Watti su vati ili jesu? Detaljno objašnjenje za ljubitelje zvuka u automobilima

Kada ljudi razmišljaju o kupnji audio pojačala za automobil, specifikacija koju najčešće provjeravaju je koliko snage ono može proizvesti. Snaga je izražena u vatima - univerzalnoj mjernoj jedinici snage. U ovom članku objašnjavamo što je vat i kako se mjeri – na točan i netočan način.

Vrijeme je za rječnik!

Hajmo najprije maknuti s puta formalnu definiciju vata. Watt je SI (Systéme International) jedinica za mjerenje snage. Snaga ne mora biti električna. Zapravo, jedinica vat je nazvana po Jamesu Wattu i stvorena je da kvantificira rad koji parni stroj može obaviti. U toj kinetičkoj primjeni, vat je bio obavljeni rad kada se objekt kretao ravnomjerno brzinom od 1 metra u sekundi sa silom od 1 njutna koja mu se suprotstavlja. Kada govorimo o električnom motoru, 1 konjska snaga iznosi 746 vata.

Koliko god zabavno bilo razgovarati o konjskim snagama, mi smo entuzijasti zvuka u automobilima, pa se vratimo na pravi put s objašnjenjem električnog vata.

U električnom smislu, vat je prijenos 1 džula energije u razdoblju od 1 sekunde. Sljedeće logično pitanje je što je džul? Joule je još jedna mjerna jedinica SI-a i definira količinu rada potrebnog za prijenos naboja od 1 kulona kroz električni potencijal od 1 volta. Da, pitanje se sada seli na kulon – što je to, zaboga? Kulon je jedinica električnog naboja – i jednak je -6,242 x 10^18 elektrona.

Jeste li se već izgubili? Nemojte se uzrujavati; mi samo umirujemo štrebere iz matematike i mjerenja među nama. Razdvojimo ovo na ono što je bitno.

Kada želimo koristiti električnu energiju za obavljanje posla, moramo strujati elektrone kroz uređaj kao što je žarna nit, motor ili glasovna zavojnica. Rezultat će biti, u slučaju zvučnika, da će magnetsko polje stvoreno protokom elektrona uzrokovati da glasovna zavojnica bude privučena ili odbijena od fiksnog magneta u našem zvučniku. Kada protiče više elektrona, obavlja se više posla, a zvučnik se pomiče dalje prema magnetu ili od njega.

Power Math

Ovdje počinjemo govoriti o jednadžbama snage. Postoje tri uobičajene metode za izračunavanje snage u strujnom krugu – ali moramo znati vrijednosti drugih varijabli kao što su napon, otpor ili jakost struje. Bilo koje dvije od ovih varijabli mogu se koristiti za izračunavanje snage u krugu. Ovo su jednadžbe:
Ako imamo krug s otporom od 4 ohma i na njega primijenimo napon s potencijalom od 10 volti, tada imamo 25 vata snage. Povećanje tog napona na 20 volti znači da je dostupna snaga sada 100 vata. Možemo zamijeniti i preurediti varijable u gornjim jednadžbama kako bismo otkrili bilo koju drugu varijablu - to je jednostavna algebra.

Mjerenje snage

Kada tehničar ima pojačalo na ispitnom stolu i želi izmjeriti snagu, tehničar obično povezuje pojačalo s grupom otpornika opterećenja velike snage, a zatim mjeri izlaz pojačala kada signal dosegne razinu izobličenja od 1% . Mjerenje je napon. Najčešće pretpostavljamo da opterećenje nije promjenjivo. Recimo da izmjerimo 44 volta RMS iz pojačala i imamo pojačalo spojeno na opterećenje od 2 ohma. To je 968 vata. Vrlo je jednostavno i vrlo ponovljivo - ali ne funkcionira u stvarnom svijetu. Pogledajmo zašto.

Otpor naspram reaktancije

Ovo će postati malo tehnički. Audio signali su signali izmjenične struje (AC). AC signali su potrebni da bi se membrana zvučnika pomicala naprijed-natrag iz svog položaja mirovanja, ali oni mjerenje snage čine mnogo kompliciranijim. Način na koji vodiči i opterećenja reagiraju na AC signale razlikuje se od istosmjernih (DC) signala.

Budući da izmjenični signali mijenjaju smjer, polaritet magnetskih polja koje stvaraju također mijenja smjer. Pokušaj mijenjanja polariteta magnetskih polja izaziva pustoš u ponašanju protoka struje. Jednom kada struja počne teći i uspostavi magnetsko polje, ne voli stati. Zamislite istosmjerni napon - svi se elektroni cijelo vrijeme kreću u istom smjeru. Zadovoljni su i nemaju pritužbi. Međutim, kada su u pitanju AC signali, taj tok elektrona mora promijeniti smjer. Uz signal od 20 kHz, promjena smjera događa se 20 000 puta u sekundi. Elektroni su lijeni - vole nastaviti raditi ono što su radili. Zbog toga se protive promjeni smjera.

Induktor zapravo nije ništa više od svitka žice. Induktore vidimo u mrežama pasivnih skretnica i stupnjevima filtera pojačala klase D. Kada elektroni teku kroz induktor, stvaraju jako magnetsko polje. Kada oduzmete izvor napona, elektroni pokušavaju nastaviti teći. Zapravo, ako ste vidjeli relej s diodom spojenom na njega, ta je dioda tu da taj tok elektrona nekamo odvede, osim natrag u krug koji je kontrolirao funkciju releja.

Kada primijenimo AC signal na induktor, što je veća frekvencija, to je teže promijeniti smjer protok elektrona. Otpor proticanju izmjenične struje naziva se induktivna reaktancija. Zamislite to kao otpor, ali primjenjiv samo na AC signale. Induktori se suprotstavljaju promjeni protoka struje. Ako isključimo izvor izmjenične struje i multimetrom izmjerimo istosmjerni otpor induktora, broj koji vidimo na zaslonu je otpor. Za mjerenje reaktancije induktora potreban nam je uređaj koji može primijeniti AC signal i izmjeriti efektivni pad napona na induktoru.

Formula za izračunavanje induktivne reaktancije je Xl =2 x pi x F x L, gdje je F frekvencija primijenjenog AC signala, L je vrijednost induktiviteta induktora izmjerena u henriesima, a Xl je induktivna reaktancija u ohmima. Možete vidjeti da induktivnost raste s frekvencijom, kao što smo ranije spomenuli.

Glasovna zavojnica zvučnika je i djeluje kao induktor.

Struja i napon

Imamo još loših vijesti za vas. Budući da se induktor suprotstavlja promjeni protoka struje, javlja se pogreška u određivanju vremena. Vrijeme čega, pitate se? Relativno vrijeme između izmjeničnog napona na induktoru i izmjenične vrijednosti struje koja teče kroz induktor. U savršenom induktoru (onom bez istosmjernog otpora), struja kroz induktor zaostaje za naponom na induktoru za 90 stupnjeva ili ¼ frekvencije signala koji prolazi.

Pustite to na trenutak, a zatim se sjetite naših jednadžbi za snagu. Snaga je napon puta struja. Ali što ako se vršna struja ne događa u isto vrijeme kad i vršna vrijednost napona? Ne možemo jednostavno pomnožiti dva broja da bismo dobili snagu u krugu. Još gore, vrijeme u kojem struja zaostaje za naponom ovisi o istosmjernom otporu induktora i induktivna reaktancija – za većinu auto audio zvučnika, DC otpor je obično negdje između 2 i 8 ohma. Induktivnost je između 0,04 mH za visokokvalitetni visokotonac do više od 5 mH za veliki subwoofer.

Postoji još jedan izazov:induktivitet se mijenja ovisno o razini pogona zvučnika i položaju membrane zvučnika.

Sigurni smo da se slažete – sve je vrlo komplicirano, ali nemojte još odustati.

Kako mjerimo stvarnu snagu u krugu izmjenične struje? Postoji nekoliko načina. Možemo izmjeriti trenutnu struju i napon pri vrlo visokoj stopi uzorkovanja i pomnožiti ih zajedno. Stopa uzorkovanja trebala bi biti 20 ili 30 puta veća od učestalosti koju mjerimo da bi bila razumno točna. Također možemo koristiti konvencionalne mjerače za mjerenje količine struje i napona u krugu, a zatim koristiti mjerač faznog kuta kako bismo pronašli relativni odnos između to dvoje. Gotovo nitko od nas nema samostalni mjerač faznog kuta u svojim kutijama s alatom. Ono što ne možemo samo pomnožite napon i struju puta jedan s drugim.

Oni SPL momci i Watts

Ako ovo čitate, onda vjerojatno lutate internetom dosta često. Nedvojbeno ste vidjeli SPL entuzijaste koji pokušavaju izmjeriti snagu koju proizvode njihova pojačala "stezanjem". Spajaju strujnu stezaljku na jednu od žica zvučnika koja izlazi iz pojačala i stavljaju voltmetar na terminale pojačala.

To stvara tri problema:

1. Trebali bi spojiti voltmetar na terminale zvučnika. Zbog velikog protoka struje, otpor u žici zvučnika može izgubiti mjerljivu količinu energije.
2. S voltmetrom i strujnim stezaljkama ne znamo fazni odnos između struje koja teče kroz glasovne zavojnice i napona na glasovnoj zavojnici.
3. Oni obično provode ove testove na ekstremno visokim razinama snage. Ogromne količine snage brzo zagrijavaju glasovne zavojnice. Ova toplina također brzo povećava njihovu otpornost. Ovo povećanje otpora uzrokovat će smanjenje struje koja teče kroz zvučnik. Ako je spojena strujna kliješta u načinu rada "peak hold", pohranit će vršno očitanje početne struje koja teče kroz glasovnu zavojnicu. Smanjenje protoka struje smanjuje opterećenje napajanja pojačala i omogućuje mu da proizvede više napona. Kako se struja smanjuje, napon iz pojačala može porasti, dajući krivo očitanje voltmetru u načinu zadržavanja vršne vrijednosti. Ovo povećanje zagrijavanja i otpora može se dogoditi za nekoliko sekundi.

Ako ste mislili da je naša definicija vata komplicirana, onda bi vas objašnjenje kako izračunati snagu u reaktivnom opterećenju gurnulo preko ruba, pa nećemo sve objašnjavati. To je tema spremljena za fakultetske ili sveučilišne tečajeve o izmjeničnoj struji. Što ćemo je pružiti rješenje za komplicirana mjerenja snage.

Stvarnost je takva da je vrlo teško dobiti točne rezultate kada se radi o mjerenju snage iz pojačala dok je spojeno na zvučnik . Nekoliko tvrtki proizvodi mjerače snage zvuka u automobilima. Najpopularnija jedinica je D’Amore Engineering AMM-1. AMM-1 je ručni mjerač koji istovremeno mjeri struju i napon i izračunava fazni kut između njih kako bi se osiguralo precizno mjerenje snage. AMM-1 će vam pokazati koliku stvarnu snagu vaše pojačalo proizvodi. (Molim vas, nemojte plakati ako je manje nego što ste mislili.)

AMM-1 također može pokazati volt-ampere. Volt-amperi se izračunavaju množenjem struje puta napona. Također možete vidjeti fazni kut opterećenja na još jednom ekranu. Ako ste ozbiljni u vezi s mjerenjem snage kada pojačalo pokreće reaktivno opterećenje poput zvučnika, onda je ovo alat koji vam je potreban.

Što trebate znati

When you are shopping for an amplifier, the numbers you usually see quoted are measured into resistive loads. Most amplifiers have no problem with driving reactive loads, so you can trust the published numbers, as long as the distortion specification is clearly defined.

The CEA-2006A (now called CTA-2006A) specification for power measurement defines the maximum signal distortion during measurement as being 1%, and no more than 14.4 volts can be supplying the amp. Comparing power specs using this standard has leveled the playing field in the car audio industry.

We will look at some other very important amplifier specifications in another article. These other specifications may, in fact, be more important to choosing the right amp for your system than how much power the amp makes. Until then, drop into your local car audio specialist retailer to find out about the latest amplifiers available for your system. There are some amazing new amps on the market with a lot of cool features.

Happy listening!