Меню

Соотношение мощности динамика от частоты

AudioKiller’s site

Audio, Hi-Fi, Hi-End. Электроника. Аудио.

  • Новости
  • Мои планы
  • For sale
  • FAQ
  • Задайте вопрос
  • Обо мне
  • Подписка на новости

Материалы раздела:

  • — Теория
  • — Усилители
  • — Источники питания
  • — Акустические системы
  • — Другое
    • Влияние вентилятора на эффективность охлаждения
    • Программа для расчета соотношения мощностей динамиков

Программа для расчета соотношения мощностей динамиков

1. Краткое описание программы

Начало всему этому положила статья в журнале Автозвук: «Диета для динамиков. (Спектр музыкального сигнала. Какой он на самом деле?)«

Продолжение исследования и основа, на которой базируется вся работа программы, находится здесь (настоятельно рекомендую): Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

В многополосных акустических системах каждый из динамиков подключается к выходу усилителя через фильтр ВЧ, НЧ, либо полосовой. И естественно, что на каждый динамик поступает только часть всей мощности, поставляемой усилителем. То какая это часть, зависит как от свойств самого фильтра (частоты среза и порядка), так и от свойств музыкального сигнала, воспроизводимого усилителем. А именно — от его спектра. В настоящее время принят ряд стандартов, «узаконивающих» определенное спектральное распределение музыки, например, DIN 45 573, IEC 268-5. Считается, что спектр музыки им полностью соответствует, и все музыканты их строго соблюдают.

Однако исследования показали, что эти стандарты несколько устарели, и спектр современной музыки оказывается гораздо более насыщен верхними частотами, чем предполагалось ранее.

В любом случае существует проблема — определить, какую мощность должны иметь динамики в колонке, чтобы нормально работать при известной подводимой к колонке мщности звукового сигнала.

С другой стороны, большинство производителей ВЧ динамиков указывают не их реальную электрическую мощность, а мощность, которую нужно подать от усилителя, включив динамик через фильтр. Это позволяет легче подбирать динамик для работы в многополосной акустической системе, но только в случае если:

  • частота среза фильтра кроссовера будет точно такой же, как и задано производителем в паспорте динамика;
  • спектр воспроизводимой музыки соответствует стандарту DIN 45 573 или IEC 268-5, (используется производителем для измерений паспортной мощности) .

Данная программа предназначена для решения этих двух задач — она позволяет определить реальную электрическую мощность ВЧ динамика и определить соотношения мощностей динамиков в многополосной акустической системе.

2. Работа с программой: определение реальной электрической мощности ВЧ динамика

Для этого предназначена верхняя часть окна программы.

Исходные данные, взятые из паспорта на динамик (рис.1) подставляются в программу и, после нажатия кнопки GO, получается результат (рис.2).

В результате получается, что реальная мощность этого динамика равна 4,3 Вт. Мощность, указываемая для розового шума (значение pink) приведена «на всякий случай», поскольку я не встречался с таким способом ее нормирования.

3. Определение соотношения мощностей динамиков по усредненному спектру

Зависимость мощности, поступающей на динамик в зависимости от частоты среза фильтра НЧ 2-го порядка, показана на рис.3.

Хорошо видно, что у этих зависимостей огромный разброс. Для его учета выбираем три кривых — саму верхнюю (преобладание низкочастотных составляющих в спектре сигнала), нижнюю (преобладание ВЧ), и среднюю (усредненный спектр). Интересно, что кривая, полученная для распределения по стандарту DIN (на графике она не показана) не совпадает с зеленой линией, что означает «отсталость» этого стандарта от жизни.

Как пользоваться этими зависимостями для расчета относительных мощностей динамиков показано на рисунке 4.

Повторим то же самое с использованием программы (здесь возможны небольшие отличия значений от графика главным образом из-за небольшого количества точек, по которым строились графики):

Для НЧ динамика:

Порядок фильтра равный 0 означает его отсутствие.

Поле «Результаты Рок» дает те же результаты, что и рис.4. Такое название используется потому, что именно в рок музыке было раньше всего замечено существенное отклонение распределения спектра от стандартного. Поле «Результаты DIN» показывает долю мощности, приходящейся на динамик в случае «стандартного» спектра сигнала.

