Вопросы подбора мощности усилителя и акустической системы: термины и способы измерения

Отвечаем на часто задаваемые вопросы.

Сохранить и прочитать потом —

1. Что означают такие термины, как «пиковая мощность», «мгновенная мощность», «музыкальная мощность» и «программная мощность»?

Эти термины тем или иным способом описывают изменяющуюся во времени природу музыки и необходимую для ее воспроизведения мощность электропитания. Включенная 150-ваттная лампочка создает постоянную нагрузку в 150 Вт на источник питания. А вот 150-ваттный усилитель будет отдавать акустической системе всю свою мощь только в редкие пиковые моменты. На рис. 1 изображены изменяющийся во времени музыкальный сигнал и мощность, необходимая для его воспроизведения.

Термин «пиковая мощность» на этой иллюстрации определяется как максимальная мощность, требующаяся системе в рамках указанного интервала времени. «Средняя мощность» представляет ее усредненную величину в течение этого же периода.

Следует отметить два обстоятельства: и пиковая, и средняя мощность в значительной степени зависят от характера музыкального сигнала, и их соотношение для разных музыкальных программ может сильно разниться.

В строгом смысле термин «мгновенная мощность» относится к любой краткосрочной потребности в мощности и обычно ассоциируется с ее максимальным значением, которое может потребоваться для воспроизведения музыкального сигнала. «Музыкальная мощность» и «программная мощность» не имеют строгого определения; их можно рассматривать как варианты средней мощности.

На рисунке изображена огибающая мощности музыкального сигнала по времени для типичной акустической системы, рассчитанной на использование с 300-ваттным усилителем. Обратите внимание, что большую часть времени требования по мощности остаются достаточно низкими; только хаотичные мгновенные пики требуют от системы ее выдачи в полном объеме. Отношение в децибелах, рассчитанное на основе двух пунктирных линий, называется пик-фактором сигнала. В данном случае оно составляет примерно 25 дБ, что характерно для классической музыки. Для роковых композиций значение пик-фактора лежит в диапазоне от 8 до 10 дБ.

Все акустические системы способны выдерживать намного большую мощность в кратковременном пике, чем в постоянном режиме, и правильный выбор усилителя в большой степени определяется именно этой способностью АС.

2. Как характер музыкального материала влияет на предельно допустимую мощность АС?

Динамики АС могут получать повреждения двух типов – термические и механические. Предположим, что 100-ваттный усилитель вышел из строя и начал выдавать высокочастотные колебания за пределами диапазона слышимости. Легкая звуковая катушка твитера почти сразу может выйти из строя из-за перегрева. С другой стороны, предположим, что НЧ-динамик постоянно подвергается избыточной раскачке из-за рокота проигрывателя винила, слишком высокого уровня басов, обратной связи в низкочастотной области или сочетания этих факторов. Через некоторое время движущиеся части вуфера окажутся в напряженном состоянии, способном привести к смещению оси звуковой катушки и ее износу из-за трения. В особо серьезных случаях катушка может вылететь из зазора и зависнуть над магнитной системой, как показано на рис. 2.

Динамик в нормальном состоянии

Динамик в перегруженном состоянии

К таким повреждениям может привести даже не очень высокая мощность; в случае сигнала сверхнизкой частоты достаточно всего 20-30 Вт. Общепринятые инженерные практики подразумевают применение в профессиональных системах фильтров высокой частоты для ослабления сигналов за пределами полосы пропускания системы.

3. Как рассчитывается номинальная мощность акустических систем JBL Professional?

Как было отмечено, динамик АС может быть поврежден в результате перегрева звуковой катушки или избыточной раскачки в низкочастотной области. В идеале нам нужен стандартный тестовый сигнал, в котором приняты в расчет оба этих вида повреждений и в то же время применимый на практике. Он описывается стандартом Международной электротехнической комиссии (IEC) № 268-5. Это сигнал типа розовый шум с коэффициентом амплитуды нагрузки 6 дБ, фильтрованный на 12 дБ на октаву ниже 40 Гц и выше 5 кГц.

Для определения номинальной мощности на испытуемые экземпляры динамиков подается тестовый сигнал с постепенным увеличением мощности и выявляется тот ее уровень, который они способны выдерживать в течение восьми часов. Подробности процесса тестирования приведены на рис. 3.

Мы уже упоминали выше, что коэффициент амплитуды нагрузки составляет 6 дБ. Поясним это в подробностях. Коэффициент амплитуды соотносится с пик-фактором сигнала и является точной мерой пикового значения шума, связанного со средней «нагревающей способностью» сигнала для звуковой катушки. Величина 6 дБ означает, что на конкретный динамик или преобразователь подается сигнал, мощность которого в четыре раза превышает среднюю. Например, при тестировании этим методом динамика с номинальной мощностью 150 Вт на него в течение восьми часов подавался бы сигнал с мгновенной мощностью 600 Вт. Этот метод настолько хорошо отвечает реальным условиям работы динамиков, что компания JBL теперь применяет его для всех акустических систем, отказавшись от всех ранее использовавшихся показателей мощности.

4. Что можно сказать о неправильной эксплуатации АС в нормальном режиме? Применяются ли в подобных условиях какие-либо корректирующие коэффициенты для систем?

Да. JBL выделяет три категории способов применения АС, в которых требуется корректировка указанного для системы номинала IEC:

A. При тщательно контролируемом использовании в случаях, когда должно быть обеспечено прохождение пиковых сигналов, для системы требуется усилитель, мощность которого вдвое превышает номинал АС по IEC. Например, комплект студийных мониторов с номинальной мощностью 300 Вт будет успешно работать с усилителем с выходной мощностью 600 Вт.

Пояснение: тщательное наблюдение в данном случае необходимо. Процесс записи высококлассной музыки сегодня подразумевает наличие в сигнале всплесков высокой амплитуды. Они обычно имеют очень малую продолжительность и в силу этого не нагружают компоненты системы. Таким образом, дополнительный резерв по мощности в 3 дБ (в два раза) обеспечит более устойчивое функционирование системы и меньшую утомляемость слушателя.

B. При рутинном применении, когда в расчет должен входить постоянно высокий, но не приводящий к искажениям уровень сигнала, для системы требуется усилитель, мощность которого соответствует номиналу АС по IEC.

Пояснение: к этому случаю относится большая часть ситуаций, в которых требуется звукоусиление. Такие системы нередко неумышленно подвергаются перегрузкам или могут войти в цикл обратной связи. При использовании усилителя с такой же номинальной мощностью по IEC владелец может рассчитывать на безопасную работу системы.

C. При применении в системе с музыкальными инструментами, допускающими возможность применения искажений (перегрузки звука), требуется усилитель, мощность которого соответствует половине номинала АС по IEC.

Пояснение: большая часть рок-композиций записывается практически на максимальном уровне, близком к клиппированию, поскольку именно такой звук нравится поклонникам рока. Если усилитель, способный выдавать 300 Вт на синусоидальном сигнале без искажений, выводится в режим клиппинга, его выходная мощность может достигать 600 Вт! В таком случае понижение мощности усилителя до половины номинала IEC обеспечит безопасную работу динамиков.

Источник

Что такое мощность колонок: от чего зависит и в чем измеряется

Всех читателей, приветствую! Каждый, кто хоть раз выбирал акустическую систему, задумывался о мощности колонок в ваттах – что это за параметр и как он влияет на громкость аппаратуры.

Сегодня я расскажу, в чем измеряется звук в колонках, от чего зависит громкость и как узнать достаточные параметры для комнаты определенной площади.

Влияние общей выходной мощности на громкость

Как ни странно, высокая мощность аппаратуры не всегда говорит о том, что она будет играть громко и «мясисто». Выбирая акустику для компьютера, следует помнить, что ватты, грубо говоря – это количество энергии, потребляемое аппаратурой.

В зависимости от КПД системы (а он иногда бывает чрезвычайно мал) итоговая громкость может значительно корректироваться.

Громкость звука – субъективная характеристика. Измеряется она интенсивностью, которая пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления. На нее влияет чувствительность человеческого уха.

Разные люди могут по-разному воспринимать одни и те же диапазоны частот. Кроме того, чувствительность снижается с возрастом.

Общая выходная мощность – не единственный параметр, влияющий на звуковое давление. Громкость системы в целом также находится в зависимости от чувствительности динамиков и мощности усилителя.

Чем ниже будет чувствительность колонки, тем мощнее усилитель потребуется для ее активации.

Системы измерения

Несмотря на вышеперечисленное, самым эффективным инструментом маркетологов при продаже акустики для ПК, остается мощность, выраженная в ваттах. Еще совсем недавно, лет 20 назад, на рынке была доступна только старая акустика, выпущенная советской промышленностью, и китайская аппаратура, начинающая захватывать мировые рынки.

Качественная европейская и американская электроника попросту не поставлялась к нам по причине заоблачной стоимости, недоступной для подавляющего большинства клиентов.

В паспорте советской, а впоследствии и российской электроники, указывалась номинальная мощность, которая продолжает считаться одним из наиболее объективных параметров. Определяется эта характеристика при средней позиции регулятора громкости.

Китайцы же традиционно указывали PMPO – максимальную мощность, которую теоретически способен выдержать динамик без механического повреждения, а усилитель «пропустить» через себя, не перегорев и не поплавив начинку.

Не редко на миниатюрной колонке можно было увидеть гордую наклейку 500 Ватт. Естественно, блоком питания, способным аккумулировать такое количество энергии, ни одна такая система не была оборудована.

Такую систему исчисления назвали «китайскими ваттами». Согласно результатам многочисленных тестов, этот показатель в 20-30 раз превосходил номинальную мощность. На текущий момент, к счастью, PMPO почти не используется, а в характеристиках китайской электроники указывается номинальная мощность.

Это вполне объяснимо: кроме Китая и некоторых других стран Азии, сегодня почти никто не производит аппаратуру. Бороться за рынок, с помощью таких хитрых манипуляций, больше не имеет смысла – он уже давно захвачен и монополизирован.

Прочие стандарты

В этой теме нельзя не упомянуть стандарт DIN 45500, впервые классифицировавший понятие Hi-Fi аппаратуры. Согласно принятым нормативам, DIN Power здесь измеряется при помощи подачи сигнала частотой 1 кГц на линейный вход на протяжении 10 минут.

При достижении 1% THD измеряется мощность. Такая система полностью идентична японской EIAJ. DIN Music Power – еще один параметр, максимальный сигнал, который выдержит аппаратура без повреждения на протяжении длительного времени.

Этот показатель отвечает IEC Power, согласно стандарту Международного электротехнического комитета IEC 268-5. Длительность нагрузки составляет в нем 100 часов.

RMS – предельная синусоидальная мощность, то есть та, с которой устройство способно работать в течение часа без повреждений. Обычно эта величина на 150-200% больше советской номинальной мощности и на 20-25% больше DIN Music Power. К этому стандарту близок AES2-1984, согласно которому замеры проводятся в течение двух часов.

Как определить подходящую мощность

Итак, мы подходим к главному вопросу: суммарная мощность колонок – что это такое и как влияет она на качество звука. Суммарная мощность – сумма мощностей сабвуфера и сателлитов в составе акустической системы. На какую площадь комнаты какая акустика лучше подойдет, определить можно по следующему принципу:

• Для офиса и другого рабочего места – не более 20 Ватт, чтобы не мешать коллегам;
• Для комнаты стандартного размера – от 20 до 50 Ватт;
• Для гостиной, домашнего кинотеатра или игрового зала – от 50 до 150 Ватт.

Более мощные колонки брать не имеет смысла – все равно вы не сможете использовать «на полную катушку», не мешая при этом соседям по дому. Если же вы живете в частном секторе и предпочитаете очень громкую музыку, можно взять хоть и 300 Ваттные колонки, выставить их на улицу и радовать жителей микрорайона своими музыкальными предпочтениями.

Рекомендации по мощности приведены согласно системе RMS. И, пожалуй, главное, о чем не следует забывать при выборе акустики – то, что ее мощность никак не влияет на качество звука.

А это уже характеристика сугубо субъективная, поэтому, покупая даже навороченные колонки от бренда с мировым именем, не поленитесь провести тестовое прослушивание – а вдруг вам частотный диапазон придется не по нраву.

Про основные параметры и технические характеристики колонок для ПК читайте тут. Также на эту тему советую почитать о лучших брендах производителей аудиоколонок для ПК и про историю изобретения и развитие акустических колонок. Буду признателен, если вы поделитесь этим постом в социальных сетях. До завтра!

Источник

Особенности стандартов, описывающих мощность в звукотехнике

Многим иногда приходилось задумываться, что же именно обозначает мощность, в том или ином виде приводимая в паспортах акустических систем и звукоусилительной аппаратуры. Материалов на эту тему в сети и печатных изданиях встречается на удивление мало, внятных ответов на вопросы тоже.

Попытаюсь хоть как-то уменьшить число белых пятен в этой области. Некоторые, более точные описания определений возникли у меня в диалоге, при попытке лучше объяснить собеседнику их смысл. Часть своих определений я попросту вытащил из конференции, где многократно уже пытался дать доступные ответы на подобные вопросы, попутно шлифуя тексты своих ответов.

Международные стандарты

RMS (Root Mean Squared) — среднеквадратичное значение мощности, ограниченной заданными нелинейными искажениями.

Мощность замеряется синусоидальным сигналом на частоте 1 кГц при достижении 10% THD. Она вычисляется, как произведение среднеквадратичных значений напряжения и тока при эквивалентном количестве теплоты, создаваемой постоянным током. То есть, эта мощность численно равна квадратному корню из произведения квадратов усредненных величин напряжения и тока.

Для синусоидального сигнала среднеквадратичное значение меньше амплитудного в V2 раз (× 0,707). Вообще же, это виртуальная величина, термин «среднеквадратичный», строго говоря, может быть применен к напряжению или силе тока, но не к мощности. Известный аналог — действующее значение (все знают его для сети электропитания переменным током — это те самые 220 В для России).

Попробую объяснить, почему это понятие для описания звуковых характеристик малоинформативно. Среднеквадратичная мощность — это производящая работу. То есть, имеет смысл в электротехнике. И относится не обязательно к синусоиде. В случае музыкальных сигналов громкие звуки мы слышим лучше, чем слабые. И на органы слуха воздействуют больше амплитудные значения, а не среднеквадратичные. То есть громкость не эквивалентна мощности. Поэтому среднеквадратичные значения имеют смысл в электросчетчике, а вот амплитудные в музыке. Еще более популистский пример — АЧХ. Провалы АЧХ заметны меньше, чем пики. То есть громкие звуки более информативны, чем тихие, а усредненное значение будет мало о чем говорить.

Таким образом, стандарт RMS был одной из не самых удачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры, которые не отражают громкость, как величину.

В усилителях и акустике этот параметр тоже, по сути, имеет весьма ограниченное применение — усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности (когда возникает клиппинг, ограничение амплитуды усиливаемого сигнала с возникающими специфическими динамическими искажениями), еще поискать. До достижения максимальной мощности искажения транзисторных усилителей, например, не превышают зачастую сотых долей процента, а уж выше резко возрастают (нештатный режим). Многие акустические системы при длительной работе с таким уровнем искажений уже способны выйти из строя.

Для совсем уж дешевой техники указывается другая величина — PMPO, совсем уж бессмысленный и никем не нормированный параметр, а значит, друзья-китайцы измеряют его так, как бог на душу положит. Если точнее, в попугаях, причем каждый в своих. Значения PMPO часто превышают номинальные вплоть до коэффициента 20.

PMPO (Peak Music Power Output) — пиковая кратковременная музыкальная мощность, величина, которая означает максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений вообще за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS, но, вообще, не нормировано).

Как следует из описания, параметр еще более виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Посоветую эти значения не воспринимать всерьез и на них не ориентироваться. Если вас угораздило покупать аппаратуру с параметрами мощности, указанными только, как PMPO, то единственный совет — послушать самостоятельно и определить, подходит это вам или нет.

DIN 45500 — комплекс общепринятых стандартов IEEE, описывающих различные звукоусилительные характеристики аппаратуры более достоверным образом.

DIN POWER — значение выдаваемой на реальной нагрузке (для усилителя) или подводимой (к АС) мощности, ограниченной нелинейными искажениями.

Измеряется подачей сигнала с частотой 1 кГц на вход устройства в течение 10 минут. Мощность замеряется при достижении 1 % THD (нелинейных искажений).

Строго говоря, есть и другие виды измерений, например, DIN MUSIC POWER, описывающая мощность уже музыкального сигнала. Обычно указываемая величина DIN music выше, чем приводимая как DIN.

Информации по данному стандарту у меня немного, привожу только то, что удалось собрать.

Отечественные стандарты

Номинальная мощность (ГОСТ 23262-88) — величина искусственная, она оставляет свободу выбора изготовителю. Разработчик волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Указывается как у АС, так и у усилителей.

Иногда это приводило к парадоксам — при искажениях типа «ступенька», возникающих в усилителях класса АВ на малых уровнях громкости, уровень искажений мог снижаться при увеличении выходной мощности сигнала до номинальной. Таким образом достигались рекордные номинальные характеристики в паспортах усилителей, с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя. Тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5–15% от максимальной мощности усилителя. Вероятно, поэтому российские усилители заметно проигрывали на слух западным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости, тогда как в СССР шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.

Паспортная шумовая мощность — электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов.

Максимальная кратковременная мощность — электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжаний) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации.

Максимальная долговременная мощность — электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.

Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).

Общая терминология

Розовый шум (используемый в этих испытаниях) — группа сигналов со случайным характером и равномерной спектральной плотностью распределения по частотам, убывающей с увеличением частоты со спадом 3 дБ на октаву во всем диапазоне измерений, с зависимостью среднего уровня от частоты в виде 1/f. Розовый шум имеет постоянную (по времени) энергию на любом из участков частотной полосы.

Белый шум — группа сигналов со случайным характером и равномерной и постоянной спектральной плотностью распределения по частотам. Белый шум имеет одинаковую энергию на любом из участков частот.

Октава. Музыкальная полоса частот, соотношение крайних частот которой равно 2.

Электрическая мощность. Мощность, рассеиваемая на омическом эквивалентном сопротивлении, равном по величине номинальному электрическому сопротивлению АС, при напряжении, равном напряжению на зажимах АС. То есть, на сопротивлении, эмулирующем реальную нагрузку в тех же условиях.

Источник