Подробная расшифровка некоторых характеристик акустики

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука, издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы — это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом — благодаря высокому уровню искажений, на втором — благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS ( Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе — активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая.

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

Полное электрическое сопротивление, импеданс

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.

Источник

Как читать и понимать технические характеристики усилителей?

Наглядное пособие для начинающих

Как читать и понимать технические характеристики усилителей?

Наглядное пособие для начинающих

Продолжаем изучать что же скрывается за цифрами в таблице технических характеристик компонентов вашей аудиосистемы. В прошлый раз мы говорили об акустических системах, сегодня подошла очередь усилителей. Во многом, параметры их работы имеют схожие названия, но суть при этом зачастую отличается.

Как и для акустических систем, здесь тоже справедливо наблюдение, что ТТХ никак не определяют характер звучания усилителя. Однако, в этом классе аудиотехники меняется подход – если акустика во многом определяет «голос» системы, то идеальный усилитель должен отсутствовать в тракте. Другими словами, его влияния в идеале (которого не достичь) слышно быть не должно, а задача усилителя – в максимальной мере раскрыть потенциал акустики. И способность стать для колонок оптимальным партнером вполне можно оценить по техническим параметрам модели, сокращая перечень кандидатов и экономя время на прослушивание заведомо не слишком совместимых пар усилителей и акустических систем.

Рабочий частотный диапазон или диапазон воспроизводимых частот

Немецкий стандарт DIN 45500, принятый в далеком 1974 году и определивший группу критериев соответствия аудиотехники классу Hi-Fi (High Fidelity), декларирует, что рабочий частотный диапазон усилителя должен простираться как минимум от 20 Гц до 20 кГц. При этом, как и в случае акустических систем, нужно помнить о том, что сами по себе границы этого диапазона ни о чем не говорят – они становятся информативными только будучи дополнены условиями измерения.

В связи с этим, отметим два момента. Во-первых, значение какого-либо параметра для системы в целом определяется самым «узким местом» – компонентом с наихудшим значением этого параметра. Для аудиосистемы по большинству параметров таким звеном будут колонки, для которых, к примеру, рабочий диапазон от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью +/- 0,1 дБ практически недостижим. Во-вторых, если включить в рассмотрение (в состав системы) и ваш слуховой аппарат, то, возможно, узким местом окажется именно он – с возрастом острота слуха снижается, особенно в высокочастотной области. В итоге, говоря о рабочем частотном диапазоне усилителя, нужно лишь следить, чтобы этот диапазон с запасом перекрывал возможности акустических систем, с которыми он работает, а в рабочем частотном диапазоне акустики демонстрировал минимальную неравномерность АЧХ.

Отношение сигнал/шум

Если лишить усилитель полезного сигнала, выключив все источники, то поставив регулятор громкости на максимум и внимательно прислушавшись можно услышать в колонках слабый шум (слабый – если, конечно, ваш усилитель исправен). Это паразитный шум вашего усилителя, вызванный как внешними электромагнитными наводками на электронные компоненты схемы, так и собственными шумами этих компонентов, которые могут возникать по самым разным причинам, к примеру, по мере повышения их температуры.

Отношение мощности полезного гармонического сигнала к уровню собственного шума усилителя и называется отношением сигнал/шум (S/N ratio) и измеряется в дБ. У современных транзисторных усилителей этот параметр порой переваливает за 100 дБ. Помня о том, что оценка уровней сигналов в дБ использует логарифмическую, а не линейную шкалу, получаем, что собственные шумы усилителя более чем в десять миллиардов раз тише, чем уровень полезного сигнала. Иначе говоря, этим шумом можно просто пренебречь, и разницу «шумности» двух усилителей с отношением сигнал/шум, к примеру, 85 дБ и 120 дБ на слух вы вряд ли сможете определить.

Коэффициент гармонических искажений

Задача усилителя в точности повторить форму входного сигнала на выходе, но с большей амплитудой. Но это в теории. А на практике для усиления применяют активные элементы, характеристики которых далеки от линейных, и которые, вне зависимости от нашего желания, искажают исходный сигнал. К синусоиде на входе добавляются гармоники с кратной частоте полезного сигнала частотой. И пусть их амплитуда в сравнении с полезным сигналом мала, но, тем не менее, они вызывают изменения исходной формы, то есть, вносят искажения.

Отношение суммарного уровня дополнительных гармоник к уровню полезного сигнала называют коэффициентом гармонических искажений (THD – Total Harmonic Distortion). В большинстве случаев измерения этого параметра проводят на частоте 1 кГц либо при половинной мощности усилителя, либо при максимальной. Для современных транзисторных усилителей этот параметр составляет доли процента, а уловить на слух разницу в звучании усилителя с КНИ 0,05% и 0,005% получится только у «золотого уха». Остается добавить, что на границах рабочего диапазона, то есть, в области самых низких и самых высоких частот, этот показатель растет.

Коэффициент интермодуляционных искажений

Но не так страшны гармонические искажения, как иные их виды. Гармоники сопровождают прослушивание музыки всегда, даже когда мы наслаждаемся живой музыкой – звучание основного тона музыкального инструмента обычно сопровождают гармоники более высокого порядка – обертоны. Причем, их присутствие не только не портит впечатление, а обогащает звучание. На субъективное восприятие влияет уровень этих гармоник и их порядок – чётные или нечётные. В результате исследований в области психоакустики выяснилось, что чётные гармоники даже заметного уровня на слух воспринимаются лучше, чем нечётные существенно меньшей интенсивности.

Но куда сильнее звучание портят интермодуляционные искажения (IMD – Inter Modulation Distortion), которые возникают при усилении мультитонового музыкального сигнала, когда на выходе усилителя появляются паразитные составляющие с частотами, являющимися суммой или разностью частот спектра входного сигнала, а также суммой или разностью частот гармоник полезного сигнала, попадающих на вход усилителя через обратную связь. Их «заметность» на слух определяется тем, что подобные искажения никак не коррелируют с основными тонами музыкального сигнала.

Разделение между каналами

Для многоканальных усилителей, к которым относятся и стереофонические компоненты, одним из важных параметров является разделение каналов (Channel separation), характеризующий степень проникновения сигнала из одного канала в другой. При этом, наведенный в соседний канал сигнал по сути является паразитным, потому этот показатель часто называют перекрестными помехами.

Отношение наведенного из соседнего канала сигнала к полезному измеряется в дБ – чем этот параметр хуже (меньше), тем сложнее усилителю сформировать объемную стереокартину. Если говорить о зависимости этого параметра от частоты сигнала, то в большинстве случаев с ростом частоты разделение каналов ухудшается. Другими словами, проблема наиболее сильно проявляется в области ВЧ.

Коэффициент демпфирования

Тем временем, мы приближаемся к наиболее значимым характеристикам усилителей аудиосигнала. Коэффициент демпфирования (иногда его называют демпинг-фактор) характеризует способность усилителя бороться с паразитными напряжениями, возникающими в результате инерционных перемещений звуковой катушки в магнитном поле в динамических головках колонок. Несмотря на усилия разработчиков динамиков, создать невесомый (а значит лишенный инерции), но достаточно прочный диффузор невозможно, потому, как следствие, диффузор будет совершать колебания, не связанные с воспроизведением полезного сигнала – по инерции.

Коэффициент демпфирования характеризует отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. Чем этот показатель больше, а выходное сопротивление усилителя ниже, тем эффективнее аппарат сможет компенсировать такие паразитные колебания. Выбирая усилитель, достаточным можно считать значение коэффициента демпфирования более 100 единиц. Если этот параметр превышает 300, то вероятность, что эта модель сможет укротить самые тугие колонки, возрастает. У усилителей топового уровня коэффициент демпфирования измеряется тысячами единиц.

Мощность

Наконец, мы подошли к главному – группе параметров, которые описывают эффективность выполнения основной задачи усилителя – собственно, усиления сигнала. Эта способность характеризуется мощностью, измеряемой в Ваттах. А вот способов измерения мощности может быть множество, каждый из которых даст свой результат, который может весьма значительно отличаться от других. И «польза» от этих параметров будет тоже весьма разной.

