Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

3-й эксперимент. Определение относительных мощностей сигнала в частотных диапазонах

К этим пяти жанровым файлам добавили предыдущий сборный файл (он состоит из других песен), который теперь так и называется «Микс». Итого 6 жанров. На этих файлах повторяем предыдущий эксперимент с фильтрами ВЧ и разными частотами среза. Теперь используем только фильтры 2-го порядка Баттервота. И опять представляем результаты в виде графиков относительной мощности, приходящейся на ВЧ динамик после фильтра.

Средняя мощность:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

и максимальная мощность:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Видно, что средние мощности различаются в 1,5-2 раза. Пиковые — еще сильнее. Обратите внимание на среднюю мощность жанра «Разное». Здесь доля ВЧ составляющих наименьшая (и наиболее соответствует стандартам). Провал пиковой мощеости жанра «Разное» между частотами 2 и 3 кГц — это оишбка построения «гладкой» кривой. Там на самом деле никакого провала нет.

Усредняем и «переворачиваем» графики средней мощности. Здесь границы среднего — среднеквадратические отклонения, а не минимум/максимум.

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Как использовать этот график для определения соотношений мощностей динамиков, показано ниже. Хочу напомнить, что это усреднение по сравнительно небольшому количеству песен, поэтому всегда должен быть определенный запас мощности (про который дальше). Итак, для трехполосной системы с частотами раздела 100 Гц и 2,5 кГц по средней мощности:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Ура? Мы победили? К сожалению, не все так просто. Читаем дальше.

Полученная ранее кривая распределения мощности, приходящейся на динамики, выглядит красиво, весомо и «академично». У нее есть только один недостаток — она усредненная. То есть, она достоверно отражает все реалии жизни, но лишь в среднем. (Это примерно как средняя температура по больничной палате).

Пришла пора рассмотреть, как влияет разброс спектров разных музык на наши результаты.

4-й эксперимент. Учет влияния различий спектров на распределение мощностей динамиков

Теперь рассматриваем исходные музыкальные файлы поотдельности, не объединяя их в один общий файл, и для каждого из них строим упомянутую выше зависимость. Для экономии времени, я обработал не все файлы, а по 3-5 каждого жанра. Принималась в расчет только средняя мощность, но и при этом результаты сильно различаются не только от жанра к жанру, но и внутри каждого из них:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналовРаспределение мощности в спектрах музыкальных сигналов
Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналовРаспределение мощности в спектрах музыкальных сигналов
Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналовРаспределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Последний («Обобщенный») график собирает все зависимости «до кучи», позволяя воочию увидеть жуткий разброд, царящий в спектрах. Тонкой красной линией на графике показана усредненная зависимость, полученная ранее.

Если хорошо приглядеться, то видно, что красная усредненная линия идет бок о бок с черной, соответствующей какому-то музыкальному произведению. Это «Once In A Blue Moon» группы Arabesque, имеющая спектр, наиболее близкий к среднему. Такое совпадение получилось чисто случайно, поскольку ничем особенным эта песня не выделяется.

Повторим обобщенный график уже в большем масштабе. Для наглядности крайние линии я сделал потолще, чтобы ограничить область, внутри которой лежат все кривые. Жуть — в диапазоне до 200 Гц может лежать от 20% до 70% всей мощности сигнала!

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Теперь посмотрим, как правильно пользоваться этим графиком. Поскольку музыку мы слушаем разную, всегда нужно ориентироваться на худшую ситуацию (или рискуете спалить динамики). Для трехполосной системы с частотами раздела 300 Гц и 3 кГц получаем:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Интересно, что сумма относительных мощностей динамиков составляет 78 + 75 + 30 = 183%. Это означает, что суммарная мощность головок громкоговорителей больше мощности усилителя почти в два раза. Не нравится? Не пользуйтесь. Только в этом случае я рекомендую не включать звук на полную громкость.

А мы идем дальше. А дальше — еще хуже!

5-й эксперимент. Учет влияния регуляторов тембра

Большинство усилителей имеют регуляторы тембра или разного рода эквалайзеры, которые позволяют поднимать и опускать уровень высоких и низких частот. И большинство людей ими пользуются (и я в том числе). Вот такая получается АЧХ, если поднять одновременно тембры как НЧ, так и ВЧ. Причем уровень + 8 дБ является не таким уж большим. Бывает и больше.

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Посмотрим, как влияет регулировка тембра на спектр сигнала. Из рисунка, уже приводившегося на странице 2, оставляем три графика. Один наиболее типичный (он имеет синий цвет) и два других, содержащих большое количество низких и/или высоких частот — для сравнения. Пропустим наш «типичный» файл через темброблок с поднятыми ВЧ и НЧ тембрами и посмотрим, каким он (сигнал) стал (синий пунктир на графике).

