Teorija elektrike zvuka automobila – amplituda i frekvencija u AC signalima

U našoj tekućoj raspravi o električnoj teoriji zvuka automobila, moramo raspravljati o nekim karakteristikama signala izmjenične struje. Ove točke rasprave uključuju koncept amplitude i frekvencije. Razumijevanje koncepta frekvencije ključno je za razvoj razumijevanja načina na koji komponente u našim audiosustavima rade.

Koncept amplitude signala

Srećom, započet ćemo lagano s raspravom o amplitudi signala. Kada je riječ o sposobnosti izmjeničnog signala da obavlja posao, baš kao i kod izvora istosmjerne struje, veća amplituda (ili razina) znači da se može obaviti više posla.

U izvoru istosmjerne struje amplituda je fiksna na određenoj razini. U našim automobilima ta je razina oko 12 volti. U našim domovima napon u zidnoj utičnici je 120V. Uređaji velike snage poput električnog štednjaka, sušilice rublja ili klima uređaja obično se napajaju naponom od 240 V kako bi se smanjila količina struje potrebna za rad ovih uređaja.

Kada želimo reproducirati zvuk, moramo dovesti audio signal od pojačala do glasovne zavojnice zvučnika. Zanemarivanje ograničenja dizajna zvučnika, dovođenje većeg napona dovodi do toga da se membrana pomiče dalje i tako proizvodi više zvuka.

Ako naše pojačalo proizvodi 1 volt rms signala za zvučnik s nominalnom impedancijom od 4 ohma, tada zvučnik prima 0,25 vata snage (izračunato pomoću jednadžbe P =V^2 ÷ R). Ako povećamo napon na 2 volta, snaga zvučnika je sada 1 vat ((2×2) ÷ 4). Ako se napon poveća na 10 volti, snaga je sada 25 vata.

Kad bismo pogledali dva gore opisana signala (1Vrms i 2Vrms) na osciloskopu (uređaj koji pokazuje napon u odnosu na vrijeme), vidjeli biste sljedeće:
Samo podsjetnik:RMS vrijednost sinusnog vala je 0,707 puta njegova vršna vrijednost. U slučaju ovih valnih oblika, vršne vrijednosti bile bi 1,414 i 2,818 volti.

Koncept frekvencije

Signali koji sadrže više frekvencija

Vratimo se malo unatrag i pogledajmo osnove analize frekvencijskog sadržaja signala. Grafikon koji vidite ispod prikazuje jedan signal od 1kHz.

"Stvar" koju vidite na dnu zaslona je šum. Svaki signal sadrži određenu količinu šuma. Za ovaj grafikon možemo vidjeti da je signal od 1kHz snimljen na razini od 0dB i da je najglasnija komponenta buke gotovo 170dB tiša. Ova niska amplituda čini razinu buke nevažnom.

Ono što može biti teško razumjeti je da signal može biti, i često jest, sastavljen od mnogo različitih frekvencija. Ovaj grafikon prikazuje audio signal koji sadrži signale od 1 kHz i 2 kHz.

Gotovo svaki audio signal koji čujemo sastoji se od beskonačnog broja frekvencija. Relativna razina tih frekvencija ono je što čini da glas jedne osobe zvuči drugačije od glasa druge osobe ili da klavir zvuči drugačije od gitare.

Ova dva grafikona frekvencijskog odziva prikazuju klavir i gitaru koji sviraju srednji C frekvencijom od 256 Hz.

Crvena linija predstavlja odziv gitare, pokazujući vrhunac na 256 Hz, snažan harmonik na 512 Hz i intermodulacijski vrh na 768 Hz.

Zelena linija prikazuje frekvencijski odziv klavira koji svira istu srednju C notu od 256 Hz. Ima znatno više harmonijskog sadržaja s harmonicima i intermodulacijskim vrhovima iznad i ispod osnovne.

Valni oblici audio mjerenja

Dva valna oblika obično se koriste za testiranje audio opreme i audio signala. Prvi se zove signal bijelog šuma. Ovaj signal uključuje nasumične audio signale na svim frekvencijama do granične vrijednosti medija za snimanje (u ovom slučaju, 22,05 kHz ili naša WAV datoteka s brzinom uzorkovanja od 44,1 kHz). Svaka frekvencija je ista u smislu amplitude. Ovaj signal možemo koristiti zajedno s analizatorom u stvarnom vremenu za mjerenje frekvencijskog odziva audio komponenti.

