Новый взгляд на опасность использования недостаточно мощных усилителей

Статья Рика Камлета* для pro.harman.com

Нас часто спрашивают, какой мощности усилители мы рекомендуем для конкретной пассивной (то есть такой, что не имеет на борту усилителя мощности) акустической системы. Преимущественно мы советуем выбрать усилитель, способный сгенерировать вдвое больше мощности, чем номинально потребляет выбрана акустическая система. Это означает, что система с номинальным импедансом 8 Ом и номинальной мощностью 300 Вт, например, потребует усилителя, способного производить 600 Вт при 8 Ом нагрузки.

Почему мы рекомендуем выбирать усилители, которые вдвое превышать мощностью номинальное потребление акустической системы? В двух словах можно ответить так - качественные, профессиональные акустические системы могут справиться с временными пиковыми нагрузками, превышать их номинальную мощность, если усилитель способен сгенерировать эти максимальные величины без искажения. Использование усилителей с запасом повышение мощности поможет обеспечить поступление исключительно чистого, неискаженного сигнала к акустической системе.

Для предоставления развернутого ответа на этот вопрос, несколько десятилетий назад компания JBL опубликовала Техническую записку, в которой освещаются недостатки использования слишком слабых усилителей. Она называется «Осторожно: низкая мощность». Этот принцип актуален сегодня так же, как и на момент публикации данного материала. Однако, мы стремимся усовершенствовать и модернизировать содержание этой Технической записки, ведь он обращается к таким типам вспомогательного оборудования, которые уже не имеют широкого потребления в наши дни. А также потому, что этот материал не вспоминает некоторые более распространенные элементы, которые используются в современных акустических системах. Примером может послужить добавленое объяснение недостатков преувеличенного возложения на ограничители для защиты акустических систем и развеивание ложного впечатления о том, что добавление ограничителя позволяет безопасно использовать слабый усилитель. Итак, перед вами усовершенствованная версия Технической записки, которую теперь можно назвать:

Осторожно: низькое напряжение – Усовершенствованная версия для современных акустических систем

Слишком слабый усилитель может производить «слишком большую» мощность

Время от времени мы слышим от владельцев акустических систем, которые повредили высокочастотные компоненты своих устройств, используя усилители, мощность которых оценивается меньше - а не более - чем рекомендовано. Очевидно, они могли удивиться - как случилось, что такой усилитель мог сжечь элементы акустической системы с большей номинальной мощностью. Спецификация акустической системы правдива, если усилитель не перегружен. Это предостережение очень важно - не перегружать усилитель. Слишком сильная нагрузка усилителя с целью получить мощный звук (то вероятный, то реальный) может привести к повреждению некоторых, особенно высокочастотных, компонентов акустической системы.

Для того, чтобы лучше понять этот процесс, необходимо осознать природу воспроизведения музыки акустической системой в ее связи с усилителем мощности и искажением частот сигнала.

Распределение энергии при воспроизведении типичной роковой и электронной музыки. Оркестровая музыка имеет тенденцию повторять этот общий контур, однако с несколько уменьшенным басом.

Природа воспроизведения музыки акустической системой

Далеко не все музыкальные ноты воспроизводятся одинаково. В нижнем регистре музыкальных произведений сосредоточено гораздо больше мощности, чем в среднем и высоком. Если исследовать график, то можно увидеть, что энергоемкость высоких частот (6 кГц и выше) обычно на 10 - 20 дБ меньше частоты басов и среднего регистра. Поэтому, даже если предвидеть пиковое значение в размере 10 дБ для высокочастотного материала - что является общепринятым - высокочастотный драйвер системы будет призван справляться лишь с одной десятой от той мощности, которую должны поддерживать элементы низкой и средней частоты.

Это естественное распределения звукового сигнала означает, например, что акустическая система, рассчитанная на 100 Вт, должна иметь высокочастотный юнит, рассчитанный на 10 Вт (что составляет -10 дБ) в частотном диапазоне, где естественный распределение энергоемкости является на 10 дБ ниже. Таким образом, если высокочастотный юнит рассчитан на мощность 20 Вт в этом диапазоне, это гарантирует 100% безопасность использования. Результат состоит в том, что компоненты акустической системы повторяют естественный распределение энергии звукового сигнала.

