Есть две цели: включить динамики, чтобы они играли как можно громче и не выходили из строя, и добиться определенной громкости в определенном месте. Рассмотрим эту тему.
Определить, какой усилитель мощности подходит для конкретной акустической системы, не так просто как может показаться. Чтобы полностью понять, что необходимо учитывать, будут описаны три конкретных тематических исследования:
• Группа хочет играть народную музыку в кофейне. Какая мощность усилителя им нужна?
• Рок-группа будет играть в концертном зале на 2000 мест. Сколько ватт вам нужно будет обеспечить?
• Джаз-фьюжн-группа купила акустическую систему. Они хотят, чтобы она играла так громко, как только может, не уничтожая динамики. Какой усилитель посоветуете?
Подобные вопросы возникают при проектировании любой звуковой системы. Чтобы помочь вам определить оптимальную мощность усилителя для системы, я объясню здесь соответствующие концепции аудио.
Есть две цели:
1) Запитать динамики, чтобы они играли как можно громче и не перегорали. Другими словами, определите оптимальную мощность для выбранных громкоговорителей.
2) Добиться определенной громкости в определенном месте. Мы рассмотрим обе темы.
Уровни сигнала
Сначала давайте рассмотрим концепцию средних уровней и пиковых уровней.
Как показано на Рисунке 1 (ниже), уровень (напряжение) музыкального сигнала постоянно меняется во время воспроизведения. Представьте себе музыкальный пассаж с низкоуровневым синтезаторным пэдом, но с высокоуровневыми барабанными ударами. Средний уровень или громкость пассажа низкий, но переходные пиковые уровни высокие.
Пиковые уровни могут быть на 24 дБ выше средних уровней в зависимости от типа сигнала. Звуки перкуссии имеют гораздо более высокие пики, чем непрерывные звуки (синтезаторные пэды, орган, флейта), даже если эти два сигнала имеют одинаковые средние уровни.
Отношение пикового значения сигнала к среднему называется коэффициентом амплитуды , пик или крест фактором. Другими словами, крест-фактор — это разница в дБ между пиковыми уровнями и средним уровнем сигнала. Перкуссионные звуки имеют высокий коэффициент амплитуды.
Рисунок 1: Средние уровни и пиковые уровни музыкального сигнала.
Флейты, органы и скрипки имеют низкий коэффициент амплитуды. Коэффициент амплитуды речи составляет около 12 дБ. Сильно сжатая рок-музыка имеет пик-фактор около 6 дБ: пики примерно на 6 дБ выше среднего уровня.
См. рис. 2 (ниже). Это график зависимости уровня сигнала от времени, когда на усилитель подается типичный музыкальный сигнал. Средний уровень соответствует громкости сигнала. Пиковый уровень на 6–24 дБ выше среднего уровня в зависимости от типа сигнала. Другими словами, пик-фактор сигнала составляет от 6 до 24 дБ.
В нижней части рисунка 2 показан пример зависимости выходной мощности усилителя от времени, когда на усилитель подается музыкальный сигнал. Усилитель рассчитан на непрерывную мощность 800 Вт. Это максимальная мощность, которую он может выдать при номинальном искажении.
Однако в этом примере усилитель выдает в среднем 50 Вт, так что случайные пики в 12 дБ не превышают мощность усилителя в 800 Вт. Кроме того, есть небольшой запас по высоте, чтобы пики не срезались.
Рисунок 2: Мощность усилителя в зависимости от времени с программным сигналом.
Headroom
На рисунке 2 запас по уровню — это разница в дБ между пиковыми уровнями сигнала и уровнем ограничения усилителя. Обычно вы хотите оставить по крайней мере 3 дБ запаса, чтобы пики сигнала случайно не обрезались.
Peakroom
Этот термин, введенный инструктором Syn-Aud-Con Пэтом Брауном, означает пик-фактор плюс запас по высоте. Peakroom показывает, на сколько децибел пики могут быть выше среднего уровня без ограничения.
Характеристики усилителя мощности
Теперь, когда мы разобрались с уровнями сигналов, давайте посмотрим, как они соотносятся с характеристиками усилителя мощности.
Непрерывная средняя мощность
Спецификация мощности большинства усилителей - это непрерывная средняя мощность. Это максимальная мощность в ваттах, которую усилитель может выдать при номинальных искажениях, при определенном импедансе нагрузки при воспроизведении непрерывной синусоидальной волны. Этот синусоидальный сигнал представляет собой либо тон 1 кГц, либо диапазон тонов от 20 Гц до 20 кГц.
Например, один усилитель выдает 1800 Вт на канал при сопротивлении 4 Ом в стереофоническом режиме при коэффициенте нелинейных искажений 0,1% на частоте 1 кГц. Другой усилитель выдает 8000 Вт на 8 Ом в мостовом монофоническом режиме при коэффициенте нелинейных искажений 0,35% в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц.
Многие громкоговорители также рассчитаны на непрерывную или среднюю мощность. Если непрерывная мощность громкоговорителя составляет 500 Вт, это означает, что он может непрерывно обрабатывать 500 Вт розового шума без механических или тепловых повреждений.
Чтобы создать эту характеристику мощности, в громкоговоритель обычно подается «розовый шум AES», который является розовым шумом, обрезанным так, что его пик-фактор составляет 6 дБ. Обычно розовый шум имеет пик-фактор 12 дБ. Тестовый сигнал громкоговорителей AES IEC 268-5 определяет ограниченный полосой розовый шум с пик-фактором 6 дБ.
Я рекомендую, чтобы непрерывная мощность усилителя в два раза превышала непрерывную мощность громкоговорителя (от 80% до 125%). Если постоянная мощность усилителя выше 125%, вы рискуете повредить громкоговоритель слишком большой мощностью в случае возникновения обратной связи. Если непрерывная мощность усилителя ниже 80%, вы, вероятно, будете отсекать сигнал, пытаясь получить достаточную громкость из громкоговорителя. Обрезка сигнала создает сильную высокочастотную составляющую, которая может вывести из строя твитеры.
Например, предположим, что громкоговоритель имеет постоянную мощность 200 Вт. Непрерывная средняя мощность усилителя должна быть в два раза больше, или 400 Вт (в пределах от 80% до 125%, или от 320 Вт до 500 Вт).
Программная мощность
Некоторые громкоговорители рассчитаны на программную мощность (музыкальную мощность), которая обычно в два раза превышает непрерывную среднюю мощность. Подходящий усилитель должен иметь непрерывную среднюю мощность, соответствующую программной мощности громкоговорителя (в пределах от 80% до 125%). Например, если громкоговоритель рассчитан на программную мощность 400 Вт, усилитель должен обеспечивать непрерывную мощность 400 Вт (x 80% до 125%).
Пиковая мощность
Это мощность в ваттах, которую усилитель может производить во время коротких пиков или переходных процессов. Как правило, пиковая мощность на 1–3 дБ выше постоянной мощности. Пиковая мощность зависит от запаса мощности усилителя (накопления энергии). Если в блоке питания усилителя есть блок больших фильтрующих конденсаторов, они могут накапливать энергию, которая может высвобождаться во время коротких пиков.
Многие громкоговорители рассчитаны на пиковую мощность, с которой они могут работать. В идеале пиковая мощность усилителя мощности не должна превышать номинальную пиковую мощность громкоговорителя. Если усилитель мощности не имеет характеристики пиковой мощности, просто убедитесь, что непрерывная мощность усилителя в два раза превышает мощность громкоговорителя (в пределах 80–125 %).
Создание запаса для пиков сигнала
На практике вы не запускаете усилитель на полную непрерывную мощность, потому что это не дает дополнительной мощности для пиков сигнала, которые могут быть на 6–24 дБ выше среднего уровня. Вместо этого средняя мощность усилителя, как правило, на 6–24 дБ ниже ограничения, чтобы обеспечить неискаженные пики сигнала.
Например, вы можете настроить усилитель так, чтобы он выдавал в среднем 1/16 своей номинальной продолжительной мощности. Случайные пики заставят усилитель выдавать свою номинальную непрерывную мощность во время этих пиков. Предположим, что усилитель рассчитан на непрерывную среднюю мощность 800 Вт. Вы можете запустить его в среднем на 50 Вт, чтобы случайные пики могли достигать 800 Вт без ограничения.
Другими словами, вы допускаете 12 дБ для пиков сигнала . На самом деле пики могут быть немного выше, потому что пиковая мощность усилителя обычно на 1-3 дБ выше, чем его непрерывная мощность.
В этом случае коэффициент амплитуды (дБ) = 10 * log (800/50) = 12 дБ.
Приведенные ниже характеристики мощности представляют собой постоянную среднюю мощность:
• Усилитель мощностью 800 Вт, работающий на мощности 400 Вт, допускает пики на 3 дБ выше среднего уровня. В этом случае единственным неискаженным сигналом, который вы могли бы воспроизвести, была бы синусоида или прямоугольная волна.
• Усилитель мощностью 800 Вт при мощности 200 Вт допускает пики на 6 дБ выше среднего уровня. Этого достаточно для сильно сжатой рок-музыки.
• Усилитель мощностью 800 Вт, работающий на мощности 100 Вт, допускает пики на 9 дБ выше среднего уровня.
• Усилитель мощностью 800 Вт при мощности 50 Вт допускает пики на 12 дБ выше среднего уровня. Этого вполне достаточно для речи.
Многие усилители мощности имеют ограничитель выходного сигнала для предотвращения клиппинга. Если вы заставляете работать этот ограничитель достаточно сильно, он будет часто уменьшать пики сигнала, позволяя вам поднять средний уровень для увеличения громкости. Я не рекомендую эту практику, потому что это приведет к перегреву усилителя и громкоговорителя и может привести к отключению.
Если вы хотите предотвратить клиппирование усилителя мощности , используйте усилитель мощности, обеспечивающий мощность, в два-четыре раза превышающую номинальную мощность громкоговорителя на канал. Это обеспечивает запас по уровню от 3 до 6 дБ для пиков аудиосигнала. Громкоговорители рассчитаны на кратковременные пики.
Если вы не можете удержать усилитель мощности от клиппирования (скажем, у вас нет ограничителя, а система перегружается или переходит в обратную связь), максимальная мощность усилителя должна равняться постоянной номинальной мощности громкоговорителя. Таким образом, громкоговоритель не будет поврежден, если усилитель заклинит, когда вы перегружаете его вход.
Если вы в основном исполняете легкую танцевальную музыку , я рекомендую, чтобы мощность усилителя в 1,6 раза превышала номинальную непрерывную мощность на канал. Если вы играете хэви-метал/гранж, попробуйте увеличить номинальную мощность непрерывной работы в 2,5 раза на канал. Мощность усилителя должна соответствовать импедансу громкоговорителя (2, 4, 8 или 16 Ом).
Вот пример . Предположим, что сопротивление вашего громкоговорителя составляет 4 Ом, а его непрерывная мощность составляет 100 Вт. Если вы играете легкую танцевальную музыку, мощность усилителя при сопротивлении 4 Ом должна составлять 1,6 x 100 Вт или 160 Вт непрерывно на канал. Для обработки хэви-метала/гранжа мощность усилителя на 4 Ом должна составлять 2,5 x 100 Вт или 250 Вт непрерывно на канал.
Если вы используете два громкоговорителя параллельно на канал, каждый громкоговоритель получает половину выходной мощности усилителя. Таким образом, мощность усилителя на канал должна быть в 4 раза больше номинальной мощности одного громкоговорителя, а не в 2 раза. Если оба динамика имеют сопротивление 8 Ом, см. характеристики мощности усилителя 4 Ом (поскольку импеданс при параллельном подключении равен 4 Ом).
Пример 1:
Два 8-омных громкоговорителя подключены параллельно к одному каналу усилителя. Каждый громкоговоритель рассчитан на программу 300 Вт. Усилитель должен выдавать 600 Вт на 4 Ом на канал. Это в 4 раза превышает постоянную мощность одного громкоговорителя и вдвое меньше импеданса громкоговорителя.
Пример 2:
Два 8-омных громкоговорителя подключены параллельно к усилителю в монофоническом мостовом режиме. Каждый громкоговоритель рассчитан на программу 300 Вт. Усилитель должен обеспечивать постоянную мощность 600 Вт (300 Вт на громкоговоритель) на нагрузке 4 Ом в режиме мост-моно.
Резюме
• Непрерывная мощность усилителя должна в 2 раза превышать непрерывную мощность громкоговорителя (при том же импедансе).
• Непрерывная мощность усилителя должна быть равна программной мощности громкоговорителя (при том же импедансе).
• Если два громкоговорителя подключены параллельно, непрерывная мощность усилителя должна в 4 раза превышать непрерывную мощность одного громкоговорителя (при половине импеданса громкоговорителя).
Умножьте мощность усилителя на 80–125 %, чтобы получить диапазон допустимых уровней мощности.
Мощность и размер помещения
В этом разделе будет указано, какой мощности усилитель вам нужен, чтобы заполнить зал громким и чистым звуком. По сути, чем громче звуковая система и чем больше комната, тем больше энергии требуется. Громкоговорителям с высокой чувствительностью требуется меньше энергии, чем громкоговорителям с низкой чувствительностью.
В приведенном ниже списке рекомендована мощность усилителя, необходимая для нескольких приложений. Каждое приложение имеет диапазон мощности, основанный на желаемой громкости и типичной чувствительности громкоговорителя.
При составлении этого списка я сделал следующие предположения:
• Типичная чувствительность громкоговорителя составляет 85 дБ SPL/Вт/м для домашних стереосистем, 95 дБ SPL/Вт/м для небольших громкоговорителей PA, 100-105 дБ для громкоговорителей среднего PA и 110 дБ SPL/Вт/м. дБ для больших громкоговорителей PA.
• Рекомендуемая мощность допускает пики сигнала от 10 до 15 дБ для народной, джазовой и поп-музыки. На самом деле пики могут достигать 25 дБ, но мы допускаем некоторое неслышное кратковременное отсечение.
• Рекомендуемая мощность допускает пики сигнала 6 дБ для рок-музыки, которая сильно ограничена или сжата.
• Непрерывная мощность усилителя и пиковая мощность усилителя почти одинаковы. Обычно пиковая мощность всего на 1 дБ выше непрерывной мощности и зависит от продолжительности пика.
Непрерывная мощность усилителя на канал, необходимая для различных помещений:
• Мониторинг ближнего поля: 25 Вт для среднего уровня звукового давления 85 дБ (с пиками 15 дБ), 250 Вт для среднего уровня звукового давления 95 дБ (с пиками 15 дБ)
• Домашнее стерео: 150 Вт для уровня 85 дБ Средний уровень звукового давления (с пиками 15 дБ), 1500 Вт для среднего уровня звукового давления 95 дБ (с пиками 15 дБ)
• Народная музыка в кафе на 50 мест: от 250 Вт
• Джаз в концертном зале на 2000 мест: от 1200 Вт
• Рок-музыка в аудитории среднего размера или клубе на 150–250 мест: от 1500 Вт
• Рок-музыка на небольшом фестивале под открытым небом (15 метров от громкоговорителя до аудитории): от 3000 Вт
• Рок или музыка в стиле хэви-метал на стадионе, арене или в амфитеатре : от 15 000 Вт.
Хотя рок-концерт на арене может быть рассчитан на мощность 15 000 ватт (с запасом только 6 дБ для пиков), вы часто можете увидеть, как крупные прокатные компании используют в общей сложности от 80 000 до 400 000 ватт. Такая большая мощность необходима для обработки пиков от 20 до 24 дБ без каких-либо ограничений, а также для питания дополнительных громкоговорителей для равномерного покрытия большой площади.
Если один громкоговоритель не может обеспечить требуемую общую мощность, вам необходимо разделить общую мощность между несколькими громкоговорителями и несколькими каналами усилителя.
