Основные характеристики пассивных акустических систем.

Конструкция классической головки громкоговорителя:

Громкоговоритель – это устройство, преобразующее электрический звуковой сигнал на входе в слышимый акустический сигнал на выходе.

 

Диффузор громкоговорителя приводится в движение силой, действующей на жестко скрепленную с ним катушку, находящуюся в радиальном магнитном поле. В катушке течет переменный ток, соответствующий аудио сигналу, который должен воспроизвести громкоговоритель. Магнитное поле в громкоговорителе создается кольцевым постоянным магнитом и магнитной цепью из двух фланцев и керна. Катушка под действием силы Ампера свободно движется в пределах кольцевого зазора между керном и верхним фланцем, а ее колебания передаются диффузору, который в свою очередь создает акустические колебания, распространяющиеся в воздушной среде.

 

Сопротивление акустической системы – полное сопротивление переменному току на частоте 1кГц. Головки громкоговорителей выпускаются с нормированным сопротивлением (8Ом, 4Ома, 16Ом). Это не сопротивление постоянному току, измеренное на выводах динамика мультиметром.

Нужно понимать, что подвижная система динамика – сложная нелинейная инерционная резонансная система. Сопротивление (импеданс) акустической системы меняется в зависимости от частоты. Это изменение зависит от применяемого громкоговорителя и конструкции акустического оформления (корпуса).

Примерная зависимость сопротивления головки громкоговорителя от частоты:

 

На некоторых частотах оно может опускаться ниже номинального, а на других возрастать (на частоте резонанса).

При подведении больших мощностей длительное время катушка подвижной системы может нагреваться, что тоже влияет на ее индуктивность и соответственно сопротивление (термокомпрессия – некоторое повышение сопротивления катушки головки громкоговорителя связанное с ее нагревом).

 

Есть еще много факторов, влияющих на импеданс громкоговорителя.

Номинальная мощность акустической системы – подводимая электрическая мощность, при которой нелинейные искажения достигают некоторого значения, определенного для данного метода измерения.

Существуют разные стандарты и методы измерения мощности для оценки максимально большой мощности, которую можно безболезненно подать на акустическую систему: RMS, AES, Long Term Maximum Input Power, Rated Maximum, Continuous, Program, Power Handling Capacity, peak power, и т.д.

 

Причем тут RMS - дословно это не значит, что это среднеквадратичное (действующее) значение. В данном контексте (параметры акустических систем и головок громкоговорителя): RMS - это Rated Maximum Sinusoidal power (установленная максимальная синусоидальная мощность) — мощность, при которой усилитель или динамик может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Хотя это тоже среднеквадратичное значение этой мощности.

 

Рассмотрим несколько из них, чаще всего применяемые и определяющие подбор усилителя мощности для акустической системы:

 

AES – мощность, при которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). Нормируется на минимальное сопротивление импеданса. Следует понять, что эта мощность как раз определяется RMS значением мощности подаваемого сигнала.

 

Peak – максимальное (пиковое) значение мощности, которое может за короткое время воздействия вывести систему из строя.

 

Hужно отметить две вещи: типы мощности – пиковая и средняя и т.д. очень зависят от состава музыкальной программы. Отношения пиковой и средней мощности заметно меняются от одной музыкальной программы к другой. Грубо говоря, термин мгновенная мощность относится к любому очень кратковременному требованию по мощности и обычно он ассоциируется с максимальной мощностью, которую может потребовать музыкальная программа. Такие термины как музыкальная мощность или и программная мощность не определены жёстко и могут рассматриваться как вариации средней мощности.

 

 

На рисунке график музыкальной программы изображён на горизонтальной шкале времени для типичной системы, рассчитанной на работу с 300-ваттным усилителем. Обратите внимание, что большую часть времени требования по мощности остаются довольно низкими и только случайные моментальные пики требуют от системы полной выходной мощности. Как видно, крест-фактор (пик- фактор) нашем случае равен порядка 25 дБ, это типичное значение для классической музыки. Для рок- музыки пик-фактор будет в пределах 8 – 10 дБ. Для «клубных» стилей еще менее. Говоря о динамическом диапазоне музыкального сигнала имеют ввиду его крест-фактор за определенное время.

 

Громкоговорители подвержены двум видам повреждений: механическому и термическому. Пусть у нас имеется неисправный усилитель, который по какой-то причине воспроизводит высокочастотный звук за пределами слышимого диапазона (самовозбуждение в связи с неисправностью). Катушка динамика на высоких частотах, в таких условиях может сразу выйти из строя из-за перегрева.

Мощность, которая вызывает подобные повреждения, может быть совсем не высокой, возможно не больше 20 или 30 ватт, если сигнал находится в инфразвуковом диапазоне. С другой стороны, предположим, что динамик подвергается избыточному воздействию низко-частотных составляющих музыкального сигнала. Через некоторое время движущиеся части динамика придут в столь напряжённое состояние, что может возникнуть нарушение центровки катушки и как следствие обрыв или механическое разрушение подвеса диффузора в связи с чрезмерным механическим смещением. В особо жёстких случаях катушка может вылететь из зазора и зависнуть над магнитной системой. В этом случае индуктивность катушки резко понижается, сопротивление для низких частот резко падает, соответственно ток резко увеличивается, происходит нагрев и перегорание обмотки катушки подвижной системы громкоговорителя.

 

Проще говоря, можно сказать, что выход громкоговорителя из-за перегрева катушки или механическому износу подвеса диффузора происходит в связи с превышением RMS значения мощности или чрезмерно высоким содержанием низкочастотных составляющих подводящегося сигнала. А обрыв обмотки катушки, пробой (межвитковое замыкание) или отрыв от подвеса диффузора – из-за превышения пиковой мощности.

 

Тестовый сигнал для присвоения мощности динамику описывается стандартом Международной Электротехнической Комиссии (IEC) – стандартизирующая организация. Это сигнал розового шума с крест фактором 6 дБ, фильтрованный на 12 дБ на октаву ниже 40 Гц и выше 5 кГц. Чтобы присвоить динамику номинал, на контрольный образец подается тестовый сигнал, мощность которого ступенчато увеличивается. Присваивается та номинальная мощность IEC, которую образец выдерживает в течении восьми часов. Крест фактор 6 дБ означает, что на данный громкоговоритель подаётся шумовой сигнал, превышающий в четыре раза среднюю мощность. Например, динамик с номиналом 150 Вт данным методом тестирования подвергался бы испытанию в течение восьми часов сигналом мощностью 600 Вт.

 

Все громкоговорители способны выдерживать короткие пики мощности. Это гораздо легче, чем держать большую мощность в постоянном режиме. Правильный выбор усилителя прямо зависит от способности громкоговорителя держать мощность, но однозначных рекомендаций для подбора усилителей мощности по допустимой мощности акустической системы нет. Это зависит от типа акустического оформления, рабочего диапазона частот, настроек лимитера контроллера АС (лимитер, кстати, тоже бывает peak и rms) и т.д.

 

Снижение нижней границы частоты подаваемого сигнала снижает максимальную мощность, безопасную для головки громкоговорителя из-за механических ограничений конструкции подвижной системы.

 

Каждый производитель акустических систем берет на себя ответственность за рекомендации конкретного усилителя. И каждый пользователь тоже!

В любом случае работа акустической системы с усилителем, на котором долговременно горит сигнал "CLIP" (перегрузка) или "Lim" (лимитирование) - НЕДОПУСТИМА!!!!

Для объяснения следующих акустических параметров следует сначала рассмотреть некоторые методы проведения измерений: замеряемая акустическая система помещается в середину безэховой камеры (half space – свободное пространство), к ней подводится сигнал, амплитудой 1 Вольт, измерительный микрофон устанавливается на расстоянии 1 метр по оси системы. Таким образом влияние помещения пренебрегается.

 

Чувствительностью (Sensitivity) называется уровень звукового давления, который развивается громкоговорителем на расстоянии 1 метра от акустической системы, при подаче на нее электрического сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в дБ (1Вт/1м). Чем выше чувствительность акустической системы, тем большую громкость можно получить при одинаковом уровне подводимой мощности (некоторая аналогия с КПД).

 

Максимальное звуковое давление (Maximum SPL) – является расчетной величиной исходя из чувствительности и пиковой мощности.

Измеряя развиваемое звуковое давление во всем слышимом диапазоне частот (по умолчанию 20– 20000 Гц), получим АЧХ по чувствительности. Края диапазона, где давление глобально падает на определенное значение, называются рабочим частотным диапазоном системы (Frequency Response). Многие производители нормируют на -3dB, но бывают и другие значения.

 

Начинаем передвигать микрофон относительно акустической системы по окружности радиусом один метр в вертикальной и горизонтальной плоскости. При падении давления -6dB относительно давления на оси получаем некое значение угла поворота относительно оси системы – это направленность (Dispersion, дисперсия, "раскрыв"). Эти углы будут разные на разных частотах.

 

Стоит также отметить, что начиная с некоторого уровня подаваемого громкоговоритель электрического сигнала, звуковые колебания начинают воспроизводиться с искажениями, причем один производитель может указать мощность при искажениях (THD) 1%, а другой – 10%. 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. 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» — почти нулевая и отражает только устойчивость к воздействию максимальной подаваемой мощности без "выхода из строя".

 

А теперь – к главному. Звук мы получаем, преобразовывая электрические колебания в звуковые, поэтому КПД этого преобразования и даст нам искомое понимание громкости акустической системы (АС). Основной мерой КПД акустической системы является ее чувствительность, определяемая как "звуковое давление, развиваемое акустической системой на расстоянии 1 метр при подаче на нее стандартного тестового сигнала (обычно розового шума), электрическая мощность которого составляет 1 Вт". Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Но опять же - многие фирмы-производители указывают характеристики чувствительности, измеренные при нестандартных условиях. В идеале, громкость АС (уровень звукового давления, SPL, Sound Pressure Level) можно вычислить по формуле:

 

P = P0 + 10lgW

Где P0 – чувствительность в дБ, W – мощность в Ваттах.

Для примера: акустическая система с чувствительностью 90 дБ и номинальной мощностью 65 Вт обеспечивает звуковое давление на расстоянии 1м равное:

 

P = P0 + 10lgW = 90 + 10lg65 = 108 дБ

В итоге – те характеристики, которые указывает производитель, по большому счету остаются целиком и полностью на его совести, но еще раз – громкость пусть и зависит от мощности, но отождествлять эти понятия – неправильно.

 

Следует заметить, что параметром определяющим субъективную громкость звукового комплекса является, прежде всего, чувствительность используемых акустических систем.