Aperçu de la gamme de fréquences audio et des composants audio

Par Jeff Smoot, Vice-président, Ingénierie des applications et contrôle de mouvement, CUI Devices

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

De la voiture à la maison en passant par les appareils portables, l'audio est omniprésente et ses applications ne font que croître. Lorsqu'il s'agit de concevoir un système audio, la taille, le coût et la qualité sont des facteurs importants à prendre en compte. La qualité est influencée par de nombreuses variables, mais se résume généralement à la capacité d'un système à recréer les fréquences audio nécessaires pour une conception donnée. Dans cet article, vous en apprendrez plus sur les principes de base de la gamme de fréquences audio et de ses sous-ensembles, sur l'impact de la conception de boîtier et sur la manière de déterminer les gammes audio nécessaires en fonction de l'application.

Principes de base de la gamme de fréquences audio

La gamme de fréquences audio communément référencée s'étend de 20 Hz à 20 000 Hz. Cependant, l'être humain moyen a une perception sensorielle plus faible que cette gamme de 20 Hz à 20 kHz, et avec l'âge, cette gamme audible ne fait que diminuer. La fréquence audio est plus claire en musique, où chaque octave successive double la fréquence. La note la plus basse d'un piano, le « la », est d'environ 27 Hz, tandis que sa note la plus haute, le « do », est proche de 4186 Hz. En dehors de ces fréquences communes, tout objet ou dispositif qui produit un son produit également des fréquences harmoniques. Il s'agit simplement de fréquences plus élevées à une amplitude plus faible. Par exemple, la note « La » de 27 Hz d'un piano génère également une harmonique de 54 Hz, une harmonique de 81 Hz, et ainsi de suite, chaque harmonique étant plus faible que la précédente. Les harmoniques deviennent particulièrement importantes dans les systèmes de haut-parleurs haute-fidélité où il est nécessaire de recréer avec précision la source audio.

Sous-ensembles de fréquence audio

Le tableau ci-dessous répertorie les sept sous-ensembles de fréquences dans le spectre de 20 Hz à 20 000 Hz contribuant à définir les gammes cibles utilisées dans la conception des systèmes audio.

Tableau des sous-ensembles de la gamme de fréquences audioTableau 1 : Sous-ensembles de la gamme de fréquences audio. (Source de l'image : CUI Devices)

Graphiques de réponse en fréquence

Les graphiques de réponse en fréquence constituent un bon moyen de visualiser la manière dont un buzzer, un microphone ou un haut-parleur reproduit diverses fréquences audio. Comme les buzzers n'émettent qu'un son audible, ils présentent généralement une gamme de fréquences étroite. En revanche, les haut-parleurs supportent généralement des gammes de fréquences plus larges, car ils sont chargés de recréer le son et la voix.

L'axe des y d'un graphique de réponse en fréquence pour des dispositifs de sortie audio, tels que des haut-parleurs et des buzzers, est représenté en décibels de niveau de pression acoustique (dB SPL), ce qui correspond à l'intensité sonore d'un dispositif. L'axe des y pour des dispositifs d'entrée audio, tels que des microphones, représente plutôt la sensibilité en dB puisqu'ils détectent le son plutôt que de le produire. Dans la Figure 1 ci-dessous, l'axe des x représente la fréquence sur une échelle logarithmique et l'axe des y est exprimé en dB SPL : il s'agit d'un graphique pour un dispositif de sortie audio. Notez que, comme les dB sont également logarithmiques, les deux axes sont logarithmiques.

Graphique de la réponse en fréquence de baseFigure 1 : Graphique de la réponse en fréquence de base. (Source de l'image : CUI Devices)

Représentant le nombre de dB SPL qui sera produit avec une entrée de puissance constante à différentes fréquences, ce graphique est relativement plat avec des changements minimes sur le spectre de fréquences. Hormis une forte baisse en dessous de 70 Hz, ce dispositif audio, avec la même puissance d'entrée, peut produire un niveau de pression acoustique constant entre 70 Hz et 20 kHz. Toute valeur en dessous de 70 Hz produit une sortie SPL inférieure.

Le graphique de réponse en fréquence du haut-parleur CSS-50508N de CUI Devices (Figure 2) est un bon exemple de profil de haut-parleur plus typique. Ce graphique comprend des pics et des creux variés qui indiquent les points où la résonance renforce ou réduit la sortie. La fiche technique de ce haut-parleur de 41 mm x 41 mm indique une fréquence de résonance de 380 Hz ± 76 Hz, observable à partir du premier pic majeur sur le graphique. Elle chute rapidement à environ 600 à 700 Hz, mais offre ensuite des performances SPL stables d'environ 800 Hz à 3000 Hz. En raison de la taille du haut-parleur, un concepteur peut supposer que le CSS-50508N n'est pas aussi performant dans les basses fréquences que dans les hautes fréquences, ce qui est confirmé par le graphique. En comprenant comment et quand se référer à un graphique de réponse en fréquence, un ingénieur de conception peut confirmer si un haut-parleur ou un autre dispositif de sortie peut reproduire les fréquences cibles.

Graphique de la réponse en fréquence du haut-parleur de 41 mm x 41 mm CSS-50508N de CUI DevicesFigure 2 : Graphique de la réponse en fréquence du haut-parleur de 41 mm x 41 mm CSS-50508N de CUI Devices. (Source de l'image : CUI Devices)

Gamme audio et considérations relatives au boîtier

La gamme audio peut avoir un impact sur la conception du boîtier de plusieurs manières, comme expliqué dans les sections ci-dessous.

Taille du haut-parleur

Les petits haut-parleurs bougent plus vite que les haut-parleurs plus grands, ce qui leur permet de produire des fréquences plus élevées avec moins d'harmoniques indésirables. Cependant, lorsqu'une sortie SPL similaire est souhaitée à des fréquences plus basses, des membranes de haut-parleurs plus grandes sont requises pour déplacer suffisamment d'air afin de correspondre au même niveau de dB SPL perçu qu'à des tonalités plus élevées. Bien que des membranes plus grandes soient beaucoup plus lourdes, cela ne pose généralement pas de problème aux basses fréquences où elles bougent beaucoup plus lentement.

Le choix d'un haut-parleur plus petit ou plus grand dépendra en fin de compte des exigences de l'application, mais des haut-parleurs plus petits impliquent généralement un boîtier plus petit, ce qui peut réduire le coût et l'espace requis. Pour en savoir plus, consultez le blog de CUI Devices sur la conception d'un boîtier de micro-haut-parleur.

Fréquence de résonance

La fréquence de résonance représente la fréquence à laquelle un objet veut naturellement vibrer. Les cordes de guitare vibrent à leur fréquence de résonance lorsqu'elles sont pincées, ce qui signifie que si un haut-parleur était placé à côté d'une corde de guitare jouant sa fréquence de résonance, la corde de guitare commencerait à vibrer et augmenterait en amplitude avec le temps. Cependant, lorsqu'il s'agit d'audio, ce même phénomène peut entraîner des bourdonnements et des vibrations indésirables avec les objets environnants. Le blog de CUI Devices sur la résonance et la fréquence de résonance fournit des informations supplémentaires sur ce sujet.

Pour éviter d'avoir un haut-parleur avec à la fois une sortie non linéaire et des harmoniques indésirables, il devient important, lors de la conception du boîtier, de confirmer que le boîtier n'a pas une fréquence de résonance naturelle dans le même spectre que la sortie audio prévue.

Compromis de matériaux

La conception de haut-parleurs et de microphones requiert un équilibre délicat entre des composants qui doivent rester fixes, flexibles et rigides pendant le mouvement. La membrane (ou cône) d'un haut-parleur doit être légère pour permettre une réponse rapide tout en restant aussi rigide que possible pour éviter toute déformation en mouvement. Les haut-parleurs de CUI Devices utilisent généralement du papier et du mylar, qui sont des matériaux à la fois légers et rigides. En tant que type de plastique, le mylar présente également l'avantage de résister à l'humidité. En plus de la membrane, du caoutchouc est utilisé pour connecter la membrane au cadre. Pour éviter toute rupture due à un mouvement extrême, ce matériau doit être à la fois solide et souple afin de ne pas limiter le mouvement de la membrane.

Schéma de la construction de base d'un haut-parleurFigure 3 : Construction de base d'un haut-parleur. (Source de l'image : CUI Devices)

Ces mêmes compromis peuvent également être observés lors de la comparaison des technologies de microphone. Les microphones à condensateur électret et les microphones MEMS offrent aux utilisateurs durabilité, compacité et basse consommation, mais avec une fréquence et une sensibilité plus limitées. Les microphones à ruban offrent quant à eux une sensibilité et une gamme de fréquences améliorées, mais leur durabilité est moindre.

Le matériau constitue également un choix important lors de la conception du boîtier, car il a un impact sur la résonance et l'absorption du son. L'objectif principal d'un boîtier est d'amortir le son généré hors phase à l'arrière, ce qui signifie que le matériau choisi doit être efficace pour absorber le son. Cela est particulièrement important dans les applications sonores à plus basse fréquence où il est plus difficile d'amortir le son.

Conclusion

Finalement, il n'existe qu'un nombre limité de systèmes audio et aucun dispositif de sortie audio individuel capable de couvrir l'ensemble du spectre audio avec un quelconque niveau de fidélité. En général, la plupart des applications ne nécessitent pas ce niveau de fidélité, et une sortie parfaitement linéaire n'est probablement pas nécessaire. Cependant, la compréhension de la gamme de fréquences audio joue un rôle important lors de la sélection d'un composant audio approprié pour une conception. Grâce à cette compréhension, les ingénieurs peuvent mieux évaluer les compromis entre le coût, la taille et les performances. CUI Devices propose un choix de solutions audio avec différentes gammes de fréquences pour prendre en charge une suite complète d'applications.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Jeff Smoot, Vice-président, Ingénierie des applications et contrôle de mouvement, CUI Devices

Article fourni par Jeff Smoot de CUI Devices.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key