Особенности звукового сигнала

May 8, 2012 by admin Комментировать »

Обычно для тестирования усилителей используется синусоидальный сигнал. Он же зачастую применяется и для измерения максимальной выходной мощности. Реальный музыкальный (и вообще звуковой) сигнал имеет одно важное отличие: он очень динамичный. На рис. 31 показаны осциллограммы синусоидального (слева) и музыкального (справа) сигналов. Хорошо видно, что музыкальный сигнал большую часть времени имеет маленькое значение, зато в некоторые моменты времени проходит большой импульс напряжения. Показанный на рисунке сигнал – самый настоящий. На самом деле он был специально выбран именно из-за его такой хорошей наглядности. У других музыкальных сигналов осциллограмма другая, но принцип и основные параметры такие же. Важный момент – этот музыкальный фрагмент имеет одинаковую (максимальную) громкость. Обычно громкость музыки максимальна не все время, поэтому то, что я про нее сейчас расскажу, проявляется в еще большей степени. На первый взгляд даже не очень верится, что средний уровень музыкального сигнала так мал. Но это потому, что осциллограмма сильно сжата по горизонтали. Если ее растянуть (рис. 31 внизу), то становится хорошо видно, что амплитуда почти все время "болтается" около нуля. Если бы можно было изобразить в таком растянутом виде весь сигнал, то он почти все время имел бы маленькую амплитуду с довольно редкими всплесками.

Общего у этих синусоидального и музыкального сигналов – только масштаб по вертикали на осциллограмме. Причем максимальные значения обоих сигналов совпадают. Почему? Это важное условие и краеугольный камень всей теории. Максимальное значение

–               это единственная вещь, зависящая только от усилителя (а не от сигнала). Вы же помните, что максимальное выходное напряжение усилителя ограничено напряжением питания? Вот под это значение выходного напряжения сигнал и масштабирован. Смысл такой: регулятором громкости мы установили максимально возможную громкость (и выходную, а значит и потребляемую усилителем мощность), чтобы не происходило ограничение сигнала.

После того, как уравняли максимальную амплитуду сигналов, сравним их среднеквадратические значения. Среднее значение каждого из сигналов показано на осциллограмме пунктирной линией (для звукового сигнала – на нижнем рисунке, чтобы было лучше видно). Очевидно, что среднее значение звукового сигнала намного меньше, чем синусоидального.

Для оценки таких вот сильно переменных сигналов используется понятие пик-фактора (crest-factor в англоязычной литературе). Это отношение максимального по модулю значения к среднеквадратическому (т.е. действующему). В выпрямителях используется не действующее, а среднее значение, но с допустимой погрешностью для них можно применять пик-фактор, считая его равным отношению максимальной амплитуды к среднему значению. Именно в таком смысле я и буду его использовать.

Для этого музыкального фрагмента пик-фактор равен 16 дБ, что означает, что максимальное значение больше среднего в 6,3 раза.

Децибел – единица измерения соотношения величин, равная 20 lg(X1/X2). Измерение отношений не в "разах", а в децибелах очень удобно – тогда как "разы" перемножаются, децибелы складываются.

И действительно, пик-фактор для музыки лежит в пределах от 8…10 дБ (2,5…3 раза) для "ди-джейской” музыки, до 16…20 дБ (6… 10 раз) для классики. Это для громких мест. А самые тихие места имеют уровень еще в 2…3 (сильно компрессированная поп- и DJ-музыка), а то и в 100 раз (симфоническая классика) меньше!

Возникает искушение сделать музыкальный сигнал погромче, чтобы повысить его средний уровень. А нельзя! Вы еще не забыли, что в нагрузку идет напряжение из источника питания? Поэтому получить в нагрузке напряжение больше, чем он дает, невозможно! Здесь громкость уже установлена максимальная – такая, чтобы в точности воспроизвести пики сигнала. Если прибавим громкость – эти пики обрежутся, так как напряжения источника питания станет недостаточно для их воспроизведения. А обрезание пиков сигнала – это искажения, которые нам вовсе не нужны.

Итак, что же у нас получается? А получается, что средняя мощность музыкального сигнала как минимум в 4…8 раз меньше, чем максимальная, и в 3…6 раз меньше, чем средняя у синусоиды. И это при максимальной громкости! А что будет, если сделать тише? А если еще учесть динамический диапазон музыки – не всегда же она громкая, есть и средние, и тихие места. То есть, кроме пик-фактора, на среднюю выходную, а значит, и потребляемую от источника, мощность влияет и динамический диапазон самой музыки, и уровень громкости, с которым мы ее слушаем. И все это влияет только в одну сторону – в сторону уменьшения потребляемой мощности!

Поэтому работа блока питания, нагруженного на усилитель, принципиально отличается от работы блока питания, нагруженного на резистор. Да и работа усилителя на музыкальном сигнале отличается от усиления синусоиды.

На таком сигнале роли элементов блока питания в формировании просадки несколько перераспределяются. На трансформатор приходится среднее значение тока, и падение напряжение на обмотках в среднем невелико. И соответственно невелики и просадки напряжения на трансформаторе (это по сравнению с усилением синусоиды и по сравнению с нагрузкой блока питания резистором). Как и нагрев обмоток, который в большей степени определяется средним током. А вот роль конденсаторов растет – эти могучие импульсы тока в нагрузке поддерживают именно они. Поэтому энергия, запасаемая в конденсаторах фильтра должна быть достаточной для импульсного питания нагрузки.

И бюджет просадок напряжения на музыкальном сигнале теперь другой (рис. 32). Большие просадки на конденсаторе – это следствие его разряда на пиках громкости. Такая работа конденсатора является нормальной при усилении музыки. А доля трансформатора несколько снизилась.

Кстати, обратите внимание, что потери напряжения на диодах достаточно велики, чтобы имело смысл о них заботиться.

Источник: Рогов И.Е. Конструирование источников питания звуковых усилителей. – Москва: Инфра- Инженерия, 2011. – 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты