Iza kulisa upravljanja snagom zvučnika

Napisali smo nekoliko članaka o ocjenama snage zvučnika tijekom godina, ali čini se da je to tema o kojoj malo ljudi razumjeti u potpunosti. Ovaj će članak poslužiti kao referentni vodič za to kako vrhunski i renomirani proizvođači ocjenjuju mogućnosti upravljanja snagom svojih zvučnika. Započet ćemo s proučavanjem fizike dizajna zvučnika s obzirom na to kako se oni nose s toplinom koju stvara snaga iz vašeg pojačala, a zatim ćemo objasniti kako se ružičasti šum koristi za stvaranje ocjena snage.

Učinkovitost i snaga zvučnika

Nažalost, zvučnici su notorno neučinkoviti. Visokoučinkoviti 8-inčni srednjotonski drajver koji se koristi u zvučniku za javne razglase može transformirati samo oko 1,3 posto snage iz pojačala u akustičnu energiju. Ostatak se pretvara u toplinu u glasovnoj zavojnici i, potom, u dijelovima oko zavojnice kao što su magnet, T-jaram i konus.

Zvučnici dizajnirani za audio aplikacije u automobilima često su znatno manje učinkoviti jer moraju raditi u širem frekvencijskom rasponu. Za pogon srednjeg tona s ocjenom osjetljivosti od 90 dB 1W/1M, učinkovitost je bijednih 0,63 posto.

Razmislite o tome koliko topline stvara žarulja sa žarnom niti od 100 W. Ispod je toplinska slika žarulje od 100 W koja je bila uključena samo 60 sekundi. Stakleno postolje žarulje već je doseglo temperaturu veću od 90 stupnjeva Celzijusa ili 195 stupnjeva F. Očito je prevruće za dodir i samo će se još više zagrijavati. Brza istraživanja pokazuju da žarulje sa žarnom niti imaju učinkovitost od oko 2,2. Ovaj nedostatak učinkovitosti čini ih odličnom analogijom u smislu usporedbe stvaranja topline s onim kod zvučnika. Uskoro ćemo ući u logistiku i stvarnost ubacivanja tolike snage u bilo što osim subwoofera.

Kako zvučnici podnose toplinu

Toplina u zvučniku nastaje u namotu glasovne zavojnice. Bilo da se radi o bakru, aluminiju ili kombinaciji oba, sva ta toplina fokusirana je na taj relativno maleni kolut žice. Jedina komponenta koja dolazi u izravan kontakt s glasovnom zavojnicom je, ne iznenađuje, formirač glasovne zavojnice. U audio zvučnicima automobila, formirači glasovne zavojnice izrađeni su od materijala kao što su kraft papir, sintetički izolacijski papiri kao što je 3M TufQUIN, aramidna vlakna kao što su Nomex i Bondex i aluminij. Svaki od ovih materijala ima različita svojstva izolacije i toplinske vodljivosti.

Sljedeća komponenta zvučnika koja se mora nositi s toplinom iz glasovne zavojnice je gornja ploča. U većini slučajeva, gornja ploča je komad čelika koji je pričvršćen na magnet (ili magnete) za fokusiranje magnetskog polja na glasovnu zavojnicu. Iako gornja ploča ne dolazi u dodir s glasovnom zavojnicom, dvije su komponente vrlo blizu jedna drugoj. Većina hlađenja glasovne zavojnice zvučnika može se pripisati toplini koja se prenosi u gornju ploču, a potom i u strukturu motora. Mnogi proizvođači zvučnika ulažu velike napore kako bi osigurali značajan protok zraka oko gornje ploče kako bi dodatno poboljšali hlađenje, posebno na subwooferima.

T-jaram, dio strukture motora koji dovršava petlju magnetskog polja, također je važan u odvođenju topline od glasovne zavojnice i zavojnice. T-jaram se u većini dizajna nalazi unutar formirača glasovne zavojnice.

Promjer zvučne zavojnice subwoofera i upravljanje snagom

Sposobnost bilo kojeg uređaja da podnese toplinu određena je njegovom veličinom. Otpornik od 1/8 vata mnogo je manji od otpornika od 1 vata. Općenito, veličina komponente određuje količinu površine i sposobnost prijenosa topline u zrak. Kod zvučnika, promjer i duljina namotaja glasovne zavojnice u subwooferu dobar su pokazatelj koliko topline i, posljedično, koliko snage zvučnik može podnijeti.

Kao primjer, gledajući asortiman popularnih proizvođača subwoofera, vidimo da su njihovi subwooferi s glasovnom zavojnicom promjera 2 inča ocijenjeni za 250 W; povećanjem zavojnice promjera 2,5 inča povećava se snaga na 500 vata. Njihovi subwooferi sa zavojnicama od 3 inča imaju snagu od 600 vata, a njihovi niskotonci na razini natjecanja imaju masivne zavojnice promjera 4 i 5 inča snage 2500 odnosno 3000 vata.

Imajte na umu da fizička veličina (visina) svake od ovih glasovnih zavojnica nije navedena, pa je sigurno pretpostaviti da skok na više od 2500 vata rukovanja snagom dolazi sa značajnim povećanjem visine namotaja zavojnice i povezane površine.

Veličine glasovne zavojnice visokofrekventnih zvučnika

Razgovor o upravljanju snagom u bilo čemu osim subwoofera zahtijevat će malo zdravog razuma. Pažljivo razmislite o ocjenama snage srednjetonskog zvučnika. Pogledat ćemo drugu popularnu marku i vidjeti kako su njihovi promjeri glasovne zavojnice povezani sa specifikacijama upravljanja snagom nekoliko njihovih 6,5-inčnih srednjotonskih zvučnika. Ova marka ima pokretačku jedinicu sa zavojnicom od 1 inča koja ima snagu od 70 vata, a zavojnica od 1,25 inča ima ocjenu snage 80 vata u jednoj seriji i 100 vata u rješenju više klase. Različite snage na zavojnicama od 1,25 inča pokazuju kako ukupna visina namota utječe na toplinski kapacitet.

Razgovarajmo sada o visokotoncima. Visokotonci u audio aplikacijama automobila izuzetno su mali i, iskreno, prilično krhki. Namoti glasovne zavojnice u visokotoncima izrađeni su od vrlo fine žice, često manje od 24 kalibra. Čak i s promjerom od 1 inča na visokotoncu s mekom kupolom, ne mogu podnijeti veliku snagu. Dakle, kako proizvođači dolaze do ocjena od 100 W ili više za svoje visokotonce kada znamo da srednjotonski drajver s namotajem glasovne zavojnice koji je najmanje pet puta veći može podnijeti samo 100 W? Odgovor leži u tome kako proizvođači testiraju svoje zvučnike.

Što je Pink Noise?

Prije nego što uđemo u objašnjenje kako se ocjenjuje rukovanje snagom zvučnika, moramo pomno pogledati nešto što se zove ružičasti šum. Ružičasti šum je audio signal koji se sastoji od nasumičnih frekvencija od nešto iznad 0 Hz do gornje granice formata audio ili računalne audio datoteke. Za konvencionalnu .wav datoteku CD kvalitete, to bi bilo 22,05 kHz.

U ružičastom šumu svaka oktava sadrži jednaku količinu energije šuma. To znači da oktava od 100 Hz do 200 Hz sadrži istu količinu energije šuma kao i oktava od 1 kHz do 2 kHz. Snaga u svakoj oktavi također je obrnuto proporcionalna frekvenciji signala. Iako je ovo gruba procjena načina na koji matematika funkcionira, između 100 Hz i 200 Hz postoji 100 Hz, dok između 1 kHz i 2 kHz ima 1000 herca. U signalu ružičastog šuma, pojas od 1 do 2 kHz raširen je na 10 puta više prostora.

Evo kako izgleda spektralna analiza audio signala ružičastog šuma:

Možete vidjeti da iznad 20 Hz razina signala opada brzinom od -10 dB po desetljeću kako frekvencija raste. To znači da postoji 10dB manje energije signala na 1 kHz nego na 100 Hz. Kada ovo smanjenje snage signala povežemo sa snagom iz naših pojačala, omjer je također faktor 10.

Ako puštamo ružičasti šum kroz audio sustav, a kontrole osjetljivosti pojačala su postavljene da proizvode 100 vata snage pri 20 Hz, na 200 Hz, pojačalo će proizvoditi 10 vata. Na 2 kHz, pojačalo će proizvoditi 1 vat, a na 20 kHz, pojačalo isporučuje 0,1 vat snage našim zvučnicima.

Gustoća snage u glazbi

Još jedna tema o kojoj bismo trebali razgovarati prije nego dođemo do ocjena snage zvučnika je kako se audio energija distribuira u glazbi koju slušamo. Pogledali smo šest audiozapisa i analizirali njihov spektralni sadržaj u Adobe Auditionu na isti način kao gore navedeni valni oblik ružičastog šuma. Rezultati su prikazani u nastavku:

Kao što možete vidjeti iz ovog umjereno raznolikog izbora glazbenih zapisa, audio energija raspoređena je slično kao kod našeg zapisa s ružičastim šumom. Iz tog razloga mnogi proizvođači koriste signale ružičastog šuma kako bi testirali mogućnosti upravljanja snagom svojih zvučnika.

Kako se testira rukovanje snagom zvučnika

Ovisno o robnoj marki, različite tvrtke koriste različite procese za testiranje mogućnosti upravljanja snagom svojih zvučnika. Treba napomenuti da neke tvrtke imaju detaljne specifikacije za svoje postupke testiranja, dok se druge oslanjaju jednostavno na podatke koje daju njihovi dobavljači, a druge pretpostavljaju na temelju veličine glasovne zavojnice korištene u dizajnu. Ovo je jedna od ključnih razlika između tvrtki koje ulažu značajan trud u dizajn i razvoj svojih proizvoda i onih koje odabiru rješenja iz kataloga i imaju svoje ime utisnuto na košari i poklopcu za prašinu.

