L'importanza della risonanza e della frequenza di risonanza nei sistemi audio

Sono due le problematiche dei progettisti che lavorano con sistemi audio risonanti. La prima è quella di sfruttare la frequenza di risonanza e la zona di risonanza di un altoparlante o di un cicalino per produrre il massimo livello di pressione sonora (SPL) in uscita. La seconda è quella di evitare la risonanza che induce ronzii e sferragliamenti nell'involucro e nel sistema di montaggio di un dispositivo audio. Anche se la risonanza è un concetto familiare, questo articolo esaminerà le sue implicazioni nella progettazione audio, comprese le sfide di cui sopra, i fattori che la influenzano, come leggere una curva di risposta in frequenza e altro.

Nozioni di base sulla risonanza e sulla frequenza di risonanza

Per capire l'impatto della risonanza, bisogna prima comprenderne i meccanismi di base. La risonanza ha luogo quando un oggetto fisico o un circuito elettronico assorbe energia da un impulso iniziale e poi continua a vibrare alla stessa frequenza, anche se con ampiezza decrescente e senza che alcuna forza ulteriore agisca su di essa. La frequenza alla quale si verifica questo comportamento è nota come la frequenza di risonanza del sistema, designata come F0.

La risonanza può apparire in molti contesti. Le chitarre sono un perfetto esempio quotidiano, poiché producono il suono interamente per vibrazione. Quando si pizzica una corda di una chitarra acustica, questa vibra e trasmette l'energia sonora nella cassa di legno cava dello strumento, facendolo risuonare e amplificando il suono che produce. Allo stesso modo, un filtro LC può risonare come un circuito risonante accordato se è stimolato da un segnale alla giusta frequenza. Questo effetto è utilizzato nelle radio di base per acquisire un segnale di trasmissione regolando il valore della capacità o dell'induttanza nel circuito risonante in modo che la sua frequenza di risonanza corrisponda a quella della frequenza di trasmissione. La risonanza elettromeccanica in un oscillatore a cristallo piezoelettrico può essere usata come riferimento di frequenza.

Una panoramica dei componenti di uscita audio

La risonanza meccanica è influenzata dal peso e dalla rigidità che collega tra loro diverse masse. Per i normali altoparlanti, questa massa è il diaframma (o cono) e la rigidità dipende dalla flessibilità dell'ammortizzatore che unisce il diaframma al telaio. Poiché gli altoparlanti sono fabbricati in modi molto diversi, ogni tipo di altoparlante può produrre frequenze di risonanza diverse.

Altri fattori che variano la frequenza di risonanza di un altoparlante sono il materiale del cono, lo spessore dell'ammortizzare e la dimensione dell'elettromagnete montato sulla parte posteriore del cono e che influisce sul peso. In generale, materiali più leggeri e rigidi e ammortizzatori flessibili portano a frequenze di risonanza più alte. Ad esempio, i tweeter ad alta frequenza sono piccoli e leggeri con coni rigidi in mylar e ammortizzatori altamente flessibili. Modificando questi fattori, gli altoparlanti standard hanno un campo di frequenza compreso tra 20 e 20.000 Hz.

Figura 1: Struttura di un normale altoparlante (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Un altro tipo di componente di uscita audio sono i cicalini a trasduttore magnetico. Questi separano il dispositivo di manovra da quello che produce il suono in modo diverso da un altoparlante. A causa di un diaframma più leggero unito più rigidamente al telaio, i trasduttori magnetici hanno un campo di frequenza normale più alto ma ridotto. Producono tipicamente il suono da 2 a 3 kHz con l'ulteriore vantaggio di aver bisogno di meno corrente rispetto agli altoparlanti per produrre lo stesso SPL.

Figura 2: Struttura di un normale cicalino magnetico (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Infine, esistono i cicalini a trasduttore piezoelettrico, che sono ancora più efficienti nel produrre SPL più elevati a parità di corrente delle loro controparti magnetiche. Utilizzando l'effetto piezoelettrico, variano un campo elettrico per far sì che l'elemento piezoceramico si fletta in un modo e poi in un altro, provocando l'emissione di onde sonore. Questo materiale è generalmente rigido e i componenti utilizzati in questi tipi di cicalini sono piccoli e sottili. I cicalini a trasduttore piezoelettrico, come le versioni magnetiche, generano rumori acuti tra 1 e 5 kHz con un campo di frequenza stretto.

Figura 3: Struttura di un normale cicalino piezoelettrico (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Considerazioni di progettazione per la risonanza

Progettare altoparlanti o cicalini che sfruttano la risonanza è complesso e implica considerare la frequenza di risonanza desiderata o il campo di frequenza di risonanza, le caratteristiche dell'altoparlante o del cicalino che verrà utilizzato e la forma e le dimensioni del contenitore in cui verrà montato. Questi fattori possono influenzarsi a vicenda in modo abbastanza importante.

