Električna teorija avtomobilskega zvoka – amplituda in frekvenca v AC signalih
V naši stalni razpravi o električni teoriji avtomobilskega zvoka moramo razpravljati o nekaterih značilnostih signalov izmeničnega toka. Te točke razprave vključujejo koncept amplitude in frekvence. Razumevanje koncepta frekvence je ključnega pomena za razvoj razumevanja delovanja komponent v naših avdio sistemih.
Koncept amplitude signala
Na srečo bomo začeli enostavno z razpravo o amplitudi signala. Ko gre za zmožnost izmeničnega signala, da opravi delo, tako kot pri enosmernem napajalnem viru, večja amplituda (ali nivo) pomeni, da je mogoče opraviti več dela.
V viru enosmernega toka je amplituda fiksna na določeni ravni. V naših avtomobilih je ta raven okoli 12 voltov. V naših domovih je napetost na stenski vtičnici 120 V. Naprave z visoko močjo, kot so električni štedilnik, sušilni stroj ali klimatska naprava, se običajno napajajo z 240 V, da se zmanjša količina toka, ki je potrebna za delovanje teh naprav.
Ko želimo reproducirati zvok, moramo zvočni signal iz ojačevalnika dovajati v zvočno tuljavo zvočnika. Neupoštevanje konstrukcijskih omejitev zvočnika in dovajanje večje napetosti povzroči, da se stožec premakne dlje in tako proizvede več zvoka.
Če naš ojačevalnik proizvaja 1 volt rms signala za zvočnik z nominalno impedanco 4 ohmov, potem zvočnik prejme 0,25 vata moči (izračunano z enačbo P =V^2 ÷ R). Če povečamo napetost na 2 volta, je moč na zvočniku zdaj 1 vat ((2×2) ÷ 4). Če se napetost poveča na 10 voltov, je moč zdaj 25 vatov.
Če bi pogledali dva zgoraj opisana signala (1Vrms in 2Vrms) na osciloskopu (napravi, ki prikazuje napetost glede na čas), bi videli naslednje:
Samo opomnik:RMS vrednost sinusnega vala je 0,707-kratnik njegove najvišje vrednosti. V primeru teh valovnih oblik bi bile najvišje vrednosti 1,414 in 2,818 voltov.
Pojem frekvence
Signali, ki vsebujejo več frekvenc
Stopimo malo nazaj in si oglejmo osnove analize frekvenčne vsebine signala. Graf, ki ga vidite spodaj, prikazuje en sam signal 1kHz.
»Stvar«, ki jo vidite na dnu zaslona, je šum. Vsak signal vsebuje določeno količino šuma. Na tem grafu lahko vidimo, da je signal 1 kHz zabeležen na ravni 0 dB in da je najglasnejša komponenta šuma skoraj 170 dB tišja. Zaradi te nizke amplitude je raven hrupa nepomembna.
Težko je razumeti, da je signal lahko sestavljen in pogosto je sestavljen iz številnih različnih frekvenc. Ta graf prikazuje zvočni signal, ki vsebuje signale 1kHz in 2kHz.
Skoraj vsak zvočni signal, ki ga slišimo, vsebuje neskončno število frekvenc. Relativna raven teh frekvenc je tisto, zaradi česar glas ene osebe zveni drugače kot glas druge osebe ali naredi klavir drugačen od zvoka kitare.
Ta dva grafa frekvenčnega odziva prikazujeta klavir in kitaro, ki igrata srednji C s frekvenco 256 Hz.
Rdeča črta predstavlja odziv kitare, ki prikazuje vrh pri 256 Hz, močan harmonik pri 512 Hz in vrh intermodulacije pri 768 Hz.
Zelena črta prikazuje frekvenčni odziv klavirja, ki igra isto srednjo C noto 256 Hz. Ima znatno več harmonske vsebine s harmoniki in intermodulacijskimi vrhovi nad in pod osnovno.
Valne oblike zvočnih meritev
Za testiranje zvočne opreme in zvočnih signalov se običajno uporabljata dve valovni obliki. Prvi se imenuje signal belega šuma. Ta signal vključuje naključne zvočne signale na vseh frekvencah do mejne vrednosti snemalnega medija (v tem primeru 22,05 kHz ali naša datoteka WAV s frekvenco vzorčenja 44,1 kHz). Vsaka frekvenca je enaka glede na amplitudo. Ta signal lahko uporabimo skupaj z analizatorjem v realnem času za merjenje frekvenčnega odziva zvočnih komponent.
