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).

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

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.

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

Подробная расшифровка некоторых характеристик акустики

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука, издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы — это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом — благодаря высокому уровню искажений, на втором — благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS ( Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе — активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая.

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

Полное электрическое сопротивление, импеданс

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.

Источник

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