Théorie électrique de l'audio automobile – Amplitude et fréquence des signaux CA
Dans notre discussion en cours sur la théorie électrique de l'audio automobile, nous devons discuter de certaines des caractéristiques des signaux de courant alternatif. Ces points de discussion incluent le concept d'amplitude et de fréquence. Comprendre le concept de fréquence est essentiel pour développer une compréhension du fonctionnement des composants de nos systèmes audio.
Le concept d'amplitude du signal
Heureusement, nous allons commencer tranquillement avec une discussion sur l'amplitude du signal. En ce qui concerne la capacité d'un signal CA à fonctionner, tout comme avec une source d'alimentation CC, plus d'amplitude (ou de niveau) signifie que plus de travail peut être effectué.
Dans une source d'alimentation CC, l'amplitude est fixée 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 120V. Les appareils à haute puissance comme une cuisinière électrique, un sèche-linge ou un climatiseur sont généralement alimentés en 240 V pour réduire la quantité de courant nécessaire pour faire fonctionner ces appareils.
Lorsque nous voulons reproduire un son, nous devons fournir un signal audio d'un amplificateur à la bobine mobile d'un haut-parleur. Ignorer les limites de conception d'un haut-parleur, fournir plus de tension entraîne le déplacement du cône plus loin et donc produit plus de son.
Si notre amplificateur produit 1 volt efficace de signal vers un haut-parleur avec une impédance nominale de 4 ohms, alors le haut-parleur reçoit 0,25 watts de puissance (calculée à l'aide de l'équation P =V^2 ÷ R). Si nous augmentons la tension à 2 volts, la puissance au niveau du haut-parleur est maintenant de 1 watt ((2×2) ÷ 4). Si la tension monte à 10 volts, la puissance est maintenant de 25 watts.
Si nous devions regarder les deux signaux décrits ci-dessus (1Vrms et 2Vrms) sur un oscilloscope (un appareil qui affiche la tension par rapport au temps), vous verriez ce qui suit :
Juste un rappel :la valeur RMS d'une onde sinusoïdale est de 0,707 fois sa valeur de crête. Dans le cas de ces formes d'onde, les valeurs de crête seraient de 1,414 et 2,818 volts.
Le concept de fréquence
Signaux contenant plusieurs fréquences
Revenons un peu en arrière et examinons les principes fondamentaux de l'analyse du contenu fréquentiel d'un signal. Le graphique que vous voyez ci-dessous montre un seul signal de 1 kHz.
Le "truc" que vous voyez en bas de l'écran est du bruit. Chaque signal contient une certaine quantité de bruit. Pour ce graphique, nous pouvons voir que le signal de 1 kHz est enregistré à un niveau de 0 dB et que la composante de bruit la plus forte est presque 170 dB plus silencieuse. Cette faible amplitude rend le niveau de bruit non pertinent.
Ce qui peut être difficile à comprendre, c'est qu'un signal peut être, et est souvent, composé de nombreuses fréquences différentes. Ce graphique montre un signal audio contenant des signaux de 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 est ce qui rend la voix d'une personne différente de celle d'une autre ou rend un piano différent de celui d'une guitare.
Ces deux graphiques de réponse en fréquence montrent un piano et une guitare jouant tous les deux du Do moyen avec une fréquence de 256 Hz.
La ligne rouge représente la réponse de la guitare, montrant un pic à 256 Hz, une forte harmonique à 512 Hz et un pic d'intermodulation à 768 Hz.
La ligne verte montre la réponse en fréquence d'un piano jouant la même note de do médian à 256 Hz. Il a beaucoup plus de contenu harmonique avec des harmoniques et des 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 les équipements audio et les signaux audio. Le premier est appelé un signal de bruit blanc. Ce signal comprend des signaux audio aléatoires à toutes les fréquences jusqu'à la coupure du support d'enregistrement (dans ce cas, 22,05 kHz ou notre fichier WAV à taux d'échantillonnage de 44,1 kHz). Chaque fréquence est la même en termes d'amplitude. Nous pouvons utiliser ce signal avec un analyseur en temps réel pour mesurer la réponse en fréquence des composants audio.
