音频系统中共振和共振频率的重要性

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

共振音频系统设计人员面临着两项关键挑战。第一项挑战是利用扬声器或蜂鸣器的共振频率和共振区来产生最大的输出声压级 (SPL)。第二项挑战是避免共振在音频器件的音箱和安装系统中引入的嗡嗡声和格格声。虽然共振是人们熟悉的概念，但本文将回顾共振对音频设计的意义，其中包括上方提到的挑战、共振影响因素、如何理解频率响应曲线等等。

共振和共振频率基础知识

要了解共振的影响，首先要了解共振的基本特征。当物理对象或电子电路吸收来自初始脉冲的能量并随后以相同频率振动时，就会发生共振。不过，如果没有更多的作用力量，振幅会越来越小。发生共振时的频率称为系统的共振频率，表示为 F0。

共振可以出现在多种情况下。吉他就是一个很好的常见例子，它完全通过振动来产生声音。当演奏者拨动原声吉他的琴弦时，琴弦振动并将声能传递到乐器的空心木质琴身，使其产生共振并放大所产生的声音。同样，如果使用适当频率的信号激发 LC 滤波器，滤波器就会作为调谐振荡电路发生共振。在基本无线电中，这种效应可用来捕获广播信号，只需通过调整振荡电路的电容或电感值，使振荡电路的共振频率与广播频率相一致。压电晶体振荡器中的机电共振可以用作频率参考。

音频输出元器件概览

机械共振的影响因素包括重量，以及将不同质量连接在一起的刚度。对于标准扬声器，这个质量就是振膜（或音盆），而刚度则取决于连接振膜和框架的悬架的柔性。由于扬声器的制造方式多种多样，每种扬声器类型都可能产生不同的共振频率。

其他导致扬声器共振频率不同的因素包括振膜材料、悬架厚度和电磁铁尺寸。电磁铁连接至音盆后部，且会对重量产生影响。一般来说，更轻、刚性更强的材料和柔性的悬挂部件会形成更高的共振频率。例如，高频扬声器体积小、重量轻，具有刚性的聚酯薄膜音盆和高度柔性的悬挂部件。通过修改这些因素，标准扬声器可拥有 20 Hz 至 20,000 H 的频率范围。

图 1：标准扬声器结构（图片来源：CUI Devices）

另一种类型的音频输出元器件是磁传感器蜂鸣器。它们将驱动机构与发声机构分开的方式不同于扬声器。由于更轻的膜片与框架连接得更牢固，磁传感器具有更高的正常频率范围，但范围会缩小。它们通常能产生 2 至 3 kHz 的声音，额外优点是产生相同声压级所需的电流比扬声器要小。

图 2：标准磁性蜂鸣器结构（图片来源：CUI Devices）

最后，还有压电传感器蜂鸣器。相比于磁性同等产品，在相同电流下，它们能够更高效地产生更高的声压级。蜂鸣器利用压电效应，通过改变电场，以不同方向使压电陶瓷元件发生弯曲，从而产生声波输出。这种压电材料通常具有刚性，而且这些类型的蜂鸣器中使用的元器件都很小很薄。压电传感器蜂鸣器与磁性产品一样，能够产生窄频率范围的 1 至 5 kHz 高音调噪声。

图 3：标准压电蜂鸣器结构（图片来源：CUI Devices）

共振设计注意事项

若要设计能利用共振的扬声器或蜂鸣器，这是一项复杂的任务，其中需要考虑所需的共振频率或共振频率范围、将使用的扬声器或蜂鸣器特性，以及封装扬声器或蜂鸣器的音箱的形状和尺寸。这些因素彼此之间存在显著的影响。

例如，将小型扬声器安装在一个非常大的音箱中时，扬声器能够自由移动，此时系统（扬声器加上音箱）的共振频率可能与在自由空气中运行的扬声器的固有共振频率相同。但是，如果将扬声器放在一个紧密密封的小型音箱中，内部的空气将充当机械弹簧，其能与扬声器音盆相互作用并影响系统的共振频率。除此之外，还存在其他相互作用，例如非线性电气驱动特性，这些也必须给予考虑以实现高效设计。

鉴于这种复杂性，进行任何种类音频设计的最佳方式往往是建立一些原型，测量这些原型的特性，然后进行调整，以便在所选择的音频信源下产生最佳输出。这种基于原型的方法还可以帮助设计人员理解和弥补以下现实：元器件特性在制造公差范围内存在差异，并且音箱几何形状和刚度也将受到生产差异的影响。对于基于一批元器件中挑选出的最好元器件手工制作的扬声器，其所能达到性能通常难以通过大规模生产技术和标准元器件来重现。

音箱（特别是用于扬声器）还必须设计有足够的内部空间，以便在没有衰减的情况下使产生的音频能量发挥作用。由音箱覆盖物或材料引起的 3 dB 轻度声压级降低，将使输出的声功率减半。CUI Devices 的“How to Design a Micro Speaker Enclosure”（如何设计微型扬声器音箱）博客对此进行了更详细的讨论。

总体而言，务必要查看音频元器件的全频谱响应，并利用其在共振频率峰值任一侧频率上的性能。由于共振频率不是一个精确的数字，也不一定是一个非常窄的频带（对于扬声器而言尤其如此），因此在规格书中指定的峰值的任一侧上，都可能有设计人员可以利用的有用频率响应。这一概念旨在优化给定输入功率下的输出声压级和频率。为了实现这一点，器件应以其共振频率及其共振区内的频率进行驱动。

例如，CUI Devices 的 CSS-10246-108 扬声器的规格书显示其共振频率为 200 Hz ± 40 Hz，但其频率响应图显示在大约 3.5 kHz 处有另一个共振尖峰。此外，还有一个大约 200 Hz 至 3.5 kHz 的共振区。设计人员可以利用这些信息，为其应用选择相匹配的扬声器。

图 4：CSS-10246-108 扬声器频率响应曲线（图片来源：CUI Devices）

再如，CUI Devices 的 CMT-4023S-SMT-TR 磁传感器蜂鸣器的规格书中列出 4000 Hz 的共振频率。这一点可以通过下面的蜂鸣器频率响应图得到证实。另外，为了简化共振问题，蜂鸣器也可作为内置驱动电路的音频指示器使用。由于它们的运行设置为固定的额定频率，因此这些内部驱动的器件不需要频率响应图，原因是它们设计用于在其指定频率窗口中实现最大的声压级。

图 5：CMT-4023S-SMT-TR 磁传感器蜂鸣器的频率响应曲线（图片来源：CUI Devices）

总结

在为应用设计音频器件时，工程师必须考虑器件的共振频率，以确保它产生最大的声压级，而不会引起不必要的振动。这意味着使用供应商提供的数据（特别是共振频率）作为设计起点，然后在这个值周围存在的共振区内进行设计优化。一旦初步设计完成，应使用原型来检查音频器件与其音箱和安装部件的互动方式是否符合设计的性能。CUI Devices 提供一系列跨频谱的音频解决方案，以帮助工程师找到适合作业的元器件。