Moc głośnika - Moc ciągła, muzyczna i szczytowa – co to tak naprawdę znaczy?

Ponadto stanowi jeden z czynników, które mają największy wpływ na decyzję o zakupie tego czy innego modelu. Jednakże bliższe przyjrzenie się temu tematowi pozwala zauważyć, iż wskaźnik mocy głośnika ma znaczenie o wiele mniejsze niż czynniki decydujące o jego efektywności.

W związku z powyższym pojęcie „mocy” wymaga rozwinięcia, co pozwoli nam uniknąć nieporozumień. Bardzo często bowiem wielkość mocy łączymy wprost z wydajnością akustyczną przetwornika, a nawet zalecaną mocą zasilającego go wzmacniacza. Tymczasem są to kwestie powiązane w nie aż tak bezpośredni sposób.

Przyjrzyjmy się nieco bliżej pojęciu „maksymalnego rozpraszania mocy wejściowej”. Termin „moc wejściowa” jest tu jak najbardziej na miejscu, albowiem głośnik stanowi dla wzmacniacza obciążenie, a zatem moc wyjściowa wzmacniacza jest jednocześnie – pomijając tu jej straty w okablowaniu – mocą wejściową dla tegoż głośnika. Ponieważ powszechnie uważa się, że im moc wzmacniacza jest większa, tym lepiej, to stąd już blisko do stwierdzenia, iż większa moc przetwornika świadczy o jego wyższej jakości.

Wzmacniacze, do których podłączamy głośniki, nazywają się wzmacniaczami dlatego, że napięcie i natężenie prądu na ich wyjściu są proporcjonalnie większe w stosunku do napięcia i natężenia prądu sygnału podawanego na wejście. Wzmacniacze określone są ich zdolnością do wytwarzania mocy wyjściowej. Im jest ona większa, tym większą pracę może dane urządzenie wykonać.

 

Z kolei głośniki charakteryzuje się ich zdolnością do rozpraszania mocy. Wskaźnik mocy głośnika określa, jaką moc ciągłą jest on w stanie rozpraszać poprzez zamianę na ciepło, nie ulegając uszkodzeniu. Choć na pierwszy rzut oka może się wydawać, że z im większą mocą ów głośnik daje sobie radę, tym lepiej, to jest to jednak prawdą tylko wówczas, gdy owa zdolność do rozpraszania mocy nie wpływa na efektywność przetwornika.

Nowoczesne wzmacniacze zasilają głośniki, pracując jako źródła stałonapięciowe. Oznacza to, że napięcie na wyjściu wzmacniacza jest w zasadzie niezależne od podłączonego doń obciążenia. Jeśli podamy wzmacniaczowi sygnał, po czym zmierzymy napięcie na złączach wyjściowych bez obciążenia, a następnie po podłączeniu głośnika, to nie zauważymy na skali woltomierza większych zmian. Różnica pomiędzy obiema sytuacjami polega wyłącznie na tym, że podłączenie obciążenia do złącz wzmacniacza umożliwia przepływ prądu przez głośnik. Zmniejszenie impedancji obciążenia, poprzez równoległe podłączenie większej liczby głośników, powoduje pobór większego prądu, czyli zwiększenie przepływu mocy ze wzmacniacza do obciążenia. To dlatego właśnie moc oddawana przez wzmacniacz wzrasta wraz z podłączaniem kolejnych głośników. Należy jednak pamiętać, że choć następuje wzrost mocy, to jest ona rozdzielana pomiędzy wszystkie podłączone przetworniki.

A zatem jeżeli podłączymy równolegle dwa głośniki, to łączna moc oddawana przez wzmacniacz wzrośnie, ale moc konsumowana przez przetworniki pozostanie taka sama. Właściwie to nawet nieco się zmniejszy. Generalnie rzecz biorąc, aby zminimalizować wpływ okablowania na impedancję, a przy tym uniknąć nadmiernego poboru prądu ze wzmacniacza, najlepiej jest nie obciążać tego ostatniego impedancją mniejszą niż 4 omy.

