Dietro le quinte della gestione della potenza degli altoparlanti
Abbiamo scritto diversi articoli sulla potenza dei diffusori nel corso degli anni, ma l'argomento sembra essere un argomento che pochissime persone comprendere appieno. Questo articolo fungerà da guida di riferimento su come i produttori premium e rinomati valutano le capacità di gestione della potenza dei loro altoparlanti. Inizieremo esaminando la fisica del design degli altoparlanti per quanto riguarda il modo in cui affrontano il calore creato dalla potenza del tuo amplificatore, quindi spiegheremo come viene utilizzato il rumore rosa per creare le classificazioni di potenza.
Efficienza e potenza degli altoparlanti
Purtroppo, gli altoparlanti sono notoriamente inefficienti. Un driver midrange da 8 pollici ad alta efficienza utilizzato in un altoparlante per la comunicazione al pubblico può trasformare solo circa l'1,3% della potenza dell'amplificatore in energia acustica. Il resto viene convertito in calore nella bobina mobile e, successivamente, nelle parti attorno alla bobina come il magnete, il giogo a T e il cono.
Gli altoparlanti progettati per applicazioni audio per auto sono spesso significativamente meno efficienti perché devono funzionare su una gamma di frequenze più ampia. Per un driver midrange con una sensibilità di 90 dB 1W/1M, l'efficienza è un misero 0,63%.
Pensa a quanto calore genera una lampadina a incandescenza da 100 watt. Di seguito è riportata un'immagine termica di una lampadina da 100 watt che è stata accesa per soli 60 secondi. La base di vetro del bulbo ha già raggiunto una temperatura di oltre 90 gradi Celsius o 195 gradi F. È chiaramente troppo calda per essere toccata e continuerà a diventare sempre più calda. Una rapida ricerca mostra che le lampadine a incandescenza hanno un'efficienza di circa 2,2. Questa mancanza di efficienza li rende una grande analogia in termini di confronto della generazione di calore con quella di un altoparlante. A breve entreremo nella logistica e nella realtà dell'alimentazione di così tanta potenza in qualsiasi cosa tranne che in un subwoofer.
Come gli altoparlanti gestiscono il calore
Il calore in un altoparlante viene generato nell'avvolgimento della bobina mobile. Che si tratti di rame, alluminio o una combinazione di entrambi, tutto quel calore è concentrato su quella bobina di filo relativamente piccola. L'unico componente che entra in contatto diretto con la bobina mobile è, non a caso, il primo bobina mobile. Negli altoparlanti per auto, i formatori della bobina mobile sono realizzati con materiali come carta kraft, carte isolanti sintetiche come 3M TufQUIN, fibre aramidiche come Nomex e Bondex e alluminio. Ciascuno di questi materiali ha proprietà isolanti e di conducibilità termica diverse.
Il prossimo componente dell'altoparlante che deve gestire il calore della bobina mobile è la piastra superiore. Nella maggior parte dei casi, la piastra superiore è un pezzo di acciaio che viene fissato al magnete (o ai magneti) per focalizzare il campo magnetico sulla bobina mobile. Sebbene la piastra superiore non entri in contatto con la bobina mobile, i due componenti sono molto vicini l'uno all'altro. La maggior parte del raffreddamento per la bobina mobile dell'altoparlante può essere attribuita al calore trasferito nella piastra superiore e successivamente nella struttura del motore. Molti produttori di altoparlanti fanno di tutto per garantire che ci sia un flusso d'aria significativo attorno alla piastra superiore per migliorare ulteriormente il raffreddamento, specialmente sui subwoofer.
Anche il T-yoke, la parte della struttura del motore che completa il circuito del campo magnetico, è importante per aiutare ad allontanare il calore dalla bobina mobile e dalla prima. Il T-yoke risiede all'interno della bobina mobile nella maggior parte dei modelli.
Diametro della bobina del subwoofer e gestione della potenza
La capacità di qualsiasi dispositivo di gestire il calore è determinata dalle sue dimensioni. Un resistore da 1/8 watt è molto più piccolo di un resistore da 1 watt. In generale, la dimensione di un componente determina la quantità di superficie e la capacità di trasferire calore nell'aria. Negli altoparlanti, il diametro e la lunghezza dell'avvolgimento della bobina mobile in un subwoofer sono un buon indicatore di quanto calore e, di conseguenza, quanta potenza può sopportare l'altoparlante.
A titolo di esempio, esaminando la gamma di prodotti di un famoso produttore di subwoofer, vediamo che i loro subwoofer con una bobina da 2 pollici di diametro hanno una potenza nominale di 250 watt; salire a una bobina di 2,5 pollici di diametro aumenta la potenza nominale a 500 watt. I loro subwoofer con bobine da 3 pollici hanno una potenza nominale di 600 watt e i loro woofer da competizione hanno enormi bobine da 4 e 5 pollici di diametro valutate rispettivamente per 2.500 e 3.000 watt.
Tieni presente che la dimensione fisica (altezza) di ciascuna di queste bobine vocali non è stata fornita, quindi è lecito ritenere che il salto a oltre 2.500 watt di gestione della potenza comporti un aumento significativo dell'altezza dell'avvolgimento della bobina e della superficie associata.
Dimensioni della bobina dell'altoparlante ad alta frequenza
Parlare di gestione della potenza in qualsiasi cosa tranne che in un subwoofer richiederà un po' di buon senso. Pensa attentamente alle valutazioni di gestione della potenza su un altoparlante di fascia media. Esamineremo un altro marchio popolare e vedremo come i loro diametri della bobina mobile si relazionano alle specifiche di gestione della potenza di molti dei loro altoparlanti midrange da 6,5 pollici. Questo marchio ha un driver con una bobina da 1 pollice valutata per 70 watt e una bobina da 1,25 pollici ha una potenza nominale di 80 watt in una serie e 100 watt in una soluzione di fascia alta. Le diverse potenze nominali delle bobine da 1,25 pollici dimostrano come l'altezza complessiva dell'avvolgimento influisca sulla capacità termica.
Ora parliamo di tweeter. I tweeter nelle applicazioni car audio sono estremamente piccoli e, francamente, piuttosto fragili. Gli avvolgimenti della bobina mobile nei tweeter sono realizzati con fili molto sottili, spesso più piccoli di 24 gauge. Anche con un diametro di 1 pollice su un tweeter a cupola morbida, non possono gestire molta potenza. Quindi, come fanno i produttori a ottenere valutazioni di 100 watt o più per i loro tweeter quando sappiamo che un driver di fascia media con un avvolgimento della bobina mobile che è almeno cinque volte più alto può gestire solo 100 watt? La risposta sta nel modo in cui i produttori testano i loro altoparlanti.
Cos'è Pink Noise?
Prima di entrare nella spiegazione di come viene valutata la gestione della potenza degli altoparlanti, dobbiamo dare un'occhiata da vicino a qualcosa chiamato rumore rosa. Il rumore rosa è un segnale audio composto da frequenze casuali da appena sopra 0Hz al limite superiore del formato del file audio o del file audio del computer. Per un file .wav di qualità CD convenzionale, questo sarebbe 22,05 kHz.
Nel rumore rosa, ogni ottava contiene una quantità uguale di energia del rumore. Ciò significa che l'ottava da 100 Hz a 200 Hz contiene la stessa quantità di energia di rumore dell'ottava da 1 kHz a 2 kHz. La potenza in ogni ottava è anche inversamente proporzionale alla frequenza del segnale. Sebbene questa sia un'approssimazione approssimativa di come funziona la matematica, ci sono 100 Hz tra 100 Hz e 200 Hz mentre ci sono 1.000 hertz tra 1 kHz e 2 kHz. In un segnale di rumore rosa, la banda da 1 a 2 kHz è distribuita su 10 volte lo spazio.
Ecco come appare l'analisi spettrale di un segnale audio di rumore rosa:
Puoi vedere che al di sopra di 20 Hz, il livello del segnale diminuisce a una velocità di -10 dB per decennio all'aumentare della frequenza. Ciò significa che l'energia del segnale è inferiore di 10 dB a 1 kHz rispetto a 100 Hz. Quando colleghiamo questa riduzione della potenza del segnale alla potenza dei nostri amplificatori, anche il rapporto è un fattore 10.
Se stiamo riproducendo rumore rosa attraverso un sistema audio e i controlli della sensibilità dell'amplificatore sono impostati per produrre 100 watt di potenza a 20 Hz, a 200 Hz, l'amplificatore produrrà 10 watt. A 2 kHz, l'amplificatore produrrà 1 watt e a 20 kHz l'amplificatore fornirà 0,1 watt di potenza ai nostri altoparlanti.
Densità di potenza nella musica
Un altro argomento di cui dovremmo parlare prima di arrivare alle potenze nominali degli altoparlanti è il modo in cui l'energia audio viene distribuita nella musica che ascoltiamo. Abbiamo esaminato sei tracce audio e analizzato il loro contenuto spettrale in Adobe Audition allo stesso modo della forma d'onda del rumore rosa sopra. I risultati sono mostrati di seguito:
Come puoi vedere da questa selezione moderatamente diversificata di tracce musicali, l'energia audio è distribuita in modo simile alla nostra traccia di rumore rosa. Per questo motivo, molti produttori utilizzano segnali di rumore rosa per testare le capacità di gestione della potenza dei loro altoparlanti.
Come viene testata la gestione della potenza degli altoparlanti
A seconda del marchio, diverse aziende utilizzano processi diversi per testare le capacità di gestione della potenza dei loro altoparlanti. Va notato che alcune aziende hanno specifiche dettagliate per le loro procedure di test, mentre altre si basano semplicemente sui dati forniti dai loro fornitori e altre ipotizzano in base alle dimensioni della bobina mobile utilizzata nel progetto. Questa è una delle differenze principali tra le aziende che dedicano uno sforzo significativo alla progettazione e allo sviluppo dei loro prodotti e quelle che scelgono le soluzioni da un catalogo e hanno il proprio nome stampato sul cestino e sul cappuccio antipolvere.