Например, предположим, что вам нужно 1000 Вт для достижения желаемой средней громкости, но мощность ваших громкоговорителей составляет 250 Вт в непрерывном режиме. Можно использовать усилитель мощности по 500 Вт на канал. Подключите два громкоговорителя параллельно на каждый канал. Таким образом, каждый громкоговоритель получит по 250 Вт (без учета изменения мощности усилителя при разных импедансах и без учета потерь в кабеле).
Обратите внимание, что если подключить два громкоговорителя параллельно, их полное сопротивление уменьшится вдвое. Например, два 8-омных громкоговорителя, включенных параллельно, имеют импеданс 4 Ом. В этом случае на каждый громкоговоритель будет приходиться половина 4-омной мощности усилителя.
Калькулятор мощности
Некоторые веб-сайты предоставляют калькулятор, который определяет мощность усилителя, необходимую для достижения желаемого уровня звукового давления на определенном расстоянии.
Вы вводите желаемый уровень звукового давления, расстояние слушателя от громкоговорителя, рейтинг чувствительности громкоговорителя (SPL/1 Вт/1 м) и желаемый запас.
Калькулятор подскажет, сколько ватт непрерывной средней мощности вам нужно, чтобы получить этот средний уровень звукового давления, плюс «запас мощности дБ» пиков на этом расстоянии.
Пример:
Расстояние слушателя от источника: 15 метров.
Желаемый уровень на расстоянии слушателя: в среднем 85 дБ SPL (довольно громко).
Рейтинг чувствительности громкоговорителя: 98 дБ SPL/1 Вт/1 м.
Запас мощности усилителя: 12 дБ (этот пик-фактор достаточен для речи).
Результаты расчета: 179 Вт.
Таким образом, вы указываете усилитель, который обеспечивает непрерывную среднюю мощность 179 Вт на канал . Усилитель будет достигать 179 Вт только на коротких пиках. Большую часть времени его сигнал будет на 12 дБ ниже, или в среднем 11 Вт.
Также рекомендуется иметь запас по уровню в несколько дБ выше этих пиков, чтобы случайные пики не обрезались. Если вам нужен запас на 3 дБ выше этих 12 дБ пиков, усилитель должен обеспечивать непрерывную среднюю мощность 358 Вт. Это если громкоговоритель используется на улице.
Если вы используете его в помещении, вы обычно получаете около 3 дБ усиления помещения из-за отражения звука от поверхностей помещения. Таким образом, в помещении усилителя мощности на 179 Вт, вероятно, будет достаточно.
Некоторые параметры калькулятора нуждаются в подробном объяснении:
Расстояние до слушателя от источника
Это расстояние от громкоговорителя до самого ближнего слушателя. Если вы используете несколько громкоговорителей, расположенных в аудитории, это расстояние от ближайшего громкоговорителя.
Желаемый уровень звукового давления
Ниже перечислены типичные уровни звукового давления (SPL) для различных типов музыки. Измеритель SPL был настроен на C-взвешивание, медленный отклик. Вы можете захотеть, чтобы ваша система была как минимум на 10 дБ выше уровня фонового шума, чтобы достичь хорошего отношения сигнал/шум.
Нью-эйдж: 60-70 дБ
Фолк: 75-90 дБ
Джаз: 80-95 дБ
Классика: 100 дБ
Поп: 90-95 дБ
Рок: 95-110 дБ
Хэви-метал: 110 дБ.
Другие соображения
Расчеты, обсуждаемые здесь, применимы к безэховым условиям или вне помещения. Если звуковая система находится внутри помещения, реверберация в помещении может увеличичить уровень звукового давления до 6 дБ. Вы можете использовать этот выигрыш в качестве дополнительного запаса по громкости.
Предположим, вам нужно обеспечить пиковую мощность 1000 Вт, а постоянная мощность вашего громкоговорителя составляет 250 Вт. Пиковая мощность громкоговорителя обычно в четыре раза превышает его непрерывную мощность. Таким образом, громкоговоритель, вероятно, может справиться с пиковой мощностью 1000 Вт. Это означает, что вы можете использовать 1000-ваттный усилитель для управления этим громкоговорителем — при условии, что вы используете эту мощность для пиков и не используете громкоговоритель непрерывно с мощностью 1000 Вт. Другими словами, не включайте усилитель слишком громко.
