ความสำคัญของการเรโซแนนซ์และความถี่เรโซแนนซ์ในระบบเสียง

ซึ่งจะมีความท้าทายที่สำคัญสองข้อสำหรับนักออกแบบที่ทำงานเกี่ยวกับระบบเสียงเรโซแนนซ์ ข้อแรกคือการใช้ประโยชน์จากความถี่เรโซแนนซ์และขอบเขตการเรโซแนนซ์ของลำโพงหรือบัซเซอร์เพื่อสร้างระดับความดันเสียง (SPL) ให้มากที่สุด ข้อที่สองคือการหลีกเลี่ยงการเรโซแนนซ์ที่ทำให้เกิดเสียงหึ่งและเสียงสั่นในตัวอุปกรณ์และระบบติดตั้งของอุปกรณ์เสียง แม้ว่าการเรโซแนนซ์เป็นแนวคิดที่คุ้นเคย แต่บทความนี้จะกล่าวถึงความหมายในการออกแบบเสียง ซึ่งรวมถึงความท้าทายที่กล่าวข้างต้น ปัจจัยที่ส่งผลต่อการเรโซแนนซ์ วิธีอ่านกราฟการตอบสนองความถี่ และอื่น ๆ

ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับเรโซแนนซ์และความถี่เรโซแนนซ์

เพื่อให้เข้าใจผลกระทบของการเรโซแนนซ์ จะต้องมีความเข้าใจในระดับพื้นฐานก่อน การเรโซแนนซ์เกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ดูดซับพลังงานจากแรงกระตุ้นตั้งต้นและสั่นในความถี่เดียวกัน แม้ว่าจะมีแอมพลิจูดลดลงและไม่มีแรงกระทำต่อวัตถุนั้นอีก ความถี่ที่เกิดพฤติกรรมนี้เรียกว่าความถี่เรโซแนนซ์ของระบบ ซึ่งกำหนดเป็น F0

การเรโซแนนซ์สามารถปรากฏได้ในหลายบริบท กีตาร์เป็นตัวอย่างที่ใกล้ตัวมากที่สุด เนื่องจากสร้างเสียงจากการสั่น เมื่อผู้เล่นดีดสายกีตาร์ สายจะสั่นและส่งพลังงานเสียงไปยังโครงไม้กลวงของตัวกีต้า ทำให้เกิดเสียงสะท้อนและขยายเสียงออกมา ในทำนองเดียวกัน ตัวกรอง LC สามารถสะท้อนเป็นวงจรจูนแทงก์ หากถูกกระตุ้นโดยสัญญาณในความถี่ที่เหมาะสม ใช้ปรากฏการณ์นี้ในวิทยุพื้นฐานเพื่อจับสัญญาณออกอากาศโดยการปรับค่าความจุหรือการเหนี่ยวนำในวงจรแทงก์ เพื่อให้ความถี่เรโซแนนซ์ตรงกับความถี่ออกอากาศ การเรโซแนนซ์ทางไฟฟ้าในเพียโซอิเล็กทริกคริสตัลออสซิลเลเตอร์สามารถใช้เป็นข้อมูลความถี่อ้างอิงได้

ภาพรวมของส่วนประกอบออดิโอเอาต์พุต

การเรโซแนนซ์ทางกลมาจากน้ำหนักและความแข็งที่เชื่อมส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เมื่อพูดถึงลำโพงมาตรฐาน ส่วนนี้คือไดอะแฟรม (หรือกรวย) และความแข็งขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นของระบบกันสะเทือนที่เชื่อมไดอะแฟรมกับเฟรม เนื่องจากลำโพงผลิตขึ้นด้วยวิธีที่แตกต่างกัน ลำโพงแต่ละประเภทจึงให้ความถี่เรโซแนนซ์ที่แตกต่างกัน

ปัจจัยอื่น ๆ ที่จะทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ของลำโพงเปลี่ยนแปลงไป ได้แก่ วัสดุของกรวย ความหนาของระบบกันสะเทือน และขนาดแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งติดอยู่ที่ด้านหลังกรวยและส่งผลต่อน้ำหนัก โดยทั่วไปวัสดุที่เบากว่า แข็งกว่า และมีส่วนกันสะเทือนที่ยืดหยุ่นได้จะส่งผลให้ความถี่เรโซแนนท์สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น ทวีตเตอร์ความถี่สูงมีขนาดเล็กและเบาที่มีกรวยไมลาร์ที่แข็งแรงและส่วนกันสะเทือนยืดหยุ่นสูง โดยการปรับเปลี่ยนปัจจัยเหล่านี้ ลำโพงมาตรฐานจะมีช่วงความถี่อยู่ระหว่าง 20 Hz ถึง 20,000 Hz

