作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

? ? ? 共振音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著兩項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。第一項(xiàng)挑戰(zhàn)是利用揚(yáng)聲器或蜂鳴器的共振頻率和共振區(qū)來(lái)產(chǎn)生最大的輸出聲壓級(jí) （SPL）。第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是避免共振在音頻器件的音箱和安裝系統(tǒng)中引入的嗡嗡聲和格格聲。雖然共振是人們熟悉的概念，但本文將回顧共振對(duì)音頻設(shè)計(jì)的意義，其中包括上方提到的挑戰(zhàn)、共振影響因素、如何理解頻率響應(yīng)曲線等等。

　　共振和共振頻率基礎(chǔ)知識(shí)

　　要了解共振的影響，首先要了解共振的基本特征。當(dāng)物理對(duì)象或電子電路吸收來(lái)自初始脈沖的能量并隨后以相同頻率振動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。不過，如果沒有更多的作用力量，振幅會(huì)越來(lái)越小。發(fā)生共振時(shí)的頻率稱為系統(tǒng)的共振頻率，表示為 F0。

　　共振可以出現(xiàn)在多種情況下。吉他就是一個(gè)很好的常見例子，它完全通過振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生聲音。當(dāng)演奏者撥動(dòng)原聲吉他的琴弦時(shí)，琴弦振動(dòng)并將聲能傳遞到樂器的空心木質(zhì)琴身，使其產(chǎn)生共振并放大所產(chǎn)生的聲音。同樣，如果使用適當(dāng)頻率的信號(hào)激發(fā) LC 濾波器，濾波器就會(huì)作為調(diào)諧振蕩電路發(fā)生共振。在基本無(wú)線電中，這種效應(yīng)可用來(lái)捕獲廣播信號(hào)，只需通過調(diào)整振蕩電路的電容或電感值，使振蕩電路的共振頻率與廣播頻率相一致。壓電晶體振蕩器中的機(jī)電共振可以用作頻率參考。

　　音頻輸出元器件概覽

　　機(jī)械共振的影響因素包括重量，以及將不同質(zhì)量連接在一起的剛度。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器，這個(gè)質(zhì)量就是振膜（或音盆），而剛度則取決于連接振膜和框架的懸架的柔性。由于揚(yáng)聲器的制造方式多種多樣，每種揚(yáng)聲器類型都可能產(chǎn)生不同的共振頻率。

　　其他導(dǎo)致?lián)P聲器共振頻率不同的因素包括振膜材料、懸架厚度和電磁鐵尺寸。電磁鐵連接至音盆后部，且會(huì)對(duì)重量產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)，更輕、剛性更強(qiáng)的材料和柔性的懸掛部件會(huì)形成更高的共振頻率。例如，高頻揚(yáng)聲器體積小、重量輕，具有剛性的聚酯薄膜音盆和高度柔性的懸掛部件。通過修改這些因素，標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器可擁有 20 Hz 至 20，000 H 的頻率范圍。

圖 1：標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　另一種類型的音頻輸出元器件是磁傳感器蜂鳴器。它們將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與發(fā)聲機(jī)構(gòu)分開的方式不同于揚(yáng)聲器。由于更輕的膜片與框架連接得更牢固，磁傳感器具有更高的正常頻率范圍，但范圍會(huì)縮小。它們通常能產(chǎn)生 2 至 3 kHz 的聲音，額外優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生相同聲壓級(jí)所需的電流比揚(yáng)聲器要小。

圖 2：標(biāo)準(zhǔn)磁性蜂鳴器結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　最后，還有壓電傳感器蜂鳴器。相比于磁性同等產(chǎn)品，在相同電流下，它們能夠更高效地產(chǎn)生更高的聲壓級(jí)。蜂鳴器利用壓電效應(yīng)，通過改變電場(chǎng)，以不同方向使壓電陶瓷元件發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生聲波輸出。這種壓電材料通常具有剛性，而且這些類型的蜂鳴器中使用的元器件都很小很薄。壓電傳感器蜂鳴器與磁性產(chǎn)品一樣，能夠產(chǎn)生窄頻率范圍的 1 至 5 kHz 高音調(diào)噪聲。

圖 3：標(biāo)準(zhǔn)壓電蜂鳴器結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　共振設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　若要設(shè)計(jì)能利用共振的揚(yáng)聲器或蜂鳴器，這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，其中需要考慮所需的共振頻率或共振頻率范圍、將使用的揚(yáng)聲器或蜂鳴器特性，以及封裝揚(yáng)聲器或蜂鳴器的音箱的形狀和尺寸。這些因素彼此之間存在顯著的影響。

