Как подобрать динамики по мощности?

Мощность, кто это?

«У меня колонки мощностью 200 Вт, а магнитола 4 х 50. Будут ли они играть вместе?» Да будут, будут, не волнуйтесь вы так. Но ещё лучше будет, если всё же разобраться, что понимается и под мощностью, и под ваттами. «Мощность», по школьному определению — работа, произведенная за единицу времени, для наших целей определение почти бесполезное. Нам удобнее по-другому, пусть и непривычно: мощность — это количество энергии, преобразованной в нужную нам форму в ту же самую единицу времени. Речь всегда идёт о преобразовании, энергия никуда не девается, такая уж у неё привычка. Усилитель (пусть в магнитоле) получает готовую к употреблению электрическую энергию в форме постоянного тока от бортовой сети автомобиля и преобразует её в электрическую, но в форме переменного тока, изображающего звуковой сигнал. Всю? Нет, примерно половину, остальное идёт в тепло, отдаваемое воздуху небольшими радиаторами сзади на магнитоле или большими, «по всему телу» у отдельного, внешнего усилителя.

Динамик (пусть и притворившийся «колонкой») получает электрическую энергию в форме переменного тока и преобразует её в механическую, теперь уже в форме долгожданных звуковых колебаний. Всю? Да как сказать... Не совсем. Коэффициент полезного действия динамика (раз уж пошли по школьному пути: отношение произведенной звуковой мощности к полученной электрической) практически никогда не превышает 0,5%. Куда деваются остальные 99,5%? А туда же, в тепло, вообще, любое устройство, созданное человеческим разумом (а равно и волей всевышнего) производит тепло плюс ещё что-нибудь. С точки зрения преобразования энергии динамик на 99 процентов с копейками идентичен паяльнику. А в оставшейся половине процента — всё: и басы, и верха, и детальность, и гениальные музыканты. Обидно? Да, но ничего лучше как-то не придумали.

И вот она, главная разница между мощностью усилителя и мощностью динамика: усилитель её, можно считать, производит. А динамик — потребляет, не производя в обмен, как мы только что выяснили, почти ничего.

И когда мы говорим о мощности усилителя, то речь идёт о том, что ОН ДАЁТ. А когда о мощности динамика — то о том, что ОН БЕРЁТ. А сколько один даёт и сколько другой берёт? В порядке поступления:

Сколько дает?

Вот усилитель. Пусть тот, что в магнитоле, пока наплевать, потом почувствуете разницу. Какая у него мощность? Да какая угодно, всё зависит от того, какой уровень сигнала на входе, грубо говоря — в каком положении регулятор громкости. Мощность на выходе может оказаться 1 Вт, может — 10, может — 50, может... Подождите, должен же быть предел. Разумеется, но мы ведь не спрашивали какая МАКСИМАЛЬНАЯ мощность. А максимальная у каждого своя. Она определяется тем, какое наибольшее напряжение переменного тока сможет создать усилитель на своём выходе, когда к выходу присоединена нагрузка, в виде динамика, обладающего каким-то сопротивлением. Мощность на выходе определится просто: как величина этого напряжения, возведённая в квадрат и поделенная на сопротивление нагрузки. Присоединили к выходу вольтметр и нагрузку, на вход подали переменное напряжение, для удобства измерения мощности — на какой-нибудь одной частоте, и смотрим. На выходе 2 В, когда к нему присоединена нагрузка 4 Ом. При таких измерениях к выходу, разумеется, подключают не акустику, а её эквивалент в виде резистора, а то уши завянут. Возвели-поделили и получили: мощность на выходе ровно 1 Вт. Здесь есть небольшая засада, связанная с тем, что мы говорим о переменном напряжении, величину которого можно измерять по-разному. Чаще всего пользуются шкалой среднеквадратичных значений. В русском это слово длинное, поэтому привилось английское сокращение RMS (root mean square), означающее то же самое. Чтобы не вдаваться в детали, достаточно запомнить: для синусоиды значение напряжения RMS меньше амплитудного в 1,41 раза, то есть — в корень из двух. Мощность, указываемая в ваттах RMS — это та, что получена, когда напряжение при расчёте взяли RMS, что логично. А если взять амплитуду напряжения, то мощность, во-первых, будет называться пиковой, а во-вторых, станет ровно вдвое больше, чем RMS.

Возвращаемся к усилителю. Один ватт — это несерьёзно, прибавляем на входе. До каких пор будет расти напряжение на выходе и что его остановит? Остановит его ограничение сигнала. Усилитель питается постоянным напряжением, и то, что появляется как переменное на его выходе, не может быть больше напряжения питания по амплитуде. Нету там больше. И если мы будем наблюдать за сигналом на выходе, то в какой-то момент верхушки прежде изящной волны окажутся срезаны, там полуволна хотела перейти через верхний предел, напряжение питания. И обломилась. Откатываем сигнал на входе назад, пока ограничение не пропадёт, и смотрим на размах сигнала. Он чуть меньше полного напряжения питания, потому что что-то теряется в выходных каскадах усилителя. Если усилитель питается (как в пресловутой «магнитоле») от бортовой сети автомобиля, то нижняя полуволна подойдёт вплотную к нулевой отметке, а верхняя — к уровню 12 В. Что получается? Амплитуда, будем считать, 6 В в каждую сторону, возводим-делим и получаем сказочную цифру 4,5 Вт. Проверьте, если не лень. Выходит, что по всей науке это — максимальное значение мощности на выходе магнитолы, питаемой от 12 В? А так и было лет двадцать назад. И так есть сейчас, если купить какой-нибудь Vitek или Eurotec за 400 рублей, наши коллеги из киевского журнала «FOR Z» провели не так давно серию таких экспериментов, избавив нас от этой печальной необходимости. К счастью, уже недавно было найдено решение, позволившее если не выйти на грозные 4 х 50, то во всяком случае, уйти от скорбных 2 х 4,5. Это — мостовое включение усилителей, применяемое ныне во всех автомобильных головных аппаратах, за изъятием беспробудного отстоя наподобие упомянутого (для примера, ничего личного).

При мостовом включении на одну нагрузку работают два усилителя, включённые так, что размах синусоиды на выходе удваивается. По уже сообщённому вам способу посчитать выходную мощность это будет в четыре раза больше, чем 4,5 Вт, потому что напряжение возводится в квадрат, стало быть — 18. Примерно это значение имеет максимальная выходная мощность всех когда-либо испытанных нами головных аппаратов (в каждом из четырёх каналов, разумеется).

Откуда берутся знаменитые 4 х 40 Вт, потом превратившиеся в 4 х 45, 4 х 50 и так далее? Что это, чистое враньё? Как-то не вяжется с образом именитых и более чем респектабельных производителей техники, а ведь эти цифры украшают лицевые панели всех марок: Alpine, Blaupunkt, Clarion и далее в порядке латинского алфавита. Ведь когда речь заходит об отдельных усилителях тех же фирм, всё становится честно и правильно, возможностей убедиться за эти годы было достаточно. Здесь две уловки, первая —техническая, и только вторая — маркетинговая. Техническая уловка заключается в том, что в современных «головах» применены усилители так называемого «класса Н», там есть специальная цепь, способная на короткое время дать выходным каскадам увеличенное напряжение питания. Стоит конденсатор и, пока всё тихо, заряжается. А в пиках громкости он оказывается подключён последовательно с питанием выходного каскада, и пик проскакивает без искажений, не касаясь макушкой потолка 12 В. Но это если пик уровня сигнала совсем короткий, например — первый момент удара в барабан. Дальше, конечно, запас энергии иссякает, но дело уже сделано, даже два дела: действительно, на краткий миг максимальная мощность стала намного больше возможной при непрерывной работе, а во-вторых, появилась возможность об этом упомянуть. Не слишком акцентируя внимание на том, при каких условиях максимум выходной мощности стал таким. К чести респектабельных компаний (см. алфавитный список выше) надо сказать: часто в таблице технических характеристик на последней странице инструкции приводится и непрерывная мощность, с указанием, что это в ваттах RMS, и с указанием, какое было при этом напряжение питания, как правило, 14,4 В, потому что при этом «потолок» для выходной синусоиды приподнимается, и тогда в этой строке фигурируют именно 18 — 20 Вт на канал, случаи захода в третий десяток единичны.

Почему не их пишут на лицевой панели? Считайте это традицией, как цены на нефть в долларах за баррель, а на золото — за тройскую унцию. Тем более, как мы выяснили, формально — имеют право. А теперь быстро ответьте на контрольный вопрос: когда вы в последний раз видели автомобильные динамики, на которых была бы указана мощность МЕНЬШЕ 18 Вт? Поэтому всякие разговоры о «подборе» акустики к магнитоле или CD-ресиверу по мощности путём сравнения написанного на коробках с одним и другим смысла не имеют никакого. «А как же, — можете спросить вы, — у моего соседа по гаражу 100-ваттные «лопухи» захрипели и сгорели?» А это, милые вы мои, произошло не оттого, что мощности головного устройства было много, а оттого, что было мало МАКСИМАЛЬНОЙ мощности.

Где кончается мощность?

Все видят, но мало кто обращает внимание: там, где всерьёз, а не для красоты, в тройских унциях, указывается максимальная выходная мощность (например, на последней странице инструкции), рядом стоит и величина коэффициента нелинейных искажений, соответствующая приведенному значению. У нас это сокращается в к.н.и., а в англоязычной инструкции будет выглядеть как THD и какое-то число со знаком процентов. Вспоминаем (или узнаём), что такое нелинейные искажения. Их иногда называют гармоническими (THD и означает Total Harmonic Distortion — общие гармонические искажения), что более правильно. Суть дела: когда усилитель работает идеально, сигнал на выходе будет отличаться от сигнала на входе только амплитудой, причём прямо пропорциоДобавим коксу. Напряжение на выходе возросло на вольт с небольшим, как вдруг на спектрограмме вырос целый забор из гармоник, значит, выходной сигнал опасно близко подошёл к предельно возможной амплитуде. По амплитуде гармоники вроде небольшие (верхняя шкала сильно растянута по вертикали), и в сумме они складываются в невеликий итог: меньше полпроцента. Но: вот этого забора раньше в звуке не было, а теперь он есть. Добавим ещё — и вот, приплыли: на синусоиде стали отчётливо видны искажения формы, именно те, которых мы ожидали — выше питания не прыгнешь. А сигнал на выходе стал чудовищным, в реальной жизни мы услышим, помимо чистого тона 250 Гц, массу нового: и 500, и (особенно) 750 Гц, и далее до самых невозможных частот, утешение, что все они кратны 250 Гц довольно слабое, для слуха это или скрип, или хрип, в зависимости от основной частоты. Теперь вопрос из древнего анекдота: где талию делать будем? Что принять за максимальную выходную мощность? Если там, где искажений было ещё совсем мало, то окажется 13,5 Вт. RMS, как вы теперь понимаете, увидев, в чём указано выходное напряжение. Если там, где под полпроцента, то будет уже почти 19 Вт. А если согласиться с 10%, то получим сказочную для таких усилителей величину 23 Вт. Но только лучше не соглашаться: видите, что кроется за этой неприметной цифрой?

Итог нашего анализа на первый взгляд парадоксален: с одной стороны, у усилителя есть только одна максимально достижимая выходная мощность, зависящая от напряжения питания и сопротивления нагрузки. Но при этому указать её можно как угодно, вопрос в том, какой уровень искажений считать допустимым. Традиционно для действительно мощных, внешних усилителей, значение максимальной мощности указывают при к.н.и., равном 1%. Для головных устройств изготовители предпочитают 10%, по причинам, уже не нуждающимся в комментариях.

И все же, почему?

Почему при таких, в общем-то, жалких значениях максимальной мощности усилителей головных устройств прицепленные к ним «200-ваттные» 6 х 9 начинают хрипеть, а то и гореть? Почему хрипеть, вы уже видели: хрип — это гармоники, появившиеся на выходе усилителя при его перегрузке. Человек думает, что его могучая магнитола перегрузила динамик, а на деле «лопуху» что дали, то и играет, думая своими лопушиными мозгами, что так и надо. А почему же горят, если им такая мощность — как слону дробина? А давайте ещё раз взглянем на результаты предыдущих опытов с искажениями, а потом их даже продолжим. Я там кое-что дорисовал: условные кривые, показывающие, какая часть частотного спектра попадает на низкочастотную головку (собственно «лопух»), а какая — на блок ВЧ-головок в его центре. Естественно, это относится в полной мере и к любой многополосной акустике, а у нас другой и не бывает. Вот играет что-то, и там есть мощная составляющая с частотой 250 Гц. Пищалка пока в отпуске: на голубом поле, изображающем её рабочий диапазон, сигнала почти нет, и правильно, не её это частота. Когда искажений становится полпроцента, что-то уже появляется, но пока ничего страшного, амплитуды невелики, а большая их часть попадает в область, где фильтр пищалки уже начинает отрезать ненужное. При 10% уже нехорошо: пищалке положен полный покой, а на неё валится куча гармоник, да ещё с уровнем выше, чем содержание верхних частот в нормальной фонограмме. Пойдём дальше, до предела: выкрутим входной сигнал так, что после отрезания верхушек полуволн смирная синусоида превратится в сигнал почти прямоугольной формы, в котором гармоник за сорок процентов от основного сигнала. Вот здесь пищалке, скорее всего, хана. А ведь и усилитель у нас тот же, и частота по-прежнему «непищалочья». При некотором природном даре таким сигналом можно подпортить и мидбас. Прямоугольные импульсы несут на выход намного больше энергии, чем синусоида, и электрическая мощность, которая при этом поступает на динамик, составит больше 50 Вт. Представим себе 50-ваттный паяльник, потом вспомним, что динамик — это паяльник на 99,5%, и судьба звуковой катушки, сделанной, в отличие от обмотки паяльника, не из нихрома, слюды и асбеста, а из гораздо более нежных материалов, перестанет выглядеть безоблачной.

