Katsaus äänitaajuusalueeseen ja audiokomponentteihin

Äänentoisto on läsnä kaikkialla autoista asuntoihin ja kannettaviin laitteisiin, ja sen sovellukset lisääntyvät jatkuvasti. Koko, kustannukset ja laatu ovat äänijärjestelmien suunnittelussa tärkeitä asioita. Monet tekijät vaikuttavat laatuun, mutta loppujen lopuksi on tyypillisesti kyse järjestelmän kyvystä toistaa tietyssä ratkaisussa tarvittavat taajuudet. Tässä artikkelissa kerrotaan äänitaajuusalueen ja sen eri osa-alueiden perusteista, tutustutaan kotelon suunnittelun vaikutukseen sekä tietyssä sovelluksessa tarvittavien äänitaajuusalueiden määrittämiseen.

Äänitaajuusalueen perusteet

Kuultavan äänen taajuusalueena pidetään yleensä 20–20 000 Hz:n aluetta. Keskivertoihminen kuulee kuitenkin paljon pienemmän alueen kuin 20 Hz– 20 kHz, ja korvin kuultava alue kutistuu jatkuvasti ihmisen vanhetessa. Äänen taajuutta on helpointa ymmärtää musiikin avulla: kun taajuus nousee kaksinkertaiseksi, sävelkorkeus nousee oktaavilla. Pianon alimman A-koskettimen taajuus on noin 27 Hz ja korkeimman C-koskettimen lähes 4 186 Hz. Näiden yleisten taajuuksien lisäksi kaikki ääntä tuottavat esineet tai laitteet tuottavat myös harmonisia monikertoja, siis suurempia taajuuksia, joiden amplitudi on pienempi. Esimerkiksi pianon 27 Hz:n A-kosketin tuottaa myös 54 Hz:n yläsävelen, 81 Hz:n yläsävelen ja niin edelleen. Kukin yläsävel on äänenvoimakkuudeltaan edellistä hiljaisempi. Taajuuksien monikerroilla on erityisen suuri merkitys hifi-kaiutinjärjestelmissä, joissa tarvitaan äänilähteen tarkkaa toistamista.

Äänitaajuusalueen osa-alueet

Seuraavassa taulukossa on lueteltu seitsemän 20–20 000 Hz:n taajuusalueen osa-aluetta, joiden avulla voidaan määritellä äänijärjestelmän suunnittelussa käytettävät kohdealueet.

Taulukko 1: Äänitaajuusalueen osa-alueet (Kuvan lähde: Same Sky)

Taajuusvastekuvaajat

Taajuusvastekuvaajissa esitetään visuaalisessa muodossa, miten summeri, mikrofoni tai kaiutin toistaa eri äänitaajuuksia. Koska summereita käytetään tyypillisesti vain tuottamaan kuultava ääni, niissä käytetään yleensä vain kapeaa taajuusaluetta. Kaiuttimissa puolestaan käytetään laajempia taajuusalueita, koska niillä toistetaan usein ääntä ja puhetta.

Kaiuttimien ja summerien kaltaisten äänentoistolaitteiden taajuusvastekäyrän y-akseli esittää äänenpainetasoa (dB), joka vastaa periaatteessa laitteen äänenvoimakkuutta. Mikrofonien kaltaisten äänensyöttölaitteiden y-akseli esittää puolestaan herkkyyden dB-arvoja, sillä niillä mitataan ääntä, ei tuoteta sitä. Seuraavassa kuvassa 1 taajuusarvot on esitetty x-akselilla logaritmisella asteikolla. Y-akselilla esitetään äänenpainetaso desibeleinä, joten kyseinen kuvaaja esittää äänentoistolaitetta. Huomaa, että koska myös desibelit ovat logaritmisia, molemmat akselit ovat logaritmisia.

Kuva 1: Tavanomainen taajuusvastekuvaaja (Kuvan lähde: Same Sky)

Tässä käyrässä esitetään, kuinka voimakkaana (dB-arvo) ääni toistetaan eri taajuuksilla, kun teho pysyy vakiona. Käyrä on melko tasainen; siinä esitetyllä taajuusalueella tapahtuu vain vähän muutoksia. Alle 70 Hz:n taajuudella tapahtuvaa jyrkkää pudotusta lukuun ottamatta tämä audiolaite tuottaa yhtenäisen äänenpainetason 70 Hz–20 kHz:n taajuusalueella syöttötehon pysyessä vakiona. Alle 70 Hz:n äänet eivät kuulu yhtä voimakkaina.

Same Sky ‑yhtiön CSS-50508N-kaiuttimen taajuusvastekuvaaja (kuva 2) on parempi esimerkki tyypillisemmästä kaiutinprofiilista. Tässä kuvaajassa on vaihtelevia huippuja ja notkoja kohdissa, joissa resonanssi joko voimistaa tai heikentää äänenvoimakkuutta. Tämän kaiuttimen, jonka koko on 41 mm x 41 mm, teknisissä tiedoissa on ilmoitettu resonanssitaajuudeksi 380 Hz ± 76 Hz, mikä näkyy kuvaajassa ensimmäisenä merkittävänä piikkinä. Äänenvoimakkuus putoaa nopeasti noin 600–700 Hz:n kohdalla, mutta jatkuu sitten melko tasaisena noin 800 Hz:stä 3 000 Hz:iin. Suunnittelija voisi kaiuttimen koon perusteella olettaa, ettei CSS-50508N toimi matalilla taajuuksilla yhtä hyvin kuin korkeilla, minkä kuvaaja vahvistaakin. Ymmärtämällä miten ja milloin taajuusvastekuvaajaa kannattaa käyttää apuna suunnittelija voi tarkistaa, pystyykö tietty kaiutin tai muu toistolaite toistamaan kohdetaajuudet.

