Uno sguardo ai campi di frequenza audio e ai componenti audio

Dalle auto alle case ai dispositivi portatili, l'audio è ovunque e le sue applicazioni non fanno che crescere. Quando si tratta di progettare un sistema audio, le dimensioni, il costo e la qualità sono fattori importanti da considerare. La qualità è influenzata da molte variabili, ma tipicamente si riduce alla capacità di un sistema di ricreare le frequenze audio necessarie per un dato progetto. In questo articolo, conoscerete tutto ciò che c'è da sapere sulle basi del campo di frequenza audio e i suoi sottoinsiemi, l'impatto del design dell'involucro e come determinare i campi di udibilità che potrebbero essere necessari a seconda dell'applicazione.

Nozioni di base sul campo di frequenza audio

Il campo di frequenza tipico va da 20 Hz a 20.000 Hz. Tuttavia, l'uomo mediamente ha una percezione sensoriale minore del campo da 20 Hz a 20 kHz e, con l'età, questo campo udibile continua a ridursi. La frequenza audio risulta chiara nella musica, dove ogni ottava successiva raddoppia la frequenza. La nota più bassa di un pianoforte, La, è di circa 27 Hz, mentre la nota più alta, Do, è vicina ai 4186 Hz. Oltre queste frequenze comuni, qualsiasi oggetto o dispositivo che produce suono produce anche frequenze armoniche. Si tratta semplicemente di frequenze più alte con un'ampiezza inferiore. Ad esempio, la nota "La" di 27 Hz di un pianoforte genera anche un'armonica di 54 Hz, un'armonica di 81 Hz e così via, dove ogni armonica è più bassa della precedente. Le armoniche diventano particolarmente importanti nei sistemi di altoparlanti ad alta fedeltà dove è necessario ricreare accuratamente la sorgente audio.

Sottoinsiemi di frequenza audio

La tabella seguente elenca i sette sottoinsiemi di frequenza all'interno dello spettro da 20 Hz a 20.000 Hz che aiutano a definire i campi target utilizzati nella progettazione di sistemi audio.

Tabella 1: Sottoinsiemi del campo di frequenze audio. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Grafici della risposta in frequenza

I grafici della risposta in frequenza sono un buon modo per visualizzare come un cicalino, un microfono o un altoparlante riprodurrà varie frequenze audio. Poiché i cicalini emettono tipicamente solo un tono udibile, di solito hanno un campo di frequenza ristretto. Per contro, gli altoparlanti supportano generalmente campi di frequenza più ampi perché hanno il compito di ricreare il suono e la voce.

L'asse y di un grafico della risposta in frequenza di dispositivi di uscita audio, come altoparlanti e cicalini, è rappresentato in decibel di livello di pressione sonora (dB SPL), che è fondamentalmente l'intensità di un dispositivo. L'asse y dei dispositivi di ingresso audio, come i microfoni, rappresenta invece la sensibilità in dB, poiché questi rilevano e non producono il suono. Nella Figura 1, l'asse x rappresenta la frequenza su una scala logaritmica e l'asse y rappresenta dB SPL; questo è un grafico per un dispositivo di uscita audio. Nota: poiché anche i dB sono logaritmici, entrambi gli assi sono logaritmici.

Figura 1: Grafico di base della risposta in frequenza (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Rappresentando quanti dB di SPL saranno prodotti con un ingresso di potenza costante a diverse frequenze, questo grafico è relativamente piatto con cambiamenti minimi attraverso lo spettro di frequenza. A parte una brusca caduta sotto i 70 Hz, questo dispositivo audio fornito con la stessa potenza di ingresso produrrebbe un SPL costante tra 70 Hz e 20 kHz. Qualsiasi cosa sotto i 70 Hz produrrebbe meno SPL in uscita.

Il grafico della risposta in frequenza per l'altoparlante CSS-50508N di Same Sky (Figura 2) è un ottimo esempio di un tipico profilo. Questo grafico include vari picchi e valli che denotano i punti in cui la risonanza aumenta o riduce l'uscita. La scheda tecnica di questo altoparlante di 41 x 41 mm indica una frequenza di risonanza di 380 Hz ± 76 Hz, osservabile dal primo picco principale sul grafico. Questo cade rapidamente a circa 600-700 Hz, ma poi fornisce prestazioni SPL stabili da circa 800 Hz a 3.000 Hz. A causa delle dimensioni dell'altoparlante, un progettista potrebbe presumere che CSS-50508N non si comporti bene alle basse frequenze rispetto alle alte frequenze, fatto confermato dal grafico. Comprendendo come e quando fare riferimento a un grafico della risposta in frequenza, un progettista può confermare se un altoparlante o un altro dispositivo di uscita può riprodurre le frequenze target.

