In questo blog parleremo delle frequenze audio e dei vari subset, nonché del modo in cui influiscono sulla progettazione di alloggiamenti audio per garantire un intervallo audio adeguato per la tua progettazione.
Nonostante la vasta gamma di applicazioni, i sistemi audio di tutti i tipi spesso faticano a bilanciare costo, dimensioni e qualità. In questo processo è fondamentale garantire che il sistema sia in grado di riprodurre l'intera gamma di frequenze audio necessarie. Questo blog di Same Sky fornisce informazioni sulle diverse frequenze audio, sui relativi subset e sul modo in cui influiscono sulla progettazione di alloggiamenti audio. Scopri di più su quando sono necessarie o meno gamme audio diverse in un'applicazione finale per garantire la corretta selezione dell'altoparlante, del microfono o del buzzer e massimizzare le prestazioni del sistema audio.
Quando si progetta un sistema audio, che sia per uso residenziale, applicazioni automobilistiche o dispositivi portatili/integrati, è fondamentale trovare un equilibrio tra costo, dimensioni e qualità audio. La qualità audio dipende da diversi fattori, in particolare dalla capacità del sistema di riprodurre un ampio spettro di frequenze. L'articolo illustra queste gamme di frequenza e i relativi subset, evidenziando il modo in cui influiscono sulla progettazione di alloggiamenti audio. Chiarisce inoltre la necessità di diverse gamme audio nelle varie applicazioni.
La gamma di frequenze audio tipica va da 20 Hz a 20.000 Hz, anche se molti individui non riescono a sentire l'intero spettro e questa gamma spesso diminuisce con l'età. Nella musica, ogni ottava corrisponde al raddoppio della frequenza. Ad esempio, la nota più bassa di un pianoforte, il La, risuona a circa 27 Hz, mentre la nota più alta, il Do, raggiunge circa 4186 Hz.
Oltre a queste frequenze primarie, quasi tutte le sorgenti sonore generano frequenze armoniche, che sono multipli di frequenze più alte ma con ampiezze ridotte. Ad esempio, la nota "La" a 27 Hz su un pianoforte genera armoniche più deboli, come 54 Hz e 81 Hz. Queste armoniche sono fondamentali per i sistemi di altoparlanti ad alta fedeltà che mirano a riprodurre la sorgente sonora originale.
Nello spettro delle frequenze audio che va da 20 Hz a 20 kHz, esistono sette sottoinsiemi distinti di frequenze. Questi sottoinsiemi sono fondamentali per orientare la progettazione di sistemi studiati appositamente per scopi di registrazione o riproduzione.
| Sottoinsieme di frequenza | Gamma di frequenza | Descrizione |
|---|---|---|
| Sub-bassi | Da 16 a 60 Hz | Questo è l'intervallo musicale basso: un contrabbasso, una tuba o un basso elettrico, all'estremità inferiore, rientra in questa categoria |
| Basso | Da 60 a 250 Hz | Questa è la normale gamma vocale del parlato |
| Gamma medio-bassa | Da 250 a 500 Hz | Nella gamma medio-bassa si trovano i tipici ottoni e i legni medi, come il sassofono contralto e la gamma media del clarinetto. |
| Gamma media | Da 500 Hz a 2 kHz | Nonostante il nome, la gamma media si trova nella fascia più alta delle frequenze fondamentali prodotte dalla maggior parte degli strumenti musicali. Qui si possono trovare strumenti come il violino e l'ottavino |
| Gamma medio-alta | Da 2 a 4 kHz | Come già detto, le armoniche sono multipli della frequenza fondamentale, quindi se le fondamentali di una tromba si trovano nella gamma medio-bassa, le armoniche saranno 2 volte, 3 volte e 4 volte la fondamentale e quindi si troveranno in questa gamma. |
| Presenza | Da 4 a 6 kHz | Qui si trovano gli armonici per violino e ottavino |
| Brillantezza | Da 6 a 20 kHz | Al di sopra dei 6 kHz i suoni diventano più simili a fischi e sibili, perché sono molto acuti. In questa gamma si trovano suoni sibilanti (il fischio indesiderato quando a volte si pronuncia una "s") e armonici per alcuni suoni percussivi come i piatti. |
Un metodo efficace per osservare come altoparlanti, cicalini o microfoni riproducono diverse frequenze è attraverso un grafico della risposta in frequenza. In genere, i buzzer presentano una gamma di frequenza più ristretta poiché emettono principalmente toni udibili, mentre gli altoparlanti offrono una gamma più ampia per riprodurre accuratamente suoni e voci.
Per altoparlanti, buzzer e dispositivi in uscita simili, l'asse y di un grafico della risposta in frequenza misura i dB SPL (decibel del livello di pressione sonora), che indicano la rumorosità. Al contrario, per i microfoni che rilevano il suono anziché emetterlo, l'asse y misura la sensibilità in dB. È importante notare che l'asse x rappresenta la frequenza su scala logaritmica e, poiché l'asse y indica dB SPL, questo grafico si riferisce a un altoparlante o a un dispositivo di uscita simile. Ricorda che i valori dB sono logaritmici, quindi entrambi gli assi operano su una scala logaritmica.
Questo grafico illustra i dB SPL prodotti con una potenza in ingresso costante su diverse frequenze. In questo caso, l'uscita rimane relativamente costante, con un calo notevole al di sotto dei 70 Hz e un calo più graduale al di sopra dei 20 kHz. Questo indica che il dispositivo audio, con una potenza in ingresso uniforme, mantiene un livello di pressione sonora simile tra 70 Hz e 20 kHz, ma presenta livelli di pressione sonora inferiori al di fuori di questa gamma.
I grafici della risposta in frequenza possono anche rappresentare picchi positivi e negativi più pronunciati, che indicano le aree in cui la risonanza amplifica o sopprime l'uscita. Prendendo l'altoparlante CSS-50508N di Same Sky come esempio, la figura seguente illustra un tipico profilo di altoparlante. Secondo la scheda tecnica, la frequenza di risonanza è di 380 Hz ±76 Hz, corrispondente al picco iniziale, seguito da un calo significativo tra 600 e 700 Hz. Tuttavia, la risposta rimane piatta tra 800 Hz e 3 kHz. Date le sue dimensioni compatte di 41 mm x 41 mm, si prevede che questo altoparlante possa riprodurre meglio le frequenze più alte rispetto a quelle più basse, come mostrato nel grafico. I progettisti possono sfruttare queste informazioni per fare in modo che l'altoparlante soddisfi i requisiti di riproduzione della frequenza previsti.
Per la scelta e la progettazione degli alloggiamenti è fondamentale comprendere le basi della frequenza audio. La gamma di frequenze audio influenza notevolmente vari aspetti della progettazione dell'involucro. Ecco come fare:
Dimensioni dell'altoparlante e dell'alloggiamento
Gli altoparlanti più piccoli possono muoversi più velocemente, il che consente loro di produrre frequenze più alte con maggiore precisione, riducendo al minimo le armoniche indesiderate. Come illustra il blog di Same Sky sulla progettazione di alloggiamenti per micro-altoparlanti, gli altoparlanti più piccoli richiedono anche alloggiamenti più piccoli, con conseguente risparmio di spazio e riduzione dei costi dei materiali.
Tuttavia, per ottenere gli stessi dB SPL a frequenze molto basse, è necessario un diaframma più grande per spostare una quantità sufficiente di aria. Ciò è dovuto alla difficoltà intrinseca di spostare abbastanza aria da eguagliare i dB SPL percepiti alle frequenze più alte. La buona notizia è che il peso maggiore di un diaframma più grande è meno problematico alle frequenze più basse, dove il movimento è più lento.
Risonanza
La maggior parte degli oggetti ha una frequenza di risonanza, ovvero la frequenza naturale alla quale vibrano. Ad esempio, una corda di chitarra vibra alla sua frequenza di risonanza quando viene pizzicata. Se si suona questa frequenza con un altoparlante vicino alla corda, questa inizierà a vibrare e ad amplificarsi nel tempo. Questo fenomeno si verifica anche con altri oggetti, provocando rumori e ronzii indesiderati negli oggetti circostanti. Il blog di Same Sky su risonanza e frequenza di risonanza approfondisce questo argomento.
