Die Bedeutung von Resonanz und Resonanzfrequenz in Audiosystemen

Für Entwickler, die mit resonanten Audiosystemen arbeiten, gibt es zwei wesentliche Herausforderungen. Die erste besteht darin, die Resonanzfrequenz und den Resonanzbereich eines Lautsprechers oder Summers auszunutzen, um den höchsten Ausgangsschalldruckpegel (SPL) zu erzeugen. Zweitens soll vermieden werden, dass das Gehäuse und das Montagesystem eines Audiogeräts durch Resonanzen zum Brummen und Rasseln gebracht werden. Obwohl Resonanz ein bekanntes Konzept ist, erläutert dieser Artikel ihre Bedeutung für das Audiodesign, einschließlich der oben genannten Herausforderungen, der Faktoren, die die Resonanz beeinflussen, des Lesens einer Frequenzgangkurve und mehr.

Grundlagen zu Resonanz und Resonanzfrequenz

Um die Auswirkungen der Resonanz zu verstehen, muss man sie zunächst grundlegend verstehen. Resonanz liegt vor, wenn ein physisches Objekt oder ein elektronischer Schaltkreis die Energie eines anfänglichen Impulses absorbiert und dann mit der gleichen Frequenz weiterschwingt, wenn auch mit abnehmender Amplitude und ohne weitere Krafteinwirkung. Die Frequenz, bei der dieses Verhalten auftritt, wird als Resonanzfrequenz des Systems bezeichnet und mit F0 angegeben.

Resonanz kann in vielen Zusammenhängen auftreten. Gitarren sind ein perfektes Beispiel aus dem Alltag, da sie den Klang ausschließlich durch Vibration erzeugen. Wenn ein Spieler eine Saite einer akustischen Gitarre zupft, vibriert sie und überträgt die Schallenergie in den hohlen Holzkörper des Instruments, wodurch dieser in Resonanz gerät und der erzeugte Klang verstärkt wird. In ähnlicher Weise kann ein LC-Filter als abgestimmter Schwingkreis in Resonanz treten, wenn er durch ein Signal mit genau der richtigen Frequenz angeregt wird. Dieser Effekt wird in einfachen Radios genutzt, um ein Rundfunksignal einzufangen, indem der Wert der Kapazität oder Induktivität im Resonanzkreis so eingestellt wird, dass seine Resonanzfrequenz mit der Sendefrequenz übereinstimmt. Die elektromechanische Resonanz in einem piezoelektrischen Quarzoszillator kann als Frequenzreferenz verwendet werden.

Ein Überblick über Audioausgabekomponenten

Die mechanische Resonanz wird durch das Gewicht und die Steifigkeit, die die verschiedenen Massen miteinander verbindet, beeinflusst. Bei Standardlautsprechern ist diese Masse die Membran (oder der Konus), und die Steifigkeit hängt von der Flexibilität der Aufhängung ab, die die Membran mit dem Rahmen verbindet. Da Lautsprecher auf viele verschiedene Arten hergestellt werden, kann jeder Lautsprechertyp unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.

Weitere Faktoren, die die Resonanzfrequenz eines Lautsprechers beeinflussen, sind das Material der Membran, die Dicke der Aufhängung und die Größe des Elektromagneten, der an der Rückseite der Membran angebracht ist und das Gewicht beeinflusst. Im Allgemeinen führen leichtere, steifere Materialien und flexible Aufhängungen zu höheren Resonanzfrequenzen. So sind beispielsweise Hochtöner klein und leicht, mit steifen Mylar-Membranen und hochflexiblen Aufhängungen. Wenn man diese Faktoren modifiziert, erreichen Standardlautsprecher einen Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20.000 Hz.

Abbildung 1: Standardaufbau eines Lautsprechers (Bildquelle: Same Sky)

Eine andere Art von Audioausgabekomponenten sind Magnetwandler-Summer. Diese trennen den Antriebsmechanismus vom klangerzeugenden Mechanismus auf eine andere Weise als ein Lautsprecher. Aufgrund einer leichteren Membran, die starrer mit dem Rahmen verbunden ist, besitzen magnetische Wandler einen höheren normalen Frequenzbereich, aber eine geringere Reichweite. Sie erzeugen in der Regel Schall von 2 bis 3 kHz und bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sie weniger Strom benötigen als Lautsprecher, um den gleichen Schalldruckpegel zu erzeugen.

Abbildung 2: Standardaufbau eines magnetischen Summers (Bildquelle: Same Sky)

Schließlich gibt es noch Summer in Form von piezoelektrischen Wandlern, die bei gleicher Stromstärke einen noch höheren Schalldruckpegel erzeugen als ihre magnetischen Pendants. Sie nutzen den piezoelektrischen Effekt, indem sie ein elektrisches Feld variieren, um das piezokeramische Element erst in die eine und dann in die andere Richtung zu biegen, was zur Ausgabe von Schallwellen führt. Dieses Piezomaterial ist in der Regel steif, und die in diesen Summertypen verwendeten Bauteile sind klein und dünn. Piezo-Wandler-Summer erzeugen wie die magnetischen Versionen hohe Töne zwischen 1 und 5 kHz mit einem engen Frequenzbereich.

Abbildung 3: Standardaufbau eines piezoelektrischen Summers (Bildquelle: Same Sky)

Resonanzbedingte Designüberlegungen

Die Entwicklung von Lautsprechern oder Summern, die die Resonanz ausnutzen, ist eine komplexe Aufgabe, bei der die gewünschte Resonanzfrequenz oder der Resonanzfrequenzbereich, die Eigenschaften des verwendeten Lautsprechers oder Summers sowie die Form und Größe des Gehäuses, in das er eingebaut werden soll, berücksichtigt werden müssen. Diese Faktoren können sich gegenseitig sehr stark beeinflussen.

