ТехноТеория. Поддайте-ка еще немного ватт. Часть 2

...продолжение сериала о мощности автомобильной аудиосистемы

В прошлом номере мы попытались разобраться с мощностью усилителей в аудиосистемах: что это вообще такое и как измеряется. Но усилитель работает, понятное дело, не сам по себе. Он исправно подает электрический сигнал на динамики. А на них тоже пишут слово „power", да еще и с какими-то цифрами. Так что теперь самое время разобраться, что означают эти цифры применительно к акустическим системам.

Рассчитывая на не слишком подготовленного покупателя, производители пишут значения мощности на упаковке самым крупным шрифтом, нередко связывая их с обещаниями ураганной громкости. 100 Вт, 200 Вт, 500... Кто больше? Однако далеко не все представляют, что на самом деле к громкости эти цифры не имеют прямого отношения. Написана ли на динамике мощность в 100 или 200 Вт — на звучании это скажется весьма опосредованно. Нет, конечно, динамик 500 Вт может звучать громче, чем 100-ваттный. Но, заметьте, именно может, и еще не факт, что будет. Более того, от одного и того же усилителя динамики с указанной мощностью 50 Вт могут играть громче, чем динамики с надписью 250 Вт. Почему? Давайте разбираться.
Во-первых, вспомним о самом понятии мощности, а для этого обратимся в который раз к школьному курсу физики. Суть мощности — это количество энергии, преобразованной из одной формы в другую за определенное время. В нашем случае динамик получит электрическую энергию от усилителя и преобразует ее в энергию кинетическую (то есть, в движение диффузора, который толкает воздух перед собой, чем, собственно, и порождает звуковые колебания) и тепловую (нагрев звуковой катушки). Кстати, звуковая энергия будет составлять всего лишь доли процента от всей энергии, полученной головкой, а основная ее часть будет тратиться все же на этот самый нагрев. Обидно? Еще бы, но это факт, лучше пока ничего не придумали. Так что первое, что нужно запомнить: цифры в инструкции или на упаковке к акустическим системам всегда означают мощность электрического сигнала, подведенного к ним (Power handling), а не выходную звуковую мощность, как многие ошибочно полагают.

Вот что бывает, если слишком сильно терзать динамик мощным синусоидальным сигналом. Этот саб пал жертвой соревнований по неограниченному звуковому давлению.

ЖМЕМ ПО МАКСИМУМУ
В описании к акустическим системам можно встретить несколько значений мощности, среди которых все обычно стараются выделить максимальную. А ведь максимальная мощность — это всего лишь мощность подводимого к динамику электрического сигнала,которую он в принципе может выдержать без повреждений, причем об искажениях при этом даже никто и не упоминает. Методов ее измерения несметное количество, но суть одна — подаем на динамики мощный сигнал до тех пор, пока ему не наступит... в негодность: что-нибудь не сгорит, не оторвется, не сомнется или не заклинит.
В определении этого максимума среди производителей полный разброд и шатание. Например, испытательный сигнал может быть как синусоидальным (с одной частотой), так и шумовым, то есть занимающим целый спектр частот. Подавать его можно как долговременно, так и кратковременно, или вообще „стрелять" короткими импульсами длительностью доли секунды. Соответственно, и результаты будут разные. Поэтому периодически предпринимались (и предпринимаются) попытки ввести различные стандарты, которые бы упорядочили методы измерения мощности акустических систем. Этим занимались и наш ГОСТ, и IEC (Международный электротехнический комитет, МЭК), и „немецкий индустриальный стандарт" DIN, и американские стандарты AIS (Application Interworking Standard), и EIA (Electronics Industries Alliance). Вот только некоторые из определений, которые встречаются относительно чаще других:
Паспортная (шумовая) мощность (power handling capacity) — предельная мощность, которую еще может выдержать АС при длительном подведении шумового сигнала. По одним стандартам динамик должен выжить после 100-часовой экзекуции, по другим достаточно продержаться пару часов.
Максимальная синусоидальная мощность (Rated Maximum Sinusoidal, RMS) — знакомая аббревиатура, не правда ли? Определяется терзанием АС синусоидальным сигналом в течение часа.
Максимальная долговременная мощность (Long Therm Maximum Input Power) — подаем на AC шумовой сигнал в течение минуты, даем им отдохнуть 2 минуты, и повторяем снова, и так 10 раз.
Максимальная кратковременная мощность (Short Therm Maximum Input Power) — секунду даем шум на АС, минуту отдыхаем и повторяем все это 60 раз.
Впрочем, даже у стандартов, которые, казалось бы, призваны навести порядок, есть немало лазеек, оставляющих свободу производителям. Скажем, шумовой сигнал можно подрезать по спектру, оставив в нем только самый „выгодный" участок. Да и синусоидальный сигнал можно выбрать той или иной частоты. Ясно одно, как бы максимальная мощность не измерялась, ее понятие всегда основано на механическом разрушении головок — вштыриваем им по полной программе, пока они не прикажут долго жить. Как максимальная мощность соотносится с качеством звука и громкостью? Да, в общем-то, никак. Искажения? Когда речь идет о выживаемости динамика в принципе, то о них никто и не вспоминает.
Искажения учитываются в другом параметре — номинальной мощности. Чем более мощный сигнал мы подводим к динамику, тем больше у него будет двигаться диффузор. А он, понятное дело, не может летать на полметра, его ход имеет определенные пределы. То есть при значительном увеличении подводимой мощности будут расти и искажения звука, вносимые самим динамиком. Четкое определение номинальной мощности есть, например, в ГОСТ 16122-87: „Номинальная мощность — это заданная электрическая мощность, при которой нелинейные искажения звукового давления не должны превышать требуемых значений". То есть это не та мощность, которую в принципе выдержит акустическая система, а, условно говоря, предел, до которого можно слушать еще музыку, а не непонятные хрипы и плюханье бедного диффузора в предсмертных потугах.
Однако если не вести речь об искажениях, то и о номинальной мощности речи быть не может. С номинальной мощностью акустических систем часто путают мощность RMS, хотя это, как видите, на самом деле совсем другое.

