Autóaudio-elektromos elmélet – A váltakozó áramú jelek amplitúdója és frekvenciája
Az autóaudio-elektromos elméletről szóló folyamatban lévő vitánkban meg kell vitatni a váltóáramú jelek néhány jellemzőjét. Ezek a vitapontok magukban foglalják az amplitúdó és a frekvencia fogalmát. A frekvencia fogalmának megértése kulcsfontosságú ahhoz, hogy megértsük audiorendszereink összetevőinek működését.
A jelamplitúdó fogalma
Szerencsére egyszerűen kezdjük a jel amplitúdójának megvitatásával. Ami az AC jel működési képességét illeti, csakúgy, mint egy egyenáramú áramforrás esetében, a nagyobb amplitúdó (vagy szint) azt jelenti, hogy több munkát lehet elvégezni.
Egyenáramú áramforrásban az amplitúdó egy bizonyos szinten van rögzítve. Autóinkban ez a szint 12 volt körül mozog. Otthonunkban a fali aljzat feszültsége 120 V. A nagy teljesítményű eszközök, például az elektromos tűzhely, a ruhaszárító vagy a légkondicionáló általában 240 V-ról táplálkoznak, hogy csökkentsék az eszközök működéséhez szükséges áramerősséget.
Ha hangot akarunk reprodukálni, egy hangjelet kell továbbítanunk egy erősítőből a hangszóró hangtekercsébe. Ha figyelmen kívül hagyjuk a hangsugárzók tervezési korlátait, nagyobb feszültséget adunk, akkor a kúp távolabb kerül, és így több hangot ad.
Ha az erősítőnk 1 voltos effektív jelet ad egy 4 ohm névleges impedanciájú hangszórónak, akkor a hangszóró 0,25 watt teljesítményt kap (a P =V^2 ÷ R egyenlet alapján számítva). Ha a feszültséget 2 voltra növeljük, a hangszóró teljesítménye most 1 watt ((2×2) ÷ 4). Ha a feszültség 10 voltra nő, a teljesítmény most 25 watt.
Ha megnéznénk a fent leírt két jelet (1 Vrms és 2 Vrms) egy oszcilloszkópon (egy olyan eszközön, amely a feszültséget az idő függvényében mutatja), a következőket látná:
Emlékeztetőül:egy szinuszhullám RMS értéke 0,707-szerese a csúcsértékének. Ezen hullámformák esetében a csúcsértékek 1,414 és 2,818 volt lennének.
A frekvencia fogalma
Több frekvenciát tartalmazó jelek
Lépjünk vissza egy kicsit, és nézzük meg a jel frekvenciatartalmának elemzésének alapjait. Az alábbi grafikon egyetlen 1 kHz-es jelet mutat.
A képernyő alján látható „cucc” zaj. Minden jel tartalmaz némi zajt. Ezen a grafikonon láthatjuk, hogy az 1 kHz-es jelet 0 dB szinten rögzítjük, és a leghangosabb zajkomponens közel 170 dB-lel halkabb. Ez az alacsony amplitúdó irrelevánssá teszi a zajszintet.
Amit nehéz megérteni, az az, hogy egy jel sok különböző frekvenciából állhat, és gyakran az is. Ez a grafikon egy 1kHz-es és 2kHz-es jeleket tartalmazó hangjelet mutat.
Szinte minden hallható audiojel végtelen számú frekvenciát tartalmaz. Ezeknek a frekvenciáknak a relatív szintje az, amitől az egyik ember hangja másként szól, mint a másiké, vagy a zongora hangja más, mint a gitáré.
Ez a két frekvencia átviteli grafikon egy zongorát és egy gitárt mutat, mindkettő 256 Hz-es középső C-n játszik.
A piros vonal a gitár reakcióját jelzi, csúcsot 256 Hz-nél, erős harmonikust 512 Hz-nél és intermodulációs csúcsot 768 Hz-nél.
A zöld vonal az ugyanazt a 256 Hz-es középső C hangot játszó zongora frekvenciamenetét mutatja. Lényegesen több felharmonikus tartalma van, a felharmonikusok és az intermodulációs csúcsok az alap felett és alatt.
Audio mérési hullámformák
Általában két hullámformát használnak az audioberendezések és az audiojelek tesztelésére. Az elsőt fehér zajjelnek nevezik. Ez a jel véletlenszerű hangjeleket tartalmaz minden frekvencián egészen a rögzítési adathordozó levágásáig (ebben az esetben 22,05 kHz vagy a 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciájú WAV fájlunk). Minden frekvencia azonos amplitúdójú. Ezt a jelet egy valós idejű elemzővel együtt használhatjuk az audiokomponensek frekvenciaválaszának mérésére.
