オーディオ設計での共振と共振周波数の影響について理解する

エンジニアはほぼすべての方が、共鳴の概念と、システム設計におけるその多くの意味については良く知っています。電気的、機械的、または混合モードの共振は、それを使うことで設計上のメリットをもたらしたり、あるいは全体的なパフォーマンスにマイナスの影響を与えたり、不利益をもたらすこともあります。このブログでは、共振周波数、オーディオ・デバイスの共振に影響する要因、周波数応答曲線の使用方法、ブザーやスピーカーの自己共振に関する課題など、共振関連の問題について説明します。CUI Devicesのオーディオ・コンポーネントの全ラインナップをご覧ください。

共振および共振周波数とは?

共振は、物理的な物体または電子回路が、最初の変位かソースからのエネルギーを吸収し、その後、追加的な力またはエネルギーが作用することなく、結果として生じる機械的または電気的振動を維持するときに起こります。この振動が発生する周波数は、共振周波数として知られF0とされています。

共振の例

共振は、多くの形態で現れる物理的現象であり、低いオーディオレベルからGHzレベルのRF周波数まで、周波数スペクトルのどの部分でも発生する可能性があります。ここでは、実際の共鳴の例をいくつか紹介します。

• 子供が使うブランコは、ロープの長さによって周波数が決まる共鳴振り子を表しています。
• 一部のレーザーは、対向するミラー表面間の反射に基づく共振を利用しています。
• 機械システムでは、機器は、そのモーター速度がより低いRPMから高いRPMへと増加するにつれて、共振周波数で過度に振動し、振動することがあります。
• 電子機器では、刺激されたLCフィルタは、動作周波数を確立するための同調タンク回路として共鳴します。
• システムやシンセサイザーのクロックを提供する圧電水晶発振器は、電気機械共振の一例です。
• スピーカーは共振周波数を持ち、入力電力をオーディオ出力電力に変換するところで最も効率的になります。

多くのシステム属性と同様に、共鳴は望ましいものであり、必要な属性や管理や抑制が必要な問題を強調するために利用されます。共振は、LCタンク回路や水晶振動子の基本機能を有効にしますが、機械では、自己破壊の原因となる可能性もあります。ブザーやスピーカーなどの音源に対しては、共振はSPLを最大化しますが、不要な高調波の原因にもなります。これにより、耳障りなブザーを発生させたり、エンクロージャや周囲の物体とのガタつきが生じることがあります。

オーディオ・コンポーネントの共振周波数

機械的な共鳴は、重量や異なる質量をつなぐ剛性によって影響を受けます。標準的なスピーカーの場合、考慮される質量はコーン（またはダイヤフラム）で、剛性は、コーンをフレームに接続するサスペンションの柔軟性に依存します。しかし、スピーカーが製造される方法は数多くあり、使用する材料や取り付け方、スピーカーの種類によって共振周波数は異なります。

前述のように、標準スピーカーには、サスペンションを介してフレームに接続されたコーンがあります。また、コーンの後部には電磁石が取り付けられており、重量に影響します。共振周波数は、コーンに使用される材料、サスペンションの厚さ、電磁石のサイズによって異なります。通常は、より軽量で剛性の高い材料とより柔軟なサスペンションが、より高い共振周波数をもたらします。そのため、高周波数のツイーターは小型、すなわち軽量であり、一般的に硬性マイラーコーンと非常に柔軟性のあるサスペンションを備えています。一般的に、これらの要因を改善することで、標準スピーカーは 20 Hz から 20,000 Hz の間の周波数範囲を備えています。

磁気トランスデューサー・ブザーは、また別のオーディオデバイスですが、駆動のメカニズムがサウンド生成機構から、標準のスピーカーとは異なる方法で分離しています。ダイヤフラムは軽量化されており、フレームにさらにしっかりと取り付けられるため、通常の周波数範囲がより高くなり、その範囲が小さくなります。磁気トランスデューサー・ブザーは、通常2～3 kHzの範囲の音を生成し、同じSPLの標準スピーカーほどの電流は必要としません。

最後に、圧電トランスデューサは、音を生成するための三つ目の方法です。圧電効果を使用しており、変化する電場を使用して、材料をまず一方向に曲げ、その後反対方向に曲げます。圧電材料は通常非常に硬く、圧電トランスデューサに使われる部品は非常に小さくて薄いものです。このため、磁気トランスデューサー・ブザーと同様に、通常1～5kHzの高ピッチ・ノイズを生成し、周波数範囲は狭くなっています。これらは通常、同じ電流量の磁気ブザーよりもさらに高いSPLを生成するため、磁気ブザーよりも効率が高くなります。

周波数応答曲線の共振の読み取り値

オーディオデバイスの共振周波数を決定するためのテストをおこなうことは可能ではありますが、通常はその必要はありません。大半のメーカーは、データシートに SPL と周波数のグラフを提供し、全体的な周波数応答と共に共振周波数を示しています。ただし、メーカーは、システム全体にオーディオデバイスを統合するために使用される実装、エンクロージャのサイズ、構造、材料のために、この共振周波数の仕様に変更を加えることはできません。とはいえ、選択と設計の出発点として役立つリソースです。

以下は、CMT-4023S-SMT-TR磁気トランスデューサー・ブザーの周波数応答グラフの例です。そのデータシートには、周波数応答チャートに示されたピークで明確に示される 4000 Hz の共振周波数が記載されています。

オーディオ・インジケーターは、磁気および圧電技術のいずれかを使用しており、これもオプションです。その内蔵型駆動回路によって、これらの内部駆動デバイスは、動作が固定された定格周波数であることから、周波数応答グラフは必要ありません。これらはその周波数ウィンドウでSPLを最大化し、共振問題を簡素化するように設計されています。

また別の例として、CSS-10246-108 スピーカーはデータシートに 200 Hz ± 40 Hz の共振周波数を記載していますが、その周波数応答グラフには、およそ 3.5 kHz の別の共振スパイクと、およそ 200 Hz から 3.5 kHz の共振ゾーンも表示されています。

全体として、各オーディオデバイスは、音を増幅する周波数と、音を低減または減衰させる周波数を持つことになります。オーディオデバイスの共振周波数や共振ゾーンまたはその近くに周波数を持つ入力信号を持つブザーまたはスピーカを駆動することで、設計者は最小の入力電力で最高のSPLを作成できます。ただし、ほとんどのアプリケーションは1つの周波数でしか動作しません。共振周波数は最大SPLが達成される場所であるが、SPLが意図する用途に十分である限り、スピーカーやブザーは、その仕様に従って周波数範囲にわたって使用することができます。

共振器設計の課題

デバイスの共振周波数がわかると、設計者にとって今度は共振に関わる2つの課題が浮かび上がります。1つは、固有の共振周波数と共振ゾーンを利用してSPLを最大化すること、二つ目は、共振誘発効果による設置における望ましくないブザーとガタつきを回避することです。

最初の設計段階では、デューデリジェンスと大まかな評価が重要になりますが、プロトタイプを構築し、試行錯誤によって特定のオーディオ・ソースに最適なエンクロージャを実証的に生成する代わりに、プロトタイプを作成する必要はありません。また、いかなる実装においても、コンポーネントの許容差の範囲と生産のバリエーションを考慮する必要があります。

さらに、特にスピーカーについては、オーディオ出力が分散されるオーディオエネルギーのスペース不足により減弱しないように、筐体に十分な立体的なボリュームがあることを確認することが重要です。エンクロージャカバーや材料によってSPLが3-dB程度減少しても、出力音出力は50%減少します。当社のブログ『マイクロスピーカーエンクロージャーの設計方法』では、この問題に関する有益な洞察と適切なエンクロージャー設計のヒントを提供しています。

全体として、オーディオデバイスのフルスペクトル応答を調べ、共振周波数の両側でより広い周波数範囲を活用することが重要です。最終的な設計目的は、ブザーやスピーカーに供給される特定の電力に対して出力SPLと周波数を最適化することです。これを達成するには、デバイスが駆動される周波数を共振ならびにより広い応答スペクトルと一致させる必要があります。共振周波数は正確な数値ではなく、必ずしも狭い範囲ではないため、データシートで指定されている数値の両側に望ましい応答がある可能性がありますのでご注意ください。

結論

オーディオデバイスとその出力をアプリケーションに組み込む設計では、エンジニアはデバイスの共振周波数を考慮し、望ましくないブザーやガタつきを避けながら最終製品がSPLを最大化できるようにする必要があります。これには、ベンダー提供の番号、特に共振周波数を使用し、この値の上と下の共振ゾーンで設計を最適化する必要があります。初期設計が完了したら、エンクロージャとマウントとの間の相互作用の実践的な検証を実行して、理論計算を確認する必要があります。結果として、ユーザと製造要件の両方を満たすことで、製品目標を満たすオーディオ出力が得られます。