Teoría eléctrica del sistema de audio para automóviles:amplitud y frecuencia en señales de CA

En nuestra discusión en curso sobre la teoría eléctrica del audio del automóvil, debemos analizar algunas de las características de las señales de corriente alterna. Estos puntos de discusión incluyen el concepto de amplitud y frecuencia. Comprender el concepto de frecuencia es crucial para comprender cómo funcionan los componentes de nuestros sistemas de audio.

El concepto de amplitud de señal

Afortunadamente, vamos a comenzar de manera fácil con una discusión sobre la amplitud de la señal. Cuando se trata de la capacidad de una señal de CA para realizar trabajo, al igual que con una fuente de alimentación de CC, más amplitud (o nivel) significa que se puede realizar más trabajo.

En una fuente de alimentación de CC, la amplitud se fija en un determinado nivel. En nuestros coches, este nivel ronda los 12 voltios. En nuestros hogares, el voltaje en el receptáculo de pared es de 120 V. Los dispositivos de alta potencia, como una estufa eléctrica, una secadora de ropa o un aire acondicionado, generalmente funcionan con 240 V para reducir la cantidad de corriente necesaria para que estos dispositivos funcionen.

Cuando queremos reproducir sonido, necesitamos suministrar una señal de audio desde un amplificador a la bobina móvil de un altavoz. Ignorar las limitaciones de diseño de un altavoz y suministrar más voltaje da como resultado que el cono se mueva más lejos y, por lo tanto, produzca más sonido.

Si nuestro amplificador produce una señal de 1 voltio rms a un altavoz con una impedancia nominal de 4 ohmios, entonces el altavoz recibe 0,25 vatios de potencia (calculada mediante la ecuación P =V^2 ÷ R). Si aumentamos el voltaje a 2 voltios, la potencia en el altavoz ahora es de 1 vatio ((2×2) ÷ 4). Si el voltaje aumenta a 10 voltios, la potencia ahora es de 25 vatios.

Si observáramos las dos señales descritas anteriormente (1 Vrms y 2 Vrms) en un osciloscopio (un dispositivo que muestra el voltaje en relación con el tiempo), vería lo siguiente:
Solo un recordatorio:el valor RMS de una onda sinusoidal es 0,707 veces su valor máximo. En el caso de estas formas de onda, los valores pico serían 1,414 y 2,818 voltios.

El concepto de frecuencia

Señales que contienen múltiples frecuencias

Retrocedamos un poco y veamos los fundamentos del análisis del contenido de frecuencia de una señal. El gráfico que ves a continuación muestra una única señal de 1 kHz.

Las "cosas" que ve en la parte inferior de la pantalla son ruidos. Cada señal contiene una cierta cantidad de ruido. Para este gráfico, podemos ver que la señal de 1kHz se registra a un nivel de 0dB y que el componente de ruido más alto es casi 170dB más bajo. Esta baja amplitud hace que el nivel de ruido sea irrelevante.

Lo que puede ser difícil de entender es que una señal puede estar compuesta, ya menudo lo está, por muchas frecuencias diferentes. Este gráfico muestra una señal de audio que contiene señales de 1kHz y 2kHz.

Casi todas las señales de audio que escuchamos comprenden un número infinito de frecuencias. El nivel relativo de estas frecuencias es lo que hace que la voz de una persona suene diferente a la de otra o hace que un piano suene diferente a una guitarra.

Estos dos gráficos de respuesta de frecuencia muestran un piano y una guitarra tocando Do central con una frecuencia de 256 Hz.

La línea roja representa la respuesta de la guitarra, mostrando un pico a 256 Hz, un armónico fuerte a 512 Hz y un pico de intermodulación a 768 Hz.

La línea verde muestra la respuesta de frecuencia de un piano tocando la misma nota Do media de 256 Hz. Tiene significativamente más contenido armónico con armónicos y picos de intermodulación por encima y por debajo de la fundamental.

Formas de onda de medición de audio

Dos formas de onda se usan comúnmente para probar equipos de audio y señales de audio. La primera se llama señal de ruido blanco. Esta señal incluye señales de audio aleatorias en todas las frecuencias hasta el corte del medio de grabación (en este caso, 22,05 kHz o nuestro archivo WAV de frecuencia de muestreo de 44,1 kHz). Cada frecuencia es la misma en términos de amplitud. Podemos usar esta señal junto con un analizador en tiempo real para medir la respuesta de frecuencia de los componentes de audio.

