Moc kolumn i wzmacniaczy, porady dla niecierpliwych
Właściwy dobór mocy wzmacniaczy i kolumn to chyba najczęściej poruszany temat dotyczący sprzętu hi-fi. Analiza mocy w systemach audio to niestety zagadnienie dość skomplikowane i nie da się go rzetelnie omówić w skrótowy sposób. Znaczna część nabywców sprzętu nie chce jednak studiować długich, technicznych wywodów. Dla tych osób powstał ten artykuł.
Na wstępie niezbędne jest ostrzeżenie. Artykuł o mocy sygnału w systemach audio może być krótki tylko dzięki zastosowaniu daleko idących kompromisów. Krótka forma niniejszego tekstu jest możliwa dzięki dużym uproszczeniom, dzięki ograniczeniu się do najbardziej typowych przypadków i dzięki zmniejszeniu precyzji opisu.
Moc kolumn i wzmacniaczy to nie to samo
Podawane w specyfikacjach technicznych moce kolumn i moce wzmacniaczy nie są bezpośrednio porównywalne. Do pomiarów wzmacniaczy stosuje się inne metody i normy niż do pomiarów kolumn. Jeśli zarówno kolumny jak i wzmacniacz mają po 100W to wcale nie oznacza, że są idealnie dopasowane. Potraktujcie te dane tylko jako przybliżone określenie możliwości sprzętu. O tym czy urządzenia są wzajemnie dopasowane decyduje nie tylko sama moc, ale także kilka innych czynników, które omówimy dalej.
Uwaga na impedancję kolumn
Sprawdźcie jaka jest impedancja nominalna kolumn (zwykle będzie to 8Ω lub 4Ω) i dla jakiej impedancji obciążenia podana jest moc wzmacniacza. Kiedy dobieramy parametry wzmacniacza i kolumn, to moc wzmacniacza powinna być podana dla takiej samej impedancji jaką mają kolumny. Zwykle moc wzmacniaczy jest podawana zarówno dla 8Ω jak i dla 4Ω. Jeśli jednak moc wzmacniacza tranzystorowego jest podana tylko dla 8Ω a kolumny mają akurat 4Ω to można przyjąć, że wzmacniacz będzie miał na 4Ω moc większą o 40% niż na 8Ω. W praktyce takie założenie może być zarówno zbyt optymistyczne jak i zbyt ostrożne. No ale przy braku konkretnych liczb nie pozostaje nic innego oprócz przyjęcia orientacyjnej wartości. W najkorzystniejszym teoretycznie możliwym przypadku moc wzmacniacza na obciążeniu 4Ω będzie dwa razy większa niż na 8Ω.
Tylko moce zmierzone zgodnie z normami mogą być brane pod uwagę
W specyfikacjach podaje się nieraz dane wprowadzające w błąd. Czasami są one zmierzone niestandardowymi metodami. Co gorsza bywa i tak, że moce nawet nie są mierzone, a tylko obliczone według oderwanych od rzeczywistości założeń. Wyłącznie moce zmierzone zgodnie z ustandaryzowanymi normami pomiarowymi mają wartość informacyjną. Najlepiej gdy przy mocy będzie podana nazwa normy pomiarowej (zwykle IEC). Jeśli moc jest opisana jako nominalna, ciągła, RMS lub sinusoidalna to też jest zwykle liczbą wiarygodną. Dobrym źródłem wiarygodnych parametrów są też testy wykonane przez renomowane redakcje prasy branżowej.
Natomiast wszelkie moce szczytowe, muzyczne czy PMPO potraktujcie jak marketingowe fantazje i je zignorujcie. Wyjątkiem od tej reguły jest sytuacja, gdy producent dokładnie opisał jak zmierzono ową moc szczytową, którą podano w specyfikacjach. Uważajcie też na praktykę sumowania mocy kanałów. Może być tak, że wzmacniacz opisywany jako 80-watowy, w rzeczywistości ma dwa kanały o mocy po 40W. Tak więc zachowajcie czujność i dokładnie czytajcie specyfikacje.
Kolumny są gorzej zabezpieczone od wzmacniaczy
Jeśli obawiacie się czy przeciążenie kolumn i/lub wzmacniacza nie spowoduje awarii jednego lub obu urządzeń to miejcie na względzie, że średnio rzecz biorąc bardziej zagrożone są kolumny. Zarówno w kolumnach jak i we wzmacniaczach można stosować układy/elementy zabezpieczające przed przeciążeniem. Z tym, że w kolumnach są one spotykane bardzo rzadko, a we wzmacniaczach są spotykane często. Wiele wzmacniaczy ma zabezpieczenia termiczne czy prądowe reagujące na nadmierne obciążenie wyjściowego stopnia mocy. Osobne zabezpieczenia termiczne są nieraz wbudowywane w transformatorach zasilaczy. A nawet zwykły, rutynowo instalowany bezpiecznik pomiędzy gniazdkiem sieciowym a zasilaczem spełnia pewną funkcję zabezpieczającą. A jeśli rozważacie zakup wzmacniacza lampowego to poszukajcie innych artykułów, gdzie uwzględniona jest specyfika tego rodzaju sprzętu.
Dla bezpieczeństwa sprzętu najważniejszy jest użytkownik
Wbrew oczekiwaniom wielu osób w praktyce nie za bardzo można zabezpieczyć się przed uszkodzeniem sprzętu poprzez odpowiedni dobór mocy kolumn i wzmacniacza. Kolumny o mocy 100W można bez trudu uszkodzić wzmacniaczem 50-watowym, 100-watowym czy 200-watowym. Dla bezpieczeństwa najważniejsze jest racjonalne zachowanie użytkownika.
- Po pierwsze nie należy podłączać sygnałów pomiarowych jeśli się nie rozumie ich natury.
- Po drugie nie należy ustawiać poziomów głośności, które powodują słyszalne zniekształcenia.
- Po trzecie nie należy dokonywać połączeń (wciskanie lub wyjmowanie wtyczek do gniazd połączeniowych) gdy sprzęt jest włączony.
Średnio rzecz biorąc im większa jest moc wzmacniacza w stosunku do mocy kolumn tym łatwiej jest uszkodzić kolumny. Nie należy jednak z tego powodu automatycznie zakładać, że dla większego bezpieczeństwa moc kolumn powinna być zawsze większa niż moc wzmacniacza. Druga strona medalu jest bowiem taka, że nadwyżka mocy wzmacniacza czasami jest przydatna ze względu na optymalizację jakości odtwarzania. Tak więc nie oczekujcie, że bezpieczeństwo zapewni dobór jakichś konkretnych proporcji mocy urządzeń, bo tym sposobem w praktyce nie da się niczego zagwarantować.
Dobór mocy wzmacniacza
W miarę możliwości należy zawsze stosować wzmacniacz, który ma wystarczającą moc by zapewnić oczekiwany przez Państwa poziom głośności bez zniekształceń wynikających z przeciążenia. Spełnienie tego warunku jest ważne dla prawidłowej pracy sprzętu. Podamy bardzo prostą metodę zgrubnego oszacowania tej mocy. W naszych obliczeniach uwzględnimy tylko trzy najważniejsze czynniki: wielkość pomieszczenia, sprawność kolumn i wymagania słuchacza co do poziomu głośności.
Jako punkt wyjścia przyjmiemy 8-omowe kolumny o efektywności 92dB/2,83V pracujące w przeciętnie wyposażonym pokoju (dywan, zasłony, typowe umeblowanie) o powierzchni 12 m2 oraz wysokości 2,5m. Jeśli wystarczające dla Państwa będą typowo stosowane poziomy głośności - niezależnie czy słuchacie klasyki, jazzu, rocka czy innego gatunku muzyki - to powinien wystarczyć wzmacniacz o mocy 10W. Jeśli lubicie słuchać z bardzo wysoką głośnością należy pomnożyć tą liczbę przez dwa, co da nam wartość wymaganej mocy równą 20W. Stosownie do zmiany wymiarów pomieszczenia i efektywności kolumn należy zwiększać lub zmniejszać wymaganą moc.
W odpowiednich rubrykach należy wprowadzić powierzchnię pomieszczenia, jego wysokość oraz efektywność użytkowanych kolumn.
Obliczona w kalkulatorze moc dotyczy pojedynczego kanału systemu stereo. Mniejsza wartość to moc zalecana w przypadku typowych wymagań co do poziomu głośności, a większa jest dla mniej licznego grona osób oczekujących bardzo dużych głośności.
Obliczenia kalkulatora są oparte na założeniu, że wymagana moc akustyczna jest proporcjonalna do kubatury pomieszczenia, co jest zgodne z zaleceniami literatury fachowej w wystarczającym dla nas przybliżeniu. Wyskalowanie kalkulatora jest sprawą umowną. Można przyjmować różne założenia dotyczące tłumienia dźwięku w pomieszczeniu czy docelowego poziomu głośności SPL. W kalkulatorze przyjęliśmy takie skalowanie, aby wyniki zgadzały się z naszym doświadczeniem praktycznym. Uwzględniliśmy własne odsłuchy wykonywane z kontrolowanym poziomem wielkości sygnału dostarczanego do kolumn. Podane wyniki odnoszą się do pomieszczeń o średnim lub nieco wyższym od średniego poziomie tłumienia. Dla pomieszczeń o bardzo wysokim tłumieniu wskazane jest nieduże zwiększenie mocy, a w pomieszczeniach o bardzo niskim tłumieniu można wymaganą moc nieco zmniejszyć.
Powyższe obliczenie będzie prawdziwe dla kolumn 8-omowych i dla efektywności podanej w dB/2,83V. Dla kolumn 4-omowych może być potrzebna dodatkowa korekta, zależnie od tego w jaki sposób producent zmierzył efektywność. Jeśli 4-omowe kolumny mają efektywność podaną w dB/2V to nie trzeba robić korekty i wyliczenie jest nadal poprawne. Jeśli kolumny mają impedancję nominalną 4Ω a ich efektywność jest podana w dB/2,83V to moc obliczoną powyższą metodą trzeba pomnożyć przez dwa. A jeśli 4-omowe kolumny mają efektywność podaną w dB (bez określonego napięcia sygnału pomiarowego) to nie mamy pewności jak wygląda sytuacja, ale lepiej ostrożnie przyjąć, że chodzi o dB/2,83V i wykonać mnożenie przez dwa.
Duża moc nie zapewnia wysokiej głośności
Moc nominalna sprzętu ma oczywiście wpływ na możliwy do uzyskania poziom głośności, ale oprócz mocy trzeba też uwzględnić inne czynniki. Jak już wspomnieliśmy bardzo zróżnicowana jest sprawność z jaką różne kolumny zamieniają energię elektryczną na dźwięk. Im wyższa efektywność kolumn, tym mniejsza jest moc potrzebna do wytworzenia określonej głośności. Zwiększenie efektywności o 3dB obniża o połowę potrzebną moc. Przykładowo kolumny o efektywności 95dB osiągną taką samą głośność jak kolumny o efektywności 85dB pobierając 10 razy mniejsza moc - jak widać możliwe są bardzo duże różnice w tej materii. Dla maksymalnego poziomu głośności istotne są też takie parametry kolumn jak powierzchnia i zakres wychyleń membrany głośnika.
Poza tym im większy pokój i im większa odległość słuchacza od kolumn tym większa moc jest potrzebna do uzyskania określonej głośności postrzeganej subiektywnie.
Żeby sprzęt zagrał głośno wskazane jest zastosowanie kolumn o wysokiej efektywności, sporych gabarytach i dużej powierzchni membran głośników - sama elektryczna moc kolumn wcale nie jest najważniejsza. Ograniczają nas prawa fizyki i trudno jest z małych kolumn uzyskać wysoką moc fal dźwiękowych, nawet jeśli te kolumny są przystosowane do pracy ze znacznymi mocami elektrycznymi. Oczywiście można zmierzyć maksymalną głośność danych kolumn, ale nie rozpowszechniły się żadne normy pomiarowe, które by były stosowane przez producentów kolumn. Nie liczcie na to, że małe kolumny z niedużym głośnikiem basowym nagłośnią duży pokój, nawet jeśli te kolumny mają dużą moc nominalną.
Precyzyjne określenie właściwej dla danego pomieszczenia/użytkownika mocy nominalnej kolumn generalnie jest trudne. Warto natomiast zwrócić uwagę jaką moc wzmacniacza poleca producent kolumn. Zazwyczaj jest to dość spory zakres mocy. Jeśli obliczona przy pomocy zamieszczonego wyżej kalkulatora wymagana moc wzmacniacza mieści się w zakresie polecanym przez producenta kolumn to powinniśmy uzyskać satysfakcjonujące wyniki brzmieniowe i bezawaryjną pracę.
Prywatki i inne sytuacje nietypowe
Standardowe porady dotyczące doboru mocy dotyczą normalnego użytkowania w warunkach domowych przy odtwarzaniu muzyki - co odnosi się również do niniejszego tekstu. Jeśli będziecie chcieli nagłośnić otwartą przestrzeń poza budynkiem wymagania względem potrzebnej mocy akustycznej znacznie wzrosną. Jeśli będziecie wykorzystywać sprzęt do głośnych imprez tanecznych to też pojawią się większe wymagania. Długotrwała praca z dużą mocą nagrzewa wzmacniacze i głośniki. Rozgrzane elementy (obudowy, radiatory, kosze, magnesy, powietrze w obudowie) tworzą środowisko, które utrudnia odprowadzanie ciepła z tranzystorów wzmacniaczy i cewek głośników. Ze wzrostem temperatury cewki głośników zwiększają impedancję co prowadzi do tzw. dynamicznej kompresji i zachęca do dalszego podkręcania regulatora głośności. Krótko mówiąc ryzyko przeciążenia sprzętu i powstania usterki wyraźnie rośnie. Żeby odpowiednio dobrać parametry sprzętu tam gdzie występują specjalne wymagania macie dwie możliwości. Jedna opcja to zasięgnięcie porady u obeznanego w temacie specjalisty. Druga opcja to poszerzenie własnej wiedzy poprzez opowiednią lekturę i wykonywanie praktycznych eksperymentów wspartych pomiarami.
