:基本頻率響應圖。(圖片來源:CUI Devices)

此圖代表在一致功率輸入下,不同頻率中會產生多少 dB 的 SPL,此圖相對平坦,在整個頻譜中具有最小的變化。此音訊裝置除了低於 70 Hz 時有陡峭的下降,若提供相同的輸入功率,在 70 Hz 和 20 kHz 之間會產生一致的 SPL。任何低於 70 Hz 的頻率會產生低於 SPL 輸出。

CUI Devices 的 CSS-50508N 揚聲器 (圖 2) 的頻率響應圖呈現典型揚聲器曲線的更佳實例。此圖包含多種峰值和谷值。代表共振強化或減弱輸出的點。此 41 mm x 41 mm 揚聲器的規格書列出 380 Hz ± 76 Hz 的共振頻率,是圖上的第一個主要峰值。在約 600 至 700 Hz 快速下降,接著在約 800 Hz 至 3,000 Hz 提供穩定的 SPL 效能。考量到揚聲器的尺寸,設計人員可以假設 CSS-50508N 在低頻比高頻表現較差,可由此圖確認。藉由瞭解如何及何時參考頻率響應圖,設計工程師可以確認揚聲器或其他輸出裝置是否能重新產生其目標頻率。

CUI Devices 的 CSS-50508N 41 mm x 41 mm 揚聲器頻率響應圖圖 2:CUI Devices 的 CSS-50508N 41 mm x 41 mm 揚聲器頻率響應圖。(圖片來源:CUI Devices)

音訊範圍和外殼考量

音訊範圍會在多方面影響外殼設計,如同下一段落所述。

揚聲器尺寸

小尺寸揚聲器移動速度比大型揚聲器快,因此能以更少不需要的諧波產生更高頻率。不過,若要在更低頻率嘗試達到相似的 SPL 輸出,就需要更大的揚聲器振膜,才能移動足夠的空氣,在高音下符合相同感知到的 dB SPL。更大的振膜更重,這通常不會在低頻造成太大的問題,因為低頻移動較慢。

最終會依據應用需求決定使用的揚聲器尺寸,但更小的揚聲器通常會有更小的外殼,進而降低成本並節省更多空間。在 CUI Devices 部落格深入瞭解如何設計小型揚聲器外殼

諧振頻率

諧振頻率代表物體一般振動的頻率。吉他弦在撥動時會以其諧振頻率振動,代表若揚聲器放在吉他旁邊播放其諧振頻率,吉他弦會開始振動,並隨著時間增加振幅。不過,若是討論音訊,這種現象會導致周遭物體不必要的蜂鳴聲和嘎嘎聲。CUI Devices 部落格針對諧振和諧振頻率主題提供更多資訊。

為了避免揚聲器產生非線性輸出和非必要的諧音,外殼設計變得十分重要,以確保外殼不會與預計的音訊輸入在相同的頻譜具有自然諧振頻率。

材料權衡

揚聲器和麥克風設計的元件之間達到微妙的平衡,其必須在移動中具有穩定、彈性、耐用的特點。揚聲器的振膜 (或錐體) 必須要輕量才能快速響應,同時也必須盡可能牢固,方可避免在移動時解體。CUI Devices 的揚聲器常用紙和麥拉為材料,兩者皆輕量且牢靠。麥拉是一種塑膠,因此更具有防潮和防濕的優勢。除了振膜之外,也會使用橡膠連接振膜至框架。為了避免極端移動造成破裂,此材料必須盡可能強健且易彎曲,才不會限制振膜動作。

揚聲器的基本架構圖圖 3:揚聲器的基本架構。(圖片來源:CUI Devices)

比較麥克風技術時,也會看到相同的權衡項目。駐極體電容式麥克風和 MEMS 麥克風提供使用者耐用、小型封裝、低功率,但在頻率和敏感度有更多限制。另一方面,鋁帶式麥克風提供更高的敏感度和頻率範圍,但耐用性不佳。

材料也是外殼設計的重要的一部份,這同時會影響諧振和聲音的吸收。外殼主要目標為降低相外後向產生的聲音,表示選用的材料必須能有效吸收聲音。這在較低頻率聲音應用中是一大關鍵,由於此類應用較難有減緩效果。

結論

到頭來,還是只有有限的音訊系統,且沒有獨立的音訊輸出裝置可以用任何傳真度跨所有音訊音頻。一般而言,大多數應用不需要此等級的傳真度,也不需要完美的線性輸出。不過,在為設計選擇適合的音訊元件時,瞭解音訊頻率範圍還是十分重要。若能有此知識,工程師更能夠在成本、尺寸、尺寸之間進行權衡。CUI Devices 提供多種音訊解決方案,包含各種頻率範圍,可支援完整的應用需求。

聲明:各作者及/或論壇參與者於本網站所發表之意見、理念和觀點,概不反映 Digi-Key Electronics 的意見、理念和觀點,亦非 Digi-Key Electronics 的正式原則。

關於作者

CUI Devices 應用工程與動作控制部門副總裁 Jeff Smoot

文章作者:CUI Devices 的 Jeff Smoot

關於出版者

Digi-Key 北美編輯群