Moc w urządzeniach audio - Dobór wzmacniaczy do zestawów głośnikowych

Wynik owego mnożenia woltów przez ampery stanowi najwyższą wartość, jaką można scharakteryzować wzmacniacz.

W przypadku wzmacniacza idealnego wystarczyłoby pomnożyć stałe napięcie na zaciskach przez maksymalny prąd, jaki można przesłać do czysto rezystancyjnego obciążenia. Niestety, rezultat takiego działania mógłby mieć znaczenie wyłącznie dla wyników sprzedaży. Należy tu bowiem uwzględnić rzeczywiste warunki, w jakich wzmacniacz będzie działał. Jakie więc czynniki powodują redukcję idealnej mocy wyjściowej?

Po pierwsze żaden wzmacniacz audio nie jest projektowany tak, by do przyłączonego obciążenia dostarczać prąd o stałym napięciu i natężeniu. Gdyby taki sygnał został doprowadzony do głośnika, oznaczałoby to dla niego wyrok śmierci i szybką egzekucję! Głośniki pracują wyłącznie wtedy, gdy zasilamy je prądem zmiennym. Owszem, możliwe jest pulsacyjne dozowanie prądu stałego, w rezultacie czego powstawałaby fala kwadratowa, ale zupełnie nie przypominałaby ona rzeczywistego przebiegu sygnału audio. Wydajność wzmacniaczy cechuje się więc w oparciu o ich zdolność do przetwarzania fali sinusoidalnej.

Dostarczenie do głośnika sygnału o przebiegu sinusoidalnym sprawia, że membrana przetwornika zaczyna poruszać się równomiernie w przód i w tył, niczym tłok w cylindrze silnika samochodowego. Fale sinusoidalne są falami o tylko jednej częstotliwości, ale połączone tworzą przebiegi znacznie bardziej złożone. Ponieważ standardowy system dźwiękowy musi przetwarzać sygnały o tysiącach różnych częstotliwości, toteż do pełnego scharakteryzowania możliwości wzmacniacza należałoby użyć wielu fal sinusoidalnych jednocześnie. Inna metoda polega na badaniu parametrów urządzenia przy użyciu pojedynczej fali sinusoidalnej o częstotliwości 1 kHz, z uzupełnieniem wyników o informację o tym, jak bardzo wyniki te zmieniają się na przestrzeni całego przetwarzanego przez wzmacniacz spektrum.

Pasmo mocy o wskaźniku -3 dB oznacza, że moc wyjściowa gwarantowana przez wzmacniacz będzie mniejsza o połowę od tej zmierzonej dla 1 kHz. Wydawać by się więc mogło, że różnica jest znacząca, ale sprawa wygląda o wiele lepiej, jeśli weźmiemy pod uwagę, że czułość ludzkiego słuchu ma charakterystykę logarytmiczną. Zmniejszenie mocy o połowę jest co najwyżej zauważalne w zakresie głośności dźwięku.

A zatem przyjmijmy, że wzmacniacze będziemy badać przy użyciu sygnału sinusoidalnego. Czyli 500-watowy wzmacniacz powinien dostarczyć do głośnika moc 500 W, tak? Owszem, ale tylko wówczas, gdy podawany sygnał będzie czystą sinusoidą. W praktyce jednak przepływ mocy jest o wiele mniejszy. Wynika to ze złożoności sygnałów, jakie wytwarzają urządzenia audio, stosowane w realistycznych warunkach.

Dźwięki generowane przez zestaw perkusyjny czy wokalistę zupełnie nie przypominają fal sinusoidalnych. Są od nich w oczywisty sposób zupełnie różne. Zanim więc przejdziemy dalej, pomówmy o charakterystykach opisujących zmienność napięcia elektrycznego w czasie.

CZAS

Na rysunku przedstawiona jest fala sinusoidalna, jako wykres w funkcji czasu. Widać na nim, że amplituda napięcia (wzrost i opadanie w osi pionowej) pozostaje w związku z upływem czasu. Pytanie tylko, w jak ścisłym? Jakie napięcie, a w związku z tym jaką moc generuje taki przebieg sinusoidalny? Jednym ze sposobów odpowiedzi na te pytania jest pomiar napięcia w punkcie najbardziej oddalonym od osi reprezentującej wartość zerową. Jest to punkt odpowiadający szczytowej wartości napięcia sygnału, największej, jaką możemy uzyskać. Niestety, owa wartość szczytowa ma niewiele wspólnego z głośnością dźwięku i mocą.

Wcześniej mówiliśmy, że ilość generowanej mocy jest parametrem związanym z upływem czasu. Wartość szczytowa może mieć wysoką amplitudę, jednocześnie jednak trwając zbyt krótko, by zapewnić przepływ dużej mocy. Moc jest nierozerwalnie związana z wartością RMS danego przebiegu. Wartość RMS napięcia można zobrazować jako obszar poniżej krzywej opisującej przebieg. Jest to numeryczny odpowiednik napięcia stałego, przy którym ilość ciepła wygenerowanego w określonym czasie byłaby taka sama. Tę wartość cieplną musimy uwzględniać podczas szacowania przepływu mocy oraz głośności.