Tukaj je diagram frekvenčnega odziva signala belega šuma:
Drugi pomemben signal se imenuje roza šum. Ta signal uporabljamo pri merjenju frekvenčnega odziva zvočnika. Za razliko od belega šuma, ki vsebuje signale na enakih ravneh na vseh frekvencah, ima rožnati šum enako količino energije signala na oktavo. Če gledamo v frekvenčni domeni, se raven z naraščanjem frekvence zmanjšuje s hitrostjo 10 dB na oktavo.
Ko predvajate rožnati šum skozi niz zvočnikov in merite odziv z mikrofonom, boste iskali ravno valovna oblika.
Frekvenčni odziv zvočnika
Vzemimo visokokakovosten 6,5-palčni koaksialni zvočnik z določeno učinkovitostjo 89 dB, ko se napaja z rožnatim šumom na ravni 2,83 V in meri na razdalji 1 metra. Vrednost 2,83 volta se z uporabo enačbe P =V^2/R izkaže za 2 vata.
Čeprav ta specifikacija deluje, ko zvočniku posredujemo signal roza šuma, nam ne pove, kako glasen je zvočnik pri določeni frekvenci. Za to potrebujemo graf frekvenčnega odziva.
Ta graf frekvenčnega odziva nam prikazuje, koliko zvočne energije proizvede ta zvočnik, ko ga poganja signal roza šuma.
Ta gonilnik ima nežen padec okoli 1 kHz, nekaj poudarka v območju srednjih nizkih tonov med 80 in 150 Hz in rahlo naraščajoč odziv nad 2 kHz za izboljšanje zmogljivosti zunaj osi. V avtu ta zvočnik zveni čudovito!
Dodatni signal – kvadratni val
V redu, pripnite si vesoljsko obleko, kapo za razmišljanje ali kar koli drugega, kar vam bo pomagalo razumeti naslednje. Ogledali si bomo kvadratni val. Kvadratni val je valovna oblika, ki združuje harmonike (množke) osnovne frekvence, da ustvari valovno obliko določene oblike. Zdi se, da ima valovna oblika dve vrednosti, eno visoko in eno nizko. Zaradi tega ljudje napačno domnevajo, da gre za ravni enosmernega toka (DC).
Formula za ustvarjanje kvadratnega vala je sestavljena iz več neparno urejenih harmonikov osnovne frekvence. Če imate kvadratni val 30 Hz in ga pogledate v frekvenčni domeni, lahko vidite te harmonike.
Ko je ojačevalnik potisnjen čez mejo izhodne napetosti, ustvari kvadratni val. V signalu ni enosmerne vsebine, vendar JE poln visokofrekvenčne harmonične vsebine.
Z uporabo Excelove preglednice, ki jo je ustvaril Alexander Weiner iz Nemčije, je tukaj šest grafov, ki prikazujejo, kako nastane pravokotni val z dodajanjem harmonikov neparnega reda osnovnemu signalu. Za popolno valovno obliko potrebujemo neskončno število harmonikov.
Rumena črta prikazuje en sinusni val brez harmonikov.
Rumena valovna oblika doda tretji harmonik osnovne frekvence.
Rumena valovna oblika doda tretji in peti harmonik osnovne frekvence.
Rumena valovna oblika doda tretji, peti in sedmi harmonik osnovne frekvence.
Rumena valovna oblika prikazuje 100 neparno urejenih harmonikov in osnovno frekvenco.
V tem grafu imamo seštetih osnovno frekvenco in 256 harmonikov neparnega reda.
Če ste se kdaj spraševali, zakaj se zdi, da visokotonci prvi odpovejo, ko ojačevalnik povzroči izrezovanje ali popačenje, je razlog za to dodajanje visokofrekvenčnih informacij zvočnemu signalu. Medtem ko smo visokotoncu z glasbo morda dovajali en ali dva vata, kvadratni val ali valovna oblika, ki vsebuje pomembne harmonike, vsebuje veliko več visokofrekvenčnih informacij.
Upamo, da to ni bilo preveč informacij za en članek. Razumevanje amplitude valov in vsebine frekvence je ključnega pomena za vsako razpravo o mobilnem avdio sistemu. V našem naslednjem članku bomo razpravljali o pretoku električne energije skozi prevodnik in povezanem magnetnem polju, ki se ustvari.