Rekomendowana moc wzmacniacza i jego podstawowe parametry.

Dobór odpowiedniego wzmacniacza

Opisana w artykule MOC GŁOŚNIKA I MAX SPL procedura określenia mocy nominalnej zestawu głośnikowego jest świetnym punktem wyjścia do odpowiedzi na pytanie: Jakiej mocy wzmacniacz, w sposób bezpieczny, napędzi ten zestaw do jego pełnych możliwości w większości zastosowań? W poprzednim artykule główną rolę grał opisany tam parametr Crest Factor, w tym skupię się na mocy, choć oczywiście wzmacniacz posiada kilka innych, istotnych parametrów, które będą wpływały na jego jakość i prawidłową pracę. Jednak, jak to mówi Jeremy Clarkson, MOOC najbardziej przemawia do wyobraźni.

Może wydawać się, że wybór słabszego wzmacniacza zapewni dodatkowy margines bezpieczeństwa przed uszkodzeniem głośnika. Pewnie będzie grał trochę ciszej ale bezpieczniej? W końcu skoro głośnik ma 300W to zastosowanie wzmacniacza 200W powinno być rozsądnym rozwiązaniem? Niestety to nie działa w ten sposób. Jak dowiedziałeś się ze wspomnianego wcześniej artykułu niezwykle ważnym parametrem, który rzadko znajdziemy w specyfikacji, jest Crest Factor sygnału, którym zasilany będzie wzmacniacz. Muzyka i dowolne dźwięki to właśnie sygnał, który w domenie elektrycznej przyjmuje formę napięcia. Crest Factor to różnica pomiędzy wartością średnio-kwadratową napięcia a jego szczytami. Jest to parametr, którego w naszej codziennej pracy w nagłośnieniu i studio prawie nigdy nie znamy! (może oprócz generowanych przez syntezatory sygnałów typu Sine Wave). Każdy rodzaj muzyki ma inny Crest Factor – klasyczna może mieć 20dB różnicy między wartościami szczytowymi a średnimi kiedy ciężki metal lub mocno skompresowany gęsty pop może osiągać nawet do 6dB różnicy. Przyjęło się, że muzyka rozrywkowa ma CF= około 10-12dB. To ważne kiedy chcemy wybrać wzmacniacz do zestawu głośnikowego.

Moc wzmacniacza jest przez producentów zazwyczaj określana na podstawie sygnału typu sinusoida (sine wave) w częstotliwości 1000Hz. To wymagający, gęsty sygnał o CF=3dB – największe możliwe zło dla zarówno wzmacniacza jak i głośnika (może oprócz sygnałów kwadratowych). Dlaczego zatem producenci posługują się określaniem mocy właśnie dla takiego sygnału? To wynika historii, przyzwyczajeń oraz to po prostu lepiej wygląda na specyfikacji. Przecież chętniej kupisz wzmacniacz 1000W (z mocą określoną przy CF=3dB, mimo że jest całkiem możliwe, że ten wzmacniacz nigdy w życiu nie poczuje takiego sygnału) niż taki, który może dać „zaledwie” 500W (z mocą określoną przy CF=6dB) Nie wiedząc, że oba wzmacniacze są takie same, który wybierzesz? Pewnie, że 1000W. Przecież więcej to lepiej!

Od strony głośnika wygląda to jednak tak, że zasilony zbyt słabym wzmacniaczem może ulec uszkodzeniu szybciej niż ten napędzany odpowiednio mocnym, przy wykorzystaniu tego samego sygnału wejściowego.  Poniższe grafiki pozwolą lepiej zrozumieć to zjawisko:

Zalecana przez NAW moc wzmacniacza:

