Teoria elettrica dell'autoradio – Ampiezza e frequenza nei segnali CA
Nella nostra discussione in corso sulla teoria elettrica dell'autoradio, dobbiamo discutere alcune delle caratteristiche dei segnali di corrente alternata. Questi punti di discussione includono il concetto di ampiezza e frequenza. Comprendere il concetto di frequenza è fondamentale per sviluppare una comprensione di come funzionano i componenti dei nostri sistemi audio.
Il concetto di ampiezza del segnale
Per fortuna, inizieremo facilmente con una discussione sull'ampiezza del segnale. Quando si tratta della capacità di un segnale CA di funzionare, proprio come con una fonte di alimentazione CC, più ampiezza (o livello) significa che è possibile svolgere più lavoro.
In una fonte di alimentazione CC, l'ampiezza è fissata a un certo livello. Nelle nostre auto, questo livello è di circa 12 volt. Nelle nostre case, la tensione alla presa a muro è di 120V. I dispositivi ad alta potenza come una stufa elettrica, un'asciugatrice o un condizionatore d'aria sono generalmente alimentati a 240 V 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 di un altoparlante. Ignorando i limiti di progettazione di un altoparlante, fornendo più tensione il cono si sposta più lontano e quindi produce più suono.
Se il nostro amplificatore produce 1 volt rms di segnale a un altoparlante con un'impedenza nominale di 4 ohm, allora l'altoparlante riceve 0,25 watt di potenza (calcolata usando l'equazione P =V^2 ÷ R). Se aumentiamo la tensione a 2 volt, la potenza dell'altoparlante è ora 1 watt ((2×2) ÷ 4). Se la tensione aumenta a 10 volt, la potenza è ora di 25 watt.
Se dovessimo guardare i due segnali sopra descritti (1Vrms e 2Vrms) su un oscilloscopio (un dispositivo che mostra la tensione relativa al tempo), vedresti 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 frequenze multiple
Facciamo un piccolo passo indietro e osserviamo i fondamenti dell'analisi del contenuto in frequenza di un segnale. Il grafico che vedi sotto mostra un singolo segnale a 1 kHz.
La "roba" che vedi nella parte inferiore dello schermo è il 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 la componente di rumore più forte è quasi 170dB più bassa. 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 1 kHz e 2 kHz.
Quasi ogni segnale audio che sentiamo comprende un numero infinito di frequenze. Il livello relativo di queste frequenze è ciò che rende la voce di una persona diversa da quella di 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'armonica forte 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 di Do centrale a 256 Hz. Ha un contenuto significativamente più armonico con armoniche e picchi di intermodulazione sopra e sotto la fondamentale.
Forme d'onda di misurazione audio
Due forme d'onda sono comunemente utilizzate per testare apparecchiature audio e segnali audio. Il primo è chiamato segnale di rumore bianco. Questo segnale include segnali audio casuali a tutte le frequenze fino al taglio del supporto di registrazione (in questo caso, 22,05 kHz o il nostro file WAV con frequenza di campionamento di 44,1 kHz). Ogni frequenza è la stessa in termini di ampiezza. Possiamo utilizzare questo segnale insieme a un analizzatore in tempo reale per misurare la risposta in frequenza dei componenti audio.
Ecco il grafico della 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. Se osservato nel dominio della frequenza, il livello diminuisce a una velocità di 10 dB per ottava all'aumentare della frequenza.
Quando riproduci il rumore rosa attraverso una serie di altoparlanti e misuri la risposta con un microfono, cercherai un piatto forma d'onda.
Risposta in frequenza di un altoparlante
Prendiamo un altoparlante coassiale da 6,5 pollici di alta qualità con un'efficienza specificata di 89 dB se alimentato con rumore rosa a un livello di 2,83 V e misurato a una distanza di 1 metro. Un valore di 2,83 volt si traduce in 2 watt usando l'equazione P =V^2/R.
Sebbene questa specifica funzioni quando si invia all'altoparlante un segnale di rumore rosa, non ci dice quanto è forte l'altoparlante a una frequenza specifica. Per questo, abbiamo bisogno di un grafico della risposta in frequenza.
Questo grafico di risposta in frequenza ci mostra quanta energia sonora produrrà questo diffusore quando guidato da un segnale di rumore rosa.
Questo particolare driver ha un leggero calo intorno a 1kHz, una certa enfasi nella regione dei bassi medi tra 80 e 150Hz e una risposta leggermente crescente sopra 2kHz per migliorare le prestazioni fuori asse. In macchina, questo altoparlante ha un suono fantastico!
Il segnale bonus:un'onda quadra
OK, allaccia la tuta spaziale, il berretto pensante o qualsiasi altra cosa ti aiuterà a capire quanto segue. Consideriamo un'onda quadra. Un'onda quadra è una forma d'onda che combina armoniche (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 motivo che le persone presumono erroneamente che si tratti di livelli di corrente continua (DC).
La formula per creare un'onda quadra è composta da più armoniche di ordine dispari della frequenza fondamentale. Se hai un'onda quadra a 30 Hz e la guardi nel dominio della frequenza, puoi vedere queste armoniche.
Quando un amplificatore viene spinto oltre il suo limite di tensione di uscita, crea un'onda quadra. Non c'è contenuto CC nel segnale, ma è pieno di contenuto armonico ad alta frequenza.
Utilizzando un foglio di calcolo Excel creato da Alexander Weiner dalla Germania, ecco sei grafici che mostrano come viene creata un'onda quadra aggiungendo armoniche di ordine dispari a un segnale fondamentale. Per una forma d'onda perfetta, abbiamo bisogno di un numero infinito di armoniche.
La linea gialla mostra una singola onda sinusoidale senza armoniche.
La forma d'onda gialla aggiunge la terza armonica della frequenza fondamentale.
La forma d'onda gialla aggiunge la terza e la quinta armonica della frequenza fondamentale.
La forma d'onda gialla aggiunge la terza, quinta e settima armonica della frequenza fondamentale.
La forma d'onda gialla mostra le 100 armoniche dispari e la frequenza fondamentale.
In questo grafico abbiamo la frequenza fondamentale e 256 armoniche dispari sommate.
Se vi siete mai chiesti perché i tweeter sembrano essere i primi a guastarsi quando un amplificatore viene spinto in clipping o distorsione, il motivo è l'aggiunta di informazioni ad alta frequenza al segnale audio. Laddove avremmo potuto fornire uno o due watt a un tweeter con musica, un'onda quadra o una forma d'onda contenente armoniche significative contiene molte più informazioni sulle alte frequenze.
Speriamo che questo non sia stato troppo per le informazioni per un singolo articolo. La comprensione dell'ampiezza della forma d'onda e del contenuto della frequenza sono fondamentali per qualsiasi discussione su un sistema audio mobile. Nel prossimo articolo parleremo del flusso di elettricità attraverso un conduttore e del relativo campo magnetico che viene creato.