A hangsugárzók teljesítménykezelésének kulisszái mögött

Az évek során számos cikket írtunk a hangsugárzók teljesítményének besorolásáról, de úgy tűnik, ez a téma olyan, amelyet nagyon kevesen kezelnek. teljesen megérteni. Ez a cikk referenciaként szolgál majd ahhoz, hogy a prémium minőségű és jó hírű gyártók hogyan értékelik hangszóróik teljesítménykezelési képességeit. Kezdjük azzal, hogy megvizsgáljuk a hangsugárzók tervezésének fizikáját, és megvizsgáljuk, hogyan birkózik meg az erősítő által keltett hővel, majd elmagyarázzuk, hogyan használják a rózsaszín zajt a teljesítménybesorolások létrehozására.

Hangszóró hatékonysága és teljesítménye

Sajnos a hangszórók köztudottan nem hatékonyak. A nagy hatásfokú, 8 hüvelykes középkategóriás meghajtó, amelyet nyilvános hangszórókban használnak, az erősítő teljesítményének csak körülbelül 1,3 százalékát tudja akusztikus energiává átalakítani. A maradék hővé alakul a hangtekercsben, és ezt követően a tekercs körüli részekben, például a mágnesben, a T-járomban és a kúpban.

Az autós audio alkalmazásokhoz tervezett hangszórók gyakran jelentősen kevésbé hatékonyak, mert szélesebb frekvenciatartományban kell működniük. Egy 90 dB 1W/1M érzékenységi besorolású középkategóriás meghajtó esetében a hatásfok elenyésző 0,63 százalék.

Gondoljon bele, mennyi hőt termel egy 100 wattos izzólámpa. Az alábbiakban egy 100 wattos izzó hőképe látható, amely mindössze 60 másodpercig volt bekapcsolva. Az izzó üvegalapja már elérte a 90 Celsius-fokot vagy 195 F-ot. Nyilvánvalóan túl meleg ahhoz, hogy megérintse, és csak tovább melegszik. Gyors kutatások azt mutatják, hogy az izzólámpák hatásfoka körülbelül 2,2. Ez a hatékonyság hiánya nagyszerű analógiává teszi a hőtermelés és a hangszóró hőtermelésének összehasonlítását. Hamarosan rátérünk a logisztikára és a valóságra, hogy ennyi energiát minden másba, csak egy mélysugárzóba tápláljunk.

Hogyan kezelik a hangszórók a hőt

A hangszóróban a hő a hangtekercs tekercsében keletkezik. Legyen szó rézről, alumíniumról vagy a kettő kombinációjáról, az összes hő arra a viszonylag apró huzaltekercsre összpontosul. Az egyetlen alkatrész, amely közvetlenül érintkezik a hangtekerccsel, nem meglepő módon a hangtekercs-képző. Az autóhangszórókban a hangtekercs-formázók olyan anyagokból készülnek, mint a nátronpapír, szintetikus szigetelőpapír, például a 3M TufQUIN, aramidszálak, mint például a Nomex és a Bondex, valamint az alumínium. Ezen anyagok mindegyike eltérő szigetelő és hővezető tulajdonságokkal rendelkezik.

A következő hangszóró-alkatrész, amelynek kezelnie kell a hangtekercs hőjét, a felső lemez. A legtöbb esetben a felső lemez egy acéldarab, amelyet a mágneshez (vagy mágnesekhez) rögzítenek, hogy a mágneses mezőt a hangtekercsre fókuszálják. Bár a felső lemez nem érintkezik a hangtekerccsel, a két alkatrész nagyon közel van egymáshoz. A hangszóró tekercsének hűtésének nagy része a felső lemezbe, majd ezt követően a motor szerkezetébe kerülő hőnek tulajdonítható. Sok hangszórógyártó mindent megtesz annak érdekében, hogy jelentős légáramlást biztosítson a felső lemez körül, hogy tovább fokozza a hűtést, különösen a mélynyomóknál.

A T-yoke, a motorszerkezet azon része, amely a mágneses térhurkot kiegészíti, szintén fontos szerepet játszik abban, hogy a hőt elszívja a hangtekercstől és az előbbitől. A T-yoke a legtöbb kivitelben a hangtekercs-formázó belsejében található.

