>>>

Moc wzmacniacza i max SPL

Jak określamy moc i Max SPL zestawów NAW Performance Audio? Co oznacza „moc” głośnika? Jak rozumieć jego parametry i jak wybrać odpowiedni wzmacniacz.

  • Autor: Kamil Kieca

Uzyskanie maksymalnej wydajności z zestawu głośnikowego wymaga, między innymi, wyboru wzmacniacza mocy o odpowiednich parametrach. Sam głośnik nie ma „mocy” – jest to powszechnie źle używany zwrot ale przyjął się tak bardzo, że nie będziemy z tym faktem walczyć. Głośnik posiada potencjalną możliwość przyjęcia określonego prądu pochodzącego ze źródła i wzmacniacza. Wzmacniacz musi być zdolny do napędzenia zestawu głośnikowego w taki sposób aby zapewnić maksymalne ciśnienie akustyczne przy jednoczesnym zachowaniu takich parametrów sygnału by nie dopuścić do uszkodzenia jego poszczególnych elementów.

W artykule postaram się wyjaśnić kluczowe pojęcia związane z poprawnym zasilaniem głośnika bądź zestawów głośnikowych, włączając w to opisy najczęściej używanych parametrów dotyczących ich mocy oraz to, jak mają się one do wyboru odpowiedniego wzmacniacza. Przedstawię także procedury testowe oraz sposób określenia maksymalnego ciśnienia akustycznego, które mogą wygenerować nasze zestawy.

Pojęcia niezbędne do opisania zachowania głośnika poddanego działaniu sygnału.

(poważnie, NIEZBĘDNE a więc nie omijaj tej sekcji)

By zrozumieć zasadę poprawnego napędzenia głośnika, powinniśmy najpierw zrozumieć w jaki sposób głośnik może ulec uszkodzeniu. Powinniśmy oddzielić przyczyny i skutki będące ich wynikiem. Dwoma najczęstszymi przypadkami są:

  • uszkodzenie termiczne (przepalenie cewki) - występuje gdy dostarczony do głośnika sygnał powoduje nadmierne grzanie się cewki. Ilość ciepła jaką cewka wytwarza przekracza ilość, którą układ chłodzący (cewka+wentylowany magnes) jest w stanie oddać do otoczenia. W rezultacie dochodzi do przegrzania i przepalenia cewki. Wcale nie musi to być sygnał o dużej mocy (czy dużym napięciu). Wystarczy, że spowoduje, iż cewka przestanie się odpowiednio ruszać w szczelinie i generować przepływ powietrza w układzie chłodzącym.
  • uszkodzenie mechaniczne (spowodowane nadmiernym wychyleniem) - uszkodzenie występuje gdy membrana głośnika zostanie zmuszona do wychylenia się poza przewidziany zakres ruchu. W rezultacie dochodzi do fizycznego uszkodzenia membrany głośnika i/lub jego zawieszenia. Do uszkodzenia takiego najczęściej dochodzi wtedy, gdy doprowadzony sygnał składa się z niższych zakresów częstotliwości niż zestaw głośnikowy jest w stanie obsłużyć.

Trzy kolejne pojęcia są ściśle związane z energią dostarczaną przez sygnał. Są one na tyle istotne, że będą stanowić punkt wyjścia nie tylko w tym artykule i innych rozszerzających temat, ale także w całej waszej profesjonalnej karierze w branży audio. Zachęcam więc do ich zapamiętania:

  • RMS (root-mean-square) - średnia kwadratowa. Jest miarą uśrednionego poziomu mocy sygnału. Poziom RMS świetnie reprezentuje ilość jego energii termicznej.
  • Peak - reprezentuje maksymalny, chwilowy poziom jaki sygnał osiąga. Dla przedstawionego na poniższym rysunku sygnału sinusoidalnego poziom peak jest o 3dB wyżej od jego poziomu RMS. Jest to właśnie sygnał dla jakiego podaje się zwykle moc wzmacniaczy. W przypadku muzyki maksymalny, chwilowy (peak) poziom sygnału może z łatwością osiągnąć nawet 10-15 dB powyżej poziomu RMS (czyli de facto dużo mniejsze napięcie). Parametr peak jest także istotny przy określeniu granicy nadmiernego wychylenia głośnika.
sinusoida-rms-peak-3dB-cf3.png
  1. Crest Factor (CF) – po polsku „Współczynnik szczytu“ ale lepiej przyzwyczaić się do szeroko używanej nazwy angielskiej. Używany do opisania stosunku maksymalnego, chwilowego poziomu jaki sygnał osiąga (peak) do poziomu RMS sygnału zarówno dla szumu różowego jak i innych sygnałów. Można go wyrazić w wartości liczbowej (ratio) lub w decybelach. Crest factor dla przebiegu sinusoidalnego będzie zawsze wynosił 1 (3dB) ale już szum różowy o losowej wartości składowych może mieć inny CF w zależności od różnicy między poziomem RMS a peak. Dla CF równego 6dB (ratio 2), napięcie peak jest dwukrotnie wyższe od poziomu napięcia RMS.

Metody pomiaru mocy głośników

Standard AES-1984 Opisuje metodę opracowaną przez stowarzyszenie Audio Engineering Society dla testowania głośnika w celu określenia obsługiwanych przez niego mocy. Kluczowe warunki testu są następujące:

  • Montaż głośnika wysokotonowego (HF): driver jest zamontowany na przeznaczonej dla niego tubie zapewniającej odpowiednie akustyczne obciążenie
  • Montaż głośnika niskotonowego (LF): głośnik jest zamontowany w otwartym powietrzu, a jego orientacja jest taka aby jego ruch odbywał się w płaszczyźnie poziomej.
  • Sygnał testowy: Do głośnika doprowadzany jest szum różowy z Crest Factor ustawionym na 6dB. Szum różowy jest ograniczony do pasma rozpoczynającego się wraz z częstotliwością rezonansową fs głośnika do częstotliwości fs*10
  • Obliczenie mocy: Mierzony jest poziom napięcia RMS doprowadzonego do głośnika. Moc jest obliczona w oparciu o napięcie RMS i minimalną impedancję testowanego głośnika wg wzoru P=V2RMS/Zminimalne
  • Przebieg testu: Głośnik jest poddawany działaniu sukcesywnie coraz wyższych poziomów sygnału w odstępach czasu pozwalających głośnikowi ustabilizowanie się z każdym kolejnym przyrostem. Zalecany czas stabilizacji wynosi 2 godz.
  • Moc znamionowa (moc AES): jest ustalana na maksymalną możliwą moc jaka pozwoli głośnikowi wytrzymać 2 godziny powyższego testu bez zmiany w akustycznej, mechanicznej i elektrycznej charakterystyce w zakresie nieprzekraczającym 10%.

W jaki sposób określamy moc zestawów głośnikowych w NAW Performance Audio:

Podstawę stanowi norma AES lecz z kilkoma ważnymi zmianami. Norma AES odnosi się od pojedynczego głośnika kiedy w NAW gotowe zestawy składające się z wielu głośników i pasywnych filtrów (zwrotnic) testujemy przed oddaniem w ręce użytkownika.

  • Montaż głośnika: głośniki są zamontowane w właściwej dla modelu obudowie i testowane w warunkach identycznych do tych, w jakich głośniki będą używane u użytkownika końcowego.
  • Sygnał testowy: Podobnie jak w normie AES używamy szumu różowego o Crest Factor 6dB. Sygnał testowy jest poddany filtrom częstotliwościowym (odpowiednio low-cut i high-cut) by zawęzić spektrum podawanych na głośnik częstotliwości tylko do tych, które są obsługiwane przez testowane urządzenie.
  • Obliczenie mocy: napięcie RMS jest mierzone na głośniku. Różnica polega na tym, że kalkulacja mocy jest oparta o uśrednioną impedancję w całym istotnym zakresie częstotliwości dla danego zestawu głośnikowego, a nie dla impedancji minimalnej. Dzięki temu uzyskuje się bardziej precyzyjne wskazanie rzeczywistej mocy dostarczanej do głośnika (P=V2RMS /Zuśrednione).
  • Przebieg testu: Testowany zestaw jest wstępnie „rozruszany” przez sygnał niskiego poziomu przez ok 30 minut. Zaczynamy od poziomu sygnału o wartości połowy nominalnej mocy AES głośnika niskotonowego, następnie zestaw jest poddawany sukcesywnie podnoszonemu poziomowi mocy w czasie pozwalającym głośnikowi ustabilizowanie się. Pomiędzy każdym kolejnym krokiem podniesienia prądu dokonuje się 30 minutowej przerwy celem wychłodzenia. Moc jest zwiększana w każdym kolejnym kroku o 0.5dB(W). Głośniki razem z wszystkimi pasywnymi komponentami pomiędzy kolejnymi krokami zwiększania mocy są testowane pod kątem oznak zużycia i uszkodzeń. Ten „cykl” symuluje użycie głośnika w prawdziwych warunkach, gdzie komponenty są raczej na przemian, w sposób cykliczny, rozgrzewane i schładzane podczas użytkowania niż jednostajnie obciążone stałym prądem w ustabilizowanej temperaturze.
  • Moc nominalna: Moc zestawu jest wyznaczana na 1dB(W) (około 50-200W w zależności od modelu) mniej niż poziom mocy sygnału, który spowodował nieodwracalne zmiany w głośniku lub połączonych z nim elementach pasywnych (np zwrotnicy w przypadku testowania zestawu głośnikowego).

Dobór odpowiedniego wzmacniacza

Opisana powyżej procedura określenia mocy nominalnej zestawu głośnikowego jest świetnym punktem wyjścia do odpowiedzi na pytanie: jakiej mocy wzmacniacz, w sposób bezpieczny, napędzi ten zestaw do jego pełnych możliwości w większości zastosowań. Dodać tutaj należy, że gwarantujemy osiągnięcie wyśrubowanych parametrów sonicznych spełniających wymogi NAW tylko przy użyciu wzmacniaczy naszej produkcji ale poniższe zasady odnoszą się także do innych marek.

Może wydawać się, że dobór słabszego wzmacniacza zapewni dodatkowy margines bezpieczeństwa przed uszkodzeniem głośnika. Prawda jest taka, że głośnik zasilany zbyt słabym sygnałem może ulec uszkodzeniu szybciej niż ten poprawnie zasilony przy wykorzystaniu tego samego sygnału wejściowego. Dzieje się to w następujący sposób:

  • Klip wzmacniacza (zaświecenie czerwonej diody LED) - kiedy typowy wzmacniacz wyjdzie poza swoją maksymalną moc, którą jest w stanie wyprodukować następuje „obcięcie” szczytu wzrastającego sygnału elektrycznego. W przypadku wielokrotnego „obcięcia” sinusoidy jej kształt zaczyna przypominać falę kwadratową (problem przedstawiony na rysunkach poniżej).
clip-wzmacniacza-01.png
clip-wzmacniacza-02.png
clip-wzmacniacza-03.png
  • Zwiększone wydzielanie ciepła – kiedy wzmacniacz zaczyna często i intensywnie świecić na czerwono (mam tutaj na myśli diodę CLIP ale żadna indykacja dowolnego urządzenia audio nie powinna świecić na czerwono - to złota zasada), wartość RMS podawanego na głośnik sygnału może osiągnąć swój poziom szczytowy. Jest to ściśle skorelowane ze wzrastającym poziomem energii termicznej sygnału co może doprowadzić do uszkodzenia głośnika przy niższym poziomie niż spodziewany. „Klipanie” powoduje również pojawienie się w głośniku wysokich częstotliwości wystających ponad sygnał (transientów) dlatego jest niezwykle istotne by dobierać wzmacniacze tak, aby były wystarczająco mocne głośnik osiągał swój maksymalny poziom głośności przed „klipem”.

Zalecana przez NAW moc wzmacniacza:

Jako iż sygnałem testowym służącym do określania mocy profesjonalnych wzmacniaczy jest najczęściej (choć nie zawsze i należy na to zwracać uwagę) sygnał sinusoidalny o Crest Factor 3dB oznacza to, że wzmacniacz, który przy 8Ohm i takim właśnie sygnale generuje 1000W, to przy sygnale o Crest Factor 6dB poda na głośnik moc o połowę mniejszą czyli 500W. Dla normalnej muzyki o typowym Crest Factor 10dB będzie to z kolei 200W!! To oznacza, że wasz wzmacniacz 1000W odtwarzając typowy program muzyczny podaje na głośnik 200W mocy – tak, to właśnie to oznacza! Biorąc pod uwagę zróżnicowany charakter dynamiczny większości programów muzycznych, gdzie różnica pomiędzy średnią wartością RMS a szczytami sygnału wynosi zwykle około 8-10 dB, zwyczajowo podaje się Moc Ciągłą głośnika (dwukrotność Mocy Nominalnej) jako rekomendowaną aby całkowicie wykorzystać możliwości termiczne i mechaniczne przetwornika bez obcinania przez wzmacniacz. Należy pamiętać o tym co dokładnie zostało opisane powyżej: Jeżeli wzmacniacz ma zbyt małą moc RMS użytkownicy mają tendencje do „szukania głośności” z systemu, który jej nie poda generując zniekształcenia i hałas. Do zapamiętania zaskakujący wniosek i praktyka: Łatwiej uszkodzić głośnik zbyt słabym wzmacniaczem niż zbyt mocnym!!

Maksymalne ciśnienie akustyczne wytwarzane przez Zestaw głośnikowy.


Poziom ciśnienia akustycznego jakie może wytworzyć głośnik jest jednym z jego podstawowych parametrów. Pośrednio pokazuje ile energii elektrycznej przetwornik jest w stanie zamienić na energię akustyczną czyli mówiąc językiem zrozumiałym – jak jest głośny. Głośnik o wyższym SPL z jednego Wata będzie głośniejszy od tego z niższym. Skala decybelowa jest logarytmiczna i przyjmuje się w uproszczeniu, że każde 10dB SPL więcej to dwa razy głośniej (co jest prawdziwe tylko dla częstotliwości środkowych i wysokich ale już dla częstotliwości basowych tylko 5dB to dwa razy głośniej)*. Różne przetworniki będą grały z inną głośnością przy tym samym sygnale podanym ze wzmacniacza. Pamiętajmy: 1000W podane przez wzmacniacz na głośnik który przy 1W generuje 97dB SPL da nam taką samą realną głośność jak 500W podane przez wzmacniacz przy głośniku, który z 1W generuje 100dB SPL. Nie dość że taki układ zagra tak samo głośno, to przy tym zużyje połowę mniej energii elektrycznej.

* szczegóły konturu jednakowej głośności patrz krzywe Fletchera-Munsona i ich aktualizacje ISO 226:2003)


Każda techniczna specyfikacja NAW zawiera sekcję na temat różnych wartości SPL.

„Maksymalny SPL (dBSPL@1m)” To jest właśnie oczekiwane ciśnienie akustyczne, które będzie wytwarzane przez zestaw głośnikowy (w odległości 1 metra) oparte o zmierzoną moc nominalną, czułość , odpowiedni sygnał testowy i odpowiednio dużej mocy wzmacniacz. Należy mieć na uwadze, że skuteczność szczytowa „peak” będzie o 6dB większa niż ta przy „długim, stałym obciążeniu”. Jest to spowodowane użyciem szumu różowego o CF=6dB podczas testu określającego maksymalną moc zestawu, opisanego powyżej. Inni czołowi producenci używający innych sygnałów testowych osiągają inne wartości parametrów MaxSPL. Jest to temat na kolejny artykuł, który z pewnością zostanie podjęty aby ułatwić wam porównanie poszczególnych produktów i wybór optymalnego narzędzia.


Autor artykułu: Kamil Kieca


referencje i materiały dla osób pragnących sięgnać głębiej w temat:

- rozszerzenie tematu tego artykułu: http://www.doctorproaudio.com/doctor/temas/powerha...

- słowo od Bruce'a Bartletta: http://www.prosoundweb.com/article/print/we_need_m...

- oryginał publikacji AES (dla członków lub płatny):

http://www.aes.org/publications/standards/search.c...

- Crest Factor na Wiki: https://en.wikipedia.org/wiki/Crest_factor

- inne podejście do tematu u konkurencji: http://www.crownaudio.com/how-much-amplifier-power


 

Blog

Do pobrania:

Jesteśmy również na

KONTAKT

Godziny pracy:

  • pon - pt: 9:00 - 17:00

Biuro:

  • tel.: +48 33 488 11 48
  • kom.: +48 792 578 828

Dział handlowy: