Wędrówki po świecie mocy. Moc czy efektywność?

Używanie różnych zwyczajowych określeń wprowadza niekiedy sporo zamieszania, co w pewnych sytuacjach potrafi łatwo wywieść w pole naszą intuicję. W poprzedniej części podjęliśmy próbę znalezienia odpowiedzi na pytanie, skąd bierze się tak wiele kontrowersji wokół tak oczywistego tematu, jakim jest moc. Dziś je dokończymy.

WIĘCEJ MOCY

Jednym z powodów mylnego rozumienia mocy w systemach audio jest takie samo rozumowanie, jakie bardzo często praktykowane jest w odniesieniu do standardowych żarówek oświetleniowych. Moc znamionowa żarówki podawana jest w watach, więc wszyscy intuicyjnie doszukujemy się korelacji pomiędzy liczbą watów i jasnością. Podobna analogia „więcej watów – więcej światła” równie intuicyjnie przenoszona jest do świata systemów nagłośnieniowych. Rzecz w tym, że jeśli uważnie przyjrzymy się informacjom podanym na opakowaniu żarówki, to wśród charakteryzujących ją wielkości znajdziemy coś, co określone zostało jako jasność. Oznacza ona liczbę generowanych lumenów przy wskazanym zużyciu mocy. Możemy więc przyjąć założenie, że podana moc znamionowa wskazuje w tym przypadku ile mocy jest rozpraszane podczas procesu generowania znamionowej jasności.

Dla określenia działania żarówki pod uwagę muszą być brane więc obie wielkości znamionowe. Lepsza żarówka to ta, która pozwala uzyskać więcej lumenów, zużywając mniej mocy, nie lekceważąc przy tym innych ważnych cech, jak na przykład żywotność. Podobne zależności, jak w przypadku zwykłej żarówki oświetleniowej, odnoszą się do głośnika. Producent podaje moc znamionową, która wskazuje ile mocy zużywa głośnik w sposób ciągły, wykonując swoją pracę. Pracą głośnika jest generowanie określonej „ilości” dźwięku, ale w rzeczywistości interesującym nas parametrem jest ilość generowanej mocy akustycznej, będącej efektem zużycia dostarczonej mocy elektrycznej. W rzeczywistości wygląda to tak, że większa część dostarczanej mocy zamieniana jest raczej w ciepło niż dźwięk. Co prawda moc elektryczna i moc akustyczna wyrażane są w watach, ale są to dwie zupełnie różne wielkości.

Idealnym głośnikiem byłby taki, który zamieniałby całą dostarczaną moc elektryczną na moc akustyczną – bez efektu wydzielania się ciepła. W takiej sytuacji jeden wat dostarczonej mocy elektrycznej równałby się jednemu watowi generowanej mocy akustycznej. Niestety, w rzeczywistości wypada to znacznie gorzej! Konwersja mocy elektrycznej w moc akustyczną wciąż jest procesem bardzo nieefektywnym. Uśrednienie danych z różnych źródeł wskazuje, że dla przetworników ciśnieniowych jest to około 25%, a dla membranowych znacznie mniej, bo blisko 10%. Jeśli nawet weźmiemy poprawkę na fakt, że dane, do których dotarłem, pochodzą sprzed kilku lat, i że przez okres tych kilku lat systematycznie wdrażano nowe materiały oraz technologie, to nie sadzę, by przedstawione wielkości były obarczone drastycznym błędem. Paradoksalnie skuteczność głośnika jest bardzo zbliżona do wspomnianej wcześniej żarówki oświetleniowej, w przypadku której większa część dostarczanej mocy zamieniana jest w ciepło. W sumie to chyba dobrze, że nie mamy możliwości potwierdzenia skutków tego procesu organoleptycznie, bo dotknięcie uzwojenia „ciężko pracującego” głośnika okazałoby się bardzo nieprzyjemnym doświadczeniem...

