Ce blog traite des fréquences audio et de leurs différents sous-ensembles, ainsi que de leur impact sur la conception des enceintes audio afin de garantir une plage audio appropriée pour votre conception.
Malgré une gamme diversifiée d'applications, les systèmes audio de tous types ont souvent du mal à équilibrer le coût, la taille et la qualité. Il est essentiel dans ce processus de garantir la capacité du système à produire toute la gamme de fréquences audio nécessaires. Dans ce blog de Same Sky, découvrez les différentes fréquences audio, leurs sous-ensembles et la façon dont elles affectent la conception des enceintes audio. Apprenez-en plus sur la nécessité ou non d’utiliser différentes plages audio dans une application finale afin de sélectionner correctement le haut-parleur, le microphone, ou l’avertisseur et de maximiser les performances de votre système audio.
Lors de la conception d'un système audio, qu'il soit destiné à un usage résidentiel, à des applications automobiles ou à des appareils embarqués/portables, il est essentiel de trouver un équilibre entre le coût, la taille et la qualité audio. La qualité audio dépend de plusieurs facteurs, notamment de la capacité du système à reproduire un large spectre de fréquences. Cet article explore ces plages de fréquences et leurs sous-ensembles, en soulignant leur influence sur la conception des enceintes audio. Il clarifie également la nécessité d’utiliser différentes plages audio dans diverses applications.
La gamme de fréquences audio typique s’étend de 20 Hz à 20 000 Hz, bien que de nombreuses personnes n’entendent pas l’intégralité du spectre et que cette gamme diminue souvent avec l’âge. En musique, chaque octave correspond à un doublement de fréquence. Par exemple, la note la plus basse d'un piano, un La, résonne à environ 27 Hz, tandis que la note la plus haute, un Do, atteint environ 4 186 Hz.
En plus de ces fréquences primaires, pratiquement toutes les sources sonores génèrent des fréquences harmoniques, qui sont des multiples de fréquences plus élevées mais à des amplitudes réduites. Par exemple, la note « La » de 27 Hz sur un piano génère des harmoniques plus faibles comme 54 Hz et 81 Hz. Ces harmoniques sont cruciales pour les systèmes de haut-parleurs haute fidélité visant à reproduire la source sonore originale.
Dans le spectre de fréquences audio allant de 20 Hz à 20 kHz, il existe sept sous-ensembles distincts de fréquences. Ces sous-ensembles sont essentiels pour guider la conception de systèmes adaptés à des fins d’enregistrement ou de lecture.
| Sous-ensemble de fréquence | Plage de fréquence | Description |
|---|---|---|
| Sub-basse | 16 à 60 Hz | Il s’agit de la plage musicale basse : une basse droite, un tuba, une guitare basse, à l’extrémité inférieure, entrent dans cette catégorie. |
| Basse | 60 à 250 Hz | Il s’agit de la gamme vocale normale de la voix |
| Milieu de gamme grave | 250 à 500 Hz | Dans le milieu de gamme grave se trouvent les instruments de cuivre typiques, et les instruments à vent-moyens, comme le saxophone alto et la plage moyenne d’une clarinette. |
| Milieu de gamme inférieur | 500 Hz à 2 kHz | Le nom peut être « milieu de gamme », mais il se situe à l’extrémité supérieure des fréquences fondamentales créées par la plupart des instruments de musique. Ici, on peut trouver des instruments comme le violon et le piccolo |
| Médium supérieur | 2 à 4 kHz | Comme mentionné, les harmoniques sont à des multiples de la fréquence fondamentale, donc si l’on s’attend à ce que les fondamentales d’une trompette soient dans la gamme moyenne inférieure, on peut s’attendre à ce que l’harmonique soit à 2 fois, 3 fois et 4 fois cette fondamentale, ce qui les placerait dans cette gamme. |
| Présence | 4 à 6 kHz | Les harmoniques pour le violon et le piccolo se trouvent ici |
| Brillance | 6 à 20 kHz | Au-dessus de 6 kHz, les sons ressemblent davantage à des gémissements et à des sifflements parce qu’ils sont très aigus. Dans cette gamme, on trouve des sons sifflants (le sifflement indésirable lorsqu'on prononce parfois un « s ») et des harmoniques pour certains sons percussifs comme les cymbales. |
Une méthode efficace pour observer comment les haut-parleurs, les buzzers ou les microphones reproduisent différentes fréquences consiste à utiliser un graphique de réponse en fréquence. En général, les buzzers présentent une gamme de fréquences plus étroite car ils émettent principalement des sons audibles, tandis que les haut-parleurs offrent une gamme plus large pour reproduire avec précision les sons et les voix.
