Электротеория автомобильной аудиосистемы – амплитуда и частота сигналов переменного тока
В ходе нашего продолжающегося обсуждения электрической теории автомобильных аудиосистем нам необходимо обсудить некоторые характеристики сигналов переменного тока. Эти вопросы для обсуждения включают понятие амплитуды и частоты. Понимание концепции частоты имеет решающее значение для понимания того, как работают компоненты наших аудиосистем.
Понятие амплитуды сигнала
К счастью, мы собираемся начать с обсуждения амплитуды сигнала. Когда речь идет о способности сигнала переменного тока выполнять работу, как и в случае с источником питания постоянного тока, большая амплитуда (или уровень) означает, что можно выполнить больше работы.
В источнике постоянного тока амплитуда фиксируется на определенном уровне. В наших автомобилях этот уровень находится в районе 12 вольт. В наших домах напряжение в розетке 120В. Устройства большой мощности, такие как электрическая плита, сушилка для белья или кондиционер, обычно питаются от сети 240 В, чтобы уменьшить ток, необходимый для работы этих устройств.
Когда мы хотим воспроизвести звук, нам нужно подать звуковой сигнал от усилителя на звуковую катушку динамика. Игнорирование конструктивных ограничений динамика, подача большего напряжения приводит к тому, что диффузор перемещается дальше и, таким образом, воспроизводится больше звука.
Если наш усилитель выдает среднеквадратичное значение сигнала 1 вольт на динамик с номинальным сопротивлением 4 Ом, то динамик получает мощность 0,25 Вт (рассчитывается по уравнению P =V^2 ÷ R). Если мы увеличим напряжение до 2 вольт, мощность динамика составит 1 ватт ((2×2) ÷ 4). Если напряжение увеличится до 10 вольт, мощность составит 25 ватт.
Если бы мы посмотрели на два описанных выше сигнала (среднеквадратичное значение 1 В и среднеквадратичное значение 2 В) на осциллографе (устройстве, которое показывает напряжение относительно времени), вы бы увидели следующее:
Напоминаем:среднеквадратичное значение синусоиды в 0,707 раз превышает ее пиковое значение. В случае этих сигналов пиковые значения будут составлять 1,414 и 2,818 В.
Понятие частоты
Сигналы, содержащие несколько частот
Давайте немного вернемся назад и рассмотрим основы анализа частотного содержания сигнала. График, который вы видите ниже, показывает одиночный сигнал 1 кГц.
В нижней части экрана отображается шум. Каждый сигнал содержит некоторое количество шума. На этом графике видно, что сигнал частотой 1 кГц записывается с уровнем 0 дБ, а самый громкий шумовой компонент почти на 170 дБ тише. Эта низкая амплитуда делает уровень шума несущественным.
Что может быть трудно понять, так это то, что сигнал может состоять и часто состоит из множества различных частот. На этом графике показан аудиосигнал, содержащий сигналы 1 кГц и 2 кГц.
Почти каждый звуковой сигнал, который мы слышим, содержит бесконечное количество частот. Относительный уровень этих частот — это то, что отличает голос одного человека от голоса другого или отличает звучание фортепиано от гитары.
На этих двух графиках частотных характеристик показаны пианино и гитара, играющие на средней ноте C с частотой 256 Гц.
Красная линия представляет отклик гитары, показывающий пик на частоте 256 Гц, сильную гармонику на частоте 512 Гц и пик интермодуляции на частоте 768 Гц.
Зеленая линия показывает частотную характеристику фортепиано, играющего ту же среднюю ноту до 256 Гц. Он содержит значительно больше гармоник с пиками гармоник и интермодуляции выше и ниже основной гармоники.
Формы звуковых измерений
Две формы волны обычно используются для тестирования аудиооборудования и аудиосигналов. Первый называется сигналом белого шума. Этот сигнал включает в себя случайные аудиосигналы на всех частотах вплоть до частоты среза носителя записи (в данном случае 22,05 кГц или наш WAV-файл с частотой дискретизации 44,1 кГц). Каждая частота одинакова по амплитуде. Мы можем использовать этот сигнал вместе с анализатором в реальном времени для измерения частотной характеристики аудиокомпонентов.
