Em nossa discussão em andamento sobre a teoria elétrica do áudio do carro, precisamos discutir algumas das características dos sinais de corrente alternada. Esses pontos de discussão incluem o conceito de amplitude e frequência. Compreender o conceito de frequência é crucial para desenvolver uma compreensão de como os componentes em nossos sistemas de áudio funcionam.
O conceito de amplitude de sinal
Felizmente, vamos começar fácil com uma discussão sobre a amplitude do sinal. Quando se trata da capacidade de um sinal CA de realizar trabalho, assim como uma fonte de alimentação CC, mais amplitude (ou nível) significa que mais trabalho pode ser feito.
Em uma fonte de alimentação CC, a amplitude é fixada em um determinado nível. Em nossos carros, esse nível é de cerca de 12 volts. Em nossas casas, a tensão na tomada da parede é de 120V. Dispositivos de alta potência, como um fogão elétrico, uma secadora de roupas ou um ar condicionado, normalmente são alimentados por 240 V para reduzir a quantidade de corrente necessária para fazer esses dispositivos funcionarem.
Quando queremos reproduzir som, precisamos fornecer um sinal de áudio de um amplificador para a bobina de voz de um alto-falante. Ignorando as limitações de design de um alto-falante, fornecer mais tensão resulta no movimento do cone mais longe e, portanto, produzindo mais som.
Se nosso amplificador está produzindo 1 volt rms de sinal para um alto-falante com impedância nominal de 4 ohms, então o alto-falante está recebendo 0,25 watts de potência (calculado usando a equação P =V^2 ÷ R). Se aumentarmos a tensão para 2 volts, a potência no alto-falante agora é de 1 watt ((2×2) ÷ 4). Se a tensão aumentar para 10 volts, a potência agora é de 25 watts.
Se olharmos para os dois sinais descritos acima (1Vrms e 2Vrms) em um osciloscópio (um dispositivo que mostra a tensão em relação ao tempo), você veria o seguinte:
Apenas um lembrete:O valor RMS de uma onda senoidal é 0,707 vezes seu valor de pico. No caso dessas formas de onda, os valores de pico seriam 1,414 e 2,818 volts.
O conceito de frequência
Sinais contendo várias frequências
Vamos voltar um pouco e olhar para os fundamentos da análise do conteúdo de frequência de um sinal. O gráfico que você vê abaixo mostra um único sinal de 1kHz.
As “coisas” que você vê na parte inferior da tela são ruídos. Cada sinal contém uma certa quantidade de ruído. Para este gráfico, podemos ver que o sinal de 1kHz é gravado a um nível de 0dB e que o componente de ruído mais alto é quase 170dB mais silencioso. Esta baixa amplitude torna o nível de ruído irrelevante.
O que pode ser difícil de entender é que um sinal pode ser, e muitas vezes é, composto de muitas frequências diferentes. Este gráfico mostra um sinal de áudio que contém sinais de 1kHz e 2kHz.
Quase todo sinal de áudio que ouvimos compreende um número infinito de frequências. O nível relativo dessas frequências é o que faz a voz de uma pessoa soar diferente da de outra ou faz um piano soar diferente de uma guitarra.
Esses dois gráficos de resposta de frequência mostram um piano e uma guitarra tocando o dó central com uma frequência de 256 Hz.
A linha vermelha representa a resposta do violão, mostrando um pico em 256 Hz, um harmônico forte em 512 Hz e um pico de intermodulação em 768 Hz.
A linha verde mostra a resposta de frequência de um piano tocando a mesma nota de dó central de 256 Hz. Tem significativamente mais conteúdo harmônico com harmônicos e picos de intermodulação acima e abaixo da fundamental.
Formas de onda de medição de áudio
Duas formas de onda são comumente usadas para testar equipamentos de áudio e sinais de áudio. O primeiro é chamado de sinal de ruído branco. Este sinal inclui sinais de áudio aleatórios em todas as frequências até o corte da mídia de gravação (neste caso, 22,05kHz ou nosso arquivo WAV com taxa de amostragem de 44,1kHz). Cada frequência é a mesma em termos de amplitude. Podemos usar esse sinal junto com um analisador em tempo real para medir a resposta de frequência dos componentes de áudio.
