ดูช่วงความถี่เสียงและส่วนประกอบเสียง

By Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Contributed By Digi-Key's North American Editors

ตั้งแต่รถยนต์ บ้าน ไปจนถึงอุปกรณ์พกพา เครื่องเสียงมีอยู่รอบตัวและเติบโตขึ้นเฉพาะในการใช้งานเท่านั้น เมื่อพูดถึงการออกแบบระบบเสียง ขนาด ราคา และคุณภาพเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา คุณภาพได้รับอิทธิพลจากตัวแปรหลายอย่าง แต่โดยทั่วไปแล้วจะขึ้นอยู่กับความสามารถของระบบในการสร้างความถี่เสียงที่จำเป็นสำหรับการออกแบบที่กำหนด ในบทความนี้ เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพื้นฐานของช่วงความถี่เสียงและชุดย่อย ผลกระทบของการออกแบบกล่องหุ้ม และวิธีการกำหนดช่วงเสียงที่อาจจำเป็นต้องใช้โดยขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับช่วงความถี่เสียง

20 Hz ถึง 20,000 Hz เป็นช่วงความถี่เสียงที่อ้างอิงโดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม โดยเฉลี่ยแล้ว มนุษย์สามารถได้ยินได้น้อยกว่าช่วง 20 Hz ถึง 20 kHz นี้ และเมื่ออายุมากขึ้น ช่วงที่ตรวจจับได้นี้จะค่อย ๆ ลดลงเท่านั้น ความถี่เสียงเป็นที่เข้าใจกันมากที่สุดผ่านเพลงที่แต่ละอ็อกเทฟที่ตามมาจะเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า โน้ตต่ำสุดของเปียโน A อยู่ที่ประมาณ 27 Hz ขณะที่โน้ต C สูงสุดจะอยู่ที่ 4186 Hz นอกเหนือจากความถี่ทั่วไปเหล่านี้ วัตถุหรืออุปกรณ์ใด ๆ ที่สร้างเสียงก็สร้างความถี่ฮาร์มอนิกด้วยเช่นกัน นี่เป็นเพียงความถี่ที่สูงขึ้นและแอมพลิจูดที่ต่ำกว่า ตัวอย่างเช่น โน้ต 27 Hz “A” ของเปียโนยังสร้างฮาร์มอนิก 54 Hz, ฮาร์มอนิก 81 Hz และอื่น ๆ โดยฮาร์มอนิกแต่ละรายการจะเงียบกว่าครั้งล่าสุด ฮาร์โมนิกมีความสำคัญเป็นพิเศษในระบบลำโพงที่มีความเที่ยงตรงสูง ซึ่งจำเป็นต้องมีการสร้างแหล่งกำเนิดเสียงขึ้นมาใหม่อย่างแม่นยำ

ส่วนย่อยของความถี่เสียง

ตารางด้านล่างแสดงรายการชุดย่อยความถี่เจ็ดชุดภายในสเปกตรัม 20 Hz ถึง 20,000 Hz ที่ช่วยในการกำหนดช่วงเป้าหมายที่ใช้ในการออกแบบระบบเสียง

ตารางย่อยช่วงความถี่เสียงตารางที่ 1: ชุดย่อยช่วงความถี่เสียง (ที่มาของภาพ: CUI Devices)

กราฟตอบสนองความถี่

กราฟการตอบสนองความถี่เป็นวิธีที่ดีในการมองเห็นว่า ออด,ไมโครโฟนหรือ ลำโพง จะสร้างความถี่เสียงต่าง ๆ ได้อย่างไร เนื่องจากโดยปกติแล้วออดจะส่งสัญญาณเสียงที่ได้ยินเท่านั้น จึงมักมีช่วงความถี่ที่แคบ ในทางกลับกัน ลำโพงโดยทั่วไปจะมีช่วงความถี่ที่กว้างกว่า เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วลำโพงเหล่านี้มีหน้าที่ในการสร้างเสียงและเสียงขึ้นมาใหม่

แกน y บนกราฟการตอบสนองความถี่สำหรับอุปกรณ์เอาต์พุตเสียง เช่น ลำโพงและออด จะแสดงเป็นเดซิเบลของระดับความดันเสียง (dB SPL) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือความดังของอุปกรณ์ แกน y สำหรับอุปกรณ์อินพุตเสียง เช่น ไมโครโฟน จะแสดงความไวในหน่วย dB แทน เนื่องจากกำลังตรวจจับมากกว่าสร้างเสียง ในรูปที่ 1 ด้านล่าง แกน x แสดงถึงความถี่ในระดับลอการิทึมที่มีแกน y แสดงอยู่ใน dB SPL ซึ่งทำให้กราฟนี้เป็นกราฟสำหรับอุปกรณ์เอาต์พุตเสียง หมายเหตุ เนื่องจาก dBs เป็นลอการิทึม ทั้งสองแกนจึงเป็นลอการิทึม

