Resonanssin ja resonanssitaajuuden merkitys audiojärjestelmissä

Resonoivien audiojärjestelmien suunnittelijat joutuvat käsittelemään kahta merkittävää haastetta. Niistä ensimmäinen liittyy kaiuttimen tai summerin resonanssitaajuuden ja resonanssivyöhykkeen hyödyntämiseen mahdollisimman suuren äänenpainetason (SPL) tuottamiseksi. Toinen liittyy resonanssin synnyttämän surinan ja räminän ehkäisemiseen audiolaitteen kotelossa ja kiinnitysjärjestelmässä. Vaikka resonanssi on monille tuttu asia, tässä artikkelissa käsitellään resonanssin vaikutuksia audiosuunnitteluun sekä edellä mainittuja haasteita, resonanssiin vaikuttavia tekijöitä, taajuusvastekuvaajan lukemista ja niin edelleen.

Resonanssin ja resonanssitaajuuden perusteet

Resonanssin vaikutusten ymmärtäminen edellyttää resonanssin perusteiden hahmottamista. Resonanssi syntyy, kun fyysinen esine tai elektroniikkapiiri absorboi siihen kohdistuneen impulssin energian ja jatkaa sen jälkeen värähtelyä samalla taajuudella ilman muiden ulkoisten voimien vaikutusta. Värähtelyn amplitudi pienenee värähtelyn jatkuessa. Tällaisen värähtelyn taajuutta sanotaan järjestelmän resonanssitaajuudeksi (F0).

Resonanssia voi ilmetä monenlaisissa tilanteissa. Kitarat ovat hyvä arkinen esimerkki resonanssista, sillä niiden ääni muodostuu pelkästään värähtelystä. Kun soittaja näppäilee akustisen kitaran kieltä, kieli alkaa värähdellä ja johtaa äänienergian soittimen onttoon puurunkoon, jossa ääni resonoi ja voimistuu. LC-suodatin voi samaan tapaan resonoida viritettynä tankkipiirinä, jos sitä stimuloidaan signaalilla, jonka taajuus on täsmälleen oikea. Tätä ilmiötä hyödynnetään yksinkertaisissa radioissa, jotka ottavat lähetyssignaalin vastaan mukauttamalla tankkipiirin kapasitanssia tai induktanssia siten, että piirin resonanssitaajuus vastaa lähetystaajuutta. Pietsosähköisen kideoskillaattorin sähkömekaanista resonanssia voidaan käyttää taajuusreferenssinä.

Audiojärjestelmän äänentuottokomponentit

Mekaaniseen resonanssiin vaikuttavat paino ja eri massoja toisiinsa liittävän rakenteen jäykkyys. Tavallisissa kaiuttimissa massan muodostaa kalvo (tai kartio), ja jäykkyys riippuu siitä, miten joustavasti kalvo on kiinnitetty runkoon. Kaiuttimia valmistetaan monilla eri tavoilla, ja eri kaiutintyyppien resonanssitaajuudet voivat vaihdella.

Kaiuttimen resonanssitaajuuteen vaikuttavat myös esimerkiksi kartion materiaali, jousituksen paksuus ja kartion takaosaan kiinnitetyn sähkömagneetin koko ja paino. Yleisesti ottaen kevyt ja jäykkä materiaali sekä joustava jousitus tuottavat korkeamman resonanssitaajuuden. Esimerkiksi korkeataajuiset diskanttikauttimet ovat pieniä ja kevyitä. Niissä on jäykät mylar-kartiot ja erittäin joustavat jousitukset. Näitä tekijöitä muuntelemalla tavallisten kaiuttimien taajuusalue voi olla 20 Hz:n ja 20 000 Hz:n välillä.

Kuva 1: Tavallisen kaiuttimen rakenne (Kuvan lähde: Same Sky)

Myös magneettiset muunninsummerit ovat äänentuottokomponentteja. Välitysmekanismi on niissä erotettu äänentuotantomekanismista eri tavalla kuin kaiuttimessa. Kevyempi kalvo on liitetty runkoon jäykemmin, joten magneettisten muuntimien taajuusalue on yleensä korkeampi, mutta suppeampi. Niiden tuottaman äänen taajuus on tyypillisesti 2–3 kHz, ja saman äänenpainetason tuottamiseen tarvitaan vähemmän virtaa kuin kaiuttimissa.

Kuva 2: Tavallisen magneettisummerin rakenne (Kuvan lähde: Same Sky).

Lisäksi on olemassa pietsosähköisiä muunninsummereita, jotka tuottavat samalla virralla suuria äänenpainetasoja vieläkin tehokkaammin kuin magneettiset summerit. Niissä käytetään pietsosähköisyyttä siten, että muuttuva sähkökenttä saa pietsokeraamisen elementin taipumaan edestakaisin ja synnyttämään ääniaaltoja. Pietsosähköinen materiaali on yleensä jäykkää, ja tässä summerityypissä käytettävät komponentit ovat pieniä ja ohuita. Pietsomuunninsummerit tuottavat magneettisten summerien tapaan erittäin korkeita ääniä, joiden taajuus on 1–5 kHz ja joiden taajuusalue on kapea.

Kuva 3: Tavallisen pietsosähköisen summerin rakenne (Kuvan lähde: Same Sky).

Resonanssisuunnittelussa huomioitavia tekijöitä

Resonanssia hyödyntävien kaiuttimien tai summerien suunnittelu on monimutkainen tehtävä, jossa on otettava huomioon haluttu resonanssitaajuus tai resonanssitaajuusalue, käytettävän kaiuttimen tai summerin ominaisuudet sekä käytettävän kotelon muoto ja koko. Nämä tekijät voivat vaikuttaa toisiinsa paljonkin.

