Théorie électrique audio auto – Amplitude et fréquence dans les signaux AC
Dans notre discussion continue sur la théorie électrique audio auto, nous devons discuter de certaines caractéristiques des signaux en courant alternatif. Ces points incluent le concept d'amplitude et de fréquence. Comprendre la fréquence est crucial pour développer une compréhension du fonctionnement des composants de nos systèmes audio.
Le concept d'amplitude du signal
Heureusement, nous commençons facilement avec l'amplitude du signal. Quand il s'agit de la capacité d'un signal AC à faire du travail, tout comme avec une source DC, plus d'amplitude (niveau) signifie que plus de travail peut être fait.
Dans une source DC, l'amplitude est fixe à un certain niveau. Dans nos voitures, ce niveau est d'environ 12 volts. Dans nos maisons, la tension à la prise murale est de 120 V. Les appareils haute puissance comme une cuisinière électrique, une sécheuse ou un climatiseur sont généralement alimentés par 240 V pour réduire le courant requis.
Quand nous voulons reproduire le son, nous devons fournir un signal audio d'un amplificateur à la bobine mobile d'un haut-parleur. En ignorant les limites de conception d'un haut-parleur, fournir plus de tension fait bouger le cône plus loin et produit plus de son.
Si notre amplificateur produit 1 volt RMS de signal vers un haut-parleur d'impédance nominale 4 ohms, le haut-parleur reçoit 0,25 watt (P = V² ÷ R). Si on augmente à 2 volts, la puissance est maintenant 1 watt ((2×2) ÷ 4). Si la tension monte à 10 volts, la puissance est de 25 watts.
Si nous regardions les deux signaux (1 V RMS et 2 V RMS) sur un oscilloscope (appareil montrant tension vs temps), vous verriez ceci :
Rappel : la valeur RMS d'une onde sinusoïdale est 0,707 fois sa valeur de crête. Pour ces formes d'onde, les valeurs de crête seraient 1,414 et 2,818 volts.
Le concept de fréquence
Signaux contenant plusieurs fréquences
Reculons un peu et regardons les fondamentaux de l'analyse du contenu fréquentiel d'un signal. Le graphique ci-dessous montre un signal unique de 1 kHz.
Le « bruit » au bas de l'écran est du bruit. Tout signal contient une certaine quantité de bruit. Pour ce graphique, le signal 1 kHz est à 0 dB et le composant de bruit le plus fort est presque 170 dB plus bas. Cette faible amplitude rend le bruit négligeable.
Ce qui peut être difficile à comprendre, c'est qu'un signal peut être, et souvent est, composé de nombreuses fréquences différentes. Ce graphique montre un signal audio contenant 1 kHz et 2 kHz.
Presque tous les signaux audio que nous entendons comprennent un nombre infini de fréquences. Le niveau relatif de ces fréquences fait qu'une voix sonne différemment d'une autre ou qu'un piano sonne différemment d'une guitare.
Ces deux graphiques de réponse en fréquence montrent un piano et une guitare jouant tous deux le Do central à 256 Hz.
La ligne rouge représente la réponse de la guitare, avec un pic à 256 Hz, un harmonique fort à 512 Hz et un pic d'intermodulation à 768 Hz.
La ligne verte montre la réponse en fréquence d'un piano jouant le même Do central 256 Hz. Il a un contenu harmonique significativement plus important avec des harmoniques et pics d'intermodulation au-dessus et en dessous du fondamental.
Formes d'onde de mesure audio
Deux formes d'onde sont couramment utilisées pour tester l'équipement audio et les signaux. La première s'appelle le bruit blanc. Ce signal inclut des signaux audio aléatoires à toutes les fréquences jusqu'à la coupure du support d'enregistrement (ici 22,05 kHz pour notre taux d'échantillonnage 44,1 kHz WAV). Chaque fréquence a la même amplitude. Nous pouvons utiliser ce signal avec un analyseur temps réel pour mesurer la réponse en fréquence des composants audio.