กราฟของกราฟตอบสนองความถี่พื้นฐานรูปที่ 1: กราฟตอบสนองความถี่พื้นฐาน (แหล่งรูปภาพ: CUI Devices)

กราฟนี้แสดงจำนวน dB ของ SPL ที่จะถูกผลิตขึ้นโดยใช้กำลังไฟฟ้าเข้าคงที่ที่ความถี่ต่างกัน กราฟนี้ค่อนข้างแบนและมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในสเปกตรัมความถี่ นอกเหนือจากการดรอปดาวน์ที่สูงชันที่ต่ำกว่า 70 Hz แล้ว อุปกรณ์เสียงที่มีกำลังอินพุตเท่ากันจะสร้าง SPL ที่สม่ำเสมอระหว่าง 70 Hz ถึง 20 kHz สิ่งที่ต่ำกว่า 70 Hz จะทำให้เอาต์พุต SPL น้อยลง

กราฟการตอบสนองความถี่สำหรับอุปกรณ์จาก CUI Devices CSS-50508N ลำโพง (รูปที่ 2) เป็นตัวอย่างที่ดีกว่าของโปรไฟล์ลำโพงทั่วไป กราฟนี้ประกอบด้วยยอดเขาและหุบเขาที่หลากหลาย ซึ่งแสดงถึงจุดที่การสั่นพ้องเพิ่มหรือลดเอาต์พุต เอกสารข้อมูลของลำโพงขนาด 41 มม. x 41 มม. นี้แสดงความถี่เรโซแนนซ์ที่ 380 Hz ± 76 Hz ซึ่งถือได้ว่าเป็นพีคหลักแรกบนกราฟ สิ่งนี้ลดลงอย่างรวดเร็วที่ประมาณ 600 ถึง 700 Hz แต่จากนั้นให้ประสิทธิภาพ SPL ที่เสถียรจากประมาณ 800 Hz ถึง 3,000 Hz เนื่องจากขนาดของลำโพง นักออกแบบอาจสันนิษฐานได้ว่า CSS-50508N จะไม่ทำงานได้ดีที่ความถี่ต่ำเมื่อเทียบกับความถี่ที่สูงกว่า ซึ่งได้รับการยืนยันโดยกราฟ วิศวกรออกแบบสามารถยืนยันได้ว่าลำโพงหรืออุปกรณ์เอาต์พุตอื่นๆ สามารถทำซ้ำความถี่เป้าหมายได้ด้วยการทำความเข้าใจว่าต้องอ้างอิงแผนภูมิตอบสนองความถี่อย่างไรและเมื่อใด

กราฟกราฟการตอบสนองความถี่สำหรับลำโพง CSS-50508N 41 มม. x 41 มม. ของ CUI Devicesรูปที่ 2: กราฟการตอบสนองความถี่สำหรับลำโพง CSS-50508N 41 มม. x 41 มม. ของ CUI Devices (แหล่งรูปภาพ: CUI Devices)

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับช่วงเสียงและกล่องหุ้ม

ช่วงเสียงสามารถส่งผลกระทบต่อการออกแบบตู้ได้หลายวิธีตามที่อธิบายไว้ในส่วนด้านล่าง

ขนาดลำโพง

ลำโพงที่มีขนาดเล็กกว่าจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเมื่อเทียบกับลำโพงที่ใหญ่กว่า ทำให้สามารถผลิตความถี่ที่สูงกว่าด้วยฮาร์โมนิกที่ไม่ต้องการน้อยลง อย่างไรก็ตาม เมื่อพยายามให้ได้เอาต์พุต SPL ที่คล้ายกันที่ความถี่ต่ำ ไดอะแฟรมของลำโพงที่ใหญ่กว่าจะต้องเคลื่อนย้ายอากาศให้เพียงพอเพื่อให้ตรงกับ dB SPL ที่รับรู้เหมือนกันกับระดับเสียงที่สูงขึ้น แม้ว่าไดอะแฟรมขนาดใหญ่จะหนักกว่ามาก แต่ก็ไม่ได้สร้างปัญหาที่ความถี่ต่ำซึ่งพวกมันเคลื่อนที่ช้ากว่ามาก

การตัดสินใจเลือกลำโพงที่เล็กกว่าหรือใหญ่กว่านั้นจะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของแอพพลิเคชั่นในท้ายที่สุด แต่ลำโพงที่เล็กกว่ามักจะนำไปสู่ตู้ที่เล็กลง ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนและช่วยประหยัดพื้นที่ได้มากขึ้น เรียนรู้เพิ่มเติมในบล็อกของ CUI Devices บน วิธีการออกแบบตู้ลำโพงขนาดเล็ก