Jako że sygnałem testowym służącym do określania mocy profesjonalnych wzmacniaczy jest najczęściej sygnał o CF=3dB oznacza to, że wzmacniacz, który przy 8Ohm i takim właśnie sygnale generuje 1000W, to przy sygnale CF=6dB poda na głośnik moc o połowę mniejszą czyli 500W. Dla normalnej muzyki o typowym Crest Factor 10dB będzie to z kolei 200W! To oznacza, że Twój wzmacniacz 1000W odtwarzając typowy program muzyczny podaje na głośnik 200W mocy – tak, to właśnie to oznacza! Biorąc pod uwagę zróżnicowany charakter dynamiczny większości programów muzycznych, gdzie różnica pomiędzy średnią wartością RMS a szczytami sygnału wynosi zwykle około 10-12 dB, zwyczajowo podaje się Moc Ciągłą głośnika (dwukrotność Mocy Nominalnej) jako rekomendowaną aby całkowicie wykorzystać możliwości termiczne i mechaniczne przetwornika bez obcinania przez wzmacniacz.

Należy pamiętać o tym co dokładnie zostało opisane powyżej: Jeżeli wzmacniacz ma zbyt małą moc RMS użytkownicy mają tendencje do „szukania głośności” z systemu, który jej nie poda. Takie podkręcanie głośności (np. na mikserze) w pewnym momencie generuje głównie zniekształcenia i hałas. Do zapamiętania zaskakujący wniosek i praktyka: Łatwiej uszkodzić głośnik zbyt słabym wzmacniaczem niż zbyt mocnym!

Czy można ściszyć wzmacniacz, żeby zabezpieczyć głośnik?

Niestety wiele osób nie wie o tym, że wzmacniacz jest wyciszony tylko w przypadku przekręcenia gałki na 0 bądź minus nieskończoność (w zależności jak oznaczy to producent). W każdym innym przypadku (o ile nie jest włączony limiter napięciowy, który posiadają wzmacniacze profesjonalne z wyższej półki) będzie on mógł wyprodukować pełną moc zgodnie z ustawieniem parametru AMPLIFIER GAIN (wzmocnienie - o nim później) Aby wzmacniacz to zrobił wystarczy podać na jego wejście odpowiednio wysokie napięcie.

DO ZAPAMIĘTANIA: Pokrętło VOLUME (głośność wzmacniacza) NIE ZMNIEJSZA JEGO MOCY a wyłącznie ścisza  (lub jak to profesjonalnie zabrzmi tłumi bądź atenuuje (ang attenuation-osłabienie).

Jakie są tego konsekwencje? Pomimo „ściszenia o połowę, powiedzmy na godzinę 12” jest nadal zupełnie możliwe, że wasz łańcuch źródło dźwięku-mikser-procesor może wygenerować napięcia wystarczające aby wzmacniacz osiągnął maksymalną moc a nawet ją przekroczył (co dzieje się w przypadku klipu). Sygnał generowany przez te źródła, o ile ustawiony zbyt wysoko (po czerwonych!) może na dodatek przekraczać możliwości wejść waszego wzmacniacza posyłając na niego sygnał zbliżony do kwadratowego. Czy to zdrowe dla sprzętu? NIE. Czy Twój głośnik to lubi? NIE. To dokładnie przykład pokazany powyżej gdzie crest factor zbliża się do wartości między 3dB a 0dB. W takiej sytuacji można spalić głośnik o mocy 1000W wzmacniaczem o mocy 100W – wystarczy odpowiednio długo „smażyć cewkę” prądem zbliżonym do stałego o bardzo niskim Crest Factor (CF prądu stałego przyjmuje wartość "1" lub "0dB" - to dwa różne zapisy oznaczające tą samą wartość).

WNIOSEK: pokrętło głośności wzmacniacza powinno być podczas pracy zawsze odkręcone na maksimum a regulacji głośności systemu powinieneś dokonać na urządzeniach przed wzmacniaczem. Może to być mikser i procesor DSP lub sam mikser jeżeli nie posiadasz procesora. To zapewnia lepszą kontrolę nad sygnałem i jest elementem „poprawnej struktury wzmocnień sygnałów urządzeń w łańcuchu” (temat na kolejny artykuł)

Za co odpowiada parametr AMPlifier GAIN (WZMOCNIENIE) i czy można go zmieniać?

