第三章 汽車影音電學(xué)基礎(chǔ)

一、電子技術(shù)

電子技術(shù)是根據(jù)電子學(xué)的原理，運(yùn)用電子設(shè)備設(shè)計(jì)和制造某種特定功能的電路以解決實(shí)際問題的科學(xué)，包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。信息電子技術(shù)包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。

經(jīng)典改裝欣賞3-1

1.交流電與直流電

交流電（AC）也稱“交變電流”，簡稱“交流”。一般指大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦交流電。交流電隨時(shí)間變化的形式可以是多種多樣的。不同變化形式的交流電其應(yīng)用范圍和產(chǎn)生的效果也是不同的。以正弦交流電應(yīng)用最為廣泛，其他非正弦交流電一般都可以經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后，成為正弦交流電的疊加。

交流電是用交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的，在發(fā)電過程中，多對(duì)磁極按一定的角度均勻分布在一個(gè)圓周上，使得發(fā)電過程中，各個(gè)線圈切割磁力線，由于具有多對(duì)磁極，每對(duì)磁極產(chǎn)生的磁力線被切割產(chǎn)生的電壓、電流都是按正弦規(guī)律變化的，所以能夠不斷地產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。交流電的頻率一般是50Hz，即每秒變化50次。當(dāng)然也有其他形式的交流電，如電子線路中有方波的、三角形的等，但這些波形的交流電不是導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的，而是電容充放電、開關(guān)晶體管工作時(shí)產(chǎn)生的。

通常，物體中的正、負(fù)電荷數(shù)量是相等的，一旦物體失去或得到一些電子時(shí)，就表現(xiàn)出負(fù)電或正電。電荷有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生電流。電流大小的單位是安培，用符號(hào)A表示。

如果在一個(gè)電路中，電荷沿著一個(gè)不變的方向流動(dòng)，電流大小也不變，這就是直流電（DC）。在日常生活中，由電池提供的電流，就是直流電。直流輸電具備輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電路中的電流方向和大小做周期性變化時(shí)，稱為交流電。現(xiàn)代發(fā)電廠生產(chǎn)的電能都是交流電，家庭用電和工業(yè)動(dòng)力用電也都是交流電。高壓直流輸電方式與高壓交流輸電方式相比，有明顯的優(yōu)越性。僅僅由于技術(shù)上的原因，才使得交流輸電代替了直流輸電。

交流電的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面，利用建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的交流發(fā)電機(jī)，經(jīng)濟(jì)又方便地把機(jī)械能（水的動(dòng)能、風(fēng)能）、化學(xué)能（石油、天然氣）等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價(jià)低廉；交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電帶來極大的方便，這是交流電與直流電相比所具有的獨(dú)特優(yōu)勢。直流電的優(yōu)點(diǎn)主要在輸電方面：

1）輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線材僅為交流輸電的1/2～2/3。直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線截面積相同和電流相同的條件下，即使不考慮趨膚效應(yīng)，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1/3。

如果考慮到趨膚效應(yīng)和各種損耗（絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應(yīng)的渦流損耗、架空線的電暈損耗等），輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用導(dǎo)線截面積的1.33倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。同時(shí)，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡單，線路走廊占地面積也少。

2）在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時(shí)，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過海峽時(shí)，要用海底電纜。由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀。一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約3×10³kW，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×10⁷kW·h。而在直流輸電中，由于電壓波動(dòng)很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。

3）直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行。交流遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會(huì)產(chǎn)生顯著的相位差；并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50Hz，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)。這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運(yùn)行，需要用復(fù)雜龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的循環(huán)電流，損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行的停電事故。在技術(shù)不發(fā)達(dá)的國家里，交流輸電距離一般不超過300km。而直流輸電線路互聯(lián)時(shí)，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整。

4）直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流，因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關(guān)。而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互聯(lián)時(shí)一樣，因此不必更換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備。

在直流輸電線路中，各極是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。但在交流輸電線路中，任一極相發(fā)生永久性故障時(shí)，必須全線停電。

提醒：在直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電。

2.電子

電子（Electron）是一種基本粒子，目前無法再分解為更小的粒子。其直徑是質(zhì)子的0.001倍，質(zhì)量為質(zhì)子的1/1836。電子圍繞原子核做高速運(yùn)動(dòng)，通常排列在各個(gè)電子層上。當(dāng)原子結(jié)合成為分子時(shí)，在最外層的電子便會(huì)由一個(gè)原子，移至另一個(gè)原子或成為彼此共享的電子。

電荷的最終攜帶者是組成原子的微小粒子。每個(gè)繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子都帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，而原子核里面的質(zhì)子帶有一個(gè)單位的正電荷。正常情況下，在物質(zhì)中電子和質(zhì)子的數(shù)目是相等的，它們攜帶的電荷相平衡，物質(zhì)呈中性。物質(zhì)在經(jīng)過摩擦后，要么會(huì)失去電子，留下更多的正電荷（質(zhì)子比電子多）；要么增加電子，獲得更多的負(fù)電荷（電子比質(zhì)子多），這個(gè)過程稱為摩擦生電。