Mélysugárzó hangtekercs átmérője és teljesítménykezelése

Minden eszköz hőkezelési képességét a mérete határozza meg. Az 1/8 wattos ellenállás sokkal kisebb, mint egy 1 wattos. Általában az alkatrész mérete határozza meg a felület nagyságát és a hőátadó képességet a levegőbe. A hangszóróknál a mélynyomó tekercsének átmérője és hossza jól jelzi, hogy a hangszóró mennyi hőt, és ebből következően mennyi teljesítményt képes elviselni.

Példaként, átnézve egy népszerű mélynyomó-gyártó termékpalettáját, azt látjuk, hogy 2 hüvelykes átmérőjű hangtekerccsel rendelkező mélynyomóik 250 watt teljesítményűek; egy 2,5 hüvelykes átmérőjű tekercsre lépéssel a névleges teljesítmény 500 wattra nő. A 3 hüvelykes tekercsekkel ellátott mélynyomóik 600 watt névleges teljesítményűek, a versenyszintű mélynyomóik pedig hatalmas, 4 és 5 hüvelykes átmérőjű tekercsekkel rendelkeznek, amelyek teljesítménye 2500, illetve 3000 watt.

Ne feledje, hogy ezeknek a hangtekercseknek a fizikai mérete (magassága) nem volt megadva, így nyugodtan feltételezhető, hogy a több mint 2500 watt teljesítményű ugrás a tekercselés magasságának és a kapcsolódó felületnek jelentős növekedésével jár.

A magas frekvenciájú hangszóró hangtekercs méretei

Ahhoz, hogy a mélysugárzón kívül minden más energiakezelésről beszéljünk, némi józan ész kell. Gondosan gondolja át a közepes hangsugárzók teljesítménykezelési teljesítményét. Megnézünk egy másik népszerű márkát, és megnézzük, hogyan viszonyul a hangtekercs átmérője a 6,5 ​​hüvelykes középkategóriás hangszóróik teljesítménykezelési specifikációihoz. Ennek a márkának van egy 1 hüvelykes, 70 wattos tekercses meghajtója, az 1,25 hüvelykes tekercs teljesítménye pedig egy sorozatban 80 watt, egy magasabb kategóriás megoldásban pedig 100 watt. Az 1,25 hüvelykes tekercsek különböző teljesítményértékei azt mutatják, hogy a tekercs teljes magassága hogyan befolyásolja a hőkapacitást.

Most pedig beszéljünk a magassugárzókról. Az autós audio alkalmazásokban használt magassugárzók rendkívül kicsik, és őszintén szólva meglehetősen törékenyek. A magassugárzók hangtekercsei nagyon finom huzalból készülnek, amely gyakran kisebb, mint 24 gauge. Még 1 hüvelykes átmérőjű lágy dóm magassugárzó esetén sem bírnak sok energiával. Szóval, hogyan jutnak el a gyártók 100 wattos vagy nagyobb névleges teljesítményhez a magassugárzóikra, ha tudjuk, hogy egy középkategóriás meghajtó legalább ötször olyan magas hangtekerccsel, amely csak 100 wattot képes kezelni? A válasz abban rejlik, hogy a gyártók hogyan tesztelik hangszóróikat.

Mi az a Pink Noise?

Mielőtt belevágnánk a hangszóró teljesítménykezelésének besorolásának magyarázatába, alaposan meg kell vizsgálnunk az úgynevezett rózsaszín zajt. A rózsaszín zaj olyan hangjel, amely véletlenszerű frekvenciákból áll, 0 Hz felett egészen az audio- vagy számítógépes hangfájlformátum felső határáig. Hagyományos CD-minőségű .wav fájl esetén ez 22,05 kHz.

A rózsaszín zajban minden oktáv azonos mennyiségű zajenergiát tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy a 100 Hz és 200 Hz közötti oktáv ugyanolyan mennyiségű zajenergiát tartalmaz, mint az 1 kHz és 2 kHz közötti oktáv. Az egyes oktávokban lévő teljesítmény fordítottan arányos a jel frekvenciájával. Bár ez a matematika működésének durva közelítése, 100 Hz van 100 Hz és 200 Hz között, míg 1000 hertz 1 kHz és 2 kHz között. Rózsaszín zajjel esetén az 1-2 kHz-es sáv 10-szer akkora területen oszlik el.

