Мощность звука — это электрическая мощность, передаваемая от аудиоусилителя к громкоговорителю , измеряемая в ваттах . Электрическая мощность , подаваемая на громкоговоритель, вместе с его эффективностью определяют генерируемую звуковую мощность (остальная часть электрической мощности преобразуется в тепло).
Усилители ограничены в электрической энергии, которую они могут выводить, в то время как громкоговорители ограничены в электрической энергии, которую они могут преобразовать в звуковую энергию без повреждения или искажения аудиосигнала. Эти ограничения, или номинальные мощности , важны для потребителей при поиске совместимых продуктов и сравнении конкурентов.
В аудиоэлектронике существует несколько методов измерения выходной мощности (для таких устройств, как усилители) и допустимой мощности (для таких устройств, как громкоговорители).
Выходная мощность усилителя ограничена напряжением, током и температурой:
Поскольку выходная мощность усилителя сильно влияет на его цену, у производителей есть стимул преувеличивать характеристики выходной мощности, чтобы увеличить продажи. Без регулирования творческие подходы к рекламе рейтингов мощности стали настолько распространенными, что в 1975 году Федеральная торговая комиссия США вмешалась в рынок и потребовала от всех производителей усилителей использовать инженерное измерение (непрерывную среднюю мощность) в дополнение к любым другим значениям, которые они могли бы привести. [4]
Для громкоговорителей существуют также тепловые и механические аспекты максимальной мощности.
В США нет аналогичных правил по мощности громкоговорителей; проблема гораздо сложнее, поскольку многие акустические системы имеют совершенно разную мощность на разных частотах (например, высокочастотные динамики, обрабатывающие высокочастотные сигналы, физически малы и легко повреждаются, в то время как низкочастотные динамики, обрабатывающие низкочастотные сигналы, больше и прочнее).
Поскольку мгновенная мощность формы волны переменного тока изменяется со временем, мощность переменного тока , которая включает в себя звуковую мощность, измеряется как среднее значение по времени. Она основана на этой формуле: [5]
Для чисто резистивной нагрузки можно использовать более простое уравнение, основанное на среднеквадратичных значениях (RMS) форм сигналов напряжения и тока:
В случае постоянного синусоидального тона (не музыки) на чисто резистивной нагрузке это можно рассчитать из пиковой амплитуды формы волны напряжения (которую проще измерить с помощью осциллографа ) и сопротивления нагрузки:
Хотя динамик не является чисто резистивным, эти уравнения часто используются для аппроксимации измерений мощности для такой системы. Приближения могут использоваться в качестве справочных данных в спецификации продукта.
Тестируемый усилитель может выдавать синусоидальный сигнал с пиковой амплитудой 6 В (питается от батареи 12 В). При подключении к громкоговорителю сопротивлением 8 Ом это даст:
В большинстве реальных автомобильных систем усилители подключены по мостовой схеме , а сопротивление динамиков не превышает 4 Ом. Автомобильные усилители высокой мощности используют преобразователь постоянного тока в постоянный для генерации более высокого напряжения питания.
Непрерывные средние показатели мощности синусоидального сигнала являются одним из основных показателей технических характеристик аудиоусилителей и, иногда, громкоговорителей.
Как описано выше, термин средняя мощность относится к среднему значению мгновенной формы волны мощности с течением времени. Поскольку это обычно выводится из среднеквадратичного значения (RMS) напряжения синусоидальной волны, [6] его часто называют «RMS мощностью» или «ваттами RMS», но это неверно: это не среднеквадратичное значение формы волны мощности (которое было бы большим, но бессмысленным числом). [7] [8] [9] [10] Ошибочный термин «ватты RMS» на самом деле используется в стандарте ANSI. Его также называют номинальным значением , поскольку для его использования требуется маркировка продукта . [11]
Непрерывный (в отличие от «кратковременного») подразумевает, что устройство может работать на данном уровне мощности в течение длительных периодов времени; что тепло может отводиться с той же скоростью, с которой оно генерируется, без повышения температуры до точки повреждения.
3 мая 1974 года Федеральная торговая комиссия (FTC) ввела свое Правило усилителей [12] [13] для борьбы с нереалистичными заявлениями о мощности, сделанными многими производителями усилителей hi-fi. Это правило предписывает непрерывные измерения мощности, выполняемые с помощью синусоидальных сигналов для рекламы и спецификаций усилителей, продаваемых в США. (Подробнее см. в разделе Стандарты в конце этой статьи). Это правило было изменено в 1998 году, чтобы охватить динамики с автономным питанием, такие, которые обычно используются с персональными компьютерами (см. примеры ниже).
Обычно характеристики мощности усилителя рассчитываются путем измерения его выходного напряжения RMS с непрерывным синусоидальным сигналом в начале ограничения — произвольно определяемого как указанный процент от общего коэффициента гармонических искажений (THD), обычно 1%, в указанные сопротивления нагрузки. Типичные используемые нагрузки составляют 8 и 4 Ом на канал; многие усилители, используемые в профессиональном аудио, также имеют сопротивление 2 Ом. Значительно большую мощность можно обеспечить, если позволить искажениям увеличиться; некоторые производители указывают максимальную мощность при более высоком искажении, например 10%, из-за чего их оборудование кажется более мощным, чем при измерении на приемлемом уровне искажений. [14]
Непрерывные измерения мощности на самом деле не описывают сильно различающиеся сигналы, которые можно обнаружить в аудиооборудовании (которые могут варьироваться от записей инструментов с высоким пик-фактором до прямоугольных волн с пик-фактором 0 дБ ), но широко рассматриваются как разумный способ описания максимальной выходной мощности усилителя. Для аудиооборудования это почти всегда номинальный диапазон частот человеческого слуха, от 20 Гц до 20 кГц.
В громкоговорителях тепловые емкости звуковых катушек и магнитных структур в значительной степени определяют непрерывные номинальные значения мощности. Однако на нижнем конце используемого диапазона частот громкоговорителя его мощность может быть обязательно снижена из-за механических пределов отклонения. Например, сабвуфер мощностью 100 Вт может выдерживать мощность 100 Вт на частоте 80 Гц , но на частоте 25 Гц он может не выдерживать почти столько же мощности, поскольку такие частоты для некоторых динамиков в некоторых корпусах заставят динамик выйти за пределы его механических пределов задолго до достижения 100 Вт от усилителя. [15]
Пиковая мощность относится к максимуму мгновенной формы сигнала мощности, которая для синусоидальной волны всегда в два раза больше средней мощности. [16] [1] [17] [18] Для других форм сигнала соотношение между пиковой мощностью и средней мощностью называется отношением пиковой мощности к средней (PAPR).
Пиковая мощность усилителя определяется напряжением шин и максимальным током, который его электронные компоненты могут выдержать в течение мгновения без повреждения. Это характеризует способность оборудования обрабатывать быстро меняющиеся уровни мощности, поскольку многие аудиосигналы имеют высокодинамичный характер. [19]
Однако он всегда выдает более высокое значение, чем средний показатель мощности, поэтому его часто используют в рекламе без контекста, создавая впечатление, что усилитель в два раза мощнее конкурентов.
Общая мощность системы — термин, часто используемый в аудиоэлектронике для оценки мощности аудиосистемы. Общая мощность системы относится к общей потребляемой мощности устройства, а не к мощности, передаваемой динамиками , или выходной мощности усилителя . Это можно рассматривать как несколько обманчивый маркетинговый ход, поскольку общая потребляемая мощность устройства, конечно же, будет больше, чем любая из его других номинальных мощностей, за исключением, возможно, пиковой мощности усилителя, которая в любом случае по сути является преувеличенным значением. [ необходима цитата ] Полочные стереосистемы и ресиверы объемного звука часто оцениваются с использованием общей мощности системы.
Один из способов использовать общую мощность системы для получения более точной оценки мощности — рассмотреть класс усилителя , который даст обоснованное предположение о выходной мощности, учитывая эффективность класса. Например, усилители класса AB могут сильно различаться по эффективности от 25% до 75%[1], в то время как усилители класса D имеют гораздо более высокую эффективность — от 80% до 95%[2]. Исключительно эффективный усилитель класса D, ROHM BD5421efs, работает с эффективностью 90%. [20]
В некоторых случаях аудиоустройство может быть измерено по общей мощности системы всех его громкоговорителей путем сложения всех их пиковых мощностей. Многие системы домашнего кинотеатра в коробке оцениваются таким образом. Часто мощности систем домашнего кинотеатра низкого класса также берутся при высоком уровне гармонических искажений ; до 10%, что было бы заметно. [21]
PMPO , что означает пиковую выходную мощность музыки [22] [23] или пиковую мгновенную выходную мощность [24] , является гораздо более сомнительным показателем качества , представляющим интерес скорее для авторов рекламных текстов, чем для потребителей. [25] Термин PMPO никогда не был определен ни в одном стандарте, [26] но его часто принимают за сумму некоторой пиковой мощности для каждого усилителя в системе. Разные производители используют разные определения, так что отношение PMPO к непрерывной выходной мощности сильно различается; преобразовать одно в другое невозможно. Большинство усилителей могут поддерживать свой PMPO только очень короткое время, если вообще могут; громкоговорители не рассчитаны на то, чтобы выдерживать свой заявленный PMPO в течение чего-либо, кроме кратковременного пика без серьезных повреждений.
Воспринимаемая « громкость » изменяется приблизительно логарифмически с акустической выходной мощностью. Изменение воспринимаемой громкости как функции изменения акустической мощности зависит от опорного уровня мощности. Полезно и технически точно выражать воспринимаемую громкость в логарифмической шкале децибел (дБ), которая не зависит от опорной мощности, с довольно прямолинейной зависимостью между изменениями на 10 дБ и удвоениями воспринимаемой громкости.
Приблизительно логарифмическая зависимость между мощностью и воспринимаемой громкостью является важным фактором в проектировании аудиосистемы. Как мощность усилителя, так и чувствительность динамика влияют на максимально достижимую громкость. Чувствительность обычно измеряется либо в подвешенном состоянии в безэховой камере в «свободном пространстве» (для полнодиапазонных динамиков), либо с источником и приемником снаружи на земле в «полупространстве» (для сабвуфера).
В то время как удвоение/уменьшение воспринимаемой громкости соответствует приблизительно 10 дБ увеличению/уменьшению чувствительности динамика, оно также соответствует приблизительно 10-кратному умножению/делению акустической мощности. Даже относительно скромное увеличение/уменьшение чувствительности на 3 дБ соответствует удвоению/уменьшению акустической мощности. При измерении в «полупространстве» граница заземляющей плоскости разрезает доступное пространство, в которое излучается звук, пополам и удваивает акустическую мощность на приемнике, для соответствующего увеличения измеренной чувствительности на 3 дБ, поэтому важно знать условия испытания. Изменение измеренной чувствительности на ±3 дБ также соответствует аналогичному удвоению/уменьшению вдвое электрической мощности, необходимой для создания заданной воспринимаемой громкости, поэтому даже обманчиво «незначительные» различия в чувствительности могут привести к большим изменениям в требуемой мощности усилителя. Это важно, поскольку усилители мощности становятся все более непрактичными с увеличением выходной мощности усилителя.
Многие высококачественные бытовые динамики имеют чувствительность от ~84 дБ до ~94 дБ, но профессиональные динамики могут иметь чувствительность от ~90 дБ до ~100 дБ. Источнику «84 дБ» потребуется усилитель мощностью 400 Вт для создания той же акустической мощности (воспринимаемой громкости), что и источник «90 дБ», работающий от 100 Вт усилителя, или источник «100 дБ», работающий от 10 Вт усилителя. Поэтому хорошей мерой «мощности» системы является график максимальной громкости до отсечения усилителя и громкоговорителя, объединенных в дБ SPL, в предполагаемом месте прослушивания по слышимому частотному спектру. Человеческое ухо менее чувствительно к низким частотам, на что указывают контуры равной громкости , поэтому хорошо спроектированная система должна быть способна генерировать относительно более высокие уровни звука ниже 100 Гц до отсечения.
