Temat powracający na forum sukcesywnie, tutaj przejrzyście opisany:
Tematyka artykułu: Podstawowe zależności dotyczące mocy w odniesieniu do sprzętu elektroakustycznego. Moc sygnału muzycznego, moc kolumn, moc wzmacniacza. Podstawowe zjawiska i kryteria dobierania parametrów urządzeń.
Autor: Grzegorz Swiniarski
Moc jest dla wielu osób wyznacznikiem jakości i klasy sprzętu. Niejednokrotnie spotyka się twierdzenia, jakoby każdy poważny miłośnik muzyki posiadał co najmniej 100-watowe kolumny. Westchnienia pełne podziwu wzbudzają dane techniczne, w których podane są wartości rzędu 200 lub 300W. W chwili zetknięcia z nowym wzmacniaczem czy też nowymi kolumnami, pierwsze pytanie najczęściej dotyczy mocy. Na pozór sytuacja jest prosta, im większa moc tym lepiej. 100 W musi być lepsze od 50W. Czy może być cokolwiek prostszego i bardziej zrozumiałego? Spróbujmy wspólnie zastanowić się nad tym zagadnieniem.
MOC DŹWIĘKU
Najlepiej zacząć od końca, czyli nie od wzmacniacza i nie od kolumn, ale od tego co dzieje się w pokoju i co dochodzi do naszych uszu. Stykając się na codzień ze 100-watowymi żarówkami, 1000-watowymi dmuchawami, gotowi jesteśmy uznać 10W za mało imponującą wielkość. Dźwięk o takiej mocy akustycznej nie tylko ogłuszyłby słuchacza, ale mógłby również zagrozić trwałości wielu przedmiotów i sprzętów, a być może nawet budynków. Instrumentem muzycznym będącym w stanie przekroczyć tę barierę, i to tylko przez bardzo krótkie odcinki czasu w najgłośniejszych szczytowych momentach, są organy. Nie trzeba zbyt wielkiej wyobraźni aby uświadomić sobie jaki efekt może przynieść umieszczenie tak potężnego źródła dźwięku w zwykłym mieszkalnym pomieszczeniu.
Moce dźwięku w zastosowaniach domowych są oczywiście mniejsze. Przykładem, który łatwiej odnieść do możliwości zestawów hi-fi jest fortepian. Instrument ten ma całkiem pokaźne możliwości. Pianista grający w zwykłym mieszkalnym pokoju bez trudu mógłby wytworzyć dźwięki o poziomie nieprzyjemnie wysokim dla słuchaczy, jednak miałby on bardzo małe szanse przekroczyć pół wata mocy akustycznej. Średnia moc głosu ludzkiego w trakcie normalej rozmowy to około 0,00002 do 0,00003 wata, a śpiewak basowy jest w stanie wydobyć z siebie maksymalnie 0,03W. Te kilka liczb powinno uzmysłowić nie tylko z jakimi mocami mamy do czynienia, ale również daje pewne wyobrażenie jak duża jest rozpiętość pomiędzy dźwiękami cichymi a głośnymi.
Oczywiście wszystkie podane liczby bardzo różnią się od tych spotykanych w instrukcjach obsługi, prospektach czy testach. Co dzieje się z owymi dziesiątkami czy też nawet setkami watów dostarczanych przez wzmacniacze? Mówiąc najkrócej, zostają zmarnowane. Zdecydowana większość tego co dociera do kolumny zostaje zamieniona na ciepło w cewkach głośników i w elementach zwrotnicy. Tylko drobna cząstka zostanie zaś wypromieniowana w postaci fal akustycznych.