Amp gain to jedna z podstawowych właściwości każdego wzmacniacza, którego zadaniem jest wzmocnienie napięcia podanego na wejściu aby uzyskać wyższe napięcie na złączach głośników.  Napięcie wyrażamy w woltach (V) a AMP GAIN to informacja o ile wzrośnie to napięcie po przejściu przez wzmacniacz.

Może już wiesz, że w świecie elektrycznym -6dB to o połowę mniej? Niestety tylko czasami, bo kiedy indziej -3dB to o połowę mniej;) (temat na inny artykuł) 

W przypadku napięcia i jego wzmocnienia przez wzmacniacz: 40x=32dB, 20x=26dB 10x=20dB. Każde zmniejszenie o -6dB oznacza o połowę mniejsze napięcie generowane przez wzmacniacz: Kiedy mówimy o dźwięku, lubimy posługiwać się pojęciem decybeli. Możemy nimi wyrażać zmiany zarówno w domenie elektrycznej jak i zmiany głośności kiedy dźwięk wędruje w powietrzu. Zrozumienie pojęcia decybeli i umiejętność zastosowanie tej wiedzy bardzo ułatwia życie każdemu, kto zajmuje się dźwiękiem. 

Jaka zatem wartość wzmocnienia wzmacniacza jest poprawna? Odpowiedź zależy od poszczególnych urządzeń w torze audio i możliwości ich przetworników wejść/wyjść. Każdy przedwzmacniacz może przyjąć jakieś napięcie bez przesterowania i oddać inną wartość napięcia bez obcinania. Niestety każdy zrobi to inaczej. Jeżeli nie masz tej wiedzy (coraz rzadziej jest precyzyjnie określona w instrukcjach obsługi urządzeń) nie będziesz wiedział jaka wartość jest najwłaściwsza, bo jak już się pewnie domyślasz różne wartości mogą działać poprawnie, choć nie optymalnie. Złe ustawienie wzmocnienia może nieprawidłowo wpływać na wskazania na indykacjach oraz będzie miało konsekwencje w postaci przesterowania sygnałów mocnych lub niedosterowania sygnałów słabych. Kolejną konsekwencją będzie wzrost szumu systemu, kiedy gain nie jest dopasowany optymalnie do całego toru sygnałów płynących od źródła do słuchacza.

Nie chcę Cię jednak zostawić bez odpowiedzi na pytanie jakie wzmocnienie powinien mieć wzmacniacz? W profesjonalnym audio będzie to wartość między 26dB a 38dB. Prawdopodobnie jeżeli ustawisz coś w środku tego przedziału uzyskasz dobry efekt. O ile w ogóle producent w ogóle przewidział możliwość zmiany tego parametru. 

Jak widzisz kiedy wchodzimy coraz głębiej w parametry urządzeń, kwestie ich ustawień robią się coraz bardziej skomplikowane a najczęstszą odpowiedzą jest: "to zależy". Dlatego w NAW skupiamy się na oferowaniu wam kompletnych rozwiązań gdzie nie musisz się nad tym zastanawiać. Każdy element systemu audio jest dopasowany i odpowiednio ustawiony tak aby uzyskać najlepszy możliwy efekt.

Czy wartość mocy wzmacniacza można porównać z mocą grzałki do gotowania wody?

Czym różni się 1000W w pierwszym przypadku i 1000W w drugim? Jaki jest faktyczny pobór z sieci w przypadku wzmacniania sygnałów muzycznych?

