Zakulisje ravnanja z močjo zvočnikov

V preteklih letih smo napisali več člankov o ocenah moči zvočnikov, vendar se zdi, da je ta tema zelo malo ljudi popolnoma razumeti. Ta članek bo služil kot referenčni vodnik o tem, kako vrhunski in ugledni proizvajalci ocenjujejo zmožnosti upravljanja moči svojih zvočnikov. Začeli bomo z ogledom fizike zasnove zvočnikov glede tega, kako se spopadajo s toploto, ki jo ustvari moč vašega ojačevalnika, nato pa razložili, kako se rožnati šum uporablja za ustvarjanje ocen moči.

Učinkovitost in moč zvočnika

Na žalost so zvočniki znani kot neučinkoviti. Visoko učinkovit 8-palčni srednjetonski gonilnik, ki se uporablja v zvočniku za javne razglase, lahko pretvori le približno 1,3 odstotka moči iz ojačevalnika v akustično energijo. Preostanek se pretvori v toploto v zvočni tuljavi in ​​nato v delih okoli tuljave, kot so magnet, T-jarem in stožec.

Zvočniki, zasnovani za avtomobilske avdio aplikacije, so pogosto bistveno manj učinkoviti, ker morajo delovati v širšem frekvenčnem območju. Za gonilnik srednjega tona z oceno občutljivosti 90 dB 1W/1M je učinkovitost pičlih 0,63 odstotka.

Pomislite, koliko toplote proizvede 100-vatna žarnica z žarilno nitko. Spodaj je toplotna slika 100-vatne žarnice, ki je bila prižgana le 60 sekund. Stekleno podnožje žarnice je že doseglo temperaturo več kot 90 stopinj Celzija ali 195 stopinj F. Očitno je prevroče, da bi se ga lahko dotaknili in bo samo še bolj vroče. Hitra raziskava je pokazala, da imajo žarnice z žarilno nitko izkoristek približno 2,2. Zaradi pomanjkanja učinkovitosti so odlična analogija v smislu primerjave proizvodnje toplote z zvočnikom. Kmalu se bomo lotili logistike in realnosti dovajanja tolikšne moči v vse razen v nizkotonec.

Kako zvočniki prenašajo vročino

Toplota v zvočniku nastaja v navitju zvočne tuljave. Ne glede na to, ali gre za baker, aluminij ali kombinacijo obeh, je vsa ta toplota osredotočena na razmeroma majhen zvitek žice. Edina komponenta, ki pride v neposreden stik z zvočno tuljavo, je, kar ni presenetljivo, oblikovalnik zvočne tuljave. V avtomobilskih avdio zvočnikih so oblikovalci glasovnih tuljav izdelani iz materialov, kot so kraft papir, sintetični izolacijski papirji, kot je 3M TufQUIN, aramidna vlakna, kot sta Nomex in Bondex, ter aluminij. Vsak od teh materialov ima različne izolacijske lastnosti in lastnosti toplotne prevodnosti.

Naslednja komponenta zvočnika, ki mora prenašati toploto iz zvočne tuljave, je zgornja plošča. V večini primerov je zgornja plošča kos jekla, ki je pritrjen na magnet (ali magnete), da usmeri magnetno polje na zvočno tuljavo. Čeprav zgornja plošča ne pride v stik z zvočno tuljavo, sta obe komponenti zelo blizu druga drugi. Večino hlajenja glasovne tuljave zvočnika je mogoče pripisati toploti, ki se prenaša proč v zgornjo ploščo in posledično v strukturo motorja. Številni proizvajalci zvočnikov se zelo potrudijo, da zagotovijo znaten pretok zraka okoli zgornje plošče za dodatno izboljšanje hlajenja, zlasti pri nizkotonskih zvočnikih.

T-jarem, del strukture motorja, ki zaključuje zanko magnetnega polja, je prav tako pomemben pri odvajanju toplote stran od glasovne tuljave in tuljave. T-jarem je v večini modelov znotraj oblikovalnika zvočne tuljave.

