Какая мощность нужна вашему УМЗЧ?  (окончание)

Громкоговорители и акустические системы. Почему-то твёрдо укоренилось мнение, что чем больше выходная мощность УМЗЧ, тем он лучше. Речь идёт обычно о десятках и сотнях ватт. Дело дошло до того, что сгоревшие звуковые катушки динамиков теперь не редкость. Испортить динамическую головку очень просто – надо положить её стол диффузором кверху (ничем не накрывая), подключить к мощному УМЗЧ и крутить регулятор громкости. Именно так и сделал один продавец, пытаясь продать дорогую автомагнитолу (40 ватт на канал или больше) с не менее дорогой акустикой. Головка была спасена более умными покупателями, остановившими продавца.

Звучать по-настоящему динамик в этих условиях не может, он просто будет гонять воздух с одной стороны диффузора на другую. А попытка увеличить подводимую к нему мощность приведёт лишь к перегреву (40 Вт – мощность паяльника!) или механическому повреждению диффузора и звуковой катушки (магнитопровод, слава Богу, железный).

Пример ясно показывает, что главное в АС не столько головка (хотя и её параметры важны), сколько её акустическое оформление. Абсолютно необходимо разделить звуковые потоки, излучаемые передней и задней сторонами динамика – они противофазны (когда с одной стороны сжатие воздуха, с другой – разрежение). Простейший способ – установить головки на отражательной доске больших размеров. Сторона доски должна иметь размер порядка половины длины звуковой волны на низшей воспроизводимой частоте.

Найти длину волны  l просто: l = v / f, где v – скорость звука 330 м/с, f – частота. Для низшей воспроизводимой частоты 50 Гц l = 6,6 м, размер доски получается более 3 м. Много, но что делать, физические законы отменить нельзя! Края доски можно загнуть назад, получится знакомый нам корпус радиоприёмника (телевизора, АС и т.д.) с открытой задней стенкой.

Головки на отражательной доске лучше размещать асимметрично, тогда пики и провалы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) несколько выравниваются. Устанавливать в АС несколько головок, даже разных, имеет смысл по нескольким соображениям: звуковые давления отдельных головок складываются, поэтому отдача АС возрастает при неизменной подводимой мощности. Пики и провалы на АЧХ отдельных головок не совпадают, как не совпадают и механические резонансные частоты, в результате общая частотная характеристика выравнивается.

Схему включения головок надо подобрать так, чтобы выделяющаяся на них мощность была пропорциональна паспортной. Полярность включения головок важна: при подаче на АС постоянного напряжения (например 1,5 В от одного элемента питания) все диффузоры должны двигаться в одну сторону, что соответствует синфазному включению. Хотя бы одна головка, работающая в противофазе, резко понижает общую отдачу.

Если есть возможность изготавливать АС разной конструкции, то несколько головок лучше размещать вертикально, друг над другом, тогда излучение концентрируется в горизонтальной плоскости, на уровне голов слушателей. ВЧ головки лучше размещать именно на этой высоте, в середине, а мощные низкочастотные – выше и ниже, поскольку направленность излучения на нижних частотах меньше. Установка колонны в угол комнаты повышает отдачу (рупорный эффект) и позволяет изготавливать лишь одну отражательную доску. В углах у потолка или пола можно попробовать установить треугольные листы фанеры или пластика – «акустические зеркала», отражающие излучение обратной стороны АС к слушателям. Подобные «звуковые колонны» неоднократно использовали любители Hi-End (рис. 12).

Акустика Hi-End – большой звук от маленьких источников! Фото с сайта http://www.airfon-media.ru/acoustic-hi-end/ Рис. 12

Распространено такое заблуждение: если в АС 12 четырёхваттных динамиков, то подавать на неё надо 48 Вт. Ничуть не бывало, подайте на эту АС 1 Вт, и она будет звучать громче, чем один четырёхваттный динамик при подаче на него 4 Вт. Выигрыш в чувствительности (отдаче) оценивается как 10lgN, где N – число одинаковых динамиков в АС.

 "Чувствительность громкоговорителя — отношение среднего звукового давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра, к корню квадратному из подводимой электрической мощности" – определение из Википедии. На практике звуковое давление сразу переводят в громкость звука (таблица 1), а чтобы не извлекать корень, подают 1 Вт. Итак, получаем «нестрогое», но понятное определение чувствительности АС – это громкость в дБ на расстоянии 1 м при мощности звукового сигнала 1 Вт.

Ранее в нашей стране существовало другое понятие, на мой взгляд, гораздо более правильное – отдача громкоговорителя. Отдача определялась как звуковое давление на расстоянии 1 м при подаче на АС мощности 0,1 Вт. Динамики для определении отдачи устанавливали на специальной калиброванной отражательной доске. Типичное значения отдачи динамиков советского времени 0,2 Па, но были и исключения.

Переведём отдачу в чувствительность. По таблице 1 звуковое давление 0,2 Па соответствует громкости 80 дБ. Такую громкость динамик создаёт при электрической мощности 0,1 Вт. А при 1 Вт, что на 10 дБ больше, он создаст, соответственно, 90 дБ. Эта цифра и есть его чувствительность.

Но 90 дБ – это разумный предел громкости. Выходит, что мощности УМЗЧ в 1 ватт вполне достаточно? Это действительно так. Откуда же берутся цифры в десятки и сотни ватт? Давайте разбираться, и для начала проведём

Два очень простых эксперимента. Для первого понадобится любой портативный или переносный приёмник. Поставьте его на стул, табуретку или просто держите в руке на открытом месте посреди комнаты. Установите нормальную для долгого прослушивания, не слишком большую громкость. Запомните, как он звучит. Теперь поместите приёмник в угол комнаты, в освобожденную от книг полку или в нишу мебельной стенки, желательно в угол. Заметили, что качество звука улучшилось, возросла отдача низких частот и общая громкость? Эксперимент очень прост, но он ясно показывает важность акустического оформления, как для отдачи, так и для качества звука.

Другой эксперимент состоит в определении подводимой к динамику мощности. Понадобится вольтметр переменного тока (тестер), а еще лучше – осциллограф. Доберитесь до выводов динамика у того же приемника или радиоточки, возможно, придется снять заднюю стенку. Куда подсоединять щупы вольтметра, видно на фото рис. 13 (там, правда, измеряют сопротивление, а динамик зачем то сняли со своего места, вам этого делать, конечно, не нужно).

Измерьте напряжение на динамике при той же нормальной громкости. Заодно прочитайте на этикетке сопротивление динамика. Его можно и измерить, но тогда придётся отпаять один провод. Допустим, у вас получилось 100 мВ и 8 Ом. Мощность Р = U²/r = 0,01/8 = 0,00125 Вт или 1,25 мВт. Именно столько (всего-то!) и отдает в среднем ваш УМЗЧ.

Кстати, примерно столько же потребляла и старинная радиоточка, подключенная к трансляционной сети. Распространённое заблуждение, что от радиотрансляции нельзя получить качественного звука, обусловлено только плохими радиоточками, а в самой сети качество звукового сигнала довольно высокое. Не забуду, как более полувека назад в нашу комнату в студенческом общежитии неведомыми путями попал еще довоенный ламповый английский радиоприёмник фирмы Cossor, в добротном деревянном корпусе консольной (напольной) конструкции (шкала сверху, большой динамик внизу). Починить приемник мы не сумели, но динамик и выходной трансформатор в нем были целые. Мы и подключили их к трансляционной сети. Потом долго разыгрывали гостей необыкновенным «английским» звуком высочайшего по тем временам качества!

Любопытно сравнить мощности, требуемые разным динамикам для получения нормальной для неутомительного прослушивания громкости в 60 дБ (таблица 3). Предполагается, что динамики установлены на стандартной для измерений отражательной доске или в открытом корпусе значительных размеров.

Таблица 3

Тип громкоговорителя	Паспортная отдача, Па	Требуемая мощность сигнала ЗЧ для громкости 60 дБ, мВт
0,025ГД-2	0,075	3,6
0,05ГД-1	0,15	1,8
1ГД-5, 1ГД-28, 1ГД-36, 2ГД-7	0,2	1,0
1ГД-4, ЗГД-1.4ГД-4, 4ГД-5	0,3	0,45
5ГД-1, 6ГД-1 РРЗ, 6ГД-3	0,4	0,25
8ГД-1 РРЗ	0,45	0,2

 

Видим, что никуда не годными оказались маленькие маломощные динамики от карманных приёмников (верхние строки таблицы). В то же время большие и довольно мощные (5…8 Вт по паспорту) требуют почти в 20 раз меньшей мощности для получения той же громкости (нижние строки). Оно и понятно: для получения хорошей отдачи нужны сильный магнит, большой диффузор и хорошее заполнение магнитного зазора проводом звуковой катушки. Ни одно из этих требований не выполняется в маленьких ширпотребовских динамиках, а про старые большие динамики рижского радиозавода, например 8ГД-1, среди меломанов ходят легенды за их мягкий, бархатный и в то же время громкий звук.

Незначительная по современным понятиям паспортная мощность (менее 10 Вт) смущать не должна. Раньше добросовестно указывали ту мощность, при которой динамик может работать непрерывно, без повреждений и перегрева. Теперь же (в рекламных целях, разумеется) часто по умолчанию пишут пиковую мощность, так называемую РМРО (Peak Musical Power Output), которую динамик может выдержать лишь в течение долей секунды. Она в десятки раз выше средней.

Куда девается мощность УМЗЧ? Понятно, что для отсутствия искажений на пиках музыкального сигнала УМЗЧ рассчитывают на РМРО, хотя, повторю, эти искажения и малозаметны. Хуже другое – очень низкий КПД, следовательно, чувствительность и отдача современных АС. Первые наши высококачественные АС, малогабаритные, и с обилием поглощающего материала имели отдачу от 0,08 Па (25АС16, 25АС416) до 0,11 Па (35АС2). Это соответствует чувствительности 82…85 дБ. Многие современные АС не лучше. Чтобы звучать с той же громкостью, что и радиоточка (чувствительность 90 дБ) они требуют примерно вчетверо большей мощности. Говорят, что такова плата за качество.

Начало такому движению, как часто бывает, положили американцы. Еще в начале далеких 60-х они выпустили малогабаритные настенные АС “Gigolo” в наглухо закрытом корпусе, заполненном ватой. Акустическое «короткое замыкание» устранялось тем, что излучение обратной стороны динамика просто поглощалось. Кроме того, благодаря акустическому демпфированию сглаживались пики и провалы на АЧХ динамика. Так легко решались почти все трудные проблемы электроакустики, АС получилась простой, дешевой (даже ваты надо было мало – АС то малогабаритная). Писали, правда, что мощность усилителя надо повышать вдвое – ведь половина акустической мощности поглощается. На самом деле больше, поскольку поглощающая среда (вата) нагружает диффузор сильнее, чем воздух. Получился парадокс: АС плохо излучает, но АЧХ хорошие!

Если корпус поглотителем не заполнять (1 на рис. 14), резонанс закрытого ящика создаёт пик на АЧХ в районе 100…200 Гц, и звук становится неприятным, бубнящим. Для понижения частоты резонанса объем ящика надо непомерно увеличивать, но все равно половина акустической мощности пропадает. Попытки её все же использовать привели к появлению сначала отверстия (2), а потом и трубы (3). При правильной настройке колебания диффузора и воздуха в трубе совершаются в одинаковой фазе, отчего всю конструкцию и назвали фазоинвертором. Для устранения высокочастотных резонансов внутренние стороны стенок АС все равно обкладывают поглотителем, а сам фазоинвертор работает лишь на низких частотах. Отдача АС оказывается невысокой. Более совершенен лабиринт (4), но для массового производства он слишком сложен.

 

Наиболее распространенные варианты акустического оформления низкочастотных громкоговорителей: закрытое (1); фазоинвертор с простым отверстием (2), в которое может быть помещен пассивный радиатор; самый распространенный фазоинвертор в виде трубы (3); лабиринт (4) — технически сложное и дорогое решение. http://stereo.ru/before/whatiswhat.php%3Farticle_id=224.html    Рис. 14

В своё время сенсаций стала отечественная любительская разработка – фазоинвертор «подкова» (рис. 15). Рис. 15

По сообщению авторов один 5-ваттный динамик, установленный в малом раструбе, позволил озвучить танцевальный зал! По сути, это уже рупор.

