Zvuk/výkon — KONANlabs

Mnoho lidí se někdy muselo divit, co přesně znamená výkon, který je v té či oné podobě uveden v pasech akustických systémů a zařízení pro ozvučování. Na internetu a v tištěných publikacích je na toto téma překvapivě málo materiálů a také málo jasných odpovědí na otázky. Pokusím se nějak snížit počet bílých míst v této oblasti. Některé přesnější popisy definic vyvstaly v mém dialogu, když jsem se snažil lépe vysvětlit jejich význam mému partnerovi.

Rozmanitost standardů používaných k měření výstupního výkonu zesilovače a výkonu reproduktorů může být pro každého matoucí. Zde je blokový zesilovač od renomované společnosti s 35 W na kanál a zde je levné hudební centrum s nálepkou 1000 W. Takové srovnání jednoznačně způsobí zmatek mezi potenciálním kupcem. Je čas přejít na standardy.

Zahraniční a mezinárodní standardy a definice

SPL (Sound Pressure Level) je úroveň akustického tlaku vyvinutého reproduktorem. SPL je produktem relativní citlivosti reproduktorového systému (zvukového systému) a dodávaného elektrického výkonu.

Je třeba si uvědomit, že sluch je nelineární nástroj a pro odhad subjektivní hlasitosti je třeba provést korekce váhových křivek, které se v praxi liší nejen pro různé úrovně signálu, ale také pro každého jednotlivce.

A-vážení (váhová křivka) – toto je váhová křivka.

Vztah popisující hladiny akustického tlaku na různých frekvencích, které ucho vnímá jako stejně hlasité. Amplitudofrekvenční odezva váhového filtru používaného při měření hladiny akustického tlaku a zohledňující frekvenční vlastnosti lidského sluchu.

RMS Root Mean Squared je střední kvadratická hodnota elektrického výkonu omezeného specifikovaným harmonickým zkreslením.

Nebo jiným způsobem – maximální (limitní) sinusový výkon – výkon, při kterém může zesilovač nebo reproduktor pracovat po dobu jedné hodiny se skutečným hudebním signálem bez fyzického poškození. Obvykle o 20 až 25 procent vyšší než DIN.

Výkon se měří sinusovou vlnou při 1 kHz při dosažení 10 % THD. Vypočítá se jako součin efektivních hodnot napětí a proudu s ekvivalentním množstvím tepla vytvořeného stejnosměrným proudem.

Pro sinusový signál je střední kvadratická hodnota V2 krát menší než hodnota amplitudy (x 0,707). Obecně se jedná o virtuální veličinu, termín „rms“, přísně vzato, lze použít pro napětí nebo proud, nikoli však pro výkon. Známým analogem je efektivní hodnota (každý ji zná pro síť střídavého napájení – to jsou stejné 220 V pro Rusko).

Pokusím se vysvětlit, proč tento koncept není příliš informativní pro popis zvukových charakteristik. RMS výkon je práce, která produkuje. Čili v elektrotechnice to má smysl. A nemusí to nutně odkazovat na sinusoidu. V případě hudebních signálů slyšíme hlasité zvuky lépe než slabé. A sluchové orgány jsou ovlivněny spíše hodnotami amplitudy než střední kvadraturou.

To znamená, že hlasitost není ekvivalentní výkonu. Proto střední střední hodnota dávají smysl v elektroměru, ale hodnoty amplitudy mají smysl v hudbě. Ještě populističtějším příkladem je frekvenční odezva. Poklesy frekvenční odezvy jsou méně patrné než vrcholy. To znamená, že hlasité zvuky jsou informativní než tiché a průměrná hodnota řekne málo.

Standard RMS byl tedy jedním z pokusů popsat elektrické parametry audio zařízení jako spotřebiče elektrické energie.

V zesilovačích a akustice má tento parametr také ve skutečnosti velmi omezené použití – zesilovač, který produkuje 10% zkreslení nikoli při maximálním výkonu (při ořezávání – omezení amplitudy zesíleného signálu se specifickým dynamickým zkreslením), stále vypadá .

