【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。

gongzhenkeyichuxianzaiduozhongqingkuangxia。jitajiushiyigehenhaodechangjianlizi


，tawanquantongguozhendonglaichanshengshengyin。dangyanzouzhebodongyuanshengjitadeqinxianshi，qinxianzhendongbingjiangshengnengchuandidaoleqidekongxinmuzhiqinshen，shiqichanshenggongzhenbingfangdasuochanshengdeshengyin。tongyang
，ruguoshiyongshidangpinlvdexinhaojifa 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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