Premer zvočne tuljave nizkotonskega zvočnika in upravljanje moči

Zmožnost katere koli naprave za prenašanje toplote je odvisna od njene velikosti. 1/8-vatni upor je veliko manjši od 1-vatnega upora. Na splošno velikost komponente določa količino površine in sposobnost prenosa toplote v zrak. Pri zvočnikih sta premer in dolžina navitja zvočne tuljave v globokotoncu dober pokazatelj, koliko toplote in posledično moči zvočnik prenese.

Kot primer, če pregledamo ponudbo priljubljenih proizvajalcev globokotonskih zvočnikov, vidimo, da so njihovi nizkotonski zvočniki z glasovno tuljavo premera 2 palca ocenjeni na 250 vatov; če stopite na tuljavo s premerom 2,5 palca, se nazivna moč poveča na 500 vatov. Njihovi nizkotonci s 3-palčnimi tuljavami so ocenjeni na 600 vatov, njihovi nizkotonci na tekmovalnem nivoju pa imajo ogromne tuljave s premerom 4 in 5 palcev z močjo 2500 oziroma 3000 vatov.

Upoštevajte, da fizična velikost (višina) vsake od teh zvočnih tuljav ni bila navedena, zato lahko domnevamo, da skok na več kot 2.500 vatov ravnanja z močjo prihaja z znatnim povečanjem višine navitja tuljave in povezane površine.

Velikosti glasovnih tuljav visokofrekvenčnih zvočnikov

Če govorimo o upravljanju z močjo v čemer koli, razen v globokotoncu, bo potrebno nekaj zdrave pameti. Dobro premislite o ocenah moči srednjetonskega zvočnika. Ogledali si bomo drugo priljubljeno blagovno znamko in videli, kako so premeri njihovih glasovnih tuljav povezani s specifikacijami glede moči več njihovih 6,5-palčnih srednjetonskih zvočnikov. Ta znamka ima gonilnik z 1-palčno tuljavo z močjo 70 vatov, 1,25-palčno tuljavo pa ima moč 80 vatov v eni seriji in 100 vatov v rešitvi višjega cenovnega razreda. Različne nazivne moči na 1,25-palčnih tuljavah kažejo, kako celotna višina navitja vpliva na toplotno zmogljivost.

Pogovorimo se zdaj o visokotoncih. Visokotonci v avtomobilskih avdio aplikacijah so izjemno majhni in, odkrito povedano, precej krhki. Navitja zvočne tuljave v visokotonskih zvočnikih so narejena iz zelo fine žice, pogosto manjše od kalibra 24. Tudi s premerom 1 palca na visokotonskem zvočniku z mehko kupolo ne prenesejo veliko moči. Torej, kako proizvajalci pridejo do ocen 100 vatov ali več za svoje visokotonce, če vemo, da srednjetonski gonilnik z vsaj petkrat višjim navitjem zvočne tuljave prenese samo 100 vatov? Odgovor je v tem, kako proizvajalci testirajo svoje zvočnike.

Kaj je Pink Noise?

Preden se lotimo razlage, kako je ocenjena moč zvočnika, si moramo natančno ogledati nekaj, kar se imenuje roza šum. Rožnati šum je zvočni signal, sestavljen iz naključnih frekvenc od malo nad 0Hz do zgornje meje zvočnega ali računalniškega formata zvočne datoteke. Za običajno datoteko .wav kakovosti CD bi to znašalo 22,05 kHz.

Pri rožnatem šumu vsaka oktava vsebuje enako količino hrupne energije. To pomeni, da oktava od 100 Hz do 200 Hz vsebuje enako količino energije šuma kot oktava od 1 kHz do 2 kHz. Moč v vsaki oktavi je tudi obratno sorazmerna s frekvenco signala. Čeprav je to grob približek delovanja matematike, je med 100 Hz in 200 Hz 100 Hz, medtem ko je med 1 kHz in 2 kHz 1000 hercev. V signalu roza šuma je pas 1 do 2 kHz razpršen na 10-krat več prostora.

