Um olhar sobre a faixa da frequência de áudio e componentes de áudio

Desde carros a casas até dispositivos portáteis, o áudio está por toda parte e está apenas crescendo nessas aplicações. Quando se trata de projeto de sistemas de áudio, tamanho, custo e qualidade são fatores importantes a serem considerados. A qualidade é influenciada por muitas variáveis, mas normalmente se resume à capacidade de um sistema de recriar as frequências de áudio necessárias para um determinado projeto. Neste artigo, saiba mais sobre os fundamentos da faixa de frequência de áudio e seus subconjuntos, o impacto do projeto da caixa e como determinar quais faixas de áudio podem ser necessárias, dependendo da aplicação.

Noções básicas sobre a faixa de frequência de áudio

20 Hz a 20.000 Hz é a faixa de frequência de áudio comumente referenciada. Entretanto, o ser humano médio pode ouvir menos que esta faixa de 20 Hz a 20 kHz e, conforme as pessoas envelhecem, esta faixa detectável só continua a encolher. A frequência de áudio é mais bem compreendida através da música, onde cada oitava subsequente duplica a frequência. A nota mais baixa de Lá de um piano é cerca de 27 Hz, enquanto sua nota mais alta de Dó é próxima de 4186 Hz. Fora dessas frequências comuns, qualquer objeto ou dispositivo que produza som também produz frequências harmônicas. Estas são simplesmente frequências mais altas a uma amplitude menor. Como exemplo, a nota "Lá" de um piano de 27 Hz também gera uma harmônica de 54 Hz, harmônica de 81 Hz, e assim por diante, sendo cada harmônica mais silenciosa que a última. As harmônicas se tornam particularmente importantes em sistemas de alta-fidelidade de alto-falantes onde é necessária a recriação precisa da fonte de áudio.

Subconjuntos de frequência de áudio

A tabela abaixo lista os sete subconjuntos de frequência dentro do espectro de 20 Hz a 20.000 Hz que ajudam a definir as faixas alvos utilizadas no projeto do sistema de áudio.

Tabela 1: Subconjuntos da faixa de frequência de áudio. (Fonte da imagem: Same Sky)

Gráficos da resposta de frequência

Os gráficos da resposta de frequência são uma boa maneira de visualizar como uma campainha, microfone ou alto-falante irá reproduzir várias frequências de áudio. Como as campainhas, ou buzzers, normalmente só emitem um tom audível, elas em geral apresentam uma faixa de frequência estreita. Por outro lado, os alto-falantes geralmente carregam faixas de frequência mais amplas porque são normalmente encarregados de recriar o som e a voz.

O eixo y em um gráfico de resposta de frequência para dispositivos de saída de áudio, tais como alto-falantes e campainhas, é representado em decibéis do nível de pressão sonora (dB SPL), que é basicamente a sonoridade de um dispositivo. O eixo y para dispositivos de entrada de áudio, como microfones, em vez disso, representa a sensibilidade em dB, uma vez que eles estão detectando em vez de produzir som. Na Figura 1 abaixo, o eixo x representa a frequência em uma escala logarítmica com o eixo y listado em dB SPL, o que faz deste um gráfico para um dispositivo de saída de áudio. Observe que, como os dBs também são logarítmicos, ambos os eixos são logarítmicos.

Figura 1: Gráfico básico da resposta de frequência. (Fonte da imagem: Same Sky)

Representando quantos dB de SPL serão produzidos com uma entrada de potência constante em diferentes frequências, este gráfico é relativamente plano com mudanças mínimas em todo o espectro de frequências. Além de uma queda acentuada abaixo de 70 Hz, este dispositivo de áudio fornecido com a mesma potência de entrada produziria um SPL consistente entre 70 Hz e 20 kHz. Qualquer coisa abaixo de 70 Hz produziria menos saída SPL.

O gráfico da resposta de frequência para o alto-falante CSS-50508N da Same Sky (Figura 2) é um exemplo melhor de um perfil de alto-falante mais típico. Este gráfico inclui picos e vales variados que denotam pontos onde a ressonância reforça ou reduz a saída. Esta ficha técnica do alto-falante de 41 mm x 41 mm lista uma frequência ressonante de 380 Hz ± 76 Hz, que pode ser vista como o primeiro pico principal no gráfico. Isto cai rapidamente em torno de 600 a 700 Hz, mas depois fornece um desempenho estável do SPL de aproximadamente 800 Hz a 3.000 Hz. Devido ao tamanho do alto-falante, um projetista poderia presumir que o CSS-50508N não teria um bom desempenho em frequências mais baixas em comparação com frequências mais altas, o que é confirmado pelo gráfico. Ao entender como e quando fazer referência a um gráfico da resposta de frequência, um engenheiro de projeto pode confirmar se um alto-falante ou outro dispositivo de saída pode reproduzir suas frequências desejadas.

Figura 2: Gráfico da resposta de frequência para o alto-falante CSS-50508N da Same Sky, 41 mm x 41 mm. (Fonte da imagem: Same Sky)

Considerações sobre a caixa e a faixa de áudio

A faixa de áudio pode impactar o projeto da caixa de várias maneiras, conforme descrito nas seções abaixo.

Tamanho do alto-falante

Alto-falantes menores movem-se mais rapidamente em comparação com alto-falantes maiores, permitindo-lhes produzir frequências mais altas com menos harmônicas indesejadas. Entretanto, ao tentar alcançar uma saída SPL similar em frequências mais baixas, são necessários diafragmas maiores dos alto-falantes para movimentar ar suficiente a fim de igualar os mesmos dB SPL percebidos como tons mais agudos. Embora os diafragmas maiores sejam muito mais pesados, isto geralmente não cria um problema em frequências mais baixas, onde eles se movem muito mais lentamente.

A decisão entre um alto-falante menor ou maior dependerá, em última análise, das exigências da aplicação, mas alto-falantes menores normalmente levam a uma caixa menor, o que pode reduzir os custos e melhorar a economia de espaço. Saiba mais no blog da Same Sky em Como projetar uma caixa para microalto-falante.

Frequência ressonante

A frequência ressonante representa a frequência na qual um objeto quer vibrar naturalmente. As cordas do violão vibram em sua frequência ressonante quando são tocadas, o que significa que se um alto-falante fosse colocado ao lado de uma corda de violão tocando sua frequência ressonante, a corda do violão começaria a vibrar e a aumentar em amplitude com o tempo. Entretanto, quando se trata de áudio, este mesmo fenômeno pode provocar chocalhos e zumbidos indesejados com objetos ao redor. O blog da Same Sky sobre ressonância e frequência ressonante fornece informações adicionais sobre este tópico.

Para evitar ter um alto-falante com uma saída não linear e harmônicas indesejadas, torna-se importante no projeto da caixa confirmar que ela não tem uma frequência de ressonância natural no mesmo espectro que a saída de áudio pretendida.

Contrapartida de materiais

O projeto do alto-falante e do microfone atinge um equilíbrio delicado entre componentes que devem permanecer parados, flexíveis e rígidos durante o movimento. O diafragma (ou cone) de um alto-falante deve ser leve para permitir uma resposta rápida, enquanto permanece o mais rígido possível para evitar deformações à medida que se move. Os alto-falantes da Same Sky normalmente usam papel e mylar, que são tanto leves quanto rígidos. Como um tipo de plástico, o mylar também tem o benefício adicional de ser resistente ao orvalho e à umidade. Além do diafragma, a borracha é utilizada para conectar o diafragma à estrutura. Para evitar rupturas devido a movimentos extremos, este material deve ser forte e maleável, de modo a não restringir o movimento do diafragma.

Figura 3: Construção básica de um alto-falante. (Fonte da imagem: Same Sky)

Essas mesmas contrapartidas também podem ser vistas ao comparar as tecnologias de microfone. Os microfones condensadores de eletreto e os microfones MEMS proporcionam aos usuários durabilidade, invólucros compactos e baixa potência, mas com frequência e sensibilidade mais limitadas. Por outro lado, os microfones de fita oferecem melhor sensibilidade e faixa de frequência com a contrapartida da má durabilidade.

O material também é uma escolha importante no projeto da caixa, impactando tanto a ressonância quanto a absorção do som. O objetivo principal de uma caixa é amortecer o som gerado para trás e fora de fase, o que significa que o material escolhido deve ser eficaz na absorção do som. Isto é particularmente crucial em aplicações de som de baixa frequência onde é mais difícil de amortecer.

Conclusão

No final das contas, há um número limitado de sistemas de áudio e nenhum dispositivo de saída de áudio individual que possa abranger todo o espectro de áudio com qualquer nível de fidelidade. Em geral, a maioria das aplicações não exigirá este nível de fidelidade, e uma saída perfeitamente linear provavelmente não será necessária. Entretanto, a compreensão da faixa de frequência de áudio ainda desempenhará um papel importante na seleção de um componente de áudio apropriado para um projeto. Ao ter este entendimento, os engenheiros podem ponderar melhor as contrapartidas entre custo, tamanho e desempenho. A Same Sky fornece uma gama de soluções de áudio com faixas de frequência variadas para suportar um pacote completo de aplicações.