Wspominałem wcześniej, że moc wzmacniaczy zazwyczaj podaje się dla sygnału Sine wave 1000Hz. Crest Factor sinusoidy to 3dB (lub stosunek 1.41) Napięcie jakie mamy w gniazdku ma wartość 230V, częstotliwość 50Hz i również jest to przelot sinusoidalny zatem jego CF to również 3dB (1.41)

Założenie, że wzmacniacz ma 1000W mocy przyjmuje, że dostanie on na wejście sygnał sinusoidalny. Taka sytuacja najczęściej jendak zdarza się w laboratorium gdzie testowane są wzmacniacze. Nawet w przypadku zespołów muzycznych wykorzystujących w swojej twórczości generowane przez syntezatory dźwięki, które w swoim charakterze przypominają sinusoidy są one zaledwie małym elementem całej muzyki. Zwykle muzyka nie przypomina sinusoidy a ma charakter złożony, zmienny dynamicznie z momentami głośnymi i cichymi, bardzo krótkimi za to głośnymi impulsami (np. basowy bęben albo uderzenie w werbel) oraz okresami zupełnej ciszy. Powoduje to, że przyjęło się uznawać średnią wartość CF dla muzyki w granicach ok 10-12dB. Oznacza to 12dB różnicy pomiędzy wartością skuteczną (RMS - średnio-kwadratową) sygnału a jego szczytami. Różnica skutecznej wartości sygnału audio między -3dB (sine) a -12dB(muzyka) to 4x mniej.

Założenie, że wzmacniacz ma 1000W mocy przy sygnale sine CF=3dB jest tyleż ambitne co nie mówi NIC o czasie w jakim dany wzmacniacz może to robić. Wiemy natomiast, że grzałka może to robić całkiem długo o ile włożona jest do wody, którą gotuje… Tutaj dochodzimy do odróżnienia tych lepszych i gorszych konstrukcji wzmacniaczy. Te lepsze oddają moc dłużej, choć oczywiście nie jest to jedyne kryterium. Otóż producenci doskonale wiedzą, że muzyka to nie sinusoida dlatego całkiem rozsądnie zakładają, że taki sygnał nie pojawi się na wzmacniaczu przez długi okres. Zabezpieczenia wzmacniacza powodują, że czas, przez który może on oddać maksymalną moc jest konstrukcyjnie ograniczony. Zależy on także od obciążenia wyjść wzmacniacza, który lepiej będzie sobie radził przy 8Ohm kiedy przy 2Ohm może dawać wyniki bardzo słabe.

Poniżej możesz zobaczyć wykresy pomiarów czasu oddawania maksymalnej mocy nowoczesnych konstrukcji wzmacniaczy klasy D zmierzone pod różnym obciążeniem i dla różnych sygnałów (źródło: Production-partner.de)

Składa się na to wiele czynników technologicznych i konstrukcyjnych jak efektywność, generowanie ciepła i możliwości jego odprowadzania na zewnątrz. Prawdą jest, że każdy wzmacniacz wygeneruje maksymalnie tyle mocy na ile pozwoli mu jego topologia i układ chłodzenia tranzystorów.

Czas w którym najlepsze wzmacniacze mogą dać z siebie pełną nominalną moc przy sygnale sinusoidalnym liczymy raczej w sekundach niż minutach. A grzałka? Ta przez wiele godzin może gotować wodę.

Ile zatem podczas koncertu albo przedstawienia wzmacniacz pobierze prądu z sieci? W związku z tym, że sygnał muzyczny jest średnio 4x mniej gęsty od prądu zasilającego betoniarkę lub grzałkę a do tego wzmacniacze zmniejszają swoją moc z czasem przyjęło się uznawać, że

ta wartość to ok 1/8 nominalnej mocy wzmacniacza klasy D.  1000W/8=125W i tyle możemy założyć poboru z sieci dla takiego wzmacniacza.

Myślę, że to znakomite tematy, które możesz przedyskutować z rodziną na niedzielnym grillu. Zapowiada się moc wrażeń :)

Blog