HOOFDSTUK 2 : Elektro-akoestische principes

Transcriptie

1 HOOFDSTUK 2 : Elektro-akoestische principes De verstaanbaarheid verhogen Manipuleren voor artistieke doeleinden Capteren en conserveren Transmissie 2.0.a Elektrische stroom, spanning en weerstand Een atoom bestaat uit elektronen ( negatief geladen ), protonen ( positief geladen ) en neutronen. De elektronen draaien in verschillende lagen rond de kern van protonen en neutronen. De buitenste laag noemt men de valentielaag. Deze laag kan maximaal 8 elektronen bevatten. Atomen met 1 tot 3 elektronen in de valentielaag zijn geleiders, atomen met 5 tot 7 elektronen zijn isolatoren. 2.0.a Elektrische stroom, spanning en weerstand ( 2 ) 1

2 2.0.a Elektrische stroom, spanning en weerstand ( 3 ) We onderscheiden volgende grootheden : stroomsterkte : ampères : I 18 ( 6,24 x 10 ) spanning : volts : E of U Vermogen : P= E x I 2.0.b Combinaties van weerstanden De serie schakeling : E = I x R = I x ( R1 + R2 ) 2

3 2.0.b Combinaties van weerstanden De parallel schakeling : E = I x R I = I1 = E R E R1 I2 = E R2 E E E R = R1 + R2 of R = R1 + R2 2.0.c De spanningsdeler 3

4 2.0.d Capacitantie in een gelijkstroomcircuit Het vermogen om ladingen op te slaan noemen we capacitantie ( C ) uitgedrukt in Farad. Deze capacitantie hangt af van de onderlinge afstand tussen de geleiders, hun oppervlakte en het gebruikte isolatie materiaal. C = A x K 2π x d C = Capacitantie in pico - farad A = oppervlakte van één plaatje in cm² K = diëlektische constante van de isolator d = afstand tussen beide plaatjes in cm 2.0.d Capacitantie in een gelijkstroomcircuit ( 2 ) Bij het ontladen van de condensator hangt de snelheid af van C en weerstand R T = R x C C = Capacitantie in pico - farad R = weerstand in Ω T = capacitieve tijdsconstante in msec. 4

5 2.0.d Capacitantie in een gelijkstroomcircuit ( 3 ) T is de waarde om de capaciteit voor 62,3% op te laden. Bij elke verdere tijdsconstante ( 2 x t ) zal er terug 63,2% van de nog op te laden capaciteit opgeladen zijn. De condensator wordt verondersteld volledig opgeladen te zijn na 5 tijdsconstanten Een condensator éémaal in een continu gelijkstroomcircuit opgeladen laat helemaal geen stroom meer vloeien. Condensatoren blokkeren de gelijkstroom 2.0.e Inductantie 5

6 2.0.e Inductantie ( 2 ) Inductantie : symbool L eenheid is de Henry ( H ) Indien 2 geleiders naast elkaar liggen, en er vloeit stroom door een geleider, zal er in de 2de geleider ook een spanning en stroom geïnduceerd worden. Het magnetisch veld van de 2de geleider zal op zijn beurt door de 1ste geleider snijden, Contra Electro-Motoric Force 2.0.e Inductantie ( 3 ) Door de aanwezigheid van CEMF wordt zowel de opbouw als de ineenstorting van het magnetisch veld rond spoel L tegengewerkt. Opbouw en afbraak gaan dus geleidelijk. Ook hier gebruiken we een gegeven tijdsconstante : Tijdsconstante voor inductie : t = L R 6

7 2.0.f Wisselstroom Bij gelijkstroom ( DC ) ontstaat elektronenstroom in één richting. Bij wisselstroom ( AC ) verandert de elektronenstroom op het ritme waarmee het potentieelverschil van de bron wisselt. Dit is de frequentie van de wisselstroom Geluidssignalen alterneren steeds. Elementen wisselspanning : frequentie en amplitude, maar ook : de eigenschappen van de golf ( sinus of complex ) en de stijg- en daaltijd. 2.0.f Wisselstroom ( 2 ) 7