Aqui está o gráfico de resposta de frequência de um sinal de ruído branco:
Outro sinal importante é chamado de ruído rosa. Usamos esse sinal ao medir a resposta de frequência de um alto-falante. Ao contrário do ruído branco que contém sinais em níveis iguais em todas as frequências, o ruído rosa tem uma quantidade igual de energia de sinal por oitava. Quando observado no domínio da frequência, o nível diminui a uma taxa de 10dB por oitava à medida que a frequência aumenta.
Quando você toca ruído rosa através de um conjunto de alto-falantes e mede a resposta com um microfone, você estará procurando por um flat forma de onda.
Resposta de frequência de um alto-falante
Vamos pegar um alto-falante coaxial de 6,5 polegadas de alta qualidade com uma eficiência especificada de 89dB quando fornecido com ruído rosa a um nível de 2,83V e medido a uma distância de 1 metro. Um valor de 2,83 volts resulta em 2 watts usando a equação P =V^2/R.
Embora essa especificação funcione quando alimentamos o alto-falante com um sinal de ruído rosa, ela não nos diz o quão alto o alto-falante está em uma frequência específica. Para isso, precisamos de um gráfico de resposta em frequência.
Este gráfico de resposta de frequência nos mostra quanta energia sonora esse alto-falante produzirá quando acionado por um sinal de ruído rosa.
Este driver em particular tem uma queda suave em torno de 1kHz, alguma ênfase na região dos graves médios entre 80 e 150Hz e uma resposta suavemente ascendente acima de 2kHz para melhorar o desempenho fora do eixo. Em um carro, este alto-falante soa incrível!
O Sinal de Bônus – Uma Onda Quadrada
OK, coloque seu traje espacial, boné de pensamento ou qualquer outra coisa que o ajude a entender o seguinte. Vamos olhar para uma onda quadrada. Uma onda quadrada é uma forma de onda que combina harmônicos (múltiplos) de uma frequência fundamental para criar uma forma de onda de uma forma específica. A forma de onda parece ter dois valores, um alto e um baixo. É por esse motivo que as pessoas assumem incorretamente que esses são níveis de corrente contínua (CC).
A fórmula para criar uma onda quadrada é composta de vários harmônicos de ordem ímpar da frequência fundamental. Se você tiver uma onda quadrada de 30Hz e olhar para ela no domínio da frequência, poderá ver esses harmônicos.
Quando um amplificador é empurrado além de seu limite de tensão de saída, ele cria uma onda quadrada. Não há conteúdo DC no sinal, mas está cheio de conteúdo harmônico de alta frequência.
Usando uma planilha do Excel criada por Alexander Weiner da Alemanha, aqui estão seis gráficos que mostram como uma onda quadrada é criada pela adição de harmônicos de ordem ímpar a um sinal fundamental. Para uma forma de onda perfeita, precisamos de um número infinito de harmônicos.
A linha amarela mostra uma única onda senoidal sem harmônicos.
A forma de onda amarela adiciona o terceiro harmônico da frequência fundamental.
A forma de onda amarela adiciona o terceiro e o quinto harmônico da frequência fundamental.
A forma de onda amarela adiciona o terceiro, quinto e sétimo harmônico da frequência fundamental.
A forma de onda amarela mostra os 100 harmônicos de ordem ímpar, bem como a frequência fundamental.
Neste gráfico, temos a frequência fundamental e 256 harmônicos de ordem ímpar somados.
Se você já se perguntou por que os tweeters parecem ser os primeiros a falhar quando um amplificador é acionado em clipping ou distorção, o motivo é a adição de informações de alta frequência ao sinal de áudio. Onde poderíamos estar alimentando um ou dois watts para um tweeter com música, uma onda quadrada ou uma forma de onda contendo harmônicos significativos contém muito mais informações de alta frequência.
Esperamos que isso não tenha sido muita informação para um único artigo. Compreender a amplitude da forma de onda e o conteúdo de frequência são cruciais para qualquer discussão sobre um sistema de áudio móvel. Em nosso próximo artigo, discutiremos o fluxo de eletricidade através de um condutor e o campo magnético associado que é criado.
