Теория электричества в автомобилях - амплитуда и частота сигналов переменного тока

25.01.2021

В нашей продолжающейся дискуссии о автомобильной аудиосистеме электрической теории, мы должны обсудить некоторые из характеристик переменного тока сигналов. Эти вопросы включают понятие амплитуды и частоты. Понимание концепции частоты имеет решающее значение для понимания того, как работают компоненты в наших аудиосистемах.

Понятие об амплитуде сигнала

К счастью, мы начнем с простого обсуждения амплитуды сигнала. Когда дело доходит до способности сигнала переменного тока выполнять работу, как и в случае источника питания постоянного тока, большая амплитуда (или уровень) означает, что можно выполнить больше работы.

В источнике питания постоянного тока амплитуда зафиксирована на определенном уровне. В наших автомобилях этот уровень составляет около 12 вольт. В наших домах напряжение в розетке составляет 120 В. Мощные устройства, такие как электрическая плита, сушилка для одежды или кондиционер, обычно получают питание от 240 В, чтобы уменьшить количество тока, необходимого для работы этих устройств.

Когда мы хотим , чтобы воспроизвести звук, мы должны поставлять звуковой сигнал от усилителя к звуковой катушке в виде громкоговорителя . Игнорирование конструктивных ограничений динамика, подача большего напряжения приводит к тому, что диффузор перемещается дальше и, таким образом, производит больше звука.

Если наш усилитель выдает сигнал 1 В (среднеквадратичное значение) на динамик с номинальным сопротивлением 4 Ом, то динамик получает мощность 0,25 Вт (рассчитывается по формуле P = V ^ 2 ÷ R). Если мы увеличим напряжение до 2 вольт, мощность динамика составит 1 ватт ((2 × 2) ÷ 4). Если напряжение увеличивается до 10 вольт, мощность составляет 25 ватт.

Напоминаем: среднеквадратичное значение синусоидальной волны в 0,707 раза больше ее пикового значения. В случае этих сигналов пиковое значение будет 1,414 и 2,818 вольт.

Понятие частоты

Сигналы, содержащие несколько частот

Давайте вернемся немного назад и рассмотрим основы анализа частотного содержания сигнала. На графике, который вы видите ниже, показан один сигнал с частотой 1 кГц.

То, что вы видите внизу экрана, - это шум. Каждый сигнал содержит некоторое количество шума. На этом графике мы видим, что сигнал 1 кГц записывается на уровне 0 дБ, а самый громкий компонент шума почти на 170 дБ тише. Такая малая 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, состоит из бесконечного числа частот. Относительный уровень этих частот - это то, что делает звук одного человека отличным от голоса другого или делает звук фортепиано отличным от звука гитары.

На этих двух графиках частотной характеристики показано фортепиано и гитара, играющие на Middle C с частотой 256 Гц.

Красная линия представляет собой характеристику гитары, показывая пик на 256 Гц, сильную гармонику на 512 Гц и пик интермодуляции на 768 Гц.

Зеленая линия показывает частотную характеристику фортепиано, играющего ту же самую среднюю ноту C 256 Гц. В нем значительно больше гармоник с гармониками и интермодуляционными пиками выше и ниже основной гармоники.

Формы сигналов аудио измерений

Для тестирования звукового оборудования и звуковых сигналов обычно используются две формы волны. Первый называется сигналом белого шума. Этот сигнал включает случайные аудиосигналы на всех частотах вплоть до отсечки носителя записи (в данном случае 22,05 кГц или наш файл WAV 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.

Другой важный сигнал - розовый шум. Мы используем этот сигнал при измерении частотной характеристики динамика. В отличие от белого шума, который содержит сигналы с одинаковыми уровнями на всех частотах, розовый шум имеет равное количество энергии сигнала на октаву. Если смотреть 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 форму волны.

Частотная характеристика громкоговорителя

Давайте возьмем высококачественный коаксиальный динамик с диагональю 6,5 дюйма с указанной эффективностью 89 дБ при подаче розового шума на уровне 2,83 В и измерении на расстоянии 1 метр. Значение 2,83 В соответствует 2 Вт при использовании уравнения P = V ^ 2 / R.

Хотя эта спецификация работает, когда мы подаем на динамик сигнал розового шума, она не говорит нам, насколько громко динамик на определенной частоте. Для этого нам понадобится график частотной характеристики.

Этот график частотной характеристики показывает нам, сколько звуковой энергии будет производить этот динамик под действием 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 повышающийся отклик выше 2 кГц для улучшения внеосевых характеристик. В машине этот динамик звучит потрясающе!

Бонусный сигнал - прямоугольная волна

Хорошо, наденьте свой космический костюм, мыслящую шапку или что-нибудь еще, что поможет вам понять следующее. Мы собираемся посмотреть на прямоугольную волну. Прямоугольная волна - это форма волны, которая объединяет гармоники (кратные) основной частоты, чтобы создать форму волны определенной формы. Форма волны имеет два значения: одно высокое и одно низкое. По этой причине люди ошибочно полагают, что это уровни постоянного тока (DC).

Формула для создания прямоугольной волны состоит из нескольких нечетно упорядоченных гармоник основной частоты. Если у вас есть прямоугольный сигнал с частотой 30 Гц и вы посмотрите на него в частотной области, вы можете увидеть эти гармоники.

Когда усилитель выходит за пределы предела выходного напряжения, он создает прямоугольную волну. В сигнале нет постоянного тока, но он полон высокочастотных гармоник.

Используя электронную таблицу Excel, созданную Александром Вайнером из Германии, вот шесть графиков, которые показывают, как квадратная волна создается путем добавления нечетных гармоник к основному сигналу. Для идеальной формы сигнала нам нужно бесконечное количество гармоник.

Если вы когда-нибудь задавались вопросом, почему твитеры, кажется, первыми выходят из строя, когда усилитель подвергается ограничению или искажению, причина в добавлении высокочастотной информации к аудиосигналу. Там, где мы могли бы подавать одну или две ватта на твитер с музыкой, прямоугольная волна или форма волны, содержащая значительные гармоники, содержат гораздо больше высокочастотной информации.

Мы надеемся, что это не слишком много информации для отдельной статьи. Понимание амплитуды формы волны и частотного содержимого имеет решающее значение при любом обсуждении мобильной аудиосистемы . В нашей следующей статье мы собираемся обсудить поток электричества через проводник и связанное с ним магнитное поле, которое создается.