Figura 2: Grafico della risposta in frequenza dell'altoparlante CSS-50508N di 41 x 41 mm di Same Sky. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Considerazioni sul campo di udibilità e sull'involucro

Il campo di udibilità può avere un impatto sul design dell'involucro, come spiegato di seguito.

Dimensione dell'altoparlante

Gli altoparlanti di piccole dimensioni si muovono più velocemente rispetto a quelli più grandi, producendo quindi frequenze più alte con meno armoniche indesiderate. Tuttavia, quando si desidera ottenere una uscita SPL simile a frequenze più basse, è necessario ricorrere a diaframmi più grandi per spostare una quantità d'aria sufficiente per uguagliare lo stesso livello di dB SPL percepito delle altezze tonali superiori. Anche se i diaframmi più grandi sono molto più pesanti, questo di solito non crea problemi alle basse frequenze, perché si muovono molto più lentamente.

Decidere tra un altoparlante più piccolo o più grande dipenderà in definitiva dai requisiti dell'applicazione, ma gli altoparlanti più piccoli in genere hanno un involucro più piccolo, che può ridurre i costi e risparmiare spazio. Per saperne di più, leggete il blog di Same Sky su Come progettare un involucro per microaltoparlanti.

Frequenza di risonanza

La frequenza di risonanza rappresenta la frequenza alla quale un oggetto vuole vibrare naturalmente. Le corde della chitarra vibrano alla loro frequenza di risonanza quando sono pizzicate, il che significa che se un altoparlante fosse posto vicino a una corda di chitarra che suona alla sua frequenza di risonanza, la corda comincerebbe a vibrare e aumenterebbe di ampiezza nel tempo. Tuttavia, quando si tratta di audio, questo stesso fenomeno può portare a ronzii indesiderati con gli oggetti circostanti. Il blog di Same Sky sulla Risonanza e frequenza risonante fornisce ulteriori informazioni su questo argomento.

Per evitare di avere un altoparlante con una uscita non lineare e armoniche indesiderate, nella progettazione diventa importante confermare che la cassa non abbia una frequenza di risonanza naturale nello stesso spettro dell'uscita audio prevista.

Compromessi dei materiali

Il design degli altoparlanti e dei microfoni è un delicato equilibrio tra componenti che devono rimanere fermi, flessibili e rigidi durante il movimento. Il diaframma (o cono) di un altoparlante dovrebbe essere leggero per consentire una risposta rapida, pur rimanendo il più rigido possibile per evitare le deformazioni quando si muove. Gli altoparlanti di Same Sky usano comunemente carta e mylar, entrambi materiali leggeri e rigidi. Come tipo di plastica, il mylar ha anche il vantaggio di essere resistente all'umidità. Oltre al diaframma, è usata la gomma per collegare il diaframma al telaio. Per evitare rotture dovute a movimenti estremi, questo materiale deve essere resistente ma anche flessibile per non limitare il movimento del diaframma.

Figura 3: Costruzione di base di un altoparlante (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Questi stessi compromessi esistono anche quando si confrontano le tecnologie dei microfoni. I microfoni a condensatore a elettrete e i microfoni MEMS offrono agli utenti durata, contenitori compatti e bassa potenza, ma con frequenza e sensibilità più limitate. D'altro canto, i microfoni a nastro offrono migliore sensibilità e campo di frequenza a discapito di una scarsa durata.

Il materiale è anche una scelta importante nel design dell'involucro, che ha un impatto sia sulla risonanza che sull'assorbimento del suono. L'obiettivo primario di un involucro è quello di smorzare il suono generato all'indietro fuori fase, il che significa che il materiale scelto deve essere efficace ad assorbire il suono. Ciò è cruciale soprattutto nelle applicazioni sonore a bassa frequenza, dove è più difficile da smorzare.

Conclusione

A conti fatti, esiste un numero limitato di sistemi audio e nessun dispositivo di uscita audio individuale che può coprire l'intero spettro audio con qualsiasi livello di fedeltà. In generale, la maggior parte delle applicazioni non richiede questo livello di fedeltà e un'uscita perfettamente lineare non è probabilmente necessaria. Tuttavia, la comprensione del campo di frequenza audio giocherà sempre un ruolo importante nella selezione di un componente audio appropriato per un dato progetto. Con questa comprensione in tasca, gli ingegneri possono soppesare meglio i compromessi tra costi, dimensioni e prestazioni. Same Sky offre una gamma di soluzioni audio con diversi campi di frequenza per supportare un numero esaustivo di applicazioni.