КСТАТИ
Частенько в отношении акустических систем применяют понятие мощности PMPO (Peak Music Power Output), хотя к ним этот термин „прилепился" совершенно неправомерно. Это не больше, чем уловка не слишком грамотных маркетологов. Нельзя этот термин применить к акустическим системам по причине того, что у них такой выходной мощности (а в названии фигурирует слово „output") не может быть в принципе. Ведь „выходят" из динамика звуковые колебания, а их мощность измеряется совсем иначе, да и порядки величин, как вы понимаете, совсем другие. Но если все же такая надпись есть, то под ней обычно подразумевают способность динамиков выдержать, не сгорев, очень короткие импульсы. А поскольку короткие импульсы — это вам не синус в течение часа или шум, в котором целый спектр частот прет на акустические системы на протяжении нескольких часов, то и звуковая катушка за время этого импульса не успевает нагреться настолько, чтобы сгореть. Да и диффузор обладает некоторой инертностью, он не успевает „плюнуть" этот импульс. Значения РМРО получаются несуразно большими. Особенно одно время ими пестрили дешевые китайские приемники, на которых красовались бешеные цифры в сотни Ватт. Одним словом, показатель РМРО технически абсолютно бестолковый.

МОЩНОСТЬ И ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН: КАЖДОМУ СВОЕ
Не стоит забывать и о возможностях разных динамиков хорошо воспроизводить только отведенный им частотный диапазон. Чтобы быть последовательными, рассмотрим динамики „снизу вверх". Самую нижнюю часть звукового диапазона отыгрывает сабвуфер. С этим все более или менее понятно (да и то в ином случае сабсоник не помешает). А вот мидбасовые динамики, имеющие меньший калибр, далеко не всегда способны выдержать басовую нагрузку. Отдача динамиков на низах зависит от площади излучающей поверхности и от ее хода. Поэтому большие сабвуферы легко справляются с басом, при этом чуть шевеля диффузором. А вот для того чтобы гораздо меньший мидбасовый динамик так же „качнул басу", то есть создал такое же звуковое давление, ход его диффузора должен быть несоизмеримо больше. Поэтому важно придерживаться небольшой рекомендации: чтобы ненароком не порвать динамик, лучше ограничивать для мидбасов воспроизводимый диапазон снизу (включением ФВЧ на усилителе или в головном устройстве). Какую выставить частоту — зависит от конкретной модели динамиков. Но приблизительно общее правило может быть таково: для 6,5-дюймовых мидбасов — 50 или 60 Гц, для 5-дюймовых — 70-80 Гц, а небольшим 4-дюймовым мидбасовым динамикам в общем случае будут противопоказаны частоты меньше 80-100 Гц. Избавив таким образом динамики от непосильных для них басов, вы заметите, что их звучание в целом станет более чистым и открытым.
То же самое относится и к среднечастотным и высокочастотным динамикам. Более того, мощности, указываемые на них, обычно измеряются при подаче на динамики сигнала, урезанного по спектру. Ну не может маленькая пищалка выдержать полсотни Ватт широкополосного сигнала. Поэтому если вы видите, что на твитере указана некая мощность, знайте, что она измерялась только на частотах, для которых этот твитер предназначен.

Для отечественных динамиков параметр мощности введен прямо в их маркировку. Например, легендарный низкочастотный динамик 75ГДН, с которого в начале 2000-х многие начинали строить свои первые автомобильные сабвуферы, имеет предельную шумовую мощность 75 Вт. Раньше, по старому ГОСТу, он обозначался З0ГД, тогда в маркировке применялась цифра не максимальной, а номинальной мощности — 30 Вт.

Маленький твитер, понятное дело, не сможет воспроизвести низкие частоты также как и мидбас, он просто сгорит. Чтобы этого не произошло, как раз и нужен кроссовер, который пропустит на мидбас только низкие и средние частоты, а на твитер только высокие. В этом случае мощность указывается для всего комплекта, то есть она измеряется не непосредственно на клеммах динамиков, а на входе кроссовера.

КАК ПОДОБРАТЬ ПО МОЩНОСТИ УСИЛИТЕЛЬ И АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ?
Для многих камнем преткновения становится вопрос о подборе акустики в пару к усилителю. Скажем, если в паспорте на усилитель указана мощность 65 Вт на канал, то значит ли это, что и на акустических системах должна быть указана такая же мощность? Конечно же, нет. По причине полного разброда методик измерения строгий подбор мощностей усилителя и акустических систем становится занятием пустым и бесполезным. Неким ориентиром могут стать, разве что, только цифры RMS, усилитель и акустику желательно выбирать с этими показателями одного порядка. Скажем, усилитель с номиналом 100 Ватт на канал спокойно уживется с динамиками, на которых указана мощность RMS60 Вт. Да и головное устройство со своей скромной выходной мощностью (а в прошлом номере мы уже разобрались со значением надписей типа „4х 50 Вт") тоже на них неплохо будет работать. Так что это не настолько важно, поверьте и не парьтесь по этому поводу.

КСТАТИ
Кстати, как ни странно, но слишком слабый усилитель — это даже плохо. Он с намного большей вероятностью может спалить акустические системы. При достижении предела своих возможностей электрический сигнал на выходе будет ограничиваться, верхушки сигнала будут срезаться, то есть усилитель будет клиппировать сигнал. Когда речь идет о подрезании относительно редких импульсов, то это еще не так страшно, в конце концов, головное устройство почти всегда их ограничивает, что выливается только в зажатость звучания.
Но если мы продолжим выкручивать ручку громкости на головном устройстве (или регулировку входной чувствительности усилителя), то сигнал начнет искажаться еще больше, при этом в его спектре появятся высокочастотные гармоники со значительным уровнем — то, что мы будем слышать в виде хрипов, доносящихся из динамиков. И если низкочастотные динамики их, как правило, еще переносят (уровень основных гармоник уменьшается), то высокочастотные при этом могут и сгореть (пищалке, кроме своего сигнала, достанутся еще и высшие гармоники от низкочастотной составляющей сигнала, причем с неслабым таким уровнем). Вот почему акустические системы, подключенные к усилителям головного устройства, выходят из строя намного чаще, чем подключенные к отдельному более мощному усилителю. То есть, дело не в том, что АС оказываются слишком слабыми, слабым оказывается как раз сам усилитель.

