Почему высокий входной импеданс хорош?

Введение

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

  • Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор с напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч.
  • Батарея из 8 гальванических элементов, например, типоразмера АА, соединенных последовательно. Суммарное напряжение такой батареи также 12 вольт, ёмкость значительно меньше — примерно 1 А·ч.

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток порядка 250 А), а от батареи элементов стартер вообще не станет вращаться, так как напряжение батареи при подключении к зажимам стартера упадёт до долей вольта. Дело не в относительно небольшой электрической ёмкости батареек: запасённой в ней энергии и заряде в один ампер-час хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 А).

В соответствии с законом Ома в источниках с одинаковым напряжением ток в одинаковой нагрузке также должен быть одинаковым. В приведённом примере это не выполняется потому, что утверждение верно только для идеальных источников ЭДС; реальные же источники в той или иной степени отличаются от идеальных. Для описания степени отличия реальных источников от идеальных применяется понятие внутреннее сопротивление.

Опыты и демонстрации

Для демонстрации стоячих волн звука служит труба Рубенса.

Различие в скоростях распространения звука наглядно, когда вдыхают вместо воздуха гелий, и говорят что-либо, выдыхая им, — голос становится выше. Если же газ — гексафторид серы SF6, то голос звучит ниже. Связано это с тем, что газы примерно одинаково хорошо сжимаемы, поэтому в обладающем очень низкой плотностью гелии по сравнению с воздухом происходит увеличение скорости звука, и понижение — в гексафториде серы с очень высокой для газов плотностью, размеры же ротового резонатора человека остаются неизменными, в итоге меняется резонансная частота, так как чем выше скорость звука, тем выше резонансная частота при остальных неизменных условиях.

О скорости звука в воде можно визуально получить представление в опыте . В воде по сравнению с воздухом, скорость звука выше, так как даже при существенно более высокой плотности воды (что должно было бы привести к падению скорости звука), вода настолько плохо сжимаема, что в итоге в ней скорость звука оказывается всё равно в несколько раз выше.

В 2014 году была представлена установка, которая звуковыми волнами поднимает сантиметровые предметы.

Важные характеристики и параметры наушников

Посмотреть, из чего состоят наушники:


Выбор подходящих наушников зависит, в первую очередь, от того, для чего они используются – для разговора по телефону, Skype или для прослушивания музыки? Модель, оснащенная микрофоном, как правило, прекрасно подходит для всех случаев. Разница только в том, что для разговора, особенно через интернет (VoIP) достаточно простых возможностей, хотя бы из-за сжатия звука. Важнее качество звука, максимальная доступная громкость.

Модель для любителей музыки должна соответствовать уже гораздо большим требованиям. Посмотрите, какие параметры надо проверить, если Вы ищете действительно хорошие проводные или беспроводные наушники.

Чувствительность наушников

Посмотрите примеры уровней громкости звуков:

В наушниках музыки очень важна громкость, то есть уровень звукового давления. Другими словами – чувствительность. Она указывается в децибелах (дб). В соответствии с нормами ЕС, рекомендуемая максимальная величина составляет до 85 дб, за пределами ЕС норма может доходить до 96 дб.

Большинство имеющихся в продаже моделей наушников, однако, имеет более высокую максимальную громкость. Но это означает также более высокое давление, что со временем ощущается. Длительное прослушивание звуков громкостью более 80 дб может быть утомительным. Болевой порог – это уровень громкости на уровне 110-140 дб, а при превышении этих значений происходит повреждение органов слуха.

Если в какой-то момент вы почувствуете, что ваш слух напрягается, выключите музыку или сделайте перерыв в прослушивании. При использование наушников хорошего качества, этого не должно возникнуть. Помните также, что окончательная громкость наушников зависит также от громкости устройства вывода и качества связи между ним и наушниками, а также от импеданса.

Сопротивление наушников

Большинство мобильных устройств поддерживает значения в диапазоне 16-64 ом (обозначаемых греческой буквой Ω – омега). Чем выше сопротивление, тем больше энергии вы должны предоставить наушникам, чтобы они достигли достаточного уровня громкости.

Это означает, что при подключении одного и того же источника, обеспечивающего более низкий ток (например, смартфон) громче будут наушники с низким сопротивлением. С другой стороны, чем меньше сопротивление, тем больше восприимчивость к шумам.

Частотный диапазон наушников

Обратите внимание на диапазон частот, то есть поддерживаются низкие и высокие частоты. В случае действительно хороших наушников диапазон должен составлять от 16 до 20000 Гц – ровно столько, сколько составляет диапазон звукового восприятия у человека

Нижняя граница означает самые низкие, басовые звуки, верхний диапазон – высокие, т.е. верхние и любые акценты.

Помните, однако, что производители измеряют частотный диапазон по-разному, так как отсутствуют единые требования, и это может иметь большое значение. Если наушники на низких частотах тихие, на практике вы можете не услышать самых басовых звуков. Поэтому частоты являются важным критерием, но не главным.

Размер мембраны наушников


Важная особенность, которая определяет качество звука. Конечно, в мембрана накладных наушников имеет больший размер, чем в вкладышей и заушных

Это важно, чтобы воспроизводимый звук был менее искажен и звучал лучше (особенно низкие, басовые тона)

Мембраны наушников производится из различных материалов – из искусственного, бумаги, алюминия или титана. Высококачественные наушники, с широким диапазоном рабочих частот, могут оснащаться мембраной изготовленной из микрофибры, которая обеспечивает лучшее звучание.

Возможность регулировки и удобство

Очень важен также комфорт и эргономика. Удобные наушники практически не чувствуются, благодаря чему вы можете слушать музыку в течение многих часов. Если вы покупаете наушники-вкладыши или интратекальные, как правило, вы получаете в комплекте полный набор вкладышей и/или крючки различных размеров, чтобы они соответствовали форме вашего уха.

В случае полноразмерных наушников учитывайте, прежде всего, диапазон регулировки дужки.

Максимальное звуковое давление

В технических параметрах пользовательской акустики (в отличие от профессиональных моделей) этот показатель указывается достаточно редко. Максимальное звуковое давление, естественно, также измеряется в децибелах и, очевидно, может быть косвенно вычислено из данных о чувствительности и максимальной мощности.

Сознательно не залезая в подробности и условия измерения этих параметров, скажем только, что для получения полной совокупности впечатлений от аудио, более-менее устоявшимся считается предел в 90 дБ — на этой громкости (фиксируемой, как правило, в метре от излучателя, в то время, как слушатели располагаются гораздо дальше), многие протоколы испытаний рекомендуют производить тестовое прослушивание. Для сравнения, комплекты дискотечной аппаратуры для залов работают на уровнях до 130 (топы) – 140 (субы) дБ. Это уровень, приближающийся к болевому порогу. Серьезная домашняя акустика, в среднем, выдает максимальные 100–110дБ, и, ради всего святого, пожалейте своих соседей!

Удельное акустическое сопротивление

Удельные акустические сопротивления некоторых сред приведены в приложении XII ( стр.  

Удельным акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления р к скорости колебаний v: A P / U. Это справедливо для линейных условий, в частности, когда величины звукового давления значительно меньше статического давления.  

Иллюстрация изгиба.| Иллюстрация преломления волн.  

Если удельные акустические сопротивления обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдет из одной среды в другую, а если при этом среды ( или материалы из них) будут иметь разные скорости звука, то можно сделать акустические линзы из таких материалов ( см. разд.  

Сравнение удельных акустических сопротивлений различных сред показывает, что их значения существенно отличаются друг от друга. Поскольку волновые сопротивления газов, заполняющих дефектные места, значительно меньше, чем у металла, поверхность дефекта представляет собой границу двух сред, от которой большая часть ультразвуковой энергии отражается и может быть принята. На этом свойстве и основана возможность выявления дефектов с помощью ультразвука.  

Следует отметить, что малое удельное акустическое сопротивление газов ограничивает применение магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей для излучения в газообразную среду. Хотя при работе магнитострикционного излучателя в воздухе можно получить относительно большие амплитуды колебаний поверхности ( порядка нескольких микрон), однако такой вибратор не может отдать сколько-нибудь значительную акустическую мощность.  

Величину рс К называют удельным акустическим сопротивлением или сопротивлением излучения среды, поскольку для непрерывного излучения звука требуется непрерывный подвод энергии, которая тратится на передачу колебательного движения новым порциям среды.  

На рис. 1.7 приведены величины удельного акустического сопротивления для сферической волны. Реактивное сопротивление имеет характер инерционного сопротивления ( см. разд.  

Акустическое сопротивление единицы поверхности называется удельным акустическим сопротивлением и является характеристикой данной среды.  