Номинальная мощность

Мощность усилителя, до достижения которой нелинейные искажения не превышают заданного порога, называется номинальной. При этом, в качестве такого порога обычно выбирают значение, при котором ухо не различает искажений – чаще всего это доли процента. Показатель измеряется при подаче на вход синусоидального сигнала частотой 1 кГц, когда усилитель работает с нагрузкой с определенным сопротивлением – чаще всего 4 или 8 Ом.

Среди особенностей этого показателя, которые необходимо учитывать при оценке, отметим тот факт, что реальный музыкальный сигнал весьма далек от тестового – к примеру, он несет целый частотный спектр, а, как известно, сопротивление акустической системы зависит от частоты сигнала, подаваемого на неё. На каких-то частотах сопротивление может оказаться существенно ниже номинального, и как поведет себя усилитель в этой ситуации этот параметр не подскажет. Второй момент – зависимость КНИ от выходной мощности чаще всего довольно сложна. К примеру, для усилителей, работающих в классе AB, нелинейные искажения на низкой мощности могут быть выше, чем при работе на номинальной. А с учётом того, что основное количество музыкальной информации статистически воспроизводится на низких уровнях мощности, реальные искажения при прослушивании музыки оказываются выше порога, установленного при измерении номинальной мощности.

Максимальная мощность

Выходная мощность усилителя без оглядки на уровень нелинейных искажений называется максимальной. Критерием здесь выступает не уровень КНИ, а способность усилителя работать на такой мощности продолжительное время – то есть, сохраняя работоспособность. Что может подсказать полезного любителю музыки этот параметр не очень понятно.

Для моделей иностранного производства, преобладающих в наших системах, используют иные технические показатели мощности, впрочем, разница там в основном лишь в названиях.

DIN Power

DIN Power очень близкий по сути параметр к номинальной мощности – это мощность, развиваемая усилителем при работе на нормированную нагрузку с нелинейными искажениями, не превышающими заданного уровня. Измерения этого показателя проводят в течение 10 минут синусоидальным сигналом частотой 1 кГц при пороге коэффициента нелинейных искажений 1%. Второй вариант этого параметра – IHF Power, для измерения которой искажения ограничивают на уровне 0,1%. И, наконец, третьей вариацией этого параметра стала DIN Music Power, для измерения которой используют не синусоидальный сигнал, а музыкальный, характеризуемый конкретной полосой частот. Например – 100 W (4 Ω, 20 – 20000 Hz, THD 0,1%).

RMS Power

Среднеквадратичное значение мощности при нелинейных искажениях, не превышающих определенного порога, называют Root Mean Squared (RMS) Power. Измеряется этот показатель на синусоидальном сигнале частотой 1 кГц с порогом КНИ составляющем 10%. Данный параметр имеет корни в электротехнике, и для аудио особой информационной ценности не имеет, поскольку наше ухо фиксирует амплитудные значения сигнала, а не среднеквадратичные, и какие-либо усреднения для слуха вряд ли можно применять.

Показатель Peak Music Power Output (PMPO) по смыслу повторяет максимальную мощность усилителя, за исключением того, что здесь речь идет о пиковом значении мощности – то есть, мощности, достигаемой на очень небольшом промежутке времени, как правило не превышающем 10 миллисекунд (для максимальной мощности речь шла о работе в течение длительного времени). Потому, когда на пластмассовом бочонке длиной метр мы видим наклейку PMPO 1000 Вт обольщаться не стоит – номинальная мощность усилителя такого бумбокса редко превышает 10 Ватт.

А что ещё?

Прочие параметры, которые можно встретить в таблицах ТТХ, сопровождающих усилители, обычно не нуждаются в пояснениях – потребляемая мощность, размеры корпуса и вес, цвет и используемые материалы отделки говорят сами за себя. И именно эти параметры наиболее «близки» для понимания и ценны для анализа. Единственный комментарий в их отношении – если выходные каскады усилителя работают в классе А или АВ, а его вес не впечатляет воображение – это повод усомниться в его способностях, ибо физику не обманешь, и такому усилителю, имеющему сравнительно низкий КПД, нужен мощный блок питания и эффективная система охлаждения, а это, прежде всего, отражается на весе устройства. Аналогично обстоит дело с потребляемой мощностью, по которой можно оценить способность блока питания усилителя обеспечить необходимые пиковые нагрузки.

Источник