EFEKTYWNOŚĆ

Proporcję dostarczonej mocy elektrycznej do generowanej mocy akustycznej, nazywamy efektywnością głośnika. Wskazuje nam ona ile procent z dostarczonej mocy elektrycznej konwertowane jest w moc akustyczną. Jeśli przez chwilę się nad tym zastanowimy, to szybko zorientujemy się, że o wiele większy sens ma dążenie do zwiększania efektywności głośnika, niż zwiększanie jego możliwości przenoszenia mocy, bo jeśli mniej mocy elektrycznej tracimy, to tym samym możemy jej mniej dostarczać ze źródła. Zwiększanie zdolności do „przerzucania” coraz większej ilości mocy elektrycznej nie ma w rzeczywistości wpływu na polepszenie skuteczności głośnika, a tym samym nie wpływa znacząco na ilość generowanej mocy akustycznej. Z uwagi na powyższe, nie ma nic dziwnego w tym, że głośnik o niższej mocy znamionowej jest w rzeczywistości lepszym przetwornikiem, niż głośnik o wyższej mocy znamionowej. Parametrem, który pozwala to stwierdzić jest właśnie efektywność – choć jest to parametr, któremu poświęca się mniej uwagi, niż mocy znamionowej.

WZMACNIACZE

Wróćmy ponownie do systemów nagłośnieniowych. W ich przypadku źródłami generowanej mocy są zarówno wzmacniacze, jak i głośniki. Celowo unikam tu powszechnie stosowanego określenia „wzmacniacze mocy”. Moc nie jest wzmacniana, a wyłącznie generowana. Wzmacniacz o znamionowej mocy 100 W, którą może generować w sposób ciągły – bez ryzyka uszkodzenia komponentów wskutek ich przegrzania – będzie się zachowywał tak, jak go zaprojektowano. Będzie generował 100 W mocy tak, jak człowiek na rowerze treningowym, z przykładu omówionego w poprzedniej części. Ilość, czy raczej zdolność wygenerowania określonej mocy przez dane źródło jest niezależna od obciążenia, a skoro tak, to można w tym miejscu postawić pytanie, dlaczego moc wzmacniaczy mierzona jest dla określonego obciążenia?

Większe lub mniejsze obciążenie nie ma wpływu na zdolność źródła do generowania mocy. Jeżeli mamy pojazd, którego silnik skonstruowano tak, że może on generować 240 koni mechanicznych, to bez względu na to, czy pojazd ten toczy się z górki, czy jedzie pod górę, oraz niezależnie od przewożonego ładunku, jego silnik zdolny jest do wygenerowania wyłącznie 240 koni mechanicznych i ani jednego więcej. Oczywiście bardziej prawdopodobnym jest, że maksymalną moc wykorzysta on jadąc pod górę, z pełnym ładunkiem.

Jeżeli ten przykład nie jest dość przekonywający, to przypomnijmy sobie wspomnianą wcześniej żarówkę oświetleniową. Zaprojektowana by, przykładowo, generować znamionowe 1.000 lumenów, będzie generować 1.000 lumenów – zarówno w słoneczny dzień, jak i w otoczeniu kompletnych ciemności. W przypadku wzmacniaczy ich specyfikacja zwykle nie uwzględnia w pełni dostępnej mocy, ale moc generowaną dla specyfikowanego obciążenia, jakim jest przykładowo 8-omowy głośnik. Wielkość ta jest zwykle mniejsza w odniesieniu do mocy, którą jest w stanie wygenerować wzmacniacz, a to dlatego, by zapewnić stabilne działanie i określoną żywotność. Istotne znaczenie ma również moc, jaką wzmacniacz pobiera ze źródła zasilania, choć ta w różnych specyfikacjach jest często bardzo ogólnikowo traktowana. Pewne typy wzmacniaczy „konsumują” mniej mocy, a ich temperatura pracy jest stosunkowo niska. Inne, generując zaledwie kilkadziesiąt watów, rozgrzewają się do temperatur porównywalnych z grzejnikami w mieszkaniu.

GŁOŚNIK

W przypadku głośnika elektryczna moc znamionowa jest odzwierciedleniem zużycia. Dostarczaną moc elektryczną głośnik konwertuje na ciepło oraz dźwięk, wykonując ruch mechaniczny. Ponieważ interesuje nas przede wszystkim dźwięk, to chcielibyśmy wiedzieć, ile dźwięku uzyskamy z dostarczonej mocy elektrycznej, a nie ile mocy elektrycznej możemy dostarczyć, by nie uległ on uszkodzeniu. Idealny głośnik dostarczałby oczekiwaną ilość dźwięku bez tracenia mocy. Z uwagi na fakt, że jest to niemożliwe, gdyż taki głośnik nie istnieje, konieczne jest określenie zdolności głośnika do generowania rzeczywistych strat. Elektryczna moc znamionowa głośnika nie jest więc miarą generowanego dźwięku, a raczej miarą zakresu ograniczenia strat.

Zwiększanie możliwości przetwarzania przez głośnik coraz większej mocy elektrycznej jest założeniem dobrym pod warunkiem, że odbywa się to metodą, która nie wpływa na zmniejszenie efektywności głośnika. Analogicznie jak ilość generowanych lumenów w przypadku przykładowej żarówki – ilość generowanej przez głośnik mocy muzycznej jest najważniejszym z charakteryzujących go parametrów. Równie ważnym, co moc akustyczna, parametrem charakteryzującym głośnik jest jego efektywność (ang. efficiency). Niestety, próżno szukać go w wielu specyfikacjach. Zamiast tego producenci bardzo chętnie prezentują czułość (ang. sensitivity) – ograniczając się do podania liczby wyrażającej poziomy dźwięku kierowanego do ograniczonego obszaru (czyli kierunkowość), a także transfer w powietrze zwiększany za pomocą falowodów, tub oraz innych rozwiązań konstrukcyjnych obudów.

NA ZAKOŃCZENIE

powiedzmy sobie wprost jeszcze jedną rzecz. Każdy producent stara się sprzedać to, co wyprodukował, i stara się, by sprzedać tego jak najwięcej (i jak najdrożej). Dlatego próbuje zainteresować tym, co wyprodukował, jak największą liczbę potencjalnych klientów. Niektórzy producenci korzystają z armii fachowców od reklamy i marketingu, by uśpić czujność naszej intuicji i pobudzić wyobraźnię, która zasugeruje nam, że tylko ten, a nie żaden inny produkt spełni nasze oczekiwania. Są to często powszechnie znane „sztuczki”, o których wiemy i na które po raz kolejny dajemy się nabierać przy zakupie tego lub innego urządzenia. Jesteśmy bardzo podatni na różnego rodzaju sugestie! Jeśli jeszcze do tego sami pobudzamy własną wyobraźnię, zamiast zasięgnąć rzeczowych informacji i „na chłodno” zastanowić się przez moment, że być może to, co wydaje się absurdalnym, w rzeczywistości jest absurdalne, to wręcz dopominamy się sami, by nami manipulowano, a fachowcy od manipulowania rzeczywistością potrafią dokonywać cudów z wyobraźnią klienta!

Jeśli ktoś chce mieć w bagażniku swojego auta system nagłośnieniowy o mocy 10 kilowatów, to bez problemu znajdzie handlowca, który mu taki system sprzeda. Będzie dumny, że wozi ze sobą 10 kilowatów – czyli więcej niż zainstalowano w pubie, w którym bywa. Rzecz w tym, że stwierdzenie „10 kilowatów” jest tylko magią słów działających na wyobraźnię, bo w rzeczywistości niewiele z nich wynika. Podawane w specyfikacjach wielkości potwierdzają imponujące możliwości niektórych wzmacniaczy i głośników – ale czy aby na pewno? Przemilczane warunki pomiarów, w których wielkości te uzyskano, świadczyć mogą wyłącznie o tym, że kryją się za nimi nie do końca uczciwe intencje. Ktoś powiedział, że przemilczenie pewnych faktów nie jest kłamstwem, ale, jak by na to nie spojrzeć, ze względów etycznych nie jest to w pełni uczciwe. Etyka biznesu? To może być całkiem niezły temat do kolejnych rozważań...

Marek Witkowski