🔼 🥌 🧦 Os principais parâmetros de amplificadores de baixa frequência e acústica. O que você precisa saber para não cair na isca dos profissionais de marketing 🍅 ⛵️ 🧗🏽

Graças a redes de varejo e lojas on-line, a variedade de equipamentos de áudio oferecidos para venda ultrapassa todos os limites razoáveis. Como escolher um dispositivo que atenda às suas necessidades de qualidade sem pagar muito?

Se você não é um audiófilo e a seleção de equipamentos não é o significado da vida para você, a maneira mais fácil é navegar com confiança pelas características técnicas do equipamento de amplificação e aprender a extrair informações úteis entre as linhas de passaportes e instruções, críticas a promessas generosas. Se você não sente a diferença entre dB e dBm, não distingue a potência nominal do PMPO e, finalmente, quer saber o que é THD, também pode encontrar algo interessante sob o corte.

Resumo do artigo

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. dB dBm?
— .
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. , , THD.
. .
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— . .
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Espero que os materiais deste artigo sejam úteis para entender o próximo, que possui um tópico muito mais complexo - "Distorção cruzada e feedback, como uma de suas fontes".

Ganho Por que precisamos de logaritmos e o que são decibéis?

Um dos principais parâmetros do amplificador é o ganho - a razão entre o parâmetro de saída do amplificador e a entrada. Dependendo da finalidade funcional do amplificador, os fatores de amplificação são diferenciados por tensão, corrente ou potência:

Ganho de tensão $: \quad K_U = {U_{OUT} \over U_{IN}}$

Ganho atual $: \quad K_I = {I_{OUT} \over I_{IN}}$

Ganho de potência $: \quad K_P = {P_{OUT} \over P_{IN}}$

O ganho do ULF pode ser muito grande, valores ainda maiores são expressos na amplificação de amplificadores operacionais e caminhos de rádio de vários equipamentos. Os números com um grande número de zeros não são muito convenientes de operar, é ainda mais difícil exibir no gráfico vários tipos de dependências com valores que diferem mil ou mais vezes. Uma saída conveniente é representar as quantidades em uma escala logarítmica. Na acústica, isso é duplamente conveniente, pois o ouvido tem uma sensibilidade próxima à logarítmica.

Portanto, o ganho é frequentemente expresso em unidades logarítmicas - decibéis (designação russa: dB; internacional: dB)

$x = 10*lg{P_1 \over P_0$

Inicialmente, dB foi usado para estimar a razão de potência, de modo que o valor expresso em dB implica o logaritmo da razão das duas potências, e o ganho de potência é calculado pela fórmula:

$K_P(dB) = 10*lg{P_{OUT} \over P_{IN}}$

A situação com quantidades "não energéticas" é de uma maneira ligeiramente diferente. Por exemplo, use uma corrente e expresse poder através dela, usando a lei de Ohm:

$P = I^2R$

o valor expresso em decibéis na corrente será igual à seguinte expressão:

$x = 10*lg{P_1 \over P_0}=10*lg \left({I^2_1 \over I^2_2}{R \over R}\right)=10*lg \left({I_1 \over I_2}\right)^2=20*lg{I_1 \over I_0}$

Da mesma forma para a tensão. Como resultado, obtemos as seguintes fórmulas para calcular o ganho:

Ganho atual em dB: $K_I(dB) = 20*lg{I_{OUT} \over I_{IN}}$

Ganho de tensão em dB: $K_U(dB) = 20*lg{U_{OUT} \over U_{IN}}$

Volume do som. Qual é a diferença entre dB e dBm?

Na acústica, um "nível de intensidade" ~~ou simplesmente~~ o ~~volume do~~ som L também é medido em decibéis, e esse parâmetro não é absoluto, mas relativo! Isso ocorre porque a comparação é realizada com o limiar mínimo de audibilidade pelo ouvido humano do som da oscilação harmônica - a amplitude da pressão sonora é de 20 μPa. Como a intensidade do som é proporcional ao quadrado da pressão do som, você pode escrever:

$L_{dB} = 10*lg{I \over I_0}$

onde não há $I_0$ corrente, mas a intensidade da pressão sonora do som com uma frequência de 1 kHz, que corresponde aproximadamente ao limiar de audibilidade do som por uma pessoa.

Assim, quando dizem que o volume do som é 20 dB, isso significa que a intensidade da onda sonora é 100 vezes maior que o limiar de audibilidade de um som por uma pessoa.

Além disso, na engenharia de rádio, o valor absoluto da medição de potência dBm (dBm russo), que é medido em relação a uma potência de 1 mW , é extremamente amplo . A potência é determinada na carga nominal (para equipamentos profissionais - geralmente 10 kOhm para frequências inferiores a 10 MHz, para equipamentos de radiofrequência - 50 Ohms ou 75 Ohms). Por exemplo, “a potência de saída do estágio do amplificador é de 13 dBm” (ou seja, a potência liberada na carga nominal para esse estágio do amplificador é de aproximadamente 20 mW).

Divida e conquiste - decomponha o sinal no espectro.

É hora de passar para um tópico mais complexo - a avaliação da distorção do sinal. Primeiro você tem que fazer uma pequena introdução e falar sobre os espectros. O fato é que, na engenharia de som, ~~não é apenas~~ habitual operar com sinais sinusoidais. Eles são freqüentemente encontrados no mundo circundante, pois um grande número de sons cria vibrações de vários objetos. Além disso, a estrutura do sistema auditivo humano é perfeitamente adaptada para a percepção de vibrações sinusoidais.

Qualquer oscilação sinusoidal pode ser descrita pela fórmula:

$f(x)= A sin*(\omega t + \varphi),$

onde o $A$ comprimento do vetor, a amplitude das oscilações, $\varphi$ é o ângulo inicial (fase) do vetor no tempo zero, $\omega$ é a velocidade angular, que é igual a:
$\omega=2 \pi f$

É importante que, usando a soma dos sinais sinusoidais com diferentes amplitudes, frequências e fases, seja possível descrever sinais periodicamente repetidos de qualquer formato. Sinais cujas frequências diferem da principal e um número inteiro de vezes são chamados harmônicos da frequência inicial. Para um sinal com uma frequência base f, sinais com frequências

$f*2, f*4, f*6 … f*2n$

será até harmônicos, e os sinais

$f*3, f*5, f*7 … f*n$

harmônicos ímpares

Vamos visualizar um sinal de rampa para maior clareza.

Uma representação precisa dele através de harmônicos exigirá um número infinito de termos. Na prática, um número limitado de harmônicos com a maior amplitude é usado para análise de sinal. Você pode ver claramente o processo de construção de um sinal de dente de serra a partir de harmônicos na figura abaixo.

E aqui está como o meandro é formado, preciso para o quinquagésimo harmônico ...

Mais informações sobre harmônicas podem ser encontradas em um maravilhoso artigo de dlinyj , e é hora de finalmente passarmos a distorções.

O método mais simples para avaliar a distorção do sinal é alimentar um ou a soma de vários sinais harmônicos na entrada do amplificador e analisar os sinais harmônicos observados na saída.

Se na saída do amplificador houver sinais dos mesmos harmônicos que na entrada, as distorções são consideradas lineares, porque são reduzidas a uma alteração na amplitude e na fase do sinal de entrada.

Distorções não lineares adicionam novos harmônicos ao sinal, o que leva à distorção da forma dos sinais de entrada.

Distorção linear e largura de banda.

O ganho K de um amplificador ideal é independente da frequência, mas na vida real isso está longe de ser o caso. A dependência da amplitude em relação à frequência é chamada característica de amplitude-frequência - resposta em frequência e é frequentemente representada na forma de um gráfico em que o ganho de tensão é plotado verticalmente e a frequência horizontalmente. Vamos traçar a resposta de frequência de um amplificador típico.

A resposta de frequência é obtida, fornecendo sequencialmente ao amplificador sinais de diferentes frequências de um determinado nível e medindo o nível do sinal na saída.

A faixa de frequência ΔF , dentro da qual a potência do amplificador não diminui mais de duas vezes a partir do valor máximo, é chamada banda passante do amplificador .