ЧТО ТАКОЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДИНАМИКА?
Чувствительность динамика — это параметр, по которому можно оценить эффективность преобразования электрической энергии в звуковую. То есть, упрощенно, от этого показателя зависит, насколько он будет громким при подключении к одному и тому же усилителю.
Измеряется она так. К динамику подводится сигнал мощностью строго 1 Вт, и на расстоянии 1 м по его оси измеряется создаваемое им звуковое давление. Полученное значение — и есть чувствительность динамика. То есть, динамики с более высокой чувствительностью сыграют при прочих равных громче. Поскольку при определении чувствительности мы имеем дело со звуковым давлением, измеряется чувствительность в децибелах.
Тут нужно снова отметить особенность нашего слуха. Если мы увеличим подведенную к динамику мощность сигнала вдвое (например, поставим вдвое более мощный усилитель), то на слух мы не получим удвоение громкости. А все потому, что чувствительность нашего уха нелинейна. Эта зависимость сформулирована в законе Вебера-Фехнера: „Когда интенсивность раздражения возрастает в геометрической прогрессии, интенсивность восприятия звука растет в арифметической прогрессии... Сложно? Сейчас разберемся „на пальцах".
Поставим измерительный микрофон на расстоянии 1 метр от динамика и подадим на этот динамик сигнал мощностью 1 Вт. Допустим, прибор покажет нам звуковое давление 90 дБ. То есть, чувствительность этого динамика — 90 дБ. Теперь, если мы подведем к динамику вдвое больше, то есть 2 Вт, то получим в той же точке звуковое давление на три децибела больше. То есть, 93 дБ. Повысим мощность еще в два раза, 4 Вт, получим уже 96 дБ. И так далее, с увеличением подводимой мощности в два раза, развиваемое звуковое давление будет повышаться на 3 дБ. Удвоение громкости на слух — это 10 дБ, то есть усилитель должен выдать в 10 раз больше мощности. Вот и вся суть этого закона.
Вот почему, казалось бы, такая небольшая разница между динамиками с чувствительностью, скажем, 86 дБ и 89 дБ будет на самом деле очень существенной: чтобы они заиграли одинаково громко, на первый придется подать сигнал вдвое мощнее. Так что если в аудиосистеме не предполагается внешнего усилителя, а динамики будут подключаться к усилителю головного устройства, то лучше всего подбирать модели, ориентируясь на их высокую чувствительность, а не на мощность. Более того, увеличение допустимой мощности для динамика чаще всего как раз достигается за счет уменьшения чувствительности. Не верите? Подключите сабвуферный динамик с RMS мощностью, скажем, 1000 Вт к слабенькому усилителю головного устройства и все сразу поймете — диффузор будет едва двигаться. Так что не в мощности дело, не в мощности..!

КСТАТИ
Есть в определении чувствительности одна маленькая хитрость, на которую часто идут производители. Дело в том, что для домашних акустических систем типичное значение номинального сопротивления составляет 8 Ом. При этом на динамик подается переменное напряжение 2,83 вольта, то есть на 8 Ом это как раз и будет 1 ватт. Поэтому исторически так сложилось, что для таких динамиков величину чувствительности указывают как в дБ/Вт/м (звуковое давление в децибелах на расстоянии 1 м от динамика при подаче на него сигнала мощностью 1 Вт), так и в дБ/2,83В/м (давление в децибелах на расстоянии 1 м от динамика при подаче на него сигнала с напряжением 2,83 В). Для „домашек" с их 8-омными динамиками это будет одно и то же.
Однако в автомобильной акустике чаще всего применяются динамики с более низким номинальным сопротивлением — 4 Ом. При этом если подать на динамик те же 2,83 В, то на него пойдет мощность не 1 Вт, а целых 2 Вт. Этим пользуются некоторые производители, указывая для 4-омных динамиков значение чувствительности, измеренное при 2,83 В, то есть, фактически, при вдвое большей подаваемой на динамик мощности. Естественно, при измерении динамик выдаст и звуковое давление на 3 дБ больше, чем если бы чувствительность была измерена при честном 1 Ватте. Если указано, например, что чувствительность составляет 89 дБ/2,83В/м, то это будет то же самое, что и 86 дБ/Вт/м (в два раза, то есть на 3 дБ). А для 2-омных динамиков эта разница будет уже 6 дБ. Поэтому при выборе динамиков нужно обращать на это внимание.

Источник: журнал "Тюнинг автомобилей" (при участии Car&Music), май 2010. ТЕКСТ Антон Николаев ФОТО из разных источников