Moc głośnika i max SPL

Maksymalna wydajność głośnika

Uzyskanie maksymalnej wydajności z zestawu głośnikowego wymaga, między innymi, wyboru wzmacniacza mocy o odpowiednich parametrach. Sam głośnik nie ma „mocy” – jest to powszechnie źle używany zwrot ale przyjął się tak bardzo, że nie będziemy z tym faktem walczyć. Głośnik posiada potencjalną możliwość przyjęcia określonego prądu pochodzącego ze źródła i wzmacniacza i przetworzenia go na moc akustyczną, a właściwie, co powinno nas jeszcze bardziej interesować, ciśnienie akustyczne (SPL)*. Wzmacniacz musi być zdolny do napędzenia zestawu głośnikowego w taki sposób, aby zapewnić maksymalne ciśnienie akustyczne przy jednoczesnym zachowaniu takich parametrów sygnału, by nie dopuścić do uszkodzenia poszczególnych elementów głośnika.

W artykule postaram się wyjaśnić kluczowe pojęcia związane z poprawnym zasilaniem głośnika bądź zestawów głośnikowych, włączając w to opisy najczęściej używanych parametrów dotyczących ich mocy. Dowiesz się jak te parametry wpływają na wybór odpowiedniego wzmacniacza. Przedstawię także procedury testowe oraz sposób określenia maksymalnego ciśnienia akustycznego, które mogą wygenerować nasze zestawy.

* więcej informacji nt różnicy między mocą akustyczną a ciśnieniem akustycznym znajdziesz TUTAJ

Pojęcia niezbędne do opisania zachowania głośnika poddanego działaniu sygnału:

WAŻNE! By zrozumieć zasadę poprawnego napędzenia głośnika, powinniśmy najpierw wiedzieć w jaki sposób głośnik może ulec uszkodzeniu. Powinniśmy oddzielić przyczyny uszkodzeń i ich rodzaje.

Dwoma najczęstszymi przypadkami uszkodzeń głośnika są:

uszkodzenie termiczne (przepalenie cewki) - występuje gdy dostarczony do głośnika sygnał powoduje nadmierne grzanie się cewki. Ilość ciepła jaką cewka wytwarza przekracza ilość, którą układ chłodzący (cewka+wentylowany magnes) jest w stanie oddać do otoczenia. W rezultacie dochodzi do przegrzania i przepalenia cewki. Wcale nie musi to być sygnał o dużej mocy (czy dużym napięciu). Wystarczy, że spowoduje, iż cewka przestanie się odpowiednio ruszać w szczelinie i generować przepływ powietrza w układzie chłodzącym.
uszkodzenie mechaniczne (spowodowane nadmiernym wychyleniem) - uszkodzenie występuje gdy membrana głośnika zostanie zmuszona do wychylenia się poza przewidziany zakres ruchu. W rezultacie dochodzi do fizycznego uszkodzenia membrany głośnika i/lub jego zawieszenia. Do uszkodzenia takiego najczęściej dochodzi wtedy, gdy doprowadzony sygnał składa się z niższych zakresów częstotliwości niż zestaw głośnikowy jest w stanie obsłużyć.

Kolejne 3 pojęcia są ściśle związane z energią dostarczaną przez sygnał. Zachęcam do ich zapamiętania. Ich zrozumienie jest kluczem do osiągania poprawnych efektów pracy z dźwiękiem oraz znalezienia przyczyn niepowodzeń i uszkodzeń sprzętu. Są one niezwykle istotne, aby zrozumieć działanie wszystkich urządzeń używanych w torze dźwiękowym. RMS (root-mean-square) - It is a measure of the averaged power level of the signal. The RMS level effectively represents the amount of its thermal energy.

RMS (root-mean-square) - średnia kwadratowa (wartość skuteczna). Jest miarą uśrednionego poziomu mocy sygnału. Poziom RMS świetnie reprezentuje ilość jego energii termicznej.
Peak - reprezentuje maksymalny, chwilowy poziom jaki sygnał osiąga. Dla przedstawionego na poniższym rysunku sygnału sinusoidalnego poziom peak jest o 3dB wyżej od jego poziomu RMS. W przypadku muzyki maksymalny, chwilowy (peak) poziom sygnału może z łatwością osiągnąć nawet 10-20dB powyżej poziomu RMS (czyli de facto dużo mniejsze napięcie). Parametr peak jest także istotny przy określeniu granicy nadmiernego wychylenia głośnika.

- Crest Factor (CF) – po polsku „Współczynnik szczytu“ ale dobrze przyswoić także szeroko używaną nazwę angielską. Używany do opisania stosunku maksymalnego, chwilowego poziomu jaki sygnał osiąga (peak) do poziomu RMS sygnału zarówno dla szumu różowego jak i innych sygnałów. Można go wyrazić w wartości liczbowej (stosunek-ratio) lub w decybelach. Crest Factor dla prądu stałego będzie zawsze wynosił 1 (0dB - nie ma różnicy między szczytem a wartością średniokwadratową), dla przebiegu sinusoidalnego 1,41 (3dB) ale już szum różowy o losowej wartości składowych może mieć inny CF w zależności od różnicy między średnim poziomem RMS a peak. Dla CF równego 6dB (ratio 2), napięcie peak jest dwukrotnie wyższe od poziomu napięcia RMS.

Metoda pomiaru mocy głośników wg. AES:

Standard AES-1984 Opisuje metodę opracowaną przez stowarzyszenie Audio Engineering Society dla testowania głośnika w celu określenia obsługiwanych przez niego mocy.

Kluczowe warunki testu są następujące:

Montaż głośnika wysokotonowego (HF): driver jest zamontowany na przeznaczonej dla niego tubie zapewniającej odpowiednie akustyczne obciążenie
Montaż głośnika niskotonowego (LF): głośnik jest zamontowany w otwartym powietrzu, a jego orientacja jest taka aby jego ruch odbywał się w płaszczyźnie poziomej.
Sygnał testowy: Do głośnika doprowadzany jest szum różowy z Crest Factor ustawionym na 6dB. Szum różowy jest ograniczony do pasma rozpoczynającego się wraz z częstotliwością rezonansową fs głośnika do częstotliwości fs*10
Obliczenie mocy: Mierzony jest poziom napięcia RMS doprowadzonego do głośnika. Moc jest obliczona w oparciu o napięcie RMS i minimalną impedancję testowanego głośnika wg wzoru P=V2RMS/Zminimalne
Przebieg testu: Głośnik jest poddawany działaniu sukcesywnie coraz wyższych poziomów sygnału w odstępach czasu pozwalających głośnikowi ustabilizowanie się z każdym kolejnym przyrostem. Zalecany czas stabilizacji wynosi 2 godz.
Moc znamionowa (moc AES): jest ustalana na maksymalną możliwą moc jaka pozwoli głośnikowi wytrzymać 2 godziny powyższego testu bez zmiany w akustycznej, mechanicznej i elektrycznej charakterystyce w zakresie nieprzekraczającym 10%.

W jaki sposób określamy moc zestawów głośnikowych FAVO:

Podstawę stanowi norma AES lecz z kilkoma ważnymi zmianami. Norma AES odnosi się od pojedynczego głośnika kiedy w FAVO AUDIO gotowe zestawy składające się z wielu głośników i pasywnych filtrów (zwrotnic) testujemy przed oddaniem w ręce użytkownika.

Jak określamy moc naszych zestawów głośnikowych:

Montaż głośnika: głośniki są zamontowane w właściwej dla modelu obudowie i testowane w warunkach identycznych do tych, w jakich głośniki będą używane u użytkownika końcowego.
Sygnał testowy: Podobnie jak w normie AES używamy szumu różowego o Crest Factor 6dB. Sygnał testowy jest poddany filtrom częstotliwościowym (odpowiednio low-cut i high-cut) by zawęzić spektrum podawanych na głośnik częstotliwości tylko do tych, które są obsługiwane przez testowane urządzenie.
Obliczenie mocy: napięcie RMS jest mierzone na głośniku. Różnica polega na tym, że kalkulacja mocy jest oparta o uśrednioną impedancję w całym istotnym zakresie częstotliwości dla danego zestawu głośnikowego, a nie dla impedancji minimalnej. Dzięki temu uzyskuje się bardziej precyzyjne wskazanie rzeczywistej mocy dostarczanej do głośnika (P=V2RMS /Zuśrednione).
Przebieg testu: Testowany zestaw jest wstępnie „rozruszany” przez sygnał niskiego poziomu przez ok 30 minut. Zaczynamy od poziomu sygnału o wartości połowy nominalnej mocy AES głośnika niskotonowego, następnie zestaw jest poddawany sukcesywnie podnoszonemu poziomowi mocy w czasie pozwalającym głośnikowi ustabilizowanie się. Pomiędzy każdym kolejnym krokiem podniesienia prądu dokonuje się 30 minutowej przerwy celem wychłodzenia. Moc jest zwiększana w każdym kolejnym kroku o 0.5dB(W). Głośniki razem z wszystkimi pasywnymi komponentami pomiędzy kolejnymi krokami zwiększania mocy są testowane pod kątem oznak zużycia i uszkodzeń. Ten „cykl” symuluje użycie głośnika w prawdziwych warunkach, gdzie komponenty są raczej na przemian, w sposób cykliczny, rozgrzewane i schładzane podczas użytkowania niż jednostajnie obciążone stałym prądem w ustabilizowanej temperaturze.
Moc nominalna: Moc zestawu jest wyznaczana na 1dB(W) (około 50-200W w zależności od modelu) mniej niż poziom mocy sygnału, który spowodował nieodwracalne zmiany w głośniku lub połączonych z nim elementach pasywnych (np zwrotnicy w przypadku testowania zestawu głośnikowego).

Maksymalne ciśnienie akustyczne wytwarzane przez zestaw głośnikowy.

Poziom ciśnienia akustycznego (Sound Pressure Level) jakie może wytworzyć głośnik jest jednym z jego podstawowych parametrów. Pośrednio pokazuje ile energii elektrycznej przetwornik jest w stanie zamienić na energię akustyczną (czyli jak bardzo jest głośny)
Głośnik o wyższym SPL uzyskanym z jednego wata będzie głośniejszy od tego z niższym SPL. Skala decybelowa jest logarytmiczna i przyjmuje się w uproszczeniu, że każde 10dB SPL więcej to dwa razy głośniej (co jest prawdziwe tylko dla częstotliwości środkowych i wysokich ale już dla częstotliwości basowych tylko 5dB to dwa razy głośniej)*.
Różne przetworniki będą grały z inną głośnością przy tym samym sygnale podanym ze wzmacniacza. Pamiętajmy: 1000W podane przez wzmacniacz na głośnik który przy 1W generuje 97dB SPL da nam taką samą realną głośność jak 500W podane przez wzmacniacz przy głośniku, który z 1W generuje 100dB SPL. Nie dość że taki układ zagra tak samo głośno, to przy tym zużyje połowę mniej energii elektrycznej.

* szczegóły konturu jednakowej głośności patrz krzywe Fletchera-Munsona i ich aktualizacje ISO 226:2003

Każda techniczna specyfikacja FAVO AUDIO zawiera sekcję na temat różnych wartości SPL dla różnych sygnałów aby ułatwić użytkownikowi porównanie parametrów.

„Maksymalny SPL (dBSPL@1m)” To jest właśnie oczekiwane ciśnienie akustyczne, które będzie wytwarzane przez zestaw głośnikowy (w odległości 1 metra) oparte o zmierzoną moc nominalną, czułość , wybrany sygnał testowy i odpowiednio dużej mocy wzmacniacz. Należy jednak mieć na uwadze, że skuteczność szczytowa „peak” będzie o 6dB lub 12dB większa niż ta przy „długim, stałym obciążeniu”. Jest to spowodowane użyciem szumu różowego o CF=6dB i CF=12dB podczas testów określających maksymalną moc zestawu, opisanego powyżej.
Inni czołowi producenci używający innych sygnałów testowych osiągają inne wartości parametrów MaxSPL. Jest to temat na kolejny artykuł, który z pewnością zostanie podjęty aby ułatwić wam porównanie poszczególnych produktów i wybór optymalnego narzędzia

SPRAWDŹ JAK WYBRAĆ WMACNIACZ ODPOWIEDNI DLA ZESTAWU GŁOŚNIKOWEGO

Autor: Kamil Kieca