Wird beispielsweise ein kleiner Lautsprecher in ein sehr großes Gehäuse eingebaut, kann er sich frei bewegen, so dass die Resonanzfrequenz des Systems (Lautsprecher plus Gehäuse) wahrscheinlich mit der Eigenresonanz des Lautsprechers in freier Luft übereinstimmt. Wird jedoch ein Lautsprecher in ein kleines, dicht verschlossenes Gehäuse eingebaut, wirkt die Luft darin wie eine mechanische Feder, die mit der Lautsprechermembran interagiert und die Resonanzfrequenz des Systems beeinflusst. Es gibt weitere Wechselwirkungen, wie z. B. die nichtlinearen elektrischen Antriebseigenschaften, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen, um eine effiziente Konstruktion zu erreichen.

In Anbetracht dieser Komplexität besteht die beste Vorgehensweise bei jeder Art von Audiodesign oft darin, einige Prototypen zu bauen, ihre Eigenschaften zu messen und sie dann so anzupassen, dass sie mit der gewählten Audioquelle das beste Ergebnis erzielen. Dieser auf Prototypen basierende Ansatz kann Entwicklern auch dabei helfen, die Tatsache zu verstehen und zu kompensieren, dass die Eigenschaften der Komponenten innerhalb der Fertigungstoleranzen variieren und die Gehäusegeometrien und -steifigkeiten Produktionsschwankungen unterworfen sind. Ein handgefertigter Lautsprecher, der mit den besten Komponenten aus einer Charge bestückt ist, erreicht oft eine Leistung, die mit Massenproduktionstechniken und Standardkomponenten nur schwer möglich ist.

Gehäuse, insbesondere für Lautsprecher, müssen auch so konstruiert sein, dass sie genügend Platz bieten, damit sich die erzeugte Audioenergie ungedämpft entfalten kann. Eine geringfügige Verringerung des Schalldruckpegels um 3 dB, die durch die Gehäuseabdeckung oder -materialien verursacht wird, führt zu einer Halbierung der Ausgangsschallleistung. In dem Blogbeitrag „How to Design a Micro Speaker Enclosure“ (Entwurf von Mikro-Lautsprechergehäusen) von Same Sky wird dies ausführlicher beschrieben.

Insgesamt ist es wichtig, den Frequenzgang einer Audiokomponente über das gesamte Spektrum zu betrachten und ihre Leistung bei den Frequenzen zu nutzen, die auf beiden Seiten ihrer Resonanzfrequenzspitze liegen. Da die Resonanzfrequenz weder eine exakte Zahl noch notwendigerweise ein sehr schmales Band ist, insbesondere bei Lautsprechern, ist es wahrscheinlich, dass es einen nutzbaren Frequenzgang gibt, den Entwickler auf beiden Seiten des im Datenblatt angegebenen Spitzenwertes ausnutzen können. Die Idee ist, den Ausgangsschalldruckpegel und die Frequenz für eine bestimmte Eingangsleistung zu optimieren. Um dies zu erreichen, sollte der Lautsprecher bei seiner Resonanzfrequenz und bei Frequenzen innerhalb seiner Resonanzzonen betrieben werden.

Im Datenblatt des Lautsprechers CSS-10246-108 von Same Sky wird beispielsweise eine Resonanzfrequenz von 200 Hz ±40 Hz angegeben, aber das Frequenzgangdiagramm zeigt eine weitere Resonanzspitze bei etwa 3,5 kHz. Außerdem gibt es einen Resonanzbereich von etwa 200 Hz bis 3,5 kHz. Entwickler können diese Erkenntnisse nutzen, um ihre Lautsprecherwahl auf ihre Anwendung abzustimmen.

Abbildung 4: Frequenzgang des Lautsprechers CSS-10246-108 (Bildquelle: Same Sky)

Ein weiteres Beispiel ist der Magnetwandler-Summer CMT-4023S-SMT-TR von Same Sky, dessen Datenblatt eine Resonanzfrequenz von 4.000 Hz angibt. Dies wird durch das nachstehende Frequenzgangdiagramm des Summers bestätigt. Zur Vereinfachung von Resonanzproblemen sind Summer auch als akustische Anzeiger erhältlich, die über eine integrierte Treiberschaltung verfügen. Da ihr Betrieb auf eine feste Nennfrequenz eingestellt ist, benötigen diese intern angesteuerten Komponenten kein Frequenzgangdiagramm, da sie so konzipiert sind, dass sie den Schalldruckpegel in ihrem festgelegten Frequenzfenster maximieren.

Abbildung 5: Frequenzgang des Magnetwandler-Summers CMT-4023S-SMT-TR (Bildquelle: Same Sky)

Fazit:

Bei der Entwicklung eines Audiogeräts für eine Anwendung müssen Ingenieure die Resonanzfrequenz des Geräts berücksichtigen, um sicherzustellen, dass es den höchsten Schalldruckpegel erzeugt, ohne unerwünschte Vibrationen zu verursachen. Das bedeutet, dass die vom Hersteller gelieferten Daten, insbesondere die Resonanzfrequenz, als Ausgangspunkt für einen Entwurf verwendet werden und der Entwurf dann in der Resonanzzone, die um diesen Wert herum existiert, optimiert wird. Nach Fertigstellung eines ersten Entwurfs sollten Prototypen verwendet werden, um zu prüfen, ob die Art und Weise, wie das Audiogerät mit seinem Gehäuse und seiner Befestigung interagiert, der geplanten Leistung entspricht. Same Sky bietet eine Reihe von Audiolösungen über das gesamte Frequenzspektrum hinweg an, um Ingenieuren zu helfen, die richtige Komponente für ihre Aufgabe zu finden.