Ватт — это ватт или нет? Подробное объяснение для любителей автозвука

Когда люди думают о покупке автомобильного аудиоусилителя, они чаще всего обращают внимание на то, какую мощность он может производить. Мощность измеряется в ваттах – универсальной единице измерения мощности. В этой статье мы объясним, что такое ватт и как его измерять — как правильно, так и неправильно.

Время словаря!

Давайте сначала разберемся с формальным определением ватта. Ватт — это единица измерения мощности в системе СИ (Systéme International). Питание не должно быть электрическим. Фактически, единица измерения ватт была названа в честь Джеймса Ватта и была создана для количественной оценки работы, которую может выполнять паровой двигатель. В этом кинетическом приложении ватт представлял собой работу, совершаемую, когда скорость объекта постоянно двигалась со скоростью 1 метр в секунду с противодействующей ему силой в 1 ньютон. Применительно к электродвигателю 1 лошадиная сила равна 746 Вт.

Как бы ни было весело говорить о лошадиных силах, мы являемся энтузиастами автомобильного звука, поэтому давайте вернемся к объяснению электрической мощности.

В электрических терминах ватт — это передача 1 джоуля энергии в течение 1 секунды. Следующий логичный вопрос:что такое джоуль? Джоуль — еще одна единица измерения СИ, определяющая объем работы, необходимой для перемещения заряда в 1 кулон через электрический потенциал в 1 вольт. Да, теперь вопрос переходит к кулону — что это такое? Кулон — это единица электрического заряда, равная -6,242 x 10^18 электронов.

Потеряли еще? Не волнуйтесь; мы просто успокаиваем любителей математики и измерений среди нас. Давайте разберем это по важному.

Когда мы хотим использовать электричество для выполнения работы, мы должны пропускать электроны через устройство, такое как нить накала, мотор или звуковая катушка. В результате, в случае с динамиком, магнитное поле, создаваемое потоком электронов, заставит звуковую катушку притягиваться или отталкиваться от неподвижного магнита в нашем динамике. Когда мы пропускаем больше электронов, выполняется больше работы, и динамик перемещается дальше к магниту или от него.

Мощная математика

Здесь мы начинаем говорить об уравнениях мощности. Существует три распространенных метода расчета мощности в цепи, но нам необходимо знать значения других переменных, таких как напряжение, сопротивление или сила тока. Любые две из этих переменных могут использоваться для расчета мощности, производимой в цепи. Вот уравнения:
Если у нас есть цепь с сопротивлением 4 Ом и мы прикладываем к ней напряжение с потенциалом 10 вольт, тогда у нас есть 25 ватт мощности. Увеличение этого напряжения до 20 вольт означает, что доступная мощность теперь составляет 100 Вт. Мы можем подставлять и переставлять переменные в приведенных выше уравнениях, чтобы вычислить любую другую переменную — это простая алгебра.

Измерение мощности

Когда техник имеет усилитель на испытательном стенде и хочет измерить мощность, техник обычно подключает усилитель к блоку мощных нагрузочных резисторов, а затем измеряет выход усилителя, когда уровень искажения сигнала достигает 1%. . Произведенное измерение – это напряжение. Чаще всего мы предполагаем, что нагрузка не является переменной. Допустим, мы измеряем среднеквадратичное значение 44 вольта от усилителя, и у нас есть усилитель, подключенный к нагрузке 2 Ом. Это работает до 968 Вт. Это очень просто и очень воспроизводимо, но в реальном мире это не работает. Давайте посмотрим, почему.

Сопротивление и реактивное сопротивление

Это станет немного техническим. Аудиосигналы представляют собой сигналы переменного тока (AC). Сигналы переменного тока необходимы для того, чтобы диффузор динамика двигался вперед и назад из исходного положения, но они значительно усложняют измерение мощности. То, как проводники и нагрузки реагируют на сигналы переменного тока, отличается от сигналов постоянного тока (DC).

Поскольку сигналы переменного тока меняют направление, полярность создаваемых ими магнитных полей также меняет направление. Попытка изменить полярность магнитных полей наносит ущерб поведению электрического тока. Как только ток начинает течь и создает магнитное поле, он не любит останавливаться. Представьте себе постоянное напряжение — все электроны все время движутся в одном направлении. Они довольны и претензий нет. Однако когда дело доходит до сигналов переменного тока, этот поток электронов должен изменить направление. С сигналом 20 кГц изменение направления происходит 20 000 раз в секунду. Электроны ленивы — им нравится продолжать делать то, что они делали. Из-за этого они выступают против изменения направления.

Катушка индуктивности на самом деле не что иное, как катушка провода. Мы видим катушки индуктивности в пассивных кроссоверах и каскадах фильтров усилителей класса D. Когда электроны проходят через индуктор, они создают сильное магнитное поле. Когда вы убираете источник напряжения, электроны пытаются продолжать течь. На самом деле, если вы видели реле с подключенным к нему диодом, этот диод нужен для того, чтобы направить поток электронов куда-то, а не обратно в цепь, которая контролировала работу реле.

Когда мы подаем сигнал переменного тока на катушку индуктивности, чем выше частота, тем труднее изменить направление поток электронов. Сопротивление потоку переменного тока называется индуктивным реактивным сопротивлением. Думайте об этом как о сопротивлении, но применимом только к сигналам переменного тока. Индукторы препятствуют изменению тока. Если мы отключим наш источник переменного тока и измерим сопротивление катушки индуктивности постоянному току с помощью мультиметра, число, которое мы увидим на экране, и будет сопротивлением. Чтобы измерить реактивное сопротивление катушки индуктивности, нам нужно устройство, способное подавать сигнал переменного тока и измерять эффективное падение напряжения на катушке индуктивности.

Формула для расчета индуктивного сопротивления:Xl =2 x pi x F x L, где F — частота приложенного сигнала переменного тока, L — значение индуктивности катушки индуктивности, измеренное в генри, а Xl — индуктивное сопротивление в омах. Вы можете видеть, что индуктивность увеличивается с частотой, как мы упоминали ранее.

Звуковая катушка динамика действует как индуктор.

Ток и напряжение

У нас есть еще плохие новости для вас. Поскольку индуктор препятствует изменению тока, возникает временная ошибка. Время чего, спросите вы? Относительное время между напряжением переменного тока на индукторе и значением переменного тока, протекающего в индукторе. В идеальном индукторе (без сопротивления постоянному току) ток через индуктор отстает от напряжения на индукторе на 90 градусов или ¼ частоты проходящего сигнала.

Позвольте этому впитаться на секунду, а затем вернитесь к нашим уравнениям для мощности. Мощность это напряжение умноженное на ток. Но что, если пик тока не происходит одновременно с пиком напряжения? Мы не можем просто перемножить два числа вместе, чтобы получить мощность в цепи. Хуже того, время, на которое ток отстает от напряжения, зависит от сопротивления катушки индуктивности постоянному току и индуктивное сопротивление — для большинства автомобильных аудиодинамиков сопротивление постоянному току обычно составляет от 2 до 8 Ом. Индуктивность составляет от 0,04 мГн для высококачественного твитера до более 5 мГн для большого сабвуфера.

Есть еще одна проблема:индуктивность меняется в зависимости от уровня возбуждения динамика и положения диффузора динамика.

Мы уверены, что вы согласитесь – все это очень сложно, но не сдавайтесь сразу.

Как измерить реальную мощность в цепи переменного тока? Есть несколько способов. Мы можем измерять мгновенные значения тока и напряжения с очень высокой частотой дискретизации и перемножать их вместе. Частота дискретизации должна быть в 20 или 30 раз больше частоты, которую мы измеряем, чтобы быть достаточно точной. Мы также можем использовать обычные измерители для измерения количества тока и напряжения в цепи, а затем использовать измеритель фазового угла, чтобы найти относительную связь между ними. Практически ни у кого из нас нет в наборе инструментов автономного измерителя фазового угла. Что мы не можем нужно просто умножить напряжение и ток друг на друга.

Эти ребята из SPL и Ватты

Если вы читаете это, то вы, вероятно, с некоторой периодичностью бродите по Интернету. Вы, несомненно, видели, как энтузиасты SPL пытаются измерить мощность, вырабатываемую их усилителями, путем «фиксации» ее. Они подключают токоизмерительные клещи к одному из проводов динамика, выходящего из усилителя, и подключают вольтметр к клеммам усилителя.

Это создает три проблемы:

1. Они должны подключить вольтметр к клеммам динамика. Из-за протекания сильного тока сопротивление в проводе динамика может привести к потере измеримого количества энергии.
2. С вольтметром и токоизмерительными клещами мы не знаем фазового соотношения между током, протекающим через звуковые катушки, и напряжением на звуковой катушке.
3. Обычно они проводят эти тесты на очень высоких уровнях мощности. Огромное количество энергии быстро нагревает звуковые катушки. Это тепло также быстро увеличивает их сопротивление. Это увеличение сопротивления приведет к уменьшению тока, протекающего через динамик. Если подключенные токоизмерительные клещи находятся в режиме «фиксации пикового значения», они сохранят пиковое значение начального тока, протекающего через звуковую катушку. Уменьшение протекающего тока снижает нагрузку на источник питания усилителя и позволяет ему вырабатывать большее напряжение. По мере уменьшения тока напряжение на выходе усилителя может увеличиваться, что приводит к ложным показаниям вольтметра в режиме фиксации пикового значения. Это увеличение нагрева и сопротивления может произойти за считанные секунды.

Если вы думаете, что наше определение ватта сложное, то объяснение того, как рассчитать мощность при реактивной нагрузке, может довести вас до крайности, поэтому мы не будем объяснять все это. Эта тема сохранена для курсов колледжей или университетов по питанию от сети переменного тока. Что мы будем сделать, это предоставить решение для сложных измерений мощности.

Реальность такова, что когда дело доходит до измерения мощности усилителя при подключении к динамику, получить точные результаты очень сложно. . Несколько компаний производят измерители мощности автомобильных аудиосистем. Наиболее популярным агрегатом является D’Amore Engineering AMM-1. АММ-1 представляет собой портативный измерительный прибор, который одновременно измеряет ток и напряжение и вычисляет фазовый угол между ними для обеспечения точного измерения мощности. AMM-1 покажет вам реальную мощность вашего усилителя. (Пожалуйста, не плачьте, если это меньше, чем вы думали.)

АММ-1 также может показывать вольт-ампер. Вольт-амперы рассчитываются путем умножения силы тока на напряжение. Вы также можете увидеть фазовый угол нагрузки на еще одном экране. Если вы серьезно относитесь к измерению мощности, когда усилитель работает с реактивной нагрузкой, такой как динамик, то этот инструмент вам нужен.

Что вам нужно знать

When you are shopping for an amplifier, the numbers you usually see quoted are measured into resistive loads. Most amplifiers have no problem with driving reactive loads, so you can trust the published numbers, as long as the distortion specification is clearly defined.

The CEA-2006A (now called CTA-2006A) specification for power measurement defines the maximum signal distortion during measurement as being 1%, and no more than 14.4 volts can be supplying the amp. Comparing power specs using this standard has leveled the playing field in the car audio industry.

We will look at some other very important amplifier specifications in another article. These other specifications may, in fact, be more important to choosing the right amp for your system than how much power the amp makes. Until then, drop into your local car audio specialist retailer to find out about the latest amplifiers available for your system. There are some amazing new amps on the market with a lot of cool features.

Happy listening!