Действие ультразвуковых плотномеров основано на том, что удельное акустическое сопротивление QC ( где с-скорость распространения звука в данной среде) пропорционально плотности среды. Применяя пьезоэлектрический преобразователь, акустически контактирующий с измеряемой средой и возбуждаемый на резонансной частоте, получают выходной сигнал напряжения, являющийся функцией акустического сопротивления, а следовательно, и мерой плотности.  

Распределение амплитуд звукового давления и скорости колебаний при интерференции.  

На рис. 1.7 приведены активная и реактивная составляющие удельного акустического сопротивления для сферической волны. Реактивное сопротивление имеет характер инерционного сопротивления ( см. разд.  

Схема радиоизотопного плотномера жидкостей ПЖР-5.  

В плотномерах второй разновидности использована зависимость так называемого удельного акустического сопротивления RSL QC от плотности измеряемой среды.  

Величина р0с, зависящая только от физических свойств среды, называется удельным акустическим сопротивлением.  

Что такое кумулятивное затухание спектра (КЗС)?

Это совокупность осевых АЧХ АС, полученных с определенным временным промежутком при затухании поданного на нее единичного импульса, и отображенных на одном трехмерном графике. Поскольку, будучи электромеханической системой, АС является устройством «инерционным», то колебательные процессы продолжаются какое-то время и после прекращения импульса, постепенно затухая во времени. Таким образом, график кумулятивного затухания спектра наглядно показывает, какие области спектра отличаются повышенной пост-импульсной активностью, т.е. позволяет выявлять так называемые запаздывающие резонансы АС. Чем «чище» выглядит график КЗС АС в области выше 1кГц, тем выше шанс того, что такие АС будут субъективно оценены слушателями как отличающиеся «большой прозрачностью», «отсутствием зернистости» и «чистотой звучания». И наоборот, АС, о которых говорят, что они звучат «зернисто» или «жестко», почти со 100% вероятностью характеризуются сильной «гребнистостью» графиков КЗС (хотя, конечно же, такие факторы как нелинейные искажения и нарушения частотного баланса тоже могут играть свою роль).

Какое лучше выбрать?

Показатель импеданса наушников зависит от того, в сочетании с каким оборудованием будут работать эти акустические девайсы. Например, для обычных стационарных устройств подходят аудиоаксессуары с рекомендуемым сопротивлением в 120-150 Ом. А для телефона, планшета и плеера подойдут значения намного меньше, всего 16-40 Ом.

Для компьютера, музыкальной системы нужны полноразмерные высокоомные наушники с сопротивлением до 120 Ом. Это приборы с выходным напряжением больше 4 В. Такое большое значение могут выдавать только стационарные аппараты, подключенные к электросети. Поэтому для связки с ними следует подбирать аксессуары с соответствующим импедансом.

При высоком выходном напряжении (больше 200 мВ) лучше подобрать «уши» с низкой чувствительностью, с уровнем сопротивления от 32 Ом. Они меньше тратят электроэнергию. Для успешного функционирования высокоомных аудиоаксессуаров требуется специальный усилитель звука.

В устройствах небольших размеров выходное напряжение в основном не превышает 1 В, поэтому и импеданс в наушниках не должен быть высоким. В противном случае звук станет тише. По такому же принципу можно определить, какой импеданс нужен для смартфона. Согласовать аудиоаксессуары с источником может помочь правило 1/8. Оно предполагает, что уровень сопротивления источника на выходе должен быть в 8 раз меньше импеданса в наушниках. Например 2 Ом к 16 Ом.

Но если нет возможности рассчитать, следует запомнить следующее.

  • Низкоомные «уши» дают большую громкость, но снижают время автономной работы устройства. Они подходят для портативных устройств.
  • Высокоомные гаджеты будут звучать тише, но более экономно расходовать батарею. Их лучше использовать в сочетании со стационарным оборудованием.

Здесь стоит решить для себя, что в приоритете – желание наслаждаться звуком на большой громкости или экономно расходовать заряд. Для выбора подходящих наушников нужно учитывать наивысший уровень напряжения, от которого зависит выходная мощность устройства (закон Ома). То есть при увеличении громкости напряжение на выходе будет расти, и ток будет расходоваться в зависимости от сопротивления нагрузки. Согласно этой формуле можно сделать расчет. Чтобы узнать, какой импеданс требуется для устройства, можно попробовать найти оптимальный показатель вслепую. Нужно просто послушать звучание на средних параметрах и подвинуть значения Ом в нужную сторону.

Собственные шумы усилителя.

Что же такое шум?

