Teoria z zakresu elektroniki i elektroakustyki

Elektroakustyka jest to dziedzina nauki zajmująca się przemianą drgań akustycznych na sygnały elektryczne i odwrotnie, ich wzmacnianiem, kształtowaniem itp.

Ciśnienie akustyczne wyrażane jest różnicą między wartością chwilową ciśnienia w określonym punkcie ośrodka, w którym istnieją drgania akustyczne, a wartością średnią w stanie równowagi, równą ciśnieniu statycznemu.

Wzmacniacz jest to układ elektroniczny, w którym sygnał wyjściowy, bez zmiany kształtu, zwiększa swoją wartość (napięcia, prądu, mocy) kosztem doprowadzonej do wzmacniacza energii.

Wzmacniacz mocy jest to wzmacniacz o dużym wzmocnieniu prądowym i najczęściej małym wzmocnieniu napięciowym. Zadaniem wzmacniacza mocy jest dostarczenie do jego obciążenia odpowiedniego poziomu mocy, bez wprowadzania dodatkowych zniekształceń i szumów.

Podstawowe parametry wzmacniaczy mocy:

• Współczynnik zawartości harmonicznych wyznaczany jest na podstawie pomiaru amplitud napięć o częstotliwościach harmonicznych, występujących na wyjściu wzmacniacza pobudzonego sygnałem sinusoidalnym.
• Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych jest miarą liniowości wzmacniacza, która to liniowość jest niezbędna do wiernego przenoszenia sygnałów elektrycznych. Jego ocena polega na pomiarze amplitud napięć o częstotliwościach będących wynikiem mieszania dwóch sygnałów o różnych częstotliwościach, doprowadzonych jednocześnie do wejścia wzmacniacza.
• Czułość wzmacniacza określa minimalne napięcie sygnału m.cz na wejściu wzmacniacza, niezbędne do uzyskania na jego wyjściu mocy znamionowej. Czułość określa się najczęściej dla jednej, wybranej częstotliwości sygnału m.cz (np. 1kHz).
• Sprawność wzmacniacza jest to stosunek mocy oddawanej na obciążenie wzmacniacza do mocy pobieranej ze źródła zasilania. Decydujący wpływ na sprawność wzmacniacza mocy ma punkt pracy jego tranzystorów wyjściowych (klasa wzmacniacza).
• Znamionowa moc wyjściowa jest to moc, którą wzmacniacz może oddać na znamionową impedancję obciążenia przy danej częstotliwości lub w danym paśmie częstotliwości, bez przekroczenia określonego współczynnika zniekształceń nieliniowych.
• Muzyczna moc wyjściowa określana jest identycznie jak moc znamionowa. Różnica wynika z faktu, że moc znamionowa mierzona jest przy trwałym wysterowaniu wzmacniacza, a moc muzyczna mierzona jest przy wysterowaniu chwilowym.
• Pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości dla których wzmocnienie sygnału wyjściowego maleje nie więcej niż 3dB od wartości maksymalnej wzmocnienia w tym zakresie. Pasmo przenoszenia ograniczone jest dolną oraz górną częstotliwością graniczną.
• Dolna częstotliwość graniczna jest to najniższa częstotliwość, dla której wartość wzmocnienia maleje o 3dB od wartości maksymalnej, w zadanym przedziale częstotliwości.
• Górna częstotliwość graniczna jest to najwyższa częstotliwość, dla której wartość wzmocnienia maleje o 3dB od wartości maksymalnej, w zadanym przedziale częstotliwości.
• Impedancja wejściowa wzmacniacza jest to impedancja, jaką przedstawia sobą wejście wzmacniacza dla znamionowych warunków pracy.
• Impedancja wyjściowa (wewnętrzna) wzmacniacza decyduje o wartości impedancji obciążenia, które może być dołączone przy określonej sprawności wzmacniacza. Impedancja wyjściowa nie może przekraczać 1/3 znamionowej impedancji obciążenia w zakresie częstotliwości akustycznych (20Hz ÷ 20kHz).
• Znamionowe napięcie wejściowe jest to takie napięcie, które podane na wejście wzmacniacza, pozwoli otrzymać na jego wyjściu moc znamionową.
• Stosunek sygnał / szum jest to stosunek napięcia sygnału użytecznego do napięcia sygnałów zakłócających (szumy, przydźwięk) na wyjściu wzmacniacza.

Szum jest to zakłócenie wywołane bezwładnymi przebiegami w postaci dużej liczby przypadkowych impulsów o przypadkowym rozkładzie częstotliwości i kątów fazowych, a więc o szerokim widmie częstotliwości.