Что, если ваша звуковая система использует активный кроссовер и отдельный канал усилителя мощности для каждого драйвера? Примените калькулятор к каждому типу драйвера. Скажем, у вас есть трехполосная система. Определяйте мощность отдельно для сабвуферов, среднечастотных и высокочастотных драйверов. Все три типа драйверов должны производить одинаковый уровень звукового давления на одном и том же расстоянии. Обратите внимание, что рупорные драйверы, как правило, имеют гораздо более высокую чувствительность, чем сабвуферы, поэтому рупорам требуется меньшая мощность для создания того же уровня звукового давления, что и сабвуферам.
Предположим, что ваша звуковая система имеет несколько громкоговорителей, которые расположены в зрительном зале. Например: фестиваль под открытым небом с группами громкоговорителей на задержках через каждые 30 метров или набор громкоговорителей на потолке. Примените калькулятор к каждому соседнему кластеру громкоговорителей или громкоговорителю.
Как только вы узнаете, какая мощность вам нужна, вы можете выбрать усилитель на веб-сайтах производителей или в спецификациях. Ищите характеристики мощности для каждого канала при соответствующем импедансе нагрузки и режиме двойного или мостового моно.
Возможно, вы захотите выбрать усилитель с большей мощностью, чем вам нужно, на случай, если вы расширите свои приложения. Кроме того, разумно указать немного большую мощность, чем вам нужно. Вы всегда можете выключить усилитель мощности, если система слишком громкая, но вы не можете увеличить мощность усилителя выше максимума, если система слишком тихая.
Примечания к усилителю мощности
Создание запаса
по пикам • Запустите усилитель на 1/2 его максимальной мощности, чтобы учесть пики 3 дБ
• Запустите усилитель на 1/4 мощности для пиков 6 дБ
• Запустите усилитель на 1/8 мощности для пиков 9 дБ
•усилитель на 1/16 мощности для пиков 12 дБ
Крест-факторы (пиковые факторы)
• Живая музыка и перкуссия: до 24 дБ
• Речь: 12 дБ
• Розовый шум AES для тестирования мощности динамиков: 6 дБ
• Сильно сжатый рок, синтезаторные пэды, флейта: 6 дБ
Определения
— Непрерывная средняя мощность усилителя: долговременная максимальная выходная мощность усилителя при номинальном коэффициенте нелинейных искажений, синусоидальный сигнал.
— Допустимая мощность громкоговорителя (рекомендуемая мощность): непрерывная средняя мощность розового шума AES или кратковременная пиковая мощность, с которой может справиться громкоговоритель.
— Номинальная программная мощность (музыкальная мощность) громкоговорителя: 2-кратная непрерывная средняя номинальная мощность.
— Пиковая мощность усилителя: на 1–3 дБ выше его непрерывной средней мощности
— Пиковая мощность громкоговорителя: максимальная кратковременная мощность, с которой может работать громкоговоритель
Максимальная рекомендуемая мощность усилителя в зависимости от мощности громкоговорителя
. В целом рекомендуемая средняя непрерывная мощность усилителя (CAP) = 2-кратному номинальному значению непрерывной мощности громкоговорителя (от 80 до 125%).
Предложения для особых случаев:
• Используйте 1-кратное увеличение мощности CAP громкоговорителя, если система не ограничена или не управляется оператором.
• Используйте 1,6-кратное увеличение мощности CAP громкоговорителя для легкой танцевальной музыки или речи
• Используйте 2,5-кратное увеличение для тяжелого металла или гранжа
• Используйте 4-кратное увеличение, чтобы учесть пики 6 дБ. В среднем запустите усилитель на 1/4 его максимальной выходной мощности.
#усилитель мощности #мощность усилителя #мощность громкоговорителя #уровень звукового давления #акустическая система