No entanto, em um gráfico, o ganho geralmente é plotado para tensão, ~~não energia~~ . Se designarmos o ganho máximo de tensão como $K_0$ , então, dentro da banda passante, o coeficiente não deve cair abaixo de:

$K_{min}={K_0 \over {\sqrt 2} } \approx 0.707*K_0$

Os valores da frequência e do nível de sinais com os quais o ULF opera podem variar muito significativamente; portanto, a resposta de frequência geralmente é construída em coordenadas logarítmicas, às vezes é chamada de LACH.

O ganho do amplificador é expresso em decibéis e, no eixo das abcissas, as frequências são adiadas após uma década (a faixa de frequências é dez vezes diferente). Não é assim que o gráfico parece não apenas mais bonito, mas também mais informativo?

O amplificador não apenas amplifica desigualmente os sinais de diferentes frequências, mas também muda a fase do sinal em diferentes valores, dependendo de sua frequência. Essa dependência reflete a característica de frequência de fase do amplificador.

Ao amplificar oscilações de apenas uma frequência, isso parece não ser assustador, mas para sinais mais complexos, leva a distorções significativas de forma, embora não gere novos harmônicos. A imagem abaixo mostra como o sinal de frequência dupla está distorcido.

Distorção não linear. CED, OIG, THD.

Distorções não lineares adicionam harmônicos anteriormente inexistentes ao sinal e, como resultado, alteram a forma de onda original. Talvez o exemplo mais óbvio dessa distorção seja a limitação da amplitude do sinal sinusoidal, mostrado abaixo.

O gráfico da esquerda mostra as distorções causadas pela presença de um harmônico uniforme adicional do sinal - limitando a amplitude de uma das meias ondas do sinal. O sinal sinusoidal original tem o número 1, a segunda oscilação harmônica é 2 e o sinal distorcido resultante é 3. A figura à direita mostra o resultado do terceiro harmônico - o sinal é "cortado" pelos dois lados.

Nos tempos soviéticos, a distorção não linear de um amplificador era habitualmente expressa usando o coeficiente de distorção harmônica do THD. Foi determinado da seguinte forma - um sinal de uma certa frequência, geralmente 1000 Hz, foi alimentado à entrada do amplificador. Então, o nível de todos os harmônicos do sinal na saída foi calculado. A correlação da tensão rms da soma dos harmônicos mais altos do sinal, exceto a primeira, com a tensão do primeiro harmônico, a mesma cuja frequência é igual à frequência do sinal sinusoidal de entrada, foi feita para o OIG.

Um parâmetro estrangeiro semelhante é referido como $THD_F$ - distorção harmônica total para frequência fundamental.

Fator de distorção harmônica (THP ou $K_\Gamma$ ) $: \quad K_\Gamma = { \sqrt {U_2^2+U_3^2+U_4^2+...U_n^2+...} \over U1}*100$

Essa técnica funcionará apenas se o sinal de entrada for perfeito e contiver apenas o harmônico fundamental. Essa condição nem sempre pode ser atendida; portanto, na prática internacional moderna, outro parâmetro para avaliar o grau de distorção não linear, a SOI, tornou-se muito mais difundido.

Contraparte estrangeira $THD_R$ - distorção harmônica total para o quadrado médio da raiz.

Fator de distorção (THD ou $K_H$ ) $: \quad K_H = { \sqrt {U_2^2+U_3^2+...U_n^2+...} \over \sqrt {U_1^2+U_2^2+U_3^2+...U_n^2+...} }*100$

SOI - um valor igual à razão entre a soma rms dos componentes espectrais do sinal de saída que não estão no espectro do sinal de entrada e a soma rms de todos os componentes espectrais do sinal de entrada.

SOI e OIG são valores relativos que são medidos em porcentagem.

Os valores desses parâmetros estão relacionados pela razão:

$\text{ } K_H \text{} K_\Gamma: \quad K_\Gamma = { K_H \over \sqrt {1-K_H^2} }$

Para formas de onda simples, a quantidade de distorção pode ser calculada analiticamente. Abaixo estão os valores THD para os sinais mais comuns na tecnologia de áudio (o valor THD é indicado entre colchetes).