Před dosažením maximálního výkonu nepřesahuje zkreslení např. tranzistorových zesilovačů často setiny procenta a již nad ním se prudce zvyšuje (abnormální režim). Mnoho akustických systémů již může selhat, pokud je provozováno dlouhou dobu na této úrovni zkreslení.

U velmi levné výbavy se uvádí jiná hodnota – PMPO, nikým zcela nesmyslný a nenormalizovaný parametr, což znamená, že nám to naši čínští přátelé měří, jak Bůh chce. Přesněji u papoušků, každý po svém. Hodnoty PMPO často překračují nominální hodnoty až o faktor 20.

PMPO (Peak Music Power Output) je špičkový krátkodobý hudební výkon, hodnota, která znamená maximální dosažitelnou špičkovou hodnotu signálu, bez ohledu na zkreslení obecně, za minimální dobu (obvykle 10 mS, ale obecně, není standardizován), výkon, který reproduktor reproduktoru vydrží po dobu 1–2 sekund na nízkofrekvenčním signálu (asi 200 Hz) bez fyzického poškození.

Obvykle 10–20krát vyšší než DIN.

Jak vyplývá z popisu, parametr je v praktickém použití ještě více virtuální a nesmyslný. Radím vám, abyste tyto hodnoty nebrali vážně a nespoléhali na ně. Pokud náhodou kupujete zařízení s výkonovými parametry uváděnými pouze jako PMPO, pak jedinou radou je poslouchat sami sebe a určit, zda vám vyhovuje nebo ne.

100 W (PMPO) = 2 x 3 W (DIN)

DIN je zkratka pro Deutsches Institut für Normung.

Německá nevládní organizace věnující se standardizaci pro lepší integraci trhu zboží a služeb v Německu a na mezinárodním trhu. Produkty této organizace jsou různé normy pokrývající širokou škálu aplikací, včetně těch, které se týkají oblasti reprodukce zvuku, což je to, co nás zde zajímá.

DIN 45500, která popisuje požadavky na zvuková zařízení s vysokou věrností (aka Hi-Fi – High Fidelity), zahrnuje:

• DIN 45500-1 High fidelity audio zařízení a systémy; minimální požadavky na výkon.
• DIN 45500-10 Vysoce věrná zvuková zařízení a systémy; minimální požadavky na výkon sluchátek.
• DIN 45500-2 Hi-Fi technika; požadavky na tunerové vybavení.
• DIN 45500-3 Hi-Fi technika; požadavky na zařízení pro reprodukci diskových záznamů.
• DIN 45500-4 Vysoce věrná zvuková zařízení a systémy; minimální požadavky na výkon zařízení pro magnetický záznam a reprodukci.
• DIN 45500-5 Vysoce věrná zvuková zařízení a systémy; minimální požadavky na výkon mikrofonů.
• DIN 45500-6 High fidelity audio zařízení a systémy; minimální požadavky na výkon zesilovačů.
• DIN 45500-7 Hi-Fi technika; požadavky na reproduktory.
• DIN 45500-8 Hi-Fi technika; požadavky na sestavy a systémy.

NAPÁJENÍ DIN – hodnota výstupního výkonu při skutečné zátěži (pro zesilovač) nebo přiváděná (do reproduktorů), omezená zadanými nelineárními zkresleními. Měří se přivedením signálu o frekvenci 1 kHz na vstup zařízení po dobu 10 minut. Výkon se měří, když dosáhne 1 % THD (nelineární zkreslení).

Existují i ​​jiné typy měření, například DIN MUSIC POWER, který popisuje sílu hudebního (šumového) signálu. Hodnota uváděná jako hudba DIN je obvykle vyšší než hodnota uváděná jako DIN. Přibližně ekvivalentní výkonu sinusové vlny – výkonu, při kterém lze zesilovač nebo reproduktor provozovat po delší dobu se signálem růžového šumu bez fyzického poškození.

