Мощность в аудиосистемах: измерения, стандарты и характеристики усилителей и колонок.

Введение

Аудиомощность — это электрическая мощность, передаваемая от аудиоусилителя к громкоговорителю, измеряемая в ваттах. Электрическая мощность, поступающая на громкоговоритель, в сочетании с его эффективностью, определяет генерируемую звуковую мощность (оставшаяся электрическая мощность преобразуется в тепло). Усилители ограничены в количестве электрической энергии, которую они могут выдавать, а громкоговорители — в количестве электрической энергии, которую они могут преобразовать в звуковую без повреждений или искажения аудиосигнала. Эти ограничения, или номинальная мощность, важны для потребителей при выборе совместимых продуктов и сравнении различных моделей.

Управление мощностью

В аудиоэлектронике существует несколько методов измерения выходной мощности (например, усилителей) и способности к рассеиванию мощности (например, громкоговорителей).

Пример

Испытываемый усилитель способен генерировать синусоидальный сигнал с пиковой амплитудой 6 В (питаемый от батареи 12 В). При подключении к 8-омному динамику это обеспечит:

В большинстве реальных автомобильных систем усилители подключаются по мостовой схеме, а импеданс динамиков не превышает 4 Ом. Высокомощные автомобильные усилители используют DC-DC преобразователь для создания более высокого напряжения питания.

Постоянная мощность и "мощность RMS"

Средняя непрерывная мощность синусоидальной волны является основой спецификаций производительности аудиоусилителей и, иногда, акустических систем. Как описано выше, термин "средняя мощность" относится к среднему значению мгновенной формы сигнала мощности во времени. Поскольку это обычно выводится из среднеквадратичного (RMS) значения напряжения синусоидальной волны, её часто называют "мощностью RMS" или "ваттами RMS", но это неверно: это не RMS-значение формы сигнала мощности (которое было бы большим, но бессмысленным числом). Ошибочный термин "ватты RMS" фактически используется в стандарте ANSI. Это также называют номинальным значением, поскольку существует требование к маркировке продукции указывать его. Непрерывный (в отличие от "мгновенного") означает, что устройство может работать на этом уровне мощности в течение длительного времени; тепло может отводиться с той же скоростью, с которой оно генерируется, без повышения температуры до точки повреждения. 3 мая 1974 года Федеральная торговая комиссия (FTC) ввела Правило для усилителей, чтобы бороться с нереалистичными заявлениями о мощности, сделанными многими производителями hi-fi усилителей. Это правило предписывает измерения непрерывной мощности, выполняемые с использованием синусоидальных сигналов для рекламы и спецификаций усилителей, продаваемых в США. (Подробнее см. раздел "Стандарты" в конце этой статьи). В 1998 году это правило было изменено, чтобы охватить активные акустические системы, обычно используемые с персональными компьютерами (см. примеры ниже). Как правило, спецификации мощности усилителя рассчитываются путем измерения его выходного напряжения RMS с непрерывным синусоидальным сигналом в момент начала клиппирования, которое определяется произвольно как указанный процент общего гармонического искажения (THD), обычно 1%, при заданных сопротивлениях нагрузки. Типичные нагрузки составляют 8 и 4 ома на канал; многие усилители, используемые в профессиональной аудиоаппаратуре, также специфицируются при 2 омах. Значительно большую мощность можно получить, если допустить увеличение искажений; некоторые производители указывают максимальную мощность при более высоком искажении, например, 10%, что делает их оборудование более мощным, чем при измерении на приемлемом уровне искажений. Измерения непрерывной мощности фактически не описывают разнообразные сигналы, встречающиеся в аудиооборудовании (которые могут варьироваться от записей инструментов с высоким коэффициентом заполнения до прямоугольных волн с коэффициентом заполнения 0 дБ), но широко признаны разумным способом описания максимальной выходной мощности усилителя. Для аудиооборудования это почти всегда номинальный диапазон частот человеческого слуха, от 20 Гц до 20 кГц. В акустических системах тепловые характеристики звуковых катушек и магнитных систем в значительной степени определяют номинальную мощность непрерывного воспроизведения. Однако в нижней части полезного частотного диапазона акустической системы её мощность может быть снижена из-за ограничений механических перемещений. Например, сабвуфер с номинальной мощностью 100 Вт может выдерживать 100 Вт мощности на частоте 80 Гц, но на частоте 25 Гц он может выдерживать значительно меньше мощности, поскольку такие частоты могут заставить динамик выйти за пределы своих механических возможностей задолго до достижения 100 Вт от усилителя для некоторых динамиков в некоторых корпусах.

