Teoría eléctrica del audio del automóvil: amplitud y frecuencia en señales de CA

En nuestra discusión continua sobre teoría eléctrica de audio para automóvil, necesitamos discutir algunas de las características de las señales de corriente alterna. Estos puntos de discusión incluyen el concepto de amplitud y frecuencia. Entender el concepto de frecuencia es crucial para desarrollar una comprensión de cómo funcionan los componentes en nuestros sistemas de audio.

El concepto de amplitud de señal

Afortunadamente, vamos a empezar fácil con una discusión sobre amplitud de 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 hacer más trabajo.

En una fuente de alimentación de CC, la amplitud está fija en un cierto nivel. En nuestros coches, este nivel es de alrededor de 12 voltios. En nuestros hogares, el voltaje en el tomacorriente es de 120 V. Dispositivos de alta potencia como una estufa eléctrica, una secadora de ropa o un aire acondicionado suelen alimentarse con 240 V para reducir la cantidad de corriente requerida para hacer funcionar estos dispositivos.

Cuando queremos reproducir sonido, necesitamos suministrar una señal de audio desde un amplificador a la bobina de voz de un altavoz. Ignorando las limitaciones de diseño de un altavoz, suministrar más voltaje resulta en que el cono se mueva más lejos y, por lo tanto, produzca más sonido.

Si nuestro amplificador está produciendo 1 voltio RMS de señal a un altavoz con una impedancia nominal de 4 ohmios, entonces el altavoz está recibiendo 0,25 vatios de potencia (calculado usando la ecuación P = V² ÷ 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 miráramos las dos señales descritas arriba (1 V RMS y 2 V RMS) en un osciloscopio (un dispositivo que muestra voltaje relativo al tiempo), verías lo siguiente:
Solo un recordatorio: El valor RMS de una onda sinusoidal es 0,707 veces su valor pico. 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 miremos los fundamentos del análisis del contenido de frecuencia de una señal. El gráfico que ves abajo muestra una sola señal de 1 kHz.

La "cosa" que ves en la parte inferior de la pantalla es ruido. Toda señal contiene alguna cantidad de ruido. Para este gráfico, podemos ver que la señal de 1 kHz se registra a un nivel de 0 dB y que el componente de ruido más fuerte es casi 170 dB más silencioso. Esta baja amplitud hace que el nivel de ruido sea irrelevante.

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

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 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 central 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 nuestra tasa de muestreo de 44,1 kHz en archivo WAV). 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 componentes de audio.

Aquí está 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 una cantidad igual de energía de señal por octava. Cuando se mira en el dominio de la frecuencia, el nivel disminuye a una tasa de 10 dB por octava a medida que aumenta la frecuencia.

Cuando reproduces ruido rosa a través de un juego de altavoces y mides la respuesta con un micrófono, estarás buscando una forma de onda plana.

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 alimenta con ruido rosa a un nivel de 2,83 V y se mide a una distancia de 1 metro. Un valor de 2,83 voltios resulta ser 2 vatios usando la ecuación P = V²/R.

Aunque esta especificación funciona cuando alimentamos el altavoz con una señal de ruido rosa, no nos dice cuán fuerte es el altavoz a una frecuencia específica. Para eso, necesitamos un gráfico de respuesta de frecuencia.

Este gráfico de respuesta de frecuencia nos muestra cuánta energía sonora producirá este altavoz cuando sea impulsado por una señal de ruido rosa.

Este driver en particular tiene una caída suave alrededor de 1 kHz, algo de énfasis en la región de medios-graves entre 80 y 150 Hz y una respuesta suavemente ascendente por encima de 2 kHz para mejorar el rendimiento fuera de eje. En un coche, ¡este altavoz suena increíble!

La señal extra: Una onda cuadrada

Vale, ponte tu traje espacial, gorra de pensar o lo que te ayude a entender 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 uno bajo. Es por esto que la gente incorrectamente asume que estos son niveles de Corriente Continua (CC).

La fórmula para crear una onda cuadrada está compuesta por múltiples armónicos de orden impar de la frecuencia fundamental. Si tienes una onda cuadrada de 30 Hz y la miras en el dominio de la frecuencia, puedes ver estos armónicos.

Cuando un amplificador es empujado más allá de su límite de voltaje de salida, crea una onda cuadrada. No hay contenido de CC en la señal, ¡PERO SÍ 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 añadiendo armónicos de 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 añade el tercer armónico de la frecuencia fundamental.

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

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

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

En este gráfico, tenemos la frecuencia fundamental y 256 armónicos de orden impar sumados juntos.

Si alguna vez te has preguntado por qué los tweeters parecen ser los primeros en fallar cuando un amplificador es llevado a recorte o distorsión, 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 no haya sido demasiada información para un solo artículo. Entender la amplitud de la forma de onda y el contenido de frecuencia son cruciales para cualquier discusión de un sistema de audio móvil. En nuestro próximo artículo, vamos a discutir el flujo de electricidad a través de un conductor y el campo magnético asociado que se crea.