In diesem Blog werden Audiofrequenzen und ihre verschiedenen Teilmengen sowie deren Auswirkungen auf das Design von Audiogehäusen besprochen, um einen angemessenen Audiobereich für Ihr Design sicherzustellen.
Trotz der vielfältigen Anwendungsbereiche ist es bei Audiosystemen aller Art oft schwierig, ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Größe und Qualität herzustellen. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, dass das System in der Lage ist, den gesamten benötigten Audiofrequenzbereich auszugeben. Entdecken Sie in diesem Blog von Same Sky die verschiedenen Audiofrequenzen, ihre Teilmengen und wie sie sich auf das Design von Audiogehäusen auswirken. Erfahren Sie mehr darüber, in welchen Fällen unterschiedliche Audiobereiche in einer Endanwendung benötigt werden, damit Sie die richtigen Lautsprecher, Mikrofone oder Summer für ihr Audiosystem auswählen und dessen Leistung maximieren können.
Bei der Entwicklung eines Audiosystems – sei es für den Einsatz zu Hause, im Automobilbereich oder für eingebettete/tragbare Geräte – ist es entscheidend, ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Größe und Audioqualität zu finden. Die Audioqualität hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von der Fähigkeit des Systems, ein breites Frequenzspektrum wiederzugeben. Dieser Artikel untersucht diese Frequenzbereiche und ihre Teilmengen und hebt ihren Einfluss auf das Design von Audiogehäusen hervor. Er verdeutlicht darüber hinaus die Notwendigkeit unterschiedlicher Audiobereiche für verschiedene Anwendungen.
Der typische Audiofrequenzbereich reicht von 20 Hz bis 20.000 Hz, viele Menschen hören jedoch nicht das gesamte Spektrum und dieser Bereich nimmt mit zunehmendem Alter häufig ab. In der Musik entspricht jede Oktave einer Verdoppelung der Frequenz. Beispielsweise schwingt der tiefste Ton auf einem Klavier, ein A, bei ungefähr 27 Hz, während der höchste Ton, ein C, etwa 4186 Hz erreicht.
Zusätzlich zu diesen Primärfrequenzen erzeugen praktisch alle Tonquellen harmonische Frequenzen, die ein Vielfaches von höheren Frequenzen sind, jedoch mit geringerer Amplitude. Der 27-Hz-Ton „A“ eines Klaviers erzeugt zum Beispiel leisere Obertöne wie 54 Hz und 81 Hz. Diese Obertöne sind entscheidend für High-Fidelity-Lautsprechersysteme, die die ursprüngliche Tonquelle reproduzieren sollen.
Im Audiofrequenzspektrum von 20 Hz bis 20 kHz gibt es sieben verschiedene Frequenzuntergruppen. Diese Teilmengen sind entscheidend für die Gestaltung von Systemen, die speziell auf Aufnahme- oder Wiedergabezwecke zugeschnitten sind.
| Frequenz-Untergruppe | Frequenzbereich | Beschreibung |
|---|---|---|
| Subbass | 16 bis 60 Hz | Dies ist der tiefe musikalische Bereich. Ein Kontrabass, eine Tuba oder eine Bassgitarre am unteren Ende fallen unter diese Kategorie. |
| Bass | 60 bis 250 Hz | Dies ist der normale Stimmumfang beim Sprechen |
| Unterer Mittelbereich | 250 bis 500 Hz | Im unteren Mittelbereich finden sich typische Blechblasinstrumente und mittlere Holzblasinstrumente, wie Altsaxophon und der mittlere Bereich einer Klarinette. |
| Mittelbereich | 500 Hz bis 2 kHz | Der Name mag zwar „Mittelbereich“ lauten, aber es handelt sich dabei um das obere Ende der Grundfrequenzen, die von den meisten Musikinstrumenten erzeugt werden. Hier finden sich Instrumente wie die Violine und die Piccoloflöte. |
| Höherer Mittelbereich | 2 bis 4 kHz | Wie bereits erwähnt, liegen die Obertöne bei einem Vielfachen der Grundfrequenz. Wenn man also davon ausgeht, dass der Grundton einer Trompete im unteren Mittelbereich liegt, sollten die Obertöne beim 2-fachen, 3-fachen und 4-fachen des Grundtons liegen, was sie in diesen Bereich bringen würde. |
| Präsenz | 4 bis 6 kHz | Die Obertöne für die Violine und die Piccoloflöte befinden sich in diesem Bereich. |
| Brillanz | 6 bis 20 kHz | Oberhalb von 6 kHz ähneln Geräusche aufgrund ihrer hohen Tonhöhe eher einem Heulen und Pfeifen. In diesem Bereich finden sich Zischlaute (das unerwünschte Pfeifen, wenn man manchmal ein „s“ ausspricht) und Obertöne für bestimmte Schlaggeräusche wie Becken. |
Ein Frequenzgangdiagramm ist eine effektive Methode, um zu ermitteln, wie Lautsprecher, Summer oder Mikrofone verschiedene Frequenzen wiedergeben. Im Allgemeinen weisen Summer einen engeren Frequenzbereich auf, da sie hauptsächlich hörbare Töne aussenden, wohingegen Lautsprecher einen größeren Bereich bieten, um Geräusche und Stimmen genau wiederzugeben.
