Звуковые стандарты акустических систем
Не существует строгой физической модели, способной более или менее точно описать восприятие человеком звука. Да, вообще, что такое «звук»? По науке – просто набор перепадов давления в атмосфере. Но восприятие не ограничивается только воздухом, организм прекрасно чувствует и вибрацию, мозг создаёт единую картину, описать которую приборы не в состоянии. Змеи – вовсе обходятся без барабанных перепонок: просто ощущая колебания почвы, они способны определить и дистанцию до объекта, и приблизительный вес, принимая решение – добыча это, или опасность, атаковать или удирать. Глухие композиторы писали и пишут музыку. Однако, необходимы ведь какие-то характеристики для объективной оценки звукового оборудования.
Одним из основных показателей звуковой аппаратуры является мощность . Казалось бы, ну мощность и мощность. Ан нет. Всё зависит от способа измерения. И единого стандарта нет. Каждый производитель пишет, что хочет. Возможны недоразумения.
В России технические параметры описываются ГОСТ 23262-88 «Системы акустические бытовые. Общие технические условия». В руководстве по эксплуатации (по стандарту РД 50-669-88 «Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Требования к построению, изложению и оформлению инструкции по ремонту и руководства по эксплуатации»), в частности, должны быть указаны предельные кратковременная и долговременная мощности усилителя , к которому может быть подключена акустическая система. Для акустических систем обязательны к указанию предельная долговременная мощность и номинальное электрическое сопротивление. Средняя наработка на отказ не должна быть менее 11 000 часов. Требования данного ГОСТа не распространяются на активные акустические системы, встроенные в технику громкоговорители, автомобильные колонки и т.п.
С электрическим сопротивлением всё понятно: ГОСТом предусмотрены 4,8 и 16 Ом. В буржуйской акустике используются ещё 2 и 6 Ом. Интересные фокусы начинаются с определением мощности.
ГОСТ 16122-87 «Громкоговорители. Методы измерения электроакустических параметров» определяет основные характеристики звуковых систем. Стандарт распространяется на пассивные громкоговорители, пассивные части активных громкоговорителей, применяемые в радиоэлектронной аппаратуре, и устанавливает методы их электроакустических измерений.
Номинальная мощность определяется как та максимальная мощность, при которой параметры прибора соответствуют параметрам, заявленным производителем, в течение всего срока службы. ГОСТы только частично регламентируют условия испытаний. Испытания проводятся по техническим условиям (ТУ) самого же производителя . Результат – измерения происходят в оптимальных условиях, в оптимальном диапазоне частот, где искажения минимальны. Типичная советская показуха, мало имеющая отношения к реальности. Это относится одинаково к усилителям и акустическим системам.
Предельная шумовая мощность – максимальная мощность, не приводящая к повреждению прибора при подаче сигнала шума в течение 100 часов. Испытания проводятся не менее 14 часов за сутки, после – сутки выдержки. Применяются розовый и белый шумы. Результат признаётся положительным, если после испытаний электроакустические параметры сохраняют соответствие ТУ.
Предельная синусоидальная мощность – максимальная электрическая мощность, не приводящая к повреждению прибора при подаче синусоидального сигнала в течение 1 часа на каждой из приведённых в ТУ частотах. После этого прибор выдерживается не менее 5 минут. Результат признаётся положительным при отсутствии дребезжаний в эффективном диапазоне частот.
Предельная долговременная мощность – максимальная электрическая мощность розового или белого шума, не приводящая к повреждению прибора в течение 1 минуты. Испытания повторяются 10 раз с интервалом 2 минуты. Результат признаётся положительным при отсутствии дребезжаний в эффективном диапазоне частот.
Предельная кратковременная мощность – максимальная электрическая мощность розового или белого шума, которую способен выдержать прибор без повреждений в течение 1 секунды. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Результат признаётся положительным при отсутствии дребезжаний в эффективном диапазоне частот.
Вообще говоря, ГОСТ предусматривает испытания на определение предельных напряжений, а не мощностей. Величины соответствующих мощностей рассчитываются отношением квадратов напряжений к номинальному сопротивлению. Значение номинального сопротивления оговаривается ТУ.
Чаще используются понятия номинальной и предельной синусоидальной мощностей. Значения синусоидальной мощности для одинаковой акустики будут в 2…3 раза выше номинальных. 35АС, она же S -90: в первом обозначении указана номинальная мощность, во втором – предельная синусоидальная. В коммерческих интересах, как правило, упоминают последнюю.
Аналогичные импортные параметры устанавливаются DIN 45500, IEC 60268-5.
DIN POWER – максимальная электрическая мощность на нагрузке (для усилителя) или подводимая к ней (для акустических систем) при указанных нелинейных искажениях ( THD ). Испытания проводятся сигналом 1кГц в течение 10 минут, искажения при этом не должны превышать 1%. Приблизительно соответствует предельной синусоидальной мощности.
RMS (Root Mean Squared) – среднеквадратичное значение электрической мощности при THD, не превышающих 10%, и сигнале 1кГц. Как правило, выше DIN POWER на 20…30%. Следует отметить, что среднеквадратичные и, вообще, средние величины малопригодны для описания акустики: человек гораздо лучше воспринимает как раз амплитудные значения звуковой волны. А транзисторные усилители выводят из строя не средние, а пиковые значения сигнала.
PMPO (Peak Music Power Output) . По идее – кратковременная пиковая допустимая мощность, которую выдерживает прибор. Как измеряется – неизвестно. Что означает – неизвестно. Единственный способ прикинуть реальные возможности – найти подходящий по размером прибор с известным DIN и разделить его мощность на 2-3: нормальный производитель никаких PMPO указывать не станет. Это дешёвый трюк просто.
ГОСТ 16122-87 также устанавливает и другие параметры. Среди них и часто встречающиеся в описании приборов:
Номинально электрическое сопротивление – задаваемое ТУ активное сопротивление
Звуковое давление (в иномарках SPL , максимальное звуковое давление)
Чувствительность (характеристическая) – соответствует среднему звуковому давлению, измеренному на расстоянии 1 метр при нагрузке прибора мощностью в 1 Вт
Частотные характеристики – зависимость звукового давления от частоты
Эффективный рабочий диапазон частот – максимальный интервал частот, в котором частотная характеристика звукового давления не выходит за пределы допусков
Динамический диапазон – разность между пиковым уровнем звука и уровнем шума (в децибелах)
Диаграмма направленности – графическая зависимость в условиях свободного поля уровня звукового давления для данных частоты или полосы частот и расстояния до центра громкоговорителя от угла между рабочей осью и направлением в точку измерения.
Hi — Fi . В XIX веке эталоном звукозаписи считалась запись, на которой собака узнавала голос хозяина. Всегда ценилась именно точность передачи аппаратурой живого звука. Отсюда и родилось выражение «High Fidelity» – то есть, «высокая верность». В 1973 году выражение приобрело конкретную форму – стандарт DIN 45000.
В то время этому стандарту соответствовали лучшие образцы звукового оборудования. Стандарт действует и сейчас, хотя потерял значение «планки» для суперкачественных изделий. Хотя многие современные изделия не удовлетворяют и ему. Абсолютно точно те, для которых в качестве мощности указана РМРО.
Считается, что к Hi-Fi классу относятся изделия, подходящие под требования одного из следующих, более современных, стандартов: DIN 45500, IEC 60581, ГОСТ 24388-88. А так, вообще – просто качественное оборудование.
Hi — End («выше некуда»). Звуковые системы этого класса отличаются выпуском малыми партиями или даже вовсе оригинальными комплектами. А, заодно, заоблачной стоимостью. По минимуму, готовый комплект с обязательной установкой на месте будущей эксплуатации обойдётся в 15-20 тысяч $. Но и звук будет гарантированно отличный. Верхнего предела цен на подобную аппаратуру вовсе не существует.
Очевидно, ключ к успеху лежит не столько в качестве отдельных приборов (хотя оно, безусловно, высочайшее), сколько в их согласовании. Немаловажную роль играет и профессиональная инсталляция оборудования. В случае Hi-End оборудования речь не может идти об отдельном устройстве – эффективен только комплект. Приходит мысль, что подобранный с такой же тщательностью комплекс из серийных качественных моделей, уступит несильно.
Источник
Особенности стандартов, описывающих мощность в звукотехнике
Многим иногда приходилось задумываться, что же именно обозначает мощность, в том или ином виде приводимая в паспортах акустических систем и звукоусилительной аппаратуры. Материалов на эту тему в сети и печатных изданиях встречается на удивление мало, внятных ответов на вопросы тоже.
Попытаюсь хоть как-то уменьшить число белых пятен в этой области. Некоторые, более точные описания определений возникли у меня в диалоге, при попытке лучше объяснить собеседнику их смысл. Часть своих определений я попросту вытащил из конференции, где многократно уже пытался дать доступные ответы на подобные вопросы, попутно шлифуя тексты своих ответов.
Международные стандарты
RMS (Root Mean Squared) — среднеквадратичное значение мощности, ограниченной заданными нелинейными искажениями.
Мощность замеряется синусоидальным сигналом на частоте 1 кГц при достижении 10% THD. Она вычисляется, как произведение среднеквадратичных значений напряжения и тока при эквивалентном количестве теплоты, создаваемой постоянным током. То есть, эта мощность численно равна квадратному корню из произведения квадратов усредненных величин напряжения и тока.