Domácí normy

V Rusku se používají dva parametry výkonu – nominální a sinusový. To se odráží v názvech reproduktorových soustav a označení reproduktorů. Navíc, pokud se dříve používal hlavně jmenovitý výkon, nyní je častěji sinusový. Například reproduktory 35AC byly následně označeny S-90 (nominální výkon 35 W, sinusový výkon 90 W)

Jmenovitý výkon (GOST 23262-88) je umělá hodnota, ponechává svobodu volby na výrobci. Konstruktér může určit hodnotu jmenovitého výkonu, která odpovídá nejvýhodnější hodnotě nelineárního zkreslení.

Typicky byl indikovaný výkon upraven podle požadavků GOST pro třídu složitosti s nejlepší kombinací naměřených charakteristik. Určeno pro reproduktory i zesilovače. Někdy to vedlo k paradoxům – u stupňovitého zkreslení vyskytujícího se u zesilovačů třídy AB při nízkých úrovních hlasitosti se úroveň zkreslení mohla snížit, když byl výstupní výkon signálu zvýšen na nominální.

Tímto způsobem bylo dosaženo rekordních jmenovitých charakteristik v datových listech zesilovače s extrémně nízkou úrovní zkreslení při vysokém jmenovitém výkonu zesilovače. Zatímco nejvyšší statistická hustota hudebního signálu leží v amplitudovém rozsahu 5-15% maximálního výkonu zesilovače.

Pravděpodobně proto byly ruské zesilovače sluchově znatelně horší než západní zesilovače, jejichž optimální zkreslení mohlo být na středních úrovních hlasitosti, zatímco v SSSR se závodilo o minimum harmonického a někdy intermodulačního zkreslení za každou cenu při jedné nominální hodnotě (téměř maximální) úroveň výkonu.

Jmenovitý výkon hluku – jedná se o elektrický výkon omezený výhradně tepelným a mechanickým poškozením (např.: prokluzování závitů kmitací cívky v důsledku přehřátí, spálení vodičů v místech ohybu nebo pájení, přetržení ohebných vodičů atd.) při růžovém šumu dodávané přes korekční obvod po dobu 100 hodin.

Sinusový výkon – výkon, při kterém může zesilovač nebo reproduktor pracovat po dlouhou dobu se skutečným hudebním signálem bez fyzického poškození.

Obvykle 2-3krát vyšší než nominální.

Maximální krátkodobý výkon – to je elektrický výkon, který reproduktory vydrží bez poškození (kontrolováno nepřítomností chrastění) po krátkou dobu.

Jako testovací signál se používá růžový šum. Signál je odeslán do reproduktoru po dobu 2 sekund. Testy se provádějí 60krát v intervalech 1 minuty. Tento typ výkonu umožňuje posoudit krátkodobá přetížení, která reproduktor vydrží v situacích, které nastanou během provozu.

Maximální dlouhodobý výkon – to je elektrický výkon, který reproduktory vydrží bez poškození po dobu 1 minuty.

Testy se opakují 10x s intervalem 2 minut. Testovací signál je stejný.

Maximální dlouhodobý výkon je dán porušením tepelné pevnosti reproduktorů (prokluzování závitů kmitací cívky atd.).

růžový šum (používá se v těchto testech) je skupina signálů s náhodnou povahou a rovnoměrnou hustotou rozložení spektrálního kmitočtu, klesající s rostoucí frekvencí s poklesem o 3 dB na oktávu v celém rozsahu měření, se závislostí průměrné úrovně na kmitočtu. ve tvaru 1/f.

Růžový šum má konstantní (v průběhu času) energii v jakékoli části frekvenčního pásma.

Bílý šum je skupina signálů s náhodnou povahou a rovnoměrnou a konstantní hustotou spektrálního frekvenčního rozložení.

Bílý šum má stejnou energii v jakémkoli frekvenčním rozsahu.

Oktáva je hudební frekvenční pásmo, jehož extrémní poměr frekvencí je 2.