Ovdje je dijagram frekvencijskog odziva signala bijelog šuma:

Još jedan važan signal naziva se ružičasti šum. Ovaj signal koristimo kada mjerimo frekvencijski odziv zvučnika. Za razliku od bijelog šuma koji sadrži signale na jednakim razinama na svim frekvencijama, ružičasti šum ima jednaku količinu energije signala po oktavi. Kada se promatra u frekvencijskoj domeni, razina se smanjuje brzinom od 10 dB po oktavi kako frekvencija raste.

Kada puštate ružičasti šum kroz set zvučnika i mjerite odziv mikrofonom, tražit ćete ravni valni oblik.

Frekvencijski odziv zvučnika

Uzmimo visokokvalitetni koaksijalni zvučnik od 6,5 inča sa specificiranom učinkovitošću od 89 dB kada se napaja s ružičastim šumom na razini od 2,83 V i mjereno na udaljenosti od 1 metra. Vrijednost od 2,83 volta slučajno se pretvara u 2 vata pomoću jednadžbe P =V^2/R.

Iako ova specifikacija funkcionira kada zvučniku dopremimo signal ružičastog šuma, ona nam ne govori koliko je zvučnik glasan na određenoj frekvenciji. Za to nam je potreban graf frekvencijskog odziva.

Ovaj grafikon frekvencijskog odziva pokazuje koliko će zvučne energije proizvesti ovaj zvučnik kada ga pokreće signal ružičastog šuma.

Ovaj poseban drajver ima blagi pad oko 1 kHz, određeni naglasak u području srednjeg basa između 80 i 150 Hz i blago rastući odziv iznad 2 kHz za poboljšanje performansi izvan osi. U automobilu ovaj zvučnik zvuči nevjerojatno!

Dodatni signal – kvadratni val

OK, navucite svoje svemirsko odijelo, kapu za razmišljanje ili bilo što što će vam pomoći da shvatite sljedeće. Promatrat ćemo kvadratni val. Kvadratni val je valni oblik koji kombinira harmonike (višestruke) osnovne frekvencije kako bi stvorio valni oblik specifičnog oblika. Čini se da valni oblik ima dvije vrijednosti, jednu visoku i jednu nisku. Iz tog razloga ljudi netočno pretpostavljaju da su to razine istosmjerne struje (DC).

Formula za stvaranje kvadratnog vala sastoji se od više harmonika neparnog reda osnovne frekvencije. Ako imate kvadratni val od 30 Hz i pogledate ga u frekvencijskoj domeni, možete vidjeti ove harmonike.

Kada je pojačalo gurnuto izvan granice izlaznog napona, ono stvara kvadratni val. U signalu nema istosmjernog sadržaja, ali JESTE pun visokofrekventnog harmonijskog sadržaja.

Koristeći proračunsku tablicu programa Excel koju je izradio Alexander Weiner iz Njemačke, evo šest grafikona koji pokazuju kako se kvadratni val stvara dodavanjem harmonika neparnog reda osnovnom signalu. Za savršen valni oblik potreban nam je beskonačan broj harmonika.

Žuta linija prikazuje jedan sinusni val bez harmonika.

Žuti valni oblik dodaje treći harmonik osnovne frekvencije.

Žuti valni oblik dodaje treći i peti harmonik osnovne frekvencije.

Žuti valni oblik dodaje treći, peti i sedmi harmonik osnovne frekvencije.

Žuti valni oblik prikazuje 100 harmonika neparnog reda kao i osnovnu frekvenciju.

U ovom grafikonu imamo zbrojene osnovne frekvencije i 256 harmonika neparnog reda.

Ako ste se ikada zapitali zašto se čini da su visokotonci prvi koji otkazuju kada pojačalo dovede do izrezivanja ili izobličenja, razlog je dodavanje visokofrekventnih informacija audio signalu. Dok smo možda davali jedan ili dva vata visokotoncu s glazbom, kvadratni val ili valni oblik koji sadrži značajne harmonike sadrži mnogo više visokofrekventnih informacija.

Nadamo se da ovo nije bilo previše informacija za jedan članak. Razumijevanje amplitude valnog oblika i frekvencijskog sadržaja presudno je za svaku raspravu o mobilnom audio sustavu. U našem sljedećem članku raspravljat ćemo o protoku električne energije kroz vodič i povezanom magnetskom polju koje se stvara.