Pour les haut-parleurs, les avertisseurs et les dispositifs de sortie similaires, l’axe des y d’un diagramme de réponse de fréquence mesure les dB SPL (décibels de niveau de pression sonore), ce qui indique l’intensité sonore. En revanche, pour les microphones qui détectent le son plutôt que de l'émettre, l'axe des y mesure la sensibilité en dB. Il est important de noter que l’axe des x représente la fréquence sur une échelle logarithmique, et comme l’axe des y indique les dB SPL, ce graphique se rapporte à un haut-parleur ou à un dispositif de sortie similaire. N'oubliez pas que les valeurs en dB sont logarithmiques, les deux axes fonctionnent donc sur une échelle logarithmique.
Ce graphique illustre le niveau de pression acoustique (SPL) en dB produit avec une puissance d’entrée constante sur différentes fréquences. Dans ce cas, le rendement reste relativement constant avec une baisse notable en dessous de 70 Hz et une diminution plus douce au-dessus de 20 kHz. Cela indique que le périphérique audio, sous une puissance d'entrée uniforme, maintient un niveau de pression acoustique similaire entre 70 Hz et 20 kHz, mais présente des niveaux de pression acoustique inférieurs en dehors de cette plage.
Les graphiques de réponse de fréquence peuvent également décrire des pics et des creux plus prononcés, indiquant les zones où la résonance amplifie ou supprime la sortie. Par exemple, en utilisant le haut-parleur CSS-50508N de Same Sky, la figure ci-dessous illustre un profil de haut-parleur typique. Selon la fiche technique, la fréquence de résonance est de 380 Hz ±76 Hz, en corrélation avec le pic initial, suivi d’une chute significative entre 600 et 700 Hz. Cependant, la réponse reste plate entre 800 Hz et 3 kHz. Compte tenu de sa taille compacte de 41 mm x 41 mm, on s'attend à ce que ce haut-parleur puisse reproduire les fréquences plus élevées mieux que les fréquences plus basses, comme le montre le graphique. Les ingénieurs concepteurs peuvent exploiter ces informations pour s’assurer que le haut-parleur répond aux exigences de reproduction des fréquences prévues.
Il est essentiel de comprendre les principes fondamentaux de la fréquence audio lorsqu’il s’agit de choisir et de concevoir une enceinte. La plage de fréquences audio influence de manière significative divers aspects de la conception des enceintes. Voici comment :
Taille du haut-parleur et de l’enceinte
Les petits haut-parleurs peuvent se déplacer plus rapidement, ce qui leur permet de produire des fréquences plus élevées avec une plus grande précision tout en minimisant les harmoniques indésirables. Comme indiqué dans le blog de Same Sky sur la conception d’enceintes pour micro-haut-parleurs, les enceintes plus petites nécessitent également des enceintes plus petites, ce qui permet d’économiser de l’espace et de réduire les coûts des matériaux.
Cependant, pour obtenir le même niveau de pression acoustique (SPL) à très basses fréquences, un diaphragme plus grand est nécessaire pour déplacer suffisamment d'air. Cela est dû à la difficulté inhérente à déplacer suffisamment d’air pour correspondre au niveau sonore perçu des fréquences plus élevées. La bonne nouvelle est que le poids accru d’un diaphragme plus grand est moins problématique aux fréquences plus basses, où le mouvement est plus lent.
Résonance
La plupart des objets ont une fréquence de résonance, c’est-à-dire la fréquence naturelle à laquelle ils vibrent. Par exemple, une corde de guitare vibre à sa fréquence de résonance lorsqu’elle est pincée. Si vous jouez cette fréquence avec un haut-parleur près de la corde, elle commencera à vibrer et à s'amplifier avec le temps. Ce phénomène se produit également avec d’autres objets, provoquant des cliquetis et des bourdonnements indésirables dans les objets environnants. Le blog de Same Sky sur la résonance et la fréquence de résonance approfondit ce sujet.
Lors de la conception d'un boîtier, il est essentiel de s'assurer qu'il n'a pas de fréquence de résonance naturelle dans la même plage que la sortie audio attendue. Dans le cas contraire, le haut-parleur produira une sortie non linéaire et des harmoniques indésirables. Cependant, dans certaines applications, il est souhaitable de contrôler ou d’élargir la plage de résonance d’un boîtier.
Matériaux
La conception de haut-parleurs et de microphones nécessite un équilibre précis entre des composants qui doivent rester immobiles, fléchir et rester rigides en mouvement. Pour les haut-parleurs, le cône ou le diaphragme doit être extrêmement léger pour garantir une réponse rapide, mais suffisamment rigide pour éviter toute déformation. Les matériaux les plus couramment utilisés dans les enceintes Same Sky sont le papier et le plastique. Les deux matériaux sont exceptionnellement légers et rigides, mais le plastique résiste également à l’humidité. De plus, le caoutchouc reliant le diaphragme au cadre doit être suffisamment solide pour supporter des mouvements extrêmes sans se casser tout en restant souple pour éviter d'interférer avec le mouvement du cône.
Ce compromis entre sensibilité, gamme de fréquences, robustesse et gamme SPL s’applique également aux matériaux des microphones. Les microphones vont des simples microphones électret ou MEMS, qui offrent une fréquence et une sensibilité suffisantes mais limitées, aux microphones à ruban, connus pour leur sensibilité et leur gamme de fréquences exceptionnelles. Cependant, les microphones à ruban sont extrêmement fragiles et inadaptés à de nombreux instruments à percussion ; ils doivent être manipulés avec précaution et transportés avec une housse pour éviter d'endommager le diaphragme.
Ces compromis, ainsi que les coûts des matériaux, varient selon les plages audio. Les haut-parleurs de gamme inférieure ne privilégient pas autant le poids du cône, mais nécessitent des suspensions capables de mouvements plus importants.
Le matériau utilisé pour l’enceinte a également un impact sur la résonance et l’absorption du son. Lors de la conception d’une enceinte, dont l’objectif principal est d’atténuer le son arrière déphasé, les ingénieurs ont besoin de matériaux qui absorbent efficacement le son. Ceci est particulièrement important pour les sons de basse fréquence, qui sont plus difficiles à atténuer.
Il est important de reconnaître que très peu de systèmes, et aucun haut-parleur ou enceinte unique, peuvent restituer l’intégralité de la plage audio avec une grande fidélité. Les fréquences extrêmes, en particulier, nécessitent des haut-parleurs et des enceintes spécialisés. Pour une reproduction sonore vraiment précise, il est essentiel de disposer d’un ensemble équilibré de haut-parleurs dans toutes les plages, chacun étant réglé pour produire la sortie la plus linéaire.
Deuxièmement, la plupart des applications ne nécessitent pas ce niveau de fidélité et une sortie linéaire peut ne pas être le résultat souhaité. Par exemple, un téléphone ne doit couvrir que la plage vocale humaine de base, et même en élargissant la plage de fréquences pour tenir compte des harmoniques, il reste en deçà de la plage de 20 Hz à 20 kHz. De même, les applications de notification ou de sécurité ne nécessitent qu’un bourdonnement, un gazouillis ou un cri strident dans une plage de fréquence étroite mais à des niveaux de pression sonore variables. Pour ces conceptions, les buzzers ou les sirènes, qui privilégient le coût, la taille, la puissance et le volume sonore par rapport à la gamme de fréquences, sont un choix approprié.
En fin de compte, il est essentiel de comprendre l’ensemble des contraintes d’un projet. Prendre des décisions sur les compromis est un aspect essentiel du métier d’ingénieur et de concepteur.
Conclusion
La plage de fréquences audio est un facteur important dans la conception et la sélection des composants des haut-parleurs, des avertisseurs, des enceintes et des microphones. Une compréhension fondamentale de cette gamme, de ses implications pour l’enregistrement et la reproduction, et de sa relation avec les limitations physiques de l’équipement audio est cruciale pour le processus de conception. Same Sky propose une grande variété de composants audio ainsi que des services de conception audio, pour offrir des solutions pour de nombreuses applications avec diverses exigences de fréquence.
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