Így néz ki egy rózsaszín zajos hangjel spektrális elemzése:

Látható, hogy 20 Hz felett a jel szintje -10 dB dekádonként csökken a frekvencia növekedésével. Ez azt jelenti, hogy 10 dB-lel kevesebb jelenergia van 1 kHz-en, mint 100 Hz-en. Ha a jelerősség csökkenését az erősítők teljesítményéhez viszonyítjuk, akkor ez az arány is 10-szeres.

Ha rózsaszín zajt játszunk egy audiorendszeren keresztül, és az erősítő érzékenysége 100 watt teljesítményre van beállítva 20 Hz-en, 200 Hz-en, akkor az erősítő 10 wattot fog produkálni. 2 kHz-en az erősítő 1 wattot, 20 kHz-en pedig 0,1 wattot ad a hangszóróinknak.

Teljessűrűség a zenében

Egy másik téma, amelyet meg kell beszélnünk a hangsugárzók teljesítményének besorolása előtt, hogy hogyan oszlik el a hangenergia a hallgatott zenében. Hat hangsávot néztünk meg, és elemeztük spektrális tartalmát az Adobe Audition programban, ugyanúgy, mint a fenti rózsaszín zajhullámformát. Az eredmények az alábbiakban láthatók:

Amint az ebből a mérsékelten változatos zeneszám-választékból is látható, a hangenergia hasonlóan oszlik el, mint a mi rózsaszín zajsávunkon. Emiatt sok gyártó rózsaszín zajjeleket használ hangszórói teljesítménykezelési képességének tesztelésére.

Hogyan tesztelik a hangszóró teljesítménykezelését

Márkától függően a különböző vállalatok különböző folyamatokat alkalmaznak hangszóróik energiakezelési képességeinek tesztelésére. Meg kell jegyezni, hogy egyes vállalatok részletes specifikációkkal rendelkeznek a tesztelési eljárásaikhoz, míg mások egyszerűen a beszállítóik által szolgáltatott adatokra támaszkodnak, mások pedig a tervezés során használt hangtekercs mérete alapján tippelnek. Ez az egyik legfontosabb különbség azon vállalatok között, amelyek jelentős erőfeszítéseket tesznek termékeik tervezésére és fejlesztésére, illetve azok között, amelyek a katalógusból választanak megoldást, és a nevüket a kosárba és a porvédő sapkába nyomják.

A megfelelően megtervezett hangszórótesztelési folyamat több lépésből áll. Az első példában mélynyomót használunk. A tesztet végző technikus egy szinuszos hangsáv segítségével állítja be az erősítő kimenetét, hogy olyan feszültségszintet képviseljen, amely megegyezik a tesztelni kívánt teljesítményszinttel. Egy 4 ohmos mélynyomó esetében, amelyet 200 watt teljesítményszinten kell tesztelni, a szinuszos feszültségnek 28,28 voltos effektív feszültségnek vagy 40 voltnak csúcstól csúcsig kell lennie. Ha ezt az amplitúdót beállította, 20 Hz-en azonos amplitúdójú rózsaszín zaj kerül lejátszásra a meghajtó tesztelésére.

Miután beállította a hangszinteket, és a hangszórót a teszttartóba szerelték, ezt a rózsaszín zajsávot folyamatosan játssza le, amíg a hangszóró meghibásodik, vagy eltelik a megfelelő idő. Sok vállalat 8-10 órát használ minimális tesztidőként, és néhányan ezt 100 órára kiterjesztik. Miután a hőmérséklet stabilizálódik a hangsugárzóban, a hosszabb ideig tartó teszt segíthet a hangszóró építéséhez használt ragasztók és anyagok alkalmasságának és megbízhatóságának megerősítésében. Lényegében egy fizikai teszt, valamint egy erőkezelési teszt lesz belőle.