Elektrická energie – toto je výkon rozptýlený ohmickým ekvivalentním odporem, který se rovná jmenovitému elektrickému odporu střídavého proudu při napětí rovném napětí na svorkách střídavého proudu.

Tedy při odporu, který emuluje skutečnou zátěž za stejných podmínek.

Nezapomeňte na impedanci reproduktorů. Většinou jsou na trhu reproduktory s odporem 4, 6, 8 ohmů, méně obvyklé jsou 2 a 16 ohmy. Výkon zesilovače se bude lišit při připojení reproduktorů různých impedancí.

V návodu zesilovače je většinou uvedeno, pro jakou impedanci reproduktoru je určen, případně výkon pro různé impedance reproduktorů. Pokud zesilovač umožňuje provoz s reproduktory různých impedancí, pak jeho výkon roste se snižující se impedancí.

Pokud použijete reproduktory s impedancí nižší, než je specifikovaná pro zesilovač, může to způsobit přehřátí a selhání, pokud je vyšší, nebude dosaženo specifikovaného výstupního výkonu. Na hlasitost akustiky má samozřejmě vliv nejen výstupní výkon zesilovače, ale také citlivost reproduktorů, ale o tom příště.

Hlavní věcí je nezapomenout, že výkon je pouze jedním z parametrů, a nikoli tím nejdůležitějším pro získání dobrého zvuku.

V průmyslu ozvučování panují určité nejasnosti ohledně definice výkonu reproduktorů. Tento zmatek je způsoben tím, že výkon je považován za jeden z hlavních parametrů reproduktorů, a proto je terčem různých marketingových manipulací. (Hlavním parametrem reproduktoru je ve skutečnosti akustický tlak, který vyvíjí; výkon by měl zajímat pouze vzduchotechniky pro výpočet klimatizačního systému.)

Naprostá většina seriózních výrobců měří jmenovitý výkon svých reproduktorů podle standardu AES, podle kterého musí reproduktor při testování dlouhodobě vydávat růžový šum při tomto výkonu a zhruba řečeno neshořet. Růžový šum je signálem proměnlivé hlasitosti, míra této „proměnlivosti“ (tj. jak moc se může nejhlasitější moment lišit od středního mocniny) se nazývá „koeficient výkyvu“. Pro testování AES je faktor výkyvu růžového šumu 6 dB, což znamená, že špičkový výkon dodávaný do systému reproduktorů může být o 6 dB vyšší než jmenovitý.

Jmenovitý výkon zesilovače je efektivní výkon na sinusovém signálu, při kterém harmonické zkreslení (THD) zavedené zesilovačem nepřekročí určitou úroveň, obvykle 0,5 %. Jednoduše řečeno, jde o maximální výkon, který může zesilovač vyvinout, aniž by do signálu vnesl výrazné zkreslení. Činitel výkyvu sinusového signálu je 3 dB, to znamená, že zesilovač ve své špičce musí produkovat výkon, který je o 3 dB vyšší než nominální (rms). Protože faktor výkyvu při testování reproduktorů je 6 dB, ukázalo se, že pro plné napájení reproduktorů musí být výkon zesilovače o 3 dB vyšší než jmenovitý (AES) výkon reproduktoru.

3 dB odpovídá rozdílu příkonu 2x, takže použitý zesilovač musí vyvinout výkon, který je minimálně dvojnásobkem jmenovitého (AES) výkonu reproduktoru, tento výkon se nazývá programový výkon (PGM). To je jediný výkon, který inženýra zajímá, protože ospravedlňuje volbu zesilovače pro reproduktorové soustavy. Často jej lze nalézt pod označením RMS, což samo o sobě je předmětem zmatku: znamená jak Rated Maximum Sinusoidal, což je přibližně stejné jako AES (ale ne software), tak Root Mean Square a odmocnina je dlouhá. -termínový výkon se střídavým signálem (který, jak si pamatujeme, se mezi reproduktorem a zesilovačem liší dvakrát). Pokud je v popisu reproduktoru uveden výkon RMS, jedná se s největší pravděpodobností o software, ale pro každý případ je lepší ověřit si u výrobce, jaký koncový zesilovač pro tento reproduktor doporučuje.