Bei Lautsprechern, Summern und ähnlichen Ausgabegeräten misst die Y-Achse eines Frequenzgangdiagramms dB SPL (Dezibel Schalldruckpegel) und gibt damit die Lautstärke an. Im Gegensatz dazu wird bei Mikrofonen, die Schall erfassen, anstatt ihn auszusenden, auf der Y-Achse die Empfindlichkeit in dB angegeben. Es ist wichtig zu beachten, dass die x-Achse die Frequenz auf einer logarithmischen Skala darstellt. Und da die y-Achse dB SPL angibt, bezieht sich dieses Diagramm auf einen Lautsprecher oder ein ähnliches Ausgabegerät. Bedenken Sie, dass dB-Werte logarithmisch sind und daher beide Achsen auf einer logarithmischen Skala operieren.
Dieses Diagramm veranschaulicht den dB SPL, der bei einer konstanten Leistungseingabe über verschiedene Frequenzen erzeugt wird. In diesem Fall bleibt die Ausgabe relativ konstant mit einem deutlichen Rückgang unter 70 Hz und einem sanfteren Abfall über 20 kHz. Dies zeigt an, dass das Audiogerät bei gleichmäßiger Leistungsaufnahme zwischen 70 Hz und 20 kHz einen ähnlichen Schalldruckpegel beibehält, außerhalb dieses Bereichs jedoch niedrigere Schalldruckpegel aufweist.
Frequenzgangdiagramme können auch ausgeprägtere Spitzen und Täler darstellen, die auf Bereiche hinweisen, in denen die Resonanz das Ausgabesignal verstärkt oder unterdrückt. Am Beispiel des Lautsprechers CSS-50508N von Same Sky zeigt die folgende Abbildung ein typisches Lautsprecherprofil. Laut Datenblatt beträgt die Resonanzfrequenz 380 Hz ±76 Hz und entspricht dem anfänglichen Peak, gefolgt von einem deutlichen Abfall zwischen 600 und 700 Hz. Zwischen 800 Hz und 3 kHz bleibt der Frequenzgang jedoch flach. Aufgrund seiner kompakten Größe von 41 mm x 41 mm ist zu erwarten, dass dieser Lautsprecher höhere Frequenzen besser wiedergibt als niedrigere Frequenzen, wie in der Grafik dargestellt. Mithilfe solcher Daten können Entwicklungsingenieure sicherstellen, dass der Lautsprecher die vorgesehenen Anforderungen an die Frequenzwiedergabe erfüllt.
Das Verständnis der Grundlagen der Audiofrequenz ist bei der Auswahl und Gestaltung von Gehäusen von entscheidender Bedeutung. Der Audiofrequenzbereich beeinflusst verschiedene Aspekte des Gehäusedesigns erheblich. So geht's:
Lautsprecher- und Gehäusegröße
Kleinere Lautsprecher können sich schneller bewegen. Dadurch können sie höhere Frequenzen mit größerer Genauigkeit wiedergeben, während unerwünschte Obertöne minimiert werden. Wie im Blog von Same Sky zum Design von Mikrolautsprechergehäusen ausführlich beschrieben, erfordern kleinere Lautsprecher auch kleinere Gehäuse, was Platz spart und Materialkosten senkt.
Um jedoch bei sehr niedrigen Frequenzen den gleichen dB SPL zu erreichen, ist eine größere Membran erforderlich, um ausreichend Luft zu bewegen. Das liegt daran, dass es schwierig ist, genügend Luft zu bewegen, um den wahrgenommenen Schalldruckpegel (dB SPL) der höheren Frequenzen zu erreichen. Die gute Nachricht ist, dass das erhöhte Gewicht einer größeren Membran bei niedrigeren Frequenzen, bei denen die Bewegung langsamer ist, weniger problematisch ist.
Resonanz
Die meisten Objekte haben eine Resonanzfrequenz – die Eigenfrequenz, mit der sie schwingen. Beispielsweise vibriert eine Gitarrensaite beim Zupfen mit ihrer Resonanzfrequenz. Wenn Sie diese Frequenz mit einem Lautsprecher in der Nähe der Saite spielen, beginnt sie mit der Zeit zu vibrieren und wird verstärkt. Dieses Phänomen tritt auch bei anderen Gegenständen auf und verursacht unerwünschtes Klappern und Summen in umliegenden Gegenständen. Der Blogbeitrag von Same Sky zur Resonanz und Resonanzfrequenz geht tiefer auf dieses Thema ein.