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя – это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Фон

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум  будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение “что-то динамики фонят”. Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я  про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.


Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Формула акустического импеданса

Формула акустического импеданса достаточно проста, и должно быть известна всем музыкантам и даже многим школьникам из школьного курса физики – Za = Ra+iXa.

Разберем подробно вышеуказанную формулу.

Под буквой i понимается так называемая «мнимая единица», под которой в своею очередь понимается особое число, относящееся к виду комплексных чисел, квадрат которого неизменно составляет значение -1.

Под Xa понимается так называемая мнимая составляющая, то что чаще именуют реактивной формой звукового сопротивления, которое в значительной мере определяется теми же явлениями перехода энергии из неупорядоченных в упорядоченные процессы в звуковой системе, что является прямым следствием обладания этой системой различных инерционных сил и сил упругости.

Исходя из всего вышесказанного, специалистами проводится деление видов реактивного сопротивления на инерционное и упругое.

Если взглянуть на международную систему измерений, так называемую систему СИ, единицей данной величины является величина равная одному Ньютону умноженному на секунду разделенное на сантиметр в пятой степени.

В данной системе формула высчитывания единицы акустического импеданса практически идентична способу высчитывания в системе СИ, только вместо Ньютона использовалась «Дина», совершенно особая единица, равная величине силы, сообщаемой телу, имеющему массу в один грамм скорость в один сантиметр в секунду. Самым старым значением и синонимом понятия акустический импеданс является «акустический ом».

Механический импеданс

Механический импеданс тяжелых объектов чаще измеряют с помощью переносных ЭДВ.  

Механическим импедансом называют отношение комплексной амплитуды гармонической вынуждающей силы, приложенной в некоторой точке ( участке) тела, к комплексной амплитуде виброскорости в той же или другой точке тела. В вибрационной технике рассматривают также отношения силы и виброперемещения, виброускорения, а также обратные отношения.  

Механическим импедансом Z называется комплексное отношение силы F, действующей на поверхности ( или в точке) механической системы, к средней колебательной скорости v на этой поверхности ( или в точке) в направлении силы.  

Если механический импеданс ярма при переходе от холостого хода к нагрузке меняется незначительно, то расчетом можно показать, что уровень вибрации под нагрузкой возрастет не более чем на 3 дб.  

Увеличение механического импеданса колебательной системы, как известно, достигается выбором материалов и конструкции с малой жесткостью и большим внутренним трением; использованием прокладок с малым значением модуля Юнга в местах сочленения отдельных элементов конструкции; искусственным демпфированием вибрирующей поверхности различными покрытиями. Метод ослабления колебаний за счет присоединения к исследуемой системе дополнительных импедансов, преимущественно активных, называется вибропоглощением. Он заключается в нанесении упруговязких материалов, обладающих большими внутренними потерями, на вибрирующие элементы машины, причем вибропоглощающий материал должен быть плотно скреплен с колеблющейся поверхностью. Искусственное увеличение потерь колебательной энергии в системе значительно уменьшает амплитуды колебаний особенно в резонансных областях.  

Для измерения механического импеданса используют генератор, усилитель мощности, вибровозбудитель, датчик силы и анализаторы.  

Для определения механического импеданса 2 плавающей массы подвижная труба и плавающая масса скрепляются как одно целое, а затем на разных частотах определяется электрический импеданс.  

Для измерения механического импеданса используют генератор, усилитель мощности, вибровозбудитель, датчик силы и анализаторы.  

При изгибных колебаниях механический импеданс многослойной конструкции определяется упругими свойствами, плотностью материалов и толщиной слоев, размерами конструкции, кривизной ее поверхности, наличием дефектов соединений между слоями, частотой и другими факторами. Расчет механических импедансов в общем случае сложен и ненадежен. Полезны две теоретические модели.  

В отличие от механического импеданса ( см. разд.  

Эта модель позволяет оценивать механический импеданс однослойных ( например, листов стеклопластика) или многослойных конструкций из близких по свойствам материалов.  

В случае качественной склейки механический импеданс изделия является высоким, так как жесткость детали определяется всеми элементами конструкции, соединенными в одно целое.  

Известно несколько способов оценки механического импеданса, однако в существующих конструкциях дефектоскопов пока используется только один из них.  

Изменение определенного формулой (2.60) механического импеданса Z0 общей нагрузки вибратора меняет его коэффициент передачи.  

Структурная схема МСК-дефектоскопа.  

С этим читают