Moc, jaką pobiera głośnik ze wzmacniacza, można obliczyć, mnożąc wartość napięcia sygnału głośnikowego przez natężenie prądu płynącego przez przetwornik, przy czym zasada zachowania energii nakazuje, aby w obliczeniach uwzględniać całą moc oddawaną przez wzmacniacz. Część owej mocy wykorzystywana jest w sposób mechaniczny, do poruszania membraną głośnika, ale pozostała jej porcja zamieniana jest na ciepło. Ruchy membrany głośnikowej powodują wytwarzanie fal dźwiękowych, natomiast ciepło jest w tym przypadku produktem ubocznym, wręcz odpadem, który musi zostać zutylizowany. Niestety efektywność konwersji mocy elektrycznej na akustyczną jest bardzo mizerna i często nie przekracza 10 procent. Dlatego właśnie znacząco większa część mocy generowanej przez wzmacniacz jest tracona i ulatuje w postaci ciepła, które należy rozproszyć.

A zatem wskaźnik mocy głośnika opisuje przede wszystkim jego zdolność do rozpraszania ciepła powstającego w związku z nieefektywnością procesu konwersji. Wracamy tu więc do pojęcia „maksymalnego rozpraszania mocy wejściowej”.

Biorąc powyższe pod uwagę, błędem byłoby utożsamianie wskaźnika mocy głośnika z jego wydajnością akustyczną. Większa zdolność do rozpraszania ciepła oznacza jedynie tyle, że dany głośnik lepiej daje sobie radę z chłodzeniem się. Tym samym wskaźnik mocy sam w sobie niewiele mówi nam o efektywności głośnika w zakresie wytwarzania mocy akustycznej, co wszak jest jego głównym zadaniem. Zdolność głośnika do rozpraszania ciepła można zwiększyć, jednocześnie redukując jego efektywność. Wystarczy podłączyć doń dodatkowy element rezystancyjny. W rezultacie moc układu wzrosłaby, ale dźwięku byłoby z tego niewiele – nie o to nam jednak chodzi!

Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) wytwarzanego przez głośnik jest bliżej związany z przyłożonym napięciem aniżeli mocą sygnału. Moc pobierana przez przetwornik zmienia się w domenie częstotliwości, a ponieważ SPL jest często łączone z wartością mocy wejściowej, toteż jest ono dość ściśle powiązane z przyłożonym napięciem. Wskazane przy tym jest, aby głośnik cechował się płaską odpowiedzią napięciową – inaczej mówiąc, aby takie samo napięcie sygnału przy różnych częstotliwościach powodowało płaską charakterystykę osiowej odpowiedzi częstotliwościowej.

Głośnikiem idealnym byłby taki, który generowałby żądane ciśnienie akustyczne przy jak najmniejszym poborze mocy. Dzięki wysokiej efektywności wydzielałby on tym samym mniej ciepła. Niestety, pompowanie nadmiernych dawek mocy do głośnika nie przynosi właściwych korzyści. Znacznie bardziej korzystnym byłoby uzyskanie głośniejszego dźwięku przy stosunkowo niewysokiej mocy zasilającej głośnik. To tak, jak z samochodem. Chodzi o wydajność, a nie konsumpcję. Stosowanie tub to jedna z metod zwiększenia efektywności głośnika, pozwalająca lepiej wykorzystać każdy wat dostarczonej mocy.

 

WŁAŚCIWA PERSPEKTYWA

Te same nieporozumienia, co w przypadku głośników, pojawiają się, gdy kupujemy żarówki. Ich moc często postrzegamy jako wyznacznik jasności dawanego przez nie światła – więcej mocy, jaśniejsze światło. Jednak żarówki cechują się także parametrem określanym jako skuteczność świetlna, aczkolwiek mało który nabywca zwraca nań uwagę. Jeśli więc chcemy mieć jaśniejsze światło w pomieszczeniu, wkręcamy żarówkę silniejszą (o większej mocy). To taki sam sposób myślenia, według jakiego oceniamy skuteczność głośników. Kiedy jednak następnym razem pójdziecie do sklepu kupować żarówki, nie patrzcie tylko na liczbę watów, ale i lumenów. Z pewnością zrobicie lepszy interes.

Wysoka wartość mocy głośnika niekoniecznie musi oznaczać, że będzie on bardzo głośny. Zamiast więc zachwycać się, że „głośnik A ma moc aż 5 kilowatów” powinniśmy raczej zapytać „po co właściwie mam marnować 5.000 watów, by uzyskać 100 dB SPL, skoro głośnik B jest w stanie wytworzyć takie ciśnienie przy mocy zaledwie 100 W?” Innymi słowy, poziom SPL, jaki dany przetwornik potrafi wygenerować, mówi nam znacznie więcej o klasie danego głośnika. Wylicza się go jako relację pomiędzy skutecznością głośnika i jego maksymalną mocą wejściową. Oznacza to, że głośnik o mniejszej mocy, ale wyższej skuteczności, może grać głośniej niż przetwornik o mocy wyższej, lecz mniejszej skuteczności.

Nieznajomość tych prawd przyczyniła się do tego, że producenci głośników rozpoczęli wyścig, przelicytowując się coraz to większymi ich mocami. Owszem, wysoki wskaźnik mocy ułatwia sprzedaż, ale to efektywność głośników jest tym, czym powinniśmy się kierować w wyborze.

TEST MOCY

Istnieje szereg metod pozwalających określić maksymalną moc wejściową głośnika. Każda ma swoje zalety, a wszystkie bazują na podobnych atrybutach. Test, który ma mieć sens, powinien uwzględniać:
– stymulację głośnika szumem szerokopasmowym, ograniczonym do nominalnego pasma przenoszenia danego przetwornika;
– metodę określenia przepływu mocy pomiędzy wzmacniaczem i testowanym przetwornikiem;
– pomiar czasowy, pozwalający ustalić, jak długo dany głośnik daje sobie radę z rozpraszaniem pobieranej mocy;
– pomiar poziomu SPL wytwarzanego przez testowany głośnik.

Rolę szumu stymulującego zazwyczaj pełni szum różowy. W niektórych metodach stosuje się szum płaski, w innych zaś poddaje się go ważeniu, co ma na celu symulowanie zawartości spektralnej typowego sygnału muzycznego. W drugim przypadku można uzyskać wyższe wskaźniki mocy, ponieważ większa część energii elektrycznej konsumowana jest przez niższe pasma spektrum, gdzie – z racji ciężaru konstrukcji – przetwornik zazwyczaj lepiej daje sobie radę z rozpraszaniem ciepła.

Aby dało się określić przepływ mocy, monitorować należy zarówno napięcie, jak i natężenie prądu doprowadzanego do testowanego przetwornika. Nie da się dokładnie obliczyć owego przepływu wyłącznie na podstawie RMS przyłożonego napięcia i nominalnej impedancji obciążenia. Impedancja ta bowiem wzrasta wraz z nagrzewaniem się cewki głośnika, w rezultacie czego następuje spadek mocy przezeń pobieranej (jest to tzw. kompresja mocy). Kiedy głośnik pracuje na krawędzi możliwości rozpraszania ciepła, często operator dodatkowo podkręca poziom sygnału wyjściowego, w rezultacie czego wcale nie następuje przyrost ciśnienia dźwięku, a wręcz przeciwnie – przepływ mocy ulega dalszej redukcji.

Wskaźnik mocy najlepiej jest więc rozważać w odniesieniu do skali decybelowej. Ocena efektywności przetwornika w oparciu o wskaźniki wyrażane w watach może być bowiem bardzo daleka od rzeczywistości. Należy przy tym rozważyć fakt, że przy tej samej skuteczności głośnik o mocy ciągłej 500 watów jest tylko trochę głośniejszy (+3 dB) od takiego, dla którego moc ta wyliczona jest na 250 W. To oznacza, że z praktycznego punktu widzenia różnica pomiędzy tymi dwoma przetwornikami jest niewielka, mimo dużej różnicy wskaźników mocy.

W większości przypadków szum różowy używany podczas testów mocy jest modyfikowany tak, aby uzyskać mniejszy współczynnik kształtu – dbają o to układy obcinające szczyty sygnału. Praktyczną przesłanką ku takiemu postępowaniu jest to, iż zabieg taki pozwala na podanie większej mocy do obciążenia. Maksymalny poziom mocy wyjściowej dla nieobcinanego szumu różowego równy jest około jednej dziesiątej wartości mocy dla fali sinusoidalnej. Obcinanie szczytów pozwala zmniejszyć tę proporcję do 1/2 i wykorzystać w testach mocniejsze wzmacniacze. Artefakty pojawiające się na skutek obcinania wierzchołków sygnału nie powodują znaczącego wzrostu nagrzewania się głośnika, ale należy pamiętać, że zmniejszenie współczynnika kształtu wiąże się z transferem większej mocy (podwyższenie RMS napięcia) do przyłączonego obciążenia.

Test mocy muzycznej (program) polega na podawaniu sygnału szumu różowego o 6-decybelowym współczynniku kształtu przez określony czas (np. 2 godziny). Jest to dla przetwornika test bardzo wymagający, gdyż sygnał doprowadzany jest nieprzerwanie, bez pauz, które pozwalałyby głośnikowi na schłodzenie się. Podczas testów mocy nominalnej symuluje się standardowy sygnał muzyczny lub mowy, z nieregularnymi przerwami sygnału. W przypadku szumu pulsacyjnego głośnik nieco schładza się w przerwach pomiędzy impulsami, a to oznacza możliwość podawania wyższej mocy w krótkich okresach. Wielu producentów określa moc muzyczną, podwajając wartość mocy ciągłej, natomiast zalecana moc wzmacniacza jest większa od obu tych wskaźników. Rozsądnym założeniem jest tu +6 dB. A więc biorąc pod uwagę wszystkie proporcje możemy przyjąć, że dany, hipotetyczny głośnik ma moc 200/400/800 W (moc ciągła/muzyczna/zalecana moc wzmacniacza).

ZIARNKO DO ZIARNKA

Jak widać, ocena wskaźników mocy głośnika nie jest taka prosta. Uzyskanie pełnego obrazu może wymagać zdobycia szeregu informacji, a nie ułatwiają tego wcale specyfikacje techniczne, które często nie zawierają istotnych danych.

Zupełnie zrozumiałym jest, że zasilanie głośnika sygnałem o mocy niższej niż jego moc znamionowa nie stanowi dlań żadnego zagrożenia. Prawdę mówiąc, będzie on wówczas żył długo i szczęśliwie. Zalecałbym więc ograniczanie mocy podawanej głośnikowi do poziomu nie wyższego niż połowa (-3 dB) wskaźnika jego mocy ciągłej, co zapewni mu długotrwałe i niezawodne działanie. W powyższym przykładzie oznaczałoby to użycie wzmacniacza o mocy 800 watów, podającego typowy sygnał muzyczny (o współczynniku kształtu 10 do 14 dB), z wysterowaniem urządzenia do maksymalnego poziomu na granicy obcinania szczytów.

W tych warunkach wzmacniacz podawać będzie moc 80 watów lub mniej, co stanowi bezpieczną wartość, dość znacznie poniżej wskaźnika mocy ciągłej przetwornika. Ponieważ jednak wzmacniacz jest w stanie wygenerować sygnał znacznie mocniejszy, należy pamiętać, by materiał dźwiękowy o niskim współczynniku kształtu nie był odtwarzany ze zbyt wysoką mocą, co mogłoby doprowadzić do zniszczenia głośnika. Trzeba także zdać sobie sprawę z istnienia punktu, powyżej którego korzyści ze zwiększania mocy są minimalne. Każde zwiększenie napięcia sygnału głośnikowego o 40 procent powoduje podwojenie jego mocy, ale przyrost ciśnienia dźwięku jest nieproporcjonalnie mały – zaledwie 3 dB. Ponadto, biorąc pod uwagę, że poziom głośności systemu reguluje się w 3-decybelowych krokach, a głośnik ma skończoną zdolność rozpraszania ciepła, zwiększenie poziomu o kolejne 3 dB może spowodować „przegięcie”. Głoś nik bowiem uzyskuje maksymalną głośność przy zasilaniu mocą bliską połowie mocy nominalnej. Dlatego właśnie nadmierne zwiększanie poziomu zasilającego go sygnału z dużym prawdopodobieństwem doprowadzi do uszkodzenia przetwornika.

Nowoczesne rozwiązania technologiczne, stosowane w przemyśle samochodowym, mają za zadanie zwiększać efektywność pojazdów w zakresie zużycia paliwa, a jednocześnie minimalizować emitowane zanieczyszczenia, będące szkodliwym produktem ubocznym. Przemysł audio powinien podążać w tym samym kierunku – poszukiwać takich rozwiązań, dzięki którym głośniki będą generowały bardzo wysokie SPL przy jak najniższym poborze mocy ze wzmacniaczy. Wraz ze wzrostem efektywności maleć będzie bowiem ilość watów rozpraszanych w postaci ciepła.

Krzysztof Marecki