Un processo di test degli altoparlanti adeguatamente progettato prevede diversi passaggi. Useremo un subwoofer per il primo esempio. Il tecnico che esegue il test imposterà l'uscita dell'amplificatore utilizzando una traccia audio a onda sinusoidale per rappresentare un livello di tensione che equivale al livello di potenza che desidera testare. Per un subwoofer da 4 ohm da testare a un livello di potenza di 200 watt, la tensione dell'onda sinusoidale dovrebbe essere 28,28 volt rms o 40 volt picco-picco. Una volta impostata questa ampiezza, viene riprodotto un rumore rosa che equivale a un'ampiezza uguale a 20 Hz per testare il driver.
Una volta impostati i livelli e montato l'altoparlante nel dispositivo di prova, questa traccia di rumore rosa viene riprodotta a livello continuo fino a quando l'altoparlante si guasta o è trascorso un tempo adeguato. Molte aziende utilizzano da 8 a 10 ore come tempo minimo di prova e alcune lo estendono a 100 ore. Dopo che la temperatura si è stabilizzata nell'altoparlante, il test a tempo prolungato può aiutare a confermare l'idoneità e l'affidabilità degli adesivi e dei materiali scelti utilizzati per costruire l'altoparlante. In sostanza, diventa un test fisico oltre che un test di gestione della potenza.
Anche se varia da marca a marca, affinché il relatore possa superare il test, i parametri Thiele/Small del pilota non devono essere cambiati di più di un importo predeterminato rispetto a quelli prima dell'inizio del test. Un cambiamento significativo nelle proprietà elettromeccaniche indica che qualcosa potrebbe essere stato danneggiato durante il test e che è stato generato troppo calore.
Come vengono testati i diffusori di gamma media e alta frequenza
Poiché i driver e i tweeter di gamma media non possono gestire livelli di escursione elevati, vengono testati allo stesso modo di un woofer, ma il segnale di prova passa attraverso un filtro passa-alto. Ecco un esempio:
Diciamo che vogliamo testare un tweeter da 4 ohm e vogliamo utilizzare lo standard sopra per testarlo per 100 watt di gestione della potenza. Ciò equivale a un livello di onda sinusoidale di 20 volt rms o 28,28 volt picco-picco. Il test inizia con l'amplificatore calibrato per produrre 20 Vrms utilizzando un'onda sinusoidale mentre non è collegato all'altoparlante. Una volta impostato il livello, il rumore rosa viene riprodotto attraverso qualsiasi filtro passa-alto specificato dal produttore. Ai fini di questo esempio, supponiamo che il filtro sia impostato a 2 kHz.
Ecco come apparirà l'analisi spettrale del segnale di test.
Il livello di picco medio del segnale di test è ora inferiore di circa 20 dB rispetto a 20 Hz con un segnale a larghezza di banda completa. In termini di potenza del segnale audio, abbiamo 1/100 di potenza in più. O 1 watt.
Stiamo dicendo che un tweeter valutato per gestire 100 watt di potenza del rumore rosa, testato sopra i 2 kHz, viene testato solo con 1 watt di potenza? Assolutamente! È esattamente come funziona. Pensa alla fisica della musica. Vogliamo che l'audio prodotto dai tweeter sia bilanciato con quello dei driver midrange e dei woofer o subwoofer.
Nel mondo reale, quel tweeter può probabilmente gestire molto più di 1 watt di potenza. Potrebbe essere in grado di gestire 10 watt. Questo significa che sarebbe una buona idea valutare il driver come in grado di gestire 1.000 watt di rumore rosa? Non è probabile. Sai che qualcuno che non capisce come funziona il rumore rosa utilizzerà una traccia sinusoidale per impostare i guadagni sul proprio amplificatore tweeter e proverà ad alimentare 63 volt (1.000 watt) nel tweeter. Naturalmente, queste stesse persone chiameranno anche il produttore degli altoparlanti e si lamenteranno del fatto che il tweeter è "rotto" e tutto ciò che stavano facendo era impostare i controlli del guadagno.
Quali sono le specifiche di gestione della potenza?
Le classificazioni di gestione della potenza degli altoparlanti che utilizzano il rumore rosa si basano su criteri stabiliti per gli altoparlanti domestici a gamma completa. I test imitano ciò che gli altoparlanti sperimenterebbero se ascoltati ad alti livelli di volume e hanno lo scopo di indicare quale potenza dell'amplificatore sarebbe adatta per ottenere il massimo dagli altoparlanti senza danneggiarli. Questa specifica non tiene conto di ciò che accade quando un amplificatore entra in clipping:lo toccheremo un'altra volta.
Per ora, il risultato di tutto questo è che la configurazione di un sistema audio dovrebbe iniziare con l'impostazione dei controlli di sensibilità sull'amplificatore del subwoofer, quindi aumentare i livelli dei canali medi e tweeter per creare un sistema bilanciato. Le probabilità sono che non ti avvicinerai alla massima potenza degli amplificatori medi e tweeter. Oh, e non hai bisogno di un amplificatore da 150 watt per pilotare i tuoi tweeter.