Вот график частотной характеристики сигнала белого шума:
Еще один важный сигнал называется розовым шумом. Мы используем этот сигнал при измерении частотной характеристики динамика. В отличие от белого шума, который содержит сигналы одинакового уровня на всех частотах, розовый шум имеет одинаковую энергию сигнала на октаву. При рассмотрении в частотной области уровень уменьшается со скоростью 10 дБ на октаву по мере увеличения частоты.
Когда вы воспроизводите розовый шум через набор динамиков и измеряете отклик с помощью микрофона, вы будете искать плоскую форма волны.
Частотная характеристика громкоговорителя
Возьмем высококачественный 6,5-дюймовый коаксиальный динамик с указанным КПД 89 дБ при подаче розового шума на уровне 2,83 В и измерении на расстоянии 1 метра. Значение 2,83 вольта соответствует 2 ваттам, если использовать уравнение P =V^2/R.
Хотя эта спецификация работает, когда мы подаем на динамик сигнал розового шума, она не говорит нам, насколько громко динамик работает на определенной частоте. Для этого нам нужен график частотной характеристики.
Эта диаграмма частотной характеристики показывает, сколько звуковой энергии будет производить этот динамик при воздействии сигнала розового шума.
Этот конкретный драйвер имеет плавный провал около 1 кГц, некоторый акцент в области средних басов между 80 и 150 Гц и плавно повышающуюся характеристику выше 2 кГц для улучшения внеосевых характеристик. В машине этот динамик звучит потрясающе!
Бонусный сигнал — прямоугольная волна
Хорошо, наденьте свой скафандр, мыслительную кепку или что-то еще, что поможет вам понять следующее. Мы рассмотрим прямоугольную волну. Прямоугольная волна — это форма волны, которая объединяет гармоники (кратные) основной частоты для создания формы волны определенной формы. Форма сигнала имеет два значения:одно высокое и одно низкое. Именно по этой причине люди ошибочно полагают, что это уровни постоянного тока (DC).
Формула для создания прямоугольной волны состоит из нескольких нечетных гармоник основной частоты. Если у вас есть прямоугольная волна 30 Гц и вы посмотрите на нее в частотной области, вы увидите эти гармоники.
Когда усилитель выходит за предел своего выходного напряжения, он создает прямоугольную волну. В сигнале нет постоянной составляющей, но он наполнен высокочастотными гармониками.
Используя электронную таблицу Excel, созданную Александром Вайнером из Германии, вот шесть графиков, которые показывают, как прямоугольная волна создается путем добавления гармоник нечетного порядка к основному сигналу. Для идеальной формы волны нам нужно бесконечное количество гармоник.
Желтая линия показывает одиночную синусоиду без гармоник.
Желтый сигнал добавляет третью гармонику основной частоты.
Желтый сигнал добавляет третью и пятую гармоники основной частоты.
Желтый сигнал добавляет третью, пятую и седьмую гармоники основной частоты.
Желтый сигнал показывает 100 гармоник нечетного порядка, а также основную частоту.
На этом графике сложены основная частота и 256 гармоник нечетного порядка.
Если вы когда-нибудь задавались вопросом, почему твитеры, кажется, первыми выходят из строя, когда усилитель приводит к отсечению или искажению, причина заключается в добавлении высокочастотной информации к аудиосигналу. Там, где мы могли бы подавать один или два ватта на твитер с музыкой, прямоугольная волна или форма волны, содержащая значительные гармоники, содержат гораздо больше высокочастотной информации.
Мы надеемся, что информации для одной статьи было не слишком много. Понимание амплитуды сигнала и частотного содержания имеет решающее значение для любого обсуждения мобильной аудиосистемы. В нашей следующей статье мы собираемся обсудить поток электричества через проводник и связанное с ним магнитное поле, которое создается.