カー オーディオの電気理論 – AC 信号の振幅と周波数

現在進行中のカー オーディオの電気理論の説明では、交流信号の特性について説明する必要があります。これらの論点には、振幅と周波数の概念が含まれます。周波数の概念を理解することは、オーディオ システムのコンポーネントがどのように機能するかを理解する上で非常に重要です。

信号振幅の概念

ありがたいことに、信号振幅の議論から簡単に始めましょう。 AC 信号が機能する能力に関して言えば、DC 電源と同様に、振幅 (またはレベル) が大きいほど、より多くの機能を実行できることを意味します。

直流電源では、振幅は一定のレベルに固定されています。私たちの車では、このレベルは約 12 ボルトです。我が家のコンセントの電圧は120Vです。電気ストーブ、衣類乾燥機、エアコンなどの高出力デバイスは、通常、これらのデバイスの動作に必要な電流量を減らすために 240V で駆動されます。

音を再生したいとき、アンプからスピーカーのボイスコイルにオーディオ信号を供給する必要があります。スピーカーの設計上の制限を無視して、より多くの電圧を供給すると、コーンが遠くに移動し、より多くのサウンドが生成されます。

アンプが公称インピーダンス 4 オームのスピーカーに 1 ボルト rms の信号を生成している場合、スピーカーは 0.25 ワットの電力を受け取っています (式 P =V^2 ÷ R を使用して計算)。電圧を 2 ボルトに上げると、スピーカーの電力は 1 ワット ((2×2) ÷ 4) になります。電圧が 10 ボルトに上昇すると、電力は 25 ワットになります。

上記の 2 つの信号 (1Vrms と 2Vrms) をオシロスコープ (時間に対する電圧を表示するデバイス) で見ると、次のようになります。
注意:正弦波の RMS 値は、そのピーク値の 0.707 倍です。これらの波形の場合、ピーク値は 1.414 ボルトと 2.818 ボルトになります。

頻度の概念

複数の周波数を含む信号

少し戻って、信号の周波数成分を分析する基本を見てみましょう。以下のグラフは、単一の 1kHz 信号を示しています。

画面の下部に表示される「もの」はノイズです。すべての信号には、ある程度のノイズが含まれています。このグラフでは、1kHz の信号が 0dB のレベルで記録されており、最も大きなノイズ成分がほぼ 170dB 小さいことがわかります。この低い振幅により、ノイズ レベルは無関係になります。

理解するのが難しいのは、信号が多くの異なる周波数で構成されている可能性があり、多くの場合、構成されているということです。このグラフは、1kHz と 2kHz の信号を含む音声信号を示しています。

私たちが耳にするほぼすべての音声信号は、無数の周波数で構成されています。これらの周波数の相対的なレベルによって、ある人の声が別の人の声と異なったり、ピアノの音がギターと異なったりします。

これらの 2 つの周波数応答グラフは、ピアノとギターの両方が 256 Hz の周波数でミドル C を演奏していることを示しています。

赤い線はギターの応答を表しており、256 Hz にピークがあり、512 Hz に強いハーモニクスがあり、768 Hz に相互変調のピークがあります。

緑の線は、同じ 256 Hz の中 C 音を弾くピアノの周波数応答を示しています。基本波の上下に高調波と相互変調のピークがあり、大幅に多くの高調波成分を含んでいます。

オーディオ測定波形

オーディオ機器とオーディオ信号のテストには、一般的に 2 つの波形が使用されます。 1 つ目はホワイト ノイズ信号と呼ばれます。この信号には、記録媒体 (この場合は 22.05kHz または 44.1kHz サンプリング レートの WAV ファイル) のカットオフまでのすべての周波数のランダム オーディオ信号が含まれます。各周波数の振幅は同じです。この信号をリアルタイム アナライザーと共に使用して、オーディオ コンポーネントの周波数応答を測定できます。

以下は、ホワイト ノイズ信号の周波数応答プロットです。

もう 1 つの重要な信号は、ピンク ノイズと呼ばれます。スピーカーの周波数応答を測定するときに、この信号を使用します。すべての周波数で同じレベルの信号を含むホワイト ノイズとは異なり、ピンク ノイズはオクターブあたりの信号エネルギーの量が同じです。周波数ドメインで見ると、周波数が高くなるにつれて、レベルはオクターブあたり 10dB の割合で減少します。

一連のスピーカーでピンク ノイズを再生し、マイクで応答を測定すると、フラットを探すことになります。

ラウドスピーカーの周波数応答

2.83V のレベルのピンクノイズが供給され、1 メートルの距離で測定された場合、指定された効率が 89dB の高品質の 6.5 インチ同軸スピーカーを考えてみましょう。 2.83 ボルトの値は、P =V^2/R の式を使用してたまたま 2 ワットになります。

この仕様は、スピーカーにピンク ノイズ信号を供給した場合に機能しますが、特定の周波数でのスピーカーの音量はわかりません。そのためには、周波数応答グラフが必要です。

この周波数応答グラフは、このスピーカーがピンク ノイズ信号で駆動されたときにどれだけの音響エネルギーを生成するかを示しています。

この特定のドライバーは、1kHz 付近で緩やかに落ち込み、80 ～ 150Hz の間の中低音域が強調され、軸外のパフォーマンスを向上させるために 2kHz を超えるとレスポンスが緩やかに上昇します。車の中で、このスピーカーは素晴らしい音を出します!

ボーナス信号 – 方形波

OK、宇宙服やシンキング キャップなどを着用すると、次のことが理解できます。方形波を見ていきます。方形波は、基本周波数の高調波 (倍数) を組み合わせて特定の形状の波形を作成する波形です。波形には、高値と低値の 2 つの値があるように見えます。このため、人々はこれらが直流 (DC) レベルであると誤って想定しています。

方形波を作成する式は、基本周波数の複数の奇数次高調波で構成されています。 30Hz の方形波を周波数領域で見ると、これらの高調波を見ることができます。

アンプが出力電圧の制限を超えてプッシュされると、方形波が生成されます。信号には DC 成分はありませんが、高周波高調波成分でいっぱいです。

ドイツの Alexander Weiner によって作成された Excel スプレッドシートを使用して、奇数次の高調波を基本信号に追加することによって方形波がどのように作成されるかを示す 6 つのグラフを次に示します。完全な波形を得るには、無数の高調波が必要です。

黄色の線は、高調波のない単一の正弦波を示しています。

黄色の波形は、基本周波数の第 3 高調波を追加します。

黄色の波形は、基本周波数の 3 番目と 5 番目の高調波を追加します。

黄色の波形は、基本周波数の第 3、第 5、第 7 高調波を追加します。

黄色の波形は、100 の奇数次高調波と基本周波数を示しています。

このグラフでは、基本周波数と 256 の奇数次高調波が加算されています。

アンプがクリッピングや歪みに陥ったときにツイーターが最初に故障するように見える理由を疑問に思ったことがあるなら、その理由はオーディオ信号に高周波情報が追加されているためです。ツイーターに 1 ワットまたは 2 ワットの電力を音楽と共に供給していた場合、方形波または重要な高調波を含む波形には、より多くの高周波情報が含まれています。

これが 1 つの記事の情報には多すぎないことを願っています。波形の振幅と周波数成分を理解することは、モバイル オーディオ システムの議論にとって非常に重要です。次の記事では、導体を通る電気の流れと、生成される関連する磁場について説明します。