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了解音頻頻率范圍和音頻元器件
發(fā)布時(shí)間：2022-02-23 00:00:00 瀏覽：2493次
作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門(mén)副總裁
從汽車(chē)到家庭再到便攜式設(shè)備，音頻無(wú)處不在，而且其應(yīng)用只會(huì)越來(lái)越廣。當(dāng)涉及到音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，尺寸、成本和質(zhì)量是需要考慮的重要因素。影響質(zhì)量的變化因素很多，但通常歸結(jié)為針對(duì)給定設(shè)計(jì)重新構(gòu)建必要音頻的系統(tǒng)能力。在本文中，我們將了解更多關(guān)于音頻范圍及其子集的基礎(chǔ)知識(shí)、外殼設(shè)計(jì)的影響，以及如何根據(jù)應(yīng)用確定其可能需要的音頻范圍。
音頻范圍的基礎(chǔ)知識(shí)
20 Hz 至 20,000 Hz 是常用音頻參考范圍。然而，普通人能聽(tīng)到的音頻不超過(guò) 20 Hz 至 20 kHz，而且隨著年齡的增長(zhǎng)，這個(gè)可探測(cè)的范圍還會(huì)持續(xù)縮小。通過(guò)音樂(lè)對(duì)音頻的理解最為透徹。在音樂(lè)中，每一個(gè)隨后的八度音都會(huì)使頻率翻倍。鋼琴的最低音 A 大約是 27 Hz，而最高音 C 則接近 4186 Hz。除這些常見(jiàn)頻率之外，任何產(chǎn)生聲音的物體或設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生諧波頻率。這些只是在較低振幅下的較高頻率。例如，鋼琴的 27 Hz“A”音也會(huì)產(chǎn)生 54 Hz 的諧波，81 Hz 的諧波，以此類(lèi)推，每個(gè)諧波都比上一個(gè)更安靜。在需要準(zhǔn)確再現(xiàn)音源的高保真揚(yáng)聲器系統(tǒng)中，諧波將變得尤為重要。
音頻的子集
下表列出了 20 Hz 至 20,000 Hz 頻譜內(nèi)的七個(gè)頻率子集，這有助于定義音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的目標(biāo)范圍。
表 1：音頻子集范圍。（圖片來(lái)源：CUI Devices）
頻響圖
頻響圖是直觀了解蜂鳴器、麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器如何再現(xiàn)各種音頻的好方法。由于蜂鳴器在一般情況下只輸出可聽(tīng)音調(diào)，因此通常具有較窄的頻率范圍。另一方面，揚(yáng)聲器通常具有更寬的頻率范圍，因?yàn)閾P(yáng)聲器通常用來(lái)重現(xiàn)聲音和語(yǔ)音。
如揚(yáng)聲器、蜂鳴器等音頻輸出設(shè)備的頻響圖 Y 軸以聲壓級(jí)分貝 (dB SPL) 為單位，這根本上是設(shè)備的響度。音頻輸入設(shè)備的 Y 軸，如麥克風(fēng)，則是以分貝為單位表示靈敏度，因?yàn)樗鼈冇糜跈z測(cè)聲音而不是產(chǎn)生聲音。在下面的圖 1 中，X 軸代表頻率的對(duì)數(shù)刻度，Y 軸以分貝聲壓級(jí)列出，因此這是一個(gè)音頻輸出設(shè)備的圖表。注意，因?yàn)?dBs 也是用對(duì)數(shù)表示，所以?xún)蓚€(gè)軸都用對(duì)數(shù)表示。
該圖表示在不同頻率下輸入恒定的功率會(huì)產(chǎn)生多少分貝的聲壓級(jí)，該圖相對(duì)平坦，整個(gè)頻譜范圍內(nèi)的變化最小。除了 70 Hz 以下的部分急劇下降外，該音頻設(shè)備在相同輸入功率下，會(huì)在 20 Hz 和 70 kHz 范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的聲壓級(jí)。任何低于 70 Hz 的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生較低的
聲壓級(jí) (SPL) 輸出。
例如，CUI Devices 的 CSS-50508N 揚(yáng)聲器頻響圖（圖 2）較好地說(shuō)明了更典型的揚(yáng)聲器屬性。該圖包括不同的峰值和谷值，表示共振加強(qiáng)或減少輸出的點(diǎn)。這款 41 mm × 41 mm 揚(yáng)聲器的規(guī)格書(shū)列出了 380 Hz±76 Hz 的共振頻率，可以看作是頻響圖上的第一個(gè)主峰值。這在 600 Hz 至 700 Hz 左右迅速下降，但隨后從大約 800 Hz 至 3000 Hz 之間達(dá)到穩(wěn)定的聲壓級(jí)性能。由于揚(yáng)聲器的尺寸，設(shè)計(jì)者可推測(cè) CSS-50508N 在低頻范圍內(nèi)的表現(xiàn)不會(huì)超過(guò)高頻范圍，這一點(diǎn)在圖中得到了證實(shí)。通過(guò)了解如何以及何時(shí)參考頻響圖，設(shè)計(jì)工程師可以確定揚(yáng)聲器或其他輸出設(shè)備是否能夠再現(xiàn)其目標(biāo)頻率。
圖 2：CUI Devices 的 CSS-50508N 41 mm x 41 mm 揚(yáng)聲器頻響圖。（圖片來(lái)源：CUI Devices）
音頻范圍和外殼的注意事項(xiàng)
音頻范圍會(huì)在幾個(gè)方面影響外殼設(shè)計(jì)，如下文所述。
揚(yáng)聲器尺寸
與大型揚(yáng)聲器相比，小尺寸揚(yáng)聲器的移動(dòng)速度更快，使其能夠在較少不必要諧波的情況下產(chǎn)生更高的頻率。然而，當(dāng)試圖在較低頻率下實(shí)現(xiàn)類(lèi)似 SPL 輸出時(shí)，就需要更大型的揚(yáng)聲器膜片來(lái)移動(dòng)足夠的空氣，以便匹配與較高音調(diào)相同的感知 dB SPL。雖然較大的振膜要重得多，但在低頻時(shí)通常不會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)槠湟苿?dòng)速度很慢。
使用較小還是較大的揚(yáng)聲器最終將取決于應(yīng)用需求，但較小的揚(yáng)聲器通常只需要較小的外殼，以降低成本、節(jié)省空間。瀏覽 CUI Devices 的博客，詳細(xì)了解如何設(shè)計(jì)微型揚(yáng)聲器外殼。
共振頻率
共振頻率代表一個(gè)物體的自然振動(dòng)頻率。撥動(dòng)吉他琴弦時(shí)，琴弦以其共振頻率振動(dòng)。這就是說(shuō)，如果將揚(yáng)聲器放在吉他旁邊并播放琴弦的共振頻率，吉他琴弦就會(huì)開(kāi)始振動(dòng)，且振幅隨著時(shí)間的推移增大。然而，當(dāng)涉及到音頻時(shí)，這種現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致與周?chē)矬w產(chǎn)生不必要的異常聲音。CUI Devices 關(guān)于共振及共振頻率的博客就該主題提供了的更多信息。
為了避免揚(yáng)聲器同時(shí)具有非線性輸出和不必要的諧波，在外殼設(shè)計(jì)中確認(rèn)自然共振頻率與預(yù)期的音頻輸出不在同一頻譜范圍內(nèi)就顯得尤其重要。
材料權(quán)衡
揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)設(shè)計(jì)在那些必須在移動(dòng)期間保持靜止、柔性和剛性的組件之間達(dá)到微妙的平衡。揚(yáng)聲器振膜（或紙盆）應(yīng)很輕，以便快速響應(yīng)，同時(shí)盡可能保持剛性，以防移動(dòng)時(shí)發(fā)生變形。CUI Devices 的揚(yáng)聲器通常采用重量輕、質(zhì)地硬的紙和麥拉膜。麥拉膜是塑料的一種，還具有防潮和防濕的優(yōu)勢(shì)。除了膜片外，還采用橡膠連接膜片和框架。為了防止在極端移動(dòng)情況下發(fā)生斷裂，這種材料必須既堅(jiān)固又柔韌，從而不會(huì)限制膜片的移動(dòng)。
圖 3：揚(yáng)聲器的基本構(gòu)造。（圖片來(lái)源：CUI Devices）
在比較麥克風(fēng)技術(shù)時(shí)也可以看到相同的元器件之間的權(quán)衡。駐極體電容式麥克風(fēng)和 MEMS 麥克風(fēng)耐用性好、封裝緊湊和功耗低，但頻率和靈敏度更為有限。另一方面，帶狀話筒具有更好的靈敏度和頻率范圍，但同時(shí)也犧牲了耐用性。
材料也是外殼設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要選擇，會(huì)影響聲音的共振和吸收。外殼的主要目標(biāo)是抑制后方產(chǎn)生的非相位的聲音，這意味著所選材料必須能有效地吸音。這在難以抑制非相位聲音的較低頻聲音應(yīng)用中尤其關(guān)鍵。
結(jié)語(yǔ)
歸根結(jié)底，音頻系統(tǒng)的數(shù)量有限，沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)的音頻輸出設(shè)備能夠以任何保真度跨越整個(gè)音頻頻譜。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)應(yīng)用不需要這種保真度，而且可能不需要完全的線性輸出。在為一個(gè)設(shè)計(jì)選擇合適的音頻組件時(shí)，了解音頻頻率范圍仍將具有重要的作用。有了這種認(rèn)識(shí)，工程師可以更好地在成本、尺寸和性能之間的進(jìn)行權(quán)衡。CUI Devices 提供一系列頻率范圍不同的音頻解決方案，以支持全套應(yīng)用。
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