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Того, что уровень высоких и низких частот увеличится и следовало ожидать (а стандарт DIN отался вообще далеко внизу…). Но интересно — в области низких частот синий пунктир практически не превышает ни красную, ни зеленую линии. То есть в средней песне увеличение содержания низких частот при помощи регулятора тембра не создает ничего такого, чего в реальной жизни не бывает. А вот на высоких дела обстоят совсем по другому: уровень высоких теперь здОрово превышает соответствующие значения рефренсных кривых. (Повторяю, это так изначально и задумывалось: берем средненький сигнал и пропускаем через темброблок. При этом уровень низких остается в пределах естественного разброса, а уровень высоких становится заметно больше наибольшего, т.е. неестественно большим ).

Вывод — подъем высоких частот сильнее сказывается на распределении мощностей, чем подъем низких.

График в виде, пригодном к применению:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Выходит, если мы делаем двухполосную колонку с частотой раздела 3 кГц, то соотношения мощностей динамиков получаются:

  1. По семейству кривых находим долю НЧ = 95% и долю ВЧ = 30%.
  2. С учетом регулировки тембра по низким или высоким поотдельности (менее вероятный случай), доля НЧ = 95 х 93 / 90 = 98%; при этом доля ВЧ = 30 х 90 / 75 = 36%
  3. С учетом регулировки тембра и по низким и по высоким одновременно (более вероятный случай), доля НЧ = 95 х 82 / 90 = 87%; доля ВЧ = 30 х 90 / 82 = 33%

Исходя из того, что я являюсь врожденным реалистом (слухи о моем пессимизме — это все происки недоброжелателей), выбираю результаты, соответствующие наихудшим случаям:

  • Мощность НЧ громкоговорителя составляет 98% от паспортной мощности колонки;
  • Мощность ВЧ громкоговорителя составляет 36% мощности.

Ну теперь-то, наконец, все? А вот и нет.

Мы остановились на том, что рассчитали мощности динамиков двухполосной колонки, и они составили 98% от мощности усилителя для НЧ динамика и 36% для ВЧ динамика. Посмотрим, можно ли эти проценты как-нибудь уменьшить. (Самый простой способ — не включать громко усилитель, но кто ж согласится!)

А после этого откроем одну страшную тайну (ну на самом деле совсем не тайну и не очень-то и страшную).

6-й эксперимент. Соотношения между средней и максимальной мощностями

Сейчас мы вступаем на очень скользкую почву — мы будем говорить об усилителях мощности. Проблема в том, что такой простой параметр, как выходная мощность, является одной из важнейших рекламных характеристик. Усилители продают на ватты, и чем в них этих самых ваттов больше, тем большую цену на них можно установить. Поэтому выходная мощность становится предметом различных спекуляций, подтасовок, и недобросовестных методов измерения.

Наверное все хоть раз видели малогабаритные магнитолы с яркими наклейками «1200 W». Многоканальный ресивер одной уважаемой фирмы (я не буду говорить какой именно, а то остальные обидятся — ведь у них все то же самое) имеет 5 каналов по 100 Вт. При этом мощность блока питания всего 240 Вт (а никто и не обещал, что все каналы будут играть одновременно! А каждый из них поотдельности по 100 Вт честно отдает — я проверял).

Поэтому мне больше по душе старые советские ГОСТы, где было четко прописано, как, что и в каких условиях измерять.

Чтобы как-то определиться, давайте посмотрим на осциллограмму звукового сигнала и договоримся о терминологии (горизонтальные линии мощностей на графике проведены «от фонаря», лишь для иллюстрации):

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Амплитуда сигнала меняется в очень широких пределах. Но при этом можно выделить три класса знчений:

  • Максимальная импульсная мощность (это та самая РМРО, которую так любят использовать noname производители (кстати, они и ее измеряют и указывают неправильно). Представляет собой импульс очень малой длительности, и большой амплитуды. От усилителя требуется его хоть как-то, но воспроизвести. Как именно и с какими искажениями — неважно, поскольку на сознательном уровне он не воспринимается. А вот отсутствие этого всплеска воспринимается как нечто неправильное, зажатость, отсутствие легкости звука и т.п. Ввиду своей кратковременности, этот всплеск на нагрузку не влияет, а значит он нам сейчас не нужен.
  • Максимальная мощность — это самая большая мощность, которую усилитель способен отдавать в течение длительного времени и с допустимым уровнем искажений. Наиболее правильно измерять ее на синусоидальном сигнале. Обычно именно она указана в его паспорте. При этом усилитель способен выдать и несколько (но ненамного) бОльшую мощность, но на короткое время и с гораздо бОльшими искажениями, особенно на реальной музыке, которая играет «то громче, то тише». Тогда на непродолжительные моменты выходная мощность может заметно превышать максимальную синусоидальную. Если подключить к выходу усилителя вместо колонки подходящую лампу накаливания и включить музыку на полную громкость, то лампа будет гореть с переменной яркостью (мигать в такт музыке). При этом моменты, когда яркость лампы максимальна и есть эта самая максимальная мощность. (Интересно, что эти моменты могут и не совпадать с субьективными ощущениями максимальной громкости). Эти моменты достаточно кратковременны, чтобы вызвать сильный перегрев динамиков.
  • Средняя мощность — получается усреднением сигнала по всей песне. В нашем примере это средняя яркость свечения лампы.