SKALA SPRAWNOŚCI
Najbardziej sprawne głośniki tubowe są w stanie zamienić na dźwięk aż 20% mocy elektrycznej dostarczonej ze wzmacniacza. Nawet 3 lub 5-watowy wzmacniacz może w takim przypadku zapewnić wysokie poziomy dźwięku w dużym pokoju. Takie zestawienia sprzętu nie są tylko teoretyczną możliwością, ale praktycznym rozwiązaniem stosowanym przez część audiofili. Do ekstremum doprowadzili tę ideę miłośnicy High-Endu adaptujący strychy swoich domów tylko po to, by zmieściła się tam tuba odpowiednio duża dla przeniesienia najniższych częstotliwości. W sposób bardziej praktyczny, poprzez zwinięcie tuby, rozwiązało ten problem kilku producentów jak Klipsch czy Lowther. Ich produkty, choć dość pokaźnych rozmiarów, dają się ustawić w normalnych mieszkaniach.
Następna grupa to największy sektor rynku, czyli tradycyjne kolumny o obudowie zamkniętej lub typu bass-reflex. W tej klasie w energię akustyczną udaje się zamienić maksymalnie do 2% ale w przypadku kolumn o wyjątkowo niskiej sprawności wartość ta spada nawet do 0,1%. W opisach urządzeń i w prospektach nie podaje się jednak sprawności liczonej w procentach a efektywność (często zamiennie używa się też terminu skuteczność) głośników, n.p. 90dB/1W/1m. Kolumny, o których mówimy w tym miejscu mają efektywności od nieco ponad 80dB do niespełna 95dB (20-krotne zwiększenie sprawności jest równoznaczne ze wzrostem efektywności o 13dB). Znakomita większość kolumn ma efektywność w zakresie od 86 do 92dB. Jeśli dwukrotne zwiększenie mocy wyrazimy w decybelach to wyniesie ono niemal dokładnie 3dB. Powiedzmy, że wykorzystując 60-watowy wzmacniacz i kolumny o efektywności 86dB użytkownik osiąga satysfakcjonujące poziomy dźwięku. Po zamianie kolumn na model o efektywności 89dB ten sam efekt będzie można uzyskać przy pomocy wzmacniacza 30-watowego. Jak zapewne wszyscy się już zorientowali kolejne zwiększenie efektywności kolumn do 92dB pozwoli na kolejne, dwukrotne zmniejszenie mocy wzmacniacza do 15W.
Potencjalni użytkownicy kolumn elektrostatycznych, jako bardziej zaawansowani, zapewne znają te zależności, jednak dla porządku trzeba wspomnieć, że zazwyczaj są to kolumny o niewielkiej sprawności. Najczęściej mają one efektywności podobne do mało skutecznych kolumn tradycyjnych, a czasami nawet mniejsze.
Jak dotąd o samej mocy nie powiedzieliśmy prawie nic, ale powinno być już oczywiste, że duża moc nominalna nie jest równoznaczna z dużą głośnością. Ponadto od rodzaju kolumn zależy zapotrzebowanie na wielkość dostarczanych mocy. Można sobie wyobrazić użytkownika, który jest niezadowolony z poziomów dźwięku osiąganych przez jego zestaw sprzętu. Kierując się wyłącznie parametrami mocowymi osoba taka mogłaby zamienić kolumny na model o dwukrotnie większej mocy nominalnej i jednocześnie o efektywności mniejszej o 3dB nic nie zyskując na możliwościach głośnościowych. Co więcej, wzmacniacz mógłby mieć kłopoty z wysterowaniem nowych, mniej sprawnych głośników.
MUZYKA
Znajomość charakteru sygnału muzycznego ma zasadnicze znaczenie przy projektowaniu sprzętu hi-fi. Dla zrozumienia i określenia potrzeb mocowych jest to również niezbędne.
Nawet bez większej wiedzy teoretycznej każdy uważny obserwator stwierdzi zapewne, że większość dźwięków muzycznych leży w zakresie niskich i średnich tonów. W muzyce rockowej maksimum wydzielanej mocy leży zwykle poniżej 1000Hz, czyli w zakresie wyższych dźwięków gitary. Co bardzo ważne, w okolicach 10kHz moce sygnału muzycznego mogą być - i zazwyczaj są - kilkadziesiąt razy mniejsze. W nagraniach klasycznych maksimum przypada na niższych częstotliwościach, najczęściej ok. 500Hz, a spadek na wysokich tonach jest jeszcze szybszy. Jak widać zapotrzebowanie na moc na najwyższych częstotliwościach jest znacznie mniejsze od zapotrzebowania całkowitego.
Druga ważna właściwość muzyki to jej zróżnicowanie dynamiczne. Nie chodzi tu jednak o różnicę poziomu między partiami cichymi a głośnymi (choć i to jest ważne), lecz o odstęp pomiędzy poziomem średnim a poziomem osiąganym w szczytach. O subiektywnym poczuciu głośności decyduje średnia moc dźwięku. Jednak przez krótkie ułamki sekund wartość średnia jest przekraczana nawet dziesięciokrotnie, a w niektórych współczesnych nagraniach cyfrowych ta rozpiętość jest jeszcze większa. Jest rzeczą całkiem naturalną, że średnia moc dostarczana przez wzmacniacz wynosi ułamki wata przy cichym słuchaniu, lub kilka watów przy głośnym. Przy średniej mocy np. 3W moc szczytowa osiąga 30W. Jeśli szczyty sygnału są obcięte nie zmienia to wrażenia głośności. Do pewnego stopnia takie zniekształcenia są tolerowane przez ucho. Dopiero przy bardzo ostrym obcięciu szczytów dźwięk staje się szorstki i zniekształcony. Wcześniej objawy są bardziej subtelne i przybierają postać utraty naturalności brzmienia.
KOLUMNY
Moc, którą mogą przyjąć kolumny nie ulegając uszkodzeniu jest wielkością zmienną. Wynika to ze sposobu nagrzewania się poszczególnych elementów głośnika. Kiedy rozpoczynamy odtwarzać muzykę cewka głośnika nagrzewa się bardzo szybko. Pozostałe części są chłodne i ze względu na większą masę nagrzewają się zdecydowanie wolniej. Dopóki metalowe części głośnika są zimne, chłodzenie cewki jest lepsze. Po długim okresie głośnego słuchania elementy wokół cewki ulegają podgrzaniu i nie odbierają ciepła z cewki tak dobrze. Powoduje to zmniejszenie maksymalnej mocy, którą mogą przyjąć kolumny. Warto o tym pamiętać w czasie głośnej prywatki, kiedy goście chcą po raz piąty głośniej posłuchać przeboju wieczoru.
Wiele osób sądzi, że kolumny są w stanie przyjąć dowolny sygnał nie przekraczający mocy nominalnej, czy też maksymalnej zalecanej mocy wzmacniacza. Nic bardziej błędnego. Konstruktorzy kolumn doskonale znają zależności dotyczące sygnału muzycznego i biorą je po uwagę. Jest to okoliczność, która bardzo ułatwia projektowanie zestawów głośnikowych. Kolumny, które czysto odtworzą z mocą 50W najgłośniejsze szczyty w finałowej części Bolera, mogą zostać uszkodzone przez sygnały o skromniejszych mocach.
Dwie sytuacje mogą stanowić niebezpieczeństwo. Po pierwsze gdy sygnał skupiony jest na wysokich tonach. Małe głośniki wysokotonowe mają skromne możliwości oddawania ciepła i przez to skromne moce maksymalne. Duże zawartości wysokich tonów mają sygnały impulsowe, niektóre sygnały spotykane na płytach testowych, dźwięki o silnie obciętych szczytach. Oczywiście można też bez trudu wytworzyć taki sygnał z pomocą każdego pospolitego generatora częstotliwości akustycznych.
Po drugie, gdy moc średnia jest zbyt bliska mocy maksymalnej. Konstruktorzy kolumn mają prawo sądzić, że jeśli maksymalna moc doprowadzana do kolumn wyniesie 100W i taka jest maksymalna zalecana moc wzmacniacza, to moc średnia nie przekroczy 10W. Nawet jeśli przyjęty zostanie pewien margines bezpieczeństwa, to 30W może być niebezpieczne dla takich głośników.