Значит ли всё это, что на мощность акустики можно вообще не смотреть? Не совсем. Надо просто смотреть несколько по-другому

Как правильно подобрать колонки к автомагнитоле по мощности и чувствительности?

– Перед покупкой акустических систем для автомобиля необходимо узнать, какую мощность может развивать усилитель вашей аппаратуры. Для этого следует заглянуть в документацию к вашему аппарату. Кроме того, выходная мощность обычно указывается на корпусе самого устройства. Обращать внимание стоит на номинальную (Рном), а не максимальную выходную мощность, так как максимальная мощность обычно завышается даже очень известными производителями. И цифры 4х50W (Вт) обычно не имеют ничего общего с действительной мощностью, которая составляет в данном случае 4х15-25W (Вт), не говоря о шедеврах «магнитолостроения», которые можно встретить на рынке. Цифры выходной мощности на их упаковке могут составлять сотни, даже тысячи ватт. К таким вещам следует относиться с некоторой долей юмора и сразу мысленно переносить запятую на пару знаков влево. Цифра 5-10 Вт – это тот наиболее распространенный максимум, на который вы можете рассчитывать. Также не стоит особо доверять рекомендациям продавцов, так как они в большинстве случаев рекламируют свой товар, рассчитывая на вашу некомпетентность. В крайнем случае, вы можете посмотреть на номинал предохранителя в магнитоле – суммарная мощность всех каналов не может быть больше, чем произведение напряжения питания (12-14,4 В) на ток срабатывания предохранителя. Например, если у вас стоит предохранитель на 10 А, то больше чем 10 А х 12 В = 120 Вт ваша магнитола не может дать даже теоретически. На практике эта цифра еще меньше. Определившись с мощностью магнитолы, вы можете прикинуть, какой мощности динамики вам нужны. Их номинальная мощность должна быть не меньше номинальной мощности одного канала усилителя магнитолы. Еще лучше, если она будет больше в 2-3 раза. Тогда у вас появится запас мощности, который даст гарантию, что звук в динамиках не начнет искажаться раньше, чем в усилителе, и динамик не выйдет из строя, тем более что распространители динамиков также не всегда добросовестны в указании параметров предлагаемых акустических систем. Кроме того, приобретая более мощные динамики, вы получаете возможность в будущем повысить мощность вашей системы, докупив отдельные усилители.

Важнейшим параметром акустических систем является чувствительность (sensitive), которая измеряется в децибелах. Не стоит недооценивать этот параметр, так как разница в чувствительности в 3 дБ на слух воспринимается как двукратная разница в громкости. Например, динамик с чувствительностью 93 дБ по субъективным ощущениям играет в два раза громче, чем с чувствительностью 90 дБ при той же подводимой мощности.

Как правильно подобрать колонки по сопротивлению?

– В документации к магнитоле (или к другому головному устройству) или на корпусе самого устройства должны указываться цифры допустимых сопротивлений нагрузки. Обычно это надпись типа Impedance 4-16 Ом (W) либо R 4-16 W (цифры могут быть другими). В данном случае это значит, что сопротивление динамиков, подключаемых к одному каналу усилителя, не может быть ниже 4 Ом и выше 16 Ом. Следовательно, для достижения максимальной выходной мощности сопротивление должно быть минимальным, но ни в коем случае не ниже допустимого минимума, указанного на магнитоле! Ситуацию с выбором облегчает тот факт, что сопротивление большинства динамических головок в торговле составляет 4 или 8 Ом, поэтому выбирать придется из двух вариантов. Кстати, если подключить параллельно два динамика сопротивлением 8 Ом, вы получите результирующее сопротивление 4 Ома.