מבט על תחום תדרי אודיו ורכיבי אודיו

ממכוניות דרך בתים וכלה בהתקנים ניידים, אודיו נמצא בכל מקום והיקף היישומים שלו הולך וגדל. בכל הנוגע לתכנון מערכת אודיו, הגודל, העלות והאיכות הם גורמים חשובים שיש להביא בחשבון. האיכות מושפעת ממשתנים רבים אך בדרך כלל היא נובעת מהיכולת של המערכת לשחזר את תדרי האודיו הדרושים עבור תכן נתון. במאמר זה נלמד עוד על היסודות של תחום תדרי האודיו ותת-הקבוצות שלו, על ההשפעה של תכן המארז וכיצד לקבוע אילו תחומי אודיו עשויים להיות נחוצים עבור היישום.

יסודות תחום תדרי אודיו

Hz‏ 20‏ עד Hz‏ 20,000‏ הוא בדרך כלל תחום תדרי אודיו הנפוצים. עם זאת, האדם הממוצע יכול לשמוע פחות מתחום זה של Hz‏ 20‏ עד kHz‏ 20‏, וככל שאנשים מתבגרים, תחום זה רק ממשיך להתכווץ. תדר אודיו מובן ביותר באמצעות מוזיקה כאשר כל אוקטבה עוקבת מכפילה את התדר. הצליל הנמוך ביותר של פסנתר, A‏, הוא בסביבות Hz‏ 27‏, בעוד שהצליל הגבוה ביותר שלו, C‏, קרוב ל- Hz‏ 4,186‏. מחוץ לתדרים הנפוצים הללו, כל אובייקט או התקן מייצר צליל גם בתדרים ההרמוניים. אלו הם פשוט תדרים גבוהים יותר עם אמפליטודה נמוכה יותר. לדוגמה, תו "A" של הפסנתר, Hz‏ 27‏, יוצר גם הרמוניה של Hz‏ 54‏, הרמוניה של Hz‏ 81‏ וכן הלאה, כאשר כל הרמוניה היא שקטה יותר מהקודמת. ההרמוניות הופכות להיות חשובות במיוחד במערכות רמקולים עם נאמנות-גבוהה בהן יש צורך בשחזור מדויק של מקור האודיו.

תת-הקבוצות של תדרי אודיו

הטבלה שלהלן מפרטת את שבע תת-הקבוצות של התדרים בתוך הספקטרום של Hz‏ 20‏ עד Hz‏ 20,000‏ המסייעים בהגדרת תחומי היעד המשמשים בתכנון מערכות אודיו.

טבלה 1: תת-קבוצות של תחום תדרי אודיו. (מקור התמונה: Same Sky)

גרף היענות התדרים

גרף היענות התדרים הוא דרך טובה לדמיין כיצד זמזם, מיקרופון או רמקול ישחזרו תדרי אודיו שונים. מכיוון שזמזמים מוציאים בדרך כלל רק צליל נשמע, יש להם בדרך כלל תחום תדרים צר. מצד שני, לרמקולים באופן כללי יש תחומי תדרים רחבים יותר מכיוון שהמשימות שלהם הן לרוב לשחזר צלילים וקולות.

ציר Y בגרף היענות התדרים עבור התקני יציאת אודיו, כגון רמקולים וזמזמים, מיוצג בדציבלים של רמת לחץ הקול (dB SPL), שהוא בעצם עוצמת הקול של ההתקן. ציר Y עבור התקני כניסת אודיו, כגון מיקרופונים, מייצג במקום זאת את הרגישות ב- dB‏ מאחר והם מגלים קול ולא מייצרים אותו. באיור 1 להלן, ציר X מייצג את התדרים בסולם לוגריתמי כאשר ציר Y הוא ב- dB SPL, ההופך אותו לגרף עבור התקן יציאת אודיו. יש לשים לב כי מאחר ודציבלים (dB) הם גם כן לוגריתמיים, שני הצירים הם לוגריתמיים.

איור 1‏: גרף של היענות תדרים בסיסית. (מקור התמונה: Same Sky)

גרף זה מציג כמה dB של SPL מיוצרים עם כניסת הספק קבועה בתדרים שונים, והוא שטוח יחסית עם שינויים מינימליים על פני ספקטרום התדרים. מלבד נפילה תלולה מתחת ל-Hz‏ 70‏, התקן אודיו זה ייצור SPL עקבי בין Hz‏ 70‏ עד kHz‏ 20‏ עם אותו הספק כניסה. מתחת ל- Hz‏ 70‏ יציאת SPL‏ תהיה נמוכה יותר.

גרף היענות התדרים עבור רמקול CSS-50508N‏ של Same Sky (איור 2‏) הוא דוגמה טובה יותר של פרופיל רמקול טיפוסי. גרף זה כולל אזורי שיא ואזורי שפל שונים המציינים נקודות שבהן התהודה מחזקת או מחלישה את היציאה. גיליון הנתונים של הרמקולים, שגודלם הוא 41 מ"מ x‏ 41 מ"מ, מפרט תדר תהודה של Hz‏ 76‏±‏Hz‏ 380, שניתן לראות בו את השיא העיקרי הראשון בגרף. הגרף נופל במהירות בסביבות Hz‏ 600 עד Hz‏ 700, אך לאחר מכן מספק ביצועי SPL יציבים מ-Hz‏ 800 עד Hz‏ 3,000. בשל גודל הרמקול, המתכננים יכולים להניח שה- CSS-50508N לא יספק ביצועים כה טובים בתדרים נמוכים יותר בהשוואה לתדרים גבוהים יותר, דבר המאושר על ידי הגרף. הודות להבנה כיצד ומתי להתייחס לגרף היענות התדרים, מהנדסי התכנון יכולים לאשר אם רמקול או התקן יציאה אחר יכולים לשחזר את תדרי היעד שלהם.

איור 2‏: גרף היענות התדרים עבור הרמקול בגודל 41 מ"מ x‏ 41 מ"מ CSS-50508N‏ מבית Same Sky. (מקור התמונה: Same Sky)

תחום האודיו ושיקולי המארז

תחום האודיו יכול להשפיע על תכן המארז במספר דרכים, כפי שמוצג בסעיפים להלן.

גודל הרמקול

רמקולים קטנים יותר נעים מהר יותר בהשוואה לרמקולים גדולים יותר, ומאפשרים לייצר תדרים גבוהים יותר עם פחות הרמוניות לא-רצויות. עם זאת, כאשר מנסים להשיג יציאת SPL‏ דומה בתדרים נמוכים יותר, נדרשות דיאפרגמות רמקול גדולות יותר כדי להניע מספיק אוויר על מנת להשיג את אותו SPL נתפס כמו טונים גבוהים יותר. בעוד שדיאפרגמות גדולות יותר הן כבדות הרבה יותר, לרוב זה לא יוצר בעיה בתדרים נמוכים יותר שבהם הן נעות הרבה יותר לאט.

ההחלטה בין רמקול קטן יותר או גדול יותר תלויה בסופו של דבר בדרישות היישום, אך רמקולים קטנים יותר יובילו בדרך כלל למארז קטן יותר, מה שיכול להפחית עלויות ולשפר את החיסכון במקום. קראו עוד בבלוג של Same Sky כיצד לתכנן מארז עבור מיקרו-רמקולים.

תדר התהודה

תדר התהודה מייצג את התדר שבו אובייקט רוצה לרטוט באופן טבעי. מיתרי גיטרה רוטטים בתדר התהודה שלהם בנקודה בה הם נפרטים, כשהמשמעות היא שאם היה ממוקם רמקול ליד מיתר גיטרה המנגן את תדר התהודה שלו, מיתר הגיטרה יתחיל לרטוט עם אמפליטודה גבוהה יותר עם הזמן. עם זאת, כשמדובר באודיו, אותה תופעה יכולה להוביל לזמזום ולרעש לא-רצויים עם האובייקטים שמסביב. הבלוג של Same Sky בנושא תהודה ותדר תהודה מספק מידע נוסף בנושא זה.

כדי להימנע מרמקול עם יציאה לא-לינארית והרמוניות לא-רצויות גם יחד, חשוב לוודא בעת תכנון המארז כי למארז עצמו אין תדר תהודה טבעי באותו ספקטרום כמו יציאת האודיו המיועדת.

פשרות החומרים

תכנון רמקולים ומיקרופונים דורש איזון עדין בין רכיבים החייבים להישאר דוממים, גמישים וקשיחים במהלך התנועה. הדיאפרגמה (או הקונוס) של הרמקול צריכה להיות קלה כדי לאפשר היענות מהירה תוך שמירה על קשיחות ככל האפשר כדי להימנע מדפורמציה תוך כדי התנועה. הרמקולים של Same Sky משתמשים בדרך כלל בנייר ומיילר (Mylar), שהם קלים וקשיחים גם יחד. כסוג של פלסטיק, למיילר יש גם את היתרון הנוסף של עמידות בפני רטיבות ולחות. בנוסף לדיאפרגמה, גומי משמש לחיבור הדיאפרגמה למסגרת. כדי למנוע שבירה עקב תנועה קיצונית, חומר זה חייב להיות חזק כמו גם ניתן לקיפול כך שלא יגביל את תנועת הדיאפרגמה.

איור 3‏: תרשים של מבנה בסיסי של רמקול. (מקור התמונה: Same Sky)

אותן פשרות ניתן לראות גם כאשר משווים טכנולוגיות מיקרופונים. מיקרופוני קבל אלקטרט ומיקרופני MEMS‏ מעניקים למשתמשים עמידות לאורך זמן, מארזים קומפקטיים והספק נמוך, אך עם תדרים ורגישות מוגבלים יותר. מצד שני, מיקרופוני רצועה מציעים רגישות ותחום תדרים משופרים עם הפשרה של עמידות ירודה לאורך זמן.

גם החומר הוא בחירה חשובה בתכנון מארז, המשפיע הן על התהודה והן על ספיגת הצליל. המטרה העיקרית של המארז היא לשכך את הקול שנוצר בכיוון אחורנית, כלומר החומר שנבחר חייב להיות יעיל בשיכוך קול. הדבר חיוני במיוחד ביישומי קול בתדר נמוך שבהם קשה יותר לשכך אותו.

סיכום

בסופו של דבר, יש מספר מצומצם של מערכות אודיו ואין התקן יציאת אודיו אחד שיכול להכיל את מלוא ספקטרום האודיו בכל רמת נאמנות. באופן כללי, רוב היישומים לא ידרשו את רמת הנאמנות הזו, וסביר שלא יהיה צורך ביציאה לינארית מושלמת. עם זאת, הבנת תחומי תדרי האודיו עדיין תמלא תפקיד חשוב בבחירת רכיב האודיו המתאים עבור התכן. עם הבנה זו, המהנדסים יכולים לשקלל טוב יותר את הפשרות בין העלות, הגודל והביצועים. חברת Same Sky מספקת מגוון פתרונות אודיו עם תחומי תדרים משתנים לתמיכה בחבילה מלאה של יישומים.