Continuous average sine wave power ratings are a staple of performance specifications for audio amplifiers and, sometimes, loudspeakers. As described above, the term average power refers to the average value of the instantaneous power waveform over time. As this is typically derived from the root mean square (RMS) of the sine wave voltage, it is often referred to as "RMS power" or "watts RMS", but this is incorrect: it is not the RMS value of the power waveform (which would be a larger, but meaningless, number). The erroneous term "watts RMS" is actually used in an ANSI standard. This is also referred to as the nominal value, there being a product mark requirement to use it. Continuous (as opposed to "momentary") implies that the device can function at this power level for long periods of time; that heat can be removed at the same rate it is generated, without temperature building up to the point of damage. On May 3, 1974, the Federal Trade Commission (FTC) instated its Amplifier Rule to combat the unrealistic power claims made by many hi fi amplifier manufacturers. This rule prescribes continuous power measurements performed with sine wave signals for advertising and specifications of amplifiers sold in the US. (See more in the section Standards at the end of this article). This rule was amended in 1998 to cover self powered speakers such as are commonly used with personal computers (see examples below). Typically, an amplifier's power specifications are calculated by measuring its RMS output voltage, with a continuous sine wave signal, at the onset of clipping—defined arbitrarily as a stated percentage of total harmonic distortion (THD), usually 1%, into specified load resistances. Typical loads used are 8 and 4 ohms per channel; many amplifiers used in professional audio are also specified at 2 ohms. Considerably more power can be delivered if distortion is allowed to increase; some manufacturers quote maximum power at a higher distortion, like 10%, making their equipment appear more powerful than if measured at an acceptable distortion level. Continuous power measurements do not actually describe the highly varied signals found in audio equipment (which could vary from high crest factor instrument recordings down to 0 dB crest factor square waves) but are widely regarded as a reasonable way of describing an amplifier's maximum output capability. For audio equipment, this is nearly always the nominal frequency range of human hearing, 20 Hz to 20 kHz. In loudspeakers, thermal capacities of the voice coils and magnet structures largely determine continuous power handling ratings. However, at the lower end of a loudspeaker's usable frequency range, its power handling might necessarily be derated because of mechanical excursion limits. For example, a subwoofer rated at 100 watts may be able to handle 100 watts of power at 80 hertz, but at 25 hertz it might not be able to handle nearly as much power since such frequencies would, for some drivers in some enclosures, force the driver beyond its mechanical limits much before reaching 100 watts from the amplifier.

Пиковая мощность

Пиковая мощность – это максимум мгновенной формы волны мощности, который для синусоидальной волны всегда вдвое превышает среднюю мощность. Для других форм волн соотношение между пиковой и средней мощностью выражается коэффициентом пиковой мощности к средней мощности (PAPR). Пиковая мощность усилителя определяется напряжением питания и максимальным током, который его электронные компоненты могут выдержать мгновенно без повреждений. Это характеризует способность оборудования справляться с быстро меняющимися уровнями мощности, поскольку многие аудиосигналы обладают высокой динамикой. Однако пиковая мощность всегда выше средней, и поэтому её соблазнительно использовать в рекламе без контекста, создавая впечатление, что усилитель имеет вдвое большую мощность, чем у конкурентов.

Общая мощность системы

Общая мощность системы – термин, часто используемый в аудиоэлектронике для указания мощности аудиосистемы. Общая мощность системы относится к общему энергопотреблению устройства, а не к мощности, которую способны выдержать динамики, или к выходной мощности усилителя. Это можно рассматривать как несколько вводящую в заблуждение маркетинговую тактику, поскольку общее энергопотребление устройства, естественно, будет выше, чем любые другие его показатели мощности, за исключением, возможно, пиковой мощности усилителя, которая, по сути, является сильно завышенным значением. Стереосистемы и ресиверы домашнего кинотеатра часто оцениваются по общей мощности системы. Чтобы получить более точную оценку мощности, исходя из общей мощности системы, можно учитывать класс усилителя, что позволит сделать обоснованное предположение о выходной мощности, принимая во внимание эффективность этого класса. Например, эффективность усилителей класса AB может варьироваться от 25% до 75%, в то время как усилители класса D имеют гораздо более высокую эффективность – от 80% до 95%. Исключительно эффективный усилитель класса D, ROHM BD5421efs, работает с эффективностью 90%. В некоторых случаях аудиоустройство может оцениваться по общей мощности системы всех его динамиков, путем суммирования их максимальных показателей мощности. Многие системы домашнего кинотеатра в комплекте оцениваются именно таким образом. Часто у недорогих систем домашнего кинотеатра показатели мощности указаны при высоком уровне гармонических искажений, который может достигать 10%, что будет заметно.