Spodaj je videti spektralna analiza zvočnega signala roza šuma:

Vidite lahko, da nad 20 Hz raven signala pada s hitrostjo -10 dB na desetletje, ko frekvenca narašča. To pomeni, da je pri 1 kHz 10 dB manj energije signala kot pri 100 Hz. Ko to zmanjšanje moči signala povežemo z močjo naših ojačevalnikov, je razmerje prav tako faktor 10.

Če predvajamo rožnati hrup prek avdio sistema in so kontrolniki občutljivosti ojačevalnika nastavljeni tako, da proizvajajo 100 vatov moči pri 20 Hz, pri 200 Hz, bo ojačevalnik proizvajal 10 vatov. Pri 2 kHz bo ojačevalnik proizvajal 1 vat, pri 20 kHz pa našim zvočnikom zagotavlja 0,1 vata moči.

Gostota moči v glasbi

Druga tema, o kateri bi morali razpravljati, preden se lotimo ocen moči zvočnikov, je, kako se zvočna energija porazdeli v glasbi, ki jo poslušamo. Ogledali smo si šest zvočnih posnetkov in analizirali njihovo spektralno vsebino v programu Adobe Audition na enak način kot zgornjo valovno obliko roza šuma. Rezultati so prikazani spodaj:

Kot lahko vidite iz tega zmerno raznolikega izbora glasbenih posnetkov, je zvočna energija porazdeljena podobno kot pri našem posnetku z rožnatim šumom. Zaradi tega mnogi proizvajalci uporabljajo signale rožnatega šuma, da preizkusijo zmogljivost svojih zvočnikov za ravnanje z energijo.

Kako se testira moč zvočnikov

Različna podjetja uporabljajo različne postopke za preizkušanje zmogljivosti ravnanja z močjo svojih zvočnikov, odvisno od znamke. Opozoriti je treba, da imajo nekatera podjetja podrobne specifikacije za svoje preskusne postopke, medtem ko se druga zanašajo le na podatke, ki jih zagotovijo njihovi dobavitelji, tretja pa ugibajo na podlagi velikosti glasovne tuljave, uporabljene pri načrtovanju. To je ena od ključnih razlik med podjetji, ki vložijo veliko truda v oblikovanje in razvoj svojih izdelkov, in tistimi, ki izbirajo rešitve iz kataloga in imajo svoje ime vtisnjeno na košari in protiprašnem pokrovu.

Pravilno zasnovan postopek testiranja zvočnikov vključuje več korakov. Za prvi primer bomo uporabili nizkotonec. Tehnik, ki izvaja preskus, bi nastavil izhod ojačevalnika z zvočnim posnetkom sinusnega vala, da bi predstavljal raven napetosti, ki je enaka ravni moči, ki jo želijo preizkusiti. Za 4-ohmski nizkotonec, ki bo preizkušen pri ravni moči 200 vatov, mora biti napetost sinusnega valovanja 28,28 volta rms ali 40 voltov od vrha do vrha. Ko je ta amplituda nastavljena, se za preizkus gonilnika predvaja roza šum, ki je enak enaki amplitudi pri 20 Hz.

Ko so nivoji nastavljeni in je zvočnik nameščen v preskusno napravo, se ta skladba z roza šumom predvaja neprekinjeno, dokler zvočnik ne odpove ali ne preteče dovolj časa. Številna podjetja uporabljajo osem do deset ur kot minimalni čas testiranja, nekatera pa to podaljšajo na 100 ur. Ko se temperatura v zvočniku stabilizira, lahko podaljšani časovni preizkus pomaga potrditi primernost in zanesljivost izbranih lepil in materialov, uporabljenih za izdelavo zvočnika. V bistvu postane tako fizični test kot tudi preizkus moči.