Wartość RMS napięcia określamy poprzez podniesienie do kwadratu wszystkich wartości amplitudy (co spowoduje, że przyjmą one wartości dodatnie), a następnie je uśredniając. Moc z kolei kalkulujemy podnosząc wyliczoną wartość RMS napięcia do kwadratu i dzieląc wynik przez rezystancję obciążenia. W ten sposób obliczamy średnią moc ciągłą. Dla fali sinusoidalnej (i tylko w jej przypadku) napięcie RMS równe jest 0,707 napięcia szczytowego. Oznacza to, iż fala sinusoidalna generuje w tym samym czasie moc o połowę mniejszą niż napięcie stałe.

Przyjmując hipotetyczne napięcie DC jako punkt odniesienia, możemy stwierdzić, że fala sinusoidalna cechuje się 3-decybelowym współczynnikiem kształtu (ang. crest factor). Tym samym moc szczytową wzmacniacza generującego 500 watów mocy dla przebiegu sinusoidalnego można określić jako 1.000 watów. Czemu więc nie możemy powiedzieć, że jego moc wynosi właśnie 1.000 watów?

Istnieje ku temu kilka powodów, w tym taki, iż większość wzmacniaczy nie jest w stanie utrzymać poziomu szczytowego przez dłuższy czas. Ponadto mało prawdopodobnym jest, by jakikolwiek sygnał audio zachowywał poziom szczytowy na dłuższym odcinku czasu. A ponieważ moc jest pochodną pracy, toteż niemożliwe jest jej rozpatrywanie w oderwaniu od czynnika czasu.

Poziom RMS typowego sygnału audio jest znacznie niższy, niż w przypadku fali sinusoidalnej, nawet gdy poziomy szczytowe są takie same. Niższa wartość RMS oznacza większy współczynnik kształtu, a to z kolei równoznaczne jest z doprowadzeniem mniejszej mocy do obciążenia. Jedna z metod określenia mocy, jakiej dostarcza przebieg złożony, polega na zmierzeniu mocy szczytowej, w oparciu o napięcie szyny stałonapięciowej jako punktu odniesienia, a następnie pomniejszeniu otrzymanej wartości o współczynnik kształtu.

Dla przykładu, szczytowa moc wyjściowa wzmacniacza generującego 500 watów średniej mocy ciągłej dla fali sinusoidalnej jest teoretycznie o 3 dB wyższa – w tym przypadku będzie to 1.000 watów. Bazując na tych wartościach jako punkcie odniesienia możemy odjąć współczynnik kształtu, charakterystyczny dla rzeczywistych sygnałów audio. Poniżej przedstawiamy typowe zależności, wyrażone w decybelach:

0 dB – wartość odniesienia
-3 dB – połowa wartości mocy
-6 dB – ćwierć wartości mocy
-10 dB – jedna dziesiąta wartości mocy
-20 dB – jedna setna wartości mocy

Te wartości będą nam przydatne podczas określania mocy generowanej przez różnego rodzaju sygnały audio, w oparciu o charakterystyczny dla nich współczynnik kształtu. Nasz hipotetyczny wzmacniacz 1.000-watowy jest zdolny do wygenerowania mocy 500 watów wyłącznie dla fali sinusoidalnej, natomiast w przypadku sygnału o współczynniku kształtu 6 dB (mocno skompresowana muzyka) będzie to już tylko 250 W, 100 watów dla sygnału o 10-decybelowym crest factor (muzyka lekko skompresowana) i zaledwie 1 wat w przypadku współczynnika kształtu o wartości 20 dB (muzyka nieskompresowana). Widać wyraźnie, że w warunkach rzeczywistej pracy wzmacniacz, który dla przebiegu sinusoidalnego generuje 500 watów mocy, dostarcza do głośników zaledwie niewielki jej ułamek.

Co z tego wynika? Po pierwsze, jeżeli głośnik jest w stanie w bezpieczny sposób konsumować moc ciągłą o wartości 100 watów, to wzmacniacz, który mu owe 100 watów dostarczy, musi być odpowiednio mocniejszy. Dzieje się tak dlatego, że wzmacniacze są cechowane przy użyciu sygnałów sinusoidalnych, które implikują generowanie znacznie większej mocy, niż typowe muzyczne sygnały audio. Jeśli więc przyjmiemy 10-decybelowy współczynnik kształtu, to aby wzmacniacz dostarczył 100 watów mocy do obciążenia, musiałby mieć moc szczytową na poziomie 1.000 watów. Taką nadwyżkę mocy nazywa się z angielska headroom. Dlatego też powszechną praktyką jest zasilanie głośników wzmacniaczami o relatywnie wyższej mocy.

Należy jednak pamiętać, że jeśli do owego wzmacniacza 500-watowego podany zostałby sygnał o mniejszym współczynniku kształtu (np. sygnał sinusoidalny), to najprawdopodobniej skończyłoby się to spaleniem głośnika, ponieważ moc dostarczana przez wzmacniacz byłaby zbyt wysoka. A więc, inaczej mówiąc, dobrze jest, jeśli wzmacniacz ma odpowiedni zapas mocy dla sygnałów o dużym współczynniku kształtu, ale jednocześnie musimy mieć pewność, że nie zostanie doń podany sygnał o współczynniku na tyle małym, że spowoduje spalenie głośnika.

Podsumujmy. Efektywność głośnika określa ciśnienie akustyczne, jakie wytwarza on w odległości 1 metra, po podaniu doń sygnału o mocy 1 wata (2,83 VRMS na ośmiu omach). Innymi słowy, jeśli zasilimy głośnik 1-watowym sygnałem, to wytworzy on SPL o określonej wartości, zmierzonej metr od niego. Moc wzmacniacza, który dostarczy owej mocy głośnikowi uzależniony jest od współczynnika kształtu danego sygnału. Jeśli zastosujemy regułę 10 dB, to moc szczytowa sygnału powinna wynosić 10 watów. Jeżeli te same proporcje przeniesiemy na głośnik o mocy 100 watów, to wyjdzie nam, że zasilający go wzmacniacz powinien mieć moc szczytową równą 1 kilowatowi. Z uwagi jednak na to, że wzmacniacze cechuje się zazwyczaj przy użyciu fali sinusoidalnej, łatwo obliczyć, iż moc ciągła takiego wzmacniacza będzie wynosiła połowę szczytowej, a więc 500 watów. Tym samym wychodzi nam, że jeśli materiał muzyczny ma współczynnik kształtu równy 10 dB, to do pełnego wysterowania głośnika o mocy 100 watów potrzebny nam będzie wzmacniacz o mocy ciągłej 500 watów. Nie gubicie się?

ZWRACAJ UWAGĘ NA WSPÓŁCZYNNIK KSZTAŁTU

A zatem, w jaki sposób obliczyć współczynnik kształtu dla danego materiału muzycznego? W końcu to od niego zależy docelowa moc wzmacniaczy i jej przepływ do głośników. Można to zrobić dwoma sposobami. W przypadku nagrań metoda jest szybka i prosta. Wystarczy otworzyć dany plik dźwiękowy w edytorze audio, zaznaczyć odpowiedni fragment, po czym użyć funkcji „statystyki”. W ten sposób powinniśmy uzyskać informację o współczynniku kształtu sygnału w danym fragmencie.

O wiele trudniej jest, jeśli chodzi o muzykę wykonywaną na żywo. Tu posłużyć się trzeba miernikiem, który potrafi mierzyć i wyświetlać poziom szczytowy i RMS jednocześnie. Takie narzędzie pozwala monitorować crest factor w czasie rzeczywistym. Jeżeli przyrząd skalibrowany jest w taki sposób, że punkt sygnalizacji poziomu szczytowego pokrywa się z punktem, w którym system audio zaczyna się przesterowywać, wówczas niższe wskazanie (czyli poziom RMS) będzie skorelowane z poziomem generowanej mocy. Dzięki temu operator systemu będzie mógł obniżyć poziom sygnału wyjściowego, gdy poziom RMS stanie się zbyt wysoki.

Trzecią drogą jest stosowanie zasady współczynnika kształtu. Dla częstotliwości wysokich i średnich zawiera się on zwykle w granicach od 6 do 10 dB, zmniejszając ku dołowi pasma, w którym rezydują zbliżone kształtem do sinusoidy dźwięki syntezatorów czy też gitary basowej. Oznacza to, iż moc dostarczana do zestawów średnio-wysokotonowych powinna wynosić jedną czwartą do jednej dziesiątej mocy szczytowej wzmacniaczy, a dla zestawów niskotonowych jedną drugą. Zdyscyplinowany operator systemu nagłośnieniowego może bez większego zagrożenia użyć mocniejszych wzmacniaczy (mocniejszych w stosunku do mocy głośników), o ile tylko będzie stale monitorował poziomy szczytowe i RMS. Należy też pamiętać, że kompresory i limitery powodują redukcję współczynnika kształtu, co oznacza, że do obciążenia może trafić więcej mocy. Również z tego powodu stałe monitorowanie poziomów ma zasadnicze znaczenie.

WNIOSKI

Najważniejszym wniosek jest taki, iż o przepływie mocy ze wzmacniacza do głośnika decyduje szereg rozmaitych czynników, a zrozumienie podstawowych zależności pozwoli nam nie przekroczyć ograniczeń posiadanego sprzętu. Cóż nam bowiem z danych technicznych, gdy z głośników wydobywa się dym?

Artykuł ten nie miał być w założeniach gotową receptą na dobór wzmacniaczy i głośników. Jego zadaniem było jedynie zapoznanie Was z czynnikami, z których istnienia powinien zdawać sobie sprawę projektant systemu dźwiękowego. Jak widzicie, jest się nad czym głowić.

Krzysztof Marecki