Quando si progetta un involucro, è fondamentale assicurarsi che non abbia una frequenza di risonanza naturale compresa nello stesso intervallo dell'uscita audio prevista. In caso contrario, l'altoparlante produrrà un'uscita non lineare e armoniche indesiderate. Tuttavia, in alcune applicazioni, è auspicabile controllare o ampliare l'intervallo di risonanza di una scatola.
Materiali
La progettazione di altoparlanti e microfoni richiede un preciso equilibrio di componenti che devono rimanere fermi ed essere flessibili, nonché restare rigidi durante il movimento. Per gli altoparlanti, il cono o il diaframma devono essere estremamente leggeri per garantire una risposta rapida, ma sufficientemente rigidi per evitare deformazioni. I materiali più comuni utilizzati negli altoparlanti Same Sky sono carta e plastica. Entrambi i materiali sono eccezionalmente leggeri e rigidi, ma la plastica resiste anche all'umidità. Inoltre, la gomma che collega il diaframma al telaio deve essere sufficientemente resistente da sopportare movimenti estremi senza rompersi, pur rimanendo flessibile per evitare di interferire con il movimento del cono.
Questo compromesso tra sensibilità, gamma di frequenza, robustezza e intervallo SPL si applica anche ai materiali dei microfoni. La gamma di microfoni spazia dai semplici microfoni elettrete o MEMS, che offrono frequenza e sensibilità sufficienti ma limitate, ai microfoni a nastro, noti per la loro eccezionale sensibilità e gamma di frequenza. Tuttavia, i microfoni a nastro sono estremamente fragili e non adatti a molti strumenti a percussione; devono essere maneggiati con cura e trasportati con una custodia per evitare danni al diaframma.
Questi compromessi, insieme ai costi dei materiali, variano a seconda delle diverse gamme audio. Gli altoparlanti di gamma bassa non danno molta importanza al peso del cono, ma necessitano di sospensioni in grado di effettuare movimenti più ampi.
Anche il materiale utilizzato per una cassa incide sulla risonanza e sull'assorbimento acustico. Quando si progetta un involucro, il cui scopo principale è quello di smorzare il suono posteriore fuori fase, gli ingegneri hanno bisogno di materiali che assorbano efficacemente il suono. Ciò è particolarmente importante per i suoni a bassa frequenza, che sono più difficili da smorzare.
È importante sottolineare che pochissimi sistemi, e nessun altoparlante o alloggiamento singolo, può riprodurre l'intera gamma audio ad alta fedeltà. In particolare, le frequenze estreme richiedono altoparlanti e cabinet specializzati. Per una riproduzione del suono davvero accurata, è essenziale disporre di una serie bilanciata di altoparlanti su tutte le gamme, ciascuno sintonizzato per produrre l'uscita più lineare.
In secondo luogo, la maggior parte delle applicazioni non richiede questo livello di fedeltà e un'uscita lineare potrebbe non essere il risultato desiderato. Ad esempio, un telefono deve coprire solo la gamma vocale umana di base e, anche estendendo la gamma di frequenza per includere le armoniche, non riesce comunque a coprire la gamma compresa tra 20 Hz e 20 kHz. Allo stesso modo, le applicazioni di notifica o di sicurezza richiedono solo un ronzio, un trillo o uno stridio entro un intervallo di frequenza ristretto, ma a livelli SPL variabili. Per questi progetti, la scelta adatta è rappresentata da buzzer o sirene che danno priorità al costo, alle dimensioni, alla potenza e al volume piuttosto che alla gamma di frequenza.
In definitiva, è essenziale comprendere tutti i vincoli di un progetto. Prendere decisioni sui possibili compromessi è un aspetto fondamentale del lavoro di un ingegnere e di un progettista.
Conclusione
La gamma di frequenza audio è un fattore importante da considerare nella progettazione e nella selezione dei componenti di altoparlanti, buzzer, alloggiamenti e microfoni. Una conoscenza approfondita di questa gamma, delle sue implicazioni per la registrazione e la riproduzione e della sua relazione con i limiti fisici delle apparecchiature audio è fondamentale per il processo di progettazione. Same Sky offre un'ampia gamma di componenti audio nonché servizi di progettazione audio, fornendo soluzioni per numerose applicazioni con diversi requisiti di frequenza.
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