共振音頻系統設計方案解析

　　共振音頻系統設計人員面臨著兩項關鍵挑戰。第一項挑戰是利用揚聲器或蜂鳴器的共振頻率和共振區來產生最大的輸出聲壓級 （SPL）。第二項挑戰是避免共振在音頻器件的音箱和安裝系統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音頻設計的意義，其中包括上方提到的挑戰、共振影響因素、如何理解頻率響應曲線等等。

　　共振和共振頻率基礎知識

　　要了解共振的影響，首先要了解共振的基本特征。當物理對象或電子電路吸收來自初始脈沖的能量并隨后以相同頻率振動時，就會發生共振。不過，如果沒有更多的作用力量，振幅會越來越小。發生共振時的頻率稱為系統的共振頻率，表示為 F0。

　　共振可以出現在多種情況下。吉他就是一個很好的常見例子，它完全通過振動來產生聲音。當演奏者撥動原聲吉他的琴弦時，琴弦振動并將聲能傳遞到樂器的空心木質琴身，使其產生共振并放大所產生的聲音。同樣，如果使用適當頻率的信號激發 LC 濾波器，濾波器就會作為調諧振蕩電路發生共振。在基本無線電中，這種效應可用來捕獲廣播信號，只需通過調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電共振可以用作頻率參考。

　　音頻輸出元器件概覽

　　機械共振的影響因素包括重量，以及將不同質量連接在一起的剛度。對于標準揚聲器，這個質量就是振膜（或音盆），而剛度則取決于連接振膜和框架的懸架的柔性。由于揚聲器的制造方式多種多樣，每種揚聲器類型都可能產生不同的共振頻率。

　　其他導致揚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，且會對重量產生影響。一般來說，更輕、剛性更強的材料和柔性的懸掛部件會形成更高的共振頻率。例如，高頻揚聲器體積小、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，標準揚聲器可擁有 20 Hz 至 20，000 H 的頻率范圍。

圖 1：標準揚聲器結構（圖片來源：CUI Devices）

　　另一種類型的音頻輸出元器件是磁傳感器蜂鳴器。它們將驅動機構與發聲機構分開的方式不同于揚聲器。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，但范圍會縮小。它們通常能產生 2 至 3 kHz 的聲音，額外優點是產生相同聲壓級所需的電流比揚聲器要小。

圖 2：標準磁性蜂鳴器結構（圖片來源：CUI Devices）

　　最后，還有壓電傳感器蜂鳴器。相比于磁性同等產品，在相同電流下，它們能夠更高效地產生更高的聲壓級。蜂鳴器利用壓電效應，通過改變電場，以不同方向使壓電陶瓷元件發生彎曲，從而產生聲波輸出。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品一樣，能夠產生窄頻率范圍的 1 至 5 kHz 高音調噪聲。

圖 3：標準壓電蜂鳴器結構（圖片來源：CUI Devices）

　　共振設計注意事項

　　若要設計能利用共振的揚聲器或蜂鳴器，這是一項復雜的任務，其中需要考慮所需的共振頻率或共振頻率范圍、將使用的揚聲器或蜂鳴器特性，以及封裝揚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，將小型揚聲器安裝在一個非常大的音箱中時，揚聲器能夠自由移動，此時系統（揚聲器加上音箱）的共振頻率可能與在自由空氣中運行的揚聲器的固有共振頻率相同。但是，如果將揚聲器放在一個緊密密封的小型音箱中，內部的空氣將充當機械彈簧，其能與揚聲器音盆相互作用并影響系統的共振頻率。除此之外，還存在其他相互作用，例如非線性電氣驅動特性，這些也必須給予考慮以實現高效設計。

　　鑒于這種復雜性，進行任何種類音頻設計的最佳方式往往是建立一些原型，測量這些原型的特性，然后進行調整，以便在所選擇的音頻信源下產生最佳輸出。這種基于原型的方法還可以幫助設計人員理解和彌補以下現實：元器件特性在制造公差范圍內存在差異，并且音箱幾何形狀和剛度也將受到生產差異的影響。對于基于一批元器件中挑選出的最好元器件手工制作的揚聲器，其所能達到性能通常難以通過大規模生產技術和標準元器件來重現。

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

　　總體而言，務必要查看音頻元器件的全頻譜響應，并利用其在共振頻率峰值任一側頻率上的性能。由于共振頻率不是一個精確的數字，也不一定是一個非常窄的頻帶（對于揚聲器而言尤其如此），因此在規格書中指定的峰值的任一側上，都可能有設計人員可以利用的有用頻率響應。這一概念旨在優化給定輸入功率下的輸出聲壓級和頻率。為了實現這一點，器件應以其共振頻率及其共振區內的頻率進行驅動。

　　例如，CUI Devices 的 CSS-10246-108 揚聲器的規格書顯示其共振頻率為 200 Hz ± 40 Hz，但其頻率響應圖顯示在大約 3.5 kHz 處有另一個共振尖峰。此外，還有一個大約 200 Hz 至 3.5 kHz 的共振區。設計人員可以利用這些信息，為其應用選擇相匹配的揚聲器。

圖 4：CSS-10246-108 揚聲器頻率響應曲線（圖片來源：CUI Devices）

　　再如，CUI Devices 的 CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的規格書中列出 4000 Hz 的共振頻率。這一點可以通過下面的蜂鳴器頻率響應圖得到證實。另外，為了簡化共振問題，蜂鳴器也可作為內置驅動電路的音頻指示器使用。由于它們的運行設置為固定的額定頻率，因此這些內部驅動的器件不需要頻率響應圖，原因是它們設計用于在其指定頻率窗口中實現最大的聲壓級。

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

　　總結

　　在為應用設計音頻器件時，工程師必須考慮器件的共振頻率，以確保它產生最大的聲壓級，而不會引起不必要的振動。這意味著使用供應商提供的數據（特別是共振頻率）作為設計起點，然后在這個值周圍存在的共振區內進行設計優化。一旦初步設計完成，應使用原型來檢查音頻器件與其音箱和安裝部件的互動方式是否符合設計的性能。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的元器件。