8 2.0.g Capacitantie in een wisselstroomcircuit In een AC circuit wordt de stroomdoorvoer versperd. Hier vloeien continu laad- en ontladingsstromen door het circuit. Bij elke polariteitswissel zal de stroomvloei van de vorige ontlading zorgen voor een vervroegde laadstroom. Gevolg : spanning en stroom zijn niet met elkaar in fase. De fase van de stroom ligt 90 vóór op die van de spanning. Bij maximale spanning zal de condensator volledig opgeladen zijn en is de stroomvloei nul. Als de spanning terug afneemt komt de stroomvloei terug op gang en zal het maximum bereiken op het nul-doorgangspunt van de spanning ( E = 0 ). 2.0.g Capacitantie in een wisselstroomcircuit ( 2 ) Xc = 1 2π x f x C Xc neemt af, naargelang f stijgt De totale oppositie van Xc en weerstand noemen we impedantie Z = ( R² + Xc² ) Dit soort weerstand ( door een capaciteit ) tegen de alternerende stroomvloei noemt men reactantie ( Xc ) en wordt in Ω uitgedrukt. 8

9 2.0.h Inductantie in een wisselstroomcircuit In een AC circuit wordt eveneens continu een inductantie op- en afgebouwd. Bij die inductantie loopt de fase van de spanning 90 vóór op de stroom. De stroom loopt tevens door de spoel. Dit levert een tegenstroom op onder de vorm van CEMF. De inductieve reactantie XL is afhankelijk van de grootte van de spoel en de frequentie van de polariteit wissel XL = 2π x f x L ( Ω ) L = inductantie van de spoel Deze eigenschap wordt veel toegepast voor het maken van hoog - of laag filters ( combinaties van R, C en L ) 2.1. De decibel in het elektrisch circuit De wet van Ohm een makkelijke manier om te memoriseren : V A Ω A W V je moet enkel kijken waar de symbolen staan t.o.v. de driehoek bij voorbeeld : Volt = Amp x Ohm en Amp = Watt / Volt Dit werkt uiterst makkelijk : als je bv. wil weten hoeveel ampere de zekering van je versterker minimum moet hebben deel je het vermogen W door de spanning V, en als je wil weten hoeveel volt je zal verliezen in een lange kabel dan vermenigvuldig je impedantie A met de weerstand Ω 9

10 a De decibel in het elektrisch circuit De dbm Ter herhaling : Bij vermogens : x db = 10 log P1 P2 Bij spanning : x db = 20 log V1 V2 Referentie : 1 milliwatt = 0 dbm opgelet!!! : bij 600 Ω P = E² R of E² = P x R E² = 0,001 W x 600 Ω = 0,6 E = 0,775 V 2.1.b De dbu Gezien 600 Ω circuits bijna niet meer gebruikt worden in de moderne audio componenten, zocht men een nieuwe standaard. Men gebruikt dezelfde referentie van 0 dbu = 0,775 V maar met referentie naar een open klemspanning ( meting zonder effectieve belasting ) De meeste ingangsimpedanties van de huidige apparatuur liggen vrij hoog ( 10 kω ), komt deze referentie meer tot zijn recht. Opletten met bijvoorbeeld vermogens versterkers : de belasting wordt te laag met gevolg dat er zoveel stroom door de eindtrap vloeit dat er vervorming en zelfs permanente beschadiging kan optreden. 10

11 2.1.c De dbv en de dbv De dbv is synoniem van de dbm De dbv heeft 1V als 0 db referentie. De dbv wordt soms gebruikt bij specificaties van bepaalde apparatuur. Als vuistregel moet men er steeds voor waken een toestel met een laag- ohmige uitgang aan te sluiten op een toestel met een hoog- ohmige ingang. 2.1.d De dbw De dbw heeft 1 watt als 0 db referentie. De dbw wordt gebruikt bij specificaties voor eindversterkers en zendapparatuur. Een versterker van 1000 W geeft volgende verhouding : x db = 10 log 1000 W 1W of 10 log ( 1000 ) of 10 x 3 = 30 dbw 2.1.d De dbm en dbv in relatie met apparatuur dbv -20 dbu 0.1 Voltage dbv v Hifi : dbu 0,775 v v dbu 1.23 v Pro : dbu 1.55 v Broadcast : 11

