作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁
從汽車到家庭再到便攜式設備，音頻無處不在，而且其應用只會越來越廣。當涉及到音頻系統設計時，尺寸、成本和質量是需要考慮的重要因素。影響質量的變化因素很多，但通常歸結為針對給定設計重新構建必要音頻的系統能力。在本文中，我們將了解更多關于音頻范圍及其子集的基礎知識、外殼設計的影響，以及如何根據應用確定其可能需要的音頻范圍。
音頻范圍的基礎知識
20 Hz 至 20,000 Hz 是常用音頻參考范圍。然而，普通人能聽到的音頻不超過 20 Hz 至 20 kHz，而且隨著年齡的增長，這個可探測的范圍還會持續縮小。通過音樂對音頻的理解最為透徹。在音樂中，每一個隨后的八度音都會使頻率翻倍。鋼琴的最低音 A 大約是 27 Hz，而最高音 C 則接近 4186 Hz。除這些常見頻率之外，任何產生聲音的物體或設備也會產生諧波頻率。這些只是在較低振幅下的較高頻率。例如，鋼琴的 27 Hz“A”音也會產生 54 Hz 的諧波，81 Hz 的諧波，以此類推，每個諧波都比上一個更安靜。在需要準確再現音源的高保真揚聲器系統中，諧波將變得尤為重要。
音頻的子集
下表列出了 20 Hz 至 20,000 Hz 頻譜內的七個頻率子集，這有助于定義音頻系統設計中使用的目標范圍。
表 1：音頻子集范圍。（圖片來源：CUI Devices）
頻響圖
頻響圖是直觀了解蜂鳴器、麥克風或揚聲器如何再現各種音頻的好方法。由于蜂鳴器在一般情況下只輸出可聽音調，因此通常具有較窄的頻率范圍。另一方面，揚聲器通常具有更寬的頻率范圍，因為揚聲器通常用來重現聲音和語音。
如揚聲器、蜂鳴器等音頻輸出設備的頻響圖 Y 軸以聲壓級分貝 (dB SPL) 為單位，這根本上是設備的響度。音頻輸入設備的 Y 軸，如麥克風，則是以分貝為單位表示靈敏度，因為它們用于檢測聲音而不是產生聲音。在下面的圖 1 中，X 軸代表頻率的對數刻度，Y 軸以分貝聲壓級列出，因此這是一個音頻輸出設備的圖表。注意，因為 dBs 也是用對數表示，所以兩個軸都用對數表示。
圖 1：基本頻響圖。（圖片來源：CUI Devices）
該圖表示在不同頻率下輸入恒定的功率會產生多少分貝的聲壓級，該圖相對平坦，整個頻譜范圍內的變化最小。除了 70 Hz 以下的部分急劇下降外，該音頻設備在相同輸入功率下，會在 20 Hz 和 70 kHz 范圍內產生穩定的聲壓級。任何低于 70 Hz 的設備都會產生較低的聲壓級 (SPL) 輸出。
例如，CUI Devices 的 CSS-50508N 揚聲器頻響圖（圖 2）較好地說明了更典型的揚聲器屬性。該圖包括不同的峰值和谷值，表示共振加強或減少輸出的點。這款 41 mm × 41 mm 揚聲器的規格書列出了 380 Hz±76 Hz 的共振頻率，可以看作是頻響圖上的第一個主峰值。這在 600 Hz 至 700 Hz 左右迅速下降，但隨后從大約 800 Hz 至 3000 Hz 之間達到穩定的聲壓級性能。由于揚聲器的尺寸，設計者可推測 CSS-50508N 在低頻范圍內的表現不會超過高頻范圍，這一點在圖中得到了證實。通過了解如何以及何時參考頻響圖，設計工程師可以確定揚聲器或其他輸出設備是否能夠再現其目標頻率。
圖 2：CUI Devices 的 CSS-50508N 41 mm x 41 mm 揚聲器頻響圖。（圖片來源：CUI Devices）
音頻范圍和外殼的注意事項
音頻范圍會在幾個方面影響外殼設計，如下文所述。
揚聲器尺寸
與大型揚聲器相比，小尺寸揚聲器的移動速度更快，使其能夠在較少不必要諧波的情況下產生更高的頻率。然而，當試圖在較低頻率下實現類似 SPL 輸出時，就需要更大型的揚聲器膜片來移動足夠的空氣，以便匹配與較高音調相同的感知 dB SPL。雖然較大的振膜要重得多，但在低頻時通常不會造成問題，因為其移動速度很慢。
使用較小還是較大的揚聲器最終將取決于應用需求，但較小的揚聲器通常只需要較小的外殼，以降低成本、節省空間。瀏覽 CUI Devices 的博客，詳細了解如何設計微型揚聲器外殼。
共振頻率
共振頻率代表一個物體的自然振動頻率。撥動吉他琴弦時，琴弦以其共振頻率振動。這就是說，如果將揚聲器放在吉他旁邊并播放琴弦的共振頻率，吉他琴弦就會開始振動，且振幅隨著時間的推移增大。然而，當涉及到音頻時，這種現象也會導致與周圍物體產生不必要的異常聲音。CUI Devices 關于共振及共振頻率的博客就該主題提供了的更多信息。
為了避免揚聲器同時具有非線性輸出和不必要的諧波，在外殼設計中確認自然共振頻率與預期的音頻輸出不在同一頻譜范圍內就顯得尤其重要。
材料權衡
揚聲器和麥克風設計在那些必須在移動期間保持靜止、柔性和剛性的組件之間達到微妙的平衡。揚聲器振膜（或紙盆）應很輕，以便快速響應，同時盡可能保持剛性，以防移動時發生變形。CUI Devices 的揚聲器通常采用重量輕、質地硬的紙和麥拉膜。麥拉膜是塑料的一種，還具有防潮和防濕的優勢。除了膜片外，還采用橡膠連接膜片和框架。為了防止在極端移動情況下發生斷裂，這種材料必須既堅固又柔韌，從而不會限制膜片的移動。
圖 3：揚聲器的基本構造。（圖片來源：CUI Devices）
在比較麥克風技術時也可以看到相同的元器件之間的權衡。駐極體電容式麥克風和 MEMS 麥克風耐用性好、封裝緊湊和功耗低，但頻率和靈敏度更為有限。另一方面，帶狀話筒具有更好的靈敏度和頻率范圍，但同時也犧牲了耐用性。
材料也是外殼設計中的一個重要選擇，會影響聲音的共振和吸收。外殼的主要目標是抑制后方產生的非相位的聲音，這意味著所選材料必須能有效地吸音。這在難以抑制非相位聲音的較低頻聲音應用中尤其關鍵。
結語
歸根結底，音頻系統的數量有限，沒有一個單獨的音頻輸出設備能夠以任何保真度跨越整個音頻頻譜。一般來說，大多數應用不需要這種保真度，而且可能不需要完全的線性輸出。在為一個設計選擇合適的音頻組件時，了解音頻頻率范圍仍將具有重要的作用。有了這種認識，工程師可以更好地在成本、尺寸和性能之間的進行權衡。CUI Devices 提供一系列頻率范圍不同的音頻解決方案，以支持全套應用。 |