自由電子（從原子中逃逸出來的電子）能夠在導(dǎo)體的原子之間移動(dòng)，但它們?cè)诮^緣體中不能移動(dòng)。于是，物體在摩擦?xí)r傳遞到導(dǎo)體上的電荷會(huì)被迅速中和，因?yàn)槎嘤嗟碾娮訒?huì)從物質(zhì)表面流走，或者額外的電子會(huì)被吸附到物體表面上代替流失的電子。所以，無論摩擦多么劇烈，金屬都不可能摩擦生電。但是，橡膠或塑料這樣的絕緣體，在摩擦之后，其表面就會(huì)留下電荷。

我們現(xiàn)在知道，構(gòu)成實(shí)物的許多基本粒子都帶有一定的電，有正、有負(fù)，電荷的絕對(duì)量都相等。正常情況下，同一個(gè)原子中正負(fù)電荷數(shù)相等，因而整個(gè)物體被認(rèn)為是不帶電的或中性的。當(dāng)它們因故失去一部分電子時(shí)，就帶正電；獲得額外電子時(shí)，就帶負(fù)電。電荷周圍存在電場，運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生磁場。

電量是物質(zhì)、原子或電子等所帶的電荷的量。單位是庫侖（符號(hào)為C），簡稱庫。我們常將“帶電粒子”稱為電荷，但電荷本身并非“粒子”，只是我們常將它想象成粒子以方便描述。因此帶電量多者我們稱之為具有較多電荷，而電量的多寡決定了周圍電場的強(qiáng)弱。此外，根據(jù)電場作用力的方向性，電荷可分為正電荷與負(fù)電荷，電子則帶有負(fù)電。根據(jù)庫侖定律，帶有同種電荷的物體之間會(huì)互相排斥，帶有異種電荷的物體之間會(huì)互相吸引。排斥或吸引的力與電荷的乘積成正比。

3.電壓

大家都知道，因?yàn)橛兄咚缓偷退恢g的差別而產(chǎn)生的一種壓力，水才能從高處流向低處。城市中使用的自來水，之所以能夠一打開水龍頭，就能從管中流出來，也是因?yàn)樽詠硭膬?chǔ)水塔比地面高，或者是由于用水泵推動(dòng)水產(chǎn)生壓力的緣故。

電也是如此，電荷之所以能夠在導(dǎo)線中流動(dòng)，也是因?yàn)樵陔娐分杏兄唠妱菽芎偷碗妱菽艿牟顒e，這種差別叫“電位差”，也叫電壓（Voltage），通常用字母U表示。電壓的單位是伏特（Volt），簡稱伏，用符號(hào)V表示。高電壓可以用千伏（kV）表示，低電壓可以用毫伏（mV）表示，也可以用微伏（μV）表示。電壓是產(chǎn)生電流的原因。

在其他條件不變的情況下，增大或減小壓差，會(huì)導(dǎo)致電流（水流）同比例地增大或減小。換句話說，增大電壓就能增大電流。將一個(gè)電壓加到固定電阻器的兩端，如果我們?cè)龃蠡驕p小電壓，電阻器中的電流也會(huì)同比例地增大或減小。

把1V的電壓加在1Ω的電阻器上，則回路里的電流為1A。如果把電阻器的阻值加倍，電壓保持不變，則電流變?yōu)?.5A。同理，將2V電壓加在1Ω的電阻器上，其電流為2A。

注意事項(xiàng)：

不要認(rèn)為“大電池的電壓一定高”，高電壓相當(dāng)于高的水壓，也就是高電勢能。

4.電流

電流（Current）是指電荷的定向移動(dòng)。電壓是使電路中電荷定向移動(dòng)形成電流的原因。電流的大小（符號(hào)為I）是指單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量，1s內(nèi)通過1C的電量稱為1A。安培是國際單位制中的基本單位。除了安培，常用的單位有毫安（mA）及微安（μA）。

電流可以是由正電荷、負(fù)電荷或這兩種電荷同時(shí)做定向運(yùn)動(dòng)而形成的。負(fù)電荷沿同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)所形成的電流與等量的正電荷沿相反方向運(yùn)動(dòng)所形成的電流相同。依照慣例，人們假定電流是沿著正電荷運(yùn)動(dòng)方向流動(dòng)。電流有多種效應(yīng)，例如流過導(dǎo)體（超導(dǎo)體除外）的電流會(huì)使導(dǎo)體發(fā)熱；電流會(huì)產(chǎn)生磁場；電流在磁場中會(huì)受到力的作用；電流還可參與化學(xué)變化，例如在電池、電解槽中那樣。這些效應(yīng)提供了電流應(yīng)用的多種可能性。

5.電阻

在物理學(xué)中，電阻（Resistance）表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)。導(dǎo)體的電阻用字母R表示，電阻的單位是歐姆，簡稱歐，符號(hào)是Ω。比較大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。電阻器簡稱電阻（Resistor，通常用“R”表示），是所有電子電路中使用最多的元件。電阻的主要特征是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，也可說它是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能。電阻在電路中通常起分壓的作用。對(duì)信號(hào)來說，交流與直流信號(hào)都可以通過電阻。

通常的電源都是在一定的負(fù)載上提供一定的電壓。1V電壓加在1Ω電阻器上，其電流是1A。如果電壓保持不變，電阻變?yōu)樵瓉淼囊话耄瑒t電流會(huì)變成原來的二倍。所以，當(dāng)電壓保持不變時(shí)，電阻越大，其電流越小。假設(shè)有一個(gè)額定12V、1A的電源，當(dāng)把它加載到24Ω的電阻器上時(shí)，回路內(nèi)的電流只有0.5A。如果將另一個(gè)24Ω的電阻器再接到電源兩端，電源將達(dá)到最大安全輸出。如果再接入第三只相同電阻，電源將承受其安全負(fù)載的1.5倍（假設(shè)在高負(fù)載下這個(gè)電源仍然能夠保持輸出電壓不變）。這時(shí)，電源或熔斷器將很快被燒毀。同樣地，如果回路內(nèi)的用電器阻值過小，其電流將會(huì)非常大，此時(shí)電源就會(huì)被燒毀。對(duì)于電源來說，最理想的狀況是在安全范圍內(nèi)接入電阻盡量小的負(fù)載，以提供盡量大的輸出功率。

回到汽車影音上的應(yīng)用，現(xiàn)在有一個(gè)最小額定阻值4Ω的100W功放，也就是說，在4Ω的負(fù)載下，該功放可提供100W輸出，而更小的阻值將會(huì)燒壞功放。為了達(dá)到100W輸出，功放的工作電流將達(dá)到5A。要在4Ω的回路中提供5A工作電流，功放就必須有20V的電壓（即加載到揚(yáng)聲器終端的最大電壓是20V）。在這里討論是為了計(jì)算電壓、電阻及電流之間的關(guān)系，把4Ω和20V輸入到下面的計(jì)算器中，電流將作為結(jié)果被計(jì)算出來。如果把電阻阻值減小到2Ω，電流將變成原來的二倍。過小的電阻導(dǎo)致了高于5A的額定電流，從而會(huì)燒毀功放。電阻分為固定電阻、可變電阻、半固定可變電阻，電阻色碼辨認(rèn)方式見表3-1。

表3-1 電阻色碼辨認(rèn)方式

注意事項(xiàng)：

色碼的讀法是從最靠近電阻器左端的色碼條紋開始。

6.電路

電流流過的回路叫做電路（Circuit）。最簡單的電路由電源、負(fù)載、導(dǎo)線和開關(guān)等元件組成。電路處處連通叫做通路。電路只有處于通路時(shí)，才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。電路某一部分的兩端直接接通，使這部分電路兩端的電壓變成零，叫做短路。

簡單來說電路就是電流走過的路線，它可以是最簡單的“電池加燈泡”，也可以是計(jì)算機(jī)里面的大規(guī)模集成電路。電路可以包含任意多個(gè)用電器，只要電流是從電源一端流出，從另一端流入，它就可以稱為一個(gè)電路。

注意事項(xiàng)：

有些人認(rèn)為“接觸不良”和“短路”是一樣的，其實(shí)不然。“短路”是指電流從用電器以外的途徑流走，通常短路電路的電阻很小，這樣就會(huì)使流過電源的電流過大。當(dāng)我們把電源線接地時(shí)，熔斷器就會(huì)燒毀。這就是短路。接觸不良的表現(xiàn)是：移動(dòng)導(dǎo)線時(shí)，用電器兩端的電流出現(xiàn)間歇性的間斷，把這種現(xiàn)象叫做接觸不良。

7.功率

瓦特是功率（Power）的單位（無論產(chǎn)生還是消耗），1W相當(dāng)于1A電流通過1Ω電阻產(chǎn)生的功率。功率是指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量。揚(yáng)聲器音質(zhì)的好壞和功率沒有直接的關(guān)系。功率決定的是音箱所能發(fā)出的最大聲強(qiáng)，感覺上就是揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音能有多大的震撼力。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，功率有兩種標(biāo)注方法：額定功率與瞬間峰值功率。額定功率是指在額定范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)一個(gè)4Ω揚(yáng)聲器，規(guī)定了波形持續(xù)模擬信號(hào)，在有一定間隔并重復(fù)一定次數(shù)后，揚(yáng)聲器不發(fā)生任何損壞的最大功率。峰值功率是指揚(yáng)聲器短時(shí)間所能承受的最大功率。

經(jīng)典改裝欣賞3-2

揚(yáng)聲器的功率不是越大越好，適用才是最好的，但功放的儲(chǔ)備功率越大越好，最好為實(shí)際輸出功率的2倍以上。比如揚(yáng)聲器輸出功率為30W，則功放的功率最好大于60W。功放的功率取決于揚(yáng)聲器的負(fù)載以及放大器加載到揚(yáng)聲器上的推力。揚(yáng)聲器紙盆振動(dòng)的幅度隨著功放輸出功率的增加而增大。