Мы привыкли к тому, что обычно громче играет тот усилитель, у которого выходная мощность выше в одинаковых условиях (одинаковая нагрузка и сопоставимые искажения). Так почему это правило дает сбой с усилителями для наушников? Как же их сравнивать?
Для начала вспомним, что мощность является произведением напряжения на ток и при этом ток зависит от величины напряжения и номинала нагрузки.
W=U*I
I=U/R
Мы не можем увеличить мощность, добавляя только ток без изменения напряжения. Другими словами, регулятором громкости мы регулируем только напряжение на выходе усилителя, а ток будет расходоваться в зависимости от сопротивления нагрузки (АС или наушников). Будем увеличивать напряжение — автоматически увеличится и потребление тока.
Любой усилитель имеет предельные характеристики, которые можно выразить виде максимального уровня тока и напряжения для заданных критериев качества. Если мы выставим уровень на выходе, при котором усиленный сигнал уйдет за предельное значение по напряжению, то “верхушки” волны будут обрезаны.
Пример формы волны от iHiFi-100, ограничение несимметричное
Такой вид искажений часто называется как “клиппирование” или “перегрузка”. Но может быть и такая ситуация, когда предельное напряжение не превышено, но потребление тока на нагрузке (колонках или наушниках) выше, чем может отдать усилитель. Как итог, мы получаем аналогичные искажения звука.
Ограничение по току у Audiolab M-DAC на низкоомной нагрузке. Ограничение по верхней части волны “мягкое”, а по нижней “жесткое”.
Так как мощность это произведение тока на напряжение, то при равной выходной мощности ток и напряжение обратно пропорциональны.
U=W/I, I=W/U
При равной чувствительности к мощности колонок (или наушников), но при разном сопротивлении, для обеспечения равного звукового давления на выходе требуется одинаковая мощность, но разные соотношения тока и напряжения.
Практически все колонки с излучателями динамического типа низкоомные — 4 или 8 Ом. Для такой нагрузки от усилителя в первую очередь важно значение выходного тока, т.к. напряжение требуется относительно небольшое.
Как обычно определяют потенциал усилителя? У кого тяжелее трансформатор и больше емкость конденсаторов в блоке питания, тот и лучше. Хотя это и косвенный показатель, но зачастую достаточно точный.
Музыкальный сигнал не является чистым долговременным синусом, он энергетически на 9-15 дБ «тише» за счет неравномерной амплитуды по времени. Если мы к примеру измерили мощность в 10 Вт (4 Ом, 6.3 Vrms, 1.5 А), то реально среднее потребляемое значение будет 3.5 Вт (при энергетической плотности на 9 дБ ниже). Таким образом, если мы поднимем громкость на 9 дБ, то по значению напряжения на музыкальном сигнале будут реальные 10 Вт.
Вид волны для синуса и музыкального сигнала
На картинке показаны закрашенные площади для синуса и музыкального сигнала. Соотношение площадей такое же, как и соотношения потребляемого тока при равной амплитуде по напряжению.
Если в блоке питания не будет достаточной емкости, то в моменты кратковременной бОльшей мощности мы получим искажения в звуке от клиппирования по току. Но, при достаточной емкости в питании, усилитель получит необходимую мощность. Именно по этой причине часто обращают пристальное внимание на емкость конденсаторов. Усилитель с емкими конденсаторами по факту будет мощнее, хотя в тесте на синусах по мощности (долговременной) будет равен усилителю с меньшей емкостью конденсаторов в питании.
Другой, более важный момент, если у усилителей одинаковое ограничение по напряжению, например 5 Vrms, то на синусе при нагрузке в 4 Ом будет потребление тока в 1.25 А, а на музыкальном при плотности на 9 дБ ниже — 0.4 А. Допустим, у двух усилителей для 4 Ом заявлены мощности как 6 Вт (5 Vrms, 1.2 А ) и 4 Вт (5 Vrms, 0,8 А). Как видно, у первого усилителя мощность на синусе выше, но на музыкальном сигнале усилители будут играть с одинаковой громкостью, т.к. максимальное напряжение у них одинаково. Клиппирования из-за недостатка тока не будет, т.к. оба усилителя способны дать более 0.4 А для 4 Ом. Запас по мощности у первого усилителя просто избыточный (вот так и появляются утверждения, что характеристики врут и на них нельзя полагаться).
Разница между синусом и музыкальным сигналом настолько очевидна, что во всех стандартах так или иначе присутствуют рекомендации проводить измерения или указывать конечные данные на сигналах, приближенных к музыкальному. Но ни одна из этих рекомендаций не прижилась. Основная предполагаемая причина — у большинства усилителей запас по напряжению намного выше запаса по току для низкоомной нагрузки.
К примеру, если усилитель без нагрузки может дать 12 Vrms, но под нагрузкой с током в 0,6 А мы получим клиппирование уже при 2,4 Vrms на 4 Ом на синусе и на 6.7 Vrms на музыкальном сигнале. До ограничения по напряжению мы просто не дойдем.
