Teoria elettrica audio auto: Ampiezza e Frequenza nei Segnali AC
Nella nostra continua discussione sulla teoria elettrica dell'audio auto, dobbiamo discutere alcune delle caratteristiche dei segnali a corrente alternata. Questi punti di discussione includono il concetto di ampiezza e frequenza. Comprendere il concetto di frequenza è cruciale per sviluppare una comprensione di come funzionano i componenti nei nostri sistemi audio.
Il Concetto di Ampiezza del Segnale
Fortunatamente, inizieremo in modo semplice con una discussione sull'ampiezza del segnale. Quando si tratta della capacità di un segnale AC di compiere lavoro, proprio come con una sorgente di alimentazione DC, più ampiezza (o livello) significa che più lavoro può essere fatto.
In una sorgente di alimentazione DC, l'ampiezza è fissa a un certo livello. Nelle nostre auto, questo livello è intorno a 12 volt. Nelle nostre case, la tensione alla presa a muro è 120V. Dispositivi ad alta potenza come una stufa elettrica, un'asciugatrice o un condizionatore d'aria sono tipicamente alimentati a 240V per ridurre la quantità di corrente necessaria per far funzionare questi dispositivi.
Quando vogliamo riprodurre il suono, dobbiamo fornire un segnale audio da un amplificatore alla bobina mobile di un altoparlante. Ignorando le limitazioni di design di un altoparlante, fornire più tensione risulta nel cono che si muove più lontano e quindi produce più suono.
Se il nostro amplificatore sta producendo 1 volt RMS di segnale a un altoparlante con un'impedenza nominale di 4 ohm, allora l'altoparlante sta ricevendo 0,25 watt di potenza (calcolato usando l'equazione P = V² ÷ R). Se aumentiamo la tensione a 2 volt, la potenza all'altoparlante è ora 1 watt ((2×2) ÷ 4). Se la tensione aumenta a 10 volt, la potenza è ora 25 watt.
Se guardassimo i due segnali descritti sopra (1Vrms e 2Vrms) su un oscilloscopio (un dispositivo che mostra la tensione rispetto al tempo), vedreste quanto segue:
Solo un promemoria: Il valore RMS di un'onda sinusoidale è 0,707 volte il suo valore di picco. Nel caso di queste forme d'onda, i valori di picco sarebbero 1,414 e 2,818 volt.
Il Concetto di Frequenza
Segnali Contenenti Multiple Frequenze
Facciamo un passo indietro e guardiamo i fondamenti dell'analisi del contenuto di frequenza di un segnale. Il grafico che vedete qui sotto mostra un singolo segnale a 1kHz.
Il "rumore" che vedete nella parte inferiore dello schermo è rumore. Ogni segnale contiene una certa quantità di rumore. Per questo grafico, possiamo vedere che il segnale a 1kHz è registrato a un livello di 0dB e che il componente di rumore più forte è quasi 170dB più silenzioso. Questa bassa ampiezza rende il livello di rumore irrilevante.
Ciò che può essere difficile da capire è che un segnale può essere, e spesso è, composto da molte frequenze diverse. Questo grafico mostra un segnale audio che contiene segnali a 1kHz e 2kHz.
Quasi ogni segnale audio che sentiamo comprende un numero infinito di frequenze. Il livello relativo di queste frequenze è ciò che fa suonare la voce di una persona diversa da un'altra o fa suonare un pianoforte diverso da una chitarra.
Questi due grafici di risposta in frequenza mostrano un pianoforte e una chitarra che suonano entrambi il Do centrale con una frequenza di 256 Hz.
La linea rossa rappresenta la risposta della chitarra, mostrando un picco a 256 Hz, un forte armonico a 512 Hz e un picco di intermodulazione a 768 Hz.
La linea verde mostra la risposta in frequenza di un pianoforte che suona la stessa nota Do centrale a 256 Hz. Ha un contenuto armonico significativamente maggiore con armonici e picchi di intermodulazione sopra e sotto la fondamentale.
Forme d'Onda per Misurazioni Audio
Due forme d'onda sono comunemente usate per testare apparecchiature audio e segnali audio. La prima è chiamata segnale di rumore bianco. Questo segnale include segnali audio casuali a tutte le frequenze fino al cutoff del mezzo di registrazione (in questo caso, 22,05 kHz o il nostro file WAV con campionamento a 44,1 kHz). Ogni frequenza è la stessa in termini di ampiezza. Possiamo usare questo segnale insieme a un analizzatore in tempo reale per misurare la risposta in frequenza dei componenti audio.
