За кулисами регулировки мощности динамика
За прошедшие годы мы написали несколько статей о номинальной мощности динамиков, но эта тема, похоже, затрагивает очень мало людей. понять полностью. Эта статья послужит справочным руководством о том, как премиальные и авторитетные производители оценивают мощность своих динамиков. Мы начнем с рассмотрения физики конструкции динамиков и того, как они справляются с теплом, создаваемым мощностью вашего усилителя, а затем объясним, как розовый шум используется для определения номинальной мощности.
Эффективность и мощность громкоговорителя
К сожалению, громкоговорители заведомо неэффективны. Высокоэффективный 8-дюймовый СЧ-динамик, используемый в динамике для громкой связи, может преобразовать только около 1,3 процента мощности усилителя в акустическую энергию. Остальная часть преобразуется в тепло в звуковой катушке, а затем в частях вокруг катушки, таких как магнит, Т-образное крепление и конус.
Динамики, предназначенные для автомобильных аудиосистем, часто значительно менее эффективны, поскольку им необходимо работать в более широком диапазоне частот. Для среднечастотного драйвера с рейтингом чувствительности 90 дБ 1 Вт/1 м КПД составляет ничтожные 0,63 процента.
Подумайте, сколько тепла выделяет 100-ваттная лампа накаливания. Ниже представлено тепловое изображение 100-ваттной лампочки, которая была включена всего на 60 секунд. Стеклянное основание лампы уже достигло температуры более 90 градусов по Цельсию или 195 градусов по Фаренгейту. Оно явно слишком горячее, чтобы прикасаться к нему, и будет только нагреваться. Быстрое исследование показывает, что лампы накаливания имеют КПД около 2,2. Это отсутствие эффективности делает их отличной аналогией с точки зрения сравнения тепловыделения с громкоговорителем. Вскоре мы рассмотрим логистику и реальность передачи такой мощности чему угодно, кроме сабвуфера.
Как колонки справляются с перегревом
Тепло в динамике генерируется обмоткой звуковой катушки. Будь то медь, алюминий или их комбинация, все это тепло сосредоточено на этой относительно крошечной катушке провода. Неудивительно, что единственным компонентом, который вступает в непосредственный контакт со звуковой катушкой, является формирователь звуковой катушки. В динамиках автомобильной аудиосистемы каркасы звуковых катушек изготавливаются из таких материалов, как крафт-бумага, синтетических изоляционных бумаг, таких как 3M TufQUIN, арамидных волокон, таких как Nomex и Bondex, и алюминия. Каждый из этих материалов обладает различными изоляционными свойствами и свойствами теплопроводности.
Следующим компонентом динамика, который должен выдерживать тепло от звуковой катушки, является верхняя пластина. В большинстве случаев верхняя пластина представляет собой кусок стали, прикрепленный к магниту (или магнитам) для фокусировки магнитного поля на звуковой катушке. Хотя верхняя пластина не соприкасается со звуковой катушкой, два компонента находятся очень близко друг к другу. Большая часть охлаждения звуковой катушки динамика может быть связана с передачей тепла на верхнюю пластину, а затем на структуру двигателя. Многие производители громкоговорителей делают все возможное, чтобы обеспечить значительный поток воздуха вокруг верхней пластины для дальнейшего улучшения охлаждения, особенно на сабвуферах.
Т-образный хомут, часть конструкции двигателя, замыкающая петлю магнитного поля, также важна для отвода тепла от звуковой катушки и каркаса. В большинстве конструкций Т-образный хомут находится внутри каркаса звуковой катушки.
Диаметр звуковой катушки сабвуфера и потребляемая мощность
Способность любого устройства выдерживать тепло определяется его размером. Резистор на 1/8 ватта намного меньше резистора на 1 ватт. Как правило, размер компонента определяет площадь поверхности и способность передавать тепло воздуху. В динамиках диаметр и длина обмотки звуковой катушки в сабвуфере являются хорошим показателем того, сколько тепла и, следовательно, какую мощность может выдержать динамик.
В качестве примера, просматривая ассортимент продукции популярного производителя сабвуферов, мы видим, что их сабвуферы со звуковой катушкой диаметром 2 дюйма рассчитаны на 250 Вт; переход на катушку диаметром 2,5 дюйма увеличивает номинальную мощность до 500 Вт. Их сабвуферы с 3-дюймовыми катушками рассчитаны на 600 Вт, а их низкочастотные динамики для соревнований имеют массивные катушки диаметром 4 и 5 дюймов, рассчитанные на 2500 и 3000 Вт соответственно.
Имейте в виду, что физический размер (высота) каждой из этих звуковых катушек не был указан, поэтому можно с уверенностью предположить, что переход к более чем 2500 Вт мощности происходит со значительным увеличением высоты намотки катушки и соответствующей площади поверхности.
Размеры звуковой катушки высокочастотного динамика
Говоря о мощности в чем-либо, кроме сабвуфера, потребуется здравый смысл. Тщательно подумайте о расчетной мощности среднечастотного динамика. Мы рассмотрим другой популярный бренд и посмотрим, как диаметры их звуковых катушек соотносятся с характеристиками мощности некоторых из их 6,5-дюймовых среднечастотных динамиков. У этой марки драйвер с катушкой 1 дюйм рассчитан на 70 Вт, а катушка 1,25 дюйма рассчитана на 80 Вт в одной серии и 100 Вт в более дорогом решении. Различная номинальная мощность 1,25-дюймовых катушек демонстрирует, как общая высота обмотки влияет на теплоемкость.
Теперь поговорим о твиттерах. Твитеры в автомобильных аудиоприложениях очень маленькие и, честно говоря, довольно хрупкие. Обмотки звуковых катушек в твиттерах сделаны из очень тонкой проволоки, часто меньше 24 калибра. Даже при диаметре 1-дюймового твитера с мягким куполом они не выдерживают большой мощности. Итак, как производители придумывают мощность 100 Вт или более для своих твитеров, когда мы знаем, что СЧ-драйвер с обмоткой звуковой катушки, которая по крайней мере в пять раз больше, может выдерживать только 100 Вт? Ответ заключается в том, как производители тестируют свои динамики.
Что такое розовый шум?
Прежде чем мы перейдем к объяснению того, как оценивается допустимая мощность динамика, нам нужно внимательно взглянуть на то, что называется розовым шумом. Розовый шум — это аудиосигнал, состоящий из случайных частот от чуть выше 0 Гц до верхнего предела формата аудио или компьютерного аудиофайла. Для обычного файла .wav CD-качества это будет 22,05 кГц.
В розовом шуме каждая октава содержит одинаковое количество шумовой энергии. Это означает, что октава от 100 Гц до 200 Гц содержит такое же количество энергии шума, что и октава от 1 кГц до 2 кГц. Мощность в каждой октаве также обратно пропорциональна частоте сигнала. Хотя это грубое приближение того, как работает математика, между 100 Гц и 200 Гц есть 100 Гц, а между 1 кГц и 2 кГц — 1000 Гц. В сигнале розового шума полоса частот от 1 до 2 кГц занимает в 10 раз больше пространства.
Вот как выглядит спектральный анализ аудиосигнала розового шума:
Вы можете видеть, что выше 20 Гц уровень сигнала снижается со скоростью -10 дБ за декаду по мере увеличения частоты. Это означает, что на частоте 1 кГц энергия сигнала на 10 дБ меньше, чем на частоте 100 Гц. Когда мы связываем это снижение уровня сигнала с мощностью наших усилителей, соотношение также составляет 10 раз.
Если мы воспроизводим розовый шум через аудиосистему, а регуляторы чувствительности усилителя настроены на мощность 100 Вт при частоте 20 Гц и частоте 200 Гц, усилитель будет производить 10 Вт. На частоте 2 кГц усилитель будет выдавать 1 ватт, а на частоте 20 кГц усилитель подаст на динамики 0,1 ватт.
Плотность мощности в музыке
Еще одна тема, которую мы должны обсудить, прежде чем переходить к номинальной мощности динамиков, — это то, как звуковая энергия распределяется в музыке, которую мы слушаем. Мы просмотрели шесть звуковых дорожек и проанализировали их спектральный состав в Adobe Audition так же, как и форму волны розового шума выше. Результаты показаны ниже:
Как вы можете видеть из этого умеренно разнообразного набора музыкальных треков, звуковая энергия распределяется аналогично нашей дорожке с розовым шумом. По этой причине многие производители используют сигналы розового шума для проверки мощности своих динамиков.
Как тестируется мощность динамика
В зависимости от бренда разные компании используют разные процессы для проверки мощности своих динамиков. Следует отметить, что некоторые компании имеют подробные спецификации для своих процедур тестирования, в то время как другие полагаются просто на данные, предоставленные их поставщиками, а третьи делают предположения, основываясь на размере звуковой катушки, используемой в конструкции. Это одно из ключевых различий между компаниями, которые прилагают значительные усилия для проектирования и разработки своих продуктов, и теми, кто выбирает решения из каталога и ставит свое имя на корзине и пылезащитной крышке.
Правильно спроектированный процесс тестирования громкоговорителей включает несколько этапов. Мы будем использовать сабвуфер для первого примера. Технический специалист, выполняющий тест, настраивает выход усилителя, используя звуковую дорожку с синусоидальной волной, чтобы представить уровень напряжения, соответствующий уровню мощности, который он хочет протестировать. Для сабвуфера с сопротивлением 4 Ом, который должен быть испытан на уровне мощности 200 Вт, синусоидальное напряжение должно составлять 28,28 В (среднеквадратичное значение) или 40 В в пиковом диапазоне. После установки этой амплитуды для проверки драйвера воспроизводится розовый шум, равный по амплитуде на частоте 20 Гц.
После того, как уровни установлены и динамик установлен в тестовом приспособлении, эта дорожка с розовым шумом воспроизводится на непрерывном уровне до тех пор, пока динамик не выйдет из строя или не пройдет достаточное время. Многие компании используют от 8 до 10 часов в качестве минимального времени тестирования, а некоторые увеличивают его до 100 часов. После того, как температура в динамике стабилизируется, длительное испытание может помочь подтвердить пригодность и надежность выбранных клеев и материалов, используемых для изготовления динамика. По сути, это становится физическим испытанием, а также испытанием мощности.
Хотя это варьируется от бренда к бренду, для того, чтобы динамик прошел тест, параметры Тиле / Смолл драйвера не должны измениться более чем на заданную величину по сравнению с теми, которые были до начала теста. Значительное изменение электромеханических свойств указывает на то, что что-то могло быть повреждено во время теста и что было выделено слишком много тепла.
Как тестируются среднечастотные и высокочастотные динамики
Поскольку СЧ-динамики и твитеры не могут справиться с высокими уровнями отклонения, они тестируются так же, как и НЧ-динамики, но тестовый сигнал проходит через фильтр верхних частот. Вот пример:
Допустим, мы хотим протестировать твитер с сопротивлением 4 Ом, и мы хотим использовать приведенный выше стандарт, чтобы проверить его на мощность 100 Вт. Это соответствует уровню синусоиды 20 вольт (среднеквадратичное значение) или 28,28 вольт от пика к пику. Тест начинается с того, что усилитель откалиброван для получения 20 В среднеквадратичного значения с использованием синусоидальной волны, когда он не подключен к динамику. После установки уровня розовый шум воспроизводится через фильтр верхних частот, указанный производителем. Для этого примера предположим, что фильтр установлен на 2 кГц.
Вот как будет выглядеть спектральный анализ тестового сигнала.
Средний пиковый уровень тестового сигнала теперь примерно на 20 дБ ниже, чем он был на частоте 20 Гц для полнополосного сигнала. Что касается мощности аудиосигнала, у нас в 100 раз меньше мощности. Или 1 Вт.
Говорим ли мы, что твитер, рассчитанный на мощность розового шума 100 Вт, протестированный выше 2 кГц, тестируется только с мощностью 1 Вт? Абсолютно! Именно так это и работает. Подумайте о физике музыки. Мы хотим, чтобы звук, воспроизводимый твиттерами, был сбалансирован со звуком среднечастотных динамиков и низкочастотных или сабвуферных динамиков.
В реальном мире этот твитер, вероятно, может выдерживать гораздо большую мощность, чем 1 Вт. Он может быть в состоянии справиться с 10 Вт. Означает ли это, что было бы неплохо оценить драйвер как способный обрабатывать 1000 Вт розового шума? Скорее всего, не. Вы знаете, что кто-то, кто не понимает, как работает розовый шум, будет использовать синусоидальную дорожку, чтобы настроить усиление своего усилителя твитера, и попытаться подать 63 вольта (1000 Вт) на твитер. Разумеется, эти же люди также будут звонить производителю динамиков и жаловаться, что твитер «сломан», и все, что они делали, — это регулировка усиления.
Какой смысл в спецификациях энергопотребления?
Расчетная мощность динамиков, использующих розовый шум, основана на критериях, установленных для полнодиапазонных домашних динамиков. Тесты имитируют то, что будут испытывать динамики при прослушивании на высоком уровне громкости, и предназначены для того, чтобы указать, какая номинальная мощность усилителя будет подходящей для получения максимальной отдачи от динамиков без их повреждения. В этой спецификации не учитывается, что происходит, когда усилитель работает в режиме клиппинга — мы коснемся этого в другой раз.
На данный момент вывод из всего этого заключается в том, что настройка аудиосистемы должна начинаться с настройки элементов управления чувствительностью на усилителе сабвуфера, а затем поднимать уровни каналов средних и высоких частот для создания сбалансированной системы. Скорее всего, вы не сможете приблизиться к максимальной мощности усилителей средних и высоких частот. Да, и вам не нужен 150-ваттный усилитель для твитеров.