Em nossa discussão contínua sobre teoria elétrica de áudio automotivo, precisamos discutir algumas das características dos sinais de corrente alternada. Esses pontos de discussão incluem o conceito de amplitude e frequência. Entender o conceito de frequência é crucial para desenvolver uma compreensão de como os componentes em nossos sistemas de áudio funcionam.
Felizmente, vamos começar fácil com uma discussão sobre amplitude do sinal. Quando se trata da capacidade de um sinal CA de realizar trabalho, assim como com uma fonte de energia CC, mais amplitude (ou nível) significa que mais trabalho pode ser feito.
Em uma fonte de energia CC, a amplitude é fixada em um certo nível. Em nossos carros, este nível é em torno de 12 volts. Em nossas casas, a tensão na tomada de parede é 120V. Dispositivos de alta potência como um fogão elétrico, uma secadora de roupas ou um ar condicionado são normalmente alimentados por 240V para reduzir a quantidade de corrente necessária para fazer esses dispositivos operarem.
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 cone se movendo mais e, assim, 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 = V² ÷ R). Se aumentarmos a tensão para 2 volts, a potência no alto-falante agora é 1 watt ((2×2) ÷ 4). Se a tensão aumenta para 10 volts, a potência agora é 25 watts.
Se olhássemos para os dois sinais descritos acima (1Vrms e 2Vrms) em um osciloscópio (um dispositivo que mostra tensão relativa 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.
Vamos dar um passo atrás 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.
O "material" que você vê na parte inferior da tela é ruído. Todo sinal contém alguma quantidade de ruído. Para este gráfico, podemos ver que o sinal de 1kHz é registrado em um nível de 0dB e que o componente de ruído mais alto é quase 170dB mais silencioso. Essa baixa amplitude torna o nível de ruído irrelevante.
O que pode ser difícil de entender é que um sinal pode ser, e frequentemente é, composto por 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 outra ou faz um piano soar diferente de uma guitarra.
Estes dois gráficos de resposta de frequência mostram um piano e uma guitarra tocando Dó Central com uma frequência de 256 Hz.
A linha vermelha representa a resposta da guitarra, mostrando um pico em 256 Hz, um harmônico forte em 512 Hz e um pico de intermodulação em 768Hz.
A linha verde mostra a resposta de frequência de um piano tocando a mesma nota Dó Central de 256 Hz. Ele tem significativamente mais conteúdo harmônico com harmônicos e picos de intermodulação acima e abaixo do fundamental.
Duas formas de onda são comumente usadas para testar equipamentos de áudio e sinais de áudio. A primeira é chamada de sinal de ruído branco. Este sinal inclui sinais de áudio aleatórios em todas as frequências até o corte do meio de gravação (neste caso, 22,05kHz ou nossa taxa de amostragem de 44,1kHz arquivo WAV). Cada frequência é a mesma em termos de amplitude. Podemos usar este sinal junto com um analisador em tempo real para medir a resposta de frequência de 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 este 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 olhado 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 uma forma de onda plana.
Vamos tomar um alto-falante coaxial de 6,5 polegadas de alta qualidade com uma eficiência especificada de 89dB quando alimentado com ruído rosa em 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 = V²/R.
Embora esta especificação funcione quando alimentamos o alto-falante com um sinal de ruído rosa, ela não nos diz o quão alto o alto-falante é em uma frequência específica. Para isso, precisamos de um gráfico de resposta de frequência.
Este gráfico de resposta de frequência nos mostra quanta energia sonora este alto-falante produzirá quando acionado por um sinal de ruído rosa.
Este driver em particular tem uma leve queda em torno de 1kHz, alguma ênfase na região de médio-grave entre 80 e 150Hz e uma resposta levemente crescente acima de 2kHz para melhorar o desempenho fora do eixo. Em um carro, este alto-falante soa incrível!
OK, coloque seu traje espacial, chapéu de pensamento ou o que for ajudar 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 isso que as pessoas incorretamente assumem que estes são níveis de Corrente Contínua (CC).
A fórmula para criar uma onda quadrada é composta por múltiplos harmônicos de ordem ímpar da frequência fundamental. Se você tem uma onda quadrada de 30Hz e olha para ela no domínio da frequência, você pode ver esses harmônicos.
Quando um amplificador é levado além de seu limite de tensão de saída, ele cria uma onda quadrada. Não há conteúdo CC no sinal, mas ELE ESTÁ cheio de conteúdo harmônico de alta frequência.
Usando uma planilha Excel criada por Alexander Weiner da Alemanha, aqui estão seis gráficos que mostram como uma onda quadrada é criada adicionando 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 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 adicionados juntos.
Se você já se perguntou por que tweeters parecem ser os primeiros a falhar quando um amplificador é levado à distorção ou clipping, a razão é a adição de informações de alta frequência ao sinal de áudio. Onde poderíamos ter estado alimentando um ou dois watts a 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. Entender a amplitude da forma de onda e o conteúdo de frequência são cruciais para qualquer discussão de um sistema de áudio móvel. Em nosso próximo artigo, vamos discutir o fluxo de eletricidade através de um condutor e o campo magnético associado que é criado.
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