Głośnik jest to urządzenie przetwarzające energię elektryczną w energię akustyczną. Wyróżniamy głośniki nisko tonowe, średnio tonowe i wysoko tonowe.

Podstawowe parametry głośników:

• Moc znamionowa jest to wartość mocy pozornej, którą głośnik może być obciążony w sposób trwały, przy której nie nastąpi jego uszkodzenie ani nie wystąpią nadmierne zniekształcenia odtwarzanego dźwięku.
• Znamionowa moc szumowa jest to moc elektryczna kształtowanego szumu różowego, która obciążając zestaw głośnikowy nieprzerwanie przez 100 godzin nie spowoduje żadnych jego uszkodzeń termicznych, ani mechanicznych, a parametry badanego zestawu głośnikowego pozostaną zgodne z wymaganymi.
• Krótkotrwała moc maksymalna jest to moc elektryczna kształtowanego szumu różowego o czasie trwania 1 sekundy, który doprowadzony do zestawu głośnikowego 60 razy z przerwami o długości 1 minuty nie spowoduje jego trwałego uszkodzenia.
• Długotrwała moc maksymalna jest to moc elektryczna kształtowanego szumu różowego o czasie trwania 1 minuty, który przykładany do zestawu głośnikowego 10 razy z przerwami o długości 2 minut nie spowoduje jego trwałego uszkodzenia.
• Znamionowa moc sinusoidalna jest to moc ciągłego sygnału sinusoidalnego z zakresu znamionowego pasma częstotliwości, która doprowadzona do zestawu głośnikowego na określony przez producenta czas (maksymalnie 1 godzinę) nie spowoduje jego trwałych uszkodzeń termicznych ani mechanicznych.
• Moc muzyczna jest to moc krótkotrwałego (2 sekundy) sygnału sinusoidalnego z zakresu częstotliwości od 250Hz do dolnej częstotliwości granicznej, która nie spowoduje słyszalnego dobijania drgającej cewki lub membrany, lub ujawnienia się innych wyraźnie słyszalnych zakłóceń lub zniekształceń.
• Impedancja znamionowa jest to najmniejsza wartość impedancji głośnika, przy częstotliwości leżącej powyżej rezonansu mechanicznego jego układu drgającego.
• Częstotliwość rezonansu mechanicznego głośnika jest to najniższa częstotliwość, przy której impedancja głośnika osiąga swoje pierwsze maksimum.
• Dolna częstotliwość graniczna głośnika równa jest częstotliwości rezonansu mechanicznego głośnika. Dla głośników wysoko tonowych, częstotliwość tą określają normy przedmiotowe.
• Górna częstotliwość graniczna głośnika równa jest częstotliwości, przy której ciśnienie akustyczne wytwarzane przez głośnik spada o 10dB poniżej średniej wartości ciśnienia akustycznego w środkowej części pasma przenoszenia głośnika.

Filtry są to układy o strukturze czwórnika, które przepuszczają sygnały z określonego przedziału częstotliwości, a tłumią sygnały o częstotliwościach nie należących do tego przedziału. Wyróżniamy filtry bierne, zbudowane z elementów RLC, oraz filtry aktywne czyli wzmacniacze selektywne.

Podział filtrów:

• filtry dolno przepustowe charakteryzują się górną częstotliwością graniczną (odcięcia), poniżej której znajduje się pasmo przenoszenia. Częstotliwości powyżej punktu odcięcia są przez układ tłumione.
• filtry górno przepustowe charakteryzuje się dolną częstotliwością graniczną (odcięcia), powyżej której znajduje się pasmo przenoszenia. Częstotliwości poniżej punktu odcięcia są przez układ tłumione.
• filtry pasmowo przepustowe charakteryzuje się dwoma lub większą ilością częstotliwości granicznych. Są to rozbudowane układy filtrów, których pasmo przepustowe (lub tłumione) może się składać z kilku oddzielnych zakresów częstotliwości.

Wzmacniacze operacyjne są to wzmacniacze o bardzo dużym wzmocnieniu napięciowym. Właściwości wzmacniaczy operacyjnych są kształtowane przez zewnętrzny obwód sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacze selektywne są układami wzmacniającymi sygnały o określonej częstotliwości, tłumiąc zarazem sygnały o pozostałych częstotliwościach. Wzmacniacze selektywne nazywane są również filtrami aktywnymi.

Współczynnik tętnień napięcia zasilającego równy jest stosunkowi wartości skutecznej składowych zmiennych do stałej wartości napięcia lub prądu.