Природа мощности усилителя

Спецификация выходной мощности усилителя не является чем-то безусловным. При определенных условиях эксплуатации - как слишком высокое заданное значение в настройке громкости или когда входной сигнал слишком мощный или поступает на короткие периоды времени - усилитель способен превышать мощность своего выходного сигнала. Его мощность измеряется в отношении заданного уровня общего нелинейного искажения (total harmonic distortion - THD). Если необходимо сгенерировать больше мощности, усилитель будет пытаться сделать это, однако со значительно большим уровнем искажений. Несмотря на то, что усилитель пытается производить большую выходную мощность, и то, что люди воспринимают искажения как повышение производительности, для некоторых пользователей представляется естественным иногда делать это - ведь так звучит громче.

Для примера (используя круглые цифры), рассчитаный на 100 Вт усилитель при общем нелинейном искажении не более 0.5% сможет быть перегруженным для генерирования 200 Вт выходной мощности на акустические системы. При аналогичных неблагоприятных условий, рассчитанный на 200 Вт усилитель сможет сгенерировать 400 Вт мощности на акустические системы; усилитель на 300 Вт сможет предоставить 600 Вт, а усилитель на 600 Вт сможет производить мощность в 1200 Вт.

Важно осознавать, что большинство этой избыточной мощности генерируется за счет перегрузки усилителя в высоких частотах - и это мы скоро увидим.

Искажение как правило влияет на высокочастотные драйвера

Дополнительная мощность производимая путем перегрузки усилителя, увеличивает общее нелинейное искажение. В пассивных (неусиленых) широкополосных акустических системах эти искажения направляются через переходный канал к высокочастотному драйверу. По своей природе, такие искажения - это более высокие частоты, составляющие основу сигнала. Следовательно, высокочастотный компонент акустической системы должен нести на себе основную тяжесть искажений - даже если исходный сигнал был на низкой частоте.

Вот на что похож сигнал

Если взглянуть на синусоидальный тестовый сигнал (сигнал, состоящий из фундаментальной частоты без обертонов или искажений), его верхнии и нижнии значения будут демонстрировать правильно закругленные очертания. Средняя выходная мощность составляет половину пиковой выходной мощности.

Типичная синусоидная волна. Средний уровень выходного сигнала синусоидальной волны составляет половину пикового уровня

Однако, когда усилитель перегружен, этот контур начинает выглядеть «обрезанным», производя почти квадратную волну с горизонтальными линиями на верхнем и нижнем значениях.

Средняя мощность приближается к пиковому значению. Когда это происходит, усилитель может вдвое превысить номинальную мощность и большинство этой избыточной мощности достигается благодаря нелинейным искажениям, которые направляются переходным каналом акустической системы к высокочастотному драйверу (драйверам), которые не всегда могут справиться с этим несвойственным уровнем мощности.

Зато, благодаря переходу на использование сильных усилителей, необходимые уровни мощности могут быть достигнуты без перегрузки, позволяя акустическим системам получать чистый программный материал, предусматривает нормальное распределение уровней энергии. Благодаря таким условиям, повреждения высокочастотного драйвера маловероятно. В дополнение, акустическая система в такой конфигурации звучит гораздо лучше.

Високочастотний отзыв в 500 Гц синусоидальной волны демонстрирует емкость только в 500 Гц. Это никак не повредит акустической системе до тех пор, если это не слишком большая мощность для низкочастотного (или средне частотного) драйвера.

Что может сделать пользователь?

Подбирая усилитель к акустической системе, выбирайте тот, который обеспечит генерирования большей мощности, чем вам нужно, а затем - никогда его не перегружайте. Помните, во время так называемых мгновенных акустических вспышек, система может иметь мощность в десять раз, что превышает среднее значение для этого конкретного устройства. Поэтому чрезвычайно важно иметь усилитель, который легко справляется с краткосрочными пиками. Если усилитель обладает достаточным резервом мощности, краткосрочные повышение пройдут без проблем. Если же нет, то сигнал при таких пиковых моментов будет искаженным или тусклым. Когда усилитель исчерпывает резерв своей мощности, он вынужден превышать собственные возможности и генерировать опасные уровни мощности, насыщенные высокочастотными искажениями. В качестве общего практического правила есть, если это возможно, использование усилителя, который вдвое превышает номинальную мощность двухчасового розового шума акустической системы. Это позволит услышать все уровни сигнала, которые она способна воспроизвести.