Bár ez márkánként változik, ahhoz, hogy a hangszóró átmenjen a teszten, a meghajtó Thiele/Small paraméterei nem változhatnak egy előre meghatározott mértéknél nagyobb mértékben a teszt megkezdése előtti értékekhez képest. Az elektromechanikai tulajdonságok jelentős változása azt jelzi, hogy valami megsérülhetett a teszt során, és túl sok hő keletkezett.

A közép- és nagyfrekvenciás hangszórók tesztelése

Mivel a középkategóriás meghajtók és a magassugárzók nem képesek kezelni a magas eltérési szinteket, ugyanúgy tesztelik őket, mint a mélysugárzót, de a tesztjel egy felüláteresztő szűrőn halad át. Íme egy példa:

Tegyük fel, hogy egy 4 ohmos magassugárzót szeretnénk tesztelni, és a fenti szabvány alapján szeretnénk tesztelni 100 watt teljesítményre. Ez 20 V effektív vagy 28,28 V csúcs-csúcs szinuszhullámszintet jelent. A teszt azzal kezdődik, hogy az erősítőt úgy kalibrálják, hogy szinuszhullámmal 20 Vrms-t állítson elő, miközben nincs csatlakoztatva a hangszóróhoz. A szint beállítása után a rózsaszín zajt a gyártó által megadott felüláteresztő szűrőn keresztül játssza le. Ebben a példában tegyük fel, hogy a szűrő 2 kHz-re van beállítva.

Így fog kinézni a tesztjel spektrális elemzése.

A tesztjel átlagos csúcsszintje most körülbelül 20 dB-lel alacsonyabb, mint a teljes sávszélességű jelnél 20 Hz-en volt. Az audiojel teljesítményét tekintve 1/100 annyi teljesítményünk van. Vagy 1 watt.

Azt akarjuk mondani, hogy egy 100 watt rózsaszín zaj kezelésére tervezett magassugárzót, amelyet 2 kHz felett teszteltek, csak 1 watt teljesítménnyel tesztelnek? Teljesen! Ez pontosan így működik. Gondolj a zene fizikájára. Azt akarjuk, hogy a magassugárzók által előállított hang egyensúlyban legyen a középső meghajtókéval és a mély- vagy mélysugárzókéval.

A való világban ez a magassugárzó valószínűleg sokkal többet tud kezelni, mint csupán 1 watt. Lehet, hogy 10 wattot kibír. Ez azt jelenti, hogy jó ötlet lenne a vezetőt úgy értékelni, hogy képes kezelni 1000 watt rózsaszín zajt? Nem valószínű. Tudja, hogy valaki, aki nem érti a rózsaszín zaj működését, szinuszos sávot fog használni a magassugárzó erősítőjének erősítésére, és megpróbál 63 voltot (1000 wattot) betáplálni a magassugárzóba. Természetesen ugyanezek az emberek felhívják a hangszóró gyártóját is, és panaszkodnak, hogy a magassugárzó „elromlott”, és ők csak az erősítést szabályozták.

Mi az energiakezelési specifikációk lényege?

A rózsaszín zajt használó hangszóró teljesítménykezelési besorolása a teljes körű otthoni hangsugárzókra megállapított kritériumokon alapul. A tesztek azt utánozzák, amit a hangszórók nagy hangerővel hallgatva tapasztalnának, és azt a célt szolgálják, hogy jelezzék, milyen teljesítményű erősítő lenne alkalmas arra, hogy a legtöbbet kihozza a hangszórókból anélkül, hogy károsítaná őket. Ez a specifikáció nem veszi figyelembe, hogy mi történik, ha az erősítőt levágják – erre máskor kitérünk.

Egyelőre mindennek az a lényege, hogy az audiorendszer felállítását a mélynyomó erősítő érzékenységszabályzóinak beállításával kell kezdeni, majd a közép- és magassugárzó csatornaszinteket elő kell hozni a kiegyensúlyozott rendszer létrehozásához. Valószínűleg a középső és magassugárzós erősítők maximális teljesítménye közel sem éri el. Ja, és nincs szükség 150 wattos erősítőre a magassugárzók működtetéséhez.