　　例如，將小型揚(yáng)聲器安裝在一個(gè)非常大的音箱中時(shí)，揚(yáng)聲器能夠自由移動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)（揚(yáng)聲器加上音箱）的共振頻率可能與在自由空氣中運(yùn)行的揚(yáng)聲器的固有共振頻率相同。但是，如果將揚(yáng)聲器放在一個(gè)緊密密封的小型音箱中，內(nèi)部的空氣將充當(dāng)機(jī)械彈簧，其能與揚(yáng)聲器音盆相互作用并影響系統(tǒng)的共振頻率。除此之外，還存在其他相互作用，例如非線性電氣驅(qū)動(dòng)特性，這些也必須給予考慮以實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。

　　鑒于這種復(fù)雜性，進(jìn)行任何種類音頻設(shè)計(jì)的最佳方式往往是建立一些原型，測(cè)量這些原型的特性，然后進(jìn)行調(diào)整，以便在所選擇的音頻信源下產(chǎn)生最佳輸出。這種基于原型的方法還可以幫助設(shè)計(jì)人員理解和彌補(bǔ)以下現(xiàn)實(shí)：元器件特性在制造公差范圍內(nèi)存在差異，并且音箱幾何形狀和剛度也將受到生產(chǎn)差異的影響。對(duì)于基于一批元器件中挑選出的最好元器件手工制作的揚(yáng)聲器，其所能達(dá)到性能通常難以通過大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)元器件來(lái)重現(xiàn)。

　　音箱（特別是用于揚(yáng)聲器）還必須設(shè)計(jì)有足夠的內(nèi)部空間，以便在沒有衰減的情況下使產(chǎn)生的音頻能量發(fā)揮作用。由音箱覆蓋物或材料引起的 3 dB 輕度聲壓級(jí)降低，將使輸出的聲功率減半。CUI Devices 的“How to Design a Micro Speaker Enclosure”（如何設(shè)計(jì)微型揚(yáng)聲器音箱）博客對(duì)此進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。

　　總體而言，務(wù)必要查看音頻元器件的全頻譜響應(yīng)，并利用其在共振頻率峰值任一側(cè)頻率上的性能。由于共振頻率不是一個(gè)精確的數(shù)字，也不一定是一個(gè)非常窄的頻帶（對(duì)于揚(yáng)聲器而言尤其如此），因此在規(guī)格書中指定的峰值的任一側(cè)上，都可能有設(shè)計(jì)人員可以利用的有用頻率響應(yīng)。這一概念旨在優(yōu)化給定輸入功率下的輸出聲壓級(jí)和頻率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，器件應(yīng)以其共振頻率及其共振區(qū)內(nèi)的頻率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

　　例如，CUI Devices 的 CSS-10246-108 揚(yáng)聲器的規(guī)格書顯示其共振頻率為 200 Hz ± 40 Hz，但其頻率響應(yīng)圖顯示在大約 3.5 kHz 處有另一個(gè)共振尖峰。此外，還有一個(gè)大約 200 Hz 至 3.5 kHz 的共振區(qū)。設(shè)計(jì)人員可以利用這些信息，為其應(yīng)用選擇相匹配的揚(yáng)聲器。

圖 4：CSS-10246-108 揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)曲線（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　再如，CUI Devices 的 CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的規(guī)格書中列出 4000 Hz 的共振頻率。這一點(diǎn)可以通過下面的蜂鳴器頻率響應(yīng)圖得到證實(shí)。另外，為了簡(jiǎn)化共振問題，蜂鳴器也可作為內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路的音頻指示器使用。由于它們的運(yùn)行設(shè)置為固定的額定頻率，因此這些內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的器件不需要頻率響應(yīng)圖，原因是它們?cè)O(shè)計(jì)用于在其指定頻率窗口中實(shí)現(xiàn)最大的聲壓級(jí)。

圖 5：CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的頻率響應(yīng)曲線（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　總結(jié)

　　在為應(yīng)用設(shè)計(jì)音頻器件時(shí)，工程師必須考慮器件的共振頻率，以確保它產(chǎn)生最大的聲壓級(jí)，而不會(huì)引起不必要的振動(dòng)。這意味著使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)（特別是共振頻率）作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，然后在這個(gè)值周圍存在的共振區(qū)內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。一旦初步設(shè)計(jì)完成，應(yīng)使用原型來(lái)檢查音頻器件與其音箱和安裝部件的互動(dòng)方式是否符合設(shè)計(jì)的性能。CUI Devices 提供一系列跨頻譜的音頻解決方案，以幫助工程師找到適合作業(yè)的元器件。