Beim Entwurf eines Gehäuses muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die natürliche Resonanzfrequenz des Gehäuses nicht im gleichen Bereich liegt wie die erwartete Audioausgabe. Andernfalls erzeugt der Lautsprecher eine nichtlineare Ausgabe und unerwünschte Obertöne. Bei manchen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, den Resonanzbereich einer Box zu steuern oder zu erweitern.
Materialien
Die Entwicklung von Lautsprechern und Mikrofonen erfordert eine präzise Abstimmung von Komponenten, die ruhig bleiben, flexibel sein und bei Bewegung starr bleiben müssen. Bei Lautsprechern muss die Membran bzw. der Konus extrem leicht sein, um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten, gleichzeitig aber starr genug, um Verformungen zu vermeiden. In den Lautsprechern von Same Sky werden als Materialien am häufigsten Papier und Kunststoff verwendet. Beide Materialien sind außergewöhnlich leicht und steif, Kunststoff ist allerdings auch beständig gegenüber Nässe und Feuchtigkeit. Darüber hinaus muss das Gummi, das die Membran mit dem Rahmen verbindet, stark genug sein, um extreme Bewegungen auszuhalten, ohne zu brechen, und gleichzeitig biegsam bleiben, um die Bewegung des Konus nicht zu beeinträchtigen.
Dieser Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, Frequenzbereich, Robustheit und Schalldruckbereich gilt auch für Mikrofonmaterialien. Das Angebot an Mikrofonen reicht von einfachen Elektret- oder MEMS-Mikrofonen mit ausreichender, aber begrenzter Frequenz und Empfindlichkeit bis hin zu Bändchenmikrofonen, die für ihre außergewöhnliche Empfindlichkeit und ihren Frequenzbereich bekannt sind. Allerdings sind Bändchenmikrofone äußerst zerbrechlich und für viele Schlaginstrumente ungeeignet; sie müssen mit Vorsicht behandelt und mit einer Schutzhülle transportiert werden, um eine Beschädigung der Membran zu vermeiden.
Diese Kompromisse sowie die Materialkosten variieren je nach Frequenzbereich. Bei Lautsprechern im unteren Bereich spielt das Gewicht der Membran eine untergeordnete Rolle. Sie benötigen jedoch Aufhängungen, die größere Bewegungen zulassen.
Auch das für ein Gehäuse verwendete Material beeinflusst die Resonanz und Schallabsorption. Beim Entwurf eines Gehäuses, dessen Hauptziel die Dämpfung des phasenverschobenen rückwärtigen Schalls ist, benötigen Ingenieure Materialien, die den Schall wirksam absorbieren. Dies ist insbesondere bei niederfrequenten Tönen wichtig, die schwieriger zu dämpfen sind.
Es ist wichtig, sich bewusst zu machen, dass nur sehr wenige Systeme und keine einzelnen Lautsprecher oder Gehäuse das gesamte Klangspektrum mit hoher Wiedergabetreue wiedergeben können. Insbesondere extreme Frequenzen erfordern spezielle Lautsprecher und Gehäuse. Für eine wirklich präzise Klangwiedergabe ist eine ausgewogene Anordnung von Lautsprechern in allen Bereichen erforderlich, die alle so abgestimmt sind, dass sie eine möglichst lineare Ausgabe erzeugen.
Zweitens erfordern die meisten Anwendungen diesen Grad an Wiedergabetreue nicht, und eine lineare Ausgabe ist möglicherweise nicht das gewünschte Ergebnis. Ein Telefon muss zum Beispiel nur den Grundtonbereich der menschlichen Stimme abdecken. Selbst wenn man den Frequenzbereich erweitert, um Obertöne zu berücksichtigen, wird der Bereich von 20 Hz bis 20 kHz immer noch nicht erreicht. Ebenso erfordern Benachrichtigungs- oder Sicherheitsanwendungen lediglich ein Summen, Trillern oder Kreischen innerhalb eines engen Frequenzbereichs, jedoch mit unterschiedlichen Schalldruckpegeln. Für diese Entwürfe sind Summer oder Sirenen, bei denen Kosten, Größe, Leistung und Lautstärke Vorrang vor dem Frequenzbereich haben, eine geeignete Wahl.
Letztendlich ist es wichtig, alle Einschränkungen eines Projekts zu verstehen. Entscheidungen über Kompromisse zu treffen, ist ein entscheidender Aspekt der Tätigkeit eines Ingenieurs bzw. Designers.
Fazit
Der Audiofrequenzbereich ist ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung und Auswahl von Lautsprechern, Summern, Gehäusen und Mikrofonen. Für den Designprozess ist ein grundlegendes Verständnis dieses Bereichs, seiner Auswirkungen auf die Aufnahme und Wiedergabe und seiner Beziehung zu den physikalischen Beschränkungen der Audioausrüstung von entscheidender Bedeutung. Same Sky bietet eine große Auswahl an Audiokomponenten sowie Audiodesign-Services und stellt Lösungen für zahlreiche Anwendungen mit unterschiedlichen Frequenzanforderungen bereit.
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