Полезные советы. Мощность: сколько ватт нужно АС

Существует много различных типов звукоизлучателей, однако наиболее распространены излучатели электромагнитного типа, или как их ещё называют, динамики.

Динамики являются основными конструктивными элементами акустических систем (АС). К сожалению, один динамик не способен воспроизвести весь слышимый диапазон частот. Поэтому для полнодиапазонного воспроизведения в акустических системах применяется несколько динамиков, где каждый рассчитан на воспроизведение своей полосы частот. Принцип работы низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) динамиков одинаковый, отличия заключаются в реализации отдельных конструктивных элементов.

Принцип работы динамика основан на взаимодействии переменного магнитного поля создаваемого током, протекающим по проводу магнитной катушки, с магнитным полем постоянного магнита.

Несмотря на сравнительную простоту конструкции, динамики, предназначенные для работы в высококачественных акустических системах, имеют большое количество важных параметров, от которых зависит конечное звучание акустической системы.

Самым главным показателем, характеризующим динамик, является полоса воспроизводимых частот. Она может быть указана в виде пары значений (нижней граничной и верхней граничной частоты), или приведена в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Второй вариант является более информативным. АЧХ представляет собой графическую зависимость уровня звукового давления, создаваемого динамиком на расстоянии 1 метр по рабочей оси, от частоты. АЧХ позволяет оценить частотные искажения, вносимые динамиком в исходный сигнал, а также, в случае использования динамика в составе многополосной системы – выявить оптимальное значение частоты раздела разделительного фильтра. Именно АЧХ позволяет классифицировать динамик как низкочастотный, среднечастотный или высокочастотный.

Выбор низкочастотного динамика

Для НЧ динамиков, помимо АЧХ, существенной группой показателей являются так называемые Тиль-Смолл параметры. На их основе производится расчёт параметров акустического оформления для динамика (корпуса акустической системы). Минимальный набор параметров резонансная частота - fs, полная добротность - Qts, эквивалентный объём - Vas.

Тиль-Смолл параметры описывают поведение динамика в области поршневого действия (ниже 500Гц), рассматривая его как колебательную систему. Совместно с акустическим оформлением (АО), динамик представляет собой фильтр высоких частот (ФВЧ), что позволяет при расчётах использовать математический аппарат, позаимствованный из теории фильтров.

Оценка значений Тиль-Смолл параметров динамика, и в первую очередь, полной добротности Qts, позволяет судить о целесообразности применения динамика в акустических системах с тем или иным типом акустического оформления (АО). Для АС с акустическим оформлением фазоинверсного типа в основном используются динамики со значением полной добротности до 0,4. Стоит отметить, что фазоинверсные системы являются наиболее требовательными, с точки зрения проектирования, по-сравнению с АС, имеющими закрытое и открытое АО. Данная конструкция чувствительна к ошибкам, допущенным в расчётах и при изготовлении корпуса, а также при использовании недостоверных значений параметров НЧ динамика.

При выборе НЧ динамика большую роль играет параметр Xmax. Xmax показывает максимально допустимое смещение диффузора, при котором в зазоре магнитной цепи динамика сохраняется постоянное количество витков провода звуковой катушки (см. рис. ниже).

Для сателлитных акустических систем подойдут динамики с Xmax=2-4мм. Для сабвуферов следует применять динамики с Xmax=5-9мм. При этом сохраняется линейность преобразования электрических колебаний в акустические на больших мощностях (и, соответственно, больших амплитудах колебаний), что проявляется в более эффективном излучении низких частот.

Если вы приняли решение об изготовлении акустической системы «своими руками», перед вами неизбежно встанет вопрос о выборе фирменных комплектующих, в частотности динамиков. Не имея опыта эксплуатации продукции различных производителей иногда сложно сделать оптимальный выбор. Приходится руководствоваться множеством факторов, сравнивать по многим параметрам, не только имеющих отношение к паспортным характеристикам. Динамики АКТОН удачно дополнят вашу АС, поскольку, помимо высокого качества, обладают рядом преимуществ:

имеют оптимальное соотношение цена/качество в своём сегменте;
динамики специально разработаны для профессиональных АС, используемых для озвучивания социально-культурных мероприятий;
для динамиков разработана документация по изготовлению корпусов;
взаимодействие потребителя с производителем осуществляется напрямую без посредников, что позволяет избежать проблем с доступностью любых запчастей и комплектующих;
информационная поддержка по вопросам конструирования АС;
высокая надёжность работы динамиков АКТОН.

С модельным рядом динамиков АКТОН вы можете ознакомиться .

Выбор высокочастотного динамика

При выборе ВЧ динамика, по АЧХ определяют нижнюю частоту воспроизводимого им диапазона. Необходимо чтобы полоса частот ВЧ динамика несколько перекрывала полосу частот НЧ динамика.

Некоторые ВЧ динамики предназначены для работы совместно с рупором. В отличие от ВЧ динамиков прямого излучения (или, как их называют, твиттеров), рупорные ВЧ динамики, благодаря свойствам рупора имеют более низкую граничную частоту воспроизводимого звукового диапазона. Нижняя граничная частота такого ВЧ динамика может составлять примерно 2000-3000Гц, что позволяет во многих случаях отказаться от СЧ динамика в АС.

Из-за конструктивных особенностей, ВЧ динамики, как правило, имеют более высокую чувствительность, по сравнению с НЧ динамиками. Поэтому на этапе проектирования фильтра , в нём предусматривают цепь аттенюатора (подавителя), необходимого для понижения избыточного излучения, который приводит значения чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков к одинаковому уровню.

При выборе ВЧ динамика важно учитывать его мощность, которая выбирается исходя из мощности НЧ динамика. При этом мощность ВЧ динамика принимается ниже мощности НЧ динамика, что вытекает из анализа спектральной плотности звукового сигнала, соответствующей розовому шуму (имеющему спад в сторону высоких частот). Для практического расчёта мощности, рассеиваемой на ВЧ динамике в АС с частотой раздела 3-5кГц, можно воспользоваться калькулятором на нашем сайте.

Напомним, ВЧ динамики недопустимо использовать без фильтра высоких частот (ФВЧ), ограничивающего проникновение низкочастотной части спектра.

Факторы повреждения динамиков

В случае наступления нештатных режимов работы возможны механические и электрические повреждения динамиков. Механические повреждения возникают, когда амплитуда колебаний диффузора превышает допустимую амплитуду, которая зависит от механических свойств элементов подвижной системы. Наиболее критичная частотная зона для таких повреждений находится вблизи частоты механического резонанса динамика и ниже, т.е. там, где амплитуда колебаний максимальна. Электрические повреждения возникают в результате необратимого перегрева звуковой катушки. Наиболее критичная полоса частот для повреждений такого рода соответствует полосе, находящейся вблизи электро-механического резонанса динамика. Повреждения обоих видов наступают в результате превышения максимально допустимой электрической мощности, подводимой к динамику. Для того чтобы избежать таких последствий величина максимальной мощности нормируется.

Есть несколько стандартов, пользуясь которыми производители нормируют мощности своих изделий.Наиболее близким с точки зрения реальных условий в случае использования акустической системы для озвучивания массовых мероприятий можно привести стандарт AES. Мощность согласно этому стандарту определяется как квадрат среднеквадратического значения напряжения в определённой полосе розового шума, который динамик способен выдерживать в течении не менее 2-х часов, делённое на значение минимального импеданса Zmin. Стандарт регламентирует нахождение динамика в «свободном воздухе» без корпуса. Некоторые производители при испытаниях помещают динамик в корпус, приближая таким образом условия его работы к реальным условиям, что с их точки зрения, приводит к более объективным результатам. Известное значение мощности динамика служит ориентиром при выборе усилителя, мощность которого должна соответствовать значению мощности AES динамика.

Стоит заметить, что реальное значение мощности, подведённой к динамику, с трудом поддаётся оценке без проведения специальных измерений и может отличаться в широких пределах даже при одинаковой установке регулятора уровня громкости на устройствах звукового тракта.

На это могут оказывать влияние многие факторы, такие как:

Спектр воспроизводимого сигнала (музыкальный жанр, частотный и динамический диапазон музыкального произведения, преобладающие музыкальные инструменты);
Характеристики пассивных фильтрующих цепей и активных кроссоверов, ограничивающих спектр исходного сигнала, поступающего на динамики;
Использование эквалайзера и других устройств частотной коррекции в звуковом тракте;
Режим работы усилителя (появление нелинейных искажений и клиппирования);
Конструкция корпуса акустической системы;
Неисправность усилителя (возниконовение постоянной составляющей в спектре усиленного сигнала)

Следующие меры повышают надёжность эксплуатации акустических систем:

Понижение верхней граничной частоты работы НЧ динамика, используя фильтр низких частот (ФНЧ). В этом случае ограничивается часть спектра сигнала, которая вносит существенный вклад в разогрев катушки;
Ограничение полосы частот ниже частоты настройки фазоинвертора, используя цепи LOW-PASS (фильтр высоких частот). Данная мера ограничивает амплитуду колебаний диффузора за пределами рабочего диапазона АС со стороны низких частот, предотвращая механические повреждения НЧ динамика;
Настройка ФВЧ ВЧ динамика на более высокую частоту;
Конструирование корпусов АС, обеспечивающих наилучшие условия естественной конвекции динамиков;
Исключение работы АС с усилителем, работающим в режиме нелинейных искажений, клиппирования;
Предотвращение возникновения громких коммутационных щелчков, «заводки» микрофона;
Использование лимитера в звуковом тракте.

Отметим, что акустические системы, которые используются для профессионального озвучивания (особенно в условиях дискотек) часто вынуждены работать на высоких мощностях. Во время работы нагрев звуковой катушки динамика может достигать 200 градусов, а элементов магнитной цепи - 70 градусов. Долговременная работа на предельных режимах приводит к тому, что динамики "горят". Это может быть вызвано превышением допустимой электрической мощности, подаваемой на динамик, а также неисправностью усилителя. Во многом, сохранность комплекта зависит от квалификации диджея. В связи с этим, какой бы динамик вы не выбрали, необходимо учитывать доступность ремкомплектов. При этом ситуация осложняется ещё и тем, что как правило единовременно сгорает не один динамик, а несколько, что выводит из строя весь комплект. Учитывая всё вышесказанное, заключим, что вопрос о сроках и стоимости поставки ремкомплектов также крайне важен на этапе выбора динамиков для АС.

Наболее разнообразны конструкции высокочастот-ных (ВЧ) динамиков. Они могут быть обычными, рупор-ными или купольными. Основной проблемой при их создании является расширение направленности излуча-емых колебаний. В этом отношении определенными пре-имуществами обладают купольные динамики. Диаметр диффузора или излучающей мембраны ВЧ-пищалок лежит в пределах от 10 до 50 мм. Часто пищалки наглухо закрыты сзади, что исключает возможность модуляции их излуче-ния излучением НЧ и СЧ-излучателей.

Обычный миниатюрный ВЧ-динамик с коническим диффузором неплохо излучает звуки высоких частот, но имеет очень узкую диаграмму направленности — обычно в пределах угла от 15 до 30 градусов (относительно центральной оси). Этот угол задается при снижении отдачи динамика обычно на —2 дБ. Указывается угол при отклонении как от горизонтальной, так и от вертикальной оси. За рубежом этот угол называют углом рассеивания или дисперсии (dispersion) звука.

Для увеличения угла рассеивания делают диффузоры или насадки к ним различной формы (шарообразной, в форме рупора и т. д.). Многое зависит и от материала диффузора. Тем не менее обычные ВЧ-динамики не в состоянии излучать звуки с частотами заметно выше 20 кГц. Размещение перед ВЧ-динамиком специальных отражателей (чаще всего в виде пластиковой решетки) позволяет заметно расширить диаграмму направленнос-ти. Такая решетка часто является элементном акустичес-кого обрамления ВЧ-динамика или иного излучателя.

Извечной темой споров является вопрос о том, а нужно ли вообще излучать частоты выше 20 кГц, коль наше ухо их не слышит, и даже студийная аппаратура нередко огра-ничивает эффективный диапазон звуковых сигналов на уровне от 10 до 15—18 кГц. Однако то, что мы не слышим такие синусоидальные сигналы, не означает, что они не существуют и не влияют на форму временных зависимос-тей реальных и довольно сложных звуковых сигналов с гораздо более низкими частотами повторения.

Есть много убедительных доказательств того, что эта форма сильно искажается при искусственном ограниче-нии частотного диапазона. Одной из причин этого являют-ся фазовые сдвиги различных компонентов сложного сигнала. Любопытно, что наше ухо не ощущает сами по себе фазовые сдвиги, но способно отличить сигналы с различ-ной формой временной зависимости, даже если они содер-жат одинаковый набор гармоник с одинаковыми амплиту-дами (но разными фазами). Большое значение имеет характер спада АЧХ и линейность ФЧХ даже за пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот.

Вообще говоря, если мы хотим иметь равномерные АЧХ и ФЧХ во всем звуковом диапазоне, то реально излучаемый акустикой диапазон частот должен быть за-метно шире звукового. Все это вполне оправдывает разра-ботку широкополосных излучателей многими ведущими в области электроакустики фирмами.

Размещение ВЧ излучателей Существует проблема - результат в большой степени зависит от того, куда поставлены и как сориентированы головки. Поговорим о ВЧ-головке, или твитере.

Особенности ВЧ-головок Из теории распространения звуковых волн известно, что с увеличением частоты диаграмма направленности излучателя сужается, и это приводит к сужению зоны оптимального прослушивания. То есть получить равномерный тональный баланс и правильную сцену можно только в небольшой области пространства. Поэтому расширение диаграммы направленности ВЧ-излучателя - основная задача всех разработчиков громкоговорителей. Самая слабая зависимость диаграммы направленности от частоты наблюдается у купольных ВЧ-динамиков. Именно этот тип ВЧ-излучателей - самый распространенный в автомобильных и бытовых АС. Другие достоинства купольных излучателей - маленькие размеры и отсутствие необходимости создавать акустический объем, а к недостаткам следует отнести невысокую нижнюю граничную частоту, которая лежит в пределах 2,5-7 кГц. Все эти особенности учитываются при установке высокочастотника.На место установки влияет все: рабочий диапазон ВЧ-динамика, его характеристики направленности, количество устанавливаемых компонентов (2- или 3- компонентные системы) и даже ваш личный вкус. Сразу оговоримся, что универсальных рекомендаций по этому вопросу не существует, поэтому мы не можем вам указать пальцем - мол, ставь здесь и все будет ОК! Однако на сегодня есть множество типовых решений, с которыми полезно ознакомиться. Все нижесказанное относится к беспроцессорным схемам, но это актуально и при использовании процессора, просто его присутствие дает гораздо больше возможностей для компенсации негативного влияния неоптимального места расположения.

Практические соображения. Вначале напомним некоторые каноны. В идеале расстояние до левого и правого высокочастотника должно быть одинаковым, а установлены ВЧ-динамики должны быть на высоте глаз (или ушей) слушателя. В частности, всегда лучше по возможности выдвигать ВЧ-головки как можно дальше вперед, поскольку чем дальше они от ушей, там меньше разница в расстояниях до левого и правого излучателей. Второй аспект: высокочастотник не должен быть далеко от СЧ- или НЧ/СЧ-головки, иначе не получить хорошего тонального баланса и фазового согласования (обычно руководствуются длиной или шириной ладони). Однако если высокочастотник установлен низко, то звуковая сцена заваливается вниз, и вы как бы находитесь над звуком. При слишком высокой установке, из-за большого расстояния между ВЧ- и СЧ-динамиками, теряется цельность тонального баланса и фазовое согласование. Например, при прослушивании трека с записью фортепианной пьесы, на низких нотах один и тот же инструмент будет звучать внизу, а на высоких - резко взлетать вверх.

Направленность ВЧ-головки . Когда с местом установки ВЧ-головки разобрались, следует определиться с ее направленностью. Как показывает практика, для получения правильного тембрального баланса лучше направить высокочастотник на слушателя, а для получения хорошей глубины звуковой сцены - использовать отражение. Выбор определяется личными ощущениями от музыки, которую вы слушаете. Здесь главное - помнить, что оптимальное место прослушивания может быть только одно
Сориентировать в пространстве высокочастотник желательно так, чтобы его центральная ось была направлена на подбородок слушателя, то есть установить разный угол разворота левого и правого ВЧ-динамиков. При ориентации ВЧ-динамика, работающего на отражение следует помнить две вещи. Во-первых, угол падения звуковой волны равен углу отражения, во вторых, удлиняя звуку путь, мы уводим дальше звуковую сцену, и если увлечься, то можно получить так называемый туннельный эффект, когда звуковая сцена находится далеко от слушателя, как бы в конце узкого коридора.

Метод настройки. Наметив, в соответствии с приведенными рекомендациями, место размещения ВЧ-головок, стоит приступить к экспериментам. Дело в том, что никто никогда заранее не скажет, где именно будет обеспечено 100-процентное "попадание" с вашими компонентами. Наиболее оптимальное место позволит определить эксперимент, поставить который довольно просто. Возьмите любой липкий материал, например, пластилин, двусторонний скотч, "липучку" или модельный термоклей, поставьте свой любимый музыкальный или тестовый диск и, учитывая все вышесказанное, начинайте экспериментировать. Попробуйте разные варианты мест и ориентирования в каждом. Перед тем как окончательно установить высокочастотник, лучше еще немного послушать и подправить на пластилине.к нигде.

Творческий подход. Настройка и выбор расположения ВЧ-динамика имеют свои нюансы для 2- и 3-компонентных систем. В частности, в первом случае трудно обеспечить близкое расположение высокочастотника и НЧ/СЧ-излучателя. Но в любом случае не надо бояться экспериментировать, - нам встречались такие инсталляции, где ВЧ-головки оказывались в самых неожиданных местах. А есть ли смысл в дополнительной паре высокочастотников? Вот, скажем, американская фирма "Boston Acoustics" выпускает комплекты компонентных АС, где в кроссовере уже предусмотрено место для подключения второй пары ВЧ-головок. Как объясняют сами разработчики, вторая пара необходима для поднятия уровня звуковой сцены В тестовых условиях мы слушали их как дополнение к основной паре высокочастотников и были удивлены, насколько существенно расширяется пространство звуковой сцены и улучшается проработка нюансов

Усилитель и громкоговоритель – это звенья одной цепи, один без другого работать просто не сможет. В прошлом номере мы достаточно подробно рассмотрели вопрос: «Какой мощности должен быть усилитель?» а сейчас постараемся ответить на второй: «А какой же мощности при этом должна быть АС?» Частично ответ на этот вопрос был дан в прошлом материале, поскольку, как говорилось выше, рассматривать одно без другого невозможно, но ряд деталей остались не затронутыми и, как мы обещали, в этот раз проанализируем их более подробно.

ВИДЫ МОЩНОСТИ

Многие производители автомобильных АС пользуются нестандартными методами измерения мощности, которые, кстати, не всегда привлекательнее общепринятых для бытовой аппаратуры – просто им так удобней. Однако большинство употребляет стандартизованные параметры, среди которых нас, как правило, интересуют три: номинальная (RMS), максимальная и пиковая мощности. Главный из этих параметров – номинальная мощность, и именно ее мы в дальнейшем будем подразумевать, говоря просто «мощность». Численное соотношение таково: максимальная обычно выше в 2 раза, чем номинальная мощность, а пиковая – в 3-4 раза. Правило это нельзя назвать строгим: имеются отдельные модели, у которых максимальная мощность лишь чуть выше номинальной.

Как бы то ни было, поскольку номинальная мощность самая маленькая из вышеприведенных, то ряд производителей идет на небольшую хитрость: на упаковке и первой странице инструкции крупно приведены неоправданно большие цифры мощности без указания ее типа, а истину можно установить, только найдя в документе технические параметры, или посмотрев на тыльную сторону динамика, или поискав какую-нибудь малозаметную надпись на упаковке. Не попадитесь на эту уловку.

Итак, номинальная мощность – это именно та, в пределах которой можно продолжительное время слушать музыку на данных АС, не опасаясь нелинейных искажений и тем более – выхода динамика из строя.

ЧТО ВАЖНЕЕ – МОЩНОСТЬ ИЛИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ?

В прошлой статье мы отмечали, что увеличение мощности в два раза поднимает уровень звукового давления на 3 дБ. То есть динамик небольшой мощности, но с высокой чувствительностью способен развить такое же звуковое давление (ту же громкость звучания), что и более мощная, но менее чувствительная головка. Поэтому если придется выбирать между двумя равноценными по качеству звучания АС, одна из которых более чувствительная, но менее мощная, чем вторая, то выбор лучше остановить на первой. Зачем переплачивать за мощность усилителя, если даже с маломощным вы получите ту же громкость?

Между прочим, в силу определенных обстоятельств (например, особенностей транзисторных усилителей) по-настоящему высокочувствительные АС для автомобильной сферы практически не выпускаются. Но в пределах каждого класса можно обнаружить существенные расхождения в чувствительности, причем это служит источником всевозможных спекуляция: наши тесты чрезвычайно редко подтверждают соответствие между заявленными значениями и реальными, так что советуем обращать внимание на наши «спецпризы», а не на приведенные цифры.

Иногда встречаются динамики с малой чувствительностью, но действительно высокой номинальной мощности, которые на малой мощности играют не только тихо, но и с худшим качеством, но если хорошо «выкрутить ручку», то звучание становится оптимальным. Такой вариант можно рекомендовать тем, кто большую часть времени слушает только громкую музыку и готов приобрести усилитель с мощность не менее сотни ватт на канал.

Заметно повышает громкость звучания и снижение сопротивления АС до 3, и то и до 2 Ом – в последнее время таких моделей появляется все больше. Единственное обстоятельство. Которое надо учитывать, - усилитель должен хорошо справляться с такой нагрузкой. Подключать 2-3-омные АС напрямую к встроенному усилителю автомагнитолы или CD-ресивера мы категорически не советуем, - даже если это и сработает, то будет жесточайшим испытанием для головного устройства и, скорее всего, оно в конце концов выйдет из строя.

СООТНОШЕНИЕ МОЩНОСТИ ДИНАМИКА И МОЩНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ

В принципе, нет ничего страшного, если RMS усилителя меньше, чем у динамиков, но в этом случае обращаться с регулятором чувствительности надо еще аккуратнее. Парадокс в том, что менее мощный усилитель, начав перегружаться, с большей вероятностью спалит ваши АС, чем усилитель помощнее! Все дело в явлении, называемом «клиппингом» - т.е. работой в режиме ограничения, когда усилитель выдает сильно искаженный сигнал с большим содержанием высших гармоник. Именно по этой причине наиболее часто в АС сгорают ВЧ-динамики. Кстати, в головных устройствах регуляторов чувствительности нет в принципе, поэтому надо один раз просто на слух определить начало появления искажений при повышении громкости, и в дальнейшем никогда не выкручивать ручку регулятора дальше этого уровня.

МОЩНОСТЬ И ДИАПАЗОН ЧАСТОТ ДИНАМИКА

Еще одна причина выхода из строя динамиков, особенно воспроизводящих НЧ/СЧ-диапазоны, - игнорирование реально воспроизводимого ими диапазона частот. Многие производители для привлечения покупателей указывают расширенный диапазон частот своих динамиков. Например, для коаксиального динамика типоразмера 10 см и мощностью 30 Вт указывают диапазон частот 50 – 20000 Гц. Смущает не верхнее значение, а нижнее. Если вы подадите сигнал частотой 50 Гц с заявленной мощностью на этот динамик, то не только не услышите 50 Гц, но и можете запросто разрушить динамик. Зачастую подобное и происходит, когда, увлекаясь различными схемами подъема баса, забывают о том, что динамик просто не способен воспроизвести нижний регистр. В итоге – порванный диффузор НЧ/СЧ-динамика. Чтобы такого не случалось, диапазон частот, воспроизводимых динамиком, следует ограничивать с помощью ФВЧ хотя бы второго порядка. Устанавливаемая частота среза фильтра зависит от типоразмера динамика. Так, практика показывает, что для 10-см головок она должна быть около 100 Гц, для 13-см – 80 Гц, а для 16-см – 60 Гц. Все, что ниже, должен воспроизводить сабвуфер. Более того, ограничив нижний диапазон частот сигналов, воспроизводимых НЧ/СЧ-динамиками, вы сразу ощутите лучшую отдачу в остальном диапазоне, их более живую и громкую работу. Динамики, способные хорошо работать без ограничения фильтром полосы частот снизу, существуют, но они в меньшинстве.

Общее же правило таково: чем уже частотный диапазон, посылаемый на АС или отдельную головку, тем большую мощность она сможет выдержать. Например, для многих отдельных ВЧ-динамиков приводят сразу несколько значений мощности, в зависимости от частоты среза ФВЧ: если динамик работает, начиная с 2000 Гц, - это одна мощность, если с 5000 – значение мощности гораздо выше. То же самое относится к СЧ-динамикам, НЧ/СЧ-головкам и сабвуферам – с той лишь разницей, что у них можно варьировать сразу две границы диапазона воспроизводимых частот: верхнюю и нижнюю.

Типовые соотношения между мощностью ВЧ-, СЧ-, НЧ/СЧ- и сабвуферных головок таке же, как для усилителей, они рассмотрены в прошлом номере.

САБВУФЕРЫ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Отдельно следует рассмотреть особый класс динамиков – сабвуферы. Данный тип громкоговорителей не так давно вошел в состав автомобильных аудиосистем, но ввиду того, что позволяет воспроизводить более глубокий бас, стал очень популярным у автолюбителей. Однако автомобильный сабвуфер сильно отличается от домашнего. Так, если для домашней техники мощность сабвуфера 300 Вт считается «выше крыши», то для автомобильного – это средний, обычный параметр. Зачем такие мощности? Вспомним, что сабвуфер в автомобиле должен «перекричать» дорожный шум, дома же такой необходимости нет. Кроме того, конструкция автомобильных НЧ-динамиков имеет свои особенности. Для получения глубокого баса в небольших объемах производители идут на ряд жертв, главная из которых – снижение чувствительности. Чтобы получить достаточную громкость при невысокой чувствительности, приходится подводить высокую звуковую мощность. Создать мощный автомобильный усилитель – задача тоже не из простых, поэтому в последнее время стала популярна конструкция сабвуфера с двумя отдельными обмотками звуковой катушки, а некоторые производители идут еще дальше, устанавливая аж 4 обмотки звуковой катушки. Подобное решение дает большую гибкость при подборе оптимального сопротивления под конкретный усилитель – говоря проще, позволяет «выжать» из него максимум ватт. Требуемое сопротивление получают за счет соответствующего соединения обмоток (последовательного, параллельного, параллельно-последовательного). Правда, мощность, сопротивление и количество обмоток на музыкальность сабвуфера не влияет. Даже маломощный, но правильно построенный сабвуфер по качеству звучания способен превзойти своего монстрообразного SPL-коллегу. Хотя для создания требуемого звукового давления вам потребуется как минимум два маломощных сабвуфера. В зависимости от поставленной задачи или жанровой ориентации АС, номинальную мощность сабвуфера выбирают в 2-4 раза выше мощности широкополосных динамиков. Чем больше его мощность, тем лучше, ведь сделать так, чтобы он играл тише, можно всегда, а громче – нет. Но при этом необходимо учитывать реальные возможности бортовой сети вашего автомобиля (и кошелька, конечно).

Кроме того, большое значение имеет тип акустического оформления сабвуфера. В частности, особо приветствуется дополнительный запас по мощности для наихудшего с точки зрения отдачи варианта – бесконечный акустический экран;динамик при этом играет в большой объем, например, в багажник. У моделей в закрытом корпусе чувствительность повыше, но также невысокая, а самые лучшие по отдаче – модели с фазоинвертором, особенно в корпусе полосового типа.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ЧИСЛА ГОЛОВОК

Нередко встречаются инсталляции со сдвоенными или строенными НЧ/СЧ-головками, а вариантов с двумя сабвуферами и вовсе великое множество. Что это дает и зачем это нужно? Сдваивая головки, вы повышаете уровень звукового давления не менее чем на 3 дБ, это равносильно удвоению мощности, при условии, что удваивается и подводимая к ним от усилителя электрическая мощность. Если на две головки от усилителя поступает та же мощность, что и на одну, то и уровень звукового давления изменится мало. В данном случае по мощности мы ничего не выигрываем, зато увеличенная площадь излучения от диффузоров даст более глубокий бас. Впрочем, этот эффект зависит от расстояния, на которое разнесены головки, и проявится на частотах, для которых это расстояние соизмеримо с длиной волны или превышает его. Интересующихся подробностями отсылаем к книге «Радиовещание и электроакустика» под редакцией Ю.А. Ковалгина, вышедшей в издательстве «Радио и связь» в 1999 году. Там, на стр.224, обсуждается проблема коэффициента полезного действия АС, в состав которых входит несколько однотипных головок. Такие АС в акустике принято называть колонками. Их используют для увеличения направленности и повышения КПД акустических систем.

Именно по причине улучшения басовой отдачи сдвоенные головки применяются только для НЧ/СЧ- или сабвуферных головок. Есть еще варианты сдвоенных высокочастотников, но они редки и имеют другие задачи, например, уменьшение направленности АС на высоких частотах. Во многих случаях использование двух НЧ-головок позволяет решить сложные задачи – в частности, две 12-дюймовые головки проще разместить, чем одну 15-дюймовую. Однако нелишне учесть, что стоимость двух головок будет явно выше, чем одной той же серии, но большего типоразмера.

ВИДЫ МОЩНОСТИ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Номинальная – среднеквадратичное значение электрической мощности, ограниченной заданным уровнем нелинейных искажений.

Максимальная синусоидальная – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений.

Максимальная шумовая – электрическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель длительное время выдерживает без тепловых и механических повреждений.

Пиковая – максимальная кратковременная мощность, которую выдерживают без повреждений динамики при подаче на них специального шумового сигнала в течение короткого промежутка времени (обычно 1 с). Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 мин.

Максимальная долговременная – электрическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую громкоговоритель выдерживает без необратимых механических повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом в 2 мин.

Материал предоставлен журналом Car&Music , №12/2003. Рубрика "Полезные советы", текст: Эдуард Сеген

Теория гармоник

Амплитудное сжатие

Что делать?

Перегрузка (клипирование) усилителей мощности — обычное явление. В данной статье рассматривается перегрузка, вызванная повышенным уровнем входного сигнала, в результате которой происходит ограничение выходного сигнала.

Проанализировав «феномен» такого рода перегрузки, который якобы является причиной повреждения АС, мы постараемся доказать, что истинный виновник этого — амплитудное сжатие (компрессия) сигнала.

ЗАЧЕМ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯМ НУЖНА ЗАЩИТА?

Все головки громкоговорителей имеют предельную рабочую мощность. Превышение этой мощности приводит к повреждению громкоговорителей (ГГ). Эти повреждения можно разделить на несколько видов. Рассмотрим подробнее два из них.

Первый вид — чрезмерное смещение диффузора ГГ. Диффузор ГГ — это излучающая поверхность, перемещающаяся в результате подаваемого электрического сигнала. Эта поверхность может иметь коническую, купольную или плоскую форму. Колебания диффузора возбуждают колебания воздушной среды и излучают звук. Согласно законам физики для более громкого звучания или воспроизведения более низких частот диффузор должен совершать колебания с большей амплитудой смещения, приближаясь при этом к своим механическим границам. Если его заставить сместиться еще дальше, то это приведет к чрезмерному отклонению. Чаще всего это происходит с низкочастотными ГГ, хотя это может произойти и со среднечастотными, и даже с высокочастотными ГГ (если недостаточно ограничить низкие частоты). Таким образом, чрезмерное смещение диффузора чаще всего и приводит к механическому повреждению головки.

Второй враг ГГ — это тепловая энергия, возникающая в результате тепловых потерь в звуковых катушках. Ни одно устройство не имеет 100% КПД. Что касается ГГ, то 1 Вт входной мощности не преобразовывается в 1 Вт акустической. Практически у большинства ГГ КПД менее 10%. Потери, обусловленные низким КПД, трансформируются в нагрев звуковых катушек, вызывая их механическую деформацию и потерю формы. Перегрев каркаса звуковых катушек вызывает ослабление его структуры, и даже полное разрушение. Кроме того, перегрев может вызвать вспенивание клея и его попадание в воздушный зазор, в результате чего звуковая катушка уже не сможет свободно перемещаться. В конце концов, обмотка звуковой катушки может просто перегореть как плавкая перемычка в предохранителе. Совершенно очевидно, что этого допустить нельзя.

Для пользователей и разработчиков всегда серьезной проблемой было определение допустимой мощности многополосных АС. Пользователи, меняющие поврежденные высокочастотные динамики, чаще всего

убеждены в том, — что в случившемся их вины нет. Казалось бы — выходная мощность усилителя 50 Вт, а мощность АС 200 Вт, и, тем не менее, высокочастотный динамик через какое-то время выходит из строя. Данная проблема вынудила инженеров разбираться в том, почему же так происходит. Было выдвинуто много теорий. Одни из них были научно подтверждены, другие так и остались в виде теории.

Рассмотрим несколько взглядов на ситуацию.

ТЕОРИЯ ГАРМОНИК

Исследования распределения энергии по спектру сигнала показали, что независимо от типа музыки уровень высокочастотной энергии в звуковом сигнале гораздо ниже уровня низкочастотной энергии. Этот факт еще больше усложняет выяснение того, почему же повреждаются высокочастотные динамики. Казалось бы, что если амплитуда высоких частот ниже, то повреждаться должны в первую очередь низкочастотные, а не высокочастотные динамики.

Изготовители АС при разработке своих изделий также пользуются этой информацией. Представление об энергетическом спектре музыки позволяет им существенно улучшить звучание высокочастотных динамиков путем использования более легких подвижных систем, а также применения в звуковых катушках более тонкого провода. В АС мощность высокочастотных динамиков обычно не превышает 1/10 общей мощности самой АС.

Но т.к. в низкочастотном (НЧ) диапазоне музыкальной энергии больше, чем в высокочастотном (ВЧ), — значит, вследствие своей маломощности, высокочастотная энергия не может послужить причиной повреждения высокочастотных динамиков. Следовательно, источник высоких частот, достаточно мощных для повреждения высокочастотных динамиков, находится где-то в другом месте. Так, где же все-таки он находится?

Было высказано предположение, что при наличии в звуковом сигнале НЧ составляющих, достаточных для перегрузки усилителя, вполне вероятно, что в результате ограничения выходного сигнала появляются достаточно мощные высокочастотные искажения, способные повредить высокочастотный динамик.

Таблица 1. Гармонические амплитуды 100 Гц меандра, 0 дБ = 100 Вт

Гармоника	Амплитуда	Уровень в дВ	Уровень в Вт	Частота
1	1	0	100	100 Гц
2	0	-Т	0	200 Гц
3	1/3	-9.54	11.12	300 Гц
4	0	-Т	0	400 Гц
5	1/5	-13.98	4	500 Гц
6	0	-Т	0	600 Гц
7	1/7	-16.9	2.04	700 Гц
8	0	-Т	0	800 Гц
9	1/9	-19.1	1.23	900 Гц
10	0	-Т	0	1000 Гц
11	1/11	-20.8	0.83	1100 Гц
12	0	-Т	0	1200 Гц
13	1/13	-22.3	0.589	1300 Гц

Эта теория получила достаточно широкое распространение в начале 70-х годов и постепенно стала восприниматься как «догма». Однако, в результате исследований надежности и защищенности усилителей мощности в типичных условиях, а также практики эксплуатации усилителей и АС типичными пользователями, выяснилось, что перегрузка является обычным явлением и она не так заметна на слух, как об этом думает большинство людей. Срабатывание же индикаторов перегрузки усилителей обычно запаздывает и не всегда достаточно точно указывает на реальную перегрузку. К тому же, многие производители усилителей специально замедляют их срабатывание исходя из своих собственных представлений о том, сколько искажений должно возникнуть, чтобы засветился индикатор.

Более совершенные и лучше звучащие усилители, в т.ч. усилители с soft clipping (схемой “мягкого” ограничения) также повреждают высокочастотные динамики. Однако более мощные усилители повреждают высокочастотные динамики меньше. Эти факты еще больше укрепили теорию, исходя из которой, источником повреждения высокочастотных динамиков все же является перегрузка усилителя (клипирование). Казалось бы, вывод один — клипирование это и есть основная причина повреждение высокочастотных динамиков.

Но давайте продолжим исследование этого феномена.

AМПЛИТУДНОЕ СЖАТИЕ

При амплитудном ограничении синусоидального сигнала, усилитель вносит в исходный сигнал большие искажения, а форма полученного сигнала напоминает форму прямоугольника. При этом идеальный прямоугольник (меандр) имеет самый высокий уровень высших гармоник. (см. рис 1). Менее ограниченный синусоидальный сигнал имеет гармоники тех же частот, но с более низким уровнем.

Взгляните на представленный в Табл.1 спектральный состав прямоугольного сигнала частотой 100 Гц и мощностью 100 Вт.

Как Вы видите — мощность, попадающая на высокочастотный динамик после прохождения этого сигнала через идеальный кроссовер с частотой среза 1 кГц, составляет менее 2 Вт (0.83 + 0.589 = 1.419 Вт). Это немного. И не забывайте о том, что в данном случае имитируется жесткая, идеальная перегрузка 100ваттного усилителя, способная превратить синус в меандр. Дальнейшее увеличение перегрузки уже не увеличит гармоник.

Рис. 1. Гармонические составляющие 100 Гц меандра относительно 100 Гц синусоидального сигнала

Результаты данного анализа свидетельствуют о том, что даже если в 100Вт АС применяется слабенький высокочастотный динамик мощностью 5-10 Вт, то его повреждение гармониками невозможно, даже если сигнал примет форму меандра. Однако динамики все- таки повреждаются.

Значит нужно обнаружить еще что-то, что могло бы послужить причиной таких отказов. Так в чем же дело?

Причина — в амплитудном сжатии сигнала.

По сравнению со старыми моделями усилителей, современные высококачественные усилители имеют больший динамический диапазон и лучше звучат при перегрузках. Поэтому у пользователей больше соблазна перегружать усилители и вводить их в ограничение на низкочастотных динамических пиках, т.к. при этом не возникают большие слышимые искажения. Это приводит к сжатию динамических характеристик музыки. Громкость высоких частот увеличивается, а низких — нет. На слух это воспринимается как улучшение яркости звука. Некоторые могут интерпретировать это как увеличение громкости, не сопровождающееся изменением звукового баланса.

Например — будем увеличивать уровень сигнала на входе 100-ваттного усилителя. Низкочастотные составляющие будут ограничены на уровне 100 Вт в результате перегрузки. При дальнейшем увеличении входного уровня высокочастотные составляющие будут расти до тех пор, пока они также не достигнут точки ограничения в 100 Вт.

Посмотрите на рис. 2, 3 и 4. Графики проградуированы в вольтах. На 8-омной нагрузке 100 Вт соответствует напряжению 40 В. До ограничения НЧ составляющие имеют мощность 100 Вт (40 В), а ВЧ — только 5-10 Вт (9-13 В).

Предположим, что музыкальный сигнал с НЧ и ВЧ составляющими подается на 100-ваттный усилитель (8 Ом). Используем смесь низкоуровневого ВЧ синусоидального сигнала с высокоуровневым НЧ сигналом (см. рис 2). Уровень ВЧ составляющих, подаваемых на высокочастотный динамик, по меньшей мере, на 10 дБ ниже уровня НЧ составляющих. Теперь увеличим громкость до ограничения сигнала (+3 дБ перегрузка, см. рис. 3).

Рис. 2. Низкоуровневый, высокочастотный синусоидальный сигнал, смешанный с всплеском высокоуровневого, низкочастотного синусоидального сигнала

Рис. 3. Выходной сигнал 100-ваттного усилителя с перегрузкой 3 дБ

Рис. 4. Выходной сигнал 100-ваттного усилителя с перегрузкой 10 дБ

Обратите внимание на то, что, судя по форме сигнала, ограничены были только НЧ составляющие, а уровень ВЧ составляющих просто вырос. Конечно же, клипирование генерирует гармоники, но их уровень существенно меньше, чем у рассмотренного нами ранее меандра. Амплитуда ВЧ составляющих выросла на 3 дБ по отношению НЧ (это эквивалентно амплитудному сжатию сигнала на 3 дБ).

При перегрузке усилителя на 10 дБ, амплитуда ВЧ составляющих возрастет на 10 дБ. Таким образом, каждое увеличение громкости на 1 дБ вызывает рост амплитуды ВЧ составляющих на 1 дБ. Рост будет продолжаться до тех пор, пока мощность ВЧ составляющих не достигнет 100Вт. Между тем, пиковый уровень НЧ составляющих не может превысить отметку 100 Вт (см. рис. 4). Этот график соответствует почти 100 % сжатию, т.к. нет почти никакой разницы между ВЧ и НЧ составляющими.

Теперь легко заметить насколько мощность ВЧ сигнала превышает мощность 5-10-ваттного высокочастотного динамика. Действительно, перегрузка генерирует дополнительные гармоники, но они никогда не достигнут уровня усиленных исходных высокочастотных сигналов.

Вы, наверное, думаете, что искажение сигнала будет невыносимым. Не обманывайте себя. Вы будете поражены, узнав о том — насколько высок предел перегрузки, выше которого уже будет невозможно хоть что-то слушать. Просто отключите на усилителе индикатор перегрузки, и посмотрите — до какого уровня Вы повернете регулятор громкости усилителя. Если Вы измерите осциллографом уровень выходного сигнала усилителя — то уровень перегрузки удивит Вас. Уровень перегрузки 10 дБ по НЧ составляющим — это обычное явление.

ЧТО ДЕЛАТЬ?

Если мы сможем защитить усилители от перегрузки (клипирования), мы сможем рациональнее использовать АС. Для предотвращения перегрузки и результирующего амплитудного сжатия в любом современном усилителе должны применятся т.н. сlip-лимитеры. Они предотвращают вышеупомянутое амплитудное сжатие, т.к. при достижении порогового значения на любой частоте, уровень всех частот понижается на одну и ту же величину.

Во внешних лимитерах порог срабатывания (threshold) задается пользователем. Точно настроить

этот порог на уровень ограничения усилителей достаточно сложно. К тому же уровень ограничения усилителей не есть постоянная величина. Он изменяется в зависимости от напряжения питающей сети, сопротивления АС и даже от характера сигнала. Порог срабатывания лимитера должен непрерывно отслеживать эти факторы. Самым правильным решением было бы привязать порог к сигналу перегрузки усилителя.

Вполне логично встроить лимитер внутрь усилителя. В современных усилителях несложно определить момент возникновения перегрузки с большой точностью. Именно на него и реагируют встраиваемые в усилители т.н. сlip- лимитеры. Как только выходной сигнал усилителя достигает уровня перегрузки — цепь управления включает регулирующий элемент лимитера.

Второй параметр, после порога срабатывания, присущий любому лимитеру — времена срабатывания и отпускания. Более важным является время восстановления после перегрузки (release time).

Возможны два варианта эксплуатации усилителей:

работа в составе многополосного усилительного комплекса,
работа на широкополосную АС.

В первом случае на усилитель могут подаваться либо только НЧ полоса, либо СЧ и ВЧ полосы. При установке большого времени отпускания и работе усилителя в СЧ-ВЧ полосах “хвосты” восстановления лимитера могут быть заметны на слух. И, наоборот — при малом времени отпускания и работе в НЧ полосе могут возникать искажения формы сигнала.

При работе усилителя на широкополосную АС приходится искать какое-то компромиссное значение времени восстановления.

В связи с этим производители усилителей идут двумя путями — либо выбирается компромиссное время отпускания, либо вводится переключатель времени восстановления (SLOW-FAST).

ВЫВОДЫ: