Что такое импеданс в колонках согласовать с усилителем

Обновлено: 14.05.2024

Усилитель работает не в вакууме, он нагружается на динамическую головку (или звуковую колонку из нескольких динамиков). Рассматривать одно без другого было бы ошибочным. Качество работы усилителя зависит от того, что представляет собой нагрузка, но верно и обратное – функционирование динамика зависит от усилителя.

Для упрощения рассуждений предположим, что усилитель нагружен на один динамик без каких-либо фильтров и согласующих элементов, соединительные провода минимальной длины, достаточного сечения и качества исполнения. Надуманная ситуация? Отнюдь, существуют же активные колонки для воспроизведения только низких частот.

Поговорим немного о динамической головке. Зачастую, из электрических характеристик указывается только её номинальное сопротивление, но это же далеко не всё! Эффективность или отдача, эквивалентный объем, частота механического резонанса, его добротность… много чего полезного остается за кадром. Обратим внимание на такую характеристику, как добротность – она состоит из механической и электрической составляющих.

Графики: красный – выходное напряжение усилителя, зеленый – реактивная составляющая динамической головки. Увы, электрическая модель слабо соотносится с акустической, поэтому в тесте интересны общие закономерности, а не конкретные численные вычисления и правильность воспроизведения. Очень трудно совместить графики с настолько различными условиями работы, поэтому параметры подбирались так, чтобы амплитуда зеленого графика (реактивная часть динамика) оставалась постоянной, 1 вольт.

Вначале обычный режим, точка соединения R29 и C7 соединяется с землей, что переводит усилитель в обычный режим работы.

Форма сигнала для схемы с отрицательным выходным сопротивлением:

Различия видны невооруженным взглядом – на выходе усилителя напряжение уже не столь похоже на требуемое, фронты претерпели существенное изменение. Идея здесь в том, что если механическая система динамика резко увеличивает отдачу на резонансной частоте, то надо так формировать форму напряжения, чтобы на резонансной частоте оно было соответствующе понижено. В результате, при излучении произойдет взаимная компенсация и звуковая картинка будет восприниматься корректнее.

Форма сигнала для схемы с токовым выходом:

М-да. Форма выходного напряжения получила явный колебательный характер, как и напряжение на реактивной части модели динамика.

Когда говорят об усилителе, то, кроме демпфирования, представляет интерес еще один момент – нагрев катушки. Динамическая головка преобразует электрическое воздействие в механическое перемещение диффузора с помощью катушки, которая перемещается в магнитном зазоре. Последняя наматывается медным проводом и при нагреве должна увеличивать свое сопротивление. Это актуально? Проверим.

Для измерения девиации сопротивления динамика от мощности можно строить схему по принципу: генератор сверхнизких и высоких частот + усилитель + динамик + микрофон, в результате получаются неинформативные картинки с сильным эмоциональным подтекстом. Нет уж. Нудно и некачественно. Сделаем иначе – снимем напряжение на датчике тока при подаче на динамик фиксированного напряжения постоянного тока. При этом сразу можно будет оценить и величину изменения сопротивления и скорость этого изменения (время теплового процесса).

Время переходного процесса порядка трёх секунд, изменение (увеличение) от нагрева составило 1/5 номинального сопротивления.

Время переходного процесса здесь меньше, порядка 0.7 секунды, а вот девиация сопротивления порядка 1/8. Но здесь необходимо пояснение, измерения проводились при напряжении на наушнике около 3 В. Вы слушали когда-нибудь подобный наушник при напряжения, близких к этому? При положительном ответе я начну завидовать, если после этого вы сохранили слух. У меня с этим беда, для тестового наушника нормальный уровень громкости получился при напряжении 0.3 вольта. Если повторить тест измерения на нагрев для напряжения 0.3 вольта, то девиация сопротивления вообще не должна быть заметна, ведь тепловая мощность уменьшится в 100 раз. Поэтому график для пониженного напряжения не приводится, смысла в нем нет.

Всё просто, материал изоляции провода и каркас катушки выполняется из материалов с повышенной теплостойкостью, что обеспечивает им большую рабочую мощность. По некоторым данным, в профессиональных динамиках катушка нагревается до 190-200 градусов. А что, довольно логично, я встречал обсуждения в конференциях вопросов вида – нормально ли, что магнитная система нагревается выше 60 градусов? Тепловое сопротивление медной обмотки меняется порядка 0.4 процента на каждый градус нагрева, далее простые расчеты.

В моем тесте динамика температура катушки вряд ли превысила 100 градусов по Цельсию, скорее не было и шестидесяти. Это означает, что сопротивление динамика может меняться значительно больше, чем на 1/5 номинального сопротивления. Впрочем, многое зависит и от слушателя – если не возникает желания озвучивать стадион, то сия проблема не столь актуальна. Хотя, есть применения типа ЭМОС, и там сложности умножаются.

Для среднечастотных динамических головок свойственна другая проблема, но со схожими последствиями. При колебании диффузора катушка перемещается вдоль магнитного зазора, со всеми его неоднородностями, что несколько меняет ее индуктивность. Если подать на динамик пару сигналов, низкой и высокой частоты, то низкочастотная составляющая будет сдвигать диффузор, и катушка будет смещаться в магнитном зазоре, что приведет к изменению ее индуктивности. В сильно упрощенной форме, эквивалентная схема динамической головки представляется в виде последовательного соединения активного сопротивления и индуктивности катушки. Для низких частот импеданс головки будет определяться активным сопротивлением, но на высоких частотах уже начнет сказываться собственная индуктивность катушки.

Чтобы не быть совсем уж голословным, простенькая проверка – возьмем тот же тестовый динамик и подадим на него постоянный ток, который вызовет смещение диффузора, после чего останется только измерить его индуктивность.

В моем случае динамик показал изменение индуктивности на 4 процента при подаче постоянного тока, соответствующего 25 процентам номинальной мощности. При одной полярности тока следовало увеличение индуктивности, при другой – уменьшение. Если же убрать управление током и просто нажать пальцем на диффузор, то индуктивность возрастет в 1.7 раза, а обратный процесс приводит к ее уменьшению до 0.8 от первоначального варианта. Замеры индуктивности проводились с использованием прибора Е7-8, на частоте 10 кГц.

Человек воспринимает разную частоту звука с различной чувствительностью, наибольшая восприимчивость приходится на диапазон средних частот, 0.5-1 кГц, выше и ниже чувствительность падает. Хуже другое, на этих зависимостях сказывается уровень звука – при уменьшении громкости низкие и высокие частоты воспринимаются хуже. Для устранения этого эффекта, в нормальных усилителях в регулятор громкости встраивают тонкомпенсацию.

Предположим, сей абстрактный усилитель был спроектирован достойно, а потому уменьшение уровня не привело к катастрофической деградации свойств и уровень гармоник повысился всего до 0.1 процента. Чтобы не быть голословным, обратимся к довольно распространенному интегральному усилителю TDA2050:

Отягощает ситуацию то, что сам сигнал данной частоты плохо слышен и не может маскировать собственные искажения высокого порядка. Прикинем, что будет с искажениями. Возьмем частоту сигнала 100 Гц, характерную для низкочастотных колонок, при низком уровне громкости. Это означает коэффициент гармоник порядка 0.1 процента. Положим, тестовой усилитель хороший, только со спектром искажений, характерным для интегральных решений – четверть искажений приходится на гармоники высокого порядка (с номером 5 и больше).

Вывод – для низкочастотного звена лучше делать отдельный усилитель.

В высокочастотной части спектра звукового диапазона вроде бы всё просто – гармоники выше 20 кГц не слышны. Что ж, с ними и не нужно бороться? Отнюдь, появление искажений в ультразвуковом диапазоне приводит к двум последствиям:

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.

02:17 02-06-2008 infolex

Дополнения:
Уровень звукового давления, и с чем его едят
Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) — измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению pSPL = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц:
* 10 дБ SPL — шёпот;
* 20 дБ SPL — норма шума в жилых помещениях;
* 40 дБ SPL — тихий разговор;
* 50 дБ SPL — разговор средней громкости;
* 70 дБ SPL — шум пишущей машинки;
* 80 дБ SPL — шум работающего двигателя грузового автомобиля;
* 100 дБ SPL — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м;
* 120 дБ SPL — шум работающего трактора на расстоянии 1 м;
* 140 дБ SPL — порог болевого ощущения.

Мощность.
Мощность акустических систем может измеряться при разных условиях, согласно принятым стандартам. В акустических системах получили распространения два стандарта - RMS и PMPO.

Суммарная мощность (PMPO)
PMPO (Peak Music Power Output - пиковая музыкальная мощность) показывает какую максимальную мощность способна выдержать акустическая система без повреждения в течение короткого времени. К сожалению, по этому параметру очень сложно оценить возможности колонок. Часто производитель, чтобы представить свою продукцию в выгодном свете, указывает только мощность PMPO. Для миниатюрных колонок она может составлять, например, 200 Вт.

Суммарная мощность (RMS)
RMS (Root Mean Square - среднеквадратичное значение) показывает, какую мощность звука способны воспроизводить колонки в течение продолжительного времени. RMS измеряется при определенных стандартных условиях и достаточно объективно показывает возможности акустики.
Более мощные колонки способны обеспечить звуком большее по площади помещение. При воспроизведении на максимальной громкости усилитель и колонки выдают звук с наибольшими искажениями, и для получения качественного звука рекомендуется слушать колонки на низкой или средней громкости, поэтому дополнительный запас мощности колонкам никогда не помешает. Более мощные акустические системы, как правило, обладают большими размерами и весом.
Для самых простых колонок, которые будут служить для озвучивания операционной системы, достаточно нескольких ватт на канал.
Для получения более-менее качественного звука желательно, чтобы мощность каждой колонки была не меньше 10-15 Вт.

Типы акустических систем
Мультимедийные колонки предназначены в первую очередь для подключения к компьютеру, хотя их можно подключить к любому другому источнику звука, например, к DVD-проигрывателю или портативному плееру.
Мультимедиа колонки представляют собой акустическую систему из двух или более колонок с усилителем мощности. Усилитель мощности может находиться внутри корпуса колонки или может быть выполнен в виде отдельного блока.
В зависимости от числа каналов мультимедийные колонки разделяются на следующие типы: 2.0, 2.1, 3.1, 4.0, 4.1, 5.0, 5.1, 6.1, 7.1.
Система 2.0 состоит из двух колонок, которые могут воспроизводить звук в стерео режиме. Это самый простой вариант, но для озвучивания операционной системы и "аськи", а также для прослушивания фоновой музыки при работе за компьютером, большего не требуется.
Система 2.1 помимо двух стерео колонок содержит еще и сабвуфер. Сабвуфер - это устройство, предназначенное для воспроизведения сигнала низкой частоты (до 100 Гц). Обычные фронтальные колонки не способны воспроизводить глубокий, по настоящему низкий бас. Для того, чтобы получить хорошие низкие частоты, в дополнение к колонкам нужен сабвуфер.
Присутствие в звуке глубоких басов особенно актуально при просмотре фильма и в компьютерных играх.
Система 3.1 состоит из двух фронтальных, одной центральной колонки и сабвуфера.
Система 4.0 состоит из двух фронтальных и двух тыловых колонок. Обеспечивает объемное звучание.
Система 4.1 состоит из двух фронтальных, двух тыловых колонок и одного сабвуфера. Обеспечивает объемное звучание.
Система 5.1 обеспечивает объемное воспроизведение звука и состоит из сабвуфера и пяти колонок окружающего звука: двух фронтальных, двух тыловых и одной центральной. Формат 5.1 является наиболее популярным среди форматов многоканального звука, он используется для записи звука в фильмах на DVD (Dolby Digital или DTS), во многих компьютерных играх.
Система 5.0 отличается от 5.1 тем, что у нее нет сабвуфера.
Система 6.1 состоит из сабвуфера и шести колонок окружающего звука: двух фронтальных, двух тыловых, одной центральной и одной центральной тыловой. Благодаря дополнительному каналу (при сравнении с системой 5.1) обеспечивается более реалистичное воспроизведение объемного звука.
Система 7.1 состоит из сабвуфера и семи колонок окружающего звука: двух фронтальных, двух тыловых, одной центральной и двух центральных тыловых. Благодаря дополнительному каналу (при сравнении с системой 6.1) обеспечивается более реалистичное воспроизведение объемного звука. Полностью реализовать потенциал акустической системы 7.1 можно при просмотре фильмов на DVD, звуковое сопровождение которых записано в формате Dolby Digital Surround EX или DTS Surround EX, а также в играх, которые поддерживают восьмиканальный звук.

* статья собрана по кусочкам специально для темы Все про акустику 2.1, 5.1, 7.1 .

Читайте также:

Что такое импеданс в колонках согласовать с усилителем

реклама

реклама

реклама

реклама

реклама

реклама

реклама

реклама