作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁
共振音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著兩項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。第一項(xiàng)挑戰(zhàn)是利用揚(yáng)聲器或蜂鳴器的共振頻率和共振區(qū)來產(chǎn)生最大的輸出聲壓級(jí) (SPL)。第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是避免共振在音頻器件的音箱和安裝系統(tǒng)中引入的嗡嗡聲和格格聲。雖然共振是人們熟悉的概念，但本文將回顧共振對音頻設(shè)計(jì)的意義，其中包括上方提到的挑戰(zhàn)、共振影響因素、如何理解頻率響應(yīng)曲線等等。
共振和共振頻率基礎(chǔ)知識(shí)
要了解共振的影響，首先要了解共振的基本特征。當(dāng)物理對象或電子電路吸收來自初始脈沖的能量并隨后以相同頻率振動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。不過，如果沒有更多的作用力量，振幅會(huì)越來越小。發(fā)生共振時(shí)的頻率稱為系統(tǒng)的共振頻率，表示為 F0。
共振可以出現(xiàn)在多種情況下。吉他就是一個(gè)很好的常見例子，它完全通過振動(dòng)來產(chǎn)生聲音。當(dāng)演奏者撥動(dòng)原聲吉他的琴弦時(shí)，琴弦振動(dòng)并將聲能傳遞到樂器的空心木質(zhì)琴身，使其產(chǎn)生共振并放大所產(chǎn)生的聲音。同樣，如果使用適當(dāng)頻率的信號(hào)激發(fā) LC 濾波器，濾波器就會(huì)作為調(diào)諧振蕩電路發(fā)生共振。在基本無線電中，這種效應(yīng)可用來捕獲廣播信號(hào)，只需通過調(diào)整振蕩電路的電容或電感值，使振蕩電路的共振頻率與廣播頻率相一致。壓電晶體振蕩器中的機(jī)電共振可以用作頻率參考。
音頻輸出元器件概覽
機(jī)械共振的影響因素包括重量，以及將不同質(zhì)量連接在一起的剛度。對于標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器，這個(gè)質(zhì)量就是振膜（或音盆），而剛度則取決于連接振膜和框架的懸架的柔性。由于揚(yáng)聲器的制造方式多種多樣，每種揚(yáng)聲器類型都可能產(chǎn)生不同的共振頻率。
其他導(dǎo)致?lián)P聲器共振頻率不同的因素包括振膜材料、懸架厚度和電磁鐵尺寸。電磁鐵連接至音盆后部，且會(huì)對重量產(chǎn)生影響。一般來說，更輕、剛性更強(qiáng)的材料和柔性的懸掛部件會(huì)形成更高的共振頻率。例如，高頻揚(yáng)聲器體積小、重量輕，具有剛性的聚酯薄膜音盆和高度柔性的懸掛部件。通過修改這些因素，標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器可擁有 20 Hz 至 20,000 H 的頻率范圍。
圖 1：標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)（圖片來源：CUI Devices）
另一種類型的音頻輸出元器件是磁傳感器蜂鳴器。它們將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與發(fā)聲機(jī)構(gòu)分開的方式不同于揚(yáng)聲器。由于更輕的膜片與框架連接得更牢固，磁傳感器具有更高的正常頻率范圍，但范圍會(huì)縮小。它們通常能產(chǎn)生 2 至 3 kHz 的聲音，額外優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生相同聲壓級(jí)所需的電流比揚(yáng)聲器要小。
圖 2：標(biāo)準(zhǔn)磁性蜂鳴器結(jié)構(gòu)（圖片來源：CUI Devices）
最后，還有壓電傳感器蜂鳴器。相比于磁性同等產(chǎn)品，在相同電流下，它們能夠更高效地產(chǎn)生更高的聲壓級(jí)。蜂鳴器利用壓電效應(yīng)，通過改變電場，以不同方向使壓電陶瓷元件發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生聲波輸出。這種壓電材料通常具有剛性，而且這些類型的蜂鳴器中使用的元器件都很小很薄。壓電傳感器蜂鳴器與磁性產(chǎn)品一樣，能夠產(chǎn)生窄頻率范圍的 1 至 5 kHz 高音調(diào)噪聲。
圖 3：標(biāo)準(zhǔn)壓電蜂鳴器結(jié)構(gòu)（圖片來源：CUI Devices）
共振設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
若要設(shè)計(jì)能利用共振的揚(yáng)聲器或蜂鳴器，這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，其中需要考慮所需的共振頻率或共振頻率范圍、將使用的揚(yáng)聲器或蜂鳴器特性，以及封裝揚(yáng)聲器或蜂鳴器的音箱的形狀和尺寸。這些因素彼此之間存在顯著的影響。
例如，將小型揚(yáng)聲器安裝在一個(gè)非常大的音箱中時(shí)，揚(yáng)聲器能夠自由移動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)（揚(yáng)聲器加上音箱）的共振頻率可能與在自由空氣中運(yùn)行的揚(yáng)聲器的固有共振頻率相同。但是，如果將揚(yáng)聲器放在一個(gè)緊密密封的小型音箱中，內(nèi)部的空氣將充當(dāng)機(jī)械彈簧，其能與揚(yáng)聲器音盆相互作用并影響系統(tǒng)的共振頻率。除此之外，還存在其他相互作用，例如非線性電氣驅(qū)動(dòng)特性，這些也必須給予考慮以實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。
鑒于這種復(fù)雜性，進(jìn)行任何種類音頻設(shè)計(jì)的最佳方式往往是建立一些原型，測量這些原型的特性，然后進(jìn)行調(diào)整，以便在所選擇的音頻信源下產(chǎn)生最佳輸出。這種基于原型的方法還可以幫助設(shè)計(jì)人員理解和彌補(bǔ)以下現(xiàn)實(shí)：元器件特性在制造公差范圍內(nèi)存在差異，并且音箱幾何形狀和剛度也將受到生產(chǎn)差異的影響。對于基于一批元器件中挑選出的最好元器件手工制作的揚(yáng)聲器，其所能達(dá)到性能通常難以通過大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)元器件來重現(xiàn)。
音箱（特別是用于揚(yáng)聲器）還必須設(shè)計(jì)有足夠的內(nèi)部空間，以便在沒有衰減的情況下使產(chǎn)生的音頻能量發(fā)揮作用。由音箱覆蓋物或材料引起的 3 dB 輕度聲壓級(jí)降低，將使輸出的聲功率減半。CUI Devices 的“How to Design a Micro Speaker Enclosure”（如何設(shè)計(jì)微型揚(yáng)聲器音箱）博客對此進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。
總體而言，務(wù)必要查看音頻元器件的全頻譜響應(yīng)，并利用其在共振頻率峰值任一側(cè)頻率上的性能。由于共振頻率不是一個(gè)精確的數(shù)字，也不一定是一個(gè)非常窄的頻帶（對于揚(yáng)聲器而言尤其如此），因此在規(guī)格書中指定的峰值的任一側(cè)上，都可能有設(shè)計(jì)人員可以利用的有用頻率響應(yīng)。這一概念旨在優(yōu)化給定輸入功率下的輸出聲壓級(jí)和頻率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，器件應(yīng)以其共振頻率及其共振區(qū)內(nèi)的頻率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
例如，CUI Devices 的 CSS-10246-108 揚(yáng)聲器的規(guī)格書顯示其共振頻率為 200 Hz ± 40 Hz，但其頻率響應(yīng)圖顯示在大約 3.5 kHz 處有另一個(gè)共振尖峰。此外，還有一個(gè)大約 200 Hz 至 3.5 kHz 的共振區(qū)。設(shè)計(jì)人員可以利用這些信息，為其應(yīng)用選擇相匹配的揚(yáng)聲器。
圖 4：CSS-10246-108 揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)曲線（圖片來源：CUI Devices）
再如，CUI Devices 的 CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的規(guī)格書中列出 4000 Hz 的共振頻率。這一點(diǎn)可以通過下面的蜂鳴器頻率響應(yīng)圖得到證實(shí)。另外，為了簡化共振問題，蜂鳴器也可作為內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路的音頻指示器使用。由于它們的運(yùn)行設(shè)置為固定的額定頻率，因此這些內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的器件不需要頻率響應(yīng)圖，原因是它們設(shè)計(jì)用于在其指定頻率窗口中實(shí)現(xiàn)最大的聲壓級(jí)。
圖 5：CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的頻率響應(yīng)曲線（圖片來源：CUI Devices）
總結(jié)
在為應(yīng)用設(shè)計(jì)音頻器件時(shí)，工程師必須考慮器件的共振頻率，以確保它產(chǎn)生最大的聲壓級(jí)，而不會(huì)引起不必要的振動(dòng)。這意味著使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)（特別是共振頻率）作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，然后在這個(gè)值周圍存在的共振區(qū)內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。一旦初步設(shè)計(jì)完成，應(yīng)使用原型來檢查音頻器件與其音箱和安裝部件的互動(dòng)方式是否符合設(shè)計(jì)的性能。CUI Devices 提供一系列跨頻譜的音頻解決方案，以幫助工程師找到適合作業(yè)的元器件。 |
