Mocy przybywaj - Jak to z tą mocą faktycznie jest

Moc, więcej mocy! Dajemy się uwieść magicznym setkom kilowatów, pożądamy mocniejszych wzmacniaczy i potężniejszych głośników, gdyż dzięki temu nasze systemy nagłośnieniowe mają jakoby być głośniejsze.

Prawdę mówiąc, moc jest zazwyczaj głównym, a często wręcz jedynym, kryterium branym pod uwagę podczas dokonywania zakupu sprzętu. Pomówmy więc nieco o owej mocy, starając się jednak zachować zdrowy dystans do zagadnienia. Jest ona bowiem tylko jednym fragmentem większej układanki. Ocenianie wzmacniaczy i głośników tylko na podstawie danych o ich mocy to tak, jak byśmy próbowali scharakteryzować daną osobę, opierając się wyłącznie na jej zdjęciu. A przecież wygląd dostarcza jedynie części informacji.

W tekście tym napotkacie wyrazy pisane pogrubioną czcionką. Będą to wyrazy reprezentujące kwestie kluczowe dla zrozumienia koncepcji przepływu mocy i jego implikacji.

Aby nieco uprościć rozważania, zapomnijmy na razie o systemach nagłośnieniowych (poza wyjątkowymi odniesieniami) i rozważmy moc jako element naszego życia codziennego. Zacznijmy od kwestii podstawowych. A zatem moc jest zarówno generowana, jak i konsumowana. Z punktu widzenia generowania „im jest jej więcej, tym lepiej”. Zawsze czujemy się lepiej, gdy mamy do dyspozycji więcej mocy, niż potrzebujemy.

Z kolei z perspektywy konsumpcji – im mniej, tym lepiej. Inaczej mówiąc, jeśli wykonanie danej pracy wymaga mniej mocy, tym więcej pieniędzy możemy zaoszczędzić, bowiem wytworzenie mocy ma swoją cenę. Moc wykorzystana na rzeczy niepotrzebne jest marnotrawiona. Wzmacniacze i głośniki pracujące w systemach dźwiękowych są zarówno generatorami mocy, jak i jej konsumentami.

Wzmacniacz pobiera moc z sieci elektrycznej i jednocześnie wytwarza moc napędzającą głośniki. Te z kolei wykorzystują moc dostarczaną im przez wzmacniacze, generując z niej moc dźwiękową. Do obliczania mocy, zarówno wytwarzanej, jak i zużywanej, stosuje się różne metody, a jej wartość wyraża się zwykle w watach.

ZASADY UNIWERSALNE

Zasady rządzące mocą w systemach mechanicznych i elektrycznych są analogiczne. Ponieważ przykłady mechaniczne bardziej przystają do tego, z czym spotykamy się w codziennym życiu, toteż dalsze rozważania będziemy prowadzić z tej perspektywy. Zacznijmy od energii. Właściwie wszystko się od niej zaczyna. Źródłami energii są elektrownie, silniki samochodowe, lokomotywy, bomby, zwierzęta i ludzie, a także rzeczy mniej oczywiste, jak rośliny, woda, wiatr, a nawet śmieci.

Wszystkie te źródła czerpią energię skądś jeszcze, jednak dalsze roztrząsanie tego łańcucha mogłoby zaprowadzić nas w rejony dyskusji teologicznej (a tego chcemy uniknąć). Większość całej energii dostępnej na Ziemi pochodzi od Słońca – największego jej źródła w naszej sferze egzystencji. Pora teraz na nieco terminologii. Energię wyraża się w dżulach. Energia ta może być gromadzona (do potencjalnego wykorzystania) lub wytworzona poprzez ruch (energia kinetyczna).

Praca to rezultat użycia siły do przesunięcia czegoś o określony dystans, a zatem praca równa się siła razy odległość. Moc jest więc pochodną pracy. Do wygenerowania mocy konieczne jest więc wykonanie określonej pracy w ciągu określonego czasu. Skrócenie owego czasu równe jest zmniejszeniu uzyskanej mocy. Pamiętajmy o tym, gdy napotkamy parametr pod nazwą „chwilowa moc szczytowa”. Jest to bardzo istotna kwestia i jeszcze do niej wrócimy. Moc można wyrażać w watach, a jeden wat równy jest wytworzeniu jednego dżula w ciągu jednej sekundy.

CZŁOWIEK JAKO GENERATOR MOCY

Dobrym sposobem na pełniejsze zrozumienie koncepcji generowania i konsumowania mocy będzie rozważenie przykładu generatora, jakim jest każdy z nas, a konkretnie nasze ciało. Ludzie pobierają energię pod postacią pożywienia, przechowują ją w formie tłuszczu, a następnie konsumują, wykonując codzienne czynności. Po prostu przetwarzamy energię z jednej postaci na drugą. Jest to proces ciągły, ale rzadko kiedy poddajemy go kontroli – no, poza ważeniem się na wadze łazienkowej. Pomiar taki daje nam przybliżony obraz bilansu pomiędzy ilością energii spożywanej i wydatkowanej. Można więc próbować mierzyć energię zużywaną podczas ćwiczenia na rowerze treningowym – da się ją wyrazić w watach, ale też kaloriach, obrotach na minutę, tętnem, a nawet temperaturą ciała.

Istnieje wiele sposobów mierzenia mocy, ale większość z nich daje wyniki jedynie przybliżone. Zacznijmy pedałować, obserwując wyświetlacz. Jeśli nie będziemy się oszczędzać, możemy dojść do wyniku nawet 100 dżuli na sekundę (100 watów). Intensywnie pedałując generujemy więc 100 watów średniej mocy ciągłej. Jeśli będziemy tak ćwiczyć przez godzinę, wygenerujemy 100 watogodzin energii. Gdybyśmy podpięli nasz rower do sieci energetycznej, moglibyśmy nawet próbować tę energię sprzedać operatorowi elektroenergetycznemu, który mógłby ją przetworzyć na energię elektryczną.

Obserwując własny wysiłek w ciągu danego czasu możemy określić naszą wydajność jako generatora mocy. Wytworzoną moc moglibyśmy wyrazić w watach, ale istnieją inne metody – na przykład porównanie jej do mocy generowanej przez konia, co pozwoli nam wyrazić własną efektywność w koniach mechanicznych. Jeden koń mechaniczny równy jest 746 watom, co oznacza, że moc człowieka to zaledwie 0,075 konia mechanicznego. Chcąc więc dorównać mocy końskiej musielibyśmy zebrać się w co najmniej 10 osób. Dlatego właśnie dobry koń jest cenniejszy (przynajmniej jeśli chodzi o pracę na roli) niż człowiek.

A zatem osobę, która jest w stanie generować 100 watów przez dłuższy czas, niż inna, możemy uznać za efektywniejszy generator mocy. Gdybyśmy w tym momencie wyeliminowali z naszych rozważań czas, wtedy porównanie takie byłoby pozbawione sensu. Kiedy czas działania nie jest określony, wówczas można przyjąć, że dane źródło może wytwarzać daną moc nieskończenie długo (w odróżnieniu od generatora-człowieka). Pamiętajcie o tym, kupując wzmacniacze!

RACHUNEK ZA PRĄD

Firma produkująca prąd wytwarza moc, spalając różne rzeczy, głównie węgiel. Zużycie prądu rozlicza się zwykle w kilowatogodzinach, a my staramy się zawsze wykorzystać go jak najlepiej, przy jak najmniejszym zużyciu. Nikt z nas jednak nie chwali się tym, ile prądu zużył, a raczej tym, ile udało mu się zaoszczędzić. Podobnie powinniśmy podchodzić do kwestii głośników. Nie mówmy więc o tym, ile mocy dany głośnik wykorzystuje, mówmy o tym, co w zamian za to wytwarza! Kupowanie głośników tylko na podstawie ich mocy to jak kupowanie samochodu tylko w oparciu o dane o zużyciu paliwa. Przecież nie tylko to się liczy, a w ostatecznym rozrachunku może się okazać, że wybrany pojazd tak naprawdę jest w eksploatacji mniej oszczędny niż wynikałoby to z danych technicznych.

Wszyscy wiemy, że przesuwając jakiś przedmiot z punktu A do B musimy pokonać pewną siłę, która owo przesuwanie utrudnia. W systemach mechanicznych taką siłą jest tarcie. Tarcie powoduje, że część mocy przekształcana jest w ciepło (czyli inną formę energii). Analogicznym czynnikiem w systemach elektrycznych jest rezystancja. Rezystancja przeciwstawia się przepływowi prądu przez przewodnik i również powoduje, że część przyłożonej mocy ulatuje w postaci ciepła. Rezystancja stanowi więc obciążenie źródła – coś, z czym musi sobie ono poradzić. Zmniejszenie rezystancji sprawia, że przez dany przewodnik może przepłynąć więcej mocy.

To dlatego równoległe podłączenie dwóch głośników do wzmacniacza powoduje, iż w całkowitym rozrachunku wytwarza on więcej mocy, niż gdyby podłączyć doń tylko jeden głośnik. Z wiadra, w którym są dwie dziury, woda wypływa szybciej, niż z takiego z jedną dziurą. Po prostu dzięki temu, że opór, jaki napotyka woda, jest mniejszy, przepływ wody staje się większy.

Konsumpcja mocy jest nierozerwalnie związana z wytwarzaniem ciepła. Jeśli nie ma ciepła, nie ma też konsumpcji mocy. Jednym z czynników, który określa efektywność głośnika, jest jego zdolność do rozpraszania ciepła. Głośnik przesilony staje się bardzo gorący. Jednak pamiętajmy, że uśmiercić głośnik można na wiele ciekawszych sposobów, jak tylko usmażenie go (na przykład wypchnięcie membrany), przy czym sposoby te niekoniecznie muszą być związane z mocą.

ŻARÓWKOWE OSZUSTWO

Jedno ze źródeł niejasności otaczających kwestię mocy w systemach dźwiękowych można powiązać z działaniem żarówki. Żarówki cechowane są w watach, a korelacja pomiędzy ich mocą i jasnością światła jest dla nas bez trudu zauważalna. W ten sposób zaczynamy myśleć, że „więcej mocy to więcej światła”, przekładając ten tok rozumowania na systemy dźwiękowe. Jeśli jednak przyjrzymy się uważniej opakowaniu żarówki, to z pewnością odszukamy parametr, który powie nam znacznie więcej o jej zdolności do wytwarzania światła, czyli świetlność – wyrażana ona jest liczbą lumenów, jaką dana żarówka jest w stanie wygenerować po dostarczeniu jej mocy znamionowej. Moc znamionowa żarówki mówi nam z kolei o tym, ile watów potrzeba do wytworzenia znamionowej liczby lumenów. Oceniając więc efektywność źródła światła należy brać pod uwagę obie te wartości. Jeśli uzyskujemy mocniejsze światło, zużywając przy tym mniej mocy, to możemy powiedzieć, że dana żarówka jest lepsza – oczywiście jeśli nie zostało to okupione innym ważnym parametrem, jak na przykład trwałością. Moglibyśmy przecież przepuścić przez żarówkę prąd o większej mocy, uzyskując pozorną korzyść w postaci zwiększenia jasności wytwarzanego światła. Pytanie tylko – jak długo wytrzymałaby tak „męczona” żarówka?

Podobnie jak żarówki, głośniki mają określony wataż, który decyduje o tym, ile mocy dany głośnik wykorzystuje w sposób ciągły podczas pracy. Jednak parametrem, który powinien nas zainteresować bardziej, jest ilość mocy dźwiękowej, czyli mocy akustycznej, jaka powstaje w wyniku zużycia danej mocy elektrycznej. Tak naprawdę bowiem znacznie więcej owej mocy zamieniane jest na ciepło niż dźwięk.

Moc akustyczna, podobnie jak elektryczna, wyrażana jest w watach. Głośnikiem doskonałym byłby taki, który zamieniałby całą dostarczoną mu moc elektryczną na dźwięk, bez marnotrawienia jej na produkcję ciepła, co oznaczałoby, iż z jednego wata mocy elektrycznej uzyskiwalibyśmy jeden wat mocy akustycznej. W rzeczywistości jednak efektywność takiej konwersji jest znacznie niższa – zwykle nie więcej, jak 25 procent w przypadku przetworników ciśnieniowych, i mniej niż 10 procent z głośników z membraną stożkową (jak na ironię podobną efektywnością cechują się żarówki, także w zakresie wytwarzania ciepła!). Całe szczęście, że nie mamy możliwości dotykania cewek głośników podczas pracy!

Stosunek ilości mocy elektrycznej, dostarczonej głośnikowi, do ilości uzyskanej z niej mocy akustycznej nazywamy efektywnością głośnika. Określa ona w procentach jego zdolność do przetwarzania mocy z jednej postaci na drugą. Widzimy teraz wyraźnie, że znacznie więcej sensu ma zwiększanie efektywności przetworników niż ich mocy znamionowej. Tracąc mniej mocy potrzebujemy pobrać jej mniej ze źródła. Niestety niektóre rozwiązania mające na celu zwiększenie mocy głośników tak naprawdę pogarszają ich efektywność, co oznacza, że mimo większej mocy wytwarzają one słabszy dźwięk!

A zatem jest całkowicie możliwe, by głośnik o mniejszej mocy znamionowej okazał się przetwornikiem lepszym, niż taki o mocy wyższej. Jedynym sposobem, by to zauważyć, jest uwzględnienie i porównanie efektywności obu modeli. Jednak parametr ten jest często lekceważony przez nabywców głośników.

WRÓĆMY DO SYSTEMÓW DŹWIĘKOWYCH

Pomówmy teraz na powrót o mocy w systemach dźwiękowych. Generatorami mocy w nich są wzmacniacze i głośniki. Zauważcie, że nie użyłem terminu wzmacniacze mocy. Moc nie jest bowiem wzmacniana, a wytwarzana. Wzmacniacz, którego moc ciągłą określono na 100 watów, robi dokładnie to, o czym mówię – wytwarza 100 watów mocy w trybie ciągłym, tak jak osoba ćwicząca na rowerze treningowym. I choć moc tę mierzy się pod określonym obciążeniem, to jednak jest ona od owego obciążenia całkowicie niezależna.

Mniejsze czy większe obciążenie zupełnie nie wpływa na ilość mocy, jakiej może dostarczyć źródło. 150-konny silnik samochodowy daje nam do dyspozycji taką samą moc bez względu na to, czy jedziemy na pierwszym, czy piątym biegu. Na wstecznym również. Różnica polega na sposobie i warunkach wykorzystania owej mocy, ale – jak to u śp. Jana Kaczmarka – „bilans musi wyjść na zero”. Podobnie jest ze światłem z żarówki 1.000-lumenowej, które jest tak samo jasne wtedy, gdy świeci Słońce, jak i wówczas, gdy wokół panują całkowite ciemności. Zmieniają się więc warunki, a nie parametry.

Specyfikacje techniczne wzmacniaczy zwykle nie podają mocy generowanej, a raczej tę, którą można uzyskać przy określonym obciążeniu, na przykład głośnikiem o impedancji 8 omów. Wartość ta jest zawsze mniejsza niż moc dostępna, przy której wzmacniacz pracuje stabilnie i zapewnia wysoką jakość dźwięku. Ważnym, aczkolwiek często pomijanym, czynnikiem jest też moc, jaką wzmacniacz pobiera z sieci energetycznej. Jedne modele zużywają jej mniej (i są chłodniejsze podczas pracy), inne zaś, zwłaszcza te z gatunku hi-end, wytwarzając zaledwie kilka watów, mogłyby nam służyć także jako piecyki.

O CHARAKTERYSTYKACH GŁOŚNIKÓW

Wartość mocy elektrycznej głośnika jest wskaźnikiem konsumpcji tejże mocy. Inaczej mówiąc, głośnik pobiera moc elektryczną i, poprzez mechaniczny ruch cewki z membraną, przetwarza ją na ciepło oraz dźwięk. Ponieważ bardziej interesuje nas ten drugi produkt, toteż parametrem, który powinien nas zainteresować szczególnie, jest to, ile dźwięku wytworzy nam głoś nik po podaniu mu określonej mocy, a nie to, ile tej mocy można mu dostarczyć. Przetwornikiem idealnym byłby taki, który generowałby dźwięk o pożądanym przez nas natężeniu, nie konsumując przy tym mocy elektrycznej. Ponieważ jednak próżno takiego głośnika szukać, powinniśmy zwracać uwagę przede wszystkim na to, ile owej mocy ulega zmarnotrawieniu.

Moc elektryczna głośnika jest więc miarą jego zdolności do wykorzystania prądu, który podajemy mu na zaciski, ale nie mówi nam tego, jak mocny dźwięk jest on w stanie wytworzyć. Wyższy wataż jest pożądany, ale tylko wówczas, gdy nie osiąga się go środkami powodującymi zmniejszenie skuteczności głośnika. Jest to więc tak, jak ze świetlnością żarówki – najważniejszą cechą głośnika jest jego moc dźwiękowa.

W specyfikacjach technicznych głośników nieczęsto znaleźć można informację o efektywności (ang. efficiency). Zamiast tego zazwyczaj podawana jest ich skuteczność (ang. sensitivity) – wartość ta wyraża poziom dźwięku wytwarzanego przez głośnik w określonym obszarze (kierunkowość), przy zastosowaniu rozwiązań, których zadaniem jest zwiększenie owej skuteczności (tuby, falowody itp.).

Mam nadzieję, że udało mi się przybliżyć Wam relacje pomiędzy pewnymi wielkościami, związanymi z wytwarzaniem i konsumpcją mocy. Wierzę też, że zauważyliście, iż moc wcale nie jest parametrem ostatecznym, który czyni ten czy inny zestaw nagłośnieniowy lepszym. Być może pomoże Wam to w dokonywaniu bardziej świadomych wyborów podczas zakupów sprzętu.

Krzysztof Marecki