Верхняя и нижние границы спектра установлены в 20 Гц и 20 кГц для совместимости с графиками на рис. 3 и 4. Программа позволяет устанавливать границы от 10 Гц до 40 кГц для учета возможностей современных высококачественных носителей, таких как DVD-A и SACD.

Для СЧ динамика:

Для ВЧ динамика соответственно:

4. Определение соотношения мощностей динамиков с учетом различий спектров сигналов

Из рисунка 3 хорошо видно, как сильно различаются спектры различных произведений между собой. Поэтому если ориентироваться на средние значения, то на произведениях с преобладанием низких или высоких частот возможна перегрузка динамиков. Чтобы ее избежать, учтем различие спектров:

В этом случае рабочие мощности динамиков получаются намного больше, чем при расчете по среднему, что гарантирует отсутствие перегрузок при любом музыкальном сигнале.

Читайте также:  Плановая мощность здания что это

Получаем это же при помощи программы.

Для НЧ динамика:

Для ВЧ динамика:

Для СЧ динамика:

Здесь ситуация отличается от той, что показана на рисунке 5. Причем полученные значения не только меньше по величине, но и являются более верными. Тот результат, что на рисунке, был получен вычитанием, и несколько некорректен с точки зрения физического смысла. В программе анализируется реальный спектр, пропущенный через модель соответствующего фильтра.

За правильный результат следует выбирать наибольшее из чисел (в нашем случае 41,7%).

5. Учет влияния темброблока

Большинство усилителей снабжено регуляторами тембра, и большинство людей этими регуляторами пользуются. Для учета влияния темброблока используются поля «DIN + тембра» и «Рок + тембра«. При этом моделируется влияние обычного регулятора тембра высоких и низких частот, установленного в положение «+8 дБ» на частотах 80 Гц и 10 кГц.

6. Определение соотношения мощностей динамиков. Полный расчет системы

Приведенные расчеты иллюстрируют только применение данной программы. Поэтому со всех других точек зрения, они или не являются оптимальными, или вообще не имеют смысла.

Рассчитаем двухполосную акустическую систему с ВЧ динамиком SEAS Н 737 (см. рис. 1). Частота раздела кроссовера 2-го порядка по ВЧ и НЧ — 4 кГц. Расчет производим по среднему для спектра современной музыки.

1. Определяем реальную мощность ВЧ динамика: Рвч = 4,3 Вт.

2. Определяем долю мощности, приходящуюся на НЧ динамик: Рнч% = 90,7 %

3. Определяем долю мощности, приходящуюся на ВЧ динамик: Рвч% = 8,3 %

Суммарная мощность отличается от 100% так как в результате неидеальности фильтров сигнал «своих» частот все же ослабляется в районе частоты среза. На частоте среза фильтра ослабление сигнала составляет -3 дБ.

4. Определяем допустимую мощность усилителя для работы ВЧ динамика без перегрузок:

Русил = Рвч / Рвч% = 4,3 / 8,3% = 51,8 Вт

5. Определяем мощность НЧ динамика: Рнч = Русил * Рнч% = 51,8 * 90,7 = 46,9 Вт.

В результате расчета получили:

  • мощность усилителя = 50 Вт
  • мощность НЧ динамика = 50 Вт

Пример 2

Расчитаем двухполосную колонку с паспортной мощностью Рас = 100 Вт. Расчет ведем с учетом различий спектров современной музыки. Частота раздела кроссовера 3,5 кГц. Диапазон рабочих частот (полный спектр сигнала) соотвтествует записи на CD: 20 Гц — 22,05 кГц.

1. Определяем долю мощности, приходящуюся на НЧ динамик: Рнч% = 96,5 %

2. Определяем долю мощности, приходящуюся на ВЧ динамик: Рвч% = 26,4 %

3. Определяем электрические мощности динамиков: Рнч = Рас * Рнч% = 96,5 Вт; Рвч = Рас * Рвч% = 26,4 Вт.

4. Выбираем НЧ динамик типа Peerless 850102 50 Вт 8 Ом. При параллельном соединении 2 шт. дадут 100 Вт, 4 Ома.

5. Выбираем ВЧ динамик. SEAS Н 737 имеет мощность Р = 4,3 Вт. Для получения требуемого значения 26,4 Вт необходимо использовать N = Рвч / Р = 26,4 / 4,3 = 6,13 шт. Это неприемлимо (хотя можно попробовать сдвинуть частоту раздела кроссовера в сторону повышения, в нашем случае мощность 8,57 Вт, допустимая для двух динамиков, получается при частоте раздела 8,8 кГц).

6. Пробуем динамик VISATON KE 25 SC/8. Его паспортная мощность 80 Вт при частоте среза фильтра 2000 Гц. Определяем Р = 13,6 Вт. Необходимое количество динамиков N = 26,4 / 13,6 = 1,94. Таким образом, два параллельно включенных динамика дают требуемую мощность при сопротивлении 4 Ома.

7. Отдача НЧ динамика равна 87 дБ, а ВЧ динамика — 89 дБ. Следовательно, при включении через делитель, мощность, приходящаяся на ВЧ динамики будет:

Рвч = 26,4 / 1,58 = 16,7 Вт, на каждый динамик 16,7 / 2 = 8,4 Вт.

То есть ВЧ динамики будут загружены на 8,4 / 13,6 = 62%, что дает нам необходимый запас мощности.

7. Оценка точности программы

Этот вопрос является животрепещущим для всех «самописных» программ.

Один из ответов на него приведен на рисунке 3, на котором черными линиями показаны результаты анализа около полусотни музыкальных произведений различных жанров (из них нанесены на график далеко не все, но остальные также лежат в обозначенных пределах), а цветными — результаты расчета по программе.

Для оценки правильности работы «движка» программы, произведено сравнение расчетов по программе для розового шума с аналогичными сигналами, обработанными программой Adobe Audition. Результаты представлены в таблице.

Порядок фильтра Частота среза ФВЧ Частота среза ФВЧ По программе Реально Погрешность %
1 100 80,9 81,3 0,47
1 1000 46,7 45,7 2,14
1 10000 13,3 12,9 3,19
1 100 19,1 18,2 4,84
1 1000 53,3 54,5 2,14
2 100 80,5 82,2 2,12
2 300 64,0 64,6 0,88
2 1000 45,8 45,7 0,19
2 3000 29,4 28,2 4,22
2 10000 12,3 11,2 9,18
2 5000 76,7 79,4 3,50
2 100 18,0 17,4 3,52
4 100 80,2 82,2 2,49
4 1000 45,4 44,7 1,62
4 100 17,6 17,4 1,27
4 1000 52,0 55,0 5,52
2 50 500 32,2 34,7 7,39
2 100 1000 33,2 38,0 13,5
2 500 5000 33,3 36,3 8,64
2 60 6000 67,1 72,4 7,66
2 80 14000 74,6 79,4 6,28
Средняя погрешность 4,3 %
Читайте также:  Литий ионный аккумулятор удельная мощность

Вычисленное значение погрешности несколько завышено из-за того, что в программе спектр ниже Fmin и выше Fmax не существует, чего невозможно повторить в реальности (кроме того, частота дискретизации для правильной передачи шума должна быть очень большой). Это хорошо видно в последнем фильтре: свойство розового шума таково, что любые полосы частот одинаковой ширины (по отношению Fmax / Fmin) имеют одинаковую мощность, что хорошо выполняется в программе (значения 32,2; 33,2; 33,3 %).

Из всего этого можно сделать вывод, что точность программы вполне достаточна для работы.

Источник



Об мощности усилителей и колонок…

Об мощности усилителей и колонок…

В России используется два параметра мощности — номинальная и синусоидальная. Это нашло свое отражение в названиях акустических систем и обозначениях динамиков. Причем, если раньше в основном использовалась номинальная мощность, то теперь чаще — синусоидальная. Например, колонки 35АС впоследствии получили обозначение S-90 (номинальная мощность 35 Вт, синусоидальная мощность 90 Вт)

Номинальная мощность — мощность при среднем положении регулятора громкости усилителя, при которой остальные параметры устройства соответствуют заявленным в техническом описании.

Синусоидальная мощность — мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение длительного времени с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно в 2 — 3 раза выше номинальной.

Западные стандарты более широки, как правило, используются DIN, RMS и PMPO.

DIN — примерно соответствует синусоидальной мощности — мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение длительного времени с сигналом «розового шума» без физического повреждения.

RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) — Максимальная (предельная) синусоидальная мощность — мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно на 20 — 25 процентов выше DIN.

PMPO (Peek Music Power Output)— Музыкальная мощность (запредельная :-)) — мощность, которую динамик колонки может выдержать в течение 1 -2 секунд на сигнале низкой частоты (около 200 Гц) без физического повреждения. Обычно в 10 — 20 раз выше DIN.

Как правило, серьезные западные производители указывают мощность своих изделий в DIN, а производители дешевых музыкальных центров и компьютерных колонок в PMPO.

Сопротивление колонок

Не стоит забывать и о сопротивлении колонок. В основном на рынке присутствуют колонки сопротивлением 4, 6, 8 Ом, реже встречаются 2 и 16 ом. Мощность усилителя будет различаться при подключении колонок разного сопротивления.

В инструкции усилителя обычно указано, на какое сопротивление колонок он рассчитан, или мощность для различного сопротивления колонок. Если усилитель допускает работу с колонками различного сопротивления, то его мощность растет с понижением сопротивления.

Если Вы будете использовать колонки сопротивлением ниже указанного для усилителя, это может вызвать его перегрев и выход из строя, если выше — то указанная выходная мощность достигнута не будет. Конечно, на громкость акустики влияет не только выходная мощность усилителя, но и чувствительность колонок, но об этом в следующий раз.

Главное — не забывать, что мощность — это только один из параметров, далеко не самый главный для получения хорошего звука!

Конструктивные особенности динамических головок

Теперь давайте попробуем разобраться в конструктивных особенностях динамиков и их назначении. Сразу оговорюсь — речь пойдет о профессиональном использовании эти круглых изделий.

Первое, на что мы обращаем внимание, взяв динамик в руки — его размер. Не маловажный фактор, но о нем позже. Далее, размер магнита. Это тоже очень важный геометрический параметр. От него зависит величина индукции в зазоре и, как следствие, чувствительность динамика. Косвенно от размера магнита зависит диаметр звуковой катушки. А от него, в свою очередь, зависит мощность динамика. Во как. Не потерялись еще?

Далее приведены данные, по которым можно оценить мощность динамика по геометрическим размерам ферритового магнита:

Диаметр магнита, мм Диаметр катушки, мм Мощность, Вт
220 100 400-700
184 76 250-400
156 50-63 150-250
134 50 100-200

Важной конструктивной особенностью является высота намотки звуковой катушки. На низкочастотные динамики устанавливают катушки высотой от 16 мм и выше. Это приводит к увеличению массы подвижной системы, ухудшению воспроизведения средних и высоких частот и снижению чувствительности. Но при этом увеличивается допустимое смещение диффузора, при котором катушка не выходит из зазора, и увеличивается долговременная мощность, которую динамик способен выдержать, за счет увеличения площади теплового излучения.

Читайте также:  Мощность 1 ква чему равно

На широкополосный динамиках, способных работать в 2-х полосных системах, устанавливают катушки высотой от 12 до 16мм. Если производитель не указывает высоту катушки или величину допустимого смещения Х мах, то величину смещения можно оценить по толщине переднего фланца магнитной системы (который прилегает к раме). Величина Х мах приблизительно равна ? толщины фланца.

Материал провода, которым намотана катушка, сильно влияет на воспроизведение динамиком средних частот. Применение алюминиевого провода, вследствие меньшей массы, увеличивает их отдачу. Динамики с медной катушкой лучше работают на низких частотах.

Вернемся к диаметру самого динамика. В профессиональных акустических системах используются преимущественно динамики с номинальным диаметром 6,8,10,12,15,18 дюймов. Редко, но встречаются размеры 5,21,24 дюйма.

Перейдем к описанию характерных свойств головок различных диаметров.

Вследствие своих небольших размеров не способен воспроизводить низкие частоты с требуемой в профессиональной технике величиной звукового давления. В то же время, они имеют широкую диаграмму направленности в большом диапазоне частот. Поэтому 6-ти дюймовые динамики применяют для воспроизведения средних частот вплоть до 5-6 кГц. Размер рамы не позволяет устанавливать на них магнит диаметром более 134мм. Применение катушек диаметром более 2″ (50мм) разумно считается не целесообразным. Мощность лучших моделей достигает 250 Вт при условии применения специальных средств отвода тепла от звуковой катушки. Средние значения мощности 80-150 Вт. Чувствительность 94-98 дБ (1 Вт 1м). Цена хороших моделей соизмерима с ценой неплохих 15-ти дюймовых динамиков.

Сегодня модели такого размера получили второе дыхание в связи повышенным интересом производителей к «линейным массивам». При небольших габаритах, а следовательно широкой диаграмме направленности, эти динамики уже можно заставить воспроизводить нижнюю часть спектра. Ферритовый магнит диаметром более 156мм на них не поставишь. Соответственно, катушка более 2,5″ (63мм) не встречается. Мощность — до 250 Вт. Чувствительность 94-98 дБ.
10″. Эти динамики уже можно использовать в 2-х полосных акустических системах для воспроизведения речевых программ. Если добавить НЧ систему, то можно получить добротную полнодиапазонную систему. Вообще, десятидюймовые динамики отлично работают в среднечастотном диапазоне. Существуют специализированные динамики для работы в рупорных системах с высоким звуковым давлением. Некоторые фирмы реализовывают и низкочастотные модели, но широкого применения они не находят в силу своей низкой чувствительности. На рамы диаметром 10″ устанавливают весь спектр магнитов вплоть до 220мм. Соответственно, диаметры звуковых катушек — от 1,5″ до 4″. Мощности — до 350Вт. Требуют объема в корпусе с фазоинвертором около 30 л.

Оптимальный размер для небольших акустических систем. Хорошо воспроизводят низкие и средние частоты вплоть до 3кГц. В мире производятся как широкополосные модели, так и низкочастотные и среднечастотные. На динамиках такого размера можно реализовать небольшой по габаритам сабвуфер, при условии правильного выбора модели излучателя и правильного расчета корпуса. На сегодняшний день существует огромное количество моделей акустических систем, где 12-ти дюймовые головки установлены в рупоры для воспроизведения среднечастотного спектра. Мощности этих динамиков достигают 500 Вт. Приблизительный объем корпуса с фазоинвертором 50-70л.

Самый популярный у нашего народа динамик. Широкополосные модели хорошо работают в 2-х и 3-х полосных системах. Активно используются в НЧ системах. Их привлекательность, на мой взгляд, объясняется относительно небольшим требуемым объемом ящика при достаточно высоком звуковом давлении во всем спектре воспроизводимых частот. Мощность — до 800 Вт. Объем — 90-120л.

Динамик для воспроизведения низких частот. Использование в 2-х полосных пассивных системах весьма проблематично. Широко используются не только в системах прямого излучения, но и в рупорах и «бэнд-пассах». Диапазон мощностей простирается до 1000 Вт.

Следует упомянуть об относительно новом материале, который стали использовать для производства магнитов. Это — неодим. При меньших массе и размере неодимовые магниты имеют ту же магнитную индукцию, что и их ферритовые собратья. Главный недостаток динамиков с неодимовыми магнитами — их немалая цена. Второй недостаток — при ремонте динамиков, если это потребутся, их невозможно перемагнитить. И третье — магнитные системы с неодимом очень бояться перегрева. При этом они размагничиваются. По этой причине на магнитные цепи устанавливают теплоотводящие радиаторы.

О высокочастотных излучателях уже много всего написано.

Поэтому на этой теме останавливаться я не вижу большого смысла.

Скажу одно: не покупайте дешевую китайскую продукцию на рынках.

Источник