У потребителя простой вопрос, что играет громче, и ранжирование по мощности в большинстве случаев дает верный ответ, т.к в пересчете на напряжение и ток, ограничивающим фактором будет только ток. Если мы и пересчитаем мощности в «ток + напряжение», то мы банально сделаем лишние расчеты, а ответ будет тем же.
Более того, сравнивая значения мощности, напряжения и тока мы не получаем ответа “насколько громче”, т.к. такой ответ содержится лишь в единицах, выраженных в децибелах. Например, по мощности три усилителя будут расставлены так: 10 Вт, 20 Вт и 30 Вт. Но по громкости, усилитель с мощностью в 20 Вт будет ли посередине? В единицах, выраженных в дБ мощности будут выглядеть как: 10 dBW, 13 dBW и 14,7 dBW. Соотношения как -3/0/1,7 дБ. Таким образом, усилитель с мощностью в 20 Вт будет гораздо ближе к усилителю в 30 Вт.
Возможно, если бы развитие компьютеров произошло раньше, а авторы глянцевых журналов и читатели умели считать логарифмы, то мы бы видели не абстрактные значения мощности усилителей, а конкретные значения звукового давления на выходе конкретных колонок и усилителей. Но увы, это было слишком сложно, хотя и давало бы более точный ответ.
Но вернемся к главному — упрощение ранжирования усилителей по громкости от мощности не приводило к противоречиям (особенно для бюджетных усилителей), т.к. ограничивающим фактором был в основном ток. А вот с усилителями для наушников проблема встала в полный рост.
Распространенные сопротивления наушников находятся в диапазоне от 16 до 300 Ом. Для низкоомных наушников ограничивающим параметром будет ток, а для высокоомных — напряжение. Дополнительно для низкоомных наушников по току будет запас как минимум в 9-15 дБ.
Если у усилителя для колонок типовых нагрузок было всего две, 4 и 8 Ом (и соответственно два значения уровня мощности), то для усилителя наушников таких типовых сопротивлений порядка 8-ми: 8, 16, 24, 32, 60, 100, 200, 300 и 600 Ом. В лучшем случае производители указывают значение мощности для двух номиналов.
Неподготовленные пользователи не всегда замечают, что у разных усилителей мощность указана к разным нагрузкам и сравнивать мощности 0,5 Вт@32 Ом и 0,3 Вт@300 Ом нельзя.
Если построить график выходного напряжения для усилителя, то он примет такой вид.
По горизонтальной оси — сопротивление нагрузки (АС или наушников). По вертикали, напряжение, слева в Vrms (привычных многим), а справа в dBV. dBV — это значение напряжения в децибелах, где за 0 дБ взят 1 Vrms. В этих единицах давно указывают напряжение для профессиональной техники, т.к. регулировка уровней производится в дБ. В нашем же случае это удобно за счет прямого сравнения по громкости сразу в дБ.
Голубая прерывистая линия — это ограничение по напряжению. В примере это 0 dBV или 1 Vrms. Для простоты примера выходное сопротивление усилителя равно 0 Ом и эта линия строго горизонтальна.
Красная линия, это значение напряжения при выходном токе в 10 мА (по формуле U = I*R).
Черная линия — это результат по ограничениям тока и напряжения. Если значения напряжения пересчитать в мощность, мы получим 1.6 мВт (при -16 dBV) для 16 Ом и 3.3 мВт (0 dBV) для 300 Ом.
Соотношения мощностей дают разницу в 3 дБ (10*Log10(W1/W2) = 10*Log10(3.3/1.6) = 3 дБ). Рассмотрим пример с наушниками с чувствительностью в 100 дБ/мВт при оценке по графику напряжения:
Если у нас будут наушники с чувствительностью в 118 дБ/В SPL (100 дБ/мВт) на 16 Ом, то для них максимальное звуковое давление будет равно как -16 dBV + 118 дБ/В SPL = 102 дБ SPL. Для наушников с чувствительностью 105 дБ/В SPL (100 дБ/мВт) на 300 Ом звуковое давление будет равно как 0 dBV + 105 дБ/В SPL = 105 дБ SPL. Разница в громкости между наушниками, подключенных к этому усилителю будет равна 105 дБ SPL — 102 дБ SPL = 3 дБ, где высокоомная модель будет играть громче.
Математически все это хорошо для синуса. Но для музыкального сигнала расчет уже будет другим.
Так как энергетическая плотность сигнала ниже как минимум на 9 дБ, то ограничение по току будет по зеленой прерывистой линии, которая выше соответственно на 9 дБ.
Соотношения напряжения уже будут другими.
Для 16 Ом:
- Для синуса у нас останется значение в -16 dBV.
- Для музыкального сигнала значение уже будет на 9 дБ выше, равное -7 dBV, а “музыкальная” мощность уже должна быть не 1,6 мВт, а 12 мВт!
- Если забыть про качество (при превышении уровня тока мы получим искажения) или если энергетическая плотность сигнала будет еще ниже — то значение может достигнуть и 0 dBV.