Как и воспринимаемая громкость, чувствительность динамика также меняется в зависимости от частоты и мощности. Чувствительность измеряется на уровне 1 Вт, чтобы минимизировать нелинейные эффекты, такие как компрессия мощности и гармонические искажения, и усредняется по используемой полосе пропускания. Полоса пропускания часто указывается между измеренными частотами среза «+/-3 дБ», где относительная громкость ослабевает по сравнению с пиковой громкостью как минимум на 6 дБ. Некоторые производители динамиков используют вместо этого «+3 дБ/-6 дБ», чтобы учесть реальный отклик динамика в помещении на крайних частотах, где границы пола/стены/потолка могут увеличить воспринимаемую громкость.
Чувствительность динамика измеряется и оценивается на основе предположения о фиксированном выходном напряжении усилителя, поскольку аудиоусилители, как правило, ведут себя как источники напряжения. Чувствительность может быть вводящей в заблуждение метрикой из-за различий в сопротивлении динамика между динамиками разной конструкции. Динамик с более высоким сопротивлением может иметь более низкую измеренную чувствительность и, таким образом, казаться менее эффективным, чем динамик с более низким сопротивлением, даже если их эффективность на самом деле одинакова. Эффективность динамика — это метрика, которая измеряет только фактический процент электрической мощности, которую динамик преобразует в акустическую мощность, и иногда является более подходящей метрикой для использования при исследовании способов достижения заданной акустической мощности от динамика.
Добавление идентичного и взаимно связанного динамика (на расстоянии гораздо меньше длины волны друг от друга) и равномерное распределение электрической мощности между двумя динамиками увеличивает их совокупную эффективность максимум на 3 дБ, что аналогично увеличению размера одного динамика до тех пор, пока площадь диафрагмы не удвоится. Несколько динамиков могут быть более практичными для повышения эффективности, чем более крупные динамики, поскольку частотная характеристика обычно пропорциональна размеру динамика.
Разработчики систем используют это повышение эффективности, используя взаимно связанные драйверы в корпусе динамика и используя взаимно связанные кабинеты динамика на площадке. Каждое удвоение общей площади драйвера в массиве драйверов приводит к увеличению эффективности на ~3 дБ до предела, когда общее расстояние между любыми двумя драйверами массива превышает ~1/4 длины волны.
Мощность обработки также удваивается, когда число драйверов удваивается, для максимально реализуемого увеличения общей акустической мощности ~6 дБ на удвоение взаимно связанных драйверов, когда общая мощность усилителя также удваивается. Повышение эффективности взаимного соединения становится труднодостижимым с несколькими драйверами на более высоких частотах, поскольку общий размер одного драйвера, включая его диафрагму, корзину, волновод или рупор, может уже превышать одну длину волны.
Источники, которые намного меньше длины волны, ведут себя как точечные источники, которые излучают всенаправленно в свободном пространстве, тогда как источники, которые больше длины волны, действуют как их собственная «земляная плоскость» и излучают звук вперед. Такое излучение, как правило, делает высокочастотную дисперсию проблематичной в больших помещениях, поэтому проектировщику, возможно, придется покрыть зону прослушивания несколькими источниками, направленными в разных направлениях или размещенными в разных местах.
Аналогично, близость динамика на расстоянии менее 1/4 длины волны к одной или нескольким границам, таким как пол/стены/потолок, может увеличить эффективную чувствительность, превратив свободное пространство в полупространство, четверть пространства или восьмую часть пространства. Когда расстояние до границ > 1/4 длины волны, задержанные отражения могут увеличить воспринимаемую громкость, но также могут вызывать окружающие эффекты, такие как гребенчатая фильтрация и реверберация, которые могут сделать частотную характеристику неравномерной по всему месту проведения или сделать звук рассеянным и резким, особенно в небольших помещениях и с твердыми отражающими поверхностями.
Для компенсации граничных эффектов в пределах указанной зоны прослушивания могут использоваться звукопоглощающие конструкции, звукорассеивающие конструкции и цифровая обработка сигнала.
Чарльз «Чак» МакГрегор, работая старшим технологом в Eastern Acoustic Works , написал руководство для профессиональных покупателей аудиотехники , желающих выбрать усилители правильного размера для своих громкоговорителей. Чак МакГрегор рекомендовал правило, в котором максимальная выходная мощность усилителя была в два раза больше непрерывной (так называемой «RMS») мощности громкоговорителя, плюс-минус 20%. В его примере громкоговоритель с непрерывной мощностью 250 Вт будет хорошо сочетаться с усилителем с максимальной выходной мощностью в диапазоне от 400 до 625 Вт. [27]
Компания JBL , которая тестирует и маркирует свои громкоговорители в соответствии со стандартом IEC 268-5 (в последнее время именуемым IEC 60268-5), имеет более подробный набор рекомендаций, зависящий от профиля использования системы, который в основном включает в себя (наихудший случай) пик-фактор сигнала, используемого для управления громкоговорителями: [28]
Активные динамики состоят из двух или трех динамиков на канал, каждый из которых оснащен собственным усилителем, и предшествует электронному кроссоверному фильтру для разделения аудиосигнала низкого уровня на полосы частот, которые должны обрабатываться каждым динамиком. Такой подход позволяет использовать сложные активные фильтры для сигнала низкого уровня без необходимости использования пассивных кроссоверов с высокой мощностью , но ограниченным спадом и с большими и дорогими индукторами и конденсаторами. Дополнительным преимуществом является то, что пиковая мощность выше, если сигнал имеет одновременные пики в двух разных полосах частот. Один усилитель должен обрабатывать пиковую мощность, когда оба напряжения сигнала находятся на пике; поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, пиковая мощность, когда оба сигнала находятся на одном пиковом напряжении, пропорциональна квадрату суммы напряжений. Если используются отдельные усилители, каждый должен обрабатывать квадрат пикового напряжения в своей собственной полосе. Например, если бас и средний диапазон имеют сигнал, соответствующий 10 Вт выходной мощности, потребуется один усилитель, способный обрабатывать пик 40 Вт, но будет достаточно усилителя баса и высоких частот, каждый из которых способен обрабатывать 10 Вт. Это актуально, когда пики сопоставимой амплитуды возникают в разных частотных диапазонах, как в случае широкополосной перкуссии и высокоамплитудных басовых нот.
Для большинства аудиоприложений требуется больше мощности на низких частотах. Это требует мощного усилителя для низких частот (например, 200 Вт для диапазона 20–200 Гц), усилителя меньшей мощности для средних частот (например, 50 Вт для 200–1000 Гц) и еще меньше для высоких частот (например, 5 Вт для 1000–20000 Гц). Правильная конструкция системы усилителя bi/tri требует изучения частотной характеристики и чувствительности драйвера (динамика) для определения оптимальных частот кроссовера и мощности усилителя мощности.
Пиковая мгновенная выходная мощность и пиковая музыкальная выходная мощность — это два разных измерения с разными характеристиками, и их не следует использовать взаимозаменяемо. Производители, которые используют разные слова, такие как «импульс» или «производительность», могут использовать собственную нестандартную систему измерений с неизвестным значением. Федеральная торговая комиссия кладет этому конец с помощью правила 46 CFR 432 (1974) Федеральной торговой комиссии (FTC), касающегося требований к выходной мощности усилителей, используемых в домашних развлекательных продуктах.
В ответ на распоряжение Федеральной торговой комиссии Ассоциация потребительской электроники установила четкую и краткую меру звуковой мощности для потребительской электроники. Они разместили на своем веб-сайте шаблон маркировки продукции, одобренный FTC, а полный стандарт доступен за плату. Многие считают, что это разрешит большую часть двусмысленности и путаницы в рейтингах усилителей. Также будут рейтинги для динамиков и активных акустических систем. Эта спецификация применима только к аудиоусилителям. Ожидается аналог в ЕС, и все оборудование, продаваемое в США и Европе, будет одинаково протестировано и оценено. [29]
Это положение не распространяется на автомобильные развлекательные системы, которые, следовательно, все еще страдают от путаницы с номинальными мощностями. Однако новый утвержденный американский национальный стандарт ANSI/CEA-2006-B, который включает методы тестирования и измерения для мобильных аудиоусилителей, постепенно выводится на рынок многими производителями. [30]
DIN ( Deutsches Institut für Normung , Немецкий институт стандартизации) описывает в DIN 45xxx несколько стандартов измерения мощности звука. Стандарты DIN (DIN-нормы) широко используются в Европе. [31]
IEC 60268-2 определяет технические характеристики усилителя мощности, включая выходную мощность. [32]
Пик сигнала едва касается [...] значений шин питания. Этот сигнал все еще чистый и неискаженный, однако это максимально чистый сигнал, который возможен для этого усилителя. [...] Пиковая мощность: [...] максимальное количество мощности, которое может быть передано на нагрузку [...] Для усилителя, который мы использовали в нашем примере, пиковая мощность (для нагрузки 8 Ом) составляет 200 Вт. Это количество мощности передается на нагрузку 8 Ом в тот момент, когда выходное напряжение усилителя составляет +40 вольт
Используя это напряжение на шине, мы могли бы рассчитать мгновенную пиковую мощность...
Если сопротивление динамика слишком низкое [...] Слишком большой ток будет проходить через выходные транзисторы AV-ресивера, что приведет к перегреву и отключению ресивера.
Федеральная торговая комиссия давно знала об этом факте и в 1975 году вмешалась, чтобы остановить злоупотребления компаний, которые хотели, чтобы вы думали, что ваш усилитель может запустить динамик на орбиту. [...] все опубликованные характеристики мощности должны указывать постоянную мощность в ваттах [...] среднее количество мощности, которое усилитель способен вырабатывать в течение длительного периода времени.
Среднеквадратичное значение мощности
не
эквивалентно тепловой мощности и, по сути, не представляет собой никакой полезной физической величины.
Напротив, RMS (среднеквадратическая) мощность должна быть определена как квадратный корень из среднего по времени квадрата мгновенной мощности, поскольку именно это означает „RMS“. Это
можно
сделать, но это
не
мощность, как она измерена, и, кроме того, это
не
будет иметь технического значения (например, она не измеряет тепловую мощность).
Измеряемое напряжение — это среднеквадратичное напряжение, но результирующая мощность — это средняя мощность, которая измеряется в ваттах.
Часто ошибочно именуется "среднеквадратичной" мощностью, поскольку она выводится из показаний среднеквадратичного напряжения.
Пример использования товарного знака [...] Выходная мощность: 30 Вт RMS
номинальная минимальная непрерывная средняя выходная мощность синусоидальной волны, в ваттах, на канал [...] при сопротивлении, для которого усилитель изначально разработан, измеренная со всеми связанными каналами, полностью загруженными до номинальной мощности на канал
Способно выдавать 10 Вт/канал при 10% искажении
Должно быть ясно [...], что мощность усилителя не является проблемой на низкочастотном конце диапазона сабвуфера, но на высоких частотах. Выход самой низкой частоты ограничен ходом драйвера.
Для синусоиды пиковая мощность в два раза больше непрерывной средней мощности.
Пиковые значения мощности определяются с помощью пикового напряжения. [...] Если динамический запас аудиоусилителя указан на уровне 3 дБ, то усилитель может выдавать мощность, в два раза превышающую среднюю; например, если усилитель рассчитан на среднюю мощность 200 Вт, то пиковая мощность составит 400 Вт.
Пиковая мощность, которую усилитель может подать на нагрузку, равна [...] PSE(PEAK) = [...] 2 • PSE(RMS)
В усилителе максимальная пиковая выходная мощность на динамик ограничена источником питания усилителя. [...] В усилителе номинальная пиковая мощность полезна для описания максимального мгновенного предела его возможностей для импульсных звуков, таких как барабанные ритмы и басовые ноты.
PMPO пиковая выходная мощность музыки
Акустическая PMPO. Пиковая выходная мощность музыки
Это называлось "Music Power Output". Итак, теперь, когда у нас есть хороший, работающий стандарт, что мы видим в рекламных материалах отрасли? Что-то совершенно новое. Это называется — как ни странно — "Peak Music Power Output".