Pravilno osmišljen postupak testiranja zvučnika uključuje nekoliko koraka. Za prvi primjer koristit ćemo subwoofer. Tehničar koji izvodi test postavio bi izlaz pojačala koristeći audio zapis sinusnog vala da predstavi razinu napona koja je jednaka razini snage koju žele testirati. Za subwoofer od 4 ohma koji se testira na razini snage od 200 vata, napon sinusnog vala trebao bi biti 28,28 volti rms ili 40 volti od vrha do vrha. Nakon što je ova amplituda postavljena, pušta se ružičasti šum koji je jednak jednakoj amplitudi na 20 Hz kako bi se testirao pokretački program.

Nakon što su razine postavljene i zvučnik montiran na ispitnu instalaciju, ova pjesma s ružičastim šumom se reproducira kontinuirano dok zvučnik ne otkaže ili ne prođe odgovarajuće vrijeme. Mnoge tvrtke koriste osam do 10 sati kao minimalno vrijeme testiranja, a neke ga produžuju na 100 sati. Nakon što se temperatura u zvučniku stabilizira, produljeni vremenski test može pomoći u potvrdi prikladnosti i pouzdanosti odabranih ljepila i materijala korištenih za izradu zvučnika. U biti, to postaje fizički test kao i test rukovanja snagom.

Iako se razlikuje od marke do marke, kako bi zvučnik prošao test, Thiele/Small parametri drajvera ne smiju se promijeniti za više od unaprijed određenog iznosa u odnosu na one prije početka testa. Značajna promjena u elektromehaničkim svojstvima ukazuje na to da je nešto možda oštećeno tijekom testa i da je proizvedeno previše topline.

Kako se testiraju srednjotonski i visokofrekventni zvučnici

Budući da srednjotonski zvučnici i visokotonci ne mogu podnijeti visoke razine ekskurzije, testiraju se na isti način kao niskotonci, ali ispitni signal prolazi kroz visokopropusni filtar. Evo primjera:

Recimo da želimo testirati visokotonac od 4 ohma i želimo upotrijebiti gornji standard da ga testiramo na 100 W snage. To je jednako razini sinusnog vala od 20 volti rms ili 28,28 volti od vrha do vrha. Test počinje s pojačalom kalibriranim za proizvodnju 20 Vrms koristeći sinusni val dok nije spojen na zvučnik. Nakon što je razina postavljena, ružičasti šum se reproducira kroz bilo koji visokopropusni filtar koji odredi proizvođač. Za potrebe ovog primjera, recimo da je filter postavljen na 2 kHz.

Ovako će izgledati spektralna analiza ispitnog signala.

Prosječna vršna razina ispitnog signala sada je oko 20 dB niža nego što je bila na 20 Hz sa signalom pune širine pojasa. Što se tiče snage audio signala, imamo 1/100 manje snage. Ili 1 vat.

Hoćemo li reći da je visokotonac ocijenjen da podnosi 100 watta snage ružičastog šuma, testiran iznad 2 kHz, testiran samo s 1 wattom snage? Apsolutno! Upravo tako to funkcionira. Razmislite o fizici glazbe. Želimo da zvuk koji proizvode visokotonci bude uravnotežen sa zvukom srednjetonskih zvučnika i niskotonaca ili subwoofera.

U stvarnom svijetu, taj visokotonac vjerojatno može podnijeti mnogo više od samo 1 vata snage. Možda može podnijeti 10 vata. Znači li to da bi bilo dobro ocijeniti da vozač može podnijeti 1000 W ružičastog šuma? Nije vjerojatno. Znate da će netko tko ne razumije kako radi ružičasti šum upotrijebiti sinusnu stazu za postavljanje pojačanja na svom visokotonskom pojačalu i pokušati unijeti 63 volta (1000 vata) u visokotonac. Naravno, ti isti ljudi će također nazvati proizvođača zvučnika i žaliti se da je visokotonac "pokvaren" i da su samo postavljali kontrole pojačanja.

Koja je svrha specifikacija upravljanja napajanjem?

Ocjene rukovanja snagom zvučnika koji koriste ružičasti šum temelje se na kriterijima utvrđenim za kućne zvučnike punog raspona. Testovi oponašaju ono što bi zvučnici doživjeli kada ih slušaju na visokim razinama glasnoće i namijenjeni su da pokažu koja bi snaga pojačala bila prikladna da izvučete najviše od zvučnika bez njihovog oštećenja. Ova specifikacija ne uzima u obzir što se događa kada se pojačalo dovede u kliping – toga ćemo se dotaknuti drugi put.

Za sada, zaključak svega ovoga je da bi postavljanje audio sustava trebalo započeti postavljanjem kontrola osjetljivosti na vašem subwoofer pojačalu, zatim podići razine srednjetonca i visokotonca kako bi se stvorio uravnotežen sustav. Izgledi su da nećete doći ni blizu maksimalne snage srednjeg i visokotonskog pojačala. Oh, i ne treba vam pojačalo od 150 W za pogon vaših visokotonaca.