Для синусоидального сигнала среднеквадратичное значение меньше амплитудного в V2 раз (× 0,707). Вообще же, это виртуальная величина, термин «среднеквадратичный», строго говоря, может быть применен к напряжению или силе тока, но не к мощности. Известный аналог — действующее значение (все знают его для сети электропитания переменным током — это те самые 220 В для России).
Попробую объяснить, почему это понятие для описания звуковых характеристик малоинформативно. Среднеквадратичная мощность — это производящая работу. То есть, имеет смысл в электротехнике. И относится не обязательно к синусоиде. В случае музыкальных сигналов громкие звуки мы слышим лучше, чем слабые. И на органы слуха воздействуют больше амплитудные значения, а не среднеквадратичные. То есть громкость не эквивалентна мощности. Поэтому среднеквадратичные значения имеют смысл в электросчетчике, а вот амплитудные в музыке. Еще более популистский пример — АЧХ. Провалы АЧХ заметны меньше, чем пики. То есть громкие звуки более информативны, чем тихие, а усредненное значение будет мало о чем говорить.
Таким образом, стандарт RMS был одной из не самых удачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры, которые не отражают громкость, как величину.
В усилителях и акустике этот параметр тоже, по сути, имеет весьма ограниченное применение — усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности (когда возникает клиппинг, ограничение амплитуды усиливаемого сигнала с возникающими специфическими динамическими искажениями), еще поискать. До достижения максимальной мощности искажения транзисторных усилителей, например, не превышают зачастую сотых долей процента, а уж выше резко возрастают (нештатный режим). Многие акустические системы при длительной работе с таким уровнем искажений уже способны выйти из строя.
Для совсем уж дешевой техники указывается другая величина — PMPO, совсем уж бессмысленный и никем не нормированный параметр, а значит, друзья-китайцы измеряют его так, как бог на душу положит. Если точнее, в попугаях, причем каждый в своих. Значения PMPO часто превышают номинальные вплоть до коэффициента 20.
PMPO (Peak Music Power Output) — пиковая кратковременная музыкальная мощность, величина, которая означает максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений вообще за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS, но, вообще, не нормировано).
Как следует из описания, параметр еще более виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Посоветую эти значения не воспринимать всерьез и на них не ориентироваться. Если вас угораздило покупать аппаратуру с параметрами мощности, указанными только, как PMPO, то единственный совет — послушать самостоятельно и определить, подходит это вам или нет.
DIN 45500 — комплекс общепринятых стандартов IEEE, описывающих различные звукоусилительные характеристики аппаратуры более достоверным образом.
DIN POWER — значение выдаваемой на реальной нагрузке (для усилителя) или подводимой (к АС) мощности, ограниченной нелинейными искажениями.
Измеряется подачей сигнала с частотой 1 кГц на вход устройства в течение 10 минут. Мощность замеряется при достижении 1 % THD (нелинейных искажений).
Строго говоря, есть и другие виды измерений, например, DIN MUSIC POWER, описывающая мощность уже музыкального сигнала. Обычно указываемая величина DIN music выше, чем приводимая как DIN.
Информации по данному стандарту у меня немного, привожу только то, что удалось собрать.
Отечественные стандарты
Номинальная мощность (ГОСТ 23262-88) — величина искусственная, она оставляет свободу выбора изготовителю. Разработчик волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Указывается как у АС, так и у усилителей.
Иногда это приводило к парадоксам — при искажениях типа «ступенька», возникающих в усилителях класса АВ на малых уровнях громкости, уровень искажений мог снижаться при увеличении выходной мощности сигнала до номинальной. Таким образом достигались рекордные номинальные характеристики в паспортах усилителей, с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя. Тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5–15% от максимальной мощности усилителя. Вероятно, поэтому российские усилители заметно проигрывали на слух западным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости, тогда как в СССР шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.
Паспортная шумовая мощность — электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов.
Максимальная кратковременная мощность — электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжаний) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации.
Максимальная долговременная мощность — электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.
Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).
Общая терминология
Розовый шум (используемый в этих испытаниях) — группа сигналов со случайным характером и равномерной спектральной плотностью распределения по частотам, убывающей с увеличением частоты со спадом 3 дБ на октаву во всем диапазоне измерений, с зависимостью среднего уровня от частоты в виде 1/f. Розовый шум имеет постоянную (по времени) энергию на любом из участков частотной полосы.
Белый шум — группа сигналов со случайным характером и равномерной и постоянной спектральной плотностью распределения по частотам. Белый шум имеет одинаковую энергию на любом из участков частот.
Октава. Музыкальная полоса частот, соотношение крайних частот которой равно 2.
Электрическая мощность. Мощность, рассеиваемая на омическом эквивалентном сопротивлении, равном по величине номинальному электрическому сопротивлению АС, при напряжении, равном напряжению на зажимах АС. То есть, на сопротивлении, эмулирующем реальную нагрузку в тех же условиях.
Источник