【導(dǎo)讀】從汽車到家庭再到便攜式設(shè)備，音頻無處不在，而且其應(yīng)用只會越來越廣。當(dāng)涉及到音頻系統(tǒng)設(shè)計時，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)為針對給定設(shè)計重新構(gòu)建必要音頻的系統(tǒng)能力。
從汽車到家庭再到便攜式設(shè)備，音頻無處不在，而且其應(yīng)用只會越來越廣。當(dāng)涉及到音頻系統(tǒng)設(shè)計時，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)為針對給定設(shè)計重新構(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、外殼設(shè)計的影響，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
20 Hz 至 20,000 Hz 是常用音頻參考范圍。然而，普通人能聽到的音頻不超過 20 Hz 至 20 kHz，而且隨著年齡的增長，這個可探測的范圍還會持續(xù)縮小。通過音樂對音頻的理解最為透徹。在音樂中，每一個隨后的八度音都會使頻率翻倍。鋼琴的最低音 A 大約是 27 Hz，而最高音 C 則接近 4186 Hz。除這些常見頻率之外，任何產(chǎn)生聲音的物體或設(shè)備也會產(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”音也會產(chǎn)生 54 Hz 的諧波，81 Hz 的諧波，以此類推，每個諧波都比上一個更安靜。在需要準(zhǔn)確再現(xiàn)音源的高保真揚聲器系統(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)的七個頻率子集，這有助于定義音頻系統(tǒng)設(shè)計中使用的目標(biāo)范圍。
表 1：音頻子集范圍。（圖片來源：CUI Devices）
頻響圖
頻響圖是直觀了解蜂鳴器、麥克風(fēng)或揚聲器如何再現(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音調(diào)，因此通常具有較窄的頻率范圍。另一方面，揚聲器通常具有更寬的頻率范圍，因為揚聲器通常用來重現(xiàn)聲音和語音。
如揚聲器、蜂鳴器等音頻輸出設(shè)備的頻響圖 Y 軸以聲壓級分貝 (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，因為它們用于檢測聲音而不是產(chǎn)生聲音。在下面的圖 1 中，X 軸代表頻率的對數(shù)刻度，Y 軸以分貝聲壓級列出，因此這是一個音頻輸出設(shè)備的圖表。注意，因為 dBs 也是用對數(shù)表示，所以兩個軸都用對數(shù)表示。
圖 1：基本頻響圖。（圖片來源：CUI Devices）
該圖表示在不同頻率下輸入恒定的功率會產(chǎn)生多少分貝的聲壓級，該圖相對平坦，整個頻譜范圍內(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，會在 20 Hz 和 70 kHz 范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的聲壓級。任何低于 70 Hz 的設(shè)備都會產(chǎn)生較低的聲壓級 (SPL) 輸出。
例如，CUI Devices 的 CSS-50508N 揚聲器頻響圖（圖 2）較好地說明了更典型的揚聲器屬性。該圖包括不同的峰值和谷值，表示共振加強或減少輸出的點。這款 41 mm × 41 mm 揚聲器的規(guī)格書列出了 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 之間達到穩(wěn)定的聲壓級性能。由于揚聲器的尺寸，設(shè)計者可推測 CSS-50508N 在低頻范圍內(nèi)的表現(xiàn)不會超過高頻范圍，這一點在圖中得到了證實。通過了解如何以及何時參考頻響圖，設(shè)計工程師可以確定揚聲器或其他輸出設(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 揚聲器頻響圖。（圖片來源：CUI Devices）
音頻范圍和外殼的注意事項
音頻范圍會在幾個方面影響外殼設(shè)計，如下文所述。
揚聲器尺寸
與大型揚聲器相比，小尺寸揚聲器的移動速度更快，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現(xiàn)類似 SPL 輸出時，就需要更大型的揚聲器膜片來移動足夠的空氣，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，但在低頻時通常不會造成問題，因為其移動速度很慢。
使用較小還是較大的揚聲器最終將取決于應(yīng)用需求，但較小的揚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，詳細了解如何設(shè)計微型揚聲器外殼。
共振頻率
共振頻率代表一個物體的自然振動頻率。撥動吉他琴弦時，琴弦以其共振頻率振動。這就是說，如果將揚聲器放在吉他旁邊并播放琴弦的共振頻率，吉他琴弦就會開始振動，且振幅隨著時間的推移增大。然而，當(dāng)涉及到音頻時，這種現(xiàn)象也會導(dǎo)致與周圍物體產(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。
為了避免揚聲器同時具有非線性輸出和不必要的諧波，在外殼設(shè)計中確認自然共振頻率與預(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
揚聲器和麥克風(fēng)設(shè)計在那些必須在移動期間保持靜止、柔性和剛性的組件之間達到微妙的平衡。揚聲器振膜（或紙盆）應(yīng)很輕，以便快速響應(yīng)，同時盡可能保持剛性，以防移動時發(fā)生變形。CUI Devices 的揚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。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情況下發(fā)生斷裂，這種材料必須既堅固又柔韌，從而不會限制膜片的移動。
圖 3：揚聲器的基本構(gòu)造。（圖片來源：CUI Devices）
在比較麥克風(fēng)技術(shù)時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，但同時也犧牲了耐用性。
材料也是外殼設(shè)計中的一個重要選擇，會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
歸根結(jié)底，音頻系統(tǒng)的數(shù)量有限，沒有一個單獨的音頻輸出設(shè)備能夠以任何保真度跨越整個音頻頻譜。一般來說，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。在為一個設(shè)計選擇合適的音頻組件時，了解音頻頻率范圍仍將具有重要的作用。有了這種認識，工程師可以更好地在成本、尺寸和性能之間的進行權(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。
（來源：中電網(wǎng)，作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運動控制部門副總裁）
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