0% (0%) - a forma de onda é uma onda senoidal perfeita.
3% (3%) - a forma de onda é diferente da sinusoidal, mas a distorção é invisível aos olhos.
5% (5%) - o desvio da forma de onda da sinusoidal visível no olho pela forma de onda.
10% (10%) - o nível padrão de distorção no qual eles consideram a potência real (RMS) do UMZCH é notável pelo ouvido.
12% (12%) é uma forma de onda triangular perfeitamente simétrica.
21% (22%) é uma forma de onda trapezoidal ou escalonada “típica”. [3]
43% (48%) é uma onda quadrada perfeitamente simétrica (meandro).
63% (80%) é uma forma de onda dente de serra ideal.

Vinte anos atrás, instrumentos complexos e caros foram usados para medir a distorção harmônica do caminho de baixa frequência. Um deles SK6-13 é mostrado na figura abaixo.

Hoje, uma placa de áudio de computador externo com um conjunto de software especializado com um custo total não superior a 500 USD é muito melhor nessa tarefa.

O espectro do sinal na entrada da placa de som ao testar um amplificador de baixa frequência.

Característica de amplitude. Muito brevemente sobre ruído e interferência.

A dependência da tensão de saída do amplificador em sua entrada, em uma frequência de sinal fixa (geralmente 1000 Hz), é chamada de característica de amplitude.

A característica de amplitude de um amplificador ideal é uma linha reta que passa pela origem, pois seu ganho é um valor constante em qualquer tensão de entrada.

A resposta de amplitude de um amplificador real tem pelo menos três seções diferentes. Na parte inferior, não chega a zero, pois o amplificador possui seu próprio ruído, que em baixos níveis de volume se torna comparável à amplitude do sinal útil.

Na parte do meio (AB), a característica de amplitude é próxima de linear. Esta é uma área de trabalho, dentro dos seus limites a distorção da forma de onda será mínima.

Na parte superior do gráfico, a característica de amplitude também possui uma curva, o que é devido a uma limitação na potência de saída do amplificador.

Se a amplitude do sinal de entrada for tal que o amplificador opere em seções dobradas, distorções não lineares aparecerão no sinal de saída. Quanto maior a não linearidade, mais distorcida a tensão sinusoidal do sinal, ou seja, novas oscilações (harmônicos mais altos) aparecem na saída do amplificador.

Os ruídos nos amplificadores ocorrem de várias formas e são causados por vários fatores.

Ruído branco

O ruído branco é um sinal com uma densidade espectral uniforme em todas as frequências. Dentro da faixa de frequência operacional de amplificadores de baixa frequência, o ruído térmico causado pelo movimento aleatório dos elétrons pode ser considerado um exemplo desse ruído. O espectro desse ruído é uniforme em uma faixa de frequência muito ampla.

Ruído rosa

O ruído rosa também é conhecido como flicker (ruído de flicker). A densidade espectral de potência do ruído rosa é proporcional a 1 / f (a densidade é inversamente proporcional à frequência), ou seja, está diminuindo uniformemente na escala de frequência logarítmica. O ruído rosa é gerado por componentes eletrônicos passivos e ativos, os cientistas ainda discutem sobre a natureza de sua origem.

Antecedentes de fontes externas

Uma das principais causas de ruído é o fundo induzido por fontes estranhas, por exemplo, a partir de uma rede CA de 50 Hz. Tem um harmônico fundamental de 50 Hz e múltiplos dele.

Auto-excitação

A auto-excitação de estágios individuais do amplificador é capaz de gerar ruído, geralmente com uma certa frequência.

Padrões de potência de saída ULF e acústica

Potência nominal

O analógico ocidental de RMS (Root Mean Squared) na URSS foi definido por GOST 23262-88 como o valor médio da energia elétrica de entrada de um sinal sinusoidal com uma frequência de 1000 Hz, o que causa distorções de sinal não lineares que não excedem o valor THD especificado. É indicado para alto-falantes e amplificadores. Normalmente, a potência indicada foi ajustada aos requisitos do GOST para a classe de complexidade de execução, com a melhor combinação de características medidas. Para diferentes classes de dispositivos, o SOI pode variar muito significativamente, de 1 a 10%. Pode acontecer que o sistema seja declarado em 20 watts por canal, mas as medições foram realizadas em 10% de THD. Como resultado, é impossível ouvir acústica em uma determinada potência. Os sistemas acústicos são capazes de reproduzir um sinal na potência RMS por um longo tempo.

Potência do ruído do passaporte

Às vezes também chamado de sinusoidal. O analógico ocidental mais próximo da DIN é a energia elétrica, limitada apenas por danos térmicos e mecânicos (por exemplo: escorregamento da bobina da voz por superaquecimento, queima de condutores nos locais de torção ou solda, quebra de fios flexíveis, etc.) ao somar ruído rosa através do circuito de correção para 100 horas. Normalmente, o DIN é 2-3 vezes maior que o RMS.

Potência máxima de curto prazo

Análogo ocidental do PMPO (Peak Music Power Output - potência musical de pico de saída). - a energia elétrica que os alto-falantes suportam sem danos (verificados por falta de chocalho) por um curto período de tempo. Ruído rosa é usado como sinal de teste. O sinal é transmitido ao alto-falante por 2 segundos. Os testes são realizados 60 vezes com intervalo de 1 minuto. Esse tipo de energia possibilita avaliar as sobrecargas de curto prazo que um alto-falante pode suportar em situações que surgem durante a operação. Geralmente 10-20 vezes maior que o DIN. De que adianta uma pessoa descobrir que seu sistema é ~~possível~~transferirá um seno curto, menor que um segundo, de baixa frequência com alta potência? No entanto, os fabricantes gostam muito de citar esse parâmetro específico nas embalagens e rótulos de seus produtos ... O grande número desse parâmetro geralmente se baseia apenas na imaginação tempestuosa do departamento de marketing dos fabricantes, e aqui os chineses estão indubitavelmente à frente do resto.

Potência máxima a longo prazo

Esta é a energia elétrica que os alto-falantes podem suportar sem danos por 1 minuto. Os testes são repetidos 10 vezes com um intervalo de 2 minutos. O sinal de teste é o mesmo.
A potência máxima de longo prazo é determinada pela violação da força térmica dos alto-falantes dos alto-falantes (o deslizamento das voltas da bobina de voz, etc.).

A prática é o melhor critério da verdade. Showdown com centro de áudio

Vamos tentar colocar nosso conhecimento em prática. Vamos dar uma olhada em uma loja on-line muito famosa e procurar o produto de uma empresa ainda mais famosa da Terra do Sol Nascente.

Sim - o centro musical do design futurista é vendido por apenas 10.000 rublos. para a próxima promoção:

Pela descrição, descobrimos que o dispositivo está equipado não apenas com alto-falantes potentes, mas também com um subwoofer.

“Ele fornece excelente nitidez de som em qualquer nível de volume. Além disso, essa configuração ajuda a tornar o som rico e envolvente. ”

Emocionante, talvez valha uma olhada nas opções. "O centro contém dois alto-falantes frontais, cada um com uma potência de 235 watts, e um subwoofer ativo com uma potência de 230 watts." Além disso, o tamanho do primeiro é de apenas 31 * 23 * 21 cm.

Sim, é o Nightingale, um ladrão de algum tipo, além disso, tanto em termos de voz quanto de tamanho. Nos 96 distantes, eu parava minha pesquisa sobre isso e, mais tarde, olhando para o meu S90 e ouvindo o amplificador de Ageev, eu discutia violentamente com meus amigos como nossa indústria soviética estava atrás da indústria japonesa por 50 anos ou da mesma forma. Hoje, porém, com a disponibilidade da tecnologia japonesa, a situação é muito melhor e muitos mitos relacionados a ela entraram em colapso. Portanto, antes de comprar, tentaremos encontrar dados mais objetivos sobre a qualidade do som. No site sobre isso nem uma palavra. Quem duvidaria disso! Mas há um manual de instruções em formato pdf.