Вспомните старинные граммофоны: благодаря рупору малые колебания иглы, связанной с мембраной, создавали весьма громкий звук. В патефонах часть рупора свернута и «спрятана» внутрь корпуса. Открытая крышка служит отражателем звука. Рупорные громкоговорители используют для озвучивания открытых площадей. Профессиональный рупорный громкоговоритель может иметь КПД до 25...35%. Радиолюбителям хороший рупорный громкоговоритель вряд ли доступен, но кое-что можно сделать и из обычных головок, получив чувствительность более 100 дБ.

Ответим теперь на вопрос подзаголовка (куда девается мощность) цифрами. Пусть, польстившись на гладкость АЧХ и широкий диапазон, вы приобрели АС с чувствительностью 82 дБ и хотите получить громкость 92 дБ. Мощность УМЗЧ надо увеличить на 10 дБ относительно 1 Вт, или в 10 раз. Получаем 10 Вт. Далее, вы хотите получить эту громкость на расстоянии не 1, а 3 метра. Плотность потока мощности убывает пропорционально квадрату расстояния, поэтому излучаемую АС мощность надо увеличить ещё в 9 раз, получаем 90 Вт. Далее, вы хотите иметь запас 5…10 дБ, чтобы гарантировать отсутствие искажений на пиках музыкальной программы. Это ещё 3…10 раз. Вот и получается, что вам нужен УМЗЧ с мощностью порядка от 300 Вт до киловатта!

А теперь подумайте, надо ли вам всё это? Ведь при таких мощностях и громкостях ничего, кроме слушания музыки, делать уже нельзя. Но если бы у вас была АС с чувствительностью 102 дБ, то вам за глаза хватило бы и 10 Вт, чтобы слушать этот симфонический или рок-концерт, а для фоновой музыки, не мешающей заниматься другими делами, вам хватило бы и нескольких милливатт.

Лучшие АС по чувствительности и качеству. Купить вы их вряд ли сможете (как, впрочем, и автор), но не исключено, что сделаете и сами. В последние годы интересующийся электроакустикой народ уже отказывается от закрытых ящиков и все чаще использует рупора или большие отражательные доски.

Акустическая система открытого типа «АСОТ». Корпуса нет, только большая отражательная доска! — http://www.hifinews.ru/print/article/details/9880.htm

Вот одна из лучших в мире конструкций класса Hi-End: Lowther Maestro Horn

 

 

Фильтр нулевого порядка!	_
Сопротивление	8 Ом
Частотный диапазон	45 - 21500 Гц
Номинальная мощность	15 Вт
Чувствительность	107 dB (SPL.1Вт/ 1м)
Размеры	1570х380х610 мм
Вес одной колонки	не более 120 кг
Рекомендуемая мощность усилителя	от 3 до 18 Вт.
Цена за пару	1 500 000руб.

Кто слушал эти системы, тот не забудет их никогда! На изготовление уходит 273 детали и 4 месяца работы — так пишут на сайте http://bestacoustic.ru/lowther-maestro-horn.html.

В этой рупорной системе всего один динамик, но с тремя диффузорами, для НЧ, СЧ и ВЧ. Внутренняя структура рупора видна на фото изготавливаемой АС справа. Слова «фильтр нулевого порядка» означают, что никаких фильтров там вообще нет, как нет искажений звука, связанных с разделением звукового диапазона на полосы (НЧ – ВЧ).

А вот, что сообщают на сайте http://websound.ru/issues/96.htm:

 — «Несколько российских сайтов уже облетела эта весть, но я не смог удержаться и не опубликовать ее на WebSound.Ru. Речь идет о выпуске фирмой Ferguson Hill необычной рупорной акустики. Как видите, внешний вид … по-настоящему впечатляет. Рупорная акустика мне лично вообще никогда не встречалась, но такая... красота:-)

Характеристики таковы: воспроизводимые частоты - 150 - 20000 Гц, "раскачиваются" уже со значения мощности в 5 Ватт, размеры громкоговорителей: 1,65 x 0.92 x 0.72 м, импеданс - 8 Ом.

Цена системы, как я понял, около $10 000».

 

Если уж говорить о рупорах с юмором, то фанатизму нет предела, и жилище тоже можно превратить в рупорную стереосистему:

На этой весёлой ноте мы и закончим наше повествование.