ПМПО

PMPO, что означает Peak Music Power Output или Peak momentary performance output, – гораздо более сомнительный показатель, представляющий интерес скорее для авторов рекламных текстов, чем для потребителей. Термин PMPO никогда не был определен ни в одном стандарте, но часто понимается как сумма пиковой мощности каждого усилителя в системе. Разные производители используют разные определения, поэтому соотношение PMPO к номинальной (непрерывной) выходной мощности сильно различается; невозможно перевести одно значение в другое. Большинство усилителей способны поддерживать свою мощность PMPO лишь очень короткое время, если вообще способны; акустические системы не рассчитаны на выдерживание заявленной мощности PMPO дольше, чем кратковременный импульс, без серьезных повреждений.

Сила и громкость в реальном мире

Воспринимаемая "громкость" изменяется приблизительно логарифмически с акустической выходной мощностью. Изменение воспринимаемой громкости в зависимости от изменения акустической мощности зависит от опорного уровня мощности. Для выражения воспринимаемой громкости полезно и технически корректно использовать логарифмическую шкалу децибел (дБ), не зависящую от опорного уровня мощности, с относительно линейной зависимостью между изменениями в 10 дБ и удвоением воспринимаемой громкости. Приблизительно логарифмическая связь между мощностью и воспринимаемой громкостью является важным фактором при проектировании аудиосистем. На максимальную достижимую громкость влияют как мощность усилителя, так и чувствительность динамика. Чувствительность обычно измеряется либо в безэховой камере в "свободном пространстве" (для широкополосных динамиков), либо с источником и приемником на земле на открытом воздухе в "полупространстве" (для сабвуферов). Удвоение/половина воспринимаемой громкости соответствует приблизительно 10 дБ увеличению/уменьшению чувствительности динамика, а также приблизительно десятикратному увеличению/уменьшению акустической мощности. Даже относительно небольшое увеличение/уменьшение чувствительности на 3 дБ соответствует удвоению/половине акустической мощности. При измерении в "полупространстве" граница земной плоскости уменьшает доступное пространство для излучения звука вдвое и удваивает акустическую мощность на приемнике, что приводит к соответствующему увеличению измеренной чувствительности на 3 дБ, поэтому важно знать условия испытаний. Изменение измеренной чувствительности на ±3 дБ также соответствует аналогичному удвоению/половине электрической мощности, необходимой для создания заданной воспринимаемой громкости, поэтому даже кажущиеся "незначительными" различия в чувствительности могут привести к значительным изменениям в требуемой мощности усилителя. Это важно, поскольку усилители мощности становятся все менее практичными с увеличением выходной мощности. Многие высококачественные домашние динамики имеют чувствительность от ~84 дБ до ~94 дБ, а профессиональные динамики – от ~90 дБ до ~100 дБ. Источнику "84 дБ" потребуется усилитель мощностью 400 Вт для создания такой же акустической мощности (воспринимаемой громкости), как источнику "90 дБ", работающему от усилителя мощностью 100 Вт, или источнику "100 дБ", работающему от усилителя мощностью 10 Вт. Хорошей мерой "мощности" системы является график максимальной громкости перед клиппированием усилителя и динамика в сочетании, в дБ SPL, в предполагаемой точке прослушивания, по всему слышимому частотному спектру. Человеческое ухо менее чувствительно к низким частотам, что отражено в кривых равной громкости, поэтому хорошо спроектированная система должна быть способна генерировать относительно более высокие уровни звука ниже 100 Гц перед клиппированием. Как и воспринимаемая громкость, чувствительность динамика также меняется в зависимости от частоты и мощности. Чувствительность измеряется при 1 Вт для минимизации нелинейных эффектов, таких как сжатие мощности и гармонические искажения, и усредняется по полезной полосе пропускания. Полоса пропускания часто указывается между