Faça o download e continue a pesquisa. Entre as informações extremamente valiosas, está “uma licença para a tecnologia de codificação sonora foi obtida da Thompson” e com que finalidade é difícil inserir as baterias, mas ainda é possível encontrar algo parecido com parâmetros técnicos. Informações muito escassas estão ocultas nas entranhas do documento, mais perto do fim.

Trago-o literalmente, na forma de uma captura de tela, pois, a partir deste momento, comecei a ter sérias questões, tanto para os números apresentados, ~~apesar de confirmados por um certificado de conformidade~~ quanto para sua interpretação.

O fato é que foi escrito um pouco mais baixo que a energia do primeiro sistema consumido pela rede CA é de 90 watts, e o segundo geralmente é de 75. Hmm.

Inventou a máquina de movimento perpétuo do terceiro tipo? Ou talvez as baterias estejam escondidas no corpo do centro de música? Sim, não parece que o peso reivindicado do dispositivo sem acústica seja de apenas três quilos. Assim, consumindo 90 watts da rede, você pode obter 700 watts misteriosos (para referência) ou pelo menos uma saída nominal de 120 miserável, mas bastante tangível. De fato, ao mesmo tempo, o amplificador deve ter uma eficiência de cerca de 150%, mesmo com o subwoofer desligado! Mas, na prática, esse parâmetro raramente excede os 75 bar.

Vamos tentar colocar em prática as informações obtidas no artigo

A potência declarada para referência 235 + 235 + 230 = 700 - isso é claramente PMPO. Com clareza nominal é muito menor. A julgar por definição, esta é a potência nominal , mas não pode ser 60 + 60 para apenas dois canais principais, excluindo o subwoofer, com um consumo de energia nominal de 90 watts. Isso se assemelha cada vez mais a uma jogada de marketing, mas a uma mentira direta. A julgar pelas dimensões e pela regra não escrita, a proporção entre RMS e PMPO, a potência nominal real desse centro deve ser de 12 a 15 watts por canal e o total não deve exceder 45. Surge uma questão lógica - como confiar nos dados de passaporte de fabricantes de Taiwan e de China, quando mesmo os famosos japoneses a empresa se permite?

A decisão de comprar ou não esse dispositivo depende de você. Se, a fim de colocar de manhã nos ouvidos dos vizinhos no país - sim. Caso contrário, sem antes ouvir várias composições musicais em diferentes gêneros, eu não recomendaria.

Bule de alcatrão em um pote de mel.

Parece que temos uma lista quase exaustiva de parâmetros necessários para avaliar a potência e a qualidade do som. Mas, com mais atenção, isso está longe de ser o caso, por várias razões:

Muitos parâmetros são mais adequados, não tanto para uma reflexão objetiva da qualidade do sinal, como para a conveniência da medição. A maioria é realizada com uma frequência de 1000 Hz, o que é muito conveniente para obter os melhores resultados numéricos. Está localizado longe da frequência de fundo da rede elétrica a 50 Hz e na parte mais linear da faixa de frequência do amplificador.
. , , , , . , , - 10%!
, PMPO. , . !
, , .

Não é de surpreender que, nessas circunstâncias, muitos compradores caiam na subjetividade e são orientados ao comprar, na melhor das hipóteses, exclusivamente nos resultados de uma escuta curta, na pior das hipóteses no preço.

É hora de terminar, o artigo acabou sendo excessivamente longo!

Continuaremos a discussão sobre a avaliação da qualidade e das causas de distorção dos amplificadores de baixa frequência no próximo artigo. Armado com uma quantidade mínima de conhecimento, você pode passar para tópicos interessantes como distorção de intermodulação e sua relação com a profundidade do feedback!

Concluindo, gostaria de expressar minha sincera gratidão a Roman Parpalak parpalak por seu projeto de um editor on - line com suporte para látex e Marchdown . Sem essa ferramenta, o trabalho difícil de introduzir fórmulas matemáticas em um texto teria se tornado verdadeiramente infernal.

Os principais parâmetros de amplificadores de baixa frequência e acústica. O que você precisa saber para não cair na isca dos profissionais de marketing