了解音频频率范围和音频元器件

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices

从汽车到家庭再到便携式设备，音频无处不在，它的应用只会越来越广泛。当涉及到音频系统设计时，尺寸、成本和质量是需要考虑的一个重要因素。影响质量的因素有很多，但通常归因于重建给定设计所需音频的系统能力。在本文中，我们将了解更多关于音频范围及其子集的基本知识和外壳设计的影响，以及如何根据应用程序确定所需的音频范围。

音频范围的基础知识

20 Hz 至 20,000 Hz 是常用的音频参考范围。但普通人能听到的音频不超过 20 Hz 至 20 kHz，随着年龄的增长，可探测范围将继续缩小。通过音乐对音频有最彻底的理解。在音乐中，每个接下来的八度音都会使频率翻倍。钢琴的最低音 A 大约是 27 Hz，而最高音 C 接近 4186 Hz。除了这些常见频率外，任何产生声音的物体或设备也会产生谐波频率。这些只是低振幅下的更高频率。例如，钢琴 27 Hz“A声音也会产生 54 Hz 谐波，81 Hz 谐波，以此类推，每个谐波都比上一个更安静。谐波将在需要准确再现音源的高保真扬声器系统中变得尤为重要。

音频的子集

下表列出了 20 Hz 至 20,000 Hz 频谱中的七个频率子集有助于定义音频系统设计中使用的目标范围。

表 1:音频子集范围(图片来源:CUI Devices）

频响图

频率图是直观了解蜂鸣器、麦克风或扬声器如何再现各种音频的好方法。由于蜂鸣器通常只输出听力音调，因此频率范围通常较窄。另一方面，扬声器通常有更广泛的频率范围，因为扬声器通常用于重现声音和声音。

如扬声器、蜂鸣器等音频输出设备的频率图 Y 轴以声压级分贝 (dB SPL) 为单位，这基本上是设备的响度。 音频输入设备Y 轴，如麦克风，以分贝为单位表示灵敏度，因为它们用于检测声音，而不是产生声音。在下图 1 中，X 轴代表频率的对数刻度，Y 轴以分贝声压级列出，因此是音频输出设备的图表。注意，因为 dBs 也用对数表示，所以两个轴都用对数表示。

图片 1:基本频响图。(图片来源:CUI Devices）

图表显示在不同频率下输入恒定功率会产生多少分贝的声压级。图表相对平坦，整个频谱变化最小。除 70 Hz除了以下部分急剧下降外，在相同的输入功率下，音频设备将在 20 Hz 和 70 kHz 范围内产生稳定的声压级。任何低于 70 Hz 设备会产生较低的声压级 (SPL) 输出。

例如，CUI Devices 的 CSS-50508N 扬声器频响图(图 2)更好地说明了更典型的扬声器属性。图中包含不同的峰值和谷值，表示共振增强或减少输出点。这个 41 mm × 41 mm 扬声器的规格列出了 380 Hz±76 Hz 共振频率可视为频响图上的第一个主峰值。这是 600 Hz 至 700 Hz 迅速下降，但随后从800 左右Hz 至 3000 Hz 之间有稳定的声压级性能。由于扬声器的尺寸，设计师可以推测 CSS-50508N 在低频范围内的性能不会超过高频范围，这在图中得到了证实。设计工程师可以确定扬声器或其他输出设备是否能再现其目标频率，以了解如何以及何时参考频率图。

图 2：CUI Devices 的 CSS-50508N 41 mm x 41 mm 扬声器频响图。(图片来源:CUI Devices）

音频范围和外壳注意事项

外壳设计将受到音频范围的影响，如下文所述。

扬声器尺寸

与大型扬声器相比，小型扬声器移动速度更快，使其在不必要的谐波条件下产生更高的频率。然而，当试图在较低的频率下实现类似 SPL 输出时，需要更大的扬声器膜来移动足够的空气，以匹配与高音相同的感知 dB SPL。虽然较大的振膜要重得多，但由于移动速度慢，在低频时通常不会造成问题。

使用较小或较大的扬声器最终将取决于应用程序需求，但较小的扬声器通常只需要较小的外壳来降低成本和节省空间。CUI Devices 博客，详细了解如何设计微型扬声器外壳。

共振频率

共振频率代表物体的自然振动频率。拨动吉他弦时，弦以其共振频率振动。也就是说，如果扬声器放在吉他旁边，播放弦的共振频率，吉他弦就会开始振动，振幅随着时间的推移而增加。然而，当涉及到音频时，这种现象也会导致与周围物体不必要的异常声音。CUI Devices 关于共振和共振频率的博客提供了更多关于主题的信息。

为了避免扬声器具有非线性输出和不必要的谐波，在外壳设计中确认自然共振频率和预期音频输出不在同一频谱范围内尤为重要。

材料权衡

扬声器和麦克风设计在移动过程中必须保持静止、灵活和刚性的部件之间达到微妙的平衡。扬声器振动膜（或纸盆）应非常轻，以快速响应，并尽可能保持刚性，以防止移动时变形。CUI Devices 扬声器通常使用重量轻、质地硬的纸和麦拉膜。麦拉膜是一种塑料，具有防潮、防潮的优点。除了薄膜外，还使用橡胶连接薄膜和框架。为了防止在极端运动中断裂，材料必须坚固、灵活，以免限制薄膜的运动。

3:扬声器的基本结构。(图片来源:CUI Devices）

在比较麦克风技术时，也可以看到同一组件之间的权衡。驻极体电容式麦克风和MEMS麦克风耐久性好，包装紧凑，功耗低，但频率和灵敏度更有限。另一方面，带状麦克风具有更好的灵敏度和频率范围，但也牺牲了耐久性。

材料也是外壳设计中的一个重要选择，会影响声音的共振和吸收。外壳的主要目标是抑制后方产生的非相位的声音，这意味着所选材料必须能有效地吸音。这在难以抑制非相位声音的较低频声音应用中尤其关键。

结语

归根结底，音频系统的数量是有限的，没有单独的音频输出设备能够以任何保真度跨越整个音频频谱。一般来说，大多数应用程序不需要这种保真度，也可能不需要完全的线性输出。了解音频频率范围在设计和选择合适的音频组件时仍将发挥重要作用。通过这种理解，工程师可以更好地平衡成本、尺寸和性能。CUI Devices 提供一系列不同频率范围的音频解决方案，音频解决方案。