Ad esempio, il montaggio di un piccolo altoparlante in una cassa molto grande gli permetterà di muoversi liberamente e quindi la frequenza di risonanza del sistema (altoparlante più cassa) sarà probabilmente la stessa della risonanza intrinseca dell'altoparlante che funziona in aria libera. Ma se mettiamo un altoparlante in un piccolo involucro ben sigillato, l'aria all'interno agirà da molla meccanica che interagisce con il cono dell'altoparlante e influenza la frequenza di risonanza del sistema. Vi sono altre interazioni, come le caratteristiche non lineari dell'azionamento elettrico, da tener presente per una progettazione efficiente.

Data questa complessità, il modo migliore per procedere con qualsiasi tipo di progetto audio è spesso quello di costruire alcuni prototipi, misurare le loro caratteristiche e poi regolarli per generare l'uscita migliore in base alla sorgente audio scelta. Questo approccio basato sulla prototipazione può anche aiutare i progettisti a capire e compensare le caratteristiche variabili dei componenti all'interno delle tolleranze di produzione e le geometrie e le rigidità dei contenitori in fase di produzione. Un diffusore realizzato a mano e popolato con i migliori componenti selezionati da un lotto spesso registra prestazioni difficili da ottenere ripetutamente con tecniche di produzione di massa e componenti standard.

Gli involucri, in particolare per gli altoparlanti, devono anche essere progettati in modo che abbiano spazio interno sufficiente perché l'energia audio prodotta si sviluppi senza attenuazione. Una modesta riduzione di 3 dB in SPL, causata dal rivestimento o dai materiali dell'involucro, dimezzerà la potenza sonora in uscita. Il blog di Same Sky "Come progettare un involucro per microaltoparlanti" (in inglese) ne parla nei dettagli.

In generale, è importante guardare la risposta a tutto lo spettro di un componente audio e trarre vantaggio dalle sue prestazioni alle frequenze esistenti su entrambi i lati del suo picco di frequenza di risonanza. Poiché la frequenza di risonanza non è un numero esatto né necessariamente una banda molto stretta, in particolare per gli altoparlanti, è probabile che ci sia una risposta in frequenza utile che i progettisti possono sfruttare su entrambi i lati del valore di picco indicati in una scheda tecnica. L'idea è di ottimizzare il livello SPL di uscita e la frequenza per una data potenza di ingresso. A tale fine, il dispositivo dovrebbe essere pilotato alla sua frequenza di risonanza e a frequenze all'interno delle sue zone di risonanza.

Ad esempio, la scheda tecnica dell'altoparlante CSS-10246-108 di Same Sky afferma che ha una frequenza di risonanza di 200 Hz ±40 Hz, ma il grafico della risposta in frequenza mostra un picco diverso, pari a circa 3,5 kHz. Esiste anche una zona di risonanza da circa 200 Hz a 3,5 kHz. I progettisti possono approfittare di questi approfondimenti per adattare l'altoparlante prescelto a una data applicazione.

Figura 4: Una curva di risposta in frequenza per l'altoparlante CSS-10246-108 (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Come altro esempio, il cicalino a trasduttore magnetico CMT-4023S-SMT-TR di Same Sky elenca una frequenza di risonanza di 4000 Hz nella scheda tecnica. Questo è confermato dal grafico della risposta in frequenza del cicalino riportato di seguito. In alternativa, per semplificare i problemi di risonanza, i cicalini sono disponibili anche come indicatori audio con un circuito di azionamento incorporato. Poiché il loro funzionamento è impostato su una frequenza fissa e nominale, questi dispositivi pilotati internamente non hanno bisogno di un grafico di risposta in frequenza, perché sono progettati per massimizzare il livello di SPL entro il campo di frequenza specificato.

Figura 5: Una curva di risposta in frequenza per il cicalino a trasduttore magnetico CMT-4023S-SMT-TR (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

Quando si progetta un dispositivo audio in un'applicazione, gli ingegneri devono considerare la frequenza di risonanza del dispositivo per garantire che produca il massimo livello di SPL senza indurre vibrazioni indesiderate. Questo significa usare come punto di partenza i dati riportati dal produttore, in particolare la frequenza di risonanza, poi ottimizzare il progetto attraverso la zona di risonanza esistente intorno a questo valore. Una volta completato il progetto iniziale, i prototipi possono essere utili per controllare che il modo in cui il dispositivo audio interagisce con il suo involucro e la tipologia di montaggio corrisponda alle prestazioni volute. Same Sky offre una gamma di soluzioni audio per l'intero spettro di frequenze, per aiutare gli ingegneri a trovare il componente giusto per ogni progetto.