รูปที่ 1: โครงสร้างลำโพงมาตรฐาน (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ส่วนประกอบออดิโอเอาต์พุตอีกประเภทหนึ่งคือ บัซเซอร์ตัวแปลงสัญญาณแม่เหล็ก ซึ่งแยกกลไกขับออกจากกลไกการสร้างเสียงในลักษณะที่แตกต่างจากลำโพง เนื่องจากไดอะแฟรมน้ำหนักเบาที่เชื่อมต่อกับเฟรมอย่างแน่นหนามากขึ้น ทรานสดิวเซอร์แม่เหล็กจึงมีช่วงความถี่ปกติที่สูงกว่า แต่มีช่วงที่ลดลง โดยทั่วไปแล้วจะทำให้เกิดเสียงความถี่ตั้งแต่ 2 ถึง 3 kHz พร้อมประโยชน์เพิ่มเติมในการใช้กระแสไฟน้อยกว่าลำโพงเพื่อสร้างระดับความดันเสียงเดียวกัน

รูปที่ 2: โครงสร้างบัซเซอร์แม่เหล็กมาตรฐาน (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

สุดท้าย บัซเซอร์ตัวแปลงสัญญาณแบบเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าในการกำเนิดระดับความดันเสียงที่สูงขึ้นโดยให้กระแสในปริมาณเท่ากันกับคู่แม่เหล็ก การใช้ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกจะแปรเปลี่ยนสนามไฟฟ้า เพื่อทำให้องค์ประกอบเพียโซเซรามิกโค้งงอไปทางหนึ่งและอีกทางหนึ่งสลับไปมาส่งผลให้เกิดคลื่นเสียง วัสดุเพียโซนี้โดยทั่วไปจะมีความแข็ง และส่วนประกอบที่ใช้ในบัซเซอร์ประเภทนี้มีขนาดเล็กและบาง บัซเซอร์ของตัวแปลงสัญญาณแบบเพียโซ เช่น รุ่นแม่เหล็กสร้างเสียงสูงระหว่าง 1 ถึง 5 kHz ด้วยช่วงความถี่แคบ

รูปที่ 3: โครงสร้างบัซเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกมาตรฐาน (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบเรโซแนนซ์

การออกแบบลำโพงหรือบัซเซอร์ที่ใช้ประโยชน์จากการเรโซแนนซ์เป็นงานที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการพิจารณาความถี่เรโซแนนซ์หรือช่วงความถี่เรโซแนนซ์ที่ต้องการ ลักษณะของลำโพงหรือบัซเซอร์ที่จะใช้ และรูปร่างและขนาดของโครงที่จะติดตั้ง ปัจจัยเหล่านี้สามารถมีอิทธิพลต่อกันและกันค่อนข้างมาก

ตัวอย่างเช่น การติดตั้งลำโพงขนาดเล็กในกล่องที่ใหญ่มากจะทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นความถี่เรโซแนนซ์ของระบบ (ลำโพงและกล่องบรรจุ) จึงมีแนวโน้มว่าจะเหมือนกับการสั่นพ้องที่แท้จริงของลำโพงที่ทำงานในที่ที่มีอากาศ แต่ถ้าคุณใส่ลำโพงในกล่องขนาดเล็กที่ปิดสนิท อากาศภายในจะทำหน้าที่เป็นสปริงกลที่ทำปฏิกิริยากับกรวยลำโพงและส่งผลต่อความถี่เรโซแนนซ์ของระบบ มีการโต้สนองอื่น ๆ เช่น ลักษณะของไดร์ฟไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งต้องพิจารณาด้วยเพื่อให้ได้การออกแบบที่มีประสิทธิภาพ

ด้วยความซับซ้อนนี้ วิธีที่ดีที่สุดในการออกแบบเสียงใด ๆ มักจะเป็นการสร้างต้นแบบขึ้นมา ประเมินคุณลักษณะของพวกมัน แล้วปรับเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่ดีที่สุดด้วยแหล่งกำเนิดเสียงที่เลือก แนวทางที่ใช้การสร้างต้นแบบนี้ยังสามารถช่วยให้นักออกแบบเข้าใจและชดเชยข้อเท็จจริงที่ว่าคุณลักษณะของส่วนประกอบจะแตกต่างกันไปตามความคลาดเคลื่อนในการผลิต และรูปทรงของกล่องบรรจุและความแข็งจะขึ้นอยู่กับความผันแปรของการก่อให้เกิดเสียง ลำโพงที่สร้างขึ้นด้วยมือบรรจุส่วนประกอบที่ดีที่สุดที่คัดเลือกมาจากแบทช์มักจะมีประสิทธิภาพมากกว่าการผลิตซ้ำ ๆ โดยใช้เทคนิคการผลิตจำนวนมากและส่วนประกอบมาตรฐาน