Почему вдвое больше? Рекомендация выбирать усилитель «мощность которого вдвое превышает номинальную мощность акустической системы» связана с тем, что акустические системы и усилители тестируются, измеряются и оцениваются по-разному. Акустические системы тестируются благодаря сигналу - розовым шумом с пиковыми значениями в 6 дБ (так называемый «крест-фактор» 6 дБ) - где пиковые показатели в четыре раза (+6 дБ и выше) превышают номинальную мощность сигнала. В отличие от этого, усилители тестируются благодаря сигналу - синусоидальный волны - в каком пиковые значения только в два раза (+3 дБ) превышают номинальную мощность сигнала. Поэтому для того, чтобы качественно справляться с пиковыми значениями, которыми акустические системы проверяются на способность их воспроизвести, усилитель должен иметь двойную (+3 дБ) мощность акустической системы. +3 дБ до двойной мощности усилителя добавляет к его номинальной мощности +3 дБ в пиковом режиме, что соответствует +6 дБ (более его номинальную мощность розового шума), которые акустическая система способна воспроизвести. В таком случае усилитель способен беспрепятственно переходить через пиковые моменты, которые акустическая система может воспроизвести. Следовательно, для достижения пикового значения мощности акустической системы нужно искажать сигнал.

Какой показатель мощности следует использовать?

Большинство спецификаций акустических систем демонстрируют несколько показателей мощности. Стандартное измерение акустической системы типично основывается на сигнале розового шума с 6 дБ крест-фактором (пиковое значение к среднему соотношению), а показатели представлены для средней непрерывной мощности розового шума, программной и пиковой мощности; со 100-часовым или 2-часовым рейтингом; оценены по стандартам IEC, EIA или спектра AES. Какой из них выбрать? Для целей настоящей статьи, использовано показатель средней непрерывной мощности розового шума (основанный на среднеквадратичной мощности сигнала). Использованы показатели 2-часового рейтинга (если их указано в спецификации - как вычислить их самостоятельно смотри ниже в статье). Для широкополосной акустической системы лучше использовать стандарты IEC, AES или IEC (в зависимости от предоставленного в спецификации) - для мульти-усиленной (bi-amp или tri-amp) акустической системы.

По рейтингу продолжительности: если в спецификации отображается только показатель мощности на 100-часовую продолжительность, как правило, можно самостоятельно составить приблизительную оценку 2-часовой мощности. Для этого следует добавить 25% мощности до 100-часового показателя. Так, например, акустическую систему мощностью 240 Вт с показателем 100-часовой средней непрерывной мощности розового шума, можно оценить как 300 Вт по показателю 2-часовой средней непрерывной мощности розового шума - поэтому, для такой системы нужен усилитель мощностью 600 Вт.

Исключение №1: Критическое прослушивания

Для случаев критического прослушивания воспроизводимого сигнала, таких как в студийной среде, для поддержания пикового переходного потенциала целесообразно использование усилителя, что в четыре раза превышает мощность акустической системы.

Исключение №2: Если максимальный уровень мощности не нужен

Необходимость учитывать удвоенную мощность усилителя основана на предположении, что пользователю необходимо получить максимально возможную мощность акустической системы. Однако если вы не хотите или не нуждаетесь в максимальном уровне мощности звука, то в таком случае действительно можно использовать слабые усилители. Но опять же, вам следует убедиться в том, что вы не перегрузите усилитель (что в свою очередь приведет к созданию нелинейных искажений). Если вам нужна акустическая система, которая будет выдавать мощность на 3 дБ ниже максимально доступную, то можете выбрать на половину слабее усилитель (что означает скорее превышение показателя среднего непрерывного розового шума). Если вам не нужна система, которая бы звучала громче 6 дБ ниже максимально возможной мощности, вы можете еще раз разделить мощность желаемого усилителя пополам, в ¼ от рекомендованного показателя. И так далее. Каждый раз, уменьшая пополам мощность усилителя, вы уменьшать максимальную мощность звука акустической системы на 3 дБ. Напомним, что вам следует убедиться, что вы не используете слишком слабый для конкретной акустической системы усилитель. Ведь принуждение усилителя генерировать мощность более своего нормального рабочего режима приведет к увеличению нелинейных искажений, которые могут перегрузить высокочастотный драйвер (драйверы) даже тогда, когда сам усилитель довольно слабый. Лучше склоняться к усилителю мощностью большей, чем нужно, вместо того, чтобы выбирать слабее.

Использование защитного ограничителя - Многие усилителей имеют DSP или встроенный ограничитель предельных возможностей. Используйте его, и учитывайте некоторые оговорки.

Сложный в настройке DSP-ограничитель устройства - Если ограничитель расположен внутри DSP-устройства, в сигнальной цепи расположен перед усилителем, довольно сложно оказывается правильно откалибровать ограничитель просто потому, что усилитель создает дополнительную - и очень часто переменную (благодаря регулятору громкости усилителя) - степень усиления, располагаясь между ограничителем и акустической системой. Даже небольшая коррекция уровня громкости на усилителе может сбросить калибровки. В связи с этим, лучше использовать ограничитель, расположенный непосредственно внутри усилителя. Такой ограничитель «знает» выходную мощность усилителя в любой момент. В этом случае, ограничитель обычно устанавливается на 1 дБ ниже полной возможной выходной мощности или на напряжение выходного сигнала (которая может быть настроена на максимум. Показатели напряжения следует смотреть в спецификации акустической системы).

