Что такое чувствительность акустической системы
Что такое чувствительность колонок и на что влияет?
Всем привет! В сегодняшнем посте разберем такой параметр как чувствительность колонок: что это такое, на что влияет и насколько она важна с точки зрения эксплуатации.
Что это за параметр у акустических систем
Сложно спорить с тем, что качество звука – понятие субъективное. Например, потребляемую мощность в ваттах или создаваемое звуковое давление в децибелах еще можно измерить – пускай даже в специальной лаборатории.
Качество аудио звука – характеристика относительная. Измерить ее невозможно: нет ни эталонных единиц, которые можно хранить в плане мер и весов, ни приборов, фиксирующих субъективные ощущения слушателя.
Это иногда становится причиной сетевых споров на компьютерных форумах или аудиофильских сайтах. Для непритязательного пользователя, да еще и туговатого на ухо, даже самые дешевые китайские офисные «пищалки» могут звучать божественно.
Для человека с тонкой душевной организацией и абсолютным музыкальным слухом даже дорогущая квадросистема для ПК – «не очень», ведь можно и лучше.
На качество воспроизведения существенно влияет такая характеристика как чувствительность. Это – параметр, определяющий КПД излучателей.
Чувствительность звуковой колонки характеризуется как отношение звукового давления, создаваемого на определенном частотном диапазоне, при расстоянии до рабочей поверхности 1 м, при мощности 1 Вт. Измеряется этот параметр в децибелах.
Грубо говоря, колонка с высокой чувствительностью будет звучать громче колонки с низкой, при одинаковом входном сигнале.
Какая должна быть чувствительность колонки
Сегодня чувствительность менее 85 Дб можно встретить на некачественных «паленых» колонках, производимых в наполовину кустарных условиях. С другой стороны, выше 95 Дб – это уже удел аудиосистем класса Hi-Fi, которые и стоят соответственно.
В среднем, 90 дб, 91 дб или 92 дб – не слишком большая разница в параметрах и вполне приличный показатель для домашней стереосистемы.
Способы увеличения чувствительности
Итак, с тем, чувствительность в дб — что это, мы разобрались, как и с тем, для акустических динамиков дб, какое лучше. Осталось выяснить, как можно повысить чувствительность акустической системы, в том числе своими руками.
Так как любая колонка – электро-механический-акустический преобразователь, увеличить общий КПД такой системы можно на каждом из этапов.
Коэффициент электромеханической связи излучателя
Этот коэффициент, который обозначается BL, зависит от индукции в зазоре и длины проводников в нем – тех, на которые действует магнитное поле. Индукцию можно увеличить, повысив силу или количество магнитов, или уменьшив магнитный зазор в любой из плоскостей.
Прибавка к длине проводника возможна при наращивании количества витков катушки, что ведет к ее увеличению по диаметру. 
Если увеличивать эти показатели, не корректируя прочие параметры, растет чувствительность на средних и высоких частотах. НЧ остаются без изменений, поэтому данный метод для таких динамиков не подходит.
Масса подвижных частей
Снизив вес мембраны и прочих подвижных частей излучателя, можно добиться того, что она создаст большее звуковое давление, при меньшем прилагаемом усилии. Однако с улучшением таких характеристик, система в целом становится менее прочной и ее жесткость снижается.
При сильных перегрузках возможны существенные искажения звука и даже выход системы из строя. Кроме того, конструкторы ограничены используемыми материалами и технологиями: снижать массу бесконечно невозможно, не теряя при этом в прочих характеристиках.
Возможно, в будущем появятся более совершенные технологии, которые позволят создавать очень мощные колонки небольших габаритов.
Площадь излучателей
При увеличении площади диффузора, увеличивается его чувствительность. При этом снижается прочность конструкции в целом и наблюдаются искажения на высоких частотах.
Трансформация в рупор
С помощью такого способа можно заставить небольшой легкий динамик выдавать приличное звучание на низких частотах. Однако чтобы создать корпус подходящей формы, требуются серьезные познания в акустике – при несоответствии, никакого эффекта добиться не получится.
Способ самый наименее затратный, в плане расхода материалов, но самый дорогостоящий, с точки зрения разработки соответствующей конструкции.
Как видите, любой из способов увеличения чувствительности динамиков требует от пользователя «танцев с бубном» для достижения эффекта – не так то просто переделать даже конструкционно несложный динамик, согласно собственным потребностям.
В ряде случаев проще сразу купить хорошую акустическую систему, чем пытаться усовершенствовать некачественную. С другой стороны, это широкое поле деятельности для разного рода экспериментов, особенно если вы знаете в этом толк.
О том, что такое частотный диапазон в акустических колонках и какой показатель лучше, рекомендую почитать здесь — очень пригодиться при выборе.
Также советую ознакомиться с публикациями «Какие бывают разъемы для подключения колонок» и «От чего фонит акустическая система». Буду признателен каждому персонально, кто поделится этой статьей в социальных сетях. До завтра, пока!
Подробная расшифровка некоторых характеристик акустики
Мощность
Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт это совсем не громкость звука, издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).
Таким образом, мощность акустической системы — это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом — благодаря высокому уровню искажений, на втором — благодаря нештатному режиму работы колонки.
Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:
RMS ( Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.
PMPO (Peak Music Power Output пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе — активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).
Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.
Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» нулевая.
Чувствительность
Чувствительность один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.
Чувствительность характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.
Нелинейные искажения, коэффициент гармоник
Кг коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.
Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.
Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.
Полное электрическое сопротивление, импеданс
Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.
Импеданс (impedans) это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.
В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.
Корпус колонки, акустическое оформление
Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.
Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.
Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.
Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.
Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.
Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.
Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.
Акустические системы: читаем технические характеристики (часть 6)
Тем, кто видит характеристики акустических систем впервые и никогда раньше не сталкивался со всем этим набором информации, можно только посочувствовать. На первый взгляд, все сложно. Хотя с другой стороны, для того, чтобы разобраться, вполне достаточно знания школьного курса физики.
Сохранить и прочитать потом —
Наверное, все упростится, если прокомментировать по порядку реальный набор характеристик, который, кстати, я бы рекомендовал получать из фирменного документа под названием Info Sheet — Информационный лист. Такой PDF-файл можно скачать на сайте практически любого изготовителя акустики для практически любой его модели. Именно там, как правило, все описывается наиболее коротко и ясно.
Сопротивление или импеданс
Итак, по порядку. Сопротивление или импеданс. В одних случаях указывается одно, в других — другое, и в этом есть определенное лукавство. Да, если подсоединить омметр к клеммам акустического кабеля, мы получим требуемые 4, 6 или 8 Ом с точностью ±10%. Только вот беда, это измерение некорректно: мы используем постоянный ток, а нас интересует сопротивление переменному току в звуковом диапазоне частот. И заметим: голосовая катушка динамика по определению не может иметь линейное (не зависящее от частоты) электрическое сопротивление — ведь это индуктивность! А если учесть, что у динамика есть резонансные частоты, и в составе колонки таких динамиков несколько, плюс все это объединяет и вовсе нелинейная схема кроссовера, то измеренное нами сопротивление постоянному току становится просто ориентировочной цифрой.
График замера импеданса (сопротивления)
Корректным параметром становится импеданс, под которым, как правило, имеется в виду сопротивление переменному току — в нашем случае различное на разных частотах. Чаще всего, он представляется в виде графика такой зависимости. В серьезных моделях колонок такой график часто прилагается. Для колонок сопротивлением 8 Ом на определенных частотах импеданс может «проседать» втрое — скажем, до 2-3 Ом — и это способно стать серьезной проблемой для работы подключенного к колонке усилителя. Более-менее ровная кривая импеданса у многополосной системы — признак серьезного уровня разработки АС.
Диапазон воспроизводимых частот
Следующий параметр — диапазон воспроизводимых частот. Если в этом пункте указано что-то типа «35 Гц – 25 кГц» — и все, то в этом случае я рекомендую сразу воскликнуть что-то типа режиссерского «Не верю!». Поскольку перед нами — очередное лукавство, и у продавцов недорогих систем оно встречается довольно часто. Да, наша колонка может воспроизводить 35 герц. Но на этой частоте ее чувствительность (о которой, в данном случае, изготовитель скромно умолчал) может быть очень небольшой. В результате в этом месте (оно называется нижний предел) частотная характеристика может иметь «завал» — спад децибел на 20. А это, в свою очередь, означает, что на этой заветной низкой частоте, которая так важна для воспроизведения «панча», колонка звучит, по ощущениям, тише раза в 3-4. То есть, практически молчит. То же самое касается и верхней граничной частоты диапазона.
Пример измерения АЧХ акустики
Корректно диапазон частот, указанный в технических характеристиках, будет выглядеть только в сочетании с показателем неравномерности частотной характеристики в децибелах во всем этом диапазоне. И данные типа «диапазон частот 35 Гц – 25 кГц при неравномерности ±3 децибела» сразу же вызывают уважение и серьезное отношение к продукту. Оптимально, если в документации эти данные проиллюстрированы графиком АЧХ — амплитудно-частотной характеристики, где по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной — звуковое давление.
Важным, хотя и не так часто встречающимся, является указание диапазона частот и его неравномерности при отклонении от оси на угол, как правило, 15-30 градусов. Этот параметр позволяет оценить, насколько широка направленность звучания колонок. От нее, в частности, зависит величина «пятна» объемного звучания — области, в которой слушатели получат качественный пространственный эффект. От этого, в свою очередь, зависит, сколько «посадочных мест» может располагаться в образованном новыми колонками зрительном зале в условиях конкретной комнаты, что особенно важно не только для классического стерео, но и при использования акустики в системах домашнего кинотеатра.