Voici le tracé de la réponse en fréquence d'un signal de bruit blanc :
Un autre signal important est appelé bruit rose. Nous utilisons ce signal pour mesurer la réponse en fréquence d'un haut-parleur. Contrairement au bruit blanc qui contient des signaux à des niveaux égaux à toutes les fréquences, le bruit rose a une quantité égale d'énergie de signal par octave. Lorsqu'il est examiné dans le domaine fréquentiel, le niveau diminue à un taux de 10 dB par octave à mesure que la fréquence augmente.
Lorsque vous jouez un bruit rose à travers un ensemble de haut-parleurs et que vous mesurez la réponse avec un microphone, vous recherchez un bruit plat forme d'onde.
Réponse en fréquence d'un haut-parleur
Prenons un haut-parleur coaxial de haute qualité de 6,5 pouces avec une efficacité spécifiée de 89 dB lorsqu'il est alimenté en bruit rose à un niveau de 2,83 V et mesuré à une distance de 1 mètre. Une valeur de 2,83 volts correspond à 2 watts en utilisant l'équation P =V^2/R.
Bien que cette spécification fonctionne lorsque nous alimentons le haut-parleur avec un signal de bruit rose, elle ne nous 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 pilote particulier a une légère baisse autour de 1 kHz, une certaine accentuation dans la région des basses moyennes entre 80 et 150 Hz et une réponse en légère augmentation au-dessus de 2 kHz pour améliorer les performances hors axe. Dans une voiture, ce haut-parleur a un son incroyable !
Le signal bonus – Une onde carrée
OK, enfilez votre combinaison spatiale, votre casquette de réflexion ou tout ce qui vous aidera à comprendre ce qui suit. Nous allons regarder une onde carrée. Une onde carrée est une forme d'onde qui combine des harmoniques (multiples) d'une fréquence fondamentale pour créer une forme d'onde d'une forme spécifique. La forme d'onde semble avoir deux valeurs, une haute et une basse. C'est pour cette raison que les gens supposent à tort qu'il s'agit de niveaux de courant continu (CC).
La formule pour créer une onde carrée est composée de plusieurs harmoniques d'ordre impair de la fréquence fondamentale. Si vous avez une onde carrée de 30 Hz et que vous la regardez dans le domaine fréquentiel, vous pouvez voir ces harmoniques.
Lorsqu'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 une feuille de calcul Excel créée par Alexander Weiner d'Allemagne, voici six graphiques qui montrent comment une onde carrée est créée en ajoutant des harmoniques d'ordre impair à un signal fondamental. Pour une forme d'onde parfaite, nous avons besoin d'un nombre infini d'harmoniques.
La ligne jaune montre une seule onde sinusoïdale sans harmonique.
La forme d'onde jaune ajoute la troisième harmonique de la fréquence fondamentale.
La forme d'onde jaune ajoute la troisième et la cinquième harmonique de la fréquence fondamentale.
La forme d'onde jaune ajoute les troisième, cinquième et septième harmoniques de la fréquence fondamentale.
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 additionnés.
Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi les tweeters semblent être les premiers à tomber en panne lorsqu'un ampli est entraîné en écrêtage ou en distorsion, la raison en est l'ajout d'informations haute fréquence au signal audio. Là où nous aurions pu fournir un ou deux watts à un tweeter avec de la musique, une onde carrée ou une forme d'onde contenant des harmoniques significatives contient beaucoup plus d'informations haute fréquence.
Nous espérons que ce n'était pas trop d'informations pour un seul article. Comprendre l'amplitude de la forme d'onde et le contenu fréquentiel est crucial pour toute discussion sur un système audio mobile. Dans notre prochain article, nous allons discuter du flux d'électricité à travers un conducteur et du champ magnétique associé qui est créé.