Este es el gráfico de respuesta de frecuencia de una señal de ruido blanco:

Otra señal importante se llama ruido rosa. Usamos esta señal cuando medimos la respuesta de frecuencia de un altavoz. A diferencia del ruido blanco que contiene señales a niveles iguales en todas las frecuencias, el ruido rosa tiene la misma cantidad de energía de señal por octava. Cuando se observa en el dominio de la frecuencia, el nivel disminuye a una velocidad de 10 dB por octava a medida que aumenta la frecuencia.

Cuando reproduce ruido rosa a través de un conjunto de altavoces y mide la respuesta con un micrófono, estará buscando un sonido plano. forma de onda.

Respuesta de frecuencia de un altavoz

Tomemos un altavoz coaxial de 6,5 pulgadas de alta calidad con una eficiencia especificada de 89 dB cuando se le suministra ruido rosa a un nivel de 2,83 V y se mide a una distancia de 1 metro. Un valor de 2,83 voltios da como resultado 2 vatios utilizando la ecuación P =V^2/R.

Si bien esta especificación funciona cuando le damos al parlante una señal de ruido rosa, no nos dice qué tan fuerte es el parlante en una frecuencia específica. Para eso, necesitamos un gráfico de respuesta de frecuencia.

Este gráfico de respuesta de frecuencia nos muestra cuánta energía de sonido producirá este parlante cuando es impulsado por una señal de ruido rosa.

Este controlador en particular tiene una caída suave alrededor de 1kHz, algo de énfasis en la región de los bajos medios entre 80 y 150Hz y una respuesta que aumenta suavemente por encima de los 2kHz para mejorar el rendimiento fuera del eje. ¡En un automóvil, este altavoz suena increíble!

La señal de bonificación:una onda cuadrada

Bien, ponte el traje espacial, la gorra de pensar o lo que sea que te ayude a comprender lo siguiente. Vamos a mirar una onda cuadrada. Una onda cuadrada es una forma de onda que combina armónicos (múltiplos) de una frecuencia fundamental para crear una forma de onda de una forma específica. La forma de onda parece tener dos valores, uno alto y otro bajo. Es por esta razón que las personas asumen incorrectamente que se trata de niveles de corriente continua (CC).

La fórmula para crear una onda cuadrada se compone de múltiples armónicos impares de la frecuencia fundamental. Si tiene una onda cuadrada de 30 Hz y la mira en el dominio de la frecuencia, puede ver estos armónicos.

Cuando un amplificador se empuja más allá de su límite de voltaje de salida, crea una onda cuadrada. No hay contenido de CC en la señal, pero ESTÁ llena de contenido armónico de alta frecuencia.

Usando una hoja de cálculo de Excel creada por Alexander Weiner de Alemania, aquí hay seis gráficos que muestran cómo se crea una onda cuadrada agregando armónicos en orden impar a una señal fundamental. Para una forma de onda perfecta, necesitamos un número infinito de armónicos.

La línea amarilla muestra una sola onda sinusoidal sin armónicos.

La forma de onda amarilla agrega el tercer armónico de la frecuencia fundamental.

La forma de onda amarilla suma el tercer y quinto armónico de la frecuencia fundamental.

La forma de onda amarilla agrega el tercer, quinto y séptimo armónico de la frecuencia fundamental.

La forma de onda amarilla muestra los 100 armónicos en orden impar, así como la frecuencia fundamental.

En este gráfico, tenemos la frecuencia fundamental y 256 armónicos impares sumados.

Si alguna vez se ha preguntado por qué los tweeters parecen ser los primeros en fallar cuando un amplificador se satura o se distorsiona, la razón es la adición de información de alta frecuencia a la señal de audio. Donde podríamos haber estado alimentando uno o dos vatios a un tweeter con música, una onda cuadrada o una forma de onda que contiene armónicos significativos contiene mucha más información de alta frecuencia.

Esperamos que esto no haya sido demasiada información para un solo artículo. Comprender la amplitud de la forma de onda y el contenido de la frecuencia es crucial para cualquier discusión sobre un sistema de audio móvil. En nuestro próximo artículo, analizaremos el flujo de electricidad a través de un conductor y el campo magnético asociado que se crea.