12 2.1.e De RMS waarde RMS betekent Root Mean Square ( vierkantswortel gemiddelde van kwadraten van elke waarde, gemeten gedurende een oneindig kleine tijdsopname ) Gezien piekspanningen en piekstromen niet zo makkelijk te hanteren zijn werd de gemiddelde waarde en effectieve waarde van een stroom of spanning geïntroduceerd. De gemiddelde waarde van een wisselspanning is gelijk aan het gemiddelde van alle amplitudes in één halve golflengte. 2.1.e De RMS waarde ( 2 ) Voor een zuivere sinusgolf geldt : E ( gemiddeld ) = 0,637 x E ( piek ) De gemiddelde waarde van een AC signaal heeft meer energie nodig om eenzelfde waarde te bereiken van een DC signaal. Wanneer we nu een DC circuit vergelijken met een AC circuit komen we tot volgende verhouding : E ( effectief ) = 0,707 x E ( piek ) In audio geldt net dezelfde regel : de effectieve waarde van een spanning of stroom, geleverd over een tijdspanne van een halve of gehele golflengte is gelijk aan de RMS waarde. Dus 0 dbu = 0,775V is een RMS waarde Bij gelijkstroom bestaat de RMS waarde niet! Ons gehoor interpreteert korte pieken door de integratietijd niet als hogere luidheid, vandaar wordt er steeds met RMS waarden in audio rekening gehouden 12

13 2.1.e De RMS waarde ( 3 ) In deze tabel zien we de verhouding tussen de verschillende waarden In de praktijk wordt enkel voor zendapparatuur en de piekmeter of PPM van piekwaarden gebruik gemaakt 2.2. Impedantie Impedantie van een circuit is gedefinieerd als de totale tegenstand die de alternerende stroom ondervindt. Deze kan men waarnemen aan in- en uitgangen van elektrische circuits. De uitgangsimpedantie wordt ook de bronimpedantie genoemd De ingangsimpedantie van een circuit geeft ons een idee over de hoeveelheid energie die het circuit van de uitgang van het bron-circuit zal opnemen. Deze impedantie wordt ook belastingsimpedantie ( load impedence ) genoemd 13

14 2.2. Impedantie ( 2 ) Een circuit is ontworpen om een bepaalde hoeveelheid vermogen te leveren bij een bepaalde belasting. Is die belasting te laag zal de ingang teveel energie proberen op te nemen. In plaats van deze energie te absorberen zal via de 2de verbinding de energie teruggekaatst worden. Dit wordt de mis-matching genoemd. Zijn beide impedanties op elkaar afgestemd, zal de toegevoegde energie 100% geabsorbeerd worden Als in- en uitgangsimpedantie gelijk zijn spreken we over impedantie - matching ( impedence-matching 600 Ohm ). Bij de meeste moderne audioapparatuur is de uitgangsimpedantie zo laag mogelijk ( 50 Ω of lager ) en de ingangsimpedantie zo hoog mogelijk ( 10 kω ) De dynamiek : db SPL versus dbu Gezien het dynamisch bereik van ons gehoor zeer groot is ( van 0 db SPL tot 130 db SPL ) is het onmogelijk om via elektrische weg eenzelfde bereik onvervormd op te nemen of te reproduceren. Zelfs indien een geluidsketen een dergelijk dynamisch bereik zou hebben zou dit meer ergernis dan plezier opleveren. 14

15 2.3.a Het dynamisch bereik : s/r en headroom Elk elektrisch component verwekt ruis. Dit wordt de ruisvloer van het toestel genoemd. Er is ook de bovengrens die het versterkingsvermogen van versterkers en dragers weergeven. In principe zet elk component het ingangssignaal om in een analoog versterkt signaal. Wanneer een signaal een bepaalde grens overschrijdt zal het uitgaand signaal niet meer analoog aan het ingangssignaal zijn. Het signaal wordt vervormd ( de toppen van de sinusgolf vallen buiten de lineaire regio ) : we spreken over clipping. 2.3.a Het dynamisch bereik : s/r en headroom ( 2 ) Ook pieken ( transiënten ) moeten perfect kunnen worden weergegeven, ondanks het rekenen in RMS waarden. Daarvoor wordt een zekere dynamische reserve of headroom gespecificeerd. Voor een sinusgolf kan men stellen : de verhouding tussen ruisvloer en clippingpunt = signaalruisverhouding. Bij een complex signaal moet men ook nog rekening houden met de transiënten, daarom wordt de headroom ingebouwd om de clippen op te vangen. 15

16 2.3.a Voorbeeld van clipping 2.3.a Het dynamisch bereik : s/r en headroom ( 3 ) 16

17 2.4. Frequentiekarakteristiek Bij de sinusgolf spreken we over de frequentie, bij een complex signaal is er een combinatie tussen grondtoon en boventonen. We spreken dan eerder over een toon. In onze audio keten wordt een vlakke frequentiekarakteristiek binnen bepaalde grenzen geïmpliceerd. Deze wordt bepaald door 3 grootheden : het frequentiebereik de amplitude van elke frequentie binnen het bereik de vervormingsbandbreedte 2.4.a Frequentiebereik Een component kan perfect frequenties van 100 Hz, 250 Hz, 5 khz, enz weergeven, maar wat is de verhouding tussen al deze frequenties? 17

18 2.4.b Amplitude vs frequentie : frequentiecurve Tussen 40 Hz en 10 khz hebben we een vlakke frequentierespons. Het gedeelte tussen 20 Hz en 20 khz wordt als bruikbaar gedeelte beschouwd. Dit gedeelte noemen we de bandbreedte. 2.4.c De vermogensbandbreedte Deze waarde vooral gebruikt bij vermogenversterkers omdat deze de neiging hebben om bij hoog vermogen de bandbreedte te knijpen. 18

19 2.5. Het begrip ruis Ruis wordt in 2 groepen onderverdeeld : akoestische ruis : omgevingsgeluid elektrische ruis : hier gelden meer gespecificeerde namen zoals : ingangsruis, uitgangsruis, brom, ratel, statische ruis, thermische ruis, bandruis, witte ruis, roze ruis, kwantisatieruis e.d. 2.5.a Witte ruis Witte ruis is hoofdzakelijk thermische ruis die ontstaat door opwarming van de componenten, met een gelijke energiespreiding over het ganse hoorbare frequentiespectrum. Deze ruis gedraagt zich lineair, maar ons oor niet meestal is deze ruis van een laag niveau, gezien het filteren van ons oor zal deze ruis zich eerder manifesteren in de hoge tonen. Witte ruis is voor ons niet erg interessant, maar kan gebruikt worden voor het testen van elektronische circuits want hij is lineair, breedbandig en met gelijke energie verspreid over het ganse frequentiespectrum 19

20 2.5.b Roze ruis Roze ruis is in principe witte ruis die met een 3 db : octaaf filter afgezwakt wordt om zich aan onze gehoorkarakteristiek aan te passen. Door die 3 db : octaaf krijgt de ruis een constante energie per octaafblok. Bovendien gedraagt roze ruis zich bijna identisch als de reële muziek bronnen. 2.5.c Overige ruisbronnen Overige ongewenste ruisbronnen : geïnduceerde ruis : door beïnvloeding van magnetische inducties, afkomstig van transformatoren, dimmers, TV monitoren, elektromagnetische hoogfrequentgolven van zenders, e.d. thermische ruis bandruis : afkomstig van de magneetband 20

21 2.6. Non-lineaire distortie of vervorming Vervorming wordt in 3 groepen onderverdeeld : harmonische vervorming Intermodulatie vervorming fase vervorming 2.6.a. Harmonische vervorming Harmonische vervorming ontstaat wanneer trillingen in een geluidsketen geproduceerd worden die niet in het originele signaal aanwezig zijn. 21

22 2.6.a. Harmonische vervorming ( 2 ) Links zien we de grondtoon, gevolgd door 2de en 3de harmonischen. Harmonische vervorming wordt uitgedrukt in % van de grondtoon. Soms spreekt men ook over THD ( Total Harmonic Distortion ) : het gemiddelde van de kwadraten van de percentages van de aanwezige harmonischen. 2.6.b. Intermodulatie vervorming Wanneer 2 frequenties aan de ingang samengevoegd worden en bij de uitgang bijfrequenties waargenomen worden, spreken we over intermodulatie vervorming. IM geeft aan het geluid een eerder ruw, schrapend karakter. 22

23 2.6.c. Overspraak Overspraak of diafonie of crosstalk wordt veroorzaakt door het lekken van signaal tussen audiokanalen. Dit kan ontstaan door inductieve of capacitieve overdracht tussen naastliggende kabels, schakelaars, transformatoren, slecht geplaatste componenten e.d.. Overspraak is in bijna iedere geluidsketen aanwezig, maar naargelang de gebruikte componenten of opbouw kan deze verwaarloosbaar klein zijn. Bij inductieve beïnvloeding zal vooral in de lage frequenties overspraak ontstaan, bij capacitieve beïnvloeding zullen de hogere frequenties eerder overspraak vormen. Een normale waarde voor stereoketens is tussen -75 db en - 65 db; bij mengtafels e.d. zal men proberen een scheiding van -100 db tot -80 db te bereiken. 23