โดยเฉพาะอย่างยิ่งกล่องสำหรับลำโพงจะต้องได้รับการออกแบบให้มีเนื้อที่ภายในเพียงพอสำหรับพลังงานเสียงที่เกิดขึ้นโดยปราศจากการลดทอน การลดระดับความดันเสียงลงเล็กน้อย 3 เดซิเบล ซึ่งเกิดจากกล่องบรรจุหรือวัสดุ จะลดกำลังเสียงที่ส่งออกลงครึ่งหนึ่ง โพสต์บล็อก “วิธีการออกแบบกล่องลำโพงขนาดเล็ก (How to Design a Micro Speaker Enclosure)” ของ Same Sky กล่าวถึงสิ่งนี้เพิ่มเติม

โดยรวมแล้ว สิ่งสำคัญคือต้องดูการตอบสนองแบบเต็มสเปกตรัมของส่วนประกอบเสียงและใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพการทำงานที่ความถี่ที่อยู่ด้านใดด้านหนึ่งของความถี่สูงสุดของความถี่เรโซแนนซ์ เนื่องจากความถี่เรโซแนนซ์นั้นเป็นค่าที่ไม่แน่นอนและไม่จำเป็นต้องเป็นย่านความถี่ที่แคบมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับลำโพง จึงมีแนวโน้มว่าจะมีการตอบสนองความถี่ที่มีประโยชน์ซึ่งนักออกแบบสามารถใช้ประโยชน์จากค่าพีคที่ด้านใดด้านหนึ่งที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลได้ แนวคิดคือการเพิ่มประสิทธิภาพระดับความดันเสียงที่ได้และความถี่สำหรับกำลังไฟฟ้าเข้าที่กำหนด เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ อุปกรณ์ควรถูกขับเคลื่อนด้วยความถี่เรโซแนนท์และที่ความถี่ภายในโซนเรโซแนนท์

ตัวอย่างเช่น เอกสารข้อมูลสำหรับ CSS-10246-108 ของ Same Sky ผู้พูดกล่าวว่ามีความถี่เรโซแนนซ์ที่ 200 Hz ±40 Hz แต่กราฟการตอบสนองความถี่แสดงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของเรโซแนนซ์ที่ประมาณ 3.5 kHz นอกจากนี้ยังมีโซนเรโซแนนซ์ตั้งแต่ประมาณ 200 Hz ถึง 3.5 kHz นักออกแบบสามารถใช้ประโยชน์จากข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้เพื่อจับคู่ตัวเลือกลำโพงกับการใช้งานของตน

รูปที่ 4: กราฟการตอบสนองความถี่สำหรับลำโพง CSS-10246-108 (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

อีกตัวอย่างหนึ่ง บัซเซอร์ตัวแปลงสัญญาณแม่เหล็ก CMT-4023S-SMT-TR ของ Same Sky แสดงความถี่เรโซแนนซ์ที่ 4000 Hz บนเอกสารข้อมูล สิ่งนี้ได้รับการยืนยันผ่านกราฟการตอบสนองความถี่ของบัซเซอร์ด้านล่าง อีกทางหนึ่ง เพื่อลดความซับซ้อนของปัญหาการเรโซแนนซ์ บัซเซอร์ก็มี ตัวบ่งชี้เสียง ที่มีวงจรขับเคลื่อนในตัวเช่นกัน เนื่องจากการทำงานถูกกำหนดไว้ที่ความถี่คงที่ อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนภายในเหล่านี้จึงไม่ต้องการกราฟการตอบสนองความถี่ เนื่องจากได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มระดับความดันเสียงให้สูงสุดในกรอบความถี่ที่ระบุ

รูปที่ 5: กราฟการตอบสนองความถี่สำหรับบัซเซอร์ตัวแปลงสัญญาณแม่เหล็ก CMT-4023S-SMT-TR (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

บทสรุป

เมื่อออกแบบอุปกรณ์เสียงให้เหมาะสมกับการใช้งาน วิศวกรต้องพิจารณาความถี่เรโซแนนซ์ของอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่าจะสร้างระดับความดันเสียงที่ดีที่สุดโดยไม่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่ไม่ต้องการ ซึ่งหมายถึงการใช้ข้อมูลจากผู้ขาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งความถี่เรโซแนนซ์ เป็นจุดเริ่มต้นในการออกแบบ จากนั้นจึงปรับการออกแบบให้เหมาะสมทั่วทั้งโซนเรโซแนนซ์ที่มีอยู่ให้มีค่าประมาณนี้ เมื่อการออกแบบเบื้องต้นเสร็จสิ้น ควรใช้ต้นแบบเพื่อตรวจสอบว่าวิธีที่อุปกรณ์เสียงตอบสนองกับกล่องและการติดตั้งตรงกับประสิทธิภาพที่ออกแบบไว้ Same Sky มี โซลูชั่นเกี่ยวกับเสียง มากมายหลายความถี่เพื่อช่วยให้วิศวกรสามารถหาส่วนประกอบที่เหมาะสมสำหรับงานได้