瞭解音訊頻率範圍和音訊元件

從車輛、家庭到可攜式裝置，音訊無所不在，應用也越來越多。提到音訊系統，其設計、尺寸、成本、品質都是要納入考量的重要因素。品質會受到許多變數影響，但通常取決於系統針對特定設計重新產生必要音訊頻率的能力。本文會介紹音訊頻率範圍及其組成項目、外殼設計造成的影響，以及如何依據應用決定可能會需要的音訊範圍。

音訊頻率範圍的基本知識

20 Hz 至 20,000 Hz 是最常見的參考音訊頻率範圍。不過，一般人可聽到的範圍比 20 Hz 至 20 kHz 還小，而且隨著年齡增長，可聽到的範圍會跟著縮小。音樂是理解音訊頻率最容易的方式，每高八度音，頻率便提升一倍。鋼琴最低音的 A 約為 27 Hz，最高音的 C 接近 4186 Hz。除了這些常見的頻率，任何可發出聲音的物體或裝置也會產生諧波頻率。這些聲音是低振幅的高頻。例如，鋼琴的 27 Hz A 音也會產生 54 Hz 諧音、81 Hz 諧音等，每一個諧音都會比前一個小聲。在高傳真揚聲器系統中，諧音特別重要，因為必須準確重新產生音源。

音訊頻率子集

下表列出 20 Hz 至 20,000 Hz 頻譜內的七個頻率子集，有助於定義音訊系統設計中的目標範圍。

表 1：音訊頻率範圍的子集。(圖片來源：Same Sky)

頻率響應圖

頻率響應圖是以視覺化方式顯示蜂鳴器、麥克風、揚聲器如何重新產生多種音訊頻率的良好方式。蜂鳴器一般只會輸出人耳可聽到的音調，因此具備的頻率範圍通常較窄。另一方面，揚聲器一般具有較寬的音訊頻率範圍，這是因為揚聲器經常用於重新產生聲響與語音。

頻率響應圖的 Y 軸代表音訊輸出裝置 (如揚聲器和蜂鳴器)，並以聲壓位準的分貝數 (dB SPL) 表示，基本上就是指裝置的聲音大小。Y 軸代表音訊輸入裝置 (如麥克風)，則是以 dB 代表其靈敏度，因為此類裝置的用途是偵測聲音而非產生聲音。在圖 1 中，X 軸以對數尺度呈現頻率，Y 軸則以 dB SPL 為單位，代表此圖用於音訊輸出裝置。請注意，由於 dB 也是對數尺度，因此雙軸都是對數尺度。

圖 1：基本的頻率響應圖。(圖片來源：Same Sky)

此圖代表在一致的功率輸入下，不同頻率會產生多少 dB SPL，結果呈現相對平坦，在整個頻譜中只有最小的變化。此音訊裝置除了在低於 70 Hz 時有陡峭的下降，若提供相同的輸入功率，在 70 Hz 和 20 kHz 之間會產生一致的 SPL。在低於 70 Hz 的頻率下，則會產生較低 SPL 的輸出。

Same Sky 的 CSS-50508N 揚聲器，其頻率響應圖 (圖 2) 是典型揚聲器曲線的最佳範例之一。此圖包含多種峰值和谷值，可指出共振讓輸出增強或減弱的時機點。此 41 mm x 41 mm 揚聲器的規格書指出共振頻率為 380 Hz ± 76 Hz，如圖上第一個主要峰值所示。在大約 600 至 700 Hz 時會快速下降，接著在大約 800 Hz 至 3,000 Hz 時提供穩定的 SPL 效能。考量到揚聲器的尺寸，設計人員可以假設 CSS-50508N 在低頻的表現不比高頻，可由此圖確認。在瞭解如何及何時該參考頻率響應圖後，設計工程師就可確認揚聲器或其他輸出裝置是否能重新產生其目標頻率。

圖 2：Same Sky 的 CSS-50508N 41 mm x 41 mm 揚聲器頻率響應圖。(圖片來源：Same Sky)

音訊範圍和外殼考量

音訊範圍會在諸多層面上影響外殼的設計，說明如下。

揚聲器尺寸

較小尺寸的揚聲器比起大型揚聲器可更快動作，因此能在減少不必要諧波的情況下產生更高頻率。不過，若試著要以更低的頻率達到相似的 SPL 輸出，就需要更大的揚聲器振膜，才能推動足夠的空氣，以達到如同高音時所感受到的相同 dB SPL。振膜越大就越重，這對低頻來說不太會構成問題，因為低頻移動較慢。

最終需依據應用的需求來決定揚聲器的大小，但更小的揚聲器通常會採用更小的外殼，進而降低成本並節省更多空間。若要進一步瞭解更多資訊，可參閱 Same Sky 的部落格文章：如何設計小型揚聲器外殼。

諧振頻率

諧振頻率代表物體正常的振動頻率。吉他弦在撥動時會以其諧振頻率振動，也就是說，當揚聲器放在吉他旁邊，並播放吉他的諧振頻率，吉他弦就會開始振動，並隨著時間增加振幅。不過，在音訊的領域，這種現象則會導致周遭物體發出不必要的蜂鳴聲和嘎嘎聲。Same Sky 就有篇部落格文章探討諧振和諧振頻率，可針對此主題提供更多資訊。

為了避免揚聲器產生非線性輸出和非必要的諧音，外殼的設計會是重要的關鍵，以確保外殼的自然諧振頻率，不會跟預計的音訊輸出位於相同的頻譜。

材料的取捨

揚聲器和麥克風的設計講求的在各種元件之間達到微妙的平衡，必須在運作時維持穩定、彈性且牢固。揚聲器的振膜 (或錐體) 必須要輕量，才能快速響應，同時也必須盡可能牢固，以免在運作時解體。Same Sky 的揚聲器常用紙質和麥拉材質，兩者皆輕量且牢靠。麥拉是一種塑膠，因此具有防潮和防濕的額外優勢。除了振膜之外，也會使用橡膠將振膜與框架連接。為了避免極端運作造成破裂，此材料必須盡可能強固且容易彎曲，才不會限制振膜動作。

圖 3：揚聲器的基本結構。(圖片來源：Same Sky)

在比較麥克風技術時，也會看到同樣的取捨考量。駐極體電容式麥克風和 MEMS 麥克風可提供使用者耐用且小型的封裝，並達到低功率，但在頻率和敏感度則較為受限。另一方面，鋁帶式麥克風可提供更高的敏感度和頻率範圍，但耐用性不佳。

材料也是外殼設計的重要考量因素，會同時影響諧振和聲音的吸收。外殼的主要目標是減少朝後方產生的反相聲音，也就是說，選用的材料必須能有效吸收聲音。這在較低頻的聲音應用中是一大關鍵，因為要在這類應用中降低聲音更加困難。

結論

總之，可以涵蓋整個音訊頻譜又達到各種傳真度的音訊系統少之又少，且沒有任何一個單獨的音訊輸出裝置可以做到。一般而言，大多數應用並不需要達到這種等級的傳真度，也不需要完美的線性輸出。不過，對音訊頻率範圍有所瞭解，在挑選適合設計的音訊元件時仍相當有幫助。瞭解此知識，工程師就可在成本、尺寸與效能之間達到更好的取捨。Same Sky 提供多種音訊解決方案，可因應不同的頻率範圍，全方位支援各種應用。