Íme egy fehérzajjel frekvencia-válasz diagramja:
Egy másik fontos jel a rózsaszín zaj. Ezt a jelet használjuk a hangszóró frekvenciaválaszának mérésére. A fehér zajtól eltérően, amely minden frekvencián azonos szintű jeleket tartalmaz, a rózsaszín zaj oktávonként azonos mennyiségű jelenergiával rendelkezik. Ha a frekvenciatartományban nézzük, a szint oktávonként 10 dB-lel csökken a frekvencia növekedésével.
Ha rózsaszín zajt játszik le egy hangszórón keresztül, és mikrofonnal méri a reakciót, akkor lakást fog keresni hullámforma.
Hangszóró frekvenciaválasza
Vegyünk egy jó minőségű, 6,5 hüvelykes koaxiális hangszórót, amelynek meghatározott hatásfoka 89 dB, ha rózsaszín zajjal szállítjuk 2,83 V-os szinten és 1 méteres távolságból mérjük. A 2,83 voltos érték 2 wattnak számít a P =V^2/R egyenlet alapján.
Bár ez a specifikáció akkor működik, ha rózsaszín zajjelet táplálunk a hangszóróba, nem árulja el, hogy egy adott frekvencián mennyire hangos a hangszóró. Ehhez szükségünk van egy frekvenciaválasz grafikonra.
Ez a frekvenciaválasz-grafikon azt mutatja meg, hogy mennyi hangenergiát ad a hangszóró, ha rózsaszín zajjel hajtja.
Ez a különleges meghajtó enyhén süllyed 1 kHz körül, némi hangsúlyt kapott a 80 és 150 Hz közötti középmélyhang-tartományban, és enyhén emelkedik a válasza 2 kHz fölé a tengelyen kívüli teljesítmény javítása érdekében. Autóban ez a hangszóró csodálatosan szól!
A bónuszjel – Négyszögletű hullám
Rendben, szíjad fel a szkafandert, a fejsapkát vagy bármit, ami segít megérteni a következőket. Négyszögletű hullámot fogunk nézni. A négyszöghullám egy olyan hullámforma, amely egy alapfrekvencia harmonikusait (többszörösét) egyesíti egy meghatározott alakú hullámforma létrehozásához. Úgy tűnik, hogy a hullámformának két értéke van, egy magas és egy alacsony. Ez az oka annak, hogy az emberek tévesen feltételezik, hogy ezek egyenáramú (DC) szintek.
A négyszöghullám létrehozásának képlete az alapfrekvencia több páratlan sorrendű harmonikusából áll. Ha van egy 30 Hz-es négyszöghullám, és megnézi a frekvenciatartományban, akkor láthatja ezeket a harmonikusokat.
Ha egy erősítőt a kimeneti feszültség határa fölé tolnak, négyszöghullámot hoz létre. A jelben nincs DC tartalom, de tele van nagyfrekvenciás harmonikus tartalommal.
A német Alexander Weiner által készített Excel-táblázat segítségével itt van hat grafikon, amelyek bemutatják, hogyan jön létre négyszöghullám, ha páratlan sorrendű harmonikusokat adunk egy alapjelhez. A tökéletes hullámformához végtelen számú harmonikusra van szükség.
A sárga vonal egyetlen szinuszhullámot mutat felharmonikusok nélkül.
A sárga hullámforma hozzáadja az alapfrekvencia harmadik harmonikusát.
A sárga hullámforma hozzáadja az alapfrekvencia harmadik és ötödik harmonikusát.
A sárga hullámforma hozzáadja az alapfrekvencia harmadik, ötödik és hetedik harmonikusát.
A sárga hullámforma a 100 páratlan sorrendű harmonikust, valamint az alapfrekvenciát mutatja.
Ezen a grafikonon az alapfrekvencia és a 256 páratlan sorrendű harmonikus összeadva látható.
Ha valaha is azon töprengett, hogy miért tűnnek úgy, hogy a magassugárzók az elsők, amelyek meghibásodnak, amikor az erősítőt levágják vagy torzítják, ennek oka az, hogy az audiojelet nagyfrekvenciás információkkal egészítik ki. Ahol esetleg egy vagy két wattot adtunk egy magassugárzóhoz zenével, ott egy négyzethullám vagy egy jelentős harmonikusokat tartalmazó hullámforma sokkal több magas frekvenciájú információt tartalmaz.
Reméljük, ez nem volt túl sok információ egyetlen cikkhez. A hullámforma amplitúdója és frekvenciatartalmának megértése kulcsfontosságú a mobil audiorendszerrel kapcsolatos vitákban. Következő cikkünkben az elektromos áram vezetéken keresztül történő áramlását és a hozzá kapcsolódó létrejövő mágneses mezőt tárgyaljuk.