измеренными частотами среза "+/- 3 дБ", где относительная громкость уменьшается по сравнению с пиковой громкостью не менее чем на 6 дБ. Некоторые производители динамиков используют "+3 дБ / 6 дБ" вместо этого, чтобы учесть реальный отклик динамика в помещении на крайних частотах, где границы пола/стен/потолка могут увеличить воспринимаемую громкость. Чувствительность динамика измеряется и оценивается при условии фиксированного выходного напряжения усилителя, поскольку звуковые усилители, как правило, ведут себя как источники напряжения. Чувствительность может быть вводящей в заблуждение метрикой из-за различий в импедансе динамиков между динамиками различной конструкции. Динамик с более высоким импедансом может иметь более низкую измеренную чувствительность и, следовательно, казаться менее эффективным, чем динамик с более низким импедансом, хотя их эффективность на самом деле может быть схожей. Эффективность динамика – это метрика, которая измеряет только фактический процент электрической мощности, который динамик преобразует в акустическую мощность, и иногда является более подходящей метрикой при поиске способов достижения заданной акустической мощности от динамика. Добавление идентичного и взаимосвязанного динамика (на расстоянии менее длины волны друг от друга) и равномерное распределение электрической мощности между двумя динамиками увеличивает их общую эффективность максимум на 3 дБ, что аналогично увеличению размера одного динамика до тех пор, пока площадь диафрагмы не удвоится. Использование нескольких динамиков для повышения эффективности может быть более практичным, чем использование более крупных динамиков, поскольку частотная характеристика обычно пропорциональна размеру динамика. Конструкторы систем используют это повышение эффективности, используя взаимосвязанные динамики в корпусе динамика и взаимосвязанные корпуса динамиков в помещении. Каждое удвоение общей площади диафрагмы в массиве динамиков приводит к увеличению эффективности примерно на 3 дБ до предела, когда общее расстояние между любыми двумя динамиками в массиве превышает ~1/4 длины волны. Способность к обработке мощности также удваивается при удвоении количества динамиков, что обеспечивает максимальное возможное увеличение общей акустической мощности примерно на 6 дБ при удвоении взаимосвязанных динамиков и общей мощности усилителя. Получение преимуществ от взаимосвязанной эффективности становится затруднительным при использовании нескольких динамиков на более высоких частотах, поскольку общий размер одного динамика, включая диафрагму, корзину, волновод или рупор, может уже превышать одну длину волны. Источники, которые намного меньше длины волны, ведут себя как точечные источники, которые излучают всенаправленно в свободном пространстве, в то время как источники, превышающие длину волны, действуют как собственная "земляная плоскость" и направляют звук вперед. Это направленное излучение может создавать проблемы с дисперсией высоких частот в больших помещениях, поэтому конструктору может потребоваться охватить зону прослушивания несколькими источниками, направленными в разных направлениях или расположенными в разных местах. Аналогично, близость динамика к границам, таким как пол/стены/потолок, на расстоянии менее 1/4 длины волны, может увеличить эффективную чувствительность, изменяя свободное пространство на полупространство, четвертьпространство или восьмое пространство. Когда расстояние до границ превышает 1/4 длины волны, задержанные отражения могут увеличить воспринимаемую громкость, но также могут вызвать эффекты окружающей среды, такие как гребенчатая фильтрация и реверберация, которые могут сделать частотную характеристику неравномерной во всем помещении или сделать звук диффузным и резким, особенно в небольших помещениях с твердыми отражающими поверхностями. Звукопоглощающие конструкции, звукорассеивающие конструкции и цифровая обработка сигналов могут использоваться для компенсации пограничных эффектов в пределах предназначенной зоны прослушивания.