Для 300 Ом ничего не изменится, т.к. там ограничение лишь по напряжению. Для примера выше для музыкального сигнала наушники с чувствительностью в 118 дБ/В на 16 Ом дадут звуковое давление как -7 dBV + 118 дБ/В SPL = 111 дБ SPL. И разница между низкоомной и высокоомной моделью станет 111дБ SPL — 105 дБ SPL = 6 дБ, где громче уже будет низкоомная модель.
А если просто вывернуть ручку громкости на максимум и не обращать внимание на качество (хрип от клиппирования), то разница между наушниками будет в 13 дБ в пользу низкоомной модели.
Если мы будем смотреть амплитуды, запас по току менее 9 дБ, то соответственно максимальный уровень напряжения будет оставаться на уровне 0 dBV. В примере выше реальная прибавка получилась как 6 дБ.
Что будет, если мы будем сравнивать усилители с одинаковой выходной мощностью?
Добавим второй усилитель с заявленной мощностью в 3 мВт на 32 Ом и 3.3 мВт на 300 Ом. Наш первый усилитель в примере обладает точно такой же мощностью на 32 и 300 Ом.
У второго усилителя максимальное напряжение 2.3 dBV (1.3 Vrms), выходное сопротивление 100 Ом и выходной ток в 100 мА. Из-за не нулевого сопротивления ограничение по напряжению не является прямой горизонтальной линией, а представляет собой кривую с уменьшением напряжения в область низкоомной нагрузки.
Как видно на графике, пурпурная линия пересекается с черной на 32 и 300 Ом. Запас по току настолько большой (пурпурная прерывистая линия), что не оказывает влияния на максимальные значения.
По графику выше видно, что для первого усилителя для 32 Ом есть запас на 9 дБ, т.к. это позволяет максимальное значение по напряжению. Для второго усилителя при большем запасе по току максимальное напряжение не позволяет получить “музыкальную” мощность больше, чем она получена для синуса.
Таким образом, формально усилители обладают одинаковой мощностью, но на практике первый усилитель на наушниках в 32 Ом даст громкость на 9 дБ выше с аналогичным качеством.
Какие глобальные выводы из этого можно сделать? Сравнивать усилители просто по мощности некорректно, несмотря на то, что это привычно и более-менее адекватно для усилителей АС.
Развитие отчетов в RAA всегда было направлено не на максимальное количество графиков, а на возможность сравнения продуктов. И при сравнении получение практических ответов, а не абстрактных.
Оперирование чувствительности к мощности и график мощности оказались менее удобны для быстрого сравнения, чем например сравнение чувствительности к напряжению и соответственно графики напряжения.
Тем не менее, график напряжения, построенный по синусу оказался недостаточно точным для сравнения громкости между усилителями. Как итог работы, был добавлен улучшенный вид графика напряжения к “музыкальной” мощности. Этот график добавился в отчеты и различные он-лайн сервисы и сравнения.
Сравнение графиков мощностных характеристик усилителей и определение необходимого уровня напряжения для наушников от усилителя
В этом сервисе можно сравнить усилители по громкости, причем в рамках определенных классов качества. Если выбрать эквивалентный класс А — то это будет сравнение в предположительно максимальном качестве усилителей. А если выбрать “No current limit” — будет просто сравнение громкости без учета качества.
По умолчанию энергетическая плотность сигнала установлена на 12 дБ ниже плотности синуса. Обычно плотность музыкального сигнала отличается от 9 до 15 дБ. При желании можно задать иную плотность. Если выбрать 3 дБ и отображение “Point On”, то получится график, построенный по синусу с исходными значениями.
Для анализа уровней к определенной нагрузки можно задать сопротивление наушников, и в дополнительной таблице будут искомые значения в dBV.
В этом сервисе есть и другие интересные и полезные алгоритмы, но они выходят за рамки данной темы.
Сравнение усилительной части по громкости
Это упрощенный вариант в виде таблицы, где можно задать два варианта сопротивления и посмотреть на амплитуды в дБ. Аналогично можно выбрать эквивалентный класс качества. Дополнительно приведены и значения в мощности для синуса. При сортировке можно увидеть, что значения мощности могут заметно отличаться при одинаковых значениях напряжения из-за учета энергетической плотности сигнала.
Калькулятор определения базовых характеристик усилителя
Несомненно, у многих невольно возникнет вопрос, а как быть со сравнением тех устройств, которые не измерялись в RAA? Как высчитывать напряжение и ток? Как построить график?
Для этого готовится отдельный калькулятор, в который можно будет вводить известные данные об устройстве и получить на выходе конечные значения.
Калькулятор не простой, т.к. порой данные от производителей неполные и нужно вычислить вероятный диапазон возможных значений. Например производитель может указать мощность для одной нагрузки и максимальный уровень напряжения без нагрузки. Без указания выходного сопротивления может быть несколько вариантов графика. Прорабатываются разные сочетания указанных данных.
Итог
Для сравнения усилительной части по громкости надо учитывать энергетическую плотность музыкального сигнала и отдельно ограничения по току и напряжению.
Автор: Кузнецов Роман
