Ein Blick auf den Audiofrequenzbereich und Audiokomponenten

Von Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Devices

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Ob im Auto, zu Hause oder in tragbaren Geräten - Audio ist allgegenwärtig und wird immer häufiger eingesetzt. Wenn es um das Design von Audiosystemen geht, sind Größe, Kosten und Qualität wichtige Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Die Qualität wird von vielen Variablen beeinflusst, hängt aber in der Regel von der Fähigkeit eines Systems ab, die für ein bestimmtes Design erforderlichen Audiofrequenzen wiederzugeben. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Grundlagen des Audiofrequenzbereichs und seine Untergruppen, die Auswirkungen des Gehäusedesigns und wie Sie bestimmen können, welche Audiobereiche je nach Anwendung erforderlich sind.

Grundlagen des Audiofrequenzbereichs

20 Hz bis 20.000 Hz ist der übliche Audiofrequenzbereich. Der durchschnittliche Mensch kann jedoch weniger als diesen Bereich von 20 Hz bis 20 kHz hören, und mit zunehmendem Alter schrumpft dieser wahrnehmbare Bereich weiter. Die Tonfrequenz lässt sich am besten anhand von Musik nachvollziehen, bei der jede weitere Oktave die Frequenz verdoppelt. Der tiefste Ton eines Klaviers, A, liegt bei 27 Hz, der höchste Ton, C, bei 4186 Hz. Außerhalb dieser allgemeinen Frequenzen erzeugt jedes Objekt oder Gerät, das Schall erzeugt, auch harmonische Frequenzen. Dabei handelt es sich einfach um höhere Frequenzen bei geringerer Amplitude. So erzeugt beispielsweise der 27-Hz-Ton "A" eines Klaviers auch einen 54-Hz-Harmonischen, einen 81-Hz-Harmonischen und so weiter, wobei jeder Harmonische leiser ist als der vorherige. Obertöne sind besonders wichtig bei High-Fidelity-Lautsprechersystemen, bei denen eine genaue Wiedergabe der Audioquelle erforderlich ist.

Teilmengen der Tonfrequenz

In der folgenden Tabelle sind die sieben Frequenzuntergruppen innerhalb des Spektrums von 20 Hz bis 20.000 Hz aufgeführt, die bei der Definition der Zielbereiche für die Entwicklung von Audiosystemen hilfreich sind.

Tabelle der Untergruppen des TonfrequenzbereichsTabelle 1: Untergruppen des Audiofrequenzbereichs. (Bildquelle: CUI-Geräte)

Frequenzgangdiagramme

Frequenzgangdiagramme sind eine gute Möglichkeit, um zu veranschaulichen, wie ein Summer, ein Mikrofon oder ein Lautsprecher verschiedene Audiofrequenzen wiedergibt. Da Buzzer in der Regel nur einen hörbaren Ton ausgeben, haben sie in der Regel einen engen Frequenzbereich. Andererseits haben Lautsprecher in der Regel einen größeren Frequenzbereich, da sie in der Regel für die Wiedergabe von Klang und Stimme zuständig sind.

Die y-Achse eines Frequenzgangdiagramms für Audioausgangsgeräte, wie z. B. Lautsprecher und Summer, wird in Dezibel Schalldruckpegel (dB SPL) dargestellt, was im Grunde die Lautstärke eines Geräts angibt. Die y-Achse für Audio-Eingabegeräte, wie z. B. Mikrofone, stellt stattdessen die Empfindlichkeit in dB dar, da sie den Schall erkennen und nicht erzeugen. In der nachstehenden Abbildung 1 stellt die x-Achse die Frequenz auf einer logarithmischen Skala dar, während die y-Achse in dB SPL angegeben ist, so dass es sich um ein Diagramm für ein Audioausgabegerät handelt. Da die dB-Werte ebenfalls logarithmisch sind, sind auch beide Achsen logarithmisch.

Diagramm des BasisfrequenzgangsAbbildung 1: Grundlegendes Frequenzgangdiagramm. (Bildquelle: CUI Devices)

Dieses Diagramm stellt dar, wie viele dB SPL bei einer konstanten Eingangsleistung bei verschiedenen Frequenzen erzeugt werden, und ist relativ flach mit minimalen Änderungen über das Frequenzspektrum. Abgesehen von einem steilen Abfall unterhalb von 70 Hz würde dieses Audiogerät bei gleicher Eingangsleistung einen gleichmäßigen Schalldruckpegel zwischen 70 Hz und 20 kHz erzeugen. Alles, was unter 70 Hz liegt, würde weniger SPL erzeugen.

Das Frequenzgangdiagramm für den Lautsprecher CSS-50508N von CUI Devices (Abbildung 2) ist ein besseres Beispiel für ein typisches Lautsprecherprofil. Dieses Diagramm enthält verschiedene Spitzen und Täler, die die Punkte kennzeichnen, an denen die Resonanz die Leistung entweder verstärkt oder verringert. Das Datenblatt dieses 41 mm x 41 mm großen Lautsprechers gibt eine Resonanzfrequenz von 380 Hz ± 76 Hz an, die als erster Hauptpeak in der Grafik zu sehen ist. Dieser fällt bei etwa 600 bis 700 Hz schnell ab, bietet dann aber eine stabile SPL-Leistung von etwa 800 Hz bis 3.000 Hz. Aufgrund der Größe des Lautsprechers könnte man vermuten, dass der CSS-50508N bei niedrigen Frequenzen schlechter abschneidet als bei hohen, was die Grafik auch bestätigt. Wenn ein Konstrukteur weiß, wie und wann er ein Frequenzgangdiagramm heranzieht, kann er feststellen, ob ein Lautsprecher oder ein anderes Ausgabegerät die Zielfrequenzen wiedergeben kann.