Осознание недостатков защитных ограничителей - К сожалению, даже безупречные настройки ограничителей не дают стопроцентной гарантии выполнения ограничителем своей функции. Ниже приведены несколько примеров:

Если ограничитель установлен на широкополосной (пассивной) акустической системе, и при этом возникает высокочастотный фидбэк (или звучит продолжительная высокочастотная нота в исполнении гитары), общая мощность внутри акустической системы может быть недостаточно высокой для того, чтобы активировать ограничитель. И вся мощность при этом будет идти на высокочастотный драйвер, который не рассчитан на то, чтобы с нею справиться. Или, если сигнал был деформирован раньше, то эти волны деформации сигнала почти полностью состоят из высокочастотных нелинейных искажений, которые, опять же, направляются в высокочастотный драйвер и могут испортить его. Даже когда при этом общая мощность акустической системы может превышать предельный уровень ограничителя. Фактически, это может произойти просто от того, что музыкальный инструмент, как к примеру синтезатор, будет генерировать нелинейные искаженные волны.

Если ограничитель сосредоточен главным образом на ограничении пиковых скачков напряжения, а не на редуцирования RMS / номинальной мощности - то чем больше он задействован, тем меньше становится соотношение пиковой и номинальной мощности. Это означает, что в то время, как пиковые скачки являются ограниченные, номинальная мощность, направленная на акустическую систему, растет. Это может привести к ее перегрузке.

Синусоидна волна с нелинейными искажениями - средняя выходная мощность равна пиковому уровню

Частотный отклик от искаженной синусоидальной волны в 500 Гц показывает, что 500 Гц фундаментальной емкости находится выше, плюс здесь присутствуют дополнительные высокочастотные нелинейные искажения, которые могут с легкостью превышать номинальную мощность высокочастотного драйвера.

Некоторые ограничители имеют довольно небольшой диапазон редуцирования сигнала. Например, некоторые из них будут ограничивать громкость на 10 или максимум 15 дБ. Что касается таких ограничителей, то они довольно легко пропускают скачок нелинейных искажений.

Некоторые ограничители приводят к образованию нелинейных искажений сигнала после того, как было достигнуто уменьшение его мощности. Плохо разработанные ограничители вызывают к созданию нелинейных искажений уже в процессе редуцирования.

Суть ограничителей заключается в том, что они обычно помогают защитить акустическую систему от повреждения мгновенным повышением мощности. Однако на них нельзя полностью положиться, чтобы уберечь акустическую систему от неприятностей. Использование ограничителя не означает, что акустическая система защищена от убытков, которые происходят от перегрузки недостаточно мощного усилителя.

70-вольтной и 100-вольтной распределительные системы - в то время, как трансформатор в распределенной акустической системе ограничивает напряжение, которое поступает к драйверам, любое нелинейное искажение 70-вольтного или 100-вольтного усилителя - или любой другой сильный высокочастотный сигнал - все еще проходит через трансформатор и попадает к драйверам. Это плохо влияет на звук и может повредить драйверы.

Итог

Мы не заявляем, что любое нелинейное искажение сигнала усилителя испортит вашу акустическую систему. Однако для пассивных (неусиленых) акустических систем, в случае тяжелой перегрузки усилителя для получения желаемого уровня звука, генерирование сверхзначимой мощности и при нелинейном искажении сигнала, рекомендуется приобрести мощный усилитель, способный справляться с производством желаемой мощности с незначительными искажениями. В любом случае, в идеале - усилитель следует выбрать с выходной мощностью больше максимальной мощность акустической системы, с которой он будет использоваться. Общая рекомендация - мощность усилителя должна вдвое превышать номинальную мощность акустической системы. Этот запас убережет усилитель от попытки сгенерировать больше мощности, чем конструктивно предусмотрено для него. Конечным результатом будет свободное от нелинейных искажений воспроизведения звука и продолжена продолжительность жизни акустической системы.

*Год Камлет занимается различными аспектами профессионального звука более 40 лет. Он руководит разработкой коммерческих акустических систем для JBL Professional уже более 25 лет. Год любит делиться своими знаниями, участвуя в различных форумах, посвященных сфере профессионального звука, а также - написал тематические образовательные материалы.