Jos esimerkiksi pieni kaiutin asennetaan erittäin suureen koteloon, kaiutin pääsee liikkumaan vapaasti ja järjestelmän (kaiutin + kotelo) resonanssitaajuus vastaa todennäköisesti kaiuttimen ominaisresonanssia vapaassa ilmassa. Jos kaiutin taas asennetaan pieneen, huolellisesti tiivistettyyn koteloon, sen sisällä oleva ilma toimii mekaanisena jousena, joka vaikuttaa kaiuttimen kartioon ja järjestelmän resonanssitaajuuteen. Tehokkaassa ratkaisussa täytyy ottaa huomioon myös muita tekijöitä, kuten epälineaarisen sähkökäytön ominaisuudet.

Tehtävä on monimutkainen. Audiojärjestelmän suunnittelussa kannattaakin rakentaa prototyyppejä, mitata niiden ominaisuudet ja sen jälkeen muuttaa ratkaisuja siten, että valitulla äänilähteellä saavutetaan paras mahdollinen äänentuotto. Prototyyppeihin perustuva lähestymistapa myös auttaa suunnittelijoita ymmärtämään miten komponenttien ominaisuudet vaihtelevat valmistustoleranssien mukaan ja miten koteloiden geometriat ja jäykkyydet vaihtelevat tuotanto-olosuhteiden mukaan, sekä miten suunnittelijat voivat kompensoida näiden vaihteluiden vaikutusta. Käsin rakennettu kaiutin, jossa käytetään tietyn erän parhaita komponentteja, on usein suorituskyvyltään niin hyvä, ettei samaan tasoon päästä massatuotantomenetelmillä ja vakiokomponenteilla.

Etenkin kaiuttimien kotelot on suunniteltava siten, että niiden sisätila riittää äänienergian muodostumiseen ilman vaimennusta. Jos kotelon suojus tai materiaalit laskevat äänenpainetasoa vain 3 dB, tuotettu ääniteho puolittuu. Same Sky ‑yhtiön blogissa ”How to Design a Micro Speaker Enclosure” käsitellään tätä tarkemmin.

Kaiken kaikkiaan on tärkeää tarkastella vastetta audiokomponentin koko spektrialueella ja hyödyntää sen suorituskykyä komponentin resonanssitaajuuden huipun molemmilla puolilla olevilla taajuuksilla. Koska resonanssitaajuuden huippu ei etenkään kaiuttimissa ole mikään täsmällinen luku eikä välttämättä edes kovin kapea kaista, sen ympäristössä saavutetaan todennäköisesti hyvä taajuusvaste, jota suunnittelijat voivat hyödyntää teknisissä tiedoissa ilmoitetun huippuarvon molemmilla puolilla. Tavoitteena on äänenpaineen ja taajuuden optimointi annetulla syöttöteholla. Se saavutetaan käyttämällä laitetta sen resonanssitaajuudella ja laitteen resonanssivyöhykkeiden taajuuksilla.

Esimerkiksi Same Sky CSS-10246-108 ‑kaiuttimen teknisten tietojen mukaan kaiuttimen resonanssitaajuus on 200 Hz ±40 Hz, mutta sen taajuusvastekuvaajassa näkyy, että noin 3,5 kHz:n taajuudella on toinen resonanssipiikki. Kaiuttimen resonanssivyöhyke on suunnilleen alueella 200 Hz–3,5 kHz. Suunnittelijat voivat näiden tietojen avulla valita sovellukseensa sopivan kaiuttimen.

Kuva 4: Same Sky CSS-10246-108 ‑kaiuttimen taajuusvastekuvaaja (Kuvan lähde: Same Sky).

Toinen esimerkki on magneettinen Same Sky CMT-4023S-SMT-TR ‑muunninsummeri, jonka teknisissä tiedoissa sen resonanssitaajuudeksi ilmoitetaan 4000 Hz. Summerin ala esitetty taajuusvastekuvaaja vahvistaa tämän. Resonanssiongelmia voi ratkaista myös käyttämällä ääni-ilmaisimia eli summereita, joissa on sisäiset ohjausvirtapiirit. Koska nämä sisäisesti ohjatut laitteet toimivat tietyllä kiinteällä nimellistaajuudella, niille ei tarvita taajuusvastekaaviota. Ne on suunniteltu tuottamaan mahdollisimman suuri äänenpainetaso niille määritetyllä taajuusalueella.

Kuva 5: Same Sky ‑yhtiön magneettisen CMT-4023S-SMT-TR-muunninsummerin taajuusvastekuvaaja (Kuvan lähde: Same Sky).

Yhteenveto

Kun tiettyyn sovellukseen suunnitellaan audiolaitetta, on otettava huomioon laitteen resonanssitaajuus. Näin varmistetaan, että laite tuottaa mahdollisimman suuren äänenpainetason ilman ei-toivottua värähtelyä. Tämä tarkoittaa, että suunnittelussa käytetään toimittajan ilmoittamia tietoja, etenkin resonanssitaajuutta, minkä jälkeen ratkaisu optimoidaan tämän arvon ympärillä olevalla resonanssivyöhykkeellä. Kun alustava rakenne on suunniteltu, prototyyppien avulla voidaan varmistaa, että audiolaitteen vuorovaikutus kotelon ja kiinnityksen kanssa vastaa odotuksia. Same Sky tarjoaa laajan valikoiman audioratkaisuita koko taajuusspektrillä ja auttaa suunnittelijoita löytämään käyttötarkoitukseen sopivan komponentin.