WZMACNIACZE
Moce, nawet jeśli według prospektów są jednakowe, mogą być zasadniczo różne. Po pierwsze polityka producentów jest zróżnicowana i niektórzy podają dane techniczne bardzo ostrożnie, ich produkty spełniają je ze sporym zapasem. Nie będzie więc niczym niezwykłym jeśli dwa wzmacniacze zostaną opisane jako 50-watowe, a w rzeczywistości jeden będzie oddawał moc 52W, drugi zaś 70W.
Biorąc pod uwagę charakter sygnału muzycznego łatwo przewidzieć, że korzystnym zjawiskiem byłaby nadwyżka mocy szczytowej nad mocą średnią. Parametr taki (dynamic headroom, podaje się go w decybelach) jest nieraz przytaczany i oczywiście im większy tym lepiej. Jego duża wartość pozwala obniżyć wymagania co do mocy nominalnej wzmacniacza.
Sposób w jaki wzmacniacze obcinają sygnał przy przesterowaniu nie jest jednakowy. W szczególności wzmacniacze lampowe zachowują się pod tym względem korzystnie.
Najważniejszą cechą jest jednak duża elastyczność, czyli zdolność wzmacniacza do dostarczania dużych prądów. Używając pokrętła regulatora głośności wcale nie ustawiamy mocy wyjściowej wzmacniacza, a w każdym bądź razie, nie bezpośrednio. Wielkością zmienianą przez użytkownika jest napięcie. Podobnie jak dwie żarówki, jedna 25-watowa a druga 100-watowa pobierają z gniazdka o takim samym napięciu różne prądy (a w konsekwencji różne moce), tak samo różne kolumny mogą pobrać różne prądy (i moce) z takiego samego wzmacniacza przy jednakowy ustawieniu wzmocnienia i identycznym źródle. Co więcej ta sama kolumna inaczej zachowuje się w poszczególnych zakresach częstotliwości. Dla pewnych częstotliwości impedancja może wynosić 20 omów , a dla innych 5 omów. Jeśli kolumna nominalnie 8-omowa ma minimalną impedancję 6omów, to zakłada się, że jest to sytuacja korzystna.
Idealny wzmacniacz powinien podwoić prąd wyjściowy przy dwukrotnym spadku impedancji kolumn, zwiększyć prąd czterokrotnie przy czterokrotnym spadku impedancji kolumn i.t.d. Innymi słowy wzmacniacz 50-watowy przy obciążeniu 8 omów powinien być jednocześnie 100-watowy przy obciążeniu 4 omów. Ideały w technice nie istnieją, ale im urządzenie jest im bliższe, tym lepiej. Ze względu na zróżnicowanie impedancji kolumn, nawet nominalnie jednakowych, jest to cecha bardzo przydatna.
PRZYKŁADY
Najpierw weźmy pod uwagę kombinację wzmacniacza 50W z kolumnami 100W. Mimo znacznej nadwyżki mocy kolumn, istnieje sporo różnych możliwości ich uszkodzenia. Jak wspominałem konstruktorzy głośników doskonale zdają sobie sprawę z charakteru sygnału muzycznego. W takim zestawieniu wzmacniacz jest wystarczająco mocny aby zniszczyć głośnik wysokotonowy, i prawie na pewno będzie w stanie dostarczyć średniej mocy wystarczającej dla uszkodzenia kolumn. Potencjalne niebezpieczeństwo leży w tym, że wzmacniacz może zniekształcać sygnał, a użytkownik nie będzie tego świadom.
W sytuacji odwrotnej wzmacniacz również może dostarczyć średniej mocy wystarczającej dla uszkodzenia kolumn. Zasadnicza różnica polega na tym, że w tym przypadku sygnał docierający do kolumn jest sygnałem niezniekształconym z zachowaniem normalnej dynamiki (odstęp między średnią a szczytami) i bez sztucznego uwypuklenia wysokich częstotliwości (typowy efekt przy obcinaniu sygnału). W rezultacie, zanim kolumny zostaną zagrożone powinniśmy bez trudu wyłowić "na ucho", że coś jest nie w porządku. Duża moc wzmacniacza zwiększa ryzyko tylko w przypadku sygnałów niemuzycznych.
ZASADY WYBORU
Jak widać pełne zabezpieczenie przed uszkodzeniem sprzętu jest bardzo trudne. Z kolei w praktyce zniszczenie kolumn lub wzmacniacza z powodu niedopasowania jest bardzo rzadkie. Czemu tak jest?
Producenci sprzętu niższej i średniej klasy biorą pod uwagę podane zależności i starają się dopasować swe produkty do rynkowych realiów, co w konsekwencji zmniejsza ryzyko ponoszone przez użytkownika. Bardzo dużo kolumn ma skuteczności około 88-90dB/1W co w mniejszych i średnich pokojach (do ok. 20 m.kw.) o normalnym umeblowaniu pozwala osiągnąć zadowalający efekt przy pomocy 20-watowego wzmacniacza. Element ryzyka pojawia się przy zwiększaniu pokoju, zmianie jego umeblowania, lub zmniejszaniu skuteczności kolumn.
Stosunkowo prostą sprawą jest określenie możliwości sprzętu. Zarówno kolumny jak i wzmacniacz powinny pracować w stosownych dla swych możliwości zakresach mocy. Wielu producentów kolumn podaje minimalną zalecaną moc wzmacniacza. Jest to moc potrzebna by uzyskać pewien założony poziom głośności. Im większa sprawność zestawów, tym mniejsza będzie minimalna wymagana moc wzmacniacza. Dane o impedancji nominalnej i minimalnej dają informację o tym, jak elastyczny powinien być wzmacniacz. Przy odpowiedzialnym użytkowaniu sprzętu nadwyżka mocy wzmacniacza nad mocą nominalną kolumn nie rodzi niebezpieczeństwa. Jeśli istnieje duża dysproporcja w tym względzie, to oczywiście zwiększa się ryzyko, że niostrożnie przekręcona gałka głośności spowoduje uszkodzenie sprzętu.
Znacznie trudniejsze jest natomiast określenie zapotrzebowania użytkownika, czyli potrzebnej w danym przypadku mocy akustycznej. Ważny jest gust słuchacza, wielkość pokoju, sposób umeblowania (draperie, dywany, miękkia tapicerka mogą zwiększyć zapotrzebownie mocowe nawet dwa i więcej razy!), rodzaj słuchanej muzyki. Warto dla swojej własnej orientacji wykonać kilka doświadczeń i sprawdzić swoje potrzeby, tego etapu ominąć się nie da.
ZASADY BEZPICZEŃSTWA
Dla bezpieczeństwa sprzętu najważniejsze jest jego prawidłowe użytkowanie. Osoby nie posiadające wiedzy o potencjalnych zagrożeniach powinny ściśle przestrzegać kilku prostych zasad.
Po pierwsze, nie dokonywać połączeń, nie wkładać wtyczek do gniazd, ani ich nie wyjmować, gdy sprzęt jest podłączony do sieci, aby uniknąć podania bardzo dużych sygnałów impulsowych. Nie mylić też gniazd i nie podłączać do nich niewłaściwych urządzeń. Dotyczy to przede wszystkim gniazda gramofonowego, do którego nie należy podłączać odtwarzaczy CD, tunerów, magnetofonów.
Po drugie, nie używać źródeł sygnału innych niż muzyka. Podłączając generatory lub wykorzystując płyty testowe należy czynić to świadomie, najlepiej z osobą zorientowaną w tej materii. W przypadku płyt testowych koniecznie przed odtworzeniem zapoznać się z opisem oraz przestrzegać podanych instrukcji i ostrzeżeń.
Po trzecie, w przypadku wystąpienia słyszalnych zniekształceń zmniejszyć poziom aż do ich zaniku i nie przekraczać tak ustalonego progu w przyszłości.
Wreszcie na koniec pamiętać aby pokrętło regulacji głośności przy włączaniu sprzętu lub choćby jednego ze źródeł było w pobliżu początku skali a nie jej końca. Polecam to szczególnej uwadze pań, które w czasie sprzątania ocierają z kurzu wzmacniacze i nieraz pozostawiają gałki w przypadkowch położeniach.
To ze strony "pokrewnej" :
www.hifi.pl
Pzdr
Tomek
