Мощность усилителей и долговечность громкоговорителей

Часто при покупке звукоусилительной аппаратуры нам приходится решать задачу со многими неизвестными. Как, например, подобрать усилитель к акустическим колонкам, как правильно настроить систему, чтобы она звучала хорошо и служила долго? 

Каким образом можно полностью использовать динамический диапазон акустической системы, не подвергая при этом громкоговорители тепловым и механическим перенапряжениям? Очевидно, для этого необходимо выбрать оптимальную мощность усилителей. Сделать это не так просто, как кажется на первый взгляд. В практике звукоусиления довольно часто случаются отказы как динамических головок (и не только высокочастотных), так и собственно усилителей мощности. Ремонт, как правило, оказывается дорогостоящим и бывает чреват крупными неприятностями, особенно, если резервный комплект аппаратуры отсутствует. При этом систему комплектуют обычно таким образом, чтобы выходная мощность усилителей была равна, либо не превосходила значения долговременной допустимой мощности, указанной в спецификациях громкоговорителей.  

Почему же громкоговорители тем не менее, подвергаются перегрузкам, а результат (звук) остается далеким от желаемого? Попробуем разобраться в том, что происходит в действительности.

Прежде всего, вспомним, какими параметрами характеризуются электрические сигналы, поступающие на вход усилителя мощности. Как известно, переменное напряжение и ток характеризуются мгновенными (в том числе пиковыми), среднеквадратичными и средневыпрямленными значениями. Все перечисленные значения определяются различным образом и имеют различный физический смысл. Важнее всего то, что соотношения между этими значениями неодинаковы для сигналов разнообразной формы.

Остановимся подробнее на пиковых и среднеквадратичных значениях.

Понятие пикового значения комментариев не требует. Физический смысл среднеквадратичного значения следующий: оно соответствует значению постоянного напряжения, либо тока, при котором на той же самой активной нагрузке выделяется та же самая мощность, по этой причине, его еще называют действующим. Отметим также, что субъективно воспринимаемые изменения громкости звучания связаны именно с изменением среднеквадратичного значения уровня сигнала. 

Точное измерение среднеквадратичного значения переменного напряжения произвольной формы представляет собой очень сложную задачу. Большинство вольтметров переменного тока являются преобразователями средневыпрямленного значения, проградуированными в среднеквадратичных значениях для синусоидального сигнала и дают правильные показания только на сигналах, не слишком сильно отличающихся по форме от гармонического колебания. Соотношение между пиковыми (Up, Ip) и среднеквадратичными (Urms, Irms) значениями (пикфактор) равно 1.41(3 дБ) для гармонического колебания (синуса), единице (0 дБ) для прямоугольного колебания, в частности, при глубоком ограничении выходного напряжения усилителя и, как минимум, трем (10 дБ) для музыкального сигнала. Поскольку электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения либо тока, то ее пиковое значение совпадает с среднеквадратичным для прямоугол­ного колебания и превосходит оное в 2 раза для гармонического колебания и, как минимум, в 9 раз для музыкального сигнала! Отметим, что пикфактор музыкального сигнала значительно повышается при коррекции АЧХ регуляторами тембра, эквалайзерами и другими устройствами обработки сигнала.

Теперь обратим внимание на то, каким образом определяются параметры усилителей и громкоговорителей, приводимые в их спе­цификациях.

Значения номинальной и максимальной мощности усилителей являются среднеквадратичными, измеренными на синусоидальном сигнале. Это удобно с точки зрения сопоставления мощности и нелинейных искажений, однако, не отражает реальной ситуации при усилении музыкальных сигналов. Пиковое значение выходного напряжения усилителя ограничено напряжением источника питания. Поскольку пикфактор гармонического колебания составляет 3 дБ, то пиковая мощность вдвое превосходит среднеквадратичную. Это пиковое значение будет одинаковым на сигналах любой формы. Более того, оно может превосходить среднеквадратичное даже более, чем вдвое при подаче на вход усилителя коротких тональных посылок, так как напряжение питания не успевает просесть за счет запаса энергии в конденсаторах фильтра выпрямителя. В спецификациях усилителей обычно приводится значение максимального выходного напряжения, достижимого в таких условиях (как правило, среднеквадратичное). 

Что касается музыкальных сигналов, то для них среднеквадратичное значение мощности при пикфакторе 10 дБ будет грубо говоря, в 10 раз меньшим пикового, либо в 5 раз меньше указанного в спецификациях номинального на синусе! И действительно, подключив среднеквадратичный вольтметр к выходу усилителя и доведя уровень музыкального сигнала до порога ограничения, Вы получите напряжение на нагрузке всего лишь от 9 до 12 вольт для усилителей мощностью 200-300 Вт на канал при 8 Ом. Если же теперь уровень входного сигнала увеличить настолько, чтобы усилитель вошел в глубокое ограничение, то его выходное напряжение станет прямоугольным и среднеквадратичное значение мощности совпадет с пиковым! Например, усилитель Dynacord Power H-2500 на нагрузке 8 Ом развивает 850 Вт (rms) на канал на гармоническом сигнале. Пиковое значение будет как минимум 1700 Вт. На музыкальном же сигнале, не достигая ограничения, среднеквадратичная мощность составит всего 170 Вт.

Что касается громкоговорителей, то их, как правило, тестируют на шумовых сигналах со спектральной плотностью, близкой к музыкальным. Так, стандарт ANSI/EIA RS-426-A 1980 предполагает розовый шум со спадом 6 дБ на октаву ниже 40 и выше 318 Гц. При измерении стандартным третьоктавным анализатором спектра спад в 3 дБ будет отмечен, соответственно, на частотах 100 и 1200 Гц. Пик-фактор такого сигнала близок к 10 дБ, поэтому пиковые значения мощности будут в 10 раз превосходить среднеквадратичные. Таким образом, если долговременная мощность, определенная по этому стандарту, составляет для нашего громкоговорителя, скажем, 300 Вт, то для того, чтобы действительно обеспечить ее на музыкальном сигнале, необходим усилитель, развивающий на синусоидальном сигнале 1500 Вт! Однако, громкоговоритель, способный выдержать 300 Вт вышеописанного сигнала, совсем не обязан уцелеть при подаче на него на любой частоте синусоидального сигнала такой же мощности или, тем более, прямоугольного колебания того же размаха, что составляет 600 Вт. Если же ввести в ограничение полуторакиловаттный усилитель, нашему динамику будет очень больно. 

Отдельные производители громкоговорителей учитывают это и вносят свои коррективы в методы испытаний. Так, компания Dynacord испытывает громкоговорители вышеописанным сигналом в течение 8 (восьми) часов, причем уровень сигнала устанавливают таким, чтобы усилитель мощности слегка ограничивал пики и пикфактор составлял 6 дБ. При этом громкоговоритель периодически испытывает воздействие прямоугольных колебаний, что более точно соответствует реальной ситуации. Громкоговорители Dynacord разрешается эксплуатировать с усилителями вчетверо большей номинальной мощности, по отношению к назначенному для них значению долговременной среднеквадратичной мощности при строжайшем контроле за уровнем сигнала.

В действительности, использование усилителей, обладающих большим запасом мощности позволяет с большей вероятностью сохранить динамический диапазон и пикфактор усиливаемого сигнала, и значительно уменьшить риск ограничения выходного напряжения.

Однако, при этом ограниченный сигнал будет еще более опасен. При работе с живым звуком гармонические и даже прямоугольные колебания большой амплитуды могут возникнуть на выходе усилителей при возникновении акустической обратной связи (‘’завязки’’), либо если кто-нибудь просто случайно обронит микрофон. Для устранения этой опасности можно использовать подавитель акустической ОС. Совершенно необходимым представляется также наличие в усилителе мощности лимитера, активируемого непосредственно при достижении порога ограничения. При этом становится возможным полностью использовать динамический диапазон акустической системы, не превышая в то же время допустимых значений подводимой среднеквадратичной мощности. Если же максимальная выходная мощность применяемого усилителя совпадает с допустимой долговременной мощностью громкоговорителя, то реально достижимые значения среднеквадратичного звукового давления на музыкальном сигнале будут на несколько децибел меньше максимального расчетного значения, приведенного в спецификациях на громкоговоритель. В этом случае повысится вероятность ограничения выходного напряжения усилителя, если в последнем отсутствует лимитер.

Вторым необходимым фактором обеспечения эксплуатационной надежности системы звукоусиления является квалификация оператора, в частности, грамотный контроль за уровнем сигнала.

Практически все микшерные пульты обладают большим запасом выходного напряжения и способны глубоко перегрузить усилители мощности входным сигналом. Даже если в усилителе имеется встроенный лимитер, продолжительная работа на пределе ограничения не рекомендуется, так как это может привести к тепловой перегрузке как громкоговорителя, так и усилителя. Долговременное усредненное значение выходного напряжения усилителя при этом будет значительно выше, чем при нелимитированном сигнале за счет сжатия динамического диапазона. Многолетняя практика свидельствует, что подобное весьма часто случается на дискотеках, где DJ то и дело теряют контроль за уровнем сигнала, и аппаратура отказывает чаще всего. Всегда следует незамедлительно снижать уровень сигнала при обнаружении слишком частого срабатывания индикации лимитера либо ограничения на усилителях мощности. 

В заключение еще раз отметим, что использование в практике комплектации систем звукоусиления только значений среднеквадратичной мощности на синусоидальном сигнале для усилителей и, в особенности, для громкоговорителей совершенно недостаточно для предотвращения перегрузок при эксплуатации, при изучении спецификаций на оборудование следует обязательно обращать внимание на то, в соответствии с каким стандартом и/или каким методом производилось измерение того либо иного параметра, в особенности, значений мощности. Серьезные производители электроакустической аппаратуры обязательно приводят такую информацию.

Источник: Дилер-центр, Денис Афанасьев