Электропитание и проблема качества звука

За последние 10 - 20 лет общая выходная мощность качественных аудио систем (в том числе и автомобильных) выросла с десятков до тысяч ватт, соответственно возросли и потребляемые токи, наблюдается тенденция увеличения использования низкочастотных звуков при создании музыкальных программ. Кроме того современные музыкальные композиции насыщены жесткими атаками звука, которые делают композиции динамичнее. Увеличился динамический диапазон аудиосистем, а у лучших он уже сейчас он достиг 90 дБ.

Терминология

Атака звука – одна из важнейших динамических характеристик художественного звука в музыкально-исполнительском искусстве; первоначальный импульс звукоизвлечения, необходимый для образования звуков при игре на каком-либо музыкальном инструменте или при пении вокальных партий; некоторые нюансировочные характеристики различных способов звукоизвлечения, исполнительских штрихов, артикуляции и фразировки.

В СССР, как правило, использовались следующие понятия:

Номинальная мощность — мощность при среднем положении регулятора громкости.

Синусоидальная мощность — мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение длительного времени с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно в 2—3 раза выше номинальной.

За рубежом же принято измерять мощность в других стандартах:

DIN — примерно соответствует синусоидальной мощности.

RMS (Rated Maximum Sinusoidal) — максимальная (предельная) синусоидальная мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно на 20—25% выше DIN.

PMPO (Peek Music Power Output) — пиковая мощность, которую динамик колонки может выдержать в течение 1—2 секунд на сигнале низкой частоты (около 200Гц) без физического повреждения. Обычно в 10—20 раз выше DIN.

Динамический диапазон = Пиковый уровень - Уровень шумов = 130 дБ - 40 дБ = 90 дБ - для рок-н-рольной музыки характерен самый широкий динамический диапазон. Уровень звукового давления у микрофонов (не в аудитории) на таких концертах может изменяться от 40 дБ (что соответствует шуму в аудитории при кратковременных паузах в исполнении, улавливаемому микрофоном) до 130 дБ (это выше болевого порога, но звуки такой громкости исполнители могут издавать в микрофон). Чтобы определить динамический диапазон такого концерта, следует из пикового уровня звукового давления вычесть уровень шумов.

Так что “гордые” цифры в сотни ватт на маленьких динамиках — обычный маркетинговый ход. То есть, если на крохотном динамике написано 200 W РМРО, то номинальная его мощность может быть всего от 3,5 до 6,5 Вт в “наших добрых старых” цифрах.

Но!

Не всякий 10 Вт динамик может устойчиво выдерживать РМРО 200 Вт!

 

Проблема мощности при ограниченных напряжениях питания

Несведущему человеку может показаться купил хорошую аудио систему и качественные динамики (колонки) нужной мощности и вперед. Но едва ли мы получим то что ожидали.

Поэтому отбрасывая тонкости, кратко коснусь здесь проблемы выходной мощности усилительного устройства и ограниченного напряжения его питания.

В самом лучшем случае, чтобы получить на выходе усилительного устройства и эффективно передать на акустическую систему пиковой мощности порядка 500 Вт необходимо иметь, при выходном сопротивлении усилительного устройства стремящимся к нулю, при:

• - напряжении бортовой сети автомобиля 12V,
• - пиковая мощность требуемая в акустической системе 500 Вт.

необходимо обеспечить пиковый ток в акустической системе ток более 40 ампер.

Теперь прикиньте величину сопротивления акустической системы которая должна обеспечивать пиковую мощность порядка 500 Вт.

 

Проблема источников питания

Как пишет компания "Элит"[1]:

"Обычные свинцовые батареи, применяемые в автомобилестроении, имеют достаточно высокий энергозапас, однако вследствие ограниченной скорости протекания электрохимических реакций на их электродах, они не могут адекватно реагировать на мощные кратковременные нагрузки, возникающие при работе усилителя. Внутреннее сопротивление батарей не позволяет реализовать возникающие при этом большие разрядные токи. При работе усилителя с традиционным аккумулятором на режимах высокой мощности, напряжение бортовой сети автомобиля резко падает, что ощутимо отражается на качестве воспроизведения аудиопрограмм: появляются искажения, особенно в области низких частот, возникает нестабильность громкости звучания."

Отчасти они правы.

Можно еще добавить - искажения появляются и на атаках звука.

Проблема известна и обычно решается включением прямо в усилителях параллельно источникам питания оксидных (алюминиевых) