L'importance de la résonance et de la fréquence de résonance dans les systèmes audio

Les concepteurs qui travaillent avec des systèmes audio résonants sont confrontés à deux défis majeurs. Le premier consiste à tirer parti de la fréquence de résonance et de la zone de résonance d'un haut-parleur ou d'un buzzer pour produire le plus haut niveau de pression acoustique (NPA) de sortie. Le deuxième est d'éviter les bourdonnements et les cliquetis induits par la résonance dans le boîtier et le système de montage d'un dispositif audio. Même si la résonance est un concept bien connu, cet article étudie ses implications dans la conception audio, y compris les défis mentionnés ci-dessus, les facteurs affectant la résonance, la lecture d'une courbe de réponse en fréquence, et plus encore.

Notions de base sur la résonance et la fréquence de résonance

Pour comprendre l'impact de la résonance, il faut d'abord la comprendre à un niveau fondamental. La résonance se produit lorsqu'un objet physique ou un circuit électronique absorbe l'énergie d'une impulsion initiale et continue ensuite à vibrer à la même fréquence, bien qu'avec une amplitude décroissante, sans qu'aucune autre force n'agisse sur lui. La fréquence à laquelle ce comportement se produit est connue comme la fréquence de résonance du système, désignée par F0.

La résonance peut apparaître dans de nombreux contextes. Les guitares en sont un parfait exemple au quotidien, car elles produisent du son entièrement par vibration. Lorsqu'un musicien pince une corde d'une guitare acoustique, celle-ci vibre et transmet l'énergie sonore dans la caisse creuse en bois de l'instrument, la faisant résonner et amplifiant le son qu'elle produit. De même, un filtre LC peut résonner comme un circuit oscillant accordé s'il est stimulé par un signal à la bonne fréquence. Cet effet est utilisé dans les radios de base pour capter un signal de radiodiffusion en ajustant la valeur de la capacité ou de l'inductance dans le circuit oscillant de sorte que sa fréquence de résonance corresponde à la fréquence de radiodiffusion. La résonance électromécanique dans un oscillateur à quartz piézoélectrique peut être utilisée comme référence de fréquence.

Aperçu des composants de sortie audio

La résonance mécanique est affectée par le poids et la rigidité connectant les différentes masses entre elles. Dans le cas de haut-parleurs standard, cette masse est la membrane (ou cône) et la rigidité dépend de la flexibilité de la suspension qui relie la membrane au cadre. Les haut-parleurs étant fabriqués de nombreuses manières différentes, chaque type de haut-parleur peut présenter des fréquences de résonance différentes.

D'autres facteurs font varier la fréquence de résonance d'un haut-parleur, notamment le matériau du cône, l'épaisseur de la suspension et la taille de l'électro-aimant, qui est fixé à l'arrière du cône et a un impact sur le poids. En général, des matériaux plus légers et plus rigides et des suspensions flexibles entraînent des fréquences de résonance plus élevées. Par exemple, les tweeters haute fréquence sont petits et légers avec des cônes rigides en mylar et des suspensions très flexibles. En modifiant ces facteurs, les haut-parleurs standard ont une gamme de fréquences comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Figure 1 : Structure de haut-parleur standard. (Source de l'image : Same Sky)

Les buzzers à transducteur magnétique constituent un autre type de composant de sortie audio. Ils séparent le mécanisme de commande du mécanisme de production du son d'une manière différente de celle d'un haut-parleur. En raison d'une membrane plus légère et reliée plus rigidement au cadre, les transducteurs magnétiques présentent une gamme de fréquences normale plus élevée, mais une portée réduite. Ils produisent typiquement des sons de 2 à 3 kHz et ont l'avantage de nécessiter moins de courant que les haut-parleurs pour produire le même niveau de pression acoustique.

Figure 2 : Structure de buzzer magnétique standard. (Source de l'image : Same Sky)

Enfin, il existe des buzzers à transducteur piézoélectrique, qui sont encore plus efficaces pour produire des niveaux de pression acoustique plus élevés avec la même quantité de courant que leurs homologues magnétiques. En utilisant l'effet piézoélectrique, ils font varier un champ électrique pour faire plier l'élément piézocéramique dans un sens puis dans l'autre, ce qui entraîne la production d'ondes sonores. Ce matériau piézoélectrique est généralement rigide, et les composants utilisés dans ces types de buzzers sont petits et fins. Les buzzers à transducteur piézoélectrique, tout comme les versions magnétiques, génèrent des bruits aigus entre 1 et 5 kHz avec une gamme de fréquences étroite.

Figure 3 : Structure de buzzer piézoélectrique standard. (Source de l'image : Same Sky)

Considérations de conception sur la résonance

La conception de haut-parleurs ou de buzzers tirant parti de la résonance est une tâche complexe qui implique de prendre en compte la fréquence de résonance ou la gamme de fréquences de résonance souhaitée, les caractéristiques du haut-parleur ou du buzzer qui sera utilisé, ainsi que la forme et la taille du boîtier dans lequel il sera monté. Ces facteurs peuvent s'influencer mutuellement de manière assez radicale.