ความถี่เรโซแนนซ์

ความถี่เรโซแนนซ์แสดงถึงความถี่ที่วัตถุต้องการสั่นโดยธรรมชาติ สายกีตาร์จะสั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์เมื่อถอนออก ซึ่งหมายความว่าหากวางลำโพงไว้ข้างสายกีตาร์ที่เล่นความถี่เรโซแนนซ์ สายกีตาร์จะเริ่มสั่นและเพิ่มแอมพลิจูดตามเวลา อย่างไรก็ตาม เมื่อพูดถึงเรื่องเสียง ปรากฏการณ์เดียวกันนี้อาจนำไปสู่การส่งเสียงหึ่ง ๆ และเขย่าแล้วมีเสียงที่ไม่พึงประสงค์กับวัตถุรอบข้าง บล็อกของ CUI Devices บน เรโซแนนซ์และความถี่เรโซแนนซ์ ให้ข้อมูลเพิ่มเติมในหัวข้อนี้

เพื่อหลีกเลี่ยงการมีลำโพงที่มีทั้งเอาต์พุตที่ไม่ใช่เชิงเส้นและฮาร์โมนิกที่ไม่ต้องการ การออกแบบตัวเครื่องจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อยืนยันว่ากล่องหุ้มไม่มีความถี่เรโซแนนซ์ตามธรรมชาติในสเปกตรัมเดียวกันกับเอาต์พุตเสียงที่ต้องการ

การแลกเปลี่ยนวัสดุ

การออกแบบลำโพงและไมโครโฟนทำให้เกิดความสมดุลระหว่างส่วนประกอบที่ต้องนิ่ง ยืดหยุ่น และแข็งแรงระหว่างการเคลื่อนไหว ไดอะแฟรม (หรือรูปกรวย) ของลำโพงควรมีน้ำหนักเบาเพื่อให้สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วในขณะที่ยังคงความแข็งให้มากที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปขณะเคลื่อนที่ ลำโพงของ CUI Devices มักใช้กระดาษและไมลาร์ ซึ่งทั้งเบาและแข็ง ในฐานะที่เป็นพลาสติกประเภทหนึ่ง mylar ยังมีประโยชน์เพิ่มเติมในการทนต่อความชื้นและความชื้น นอกจากไดอะแฟรมแล้ว ยางยังใช้เชื่อมต่อไดอะแฟรมกับเฟรมด้วย เพื่อป้องกันการแตกหักเนื่องจากการเคลื่อนไหวที่รุนแรง วัสดุนี้ต้องแข็งแรงและยืดหยุ่นได้ เพื่อไม่ให้ไดอะแฟรมเคลื่อนที่ได้

แผนภาพการสร้างพื้นฐานของลำโพงรูปที่ 3: การสร้างพื้นฐานของลำโพง (แหล่งรูปภาพ: CUI Devices)

นอกจากนี้ยังสามารถเห็นการประนีประนอมแบบเดียวกันนี้เมื่อเปรียบเทียบเทคโนโลยีไมโครโฟน ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ Electret และไมโครโฟน MEMS ให้ความทนทานแก่ผู้ใช้ แพ็คเกจขนาดกะทัดรัด และใช้พลังงานต่ำ แต่มีความถี่และความไวที่จำกัดมากกว่า ในทางกลับกัน ไมโครโฟนแบบริบบอนให้ความไวและช่วงความถี่ที่ดีขึ้นพร้อมการแลกกับความทนทานต่ำ

วัสดุยังเป็นตัวเลือกที่สำคัญในการออกแบบตัวเครื่อง ซึ่งส่งผลต่อทั้งเสียงสะท้อนและการดูดซับเสียง เป้าหมายหลักของกล่องหุ้มคือการลดเสียงที่เกิดจากภายนอกเฟส ซึ่งหมายความว่าวัสดุที่เลือกจะต้องมีประสิทธิภาพในการดูดซับเสียง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานเสียงที่มีความถี่ต่ำซึ่งยากต่อการรองรับ

สรุป

ในตอนท้ายของวัน ระบบเสียงมีจำนวนจำกัดและไม่มีอุปกรณ์เอาท์พุตเสียงใดที่สามารถขยายสเปกตรัมเสียงทั้งหมดด้วยระดับความเที่ยงตรงระดับใดก็ได้ โดยทั่วไป แอปพลิเคชันส่วนใหญ่จะไม่ต้องการความเที่ยงตรงในระดับนี้ และไม่จำเป็นต้องมีเอาต์พุตเชิงเส้นที่สมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม การทำความเข้าใจช่วงความถี่เสียงจะยังคงมีบทบาทสำคัญในการเลือกส่วนประกอบเสียงที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบ ด้วยความเข้าใจนี้ วิศวกรสามารถชั่งน้ำหนักการแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุน ขนาด และประสิทธิภาพได้ดีขึ้น CUI Devices มีช่วงของ โซลูชั่นเสียงด้วยช่วงความถี่ที่แตกต่างกันเพื่อรองรับชุดแอพพลิเคชั่นเต็มรูปแบบ

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors