Zadałe(a)ś to pytanie na forach audio i nic Ci to w sumie nie dało, bo każdy radzi co innego. A Ty nadal zastanawiasz się, jak dobrać wzmacniacz do głośników lub odwrotnie.
W tym artykule znajdziesz odpowiedź na swoje wątpliwości.
Są takie aspekty w temacie potrzebnej mocy, które często się pomija. A one są ważne.
Nie zatrzymasz się więc tu w pół drogi, czyli na parametrach elektrycznych (moc RMS wzmacniacza/głośników, efektywności zestawów głośnikowych). Wreszcie się dowiesz, ile tej mocy naprawdę Ci potrzeba, bez ulegania pozorom.
Bo sygnał wyjściowy, rozumiany jako muzyka, właściwości głośników umieszczonych w obudowach, temperatura, własności akustyczne pomieszczenia, pewne cechy słuchu i oczekiwania to czynniki, które wpływają na to, ile tej mocy potrzebujesz.
No to do rzeczy…
Sygnał audio
Zmiany amplitudy w czasie na przykładzie utworu Dire Straits „Private Investigations”
Zwróć uwagę na te dwa parametry sygnału audio: wartość skuteczną RMS i wartość szczytową.
Dlaczego wartość RMS? Gdy ustawiasz głośność odsłuchiwanej muzyki, wyznacznikiem wrażenia głośności dla Twoich uszu jest właśnie ta wartość. Ale muzyka nie jest czymś stałym i pojawiają się w niej „skoki” amplitudy.
W zależności od utworu i stopnia kompresji sygnału różnice między wartością RMS a wartością szczytową mogą mieć różną wartość.
Zobacz, jak to wygląda na liczbach.
Załóżmy, że masz zestawy głośnikowe o skuteczności 87 dB/1W/1 m i chcesz osiągnąć średni poziom ciśnienia akustycznego (SPL) 87 dB w odległości 1 m. W tej sytuacji wzmacniacz będzie oddawać 1 W.
Ale co się stanie, gdy pojawi się skok amplitudy o 18 dB?
Wtedy będziesz potrzebować już nie 1 W ale 63 W!
No to zrób „wrażeniowo” dwa razy głośniej. Niech teraz średni SPL wyniesie 97 dB w odległości 1 m. Obecnie potrzebujesz 10 W, a przy skoku wartości o 18 dB, wzmacniacz musi dostarczyć 630 W!
Tak działa skala logarytmiczna, do której odnosi się poziom ciśnienia akustycznego.
Widzisz już tę prawidłowość? Wartości średnie nie wymagają dużych mocy. Ale skoki dynamiki sygnału to odpowiednio bardzo duże skoki w zapotrzebowaniu mocy.
Kolejną ważną właściwością sygnału audio jest pewna tendencja rozkładu amplitudy sygnału w zależności od częstotliwości. Więcej „energii” muzyki przypada na tony niskie i średnie, a wraz ze wzrostem częstotliwości tej energii jest coraz mniej.
Dla każdego utworu muzycznego wartości tych parametrów będą inne. Prawda jest jednak taka, że występują w każdym i świadomość tych cech jest niezbędna do jakichkolwiek rozważań o mocy wzmacniacza i/lub głośników.
Parametry wzmacniaczy
Teraz trochę o wzmacniaczach. Zanim przejdziemy do mocy, powiemy Ci więcej o czułości. Bo to naprawdę ważny parametr.
Często mówi się, że czułość to taka wartość napięcia sygnału wejściowego, przy której na przekręconym na maksimum potencjometrze głośności, na wyjściu, pojawi się znamionowa moc podawana przez producenta.
Ta definicja będzie prawdziwa, jeśli sygnał wejściowy nie zmienia swej amplitudy, a jej wartość nie będzie większa niż wartość czułości wzmacniacza.
Chcesz zobaczyć, jak to wygląda na liczbach? Oto przykład.
Masz odtwarzacz CD, którego sygnał wyjściowy wynosi 2 V przy 0 dBFS, czyli maksymalnym poziomie. A czułość wzmacniacza to 0,5 V.
I teraz przy zerowym tłumieniu na wejściu wzmacniacza (potencjometr głośności w pozycji max) i maksymalnym poziomie z odtwarzacza, już przekraczasz moc znamionową. Dlaczego? Bo pełne wysterowanie wzmacniacza zachodzi już przy poziomie 0,5V, a Ty podajesz mu cztery razy więcej, czyli 2 V.
Wartości, które podaliśmy w tym przykładzie, wzięliśmy z danych technicznych produkowanych urządzeń.
Zwróć uwagę na to, że osiągnięcie mocy znamionowej wzmacniacza nie jest ściśle powiązane z maksymalnym położeniem potencjometru głośności.
Ten przykład z czułością i dynamika sygnału muzycznego pokazują, że osiągnięcie, czy nawet przekroczenie mocy znamionowej wzmacniacza może występować przy poziomach głośności zdecydowanie niższych niż „max”.
I to właśnie usypia Twoją czujność. Wydaje Ci się, że jak ustawisz na wzmacniaczu 50% głośności, to użyjesz 50% mocy znamionowej. A to tak nie działa.
Tłumienie głośności owszem obniża wartość RMS napięcia wejściowego. Nie zmienia jednak relacji między wartością RMS a wartością szczytową.
Moc wzmacniaczy podawana w danych technicznych urządzeń
Łączy je jedno – brak standaryzacji. By porównać parametry różnych urządzeń, musisz bardzo wnikliwie czytać, przy jakich warunkach te moce zostały zmierzone.
Jakie warunki mają znaczenie, a jakie są bezużyteczne?
Muzyka zawiera się w paśmie od 20 Hz do 20 kHz. I takie warunki pomiarów mocy znamionowej nas interesują.
Bo jaka jest użyteczność pomiaru pojedynczym sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz i tylko jednego kanału? Z punktu słuchania muzyki żadna.
Czasem w danych technicznych pojawia się parametr mocy dynamicznej. Czyli takiej mocy, którą wzmacniacz jest w stanie dostarczyć do głośników przez krótki czas. Łączy się to z informacją przedstawioną przez nas przy okazji omówienia parametrów sygnału wejściowego i możliwością odtworzenia skoków amplitudy.
Oto realny przykład parametrów wzmacniacza.
Moc ciągła dla 8 i 4 Ohmów 40 W w paśmie od 20 do 20 kHz. Moc dynamiczna 120 W przy 4 Ohmach.
Tak podane parametry pozwalają zorientować się, jakimi mocami legitymuje się dane urządzenie.
Na tym nie koniec, kolejny temat to…
Zestawy (kolumny) głośnikowe
A jak to jest z głośnikami? Jakie dane podają producenci?
Najczęściej spotkasz dwa sposoby prezentacji danych o mocy głośników. W pierwszym, w danych technicznych pojawiają się informacje o mocy znamionowej i ewentualnie maksymalnej mocy, którą głośniki są w stanie przetworzyć. Drugi sposób to informacja o rekomendowanym przedziale mocy wzmacniacza.
O ile pierwszy sposób pokazuje wprost informacje o mocach, o tyle drugi… Nie mówi nic o samych głośnikach.
Gdy widzisz rekomendowaną moc wzmacniacza 20 – 150 W, to w zasadzie nie wiesz, jakimi mocami dysponują kolumny głośnikowe. Czy możesz założyć, że ta górna granica mocy – 150 W to moc znamionowa?
Naszym zdaniem bezpieczniej przyjąć, że jest to moc chwilowa zestawu głośnikowego.
Ehh… dużo w tym niedopowiedzeń.
Ale czy to wszystkie niejasności? Niestety nie.
Zwróć uwagę na jeszcze jeden aspekt. Moc znamionowa nie jest stała dla całego przedziału częstotliwości od 20 do 20 kHz!
Pokażemy Ci wykres z własnego podwórka (Asy, przebieg mocy).
Tak wygląda przebieg mocy znamionowej w zależności od częstotliwości w obudowie bass-reflex. Zobacz, że przebieg nie jest płaski, a w zakresie działania bass-reflexu wartość mocy spada i to dość wyraźnie przed i za częstotliwością rezonansową obudowy.
Założenie, że głośnik wytrzyma w całym paśmie swoją moc znamionową jest dalekie od rzeczywistości. W utworach, które mają dużo energii poniżej 100 Hz, zapotrzebowanie na moc ze wzmacniacza w tym paśmie jest największe. Niestety nie idzie to w parze z wytrzymałością mocową głośników w obudowie.
A przekroczenie tej mocy jest równoznaczne z przekroczeniem liniowego wychylenia cewki głośnika. Wtedy rosną zniekształcenia generowane przez głośnik. Kiedy przekroczenie będzie większe, karkas cewki głośnika może uderzyć w magnes, uszkadzając samą cewkę. Może też dojść do takiego wychylenia, przy którym cewka wyskoczy ze szczeliny.
Warto mieć świadomość tego zjawiska, by uniknąć uszkodzeń.
Jest jeszcze jeden ważny parametr głośników. Skuteczność nazywana zamiennie efektywnością.
Co określa?
Jaki będzie poziom ciśnienia akustycznego (SPL) wytworzonego przez głośnik w odległości 1 m przy dostarczeniu 1 W lub napięcia 2,83 V.
Podajemy dwie wartości nieprzypadkowo. Raz w specyfikacji pojawia się skuteczność w dB/1W/m, a innym razem w dB/2,83V/1 m.
Nie ułatwia to porównywania kolumn różnych producentów.
Załóżmy, że masz do porównania różne zestawy głośnikowe. W jednej specyfikacji masz 87 dB/1W/1m przy impedancji 8 Ohmów. W drugiej – 90 dB/2,83V/1m ale przy impedancji 4 Ohmów.
Gdy popatrzysz tylko na same dB, to prawdopodobnie uznasz, że drugi zestaw jest głośniejszy.
Przecież 90 dB to więcej niż 87 dB.
Zgadza się.
Tylko w drugim przypadku skuteczność uzyskano przy napięciu 2,83 V.
Zapytasz: I?
Napięcie 2,83 V dla impedancji 4 Ohmów to moc 2 W. A dwukrotnemu wzrostowi mocy towarzyszy zwiększenie poziomu ciśnienia akustycznego o 3 dB.
Zatem w tym przykładzie oba głośniki mają tak naprawdę taką samą skuteczność. Pamiętaj o tym przy porównywaniu głośników.
Kompresja mocy
Zagadnienie często pomijane w domowym audio, a znane bardziej rynkowi profesjonalnemu.
Skala tego zjawiska jest mniejsza w domowych systemach, ale to nie oznacza, że nie występuje i nie ma wpływu.
Na czym to polega?
Wraz ze wzrostem mocy dostarczanej do kolumn rośnie ciepło wydzielane w elementach zwrotnicy takich jak cewki i rezystory. Podobnie dzieje się w cewkach głośnikowych.
A jak rośnie ciepło, to proporcjonalnie wzrasta rezystancja tych podzespołów. Co w konsekwencji doprowadza do zwiększenia impedancji kolumn „widzianej” przez wzmacniacz.
Efekt domina?
Tak, bo wtedy spada poziom ciśnienia akustycznego emitowanego przy takim ustawieniu potencjometru głośności wzmacniacza.
I gdy chcesz wyrównać to wrażenie, to co się dzieje?
Tak, zwiększasz głośność. I moc dostarczoną do głośników. I znów rośnie temperatura…
Błędne koło, które przerwiesz jedynie obniżeniem głośności. W przeciwnym wypadku może dojść do temperaturowego uszkodzenia cewek głośnika.
Pomieszczenie odsłuchowe
Są dwie własności akustyczne pokojów, których nie można pominąć przy szacowaniu mocy wzmacniacza.
Pierwsza z nich to wpływ odległości na poziom ciśnienia akustycznego.
Trochę teorii, by przybliżyć ten temat…
Domowe zestawy głośnikowe zaliczamy do punktowych źródeł dźwięku. Wraz z oddalaniem się od kolumn maleje ciśnienie akustyczne.
Te rozważania dotyczą pomieszczeń, więc każdemu podwojeniu odległości od źródła (głośników) towarzyszy spadek ciśnienia akustycznego o około 3 dB.
Więc jeśli masz głośniki o skuteczności 90 dB/1W/1 m, to przy mocy 1 W w odległości 2 m od nich masz już 87 dB. Dla 4 m będzie to 84 dB.
Aby uzyskać 90 dB w odległości 4 m od głośników potrzebujesz 7,8 W.
Im większa odległość dzieli słuchacza od głośników, tym potrzeba więcej mocy, by uzyskać ten sam poziom ciśnienia akustycznego.
Jest jeszcze jeden ważny parametr pomieszczenia.
Mody własne pomieszczenia.
Wyobraź sobie, że odsłuchujesz utwór muzyczny o dużej koncentracji energii przy częstotliwości np. 50 Hz. Niech przy tej samej częstotliwości występuje mod własny pomieszczenia, który redukuje poziom SPL głośników o 10 dB.
Załóżmy, że nie widzisz bezpośrednio, jak wychylają się głośniki, bo masz np. założone maskownice. Przekręcasz pokrętło głośności w prawo, oczekując pewnego poziomu ciśnienia akustycznego.
Chcesz osiągnąć 10 dB więcej dla tej częstotliwości. Tym samym dostarczasz do głośników 10 razy więcej mocy.
Naprawdę łatwo w takiej sytuacji o uszkodzenie głośników.
Własności słuchu
O ile przy poprzednich zagadnieniach możemy coś zmienić, ulepszyć, o tyle na zmysł słuchu masz niewielki wpływ.
Być może słyszałe(a)ś o krzywych Fletchera-Munsona, czyli krzywych jednakowego słyszenia.
Określają one, jaki poziom ciśnienia akustycznego musi posiadać źródło, aby wywołać jednakowe wrażenie głośności. Największa czułość słuchu przypada na zakres od 1 do 6 kHz, a zdecydowanie mniejszą wrażliwość masz dla dolnych i górnych częstotliwości.
Największa różnica przypada dla basu przy małych poziomach głośności. Dla krzywej 60 fonów, poziom basu względem średniego zakresu musi być o ponad 20 dB większy, by wywołać to samo wrażenie głośności.
Powyżej 60 fonów te różnice maleją, ale i tak nie spadają poniżej 10 dB.
Co odpowiada temu, że do głośnika musimy dostarczyć 10 razy większą moc.
Oczywiście jest to powiązane z rodzajem muzyki, jakiej słuchasz. Nie mniej wszędzie tam, gdzie w utworach główna zawartość informacji dźwiękowych lokuje się poniżej 1 kHz, potrzebujesz zdecydowanie większych mocy dla tej samej głośności.
Jest coś jeszcze.
Coś czego nie da się zatrzymać.
Z wiekiem obniża się Twoja górna częstotliwość, którą jesteś w stanie usłyszeć.
Może więc się zdarzyć, że będziesz to sobie kompensować większą głośnością. Zatem i większym zapotrzebowaniem mocy.
Podsumowanie
Wróćmy do pytania: co się stanie, gdy wybiorę wzmacniacz o mocy mniejszej niż moc głośników?
Jeśli słuchasz takich gatunków muzyki, w których nie ma dużych różnic między cichymi a głośnymi partiami, nic złego się nie wydarzy.
Gdy nie oczekujesz poziomów ciśnienia akustycznego zbliżonych do tych spotykanych na koncercie i to w całym paśmie, również nie uszkodzisz ani wzmacniacza ani głośników.
Możesz być spokojny o swój sprzęt również wtedy, gdy odległość między głośnikami a miejscem odsłuchowym nie przekracza 4 metrów.
W takich przypadkach wystarczy kilkadziesiąt W mocy znamionowej wzmacniacza.
Konkretniej: głośniki o skuteczności 87 dB/1W/1m i wzmacniacz o mocy dynamicznej 160 W będą w stanie chwilowo dostarczyć 109 dB/1m.
Pewnie nie w całym paśmie częstotliwości, o czym wspominaliśmy w tym artykule. Nie mniej jest to sporo jak na warunki domowe.
Załóżmy jednak, że nie chcesz się ograniczać.
Masz duże pomieszczenie odsłuchowe i czasem ochotę posłuchać głośniej. Lub zwyczajnie przekonać się, jak Twój system radzi sobie na wyższych poziomach SPL.
Warto wtedy podejść z większą uwagą do doboru parametrów wzmacniacza i głośników.
Najlepiej gdy możesz dobrać głośniki o większej skuteczności. Przyjmij wtedy, że 90 dB/1m to rozsądne minimum.
Co z mocą wzmacniacza?
Dobrze jest mieć więcej mocy. Czy jest jakaś granica?
Naszym zdaniem jest. Nie ma żadnego uzasadnienia, by chwilowa moc wzmacniacza była większa od chwilowej mocy głośników.
Jeśli dojdziesz do fizycznych ograniczeń mocy i/lub wychylenia głośnika, to żadne dodatkowe waty mocy nie sprawią, że zagra jeszcze głośniej.
Oczywiście można dobrać wzmacniacz o mocy większej od mocy głośników. Tylko ten zapas nigdy nie zostanie wykorzystany.
