Новий погляд на небезпеку використання недостатньо потужних підсилювачів

Оприлюднено Оприлюднено в Статті

Стаття Ріка Камлета* для pro.harman.com

Нас часто запитують, якої потужності підсилювачі ми рекомендуємо для конкретної пасивної (тобто такої, що не має на борту підсилювача потужності) акустичної системи. Переважно ми радимо обрати підсилювач, здатний згенерувати вдвічі більше потужності, ніж номінально споживає обрана акустична система. Це означає, що система з номінальним імпедансом 8 Ом та номінальною потужністю 300 Вт, для прикладу, потребуватиме підсилювача, здатного продукувати 600 Вт при 8 Ом навантаження.

Чому ми рекомендуємо обирати підсилювачі, які вдвічі перевищуватимуть потужністю номінальне споживання акустичної системи? У двох словах можна відповісти так – якісні, професійні акустичні системи можуть впоратися з тимчасовими піковими навантаженнями, що перевищуватимуть їх номінальну потужність, якщо підсилювач здатен згенерувати ці максимальні величини без спотворення. Використання підсилювачів із запасом підвищення потужності допоможе забезпечити надходження виключно чистого, неспотвореного сигналу до акустичної системи.

Для надання розгорнутої відповіді на це питання, кілька десятиліть тому компанія JBL опублікувала Технічну записку, в якій висвітлюються недоліки використання занадто слабких підсилювачів. Вона називається «Обережно: низька потужність». Цей принцип актуальний сьогодні так само, як і на час публікації даного матеріалу. Однак, ми прагнемо вдосконалити і модернізувати зміст цієї Технічної записки, адже він звертається до таких типів допоміжного обладнання, які вже не мають широкого вжитку у наші дні. А також тому, що цей матеріал не згадує деякі більш поширені елементи, які використовуються у сучасних акустичних системах. Прикладом може послужити додане пояснення недоліків перебільшеного покладання на обмежувачі для захисту акустичних систем та розвіяння помилкового враження про те, що додавання обмежувача дозволяє безпечно використовувати слабший підсилювач. Отже, перед вами вдосконалена версія Технічної записки, яку тепер можна назвати:

Обережно: низька напруга – Вдосконалена версія для сучасних акустичних систем

Занадто слабкий підсилювач може продукувати «занадто велику» потужність

Час від часу ми чуємо від власників акустичних систем, які пошкодили високочастотні компоненти своїх пристроїв, використовуючи підсилювачі, потужність яких оцінюється меншою – а не більшою – ніж рекомендовано. Очевидно, вони могли здивуватися – як сталося, що такий підсилювач міг спалити елементи акустичної системи з більшою номінальною потужністю. Специфікація акустичної системи правдива, якщо підсилювач не перевантажений. Це застереження дуже важливе – не перевантажувати підсилювач. Занадто сильне навантаження підсилювача з метою отримати потужніший звук (чи то ймовірний, чи то реальний) може спричинити до пошкодження деяких, особливо високочастотних, компонентів акустичної системи.

Для того, щоб краще зрозуміти цей процес, необхідно усвідомити природу відтворення музики акустичною системою у її зв’язку з підсилювачем потужності і спотворенням частот сигналу.

Розподіл енергії під час відтворення типової рокової та електронної музики. Оркестрова музика має тенденцію повторювати цей загальний контур, проте з дещо зменшеним басом

Природа відтворення музики акустичною системою

Далеко не всі музичні ноти відтворюються в однаковий спосіб. У нижньому регістрі музичних творів зосереджено набагато більше потужності, ніж у середньому та високому. Якщо дослідити супровідний графік, то можна побачити, що енергоємність високих частот (6 кГц і вище) зазвичай на 10 – 20 дБ менша за частоту басів і середнього регістру. Тому, навіть якщо передбачувати пікове значення у розмірі 10 дБ для високочастотного матеріалу – що є загальноприйнятим – високочастотний драйвер системи буде покликаний справлятися лише з однією десятою від тієї потужності, яку повинні підтримувати елементи низької та середньої частоти.

Це природне розподілення звукового сигналу означає, для прикладу, що акустична система, розрахована на 100 Вт, повинна мати високочастотний юніт, розрахований на 10 Вт (що становить -10 дБ) у частотному діапазоні, де природній розподіл енергоємності є на 10 дБ нижчим. Таким чином, якщо високочастотний юніт розрахований на потужність 20 Вт у цьому діапазоні, це гарантує 100% безпеку використання. Результат полягає в тому, що компоненти акустичної системи повторюють природній розподіл енергії звукового сигналу.

Природа потужності підсилювача

Специфікація вихідної потужності підсилювача не є чимось безумовним. За певних умов експлуатації – таких як занадто високе задане значення у налаштуванні гучності або коли вхідний сигнал занадто потужний або надходить на короткі періоди часу – підсилювач здатен перевищувати потужність свого вихідного сигналу. Його потужність вимірюється у відношенні до заданого рівня загального нелінійного спотворення (total harmonic distortion – THD). Якщо необхідно згенерувати більше потужності, підсилювач намагатиметься зробити це, проте зі значно більшим рівнем спотворення. Зважаючи на те, що підсилювач намагається продукувати більшу вихідну потужність, і те, що люди сприймають спотворення як підвищення продуктивності, для деяких користувачів видається природнім інколи робити це – адже так звучить голосніше.

Для прикладу (використовуючи круглі цифри), розрахований на 100 Вт підсилювач при загальному нелінійному спотворенні не більше 0.5% зможе бути перевантаженим для генерування 200 Вт вихідної потужності на акустичні системи. За аналогічних несприятливих умов, розрахований на 200 Вт підсилювач зможе згенерувати 400 Вт потужності на акустичні системи; підсилювач на 300 Вт зможе надати 600 Вт, а підсилювач на 600 Вт зможе продукувати потужність у 1200 Вт.

Важливо усвідомлювати, що більшість цієї надлишкової потужності генерується за рахунок перевантаження підсилювача у високих частотах – і це ми незабаром побачимо.

Спотворення зазвичай впливає на високочастотні драйвери

Додаткова потужність продукується шляхом перевантаження підсилювача, що збільшує загальне нелінійне спотворення. У пасивних (непідсилених) широкосмугових акустичних системах ці спотворення спрямовуються через перехідний канал до високочастотного драйвера. За своєю природою, такі спотворення – це більш високі частоти, що складають основу сигналу. Відтак, високочастотний компонент акустичної системи повинен нести на собі основний тягар спотворень – навіть якщо початковий сигнал був на низькій частоті.

Ось на що схожий сигнал

Якщо поглянути на синусоїдний тестовий сигнал (сигнал, що складається з фундаментальної частоти без обертонів або спотворень), його верхнє і нижнє значення будуть демонструвати правильно заокруглені контури. Середня вихідна потужність становить половину пікової вихідної потужності.

Типова синусоїдна хвиля. Середній рівень вихідного сигналу синусоїдної хвилі становить половину пікового рівня

Проте, коли підсилювач перевантажений, цей контур починає виглядати «обрізаним», продукуючи майже квадратну хвилю з горизонтальними лініями на верхньому і нижньому значеннях.

Середня потужність наближається до пікового значення. Коли це стається, підсилювач може вдвічі перевищити номінальну потужність і більшість цієї надлишкової потужності досягається завдяки нелінійним спотворенням, які спрямовуються перехідним каналом акустичної системи до високочастотного драйвера (драйверів), які не завжди можуть впоратися з цим невластивим рівнем потужності.

Натомість, завдяки переходу на використання сильніших підсилювачів, необхідні рівні потужності можуть бути досягнуті без перевантаження, дозволяючи акустичним системам отримувати чистий програмний матеріал, що передбачає нормальний розподіл рівнів енергії. Завдяки таким умовам, пошкодження високочастотного драйвера є маловірогідним. На додачу, акустична система у такій конфігурації звучить набагато краще.