Очевидно, что лампа не все время светит в полный накал. Поэтому, если мы подключим к усилителю лампу несколько меньшей мощности, чем нужно (правильнее было бы меньшего напряжения), то она будет работать и не сгорит, хотя раскаляться будет сильнее.

Аналогия с лампой накаливания поможет пояснить, как же все-таки снизить мощность динамиков: берем динамики мощности настолько меньшей, насколько средняя мощность меньше максимальной.

Отношения мощностей приведены в таблице. Для НЧ/СЧ динамиков используется левая часть («Весь спектр»), для ВЧ динамиков — правая («Фильтрованный…»).

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Итак для нашего примера (я, как мы помним, реалист, и беру минимальные значения, оптимисты могут взять средние, максимальные лучше не использовать во избежание…) :

Мощность НЧ = 98% / 1,85 = 53%

Мощность ВЧ = 36% / 3,16 = 11,4%

Нужно ли так поступать? Решайте сами. Здесь все очень сильно зависит от поставленых целей. Если нужно сделать максимально надежную систему, то нет. Если максимально дешевую — то да.

С точки зрения качества звучания предпочтение все же следует отдавать более мощным динамикам. Те мощности, которые указываются производителями как номинальные, являются на деле долговременными — то есть такими, которые выдерживаются длительное время без разрушений. О качестве при этом уже говорить не приходится — все динамики давно вышли из диапазона своих линейных ходов диффузора. Кстати, некоторые производители кроме долговременной мощности, соствляющей подчас сотни ватт, указывают рабочую (operating) мощность, равную 5-20 Вт!

По мнению автора, для действительно высококачественного звучания мощность применяемых динамиков нужно еще больше повышать, а не пытаться уменьшить. Это вызвано тем, что современные усилители дают низкий уровень искажений для всех значений выходной мощности, вплоть до максимальной. А область качественного звучания практически всех динамиков не превышает 1/3 от их долговременной мощности, по которой и ведутся расчеты в этой статье. И на большой громкости именно динамики начинают вносить наибольшие искажения во всей звуковоспроизводящей системе.

И совсем уже «на всякий случай» напомню, что при ограничении усилителем сигнала (клиппинге) образуется много высокочастотных спектральных составляющих, не улучшающих жизнь ВЧ динамику, а совсем даже ухудшающих, что снова заставляет вспомнить о его запасе мощности.

Ну а теперь — обещаные ужасы

А вы знаете, что мощность, написанная в паспорте ВЧ динамиков не является их реальной мощностью?

Это мощность сигнала со спектром, соответствующим распределению DIN (или IEC), подводимая ко входу фильтра ВЧ 2-го порядка, к выходу которого подключен динамик. Для примера привожу выдержку из паспорта:

Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Тут черным по белому, английским языком написано, что долговременная мощность динамика 80 Ватт при включении через фильтр ВЧ 2-го порядка с характеристикой Баттервота и частотой среза 5 кГц. (Кстати, обратите внимание на величину operating power). На фильтр подается сигнал со спектром IEC 268-5.

Хорошо это, или плохо?

Хорошо с той точки зрения, что приводится сразу мощность усилителя, к которому динамик подключен. Т.е. 80 ватный — нормально, 150 ватный — сгорит. И можно проще подобрать НЧ, СЧ и ВЧ динамики, соответствующие друг-другу по мощности.

Плохо сразу по двум причинам:

1. Это все так, если динамик в колонке подключен через такой же точно фильтр, какой описан в паспорте. А если частота среза другая? Не 5 кГц, а, например, 3,5 кГц? Ясно, что подаваемую мощность нужно снижать, но вот насколько?

2. А если воспроизводимый сигнал отличается от стандартного IEC? А он отличается! (см. например всю эту статью). И сильно!

И что тогда делать? Как увязать результаты нашего расчета в приведенном выше примере с этим конкретным динамиком?

Вот тут поможет эта программа.

Программа для расчета соотношения мощностей динамиков, включенных через фильтры

Она позволяет расчитать реальную электрическую мощность динамика по его паспортной, а также определить соотношение мощностей динамиков колонки примерно так, как это делали мы.

Данная программа сопровождается пояснениями и примерами по ее использованию, являющимися по сути дополнениями к этой статье. Интересно, что мощность СЧ динамика, вычисляемая по графикам, получается заметно завышенной. Какая она на самом деле? Сходите по ссылке!

Воспользуемся программой, и определим, что реальная мощность динамика Seas H737 составляет 4,3 Вт !!!

Тогда, если вспомнить, что его мощность это 11,4% от мощности усилителя, последняя не должна превышать:

Русил = 4,3 х 100% / 11,4% = 37,7 Вт

Это при частоте раздела кроссовера колонки 3,5 кГц. Хотите больше — увеличивайте частоту раздела или берите другой динамик. Хотя, если посчитать все по средним значениям, допустимая мощность усилителя получится больше (у меня получилось 270 Вт, но боюсь, что, устроив дискотеку, при каком-нибудь особо громком звуке я рискую остаться без пищалок).

04.12.2005

Вернуться в начало

Total Page Visits: 13351 - Today Page Visits: 1