A hangfrekvencia-tartomány és a hangtechnikai alkatrészek rövid áttekintése

A hangtechnika az autóktól kezdve az otthonokon át a hordozható eszközökig mindenütt jelen van, és egyre több területen használják. A hangtechnikai rendszerek tervezésénél figyelembe veendő fontos tényezők többek között a méret, az ár és a minőség. Ez utóbbi számos változótól függ, de alapvetően az a döntő szempont, hogy a rendszer képes-e az adott felhasználási területhez szükséges hangfrekvenciák visszaadására. Ebből a cikkből sok mindent megtudhat a hangfrekvencia-tartomány alapjairól és alcsoportjairól, továbbá arról, hogy hogyan befolyásolja a hangzást a hangdobozok kialakítása, valamint hogy miként határozható meg az, hogy a felhasználási területtől függően milyen hangtartományokra lehet szükség.

Alapvető tudnivalók a hangfrekvencia-tartományról

Hangfrekvencia-tartomány alatt általában a 20 Hz és 20 000 Hz közötti hangrezgéstartományt értik. Az átlagember azonban ennél a 20 Hz és 20 kHz közötti tartománynál kevesebbet hall, és az életkor előrehaladtával ez a hallástartomány csak tovább szűkül. A hangfrekvenciát talán a zenén keresztül érthetjük meg a legjobban, ahol minden következő oktáv a frekvencia megkétszereződését jelenti. A zongora legmélyebb hangja, az A0 hang körülbelül 27 Hz frekvenciájú, míg legmagasabb hangja, a C8 hang frekvenciája 4186 Hz közelében van. Ezeken az alapfrekvenciákon kívül minden hangot okozó tárgy vagy eszköz előállít felharmonikus frekvenciákat is, vagyis magasabb frekvenciákat kisebb amplitúdóval. Például a zongora 27 Hz-es A0 hangja létrehoz egy 54 Hz-es felharmonikust, egy 81 Hz-es felharmonikust és így tovább, és mindegyik felharmonikus halkabb lesz az előzőnél. A felharmonikusok különösen fontosak a nagy hanghűségű (hifi, high-fidelity) hangszórórendszerekben, ahol a hangforrás által kiadott hang pontos visszaadására van szükség.

A hangfrekvencia-tartomány alcsoportjai

Az alábbi táblázat a 20 Hz és 20 000 Hz közötti tartományon belüli hét frekvencia-alcsoport felsorolását tartalmazza, amelyek a hangrendszerek tervezésekor segítenek a használni kívánt céltartományok meghatározásában.

1. táblázat: A hangfrekvencia-tartomány alkategóriái (kép: Same Sky)

Frekvenciaátviteli görbék

A frekvenciaátviteli görbék jól szemléltetik, hogy hogyan adja vissza a különböző hangfrekvenciákat egy berregő vagy zümmer, egy mikrofon vagy egy hangszóró. Mivel a berregők jellemzően csak egyetlen hallható hangot adnak ki, ezért rájuk általában szűk frekvenciatartomány jellemző. Ezzel szemben a hangszórók frekvenciatartománya általában szélesebb, mivel a feladatuk jellemzően a zenei és beszédhangok visszaadása.

A hangkiadó eszközök, például a hangszórók és berregők frekvenciaátviteli görbéjének Y tengelyén a hangnyomásszint decibelben megadott értéke (dB SPL, sound pressure level) van feltüntetve, ami alapvetően nem más, mint az eszköz hangereje. A hangvevő eszközök, például a mikrofonok esetében az Y tengely az érzékenységet mutatja decibelben (dB), mivel ezek az eszközök érzékelik, nem pedig előállítják a hangot. Az alábbi 1. ábrán az X tengelyen a frekvencia van feltüntetve logaritmikus skálán, az Y tengelyen pedig a hangnyomásszint decibelben megadott értéke (dB SPL) látható, ami azt jelenti, hogy ez egy hangkiadó eszköz frekvenciagörbéje. Megjegyezzük, hogy mivel a dB is logaritmikus érték, ezért mindkét tengelyen logaritmikus értékek szerepelnek.

1. ábra: Egy alapszintű frekvenciagörbe (kép: Same Sky)

Ez a görbe azt mutatja meg, hogy dB-ben mérve mekkora hangnyomásszint keletkezik a különböző frekvenciákon állandó bemenőteljesítmény mellett. Ez egy viszonylag lapos görbe, minimális változásokkal a frekvenciaspektrumon belül. A 70 Hz alatti meredek eséstől eltekintve ez a hangeszköz azonos bemenőteljesítmény mellett 70 Hz és 20 kHz között egyenletes hangnyomásszintet állít elő. A 70 Hz alatti frekvenciák esetén a kimenő hangnyomásszint kisebb lesz.

A Same Sky cég CSS-50508N jelű hangszórójának frekvenciagörbéje (2. ábra) jobb példa egy valós hangszórókra jellemzőbb frekvenciaátvitelre. Ezen a grafikonon több csúcs és hullámvölgy található, amelyek azokat a pontokat mutatják, ahol a rezonancia erősíti, illetve gyengíti a kimenőjelet. Ennek a 41 mm × 41 mm-es hangszórónak az adatlapján a 380 Hz ±76 Hz rezonanciafrekvencia szerepel, amely a grafikonon a görbe első nagyobb csúcsaként mutatkozik meg. Ezután 600–700 Hz környékén egy meredek zuhanás látható, de azt követően az eszköz közel állandó hangnyomásszintet mutat nagyjából 800 Hz-től 3000 Hz-ig. A hangszóró méretéből kiindulva a tervező feltételezheti, hogy a CSS-50508N nem fog olyan jól teljesíteni az alacsonyabb frekvenciákon mint a magasabbakon, és ezt a grafikon is megerősíti. Ha egy tervezőmérnök megérti, hogyan és miként kell értelmezni a frekvenciaátviteli görbéket, akkor azok segítségével megtudhatja, hogy a hangszóró vagy más hangkiadó eszköz képes lesz-e megfelelően visszaadni a kívánt frekvenciákat vagy sem.

2. ábra: A Same Sky 41 mm × 41 mm-es, CSS-50508N jelű hangszórójának frekvenciaátviteli görbéje (kép: Same Sky)

A hangfrekvencia-tartomány és a hangdoboz kialakításának szempontjai

A hangfrekvencia-tartomány többféleképpen is befolyásolhatja a hangdoboz kialakítását, az alábbi alcímeknél ismertetett módokon.

A hangszóró mérete

A kisebb méretű hangszórók membránja gyorsabban mozog, mint a nagyobbaké, így magasabb frekvenciákat tud létrehozni, kevesebb nem kívánt felharmonikussal. Ha azonban alacsonyabb frekvenciákon kell ugyanakkora kimenő hangnyomásszintet létrehozni, nagyobb hangszórómembránokra van szükség, hogy azok elegendő levegőt legyenek képesek megmozgatni a magasabb hangokéval azonos dB-ben mért hangnyomásszint eléréséhez. Bár a nagyobb membránok sokkal nehezebbek, az alacsonyabb frekvenciákon, ahol sokkal lassabban mozognak, ez általában nem okoz problémát.

A kisebb vagy nagyobb hangszóró melletti döntés végső soron a felhasználási követelményektől függ, de kisebb hangszórók esetében általában a hangdoboz is kisebb méretű lesz, ami csökkentheti a költségeket, és helytakarékossági előnyökkel is járhat. Többet megtudhat erről a témáról a Same Sky blogjában a Kis méretű hangdobozok tervezése című bejegyzést elolvasva.

A rezonanciafrekvencia

A rezonanciafrekvencia egy tárgy azon saját frekvenciája, amelyen az természetes módon rezegni szeretne. A gitárhúrok, amikor megpengetik őket, a saját rezonanciafrekvenciájukon rezegnek. Ez azt jelenti, hogy ha egy hangszórót egy gitárhúr mellé helyezünk, és a hangszóró az adott húr rezonanciafrekvenciáját sugározza, akkor a gitárhúr rezegni kezd, és ahogy telik az idő, úgy nő a rezgésének amplitúdója. Amikor viszont hangtechnikáról van szó, ugyanez a jelenség nem kívánt zúgáshoz és a környező tárgyak berezgéséhez vezethet. A Same Sky blogjának a rezonanciáról és a rezonanciafrekvenciáról szóló bejegyzése további tudnivalókat kínál ebben a témában.

Ha szeretné elkerülni egy nemlineáris kimenetű és egyben nem kívánt felharmonikusokat produkáló hangszóró építését, a hangdoboz tervezésekor mindenképpen ügyeljen arra, hogy a hangdoboznak ne a tervezett kimenő hangfrekvencia-tartománnyal azonos spektrumban legyen a saját rezonanciafrekvenciája.

Az anyagokkal kapcsolatos kompromisszumok

A hangszórók és mikrofonok szerkezetének kialakításakor nagyon kényes az egyensúly azon alkatrészek esetében, amelyeknek mozdulatlanoknak kell maradniuk, illetve a mozgás során rugalmasoknak vagy mereveknek kell lenniük. A hangszóró membránjának (vagy tányérjának) könnyűnek kell lennie, hogy gyorsan reagáljon a bemenőjelekre, ugyanakkor a lehető legmerevebbnek kell maradnia a mozgás közbeni deformáció elkerülése érdekében. A Same Sky hangszóróinak ezen részei általában papírból és mylarból készülnek, mindkettő könnyű és merev anyag. Mivel a mylar [e.: májlar] egy műanyagfajta, további előnye, hogy ellenáll a nedvességnek és a páratartalomnak. A membránon kívül gumit használnak a membránnak a kosárhoz vagy kerethez rögzítésére. A túl nagy kitéréssel járó mozgások miatti szakadások elkerülése érdekében ennek az anyagnak egyszerre kell erősnek és rugalmasnak is lennie, hogy ne korlátozza a membrán mozgását.

3. ábra: A hangszóró alapfelépítése (kép: Same Sky)

Ugyanezek a kompromisszumok a mikrofontechnikákkal való összehasonlításkor is megfigyelhetőek. Az elektret kondenzátormikrofonok és a MEMS (mikro-elektromechanikus) mikrofonok tartósságot, kis méretű tokozást és kis fogyasztást kínálnak a felhasználóknak, de mindez korlátozottabb frekvenciaátvitellel és kisebb érzékenységgel jár. Ezzel szemben a szalagmikrofonok érzékenysége jobb és frekvenciatartománya nagyobb, hátrányuk viszont, hogy kevésbé strapabíróak.

A hangdoboz tervezésekor annak anyaga is fontos, mivel hatással van mind a rezonanciára, mind a hangelnyelésre. A hangdoboz elsődleges feladata a fázisban eltolt, hátrafelé sugárzott hang csillapítása, ami azt jelenti, hogy jó hangelnyelő tulajdonságú anyagot kell választani. Ez különösen fontos az alacsonyabb frekvenciájú hangeszközöknél, ahol nehezebb a rezgések csillapítása.

Összegzés

Egy szó, mint száz: csupán korlátozott számú hangrendszer létezik, és nincs olyan önálló hangkiadó eszköz, amely képes lenne a teljes hangfrekvencia-tartományt bármilyen hanghűséggel lefedni. Általában a legtöbb felhasználási terület nem igényel ilyen szintű hanghűséget, és valószínűleg nincs szükség tökéletesen lineáris hangkimenetre sem. A hangfrekvencia-tartomány ismerete azonban továbbra is fontos szerepet játszik a megfelelő hangtechnikai alkatrészek kiválasztásában. Ezen tudás birtokában a mérnökök jobban mérlegelni tudják a költségek, a méret és a teljesítmény közötti kompromisszumokat. A Same Sky számos különböző frekvenciatartományú hangtechnikai megoldást kínál a felhasználási területek teljes skáláját lefedve.