Високочастотний відклик у 500 Гц синусоїдної хвилі демонструє ємність лише у 500 Гц. Це ніяк не зашкодить акустичній системі до тих пір, якщо це не занадто велика потужність для низькочастотного (або середньо частотного) драйвера

 Що може зробити користувач?

Підбираючи підсилювач до акустичної системи, обирайте той, який забезпечить генерування більшої потужності, ніж вам потрібно, а відтак – ніколи його не перевантажуйте. Пам’ятайте, під час так званих  миттєвих акустичних спалахів, система може запросити потужність, що в десять разів перевищує середнє значення для цього конкретного пристрою. Тож надзвичайно важливо мати підсилювач, який легко справляється з короткотерміновими піками. Якщо підсилювач володіє достатнім резервом потужності, короткотермінові підвищення відбудуться без проблем. Якщо ж ні, то сигнал під час таких пікових моментів буде спотвореним або тьмяним. Коли підсилювач вичерпує резерв своєї потужності, він змушений перевищувати власні можливості і генерувати небезпечні рівні потужності, насичені високочастотними спотвореннями. В якості загального практичного правила є, якщо це можливо, використання підсилювача, який вдвічі перевищує номінальну потужність двогодинного рожевого шуму акустичної системи. Це дозволить почути усі рівні сигналу, які вона здатна відтворити.

Чому вдвічі більше? Рекомендація обирати підсилювач «потужність якого вдвічі перевищує номінальну потужність акустичної системи» пов’язана з тим, що акустичні системи і підсилювачі тестуються, вимірюються та оцінюються по-різному. Акустичні системи тестуються завдяки сигналу – рожевому шумові з піковими значеннями у 6 дБ (так званий «крест-фактор» 6 дБ) – де пікові показники в чотири рази (+6 дБ і вище) перевищують номінальну потужність сигналу. На відміну від цього, підсилювачі тестуються завдяки сигналу – синусоїдній хвилі – в якій пікові значення лише у два рази (+3 дБ) перевищують номінальну потужність сигналу. Тож для того, щоб якісно справлятися з піковими значеннями, якими акустичні системи перевіряються на здатність їх відтворити, підсилювач повинен мати подвійну (+3 дБ) потужність акустичної системи. +3 дБ до подвійної потужності підсилювача додає до його номінальної потужності +3 дБ у піковому режимі, що відповідає +6 дБ (понад його номінальну потужність рожевого шуму), які акустична система здатна відтворити. В такому разі підсилювач здатен безперешкодно переходити крізь пікові моменти, які акустична система може відтворити. Відтак, для досягнення пікового значення потужності акустичної системи непотрібно спотворювати сигнал.

Який показник потужності слід використовувати?

Більшість специфікацій акустичних систем демонструє декілька показників потужності. Стандартний вимір акустичної системи типово ґрунтується на сигналі рожевого шуму з 6 дБ крест-фактором (пікове значення до середнього співвідношення), а показники подані для середньої безперервної потужності рожевого шуму, програмної і пікової потужності; зі 100-годинним або 2-годинним рейтингом; оцінені за стандартами IEC, EIA або спектру AES. Який з них обрати? Для цілей цієї статті, використано показник середньої безперервної потужності рожевого шуму (заснований на середньоквадратичному значенні потужності сигналу). Використано показники 2-годинного рейтингу (якщо їх вказано у специфікації – як вирахувати їх самостійно див. нижче у статті). Для широкосмугової акустичної системи найкраще використовувати стандарти IEC, AES або IEC (залежно від наданого у специфікації) – для мульти-підсиленої (bi-amp або tri-amp) акустичної системи.

Щодо рейтингу тривалості. Якщо у специфікації відображається лише показник потужності на 100-годинну тривалість, зазвичай, можна самостійно скласти приблизну оцінку 2-годинної потужності. Для цього слід додати 25% потужності до 100-годинного  показника. Так, наприклад, акустичну систему, потужністю 240 Вт за показником 100-годинної середньої безперервної потужності рожевого шуму, можна оцінити як 300 Вт за показником 2-годинної середньої безперервної потужності рожевого шуму – відтак, для такої системи потрібен підсилювач потужністю 600 Вт.

Виняток №1: Критичне прослуховування

Для випадків критичного прослуховування відтворюваного сигналу, таких як у студійному середовищі, для підтримки пікового перехідного потенціалу доцільне використання підсилювача, що в чотири рази перевищує потужність акустичної системи.

Виняток №2: Якщо максимальний рівень потужності не потрібен

Необхідність враховувати подвоєну потужність підсилювача заснована на припущенні, що користувачу необхідно отримати максимально можливу потужність акустичної системи. Проте якщо ви не хочете або не потребуєте максимального рівня потужності звуку, то в такому випадку насправді можна використовувати слабші підсилювачі. Та знову ж таки, вам слід переконатися в тому, що ви не перевантажите підсилювач (що у свою чергу призведе до створення нелінійних спотворень). Якщо вам потрібна акустична система, яка видаватиме потужність на 3 дБ нижчу за максимально доступну, то можете обрати на половину слабший підсилювач (що означає скоріше перевищення показника середнього безперервного рожевого шуму). Якщо вам не потрібна система, яка би звучала голосніше 6 дБ нижче за максимально можливу потужність, ви можете ще раз розділити потужність бажаного підсилювача навпіл, до ¼ від рекомендованого показника. І так далі. Щоразу, зменшуючи навпіл потужність підсилювача, ви зменшуватимете максимальну потужність звуку акустичної системи на 3 дБ. Нагадаємо, що вам слід переконатися, що ви не використовуєте занадто слабкий для конкретної акустичної системи підсилювач. Адже примушення підсилювача генерувати потужність понад свій нормальний робочий режим призведе до збільшення нелінійних спотворень, які можуть перевантажити високочастотний драйвер (драйвери) навіть тоді, коли сам підсилювач доволі слабкий. Найкраще схилятися до підсилювача з потужністю більшою, ніж потрібно, замість того, щоб обирати слабший.

Використання захисного обмежувача – Багато підсилювачів мають DSP або вбудований обмежувач граничних можливостей. Використовуйте його, та враховуйте деякі застереження.

Складний у налаштуванні DSP-обмежувач пристрою – Якщо обмежувач розміщений всередині DSP-пристрою, який у сигнальному ланцюгу розташований перед підсилювачем, доволі складно виявляється правильно відкалібрувати обмежувач просто тому, що підсилювач створює додаткову – і дуже часто змінну (завдяки регулятору гучності підсилювача) – ступінь підсилення, розташовуючись між обмежувачем та акустичною системою. Навіть невелика корекція рівня гучності на підсилювачі може скинути калібрування. У зв’язку з цим, найкраще використовувати обмежувач, розташований безпосередньо всередині підсилювача. Такий обмежувач «знає» вихідну потужність підсилювача у будь-який момент. В цьому випадку, обмежувач зазвичай встановлюється на 1 дБ нижче повної можливої вихідної потужності або на напругу вихідного сигналу (яка може бути налаштована на максимум. Показники напруги слід дивитися у специфікації акустичної системи).

Усвідомлення недоліків захисних обмежувачів – На жаль, навіть бездоганне налаштування обмежувачів не дає стовідсоткової гарантії виконання обмежувачем своєї функції. Нижче наведено декілька прикладів:

Якщо обмежувач встановлений на широкосмуговій (пасивній) акустичній системі, і при цьому виникає високочастотний фідбек (чи навіть звучить тривала високочастотна нота у виконанні гітари), загальна потужність всередині акустичної системи може бути недостатньо високою для того, щоб активувати обмежувач. Та вся потужність при цьому йтиме на високочастотний драйвер, який не розрахований на те, щоб з нею впоратися. Або, якщо сигнал був деформований раніше, то ці хвилі деформації сигналу майже цілковито складаються з високочастотних нелінійних спотворень, які, знову ж таки, спрямовуються до високочастотного драйвера і можуть зіпсувати його. Навіть коли при цьому загальна потужність акустичної системи може не перевищувати граничний рівень обмежувача. Фактично, це може статися просто від того, що музичний інструмент, як до прикладу синтезатор, буде генерувати нелінійні спотворені хвилі.

Якщо обмежувач зосереджений головним чином на обмеженні пікових стрибків напруги, а не на редукуванні RMS/номінальної потужності – то чим більше він задіяний, тим меншим стає співвідношення пікової та номінальної потужностей. Це означає, що в той час, як пікові стрибки є обмежені, номінальна потужність, спрямована на акустичну систему, зростає. Це може призвести до її перевантаження.

Синусоїдна хвиля з нелінійними спотвореннями – середня вихідна потужність дорівнює піковому рівню

Частотний відклик від спотвореної синусоїдної хвилі у 500 Гц демонструє, що 500 Гц фундаментальної ємності знаходиться вище, плюс тут присутні додаткові високочастотні нелінійні спотворення, які можуть з легкістю перевищувати номінальну потужність високочастотного драйвера

Деякі обмежувачі мають доволі невеликий діапазон редукування сигналу. Наприклад, деякі з них обмежуватимуть гучність на 10 або максимум 15 дБ. Що стосується таких обмежувачів, то вони доволі легко пропускають стрибок нелінійних спотворень.

Деякі обмежувачі призводять до утворення нелінійних спотворень сигналу після того, як було досягнуто зменшення його потужності. Погано розроблені обмежувачі спричиняють до створення нелінійних спотворень вже у процесі редукування.

Суть обмежувачів полягає в тому, що вони зазвичай допомагають захистити акустичну систему від зіпсуття миттєвим підвищенням потужності. Проте на них не можна повністю покластися, щоб вберегти акустичну систему від неприємностей. Використання обмежувача не означає, що акустична система захищена від збитків, які походять від перевантаження недостатньо потужного підсилювача.

70-вольтні і 100-вольтні розподільчі системи – В той час, як  трансформатор у розподіленій акустичній системі обмежує напругу, яка надходить до драйверів, будь-яке нелінійне спотворення 70-вольтного або 100-вольтного підсилювача – або будь-який інший сильний високочастотний сигнал – все ще проходить через трансформатор і потрапляє до драйверів. Це погано впливає на звук і може пошкодити драйвери.

Підсумок

Ми не заявляємо, що будь-яке нелінійне спотворення сигналу підсилювача зіпсує вашу акустичну систему. Проте для пасивних (непідсилених) акустичних систем, у випадку важкого перевантаження підсилювача для отримання бажаного рівня звуку, генерування понаднормової потужності та нелінійному спотворенні сигналу, рекомендується придбати потужніший підсилювач, здатний справлятися з продукуванням бажаної потужності з незначними спотвореннями. В будь-якому разі, в ідеалі – підсилювач слід обрати з вихідною потужністю більшою за максимальну потужність акустичної системи, з якою він буде використовуватися. Загальна рекомендація – потужність підсилювача повинна вдвічі перевищувати номінальну потужність акустичної системи.  Цей запас убереже підсилювач від спроби згенерувати більше потужності, ніж конструктивно передбачено для нього. Кінцевим результатом буде вільне від нелінійних спотворень відтворення звуку і продовжена тривалість життя акустичної системи.


*Рік Камлет займається різними аспектами професійного звуку більш ніж 40 років. Він керує розробкою комерційних акустичних систем для JBL Professional вже більше 25 років. Рік любить ділитися своїми знаннями, беручи участь в різноманітних форумах, присвячених сфері професійного звуку, а також – пишучи тематичні освітні матеріали.