Par exemple, le montage d'un petit haut-parleur dans un très grand boîtier lui permettra de bouger librement et la fréquence de résonance du système (haut-parleur plus boîtier) sera probablement la même que la résonance intrinsèque du haut-parleur fonctionnant à l'air libre. Mais si vous placez un haut-parleur dans un petit boîtier hermétique, l'air à l'intérieur agit comme un ressort mécanique qui interagit avec le cône du haut-parleur et affecte la fréquence de résonance du système. D'autres interactions, telles que la caractéristique de commande électrique non linéaire, doivent également être prises en compte pour obtenir une conception efficace.

Compte tenu de cette complexité, la meilleure approche pour tout type de conception audio consiste souvent à construire quelques prototypes, à mesurer leurs caractéristiques, puis à les ajuster pour produire le meilleur résultat avec la source audio choisie. Cette approche basée sur le prototypage peut également aider les concepteurs à comprendre et à compenser le fait que les caractéristiques des composants varieront dans les limites des tolérances de fabrication et que les géométries et rigidités des boîtiers seront soumises à des variations de production. Un haut-parleur fabriqué à la main et équipé des meilleurs composants sélectionnés dans un lot atteint souvent des performances qu'il est difficile d'atteindre de manière répétée en utilisant des techniques de production en série et des composants standard.

Les boîtiers, en particulier pour les haut-parleurs, doivent également être conçus de manière à offrir suffisamment d'espace interne pour que l'énergie audio générée puisse se développer sans atténuation. Une modeste réduction de 3 dB du niveau de pression acoustique, causée par le revêtement ou les matériaux du boîtier, réduira de moitié la puissance sonore de sortie. L'article de blog de Same Sky sur la manière de concevoir un boîtier de micro-haut-parleur aborde ce sujet de manière plus détaillée.

Globalement, il est important de considérer la réponse d'un composant audio sur l'ensemble du spectre et de tirer parti de ses performances aux fréquences qui existent de part et d'autre de son pic de fréquence de résonance. Comme la fréquence de résonance n'est pas un nombre exact ni nécessairement une bande très étroite, en particulier pour les haut-parleurs, il est probable qu'il existe une réponse en fréquence utile que les concepteurs peuvent exploiter de part et d'autre de la valeur de crête spécifiée sur une fiche technique. L'idée est d'optimiser le niveau de pression acoustique et la fréquence de sortie pour une puissance d'entrée donnée. Pour ce faire, le dispositif doit être commandé à sa fréquence de résonance et à des fréquences situées dans ses zones de résonance.

Par exemple, la fiche technique du haut-parleur CSS-10246-108 de Same Sky indique que sa fréquence de résonance est de 200 Hz ±40 Hz, mais son graphique de réponse en fréquence montre un autre pic de résonance à environ 3,5 kHz. Il existe également une zone de résonance d'environ 200 Hz à 3,5 kHz. Les concepteurs peuvent tirer parti de ces informations pour adapter leur choix de haut-parleur à leur application.

Figure 4 : Courbe de réponse en fréquence du haut-parleur CSS-10246-108. (Source de l'image : Same Sky)

Autre exemple, le buzzer à transducteur magnétique CMT-4023S-SMT-TR de Same Sky indique une fréquence de résonance de 4000 Hz sur sa fiche technique. Cela est confirmé par le graphique de réponse en fréquence du buzzer ci-dessous. Par ailleurs, pour simplifier les problèmes de résonance, les buzzers sont également disponibles sous forme d'indicateurs audio dotés d'un circuit de commande intégré. Comme leur fonctionnement est défini sur une fréquence nominale fixe, ces dispositifs à commande interne n'ont pas besoin d'un graphique de réponse en fréquence car ils sont conçus pour maximiser le niveau de pression acoustique dans leur fenêtre de fréquence spécifiée.

Figure 5 : Courbe de réponse en fréquence du buzzer à transducteur magnétique CMT-4023S-SMT-TR. (Source de l'image : Same Sky)

Conclusion

Lors de la conception d'un dispositif audio dans une application, les ingénieurs doivent tenir compte de la fréquence de résonance du dispositif pour s'assurer qu'il produit le plus haut niveau de pression acoustique sans induire de vibrations indésirables. Cela signifie qu'il faut utiliser les données fournies par le fabricant, en particulier la fréquence de résonance, comme point de départ d'une conception, puis optimiser la conception dans la zone de résonance qui existe autour de cette valeur. Une fois la conception initiale achevée, des prototypes doivent être utilisés pour vérifier que la manière dont le dispositif audio interagit avec son boîtier et son support correspond aux performances prévues. Same Sky propose une gamme de solutions audio couvrant l'ensemble du spectre de fréquences afin d'aider les ingénieurs à trouver le composant approprié.