Swego czasu moc była traktowana przez wiele osób jako wyznacznik klasy sprzętu, ale tego typu podejście straciło na popularności. Rozpowszechniła się natomiast koncepcja tworzenia systemów z mało sprawnym kolumnami i dużym zapotrzebowaniem na moc wzmacniacza. Wysokie moce na poziomie kilkuset watów są zalecane przez wielu producentów, zarówno producentów wzmacniaczy jak i producentów kolumn. Przed rozpoczęciem dyskusji czy analiz dotyczących doboru mocy sprzętu audio warto zacząć od podstaw i choćby skrótowo omówić naturę sygnałów fonicznych i zjawiska związane z przepływen energii przez sprzęt audio, począwszy od gniazdka elektrycznego aż do fali dźwiękowej docierającej do uszu.
Najlepiej zacząć od końca, czyli od fal dźwiękowych. Stykając się na codzień z 1000-watowymi urządzeniami drobnego AGD gotowi jesteśmy uznać 10W za mało imponującą wielkość. Dźwięk o takiej mocy akustycznej nie tylko ogłuszyłby słuchacza, ale mógłby zagrozić trwałości wielu przedmiotów. Instrumentem muzycznym będącym w stanie przekroczyć tę barierę, i to tylko przez bardzo krótkie odcinki czasu w najgłośniejszych, szczytowych momentach, są organy. Nie trzeba zbyt wielkiej wyobraźni aby uświadomić sobie jaki efekt może przynieść umieszczenie tak potężnego źródła dźwięku w zwykłym mieszkalnym pomieszczeniu.
Moce dźwięku w zastosowaniach domowych są oczywiście mniejsze. Przykładem, który łatwiej odnieść do możliwości zestawów hi-fi jest fortepian. Pianista grający w zwykłym mieszkalnym pokoju mógłby wytworzyć dźwięki o poziomie nieprzyjemnie wysokim dla słuchaczy, jednak miałby on bardzo małe szanse przekroczyć pół wata mocy akustycznej. Średnia moc głosu ludzkiego w trakcie normalej rozmowy to około 0,00002 do 0,00003 wata, a śpiewak basowy jest w stanie wydobyć z siebie maksymalnie 0,03W. Te liczby powinny uzmysłowić nie tylko z jakimi mocami mamy do czynienia, ale również dają wyobrażenie jak duża jest rozpiętość pomiędzy dźwiękami cichymi a głośnymi.
Skoro moce fal akustycznych są tak małe, to co dzieje się z owymi dziesiątkami czy setkami watów pobieranych przez wzmacniacze? Mówiąc najkrócej, zostają zmarnowane. Zdecydowana większość pobieranej energii elektrycznej zostaje zamieniona na ciepło w cewkach głośników i w elementach zwrotnicy. Tylko drobna cząstka zostanie wypromieniowana w postaci fal akustycznych.
Najbardziej sprawne głośniki tubowe są w stanie zamienić na dźwięk do 20% dostarczonej mocy elektrycznej. Nawet kilkuwatowy wzmacniacz może w takim przypadku zapewnić wysokie poziomy dźwięku w dużym pokoju. Takie zestawienia sprzętu nie są tylko teoretyczną możliwością, ale rozwiązaniem stosowanym w praktyce. W ekstremalnych przypadkach spotyka się nawet adaptacje konstrukcji budynków aby zmieściła się tam tuba odpowiednio duża dla przeniesienia najniższych częstotliwości. W sposób bardziej praktyczny, poprzez zwinięcie tuby, rozwiązało ten problem kilku producentów jak Klipsch czy Lowther. Ich produkty, choć pokaźnych rozmiarów, dają się ustawić w normalnych mieszkaniach.
Następna grupa to największy sektor rynku, czyli typowe kolumny z obudową zamkniętą lub bass-reflex. W tej klasie na energię akustyczną udaje się zamienić do 2%, ale w przypadku kolumn o wyjątkowo niskiej sprawności wartość ta spada nawet do 0,1%. W opisach urządzeń i w prospektach nie podaje się jednak sprawności liczonej w procentach a efektywność (często używa się też terminu skuteczność) głośników, przykładowo 90dB/2,83V/1m. Kolumny, o których mówimy w tym miejscu mają efektywności od 82dB do 95dB (20-krotne zwiększenie sprawności jest równoznaczne ze wzrostem efektywności o 13dB). Większość kolumn ma efektywność w zakresie od 86 do 92dB. Jeśli dwukrotne zwiększenie mocy wyrazimy w decybelach to wyniesie ono niemal dokładnie 3dB. Powiedzmy, że wykorzystując 60-watowy wzmacniacz i kolumny o efektywności 86dB użytkownik osiąga satysfakcjonujące poziomy głośności. Po zamianie kolumn na model o efektywności 89dB ten sam efekt będzie można uzyskać przy pomocy wzmacniacza 30-watowego.
Potencjalni użytkownicy kolumn elektrostatycznych, jako bardziej zaawansowani, zapewne znają te zależności, jednak dla porządku trzeba wspomnieć, że zazwyczaj są to kolumny o niewielkiej sprawności. Najczęściej mają one efektywności podobne do mało skutecznych kolumn tradycyjnych.
Wzmacniacze są średnio rzecz biorąc sprawniejsze od głośników, ale tu też powstają straty i energia pobierana z gniazdka jest częściowo zamieniana na ciepło. Sprawności poszczególnych typów układów podaje się zwykle dla najkorzystniejszych przypadków, kiedy wzmacniacze pracują ze swoją maksymalną mocą. Najbardziej sprawne wzmacniacze klasy D mogą uzyskać sprawność powyżej 90%. Popularne wzmacniacze klasy AB wykorzystają zwykle kilkadziesiąt procent energii. Wzmacniacze klasy A są pod tym względem najgorsze i dla wyidealizowanego układu uzyskuje się maksymalną sprawność 25%.
Oczywiście straty powstają nie tylko w stopniach wzmacniających. Energia jest też tracona we wszystkich pozostałych układach jak choćby stabilizatory, a co najistotniejsze także w zasilaczach.
Ciepła traconego we wzmacniaczach i głośnikach nie można lekceważyć. Wszystkie te urządzenia mają swoje ograniczenia termiczne, nadmierna moc zawsze może doprowadzić do uszkodzenia. Dlatego w wielu przypadkach stosowane są specjalne układy zabezpieczające. Ale nawet jeśli tracona energia mieści się w dopuszczalnych granicach, to temperatura pracy wpływa na funkcjonowanie głośników i układów elektronicznych, a w konsekwencji nie jest obojętna dla uzyskiwanych parametrów jakościowych.
Znajomość charakteru sygnału muzycznego ma zasadnicze znaczenie przy projektowaniu sprzętu hi-fi. Dla zrozumienia i określenia potrzeb mocowych jest to również niezbędne.
Jak łatwo można zauważyć większość dźwięków muzycznych leży w zakresie niskich i średnich tonów. W muzyce rockowej maksimum wydzielanej mocy leży zwykle poniżej 1000Hz, czyli w zakresie wyższych dźwięków gitary. Co bardzo ważne, w okolicach 10kHz moce sygnału muzycznego mogą być - i zazwyczaj są - kilkadziesiąt razy mniejsze. W nagraniach klasycznych maksimum przypada na niższych częstotliwościach, najczęściej ok. 500Hz, a spadek na wysokich tonach jest jeszcze szybszy. Zapotrzebowanie na moc na najwyższych częstotliwościach jest znacznie mniejsze od zapotrzebowania całkowitego.
Druga ważna właściwość muzyki to jej zróżnicowanie dynamiczne. Nie chodzi tu o różnicę poziomu między partiami cichymi a głośnymi, lecz o odstęp pomiędzy poziomem średnim a poziomem osiąganym w szczytach. O subiektywnym wrażeniu głośności decyduje średnia moc dźwięku. Jednak przez krótkie ułamki sekund wartość średnia jest znacznie przekraczana. Rozpiętość pomiędzy wartością średnią a szczytową jest co najmniej kilkukrotna i to tylko w nagraniach, które zostały studyjnie skompresowane. Naturalne dźwięki samych instrumentów charakteryzują się jeszcze większą rozpiętością pomiędzy wartością średnią a szczytową. Jest rzeczą całkiem zwyczajną, że średnia moc dostarczana przez wzmacniacz do kolumn wynosi ułamki wata przy cichym słuchaniu, lub kilka-kilkanaście watów przy głośnym. Można się spodziewać, że dla mocy szczytowej 50W moc średnia nie przekroczy 10W.
Prawidłowo skonfigurowany system audio powinien być zdolny do odtworzenia wartości szczytowych bez zniekształceń. Jeśli szczyty sygnału są delikatnie obcięte to takie zniekształcenia są w umiarkowanym stopniu tolerowane przez nasz słuch. Dopiero przy ostrym obcięciu szczytów dźwięk staje się szorstki i zniekształcony. Wcześniej objawy są bardziej subtelne i przybierają postać utraty naturalności brzmienia. Sposób w jaki poszczególne kolumny i wzmacniacze obcinają sygnał przy przesterowaniu nie jest jednakowy. W szczególności wzmacniacze lampowe zachowują się pod tym względem korzystnie.
Opisana charakterystyka sygnałów muzycznych bardzo silnie wpływa na sposób projektowania kolumn. Optymalizacja odprowadzanie ciepła z cewek głośników koliduje z optymalizacją parametrów ściśle akustycznych. Dzięki temu, że moc instrumentów muzycznych spada dla wyższych częstotliwości głośniki wysokotonowe mogą mieć małe rozmiary zoptymalizowane do potrzeb akustycznych i można się pogodzić z faktem, że odbywa się to kosztem zmniejszenia mocy. Generalnie zdolność do odprowadzania ciepła przez głośniki może być dopasowywana do średniej, a nie do szczytowej wartości sygnałów przewidywanych w trakcie normalnej eksploatacji.
Konsekwencją takich praktyk projektowych jest brak odporności kolumn na niektóre sygnały znacznie odbiegające swą naturą od muzyki. Z tego powodu można uszkodzić kolumny dostarczając moc mniejszą od mocy nominalnej. Pierwszym zagrożeniem jest sygnał o energii skupionej na wysokich tonach. Niebezpieczne mogą być sygnały z generatora czy płyt testowych, naturalne sygnały niemuzyczne czy też sygnały o silnie obciętych szczytach. Drugim zagrożeniem jest sytuacja gdy moc średnia jest zbyt bliska mocy szczytowej.
Maksymalna moc, którą mogą przyjąć kolumny jest zależna od okoliczności. Po pierwsze ze względu na sposób nagrzewania się poszczególnych elementów głośnika. Kiedy rozpoczynamy odtwarzać muzykę cewka głośnika nagrzewa się błyskawicznie. Pozostałe części (nabiegunniki, magnesy) są chłodne i ze względu na większą masę nagrzewają się dużo wolniej. Dopóki otoczenie cewki jest zimne, jej chłodzenie jest lepsze. Po długim okresie głośnego słuchania elementy wokół cewki ulegają podgrzaniu i nie odbierają ciepła z cewki tak dobrze. Powoduje to zmniejszenie maksymalnej mocy, którą mogą przyjąć kolumny. Warto o tym pamiętać w czasie głośnej prywatki czy dłuższej sesji odsłuchowej z dużą głośnością.
Pewne znaczenie ma też temperatura otoczenia. W warunkach domowych z reguły nie ulega ona dużym zmianom, ale rozpiętość pomiędzy 18°C a 28°C jest całkiem realna. Wyższa temperatura otoczenia obniży moc tolerowaną przez kolumny.
Pamiętajmy o tym, o czym wspominaliśmy na samym wstępie. Naszym ostatecznym celem nie jest moc elektryczna, ale moc generowanych fal dźwiękowych. Tu mogą też wystąpić ograniczenia narzucone przez konstrukcję mechaniczną głośników, przez wielkość ich membran i zakresy wychyleń. Te ograniczenia mogą się pojawić przy mocy elektrycznej poniżej mocy nominalnej kolumn.
Inaczej niż to jest w głośnikach, dla wzmacniaczy nie ma znaczenia czy odtwarzane są częstotliwości basowe czy wysokie tony. Natomiast różnica pomiędzy mocą średnią a szczytową jest dla wzmacniaczy istotna i wpływa na konstrukcję urządzeń. Korzystnym zjawiskiem jest nadwyżka mocy szczytowej nad mocą średnią. Parametr taki (dynamic headroom, podawany w decybelach) jest nieraz przytaczany i oczywiście im większy tym lepiej. Jego duża wartość pozwala obniżyć wymagania co do mocy nominalnej wzmacniacza.
Oprócz zróżnicowania dynamicznego sygnału bardzo duże znaczenie dla wzmacniacza ma też charakter obciążenia jakim są kolumny. Impedancja kolumn zmienia się zależnie od częstotliwości. Dokładna analiza przebiegów napięcia i prądu na wyjściu wzmacniacza to zagadnienie skomplikowane. Wnioski z tych analiz są jednak stosunkowo proste. Ważną cechą wzmacniacza jest elastyczność, czyli zdolność do dostarczania dużych prądów. Używając pokrętła regulatora głośności nie ustawiamy mocy wyjściowej wzmacniacza, a w każdym bądź razie, nie bezpośrednio. Wielkością zmienianą przez użytkownika jest napięcie. Różne kolumny mogą pobrać różne prądy (i moce) z takiego samego wzmacniacza przy jednakowy ustawieniu wzmocnienia i identycznym źródle. Sama kolumna inaczej zachowuje się w poszczególnych zakresach częstotliwości. Dla pewnych częstotliwości impedancja może wynosić 20Ω, a dla innych 5Ω. Jeśli kolumna nominalnie 8-omowa ma minimalną impedancję 6Ω, to zakłada się, że jest to sytuacja korzystna. Idealny wzmacniacz powinien podwoić prąd wyjściowy przy dwukrotnym spadku impedancji kolumn, zwiększyć prąd trzykrotnie przy trzykrotnym spadku impedancji kolumn i tak dalej. Wzmacniacz 50-watowy przy obciążeniu 8Ω powinien być 100-watowy przy obciążeniu 4Ω. Ideały w technice nie istnieją, ale im urządzenie jest im bliższe, tym lepiej.
Temperatura otoczenia też ma znaczenie dla odprowadzania ciepła. Dodatkowym utrudnieniem może być nagrzanie obudowy wzmacniacza przez promienie słoneczne.
Wszystkie powyższe uwagi dotyczyły fizycznie oddawanej mocy przy pracy systemów audio. Moce podawane w specyfikacjach powstają w wyniku pomiarów wykonywanych przy pomocy standaryzowanych sygnałów, w standardowych warunkach i w standardowych konfiguracjach. Ocena wpływu danych ze specyfikacji na możliwości sprzętu audio nie sprowadza się do prostych porównań par liczb, potrzebna jest dokładniejsza interpretacja.
Bardzo istotny jest też fakt, że moce kolumn i wzmacniaczy są mierzone różnymi metodami, przy pomocy różnych sygnałów pomiarowych.
Nawet jeśli moce podawane w kartach katalogowych są jednakowe, mogą być w rzeczywistości różne. Po pierwsze wynika to z polityki producentów. Niektórzy podają dane techniczne bardzo ostrożnie, ich produkty spełniają je ze sporym zapasem, inne firmy takiego marginesu bezpieczeństwa nie stosują. Pomiary można wykonywać zgodnie z różnymi normami, a ta informacja czasami pozostaje niezuważona. Znajomość różnic pomiędzy normami pomiarowymi też nie jest powszchna.
Dane ze specyfikacji mają jeszcze więcej niedostatków. Wspomnieliśmy wyżej jak istotna jest efektywność kolumn, ale i ten parametr może być podany nieprecyzyjnie, co bezpośrednio rzutuje na wymagany pobór mocy i niestety w tym miejscu powstają istotne przekłamania opisane w tym artykule. To samo dotyczy impedancji kolumn, jeśli jest niższa niż zakładamy to potrzebne będą większe prądy ze wzmacniacza.
Jak widać precyzyjne określenie ścisłych granic możliwości sprzętu nie jest możliwe, w grę wchodzi zbyt wiele czynników. Nadwyżka mocy kolumn zwiększa bezpieczeństwo, ale nie jest to pełna gwarancja bezawaryjności. Dla bezpieczeństwa sprzętu najważniejsze jest jego prawidłowe użytkowanie. Jeśli nie posiadają Państwo szerszej wiedzy technicznej starajcie się ściśle przestrzegać kilku prostych zasad.
• Nie dokonywać połączeń, nie wkładać wtyczek do gniazd, ani ich nie wyjmować, gdy sprzęt jest podłączony do sieci, aby uniknąć podania bardzo dużych sygnałów impulsowych. Nie mylić też gniazd i nie podłączać do nich niewłaściwych urządzeń. Dotyczy to przede wszystkim gniazda gramofonowego, do którego nie należy podłączać odtwarzaczy CD, tunerów, magnetofonów.
• Nie używać niekonwencjonalnych typów sygnału, odmiennych w charakterze od muzyki. Podłączając generatory lub wykorzystując sygnały testowe należy czynić to świadomie, w razie potrzeby po konsultacji z osobą zorientowaną w tej materii. W przypadku sygnałów testowych koniecznie przed odtworzeniem zapoznać się z opisem oraz przestrzegać podanych instrukcji i ostrzeżeń.
• W przypadku wystąpienia słyszalnych zniekształceń jak najszybciej zmniejszyć poziom głośności aż do ich zaniku i nie przekraczać tak ustalonego progu w przyszłości.
• Pamiętać aby pokrętło regulacji głośności przy włączaniu sprzętu lub choćby jednego ze źródeł było w pobliżu początku skali a nie jej końca.
Chociaż uszkodzenia kolumn i wzmacniaczy są możliwe tak jak opisaliśmy wyżej, to jednak trafiają się one rzadko. Czemu tak jest? Producenci sprzętu biorą pod uwagę podane zależności i dopasowują swe produkty do realiów, co w konsekwencji minimalizuje ryzyko ponoszone przez użytkownika.
Znacznie większe jest za to prawdopodobieństwo, że sprzęt nie będzie pracował optymalnie, a jakość dźwięku będzie obniżona z powodu niewłaściwego doboru parametrów. Dlatego sprawdzania mocy, efektywności i impedancji jest potrzebne. Wskazówki dotyczące dopasowania parametrów są podane w innych artykułach naszego poradnika. Do orientacyjnej oceny potrzebnej mocy w pierwszej kolejności polecamy skorzystanie z kalkulatora pod tym adresem. Do oceny prawidłowości konfiguracji naszego sprzętu przydatne jest wykonanie prostych pomiarów zgodnie z opisaną tu procedurą.