Perceived "loudness" varies approximately logarithmically with the acoustical output power. The change in perceived loudness as a function of change in acoustical power is dependent on the reference power level. It is both useful and technically accurate to express perceived loudness in the logarithmic decibel (dB) scale that is independent of the reference power, with a somewhat straight line relationship between 10 dB changes and doublings of perceived loudness. The approximately logarithmic relationship between power and perceived loudness is an important factor in audio system design. Both amplifier power and speaker sensitivity affect the maximum realizable loudness. Sensitivity is typically measured either suspended in an anechoic chamber in 'free space' (for full range speakers), or with the source and receiver outside on the ground in 'half space' (for a subwoofer). While a doubling/halving of perceived loudness corresponds to approximately 10 dB increase/decrease in speaker sensitivity, it also corresponds to approximately 10X multiplication/division of acoustical power. Even a relatively modest 3 dB increase/decrease in sensitivity corresponds to a doubling/halving of acoustical power. When measuring in 'half space', the boundary of the ground plane cuts the available space that the sound radiates into in half and doubles the acoustical power at the receiver, for a corresponding 3 dB increase in measured sensitivity, so it is important to know the test conditions. ±3 dB change in measured sensitivity also corresponds to a similar doubling/halving of electrical power required to generate a given perceived loudness, so even deceptively 'minor' differences in sensitivity can result in large changes in amplifier power requirement. This is important because power amplifiers become increasingly impractical with increasing amplifier power output. Many high quality domestic speakers have a sensitivity between ~84 dB and ~94 dB, but professional speakers can have a sensitivity between ~90 dB and ~100 dB. An '84 dB' source would require a 400 watt amplifier to produce the same acoustical power (perceived loudness) as a '90 dB' source being driven by a 100 watt amplifier, or a '100 dB' source being driven by a 10 watt amplifier. A good measure of the 'power' of a system is therefore a plot of maximum loudness before clipping of the amplifier and loudspeaker combined, in dB SPL, at the listening position intended, over the audible frequency spectrum. The human ear is less sensitive to low frequencies, as indicated by equal loudness contours, so a well designed system should be capable of generating relatively higher sound levels below 100 Hz before clipping. Like perceived loudness, speaker sensitivity also varies with frequency and power. The sensitivity is measured at 1 watt to minimize nonlinear effects such as power compression and harmonic distortion, and averaged over the usable bandwidth. The bandwidth is often specified between the measured '+/ 3 dB' cutoff frequencies where the relative loudness becomes attenuated from the peak loudness by at least 6 dB. Some speaker manufacturers use '+3 dB/ 6 dB' instead, to take into account the real world in room response of a speaker at frequency extremes where the floor/wall/ceiling boundaries may increase the perceived loudness. Speaker sensitivity is measured and rated on the assumption of a fixed amplifier output voltage because audio amplifiers tend to behave like voltage sources. Sensitivity can be a misleading metric due to differences in speaker impedance between differently designed speakers. A speaker with a higher impedance may have lower measured sensitivity and thus appear to be less efficient than a speaker with a lower impedance even though their efficiencies are actually similar. Speaker efficiency is a metric that only measures the actual percentage of electrical power that the speaker converts to acoustic power and is sometimes a more appropriate metric to use when investigating ways to achieve a given acoustic power from a speaker. Adding an identical and mutually coupled speaker driver (much less than a wavelength away from each other) and splitting the electrical power equally between the two drivers increases their combined efficiency by a maximum of 3 dB, similar to increasing the size of a single driver until the diaphragm area doubles. Multiple drivers can be more practical to increase efficiency than larger drivers since frequency response is generally proportional to driver size. System designers take advantage of this efficiency boost by using mutually coupled drivers in a speaker cabinet, and by using mutually coupled speaker cabinets in a venue. Each doubling of total driver area in the array of drivers brings ~3 dB increase in efficiency until the limit where the total distance between any two drivers of the array exceeds ~1/4 wavelength. Power handling capability is also doubled when the number of drivers doubles, for a maximum realizable increase of ~6 dB in total acoustic output per doubling of mutually coupled drivers when the total amplifier power is also doubled. Mutual coupling efficiency gains become difficult to realize with multiple drivers at higher frequencies because the total size of a single driver including its diaphragm, basket, waveguide or horn may already exceed one wavelength. Sources that are much smaller than a wavelength behave like point sources that radiate omnidirectionally in free space, whereas sources larger than a wavelength act as their own 'ground plane' and beam the sound forward. This beaming tends to make high frequency dispersion problematic in larger venues, so a designer may have to cover the listening area with multiple sources aimed in various directions or placed in various locations. Likewise, speaker proximity much less than 1/4 wavelength to one or more boundaries such as floor/walls/ceiling can increase the effective sensitivity by changing free space into half space, quarter space, or eighth space. When the distance to boundaries is > 1/4 wavelength, delayed reflections can increase the perceived loudness but can also induce ambient effects such as comb filtering and reverberation that can make the frequency response uneven across a venue or make the sound diffuse and harsh, especially with smaller venues and hard reflective surfaces. Sound absorbing structures, sound diffusing structures, and digital signal processing may be employed to compensate for boundary effects within the designated listening area.

Европа

DIN (Deutsches Institut für Normung, Немецкий институт стандартизации) описывает в DIN 45xxx ряд стандартов для измерения звуковой мощности. Стандарты DIN (DIN-нормы) широко применяются в Европе.

Международный

IEC 60268-2 определяет характеристики усилителей мощности, включая выходную мощность.