Чувствительность
В связи со всем вышесказанным, перейдем и к параметру «чувствительность». Она измеряется в децибелах. Этот показатель, в какой-то степени указывает на степень совершенства нашей колонки. Практически это — ее КПД, коэффициент полезного действия. Для современной акустики этот параметр находится в пределах около 83-95 децибел. Понятно, что высокие значения чувствительности, особенно для классической многополосной системы, достигаются путем множества серьезных и часто затратных технологических усовершенствований.
Схема измерения чувствительности колонок
Повышение чувствительности на 6 децибел приводит к ощущению, что при том же входном сигнале акустика звучит приблизительно вдвое громче! И кстати, для того чтобы поднять громкость на 3 децибела, диффузор динамика должен колебаться с приблизительно удвоенной амплитудой. Для маломощного усилителя, а это, в частности, большинство ламповых моделей, звук которых столь привлекателен, нужна акустика именно с высокой чувствительностью.
Максимальное звуковое давление
В технических параметрах пользовательской акустики (в отличие от профессиональных моделей) этот показатель указывается достаточно редко. Максимальное звуковое давление, естественно, также измеряется в децибелах и, очевидно, может быть косвенно вычислено из данных о чувствительности и максимальной мощности.
Сознательно не залезая в подробности и условия измерения этих параметров, скажем только, что для получения полной совокупности впечатлений от аудио, более-менее устоявшимся считается предел в 90 дБ — на этой громкости (фиксируемой, как правило, в метре от излучателя, в то время, как слушатели располагаются гораздо дальше), многие протоколы испытаний рекомендуют производить тестовое прослушивание. Для сравнения, комплекты дискотечной аппаратуры для залов работают на уровнях до 130 (топы) – 140 (субы) дБ. Это уровень, приближающийся к болевому порогу. Серьезная домашняя акустика, в среднем, выдает максимальные 100–110дБ, и, ради всего святого, пожалейте своих соседей!
Коэффициент нелинейных искажений
Это очень важная характеристика, которая, тем не менее, также нечасто фигурирует в параметрах колонок. Методики ее измерения бывают не совсем корректны. И все же, для качественных моделей она не превышает одного процента, для колонок хорошего уровня это треть процента (0,32% – 0,37%) практически во всем диапазоне частот, и лишь на низах этот параметр может перевалить за 1 процент. Если учесть, что именно на низких частотах наши уши не очень восприимчивы к искажениям, то такой «скачок» не критичен.
Еще одна особенность: КНИ резко возрастает при высокой громкости. Следует понимать, что в звуковом тракте «источник — межкомпонентный кабель — предварительный усилитель — межкомпонентный кабель — оконечный усилитель — акустический кабель — колонка», именно акустическая система является источником наиболее серьезных искажений, хотя подробнее об искажениях, наверное, стоило бы поговорить в связи с усилителями.
Мощность
И раз упомянуты усилители — самое время перейти к мощности. Это тема также «усилительная», но и в приложении к колонкам в ней немало интересного. В параметрах колонки, чаще всего, указывается рекомендованная мощность усилителя в виде двух чисел — минимального и максимального значения. Например, читаем, что для некоей напольной пассивной акустики, указывается минимальная мощность усилителя 20 Вт, максимальная — 200. Это значит, что при мощности усилителя ниже 20 Ватт колонка не сможет обеспечить приемлемый диапазон звукового давления (громкости), ограниченный ее чувствительностью. А при мощности выше 200 Ватт изготовитель, очевидно, не гарантирует сохранность колонки.
При превышении максимальной мощности (часто используется термин «пиковая» мощность или другое, на усмотрение изготовителя) происходит лавинообразное нарастание искажений, затем динамик может перейти в режим клиппирования — когда части подвижной системы ударяются в ограничивающие их смещение детали динамика. Это отмечается характерными щелчками. Появление таких щелчков — верный признак того, что динамику осталось работать совсем недолго. Не стоит доводить до этого.
Окно программы для разработки акустики VituixCAD
Как ни странно, очень важно при выборе колонок обратить внимание не только на цифры технических характеристик, но и на типы излучателей, их особенности и размеры. Особенно стоит оценить совокупный размер диффузоров низкочастотных драйверов. Наличие единственного прямонаправленного низкочастотного динамика с диффузором диаметром 5 дюймов очень плохо сочетается с заявленной нижней граничной частотой 30 Гц, особенно при неравномерности 3 децибела — а такие надписи доводилось видеть у недобросовестных изготовителей.
Все вышеупомянутые параметры акустики важны не только для понимания того, как она зазвучит, но и для того, чтобы правильно подобрать комплект «колонки-усилитель». Общие принципы достаточно просты. Максимальная мощность усилителя должно быть заведомо меньше, чем максимальная мощность акустики. А ее чувствительность, поведение импенданса, особенности схемы требуют серьезного анализа для понимания, какой усилитель станет оптимальным выбором. Но это — тема для другого рассказа.