Mnoho výrobců uvádí špičkový výkon reproduktorů ve svých specifikacích. Odpovídá testovací špičce AES (+6 dB k jmenovitému výkonu reproduktoru) a špičkovému výkonu zesilovače (+3 dB jmenovitému výkonu zesilovače). Za „dobrou formu“ se považuje označení všech 3 výkonů: AES (dlouhodobý), PGM (minimální výkon zesilovače) a špičkový, to nenechává žádné otázky. Špičkový výkon nemá žádný technický význam, ale aby se předešlo srovnávání mezi špičkovým a skutečným softwarem a výkony AES, všichni začali uvádět také špičkový výkon. Musíte pochopit, že v dlouhodobém výkonovém paradigmatu testovaném podle standardu AES se nominální, programový a špičkový od sebe VŽDY liší faktorem 2, je to způsobeno předpisy AES a fyzikálními zákony. Další vztahy mezi těmito výkony (pokud je AES specifikováno jako základ) vyvolávají minimálně otázky pro výrobce reproduktorů.

V našem katalogu akustických systémů uvádíme pouze programový výkon, protože je to jediný parametr požadovaný technikem pro výběr zařízení. V nejstarších popisech může být pár program/vrchol, tyto popisy co nejvíce opravíme. Výkon AES není v katalogu uveden, protože je vždy 2krát menší než výkon softwaru.

Když už mluvíme o výkonu, inženýr obvykle potřebuje vypočítat spotřebu energie celého systému, aby navrhl systém zvukového zesílení. U osvětlovacích zařízení je to velmi jednoduché – sečte se výkon všech osvětlovacích zařízení, protože teoreticky lze všechna zapnout současně. Ozvučovací systém NIKDY nepracuje trvale na svůj plný výkon (nezapomeňte, že i zkušební růžový šum má faktor výkyvu 6 dB, to znamená, že průměrný výkon je 2x menší než nominální). Ve skutečnosti je spotřeba hudebního signálu obvykle považována za 1/8 programového výkonu reproduktorů (konkrétně reproduktorů, protože se předpokládá, že reproduktorům dodáváte přesně takový výkon, jaký vydrží, a nepřetáčíte se reproduktory každý víkend). Pro výpočet maximální spotřeby je doporučeno odebírat 1/3 výkonu programu (takto komprimovaný zvuk bude nepříjemný na poslech, ale teoreticky je taková situace možná). Pro napájení reproduktorové soustavy s programovým výkonem např. 600 W tedy bude potřeba 200 W průměrného výkonu. Pro výpočet spotřeby ze sítě bereme v úvahu účinnost zesilovače pro třídu D je to obvykle 90 % a více. Pokud výrobce účinnost neuvádí, akceptujeme ji s rezervou 80 %, tedy pro provoz 600wattového reproduktoru nebude potřeba více než 250 W odběru ze sítě. Zaměřit se samozřejmě můžete na jmenovitý výkon zesilovačů (ve správně navržené soustavě by měl být roven nebo vyšší než programový výkon reprosoustav, dodatečná výkonová rezerva nikdy nikomu neublížila);

Jak již bylo napsáno na začátku, hlavní charakteristikou akustického systému je akustický tlak, který je samozřejmě úměrný výkonu. Aby nedošlo k nedorozumění, někteří výrobci uvádějí tlak u všech tří výkonů: AES, program a vrchol, tyto tlaky se navzájem liší o 3 dB; Tuto informaci považujeme za nadbytečnou a udáváme pouze tlak při špičkovém výkonu (aka “max SPL”), to dělá většina výrobců, tak to děláme i my, aby srovnání s ostatními bylo správné. Pro výpočet dlouhodobého (skutečného) tlaku je tedy nutné toto číslo snížit o 6.