Kuva 2: Same Sky ‑yhtiön CSS-50508N-kaiuttimen (koko 41 mm x 41 mm) taajuusvastekuvaaja (Kuvan lähde: Same Sky)

Äänialueeseen ja koteloon liittyviä seikkoja

Äänialue voi vaikuttaa kotelon suunnitteluun useilla seuraavissa kohdissa esitetyillä tavoilla.

Kaiuttimen koko

Pienten kaiuttimien kalvot liikkuvat nopeammin kuin suurten, joten niillä voidaan toistaa korkeampia taajuuksia siten, että ei-toivottuja taajuuksien monikertoja syntyy vähemmän. Jos vastaava äänenvoimakkuus yritetään tuottaa matalammilla taajuuksilla, kaiuttimen kalvon on oltava kuitenkin suurempi, jotta se pystyy liikuttamaan riittävästi ilmaa saman koetun äänenvoimakkuuden saavuttamiseksi kuin korkeammilla äänillä. Suuremmat kalvot ovat paljon raskaampia, mutta siitä ei yleensä ole haittaa matalilla taajuuksilla, joilla kalvot liikkuvat huomattavasti hitaammin.

Pienemmän tai suuremman kaiuttimen valinta riippuu viime kädessä sovelluksen vaatimuksista. Pienempiä kaiuttimia käytettäessä myös kotelo jää yleensä pienemmäksi, mikä saattaa vähentää kustannuksia ja tilaa. Lue lisää Same Sky ‑yhtiön blogista: How to Design a Micro Speaker Enclosure.

Resonanssitaajuus

Resonanssitaajuus edustaa taajuutta, jolla esine pyrkii luontaisesti värähtelemään. Kitaran kielet värähtelevät resonanssitaajuudellaan, kun niitä näppäillään. Jos kitaran kielen viereen asetettaisiin kielen resonanssitaajuutta toistava kaiutin, kitaran kieli alkaisi värähdellä, ja värähtelyn amplitudi kasvaisi ajan mittaan. Äänentoistossa tämä samainen ilmiö voi kuitenkin aiheuttaa lähistöllä olevissa esineissä haitallista surinaa ja räminää. Voit lukea tästä aiheesta lisää Same Sky ‑yhtiön resonanssia ja resonanssitaajuutta koskevasta blogiartikkelista.

Jotta kaiuttimen lähtö ei olisi epälineaarinen eikä äänessä esiintyisi epätoivottuja taajuuksien monikertoja, koteloa suunniteltaessa on tärkeää varmistaa, ettei kotelon luontainen resonanssitaajuus ole toistettavan äänen taajuusalueella.

Materiaalivalinnat

Kaiuttimen ja mikrofonin suunnittelu on tasapainottelua: komponenttien täytyy pysyä paikallaan, joustaa ja olla liikkeessä jäykkiä. Kaiuttimen kalvon (tai kartion) pitäisi olla kevyt, jotta se pystyy reagoimaan nopeasti, mutta silti mahdollisimman jäykkä, jotta se ei väänny liikkuessaan. Same Sky ‑kaiuttimissa käytetään yleensä paperia ja mylaria, jotka molemmat ovat kevyitä ja jäykkiä materiaaleja. Mylar-muovi kestää myös kosteutta. Kalvon lisäksi tarvitaan kumia kalvon kiinnittämiseksi runkoon. Tämän materiaalin täytyy olla vahvaa, jotta se ei murru liikkeen ääriasennoissa, ja joustavaa, jotta se ei rajoita kalvon liikettä.

Kuva 3: Kaiuttimen rakenne (Kuvan lähde: Same Sky)

Samat asiat näkyvät myös eri mikrofoniteknologioissa. Elektreettikondensaattorimikrofonit ja MEMS-mikrofonit ovat kestäviä, pienikokoisia ja pienitehoisia, mutta niiden taajuusalue ja herkkyys ovat rajallisia. Nauhamikrofonit puolestaan ovat herkempiä ja tarjoavat laajemman taajuusalueen, mutta ne eivät ole kovin kestäviä.

Myös materiaalin valinta on tärkeää kotelon suunnittelussa, sillä se vaikuttaa sekä resonanssiin että äänen absorptioon. Kotelon tärkein tehtävä on vaimentaa taaksepäin suuntautuvaa, väärässä vaiheessa olevaa ääntä. Materiaalin täytyy siis absorboida ääntä tehokkaasti, mikä on erityisen tärkeää vaikeasti vaimennettavaa matalataajuista ääntä toistavissa sovelluksissa.

Yhteenveto

Käytettävissä on kaiken kaikkiaan vain rajallinen määrä äänijärjestelmiä, jotka pystyvät toistamaan koko äänispektrin tarkasti, eikä mikään yksittäinen äänentoistolaite pysty siihen. Useimmissa sovelluksissa ei tarvita näin tarkkaa äänentoistoa eikä myöskään täydellistä lineaarisuutta. Äänitaajuusaluetta on kuitenkin tärkeää ymmärtää, jotta suunnitelmaan voidaan valita sopiva audiokomponentti. Suunnittelijat voivat silloin tehdä valistuneempia valintoja kustannusten, koon ja suorituskyvyn välillä. Same Sky ‑yrityksen audioratkaisuissa on saatavana useita eri taajuusalueita, joiden avulla voidaan vastata kaikenlaisten sovellusten tarpeisiin.