Diagramm des Frequenzgangs des Lautsprechers CSS-50508N von CUI Devices (41 mm x 41 mm)Abbildung 2: Frequenzgangdiagramm für den 41 mm x 41 mm großen Lautsprecher CSS-50508N von CUI Devices. (Bildquelle: CUI Devices)

Überlegungen zum Audiobereich und zum Gehäuse

Der Audiobereich kann das Gehäusedesign auf verschiedene Weise beeinflussen, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Größe der Lautsprecher

Kleinere Lautsprecher bewegen sich im Vergleich zu größeren Lautsprechern schneller, wodurch sie höhere Frequenzen mit weniger unerwünschten Obertönen erzeugen können. Wenn man jedoch versucht, einen ähnlichen Schalldruckpegel bei niedrigeren Frequenzen zu erreichen, sind größere Lautsprechermembranen erforderlich, um genügend Luft zu bewegen, um den gleichen wahrgenommenen Schalldruckpegel wie bei höheren Frequenzen zu erreichen. Größere Membranen sind zwar viel schwerer, aber das ist bei niedrigen Frequenzen, wo sie sich viel langsamer bewegen, normalerweise kein Problem.

Die Entscheidung für einen kleineren oder größeren Lautsprecher hängt letztlich von den Anforderungen der Anwendung ab, aber kleinere Lautsprecher führen in der Regel zu einem kleineren Gehäuse, was die Kosten senken und den Platzbedarf verringern kann. Erfahren Sie mehr im Blog von CUI Devices über die Entwicklung eines Mikro-Lautsprechergehäuses.

Resonanzfrequenz

Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der ein Objekt von Natur aus schwingen möchte. Gitarrensaiten schwingen in ihrer Resonanzfrequenz, wenn sie gezupft werden. Das heißt, wenn ein Lautsprecher neben einer Gitarrensaite platziert wird, die ihre Resonanzfrequenz spielt, beginnt die Gitarrensaite zu schwingen und ihre Amplitude nimmt mit der Zeit zu. Im Audiobereich kann dieses Phänomen jedoch zu unerwünschtem Brummen und Klappern mit umliegenden Gegenständen führen. Der Blog von CUI Devices zum Thema Resonanz und Resonanzfrequenz bietet zusätzliche Informationen zu diesem Thema.

Um zu vermeiden, dass ein Lautsprecher sowohl ein nichtlineares Ausgangssignal als auch unerwünschte Oberwellen aufweist, ist es wichtig, bei der Konstruktion des Gehäuses darauf zu achten, dass die Eigenresonanzfrequenz des Gehäuses nicht im gleichen Spektrum liegt wie das geplante Ausgangssignal.

Kompromisse beim Material

Bei der Konstruktion von Lautsprechern und Mikrofonen geht es um ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Komponenten, die bei Bewegung ruhig, flexibel und starr bleiben müssen. Die Membran (oder der Konus) eines Lautsprechers sollte leicht sein, um eine schnelle Reaktion zu ermöglichen, und gleichzeitig so steif wie möglich sein, um Verformungen zu vermeiden, wenn sie sich bewegt. Bei den Lautsprechern von CUI Devices werden in der Regel Papier und Mylar verwendet, die sowohl leicht als auch starr sind. Als Kunststoff hat Mylar auch den zusätzlichen Vorteil, dass es gegen Feuchtigkeit und Nässe resistent ist. Zusätzlich zur Membrane wird ein Gummi verwendet, um die Membrane mit dem Rahmen zu verbinden. Um zu verhindern, dass das Material bei extremen Bewegungen bricht, muss es sowohl fest als auch biegsam sein, damit die Bewegung der Membran nicht eingeschränkt wird.

Schema der Grundkonstruktion eines LautsprechersAbbildung 3: Grundlegender Aufbau eines Lautsprechers. (Bildquelle: CUI Devices)

Die gleichen Kompromisse sind auch beim Vergleich von Mikrofontechnologien zu beobachten. Elektret-Kondensatormikrofone und MEMS-Mikrofone zeichnen sich durch Langlebigkeit, kompakte Bauform und geringen Stromverbrauch aus, haben aber eine geringere Frequenz und Empfindlichkeit. Andererseits bieten Bändchenmikrofone eine höhere Empfindlichkeit und einen größeren Frequenzbereich, haben aber den Nachteil einer geringeren Haltbarkeit.

Auch das Material spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung des Gehäuses, da es sowohl die Resonanz als auch die Absorption von Schall beeinflusst. Das Hauptziel eines Gehäuses ist es, den phasenverschobenen, nach hinten gerichteten Schall zu dämpfen, was bedeutet, dass das gewählte Material eine gute Schallabsorption aufweisen muss. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen, wo es schwieriger ist, den Schall zu dämpfen.

Fazit:

Letztendlich gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Audiosystemen und kein einzelnes Audio-Ausgabegerät, das das gesamte Audiospektrum mit einem gewissen Grad an Wiedergabetreue abdecken kann. In der Regel werden die meisten Anwendungen diesen Grad an Genauigkeit nicht erfordern, und eine perfekt lineare Ausgabe ist wahrscheinlich nicht erforderlich. Die Kenntnis des Audiofrequenzbereichs spielt jedoch nach wie vor eine wichtige Rolle bei der Auswahl einer geeigneten Audiokomponente für ein Design. Mit diesem Wissen können Ingenieure die Kompromisse zwischen Kosten, Größe und Leistung besser abwägen. CUI Devices bietet eine Reihe von Audiolösungen mit unterschiedlichen Frequenzbereichen an, die eine ganze Reihe von Anwendungen unterstützen.

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Über den Autor

Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Devices

Artikel bereitgestellt von Jeff Smoot von CUI Devices.

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