【導讀】共振音頻係統設計人員麵臨著兩項關鍵挑戰。第一項挑戰是利用揚聲器或蜂鳴器的共振頻率和共振區來產生最大的輸出聲壓級 (SPL)。第(di)二(er)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)避(bi)免(mian)共(gong)振(zhen)在(zai)音(yin)頻(pin)器(qi)件(jian)的(de)音(yin)箱(xiang)和(he)安(an)裝(zhuang)係(xi)統(tong)中(zhong)引(yin)入(ru)的(de)嗡(weng)嗡(weng)聲(sheng)和(he)格(ge)格(ge)聲(sheng)。雖(sui)然(ran)共(gong)振(zhen)是(shi)人(ren)們(men)熟(shu)悉(xi)的(de)概(gai)念(nian)，但(dan)本(ben)文(wen)將(jiang)回(hui)顧(gu)共(gong)振(zhen)對(dui)音(yin)頻(pin)設(she)計(ji)的(de)意(yi)義(yi)，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)上(shang)方(fang)提(ti)到(dao)的(de)挑(tiao)戰(zhan)
、共振影響因素
、如何理解頻率響應曲線等等。

共振和共振頻率基礎知識

要yao了le解jie共gong振zhen的de影ying響xiang
，首shou先xian要yao了le解jie共gong振zhen的de基ji本ben特te征zheng。當dang物wu理li對dui象xiang或huo電dian子zi電dian路lu吸xi收shou來lai自zi初chu始shi脈mai衝chong的de能neng量liang並bing隨sui後hou以yi相xiang同tong頻pin率lv振zhen動dong時shi，就jiu會hui發fa生sheng共gong振zhen。不bu過guo，如ru果guo沒mei有you更geng多duo的de作zuo用yong力li量liang，振zhen幅fu會hui越yue來lai越yue小xiao。發fa生sheng共gong振zhen時shi的de頻pin率lv稱cheng為wei係xi統tong的de共gong振zhen頻pin率lv，表biao示shi為wei F0。

共(gong)振(zhen)可(ke)以(yi)出(chu)現(xian)在(zai)多(duo)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)。吉(ji)他(ta)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)常(chang)見(jian)例(li)子(zi)，它(ta)完(wan)全(quan)通(tong)過(guo)振(zhen)動(dong)來(lai)產(chan)生(sheng)聲(sheng)音(yin)。當(dang)演(yan)奏(zou)者(zhe)撥(bo)動(dong)原(yuan)聲(sheng)吉(ji)他(ta)的(de)琴(qin)弦(xian)時(shi)，琴(qin)弦(xian)振(zhen)動(dong)並(bing)將(jiang)聲(sheng)能(neng)傳(chuan)遞(di)到(dao)樂(le)器(qi)的(de)空(kong)心(xin)木(mu)質(zhi)琴(qin)身(shen)

，使(shi)其(qi)產(chan)生(sheng)共(gong)振(zhen)並(bing)放(fang)大(da)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)聲(sheng)音(yin)。同(tong)樣(yang)，如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)頻(pin)率(lv)的(de)信(xin)號(hao)激(ji)發(fa) LC 濾lv波bo器qi，濾lv波bo器qi就jiu會hui作zuo為wei調tiao諧xie振zhen蕩dang電dian路lu發fa生sheng共gong振zhen。在zai基ji本ben無wu線xian電dian中zhong，這zhe種zhong效xiao應ying可ke用yong來lai捕bu獲huo廣guang播bo信xin號hao，隻zhi需xu通tong過guo調tiao整zheng振zhen蕩dang電dian路lu的de電dian容rong或huo電dian感gan值zhi

，使shi振zhen蕩dang電dian路lu的de共gong振zhen頻pin率lv與yu廣guang播bo頻pin率lv相xiang一yi致zhi。壓ya電dian晶jing體ti振zhen蕩dang器qi中zhong的de機ji電dian共gong振zhen可ke以yi用yong作zuo頻pin率lv參can考kao。

音頻輸出元器件概覽

機械共振的影響因素包括重量
，以及將不同質量連接在一起的剛度。對於標準揚聲器，這個質量就是振膜（或音盆）
，而剛度則取決於連接振膜和框架的懸架的柔性。由於揚聲器的製造方式多種多樣
，每種揚聲器類型都可能產生不同的共振頻率。

其他導致揚聲器共振頻率不同的因素包括振膜材料、懸架厚度和電磁鐵尺寸。電磁鐵連接至音盆後部，且會對重量產生影響。一般來說，更輕
、剛性更強的材料和柔性的懸掛部件會形成更高的共振頻率。例如，高頻揚聲器體積小、重量輕，具有剛性的聚酯薄膜音盆和高度柔性的懸掛部件。通過修改這些因素，標準揚聲器可擁有 20 Hz 至 20,000 H 的頻率範圍。

圖 1：標準揚聲器結構（圖片來源：CUI Devices）

另(ling)一(yi)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)音(yin)頻(pin)輸(shu)出(chu)元(yuan)器(qi)件(jian)是(shi)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)。它(ta)們(men)將(jiang)驅(qu)動(dong)機(ji)構(gou)與(yu)發(fa)聲(sheng)機(ji)構(gou)分(fen)開(kai)的(de)方(fang)式(shi)不(bu)同(tong)於(yu)揚(yang)聲(sheng)器(qi)。由(you)於(yu)更(geng)輕(qing)的(de)膜(mo)片(pian)與(yu)框(kuang)架(jia)連(lian)接(jie)得(de)更(geng)牢(lao)固(gu)
，磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)正(zheng)常(chang)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)，但(dan)範(fan)圍(wei)會(hui)縮(suo)小(xiao)。它(ta)們(men)通(tong)常(chang)能(neng)產(chan)生(sheng) 2 至 3 kHz 的聲音
，額外優點是產生相同聲壓級所需的電流比揚聲器要小。

圖 2：標準磁性蜂鳴器結構（圖片來源：CUI Devices）

最(zui)後(hou)，還(hai)有(you)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)。相(xiang)比(bi)於(yu)磁(ci)性(xing)同(tong)等(deng)產(chan)品(pin)，在(zai)相(xiang)同(tong)電(dian)流(liu)下(xia)，它(ta)們(men)能(neng)夠(gou)更(geng)高(gao)效(xiao)地(di)產(chan)生(sheng)更(geng)高(gao)的(de)聲(sheng)壓(ya)級(ji)。蜂(feng)鳴(ming)器(qi)利(li)用(yong)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)

，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)電(dian)場(chang)，以(yi)不(bu)同(tong)方(fang)向(xiang)使(shi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)元(yuan)件(jian)發(fa)生(sheng)彎(wan)曲(qu)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)聲(sheng)波(bo)輸(shu)出(chu)。這(zhe)種(zhong)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)通(tong)常(chang)具(ju)有(you)剛(gang)性(xing)，而(er)且(qie)這(zhe)些(xie)類(lei)型(xing)的(de)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)都(dou)很(hen)小(xiao)很(hen)薄(bo)。壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)與(yu)磁(ci)性(xing)產(chan)品(pin)一(yi)樣(yang)，能(neng)夠(gou)產(chan)生(sheng)窄(zhai)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)的(de) 1 至 5 kHz 高音調噪聲。

圖 3：標準壓電蜂鳴器結構（圖片來源：CUI Devices）

共振設計注意事項

若要設計能利用共振的揚聲器或蜂鳴器
，這是一項複雜的任務

，其中需要考慮所需的共振頻率或共振頻率範圍、將使用的揚聲器或蜂鳴器特性
，以及封裝揚聲器或蜂鳴器的音箱的形狀和尺寸。這些因素彼此之間存在顯著的影響。

例如，將小型揚聲器安裝在一個非常大的音箱中時
，揚聲器能夠自由移動
，此時係統（揚聲器加上音箱）的de共gong振zhen頻pin率lv可ke能neng與yu在zai自zi由you空kong氣qi中zhong運yun行xing的de揚yang聲sheng器qi的de固gu有you共gong振zhen頻pin率lv相xiang同tong。但dan是shi，如ru果guo將jiang揚yang聲sheng器qi放fang在zai一yi個ge緊jin密mi密mi封feng的de小xiao型xing音yin箱xiang中zhong，內nei部bu的de空kong氣qi將jiang充chong當dang機ji械xie彈dan簧huang
，其qi能neng與yu揚yang聲sheng器qi音yin盆pen相xiang互hu作zuo用yong並bing影ying響xiang係xi統tong的de共gong振zhen頻pin率lv。除chu此ci之zhi外wai，還hai存cun在zai其qi他ta相xiang互hu作zuo用yong
，例li如ru非fei線xian性xing電dian氣qi驅qu動dong特te性xing
，這zhe些xie也ye必bi須xu給gei予yu考kao慮lv以yi實shi現xian高gao效xiao設she計ji。

鑒(jian)於(yu)這(zhe)種(zhong)複(fu)雜(za)性(xing)，進(jin)行(xing)任(ren)何(he)種(zhong)類(lei)音(yin)頻(pin)設(she)計(ji)的(de)最(zui)佳(jia)方(fang)式(shi)往(wang)往(wang)是(shi)建(jian)立(li)一(yi)些(xie)原(yuan)型(xing)，測(ce)量(liang)這(zhe)些(xie)原(yuan)型(xing)的(de)特(te)性(xing)，然(ran)後(hou)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)，以(yi)便(bian)在(zai)所(suo)選(xuan)擇(ze)的(de)音(yin)頻(pin)信(xin)源(yuan)下(xia)產(chan)生(sheng)最(zui)佳(jia)輸(shu)出(chu)。這(zhe)種(zhong)基(ji)於(yu)原(yuan)型(xing)的(de)方(fang)法(fa)還(hai)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)理(li)解(jie)和(he)彌(mi)補(bu)以(yi)下(xia)現(xian)實(shi)：yuanqijiantexingzaizhizaogongchafanweineicunzaichayi

，bingqieyinxiangjihexingzhuanghegangduyejiangshoudaoshengchanchayideyingxiang。duiyujiyuyipiyuanqijianzhongtiaoxuanchudezuihaoyuanqijianshougongzhizuodeyangshengqi，qisuonengdadaoxingnengtongchangnanyitongguodaguimoshengchanjishuhebiaozhunyuanqijianlaizhongxian。

音箱（特別是用於揚聲器）還必須設計有足夠的內部空間，以便在沒有衰減的情況下使產生的音頻能量發揮作用。由音箱覆蓋物或材料引起的 3 dB 輕度聲壓級降低
，將使輸出的聲功率減半。CUI Devices 的“How to Design a Micro Speaker Enclosure”（如何設計微型揚聲器音箱）博客對此進行了更詳細的討論。

總zong體ti而er言yan，務wu必bi要yao查zha看kan音yin頻pin元yuan器qi件jian的de全quan頻pin譜pu響xiang應ying

，並bing利li用yong其qi在zai共gong振zhen頻pin率lv峰feng值zhi任ren一yi側ce頻pin率lv上shang的de性xing能neng。由you於yu共gong振zhen頻pin率lv不bu是shi一yi個ge精jing確que的de數shu字zi，也ye不bu一yi定ding是shi一yi個ge非fei常chang窄zhai的de頻pin帶dai（對於揚聲器而言尤其如此）
，因(yin)此(ci)在(zai)規(gui)格(ge)書(shu)中(zhong)指(zhi)定(ding)的(de)峰(feng)值(zhi)的(de)任(ren)一(yi)側(ce)上(shang)，都(dou)可(ke)能(neng)有(you)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)的(de)有(you)用(yong)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)。這(zhe)一(yi)概(gai)念(nian)旨(zhi)在(zai)優(you)化(hua)給(gei)定(ding)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)下(xia)的(de)輸(shu)出(chu)聲(sheng)壓(ya)級(ji)和(he)頻(pin)率(lv)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian)
，器(qi)件(jian)應(ying)以(yi)其(qi)共(gong)振(zhen)頻(pin)率(lv)及(ji)其(qi)共(gong)振(zhen)區(qu)內(nei)的(de)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)驅(qu)動(dong)。

例如，CUI Devices 的 CSS-10246-108 揚聲器的規格書顯示其共振頻率為 200 Hz ± 40 Hz，但其頻率響應圖顯示在大約 3.5 kHz 處有另一個共振尖峰。此外，還有一個大約 200 Hz 至 3.5 kHz 的共振區。設計人員可以利用這些信息
，為其應用選擇相匹配的揚聲器。

圖 4：CSS-10246-108 揚聲器頻率響應曲線（圖片來源：CUI Devices）

再如，CUI Devices 的 CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的規格書中列出 4000 Hz 的(de)共(gong)振(zhen)頻(pin)率(lv)。這(zhe)一(yi)點(dian)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)下(xia)麵(mian)的(de)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)圖(tu)得(de)到(dao)證(zheng)實(shi)。另(ling)外(wai)，為(wei)了(le)簡(jian)化(hua)共(gong)振(zhen)問(wen)題(ti)
，蜂(feng)鳴(ming)器(qi)也(ye)可(ke)作(zuo)為(wei)內(nei)置(zhi)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)的(de)音(yin)頻(pin)指(zhi)示(shi)器(qi)使(shi)用(yong)。由(you)於(yu)它(ta)們(men)的(de)運(yun)行(xing)設(she)置(zhi)為(wei)固(gu)定(ding)的(de)額(e)定(ding)頻(pin)率(lv)，因(yin)此(ci)這(zhe)些(xie)內(nei)部(bu)驅(qu)動(dong)的(de)器(qi)件(jian)不(bu)需(xu)要(yao)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)圖(tu)，原(yuan)因(yin)是(shi)它(ta)們(men)設(she)計(ji)用(yong)於(yu)在(zai)其(qi)指(zhi)定(ding)頻(pin)率(lv)窗(chuang)口(kou)中(zhong)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)的(de)聲(sheng)壓(ya)級(ji)。

圖 5：CMT-4023S-SMT-TR 磁傳感器蜂鳴器的頻率響應曲線（圖片來源：CUI Devices）

總結

在(zai)為(wei)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)音(yin)頻(pin)器(qi)件(jian)時(shi)，工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)器(qi)件(jian)的(de)共(gong)振(zhen)頻(pin)率(lv)，以(yi)確(que)保(bao)它(ta)產(chan)生(sheng)最(zui)大(da)的(de)聲(sheng)壓(ya)級(ji)，而(er)不(bu)會(hui)引(yin)起(qi)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)振(zhen)動(dong)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)使(shi)用(yong)供(gong)應(ying)商(shang)提(ti)供(gong)的(de)數(shu)據(ju)（特別是共振頻率）作(zuo)為(wei)設(she)計(ji)起(qi)點(dian)，然(ran)後(hou)在(zai)這(zhe)個(ge)值(zhi)周(zhou)圍(wei)存(cun)在(zai)的(de)共(gong)振(zhen)區(qu)內(nei)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)優(you)化(hua)。一(yi)旦(dan)初(chu)步(bu)設(she)計(ji)完(wan)成(cheng)
，應(ying)使(shi)用(yong)原(yuan)型(xing)來(lai)檢(jian)查(zha)音(yin)頻(pin)器(qi)件(jian)與(yu)其(qi)音(yin)箱(xiang)和(he)安(an)裝(zhuang)部(bu)件(jian)的(de)互(hu)動(dong)方(fang)式(shi)是(shi)否(fou)符(fu)合(he)設(she)計(ji)的(de)性(xing)能(neng)。CUI Devices 提供一係列跨頻譜的音頻解決方案
，以幫助工程師找到適合作業的元器件。

來源：Digi-Key，作者：Jeff Smoot

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