Ecco il grafico di risposta in frequenza di un segnale di rumore bianco:
Un altro segnale importante è chiamato rumore rosa. Usiamo questo segnale quando misuriamo la risposta in frequenza di un altoparlante. A differenza del rumore bianco che contiene segnali a livelli uguali a tutte le frequenze, il rumore rosa ha una quantità uguale di energia del segnale per ottava. Guardato nel dominio della frequenza, il livello diminuisce a una velocità di 10dB per ottava man mano che la frequenza aumenta.
Quando riproducete il rumore rosa attraverso un set di altoparlanti e misurate la risposta con un microfono, starrete cercando una forma d'onda piatta.
Risposta in Frequenza di un Altoparlante
Prendiamo un altoparlante coassiale di alta qualità da 6,5 pollici con un'efficienza specificata di 89dB quando alimentato con rumore rosa a un livello di 2,83V e misurato a una distanza di 1 metro. Un valore di 2,83 volt corrisponde a 2 watt usando l'equazione P = V²/R.
Mentre questa specificazione funziona quando alimentiamo l'altoparlante con un segnale di rumore rosa, non ci dice quanto forte sia l'altoparlante a una frequenza specifica. Per questo, abbiamo bisogno di un grafico di risposta in frequenza.
Questo grafico di risposta in frequenza ci mostra quanta energia sonora questo altoparlante produrrà quando guidato da un segnale di rumore rosa.
Questo particolare driver ha un leggero calo intorno a 1kHz, qualche enfasi nella regione medio-bassa tra 80 e 150Hz e una risposta che sale dolcemente sopra 2kHz per migliorare le prestazioni fuori asse. In un'auto, questo altoparlante suona incredibile!
Il Segnale Bonus - Un'Onda Quadrata
OK, allacciate la vostra tuta spaziale, il cappello pensante o qualunque cosa vi aiuti a capire quanto segue. Guarderemo un'onda quadrata. Un'onda quadrata è una forma d'onda che combina armonici (multipli) di una frequenza fondamentale per creare una forma d'onda di una forma specifica. La forma d'onda sembra avere due valori, uno alto e uno basso. È per questo che le persone assumono erroneamente che questi siano livelli di Corrente Continua (DC).
La formula per creare un'onda quadrata è composta da multipli armonici di ordine dispari della frequenza fondamentale. Se avete un'onda quadrata a 30Hz e la guardate nel dominio della frequenza, potete vedere questi armonici.
Quando un amplificatore viene spinto oltre il suo limite di tensione di uscita, crea un'onda quadrata. Non c'è contenuto DC nel segnale, ma È pieno di contenuto armonico ad alta frequenza.
Usando un foglio di calcolo Excel creato da Alexander Weiner dalla Germania, ecco sei grafici che mostrano come un'onda quadrata viene creata aggiungendo armonici di ordine dispari a un segnale fondamentale. Per una forma d'onda perfetta, abbiamo bisogno di un numero infinito di armonici.
La linea gialla mostra una singola onda sinusoidale senza armonici.
La forma d'onda gialla aggiunge il terzo armonico della frequenza fondamentale.
La forma d'onda gialla aggiunge il terzo e quinto armonico della frequenza fondamentale.
La forma d'onda gialla aggiunge il terzo, quinto e settimo armonico della frequenza fondamentale.
La forma d'onda gialla mostra i 100 armonici di ordine dispari così come la frequenza fondamentale.
In questo grafico, abbiamo la frequenza fondamentale e 256 armonici di ordine dispari sommati insieme.
Se vi siete mai chiesti perché i tweeter sembrano essere i primi a guastarsi quando un amplificatore viene spinto in clipping o distorsione, la ragione è l'aggiunta di informazioni ad alta frequenza al segnale audio. Dove potremmo aver alimentato uno o due watt a un tweeter con la musica, un'onda quadrata o una forma d'onda contenente armonici significativi contiene una quantità molto maggiore di informazioni ad alta frequenza.
Speriamo che non siano state troppe informazioni per un singolo articolo. Comprendere l'ampiezza della forma d'onda e il contenuto di frequenza sono cruciali per qualsiasi discussione su un sistema audio mobile. Nel nostro prossimo articolo, discuteremo il flusso di elettricità attraverso un conduttore e il campo magnetico associato che viene creato.