Расчет мощности звука

8 (343) 361-01-75
Понедельник - Пятница 10-19

Расчет мощности звука

Расчет мощности звука

04.04.2013

Одной из самых противоречивых характеристик акустической системы (АС) и усилителя мощности является их мощность. У разных АС можно встретить разные виды мощности. Например, в старых ГОСТах указывается паспортная или номинальная мощность, в новых ГОСТах, которые схожи со стандартами IEC, указываются мощности: музыкальная, кратковременная, долговременная, максимальная синусоидальная, шумовая, характеристическая. В таком количестве указанных мощностей легко запутается даже высококлассный профессионал, а не только простой любителей качественного звука.

 

Вообще, такое количество видов мощностей объясняется трудностью ее нормирования, если дело касается качества звука. Поскольку вот уже много лет создатели высокоэффективных акустических систем, как «накормить волков» и «сохранить овец», т. е. предоставить максимальную мощность усиления при сохранении качеств акустических систем.


«Программная», «музыкальная», «мгновенная» и «программная» мощности связывают временные показатели реального акустического сигнала и необходимую для их воспроизведения электрическую мощность. В отличие от 150-ваттной лампочки, которая создает на электрическую сеть постоянную временную нагрузку, 150-ваттный усилитель лишь изредка создает нагрузку на акустическую систему в свои 150 Вт. На рис. 1 наглядно проиллюстрировано зависимость временной природы музыки и мощности, которая потребуется для ее воспроизведения.

Из рисунка видно, что максимальная мощность усиления – это только лишь кратковременные пики в работе акустической системы и ее усилителя, которые не могут дать адекватного представления относительно средней мощности работы усилителя. Средняя мощность складывается из всех показателей мощности усилителя на определенном интервале времени. При этом следует учитывать, что соотношение пиковой и средней мощности (это соотношение еще называют пик-фактором, измеряется в дБ) могут изменяться в зависимости от воспроизводимого музыкального сигнала. Пик-фактор сигнала, показанного на рис.1, равен 25 дБ. Это типичный показатель для классической музыки. Для рока этот показатель равен 8-10 дБ, для диско – 10-12 дБ.


Мгновенная мощность демонстрирует значение, которое может потребоваться для воспроизведения звукового сигнала предельно малой протяженности.

Программная мощность и музыкальная мощность не имеют четко определения, обычно их рассматривают как еще одну разновидность средней мощности.

 

I. Нормирование мощности усилителей

Основной метод нормирования мощности

 

В ламповых усилителях нормирование осуществлялось на номинальной нагрузке по средней мощности при синусоидальном сигнале и допустимом уровне искажений. При наличии отводов от вторичной обмотки выходного трансформатора согласовать номинальную мощность с любым импедансом акустической системы можно было достаточно легко.

Конечно, импеданс акустических систем часто не был равен указанному в паспортных данных, но это не принималось во внимание, поскольку ламповые усилители были достаточно устойчивы к любым колебаниям нагрузочного импеданса.


Максимальная амплитуда напряжения при минимальном импедансе


Транзисторные усилители актуализировали проблему нормирования мощности, поскольку в них отсутствовали выходные трансформаторы, что осложняло процедуру их оптимального согласования с АС. У транзисторных усилителей максимум амплитуды выходного напряжения ограничен уровнем напряжения его источника питания, из-за этого для них характерны заметные на слух искажения. К тому же, даже мгновенное превышение допустимого уровня выходного тока выводило из строя оконечные каскады усилителя. Работа усилителя на акустическую систему (рис. 3) получить может максимальное напряжение раньше, даже чем при работе с активным эквивалентом, поскольку импеданс акустической системы в зависимости от частоты тока изменяется в значительных пределах.

В реальной же ситуации работа акустической системы оказывается еще более сложной. При некоторых переходных условиях, правда, достаточно специфических, акустическая система начинает вести себя в роли динамической нагрузки. Т. е. появляется дополнительная реактивность, которая проявляет себя обычно в НЧ акустических системах в движении воздуха в системе при большом уровне мощности. В таком случае динамический импеданс достигает половины показателя минимального при работе с постоянным сигналом. Иначе говоря, у 8-омной акустической системы с показателем минимального импеданса в 6,2 Ом показатель мгновенной динамической нагрузки может достигнуть 3,1 Ом.

 

Искажения усилителей

Достаточно часто невозможно точно сказать, что усилитель будет работать лишь на заявленных уровнях при малых уровнях искажений. Поэтому нам важно знать, как будет работать усилитель в момент кратковременных перегрузок, и как это повлияет на качество сигнала. Как повлияют ли кратковременные перегрузки на качество слышимого звукового сигнала, будет зависеть от пик-фактора.

систему звукоусиления (акустическая система + усилитель), в которой последний никогда не создаст заметных искажений рассчитать легко, однако мощность и стоимость подобной системы окажется весьма существенной. Допустим, для разрабатываемой системы усилитель способен обеспечить необходимый уровень при 50 Вт. Задаем пик-фактор 10 дБ, в результате получаем показатель необходимой пиковой мощности системы в 500 Вт. 
При показателях пик-фактора в 12 Дб, требуется мощность системы в 800 Вт.

То есть в этом вопросе необходим определенный компромисс, и этот компромисс достижим следующими путями:

1. Компрессирование, т. е. сжатие динамического диапазона. Это позволит уменьшить на 3-5 дБ показатель пик-фактора без заметного искажения звука.

2. Усиление в несколько полос снижает для каждой полосы усиления показатель пик-фактора как это продемонстрировано на рис. 4.

3. Использование усилителей, которые препятствуют «жесткому» ограничению сигнала.

II. Нормирование мощности громкоговорителей

Громкоговоритель может быть выведен из строя по двум причинам. Во-первых, громкоговоритель может быть поврежденным из-за перегрева. Во-вторых, ему могут нанести необратимые повреждения из-за опасно большого хода его подвижной системы. В принципе, эти причины независимы друг от друга, но при определенных обстоятельствах они могут взаимодополнять друг друга.


Термические пределы

Термодинамическое равновесие – состояние акустической системы, при котором количество выделяемого и отводимого тепла равно друг другу.

 

Главным источником нагрева в акустической системе является звуковая катушка. В нормальных условиях работы современные катушки выдерживают нагрев до 200°С. При нагреве катушка испытывает эффект термической компрессии мощности (он измеряется в дБ), при котором при нагреве увеличивается сопротивление катушки, а значит, количество тока, проходящего через нее уменьшается, и ее мощность, соответственно, падать.

Поскольку температура звуковой катушки возрастает постепенно, то и значения пиковой мощности могут значительно превышать нормы продолжительной мощности. Многие акустические системы выдерживают 10-децибельные импульсы мощности (в 10 раз) при 10-кратной скважности импульсов при условии их кратковременности (рис. 5).

Для каждой модели громкоговорителя ее термические пределы мощности определяются статистическими методами. Т. е. мощность наращивается пошагово через равные промежутки времени, которые достаточны для установления термодинамического равновесия. Тест-сигналом при таких испытаниях используется розовый шум в диапазоне частот, который исключил бы возможность механического повреждения громкоговорителя. Мощность контролируется среднеквадратичными индикаторами напряжения и тока, а тестовые испытания проводятся до тех пор, пока громкоговоритель не выйдет из строя. Очевидно, что громкоговорители одной серии не будут выходить из строя при одинаковой мощности, но при достаточно большом числе испытуемых образцов статистически определяется мощность гарантированного отказа громкоговорителя.


Консервативно настроенный производитель при статистическом показателе гарантированного выхода из строя в 200 Вт укажет пиковую мощность в 175 Вт, дабы поддержать свою репутацию, даже если он и потеряет некоторые очки по соотношению мощности и цены.


Факторы, определяющие термические пределы

К факторам, что определяют термические пределы громкоговорителя, относят качество материалов и эффективность теплоотвода. Т. е. материалы должны выдерживать высокую температуру, но при этом громкоговоритель должен максимально эффективно отводить тепло из внутреннего пространства громкоговорителя.

На сегодняшний день главным фактором, который способствует эффективному выводу тепла, - это увеличение диаметра катушки. Т. е. увеличивается поверхность, с которого выводится тепло, а значит, за единицу времени с катушки будет выводиться большее количество тепла.

 

Некоторые производители запатентовали НЧ-громкоговорители, обеспечивающие самовентиляцию катушки во время рабочего движения подвижной системы.


Когда применяются термические нормы

Эксплуатировать акустическую систему по их термическим нормам следует, когда вы уверены, что подвижная система работает в ее линейных пределах.

Это означает, в частности, для НЧ-громкоговорителей, что надлежащее акустическое оформление гарантирует паспортную акустическую нагрузку, и частоты, расположенные ниже резонансной частоты корпуса или ниже частоты среза рупора акустической системы, будут подавлены.

 

Для ВЧ и СЧ-громкоговорителей рабочий диапазон частот по своей сути гарантирует малый ход подвижной системы, а значит, достаточную линейность мощности.

Для предотвращения ненормировано большого движения подвижной системы при НЧ-сигнале устанавливаемые разделительные фильтры для ВЧ и СЧ громкоговорителей имеют высокую крутизну спада. Для качественных акустических систем этот показатель устанавливается, как минимум, на 12 дБ/окт. Порой параллельно на ВЧ и СЧ-громкоговорители устанавливаются еще и резисторы, чье сопротивление примерно в 3 раза выше номинального импеданса громкоговорителя. Это является дополнительной защитой громкоговорителя на частотах ниже его рабочего диапазона, поскольку резистор шунтирует реактивные компоненты сопротивления.

 

Нормы мощности, обусловленные максимально допустимым ходом подвижной системы

Частота сигнала обратно пропорциональна амплитуде хода подвижной системы громкоговорителя при синусоидальном сигнале постоянного напряжения. В случае снижения частоты сигнала к точке основного резонанса подвижной системы ее амплитуда хода достигает своего предела, после чего при дальнейшем снижении частоты она остается постоянной, а вот нелинейность хода будет увеличиваться.

Назад к списку новостей


Яндекс.Метрика