החשיבות של תהודה ותדר תהודה במערכות אודיו

למתכננים העובדים עם מערכות אודיו מהדהדות ישנם שני אתגרי מפתח. הראשון הוא להפיק תועלת מתדר התהודה ואזור התהודה של רמקול או זמזם כדי ליצור את רמת לחץ הקול (SPL‏) ביציאה הגבוהה ביותר. השני הוא למנוע רחש וחריקות כתוצאה מתהודה במארז ומערכת הרכבה של התקן אודיו. למרות שתהודה ‏היא מושג מוכר, מאמר זה יסקור את ההשלכות שלה בתכנון אודיו, כולל האתגרים המוזכרים לעיל, גורמים המשפיעים על תהודה, כיצד לקרוא עקומת הענות תדר, ועוד.

יסודות התהודה ותדר תהודה

כדי להבין את ההשפעה של תהודה, ראשית עלינו להבין את מהותה ברמה בסיסית. תהודה מתרחשת כשאובייקט‏ פיזיקלי או מעגל אלקטרוני סופג אנרגיה מאימפולס‏ ראשוני ואחר כך ממשיך להתנדנד באותה התדירות, עם אמפליטודה הולכת וקטנה, וללא פעולה של כוח נוסף עליה. התדירות בה התנהגות זו מתרחשת ידועה כתדירות התהודה של המערכת, מצוינת כ-F0.

תהודה יכולה להופיע בהקשרים רבים. גיטרות מספקות‏ דוגמה יום-יומית מושלמת כיוון שהן מיצרות צליל על ידי רעידות בלבד. כשנגן פורט על מיתר של גיטרה אקוסטית, המיתר רוטט ומשדר את אנרגיית הקול אל תוך גוף העץ החלול של כלי הנגינה, גורם לו להדהד ולהגביר את הצליל המיוצר. באופן דומה, מסנן‏ LC‏ יכול להדהד כמעגל תהודה (tuned tank circuit) אם הוא מעורר על ידי אות בתדירות הנכונה. תופעה זו משמשת במכשירי רדיו בסיסיים כדי לקלוט אות‏ שידור על ידי כוונון ערך הקיבוליות או ההשראות במעגל התהודה כך שתדר התהודה שלו תואם את תדר השידור. תהודה אלקטרומכנית במתנד גביש פייזואלקטרי יכול לשמש כתדר ייחוס.

סקירה כללית של רכיבי יציאת אודיו

תהודה מכנית מושפעת על ידי משקל וקשיחות החיבור בין מסות שונות. ככל שזה נוגע לרמקולים סטנדרטיים, מסה זו היא הדיאפרגמה (או הקונוס) והקשיחות תלויה בגמישות המתלה המחבר את הדיאפרגמה למסגרת. מאחר ורמקולים מיוצרים בדרכים שונות רבות, כל סוג רמקול יכול להניב תדרי תהודה שונים.

גורמים נוספים שיגרמו לתדר תהודה של רמקול להשתנות כוללים את חומר הקונוס, עובי המתלה וגודל האלקטרומגנט המוצמד לחלקו האחורי של הקונוס ומשפיע על המשקל. בדרך כלל, חומרים קלים וקשיחים יותר ומתלים גמישים גורמים לתדרי תהודה גבוהים יותר. לדוגמה, רמקולים מסוג טוויטר הם קטנים וקלים עם קונוסים קשיחים עשויים ממיילר (Mylar) ומתלים גמישים מאוד. על ידי שינוי גורמים אלה, רמקולים סטנדרטיים יהיו בעלי תחום‏ תדירות אי שם בין ‎20 Hz‏ ו-‎20,000 Hz‏.

איור 1: מבנה רמקול סטנדרטי (מקור תמונה: Same Sky)

סוג אחר של רכיב יציאת אודיו הוא זמזם מתמר (Transducer) מגנטי. זמזמים מפרידים את מנגנון הדחיפה ממנגנון יצירת הצליל בדרך שונה מרמקול. הודות לדיאפרגמה‏ קלה יותר המחוברת למסגרת באופן קשיח יותר, מתמרים (Transducers) מגנטיים הם בעלי תחום תדירות נורמלי גבוה יותר, אך עם תחום מצומצם יותר. הם בדרך כלל מפיקים צליל מ-2 עד 3‎ kHz,‏ עם היתרון הנוסף שהם זקוקים לפחות זרם מרמקולים כדי ליצר את אותו ה-SPL‏.

איור 2: מבנה זמזם מגנטי סטנדרטי (מקור תמונה: Same Sky)

לבסוף, ישנם זמזמי מתמר פייזואלקטרי שהם אפילו יעילים יותר ביצירת רמות לחץ קול (SPLs) גבוהות יותר בהינתן אותו גודל זרם כמו במקבילים המגנטיים שלהם. תוך ניצול התופעה הפייזואלקטרית, הם משנים שדה‏ חשמלי כדי לגרום לאלמנט הפייזו-קרמי להתכופף בדרך אחת ואחר כך בדרך אחרת, וכתוצאה מכך ליציאת גלי קול. חומר פייזואלקטרי זה הוא קשיח בדרך כלל, והרכיבים בהם משתמשים בזמזמים מסוגים אלה הם קטנים ודקים. זמזמי מתמר פייזואלקטרי, בדומה לגרסאות מגנטיות, מחוללים רעשים צורמים בין 1 עד ‏‎5 kHz‏‏, עם תחום תדרים צר.

איור 3: מבנה זמזם פייזואלקטרי סטנדרטי (מקור תמונה: Same Sky)

שיקולי תכנון תהודה

תכנון רמקולים או זמזמים המפיקים תועלת מתהודה הוא‏ משימה מורכבת הכרוכה בהתחשבות בתדר התהודה או בתחום תדרי התהודה הרצוי, מאפייני הרמקול או הזמזם בו נשתמש והצורה והגודל של המארז בו יורכב. גורמים אלה יכולים להשפיע האחד על השני באופן קיצוני למדי.

לדוגמה, הרכבה של‏ רמקול קטן במארז‏ גדול מאוד תאפשר לו לנוע בחופשיות ולכן תדר התהודה של המערכת (רמקול ומארז) יהיה קרוב לוודאי זהה לתהודה העצמית של הרמקול כשהוא פועל באוויר פתוח. אבל אם תשים רמקול במארז קטן, אטום היטב,‏ האוויר במארז יפעל כקפיץ מכני ‏ויהיה באינטראקציה עם קונוס הרמקול וישפיע על תדר התהודה של המערכת. ישנן אינטראקציות נוספות, כגון מאפייני הדחיפה החשמלית הלא-לינאריים, שחייבים גם כן להילקח בחשבון כדי להשיג תכנון‏ יעיל.

בהינתן המורכבות, הדרך הטובה ביותר להתקדם עם תכנון אודיו כלשהו הוא לעתים קרובות לבנות אבי-טיפוס מסוימים, למדוד את המאפיינים שלהם, ואחר כך לכוונן ליצר את היציאה הטובה ביותר עם מקור האודיו הנבחר. גישה זו המבוססת על בניית אבי-טיפוס יכול גם לעזור למתכננים להבין ולפצות על העובדה שמאפייני רכיבים ישתנו בתחומי טולרנסים של ייצור וגאומטריות מארז וקשיחויות תהינה כפופות לשינויי ייצור. רמקול הבנוי‏ ביד עם הרכיבים הטובים ביותר שנבחרו מאוסף רכיבים‏ מגיע‏ לעיתים קרובות לביצועים שקשה להשיג בעקביות כשמשתמשים בטכניקות ייצור-המוני וברכיבים סטנדרטיים.

מארזים, במיוחד עבור רמקולים, חייבים גם להיות מתוכננים כך שיהיו בעלי חלל פנימי מספיק גדול כך שאנרגיית האודיו המיוצרת תתפתח ללא ניחות. הקטנה צנועה של‏ 3‎ dB‏ ב-SPL,‏ שנגרמת על ידי כיסוי או חומרי המארז, תקטין לחצי את הספק קול היציאה. בלוג פוסט “How to Design a Micro Speaker Enclosure” של Same Sky דן בכך בפירוט יתר.

באופן כללי, חשוב להסתכל על ההענות בספקטרום-המלא של רכיב אודיו ולהפיק תועלת מביצועיו בתדרים הקיימים בשני צידי שיא תדר התהודה שלו. מאחר ותדר התהודה איננו מספר‏ מדויק ולא בהכרח פס-תדרים צר מאוד, במיוחד עבור רמקולים, קרוב לוודאי ישנה הענות תדר שימושית שמתכננים יכולים לנצל בשני צידי ערך השיא המצוין בגיליון הנתונים. הרעיון הוא למטב את SPL‏ ותדר היציאה עבור הספק כניסה נתון. כדי להשיג זאת, יש לדחוף את ההתקן בתדר התהודה שלו ובתדרים בתוך אזורי התהודה שלו.

לדוגמה, גיליון הנתונים של רמקול CSS-10246-108 של Same Sky מציין שהוא בעל תדר תהודה של ‎200 Hz ±40 Hz, אך גרף הענות התדר שלו מראה שיא תהודה נוסף בערך ב-‎3.5 kHz. ישנו גם אזור‏ תהודה בערך מ-‎200 Hz‏ עד kHz‏ 3.5‏. מתכננים יכולים להפיק תועלת מתובנות אלו כדי להתאים את בחירת הרמקול שלהם ליישום שלהם.

איור 4: גרף של עקומת הענות תדר של רמקול ה-CSS-10246-108 (מקור תמונה: Same Sky)

כדוגמה נוספת, בגיליון הנתונים של זמזם מתמר מגנטי CMT-4023S-SMT-TR של ‏Same Sky רשום תדר תהודה של 4000‎ Hz. זה מאושר על ידי גרף הענות התדר להלן. לחלופין, כדי לפשט סוגיות תהודה, זמזמים זמינים גם כמחווני אודיו הכוללים מעגלי דחיפה מובנים. כיוון שהפעולה שלהם מוגדרת בתדר נקוב‏ קבוע, התקנים אלה הנדחפים פנימית אינם צריכים גרף‏ הענות תדר מאחר והם מתוכננים למקסם SPL‏ בחלון התדרים המסוים שלהם.

איור 5: גרף של עקומת הענות תדר של זמזם מתמר מגנטי CMT-4023S-SMT-TR (מקור תמונה: Same Sky)

מסקנה

כשמתכננים התקן‏ אודיו ביישום,‏ מהנדסים חייבים לקחת בחשבון את תדר התהודה של ההתקן כדי להבטיח שהוא מייצר את ה-SPL הגדול ביותר מבלי לגרום לרעידות בלתי-רצויות. זה אומר שימוש בנתונים המסופקים על ידי היצרן, במיוחד תדר התהודה, כנקודת מוצא‏ בתכנון ואחר כך מיטוב התכנון לרוחב אזור התהודה הקיים סביב ערך זה. ברגע שתכנון ראשוני הושלם, יש להשתמש באבי-טיפוס כדי לבדוק שדרך האינטראקציה של ההתקן עם המארז וההרכבה שלו תואמת את הביצועים המתוכננים. Same Sky מציעה מגוון של פתרונות אודיו לרוחב ספקטרום התדירויות כדי לסייע למהנדסים למצוא את הרכיב המתאים עבור המשימה.