Voici le tracé de réponse en fréquence d'un signal de bruit blanc :
Un autre signal important est le bruit rose. Nous l'utilisons pour mesurer la réponse en fréquence d'un haut-parleur. Contrairement au bruit blanc qui contient des signaux à niveaux égaux à toutes les fréquences, le bruit rose a une quantité égale d'énergie de signal par octave. Vu dans le domaine fréquentiel, le niveau diminue à un taux de 10 dB par octave à mesure que la fréquence augmente.
Quand vous jouez du bruit rose dans un ensemble de haut-parleurs et mesurez la réponse avec un microphone, vous cherchez une forme d'onde plate.
Réponse en fréquence d'un haut-parleur
Prenons un haut-parleur coaxial 6,5 pouces de haute qualité avec efficacité spécifiée 89 dB alimenté par bruit rose à 2,83 V mesuré à 1 mètre. 2,83 volts équivaut à 2 watts (P = V²/R).
Bien que cette spécification fonctionne avec un signal bruit rose, elle ne dit pas à quel point le haut-parleur est fort à une fréquence spécifique. Pour cela, nous avons besoin d'un graphique de réponse en fréquence.
Ce graphique montre combien d'énergie sonore ce haut-parleur produira quand alimenté par un signal bruit rose.
Ce driver a une légère creux vers 1 kHz, de l'emphase dans le médium-grave entre 80 et 150 Hz et une réponse doucement montante au-dessus de 2 kHz pour améliorer la performance hors axe. Dans une voiture, ce haut-parleur sonne incroyablement bien !
Le signal bonus – Une onde carrée
OK, attachez votre combinaison spatiale, bonnet de réflexion ou ce qui vous aidera à comprendre. Nous allons regarder une onde carrée. Une onde carrée combine des harmoniques (multiples) d'une fréquence fondamentale pour créer une forme d'onde spécifique. Elle semble avoir deux valeurs, une haute et une basse. C'est pour cela qu'on suppose à tort que ce sont des niveaux DC.
La formule pour créer une onde carrée est composée de multiples harmoniques d'ordre impair de la fréquence fondamentale. Si vous avez une onde carrée 30 Hz et la regardez dans le domaine fréquentiel, vous verrez ces harmoniques.
Quand un amplificateur est poussé au-delà de sa limite de tension de sortie, il crée une onde carrée. Il n'y a pas de contenu DC dans le signal, mais il EST plein de contenu harmonique haute fréquence.
En utilisant un tableur Excel créé par Alexander Weiner d'Allemagne, voici six graphiques montrant comment une onde carrée est créée en ajoutant des harmoniques d'ordre impair à un signal fondamental. Pour une forme d'onde parfaite, il faut un nombre infini d'harmoniques.
La ligne jaune montre une seule onde sinusoïdale sans harmoniques.
La forme d'onde jaune ajoute le 3e harmonique de la fréquence fondamentale.
La forme d'onde jaune ajoute les 3e et 5e harmoniques.
La forme d'onde jaune ajoute les 3e, 5e et 7e harmoniques.
La forme d'onde jaune montre les 100 harmoniques d'ordre impair ainsi que la fréquence fondamentale.
Dans ce graphique, nous avons la fréquence fondamentale et 256 harmoniques d'ordre impair ajoutés ensemble.
Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi les tweeters semblent être les premiers à lâcher quand un ampli est poussé dans l'écrêtage ou la distorsion, la raison est l'ajout d'informations haute fréquence au signal audio. Là où nous aurions pu envoyer 1 ou 2 watts à un tweeter avec de la musique, une onde carrée ou une forme d'onde avec harmoniques significatifs contient beaucoup plus d'informations haute fréquence.
Nous espérons que ce n'était pas trop d'informations pour un seul article. Comprendre l'amplitude et le contenu fréquentiel des formes d'onde est crucial pour toute discussion sur un système audio mobile. Dans notre prochain article, nous discuterons du flux d'électricité à travers un conducteur et du champ magnétique associé créé.