Čeprav se razlikuje od znamke do znamke, se parametri zvočnika Thiele/Small v primerjavi s tistimi pred začetkom preizkusa ne smejo spremeniti za več kot vnaprej določeno vrednost, da bi zvočnik uspešno opravil preizkus. Pomembna sprememba elektromehanskih lastnosti kaže, da se je med preskusom morda nekaj poškodovalo in da je bilo proizvedeno preveč toplote.

Kako se testirajo srednjetonski in visokofrekvenčni zvočniki

Ker srednjetonski zvočniki in visokotonski zvočniki ne prenesejo visokih stopenj nihanja, se testirajo na enak način kot nizkotonski zvočnik, vendar gre preskusni signal skozi visokofrekvenčni filter. Tukaj je primer:

Recimo, da želimo preizkusiti 4-ohmski visokotonec in želimo uporabiti zgornji standard, da ga preizkusimo za 100 vatov moči. To je enako ravni sinusnega vala 20 voltov rms ali 28,28 voltov od vrha do vrha. Preizkus se začne z ojačevalnikom, umerjenim za proizvodnjo 20 Vrms z uporabo sinusnega vala, medtem ko ni povezan z zvočnikom. Ko je raven nastavljena, se rožnati šum predvaja skozi visokofrekvenčni filter, ki ga določi proizvajalec. Za namene tega primera recimo, da je filter nastavljen na 2 kHz.

Tako bo izgledala spektralna analiza testnega signala.

Povprečna najvišja raven testnega signala je zdaj približno 20 dB nižja, kot je bila pri 20 Hz s signalom polne pasovne širine. Kar zadeva moč zvočnega signala, imamo 1/100 toliko moči. Ali 1 vat.

Ali pravimo, da je visokotonec z močjo 100 vatov roza šuma, testiran nad 2 kHz, preizkušen samo z močjo 1 vat? Vsekakor! Točno tako deluje. Razmislite o fiziki glasbe. Želimo, da je zvok, ki ga proizvajajo visokotonski zvočniki, uravnotežen z zvokom srednjetonskih zvočnikov in nizkotonskih zvočnikov ali globokotonskih zvočnikov.

V resničnem svetu lahko ta visokotonec verjetno prenese veliko več kot le 1 vat moči. Morda zdrži 10 vatov. Ali to pomeni, da bi bilo dobro oceniti, da gonilnik zmore 1000 vatov roza šuma? Verjetno ne. Veste, da bo nekdo, ki ne razume, kako deluje rožnati šum, uporabil sinusno sled za nastavitev ojačanja na svojem visokotonskem ojačevalniku in poskusil v visokotonec napajati 63 voltov (1000 vatov). Seveda bodo ti isti ljudje tudi poklicali proizvajalca zvočnikov in se pritožili, da je visokotonec "pokvarjen" in da so samo nastavljali nadzor ojačitve.

Kakšen je smisel specifikacij za upravljanje moči?

Ocene moči zvočnikov, ki uporabljajo rožnati šum, temeljijo na merilih, določenih za domače zvočnike polnega razpona. Preizkusi posnemajo, kaj bi zvočniki doživeli ob poslušanju z visoko glasnostjo, in so namenjeni prikazu, katera nazivna moč ojačevalnika bi bila primerna, da kar najbolje izkoristite zvočnike, ne da bi jih poškodovali. Ta specifikacija ne upošteva, kaj se zgodi, ko ojačevalnik preide v striženje – tega se bomo dotaknili drugič.

Zaenkrat je zaključek vsega tega ta, da bi se morala nastavitev avdio sistema začeti z nastavitvijo kontrol občutljivosti na vašem ojačevalniku nizkotonca, nato pa dvigniti nivoje srednjetonskega in visokotonskega kanala, da ustvarite uravnotežen sistem. Verjetno se ne boste približali največji moči srednje- in visokotonskih ojačevalnikov. Oh, za pogon visokotoncev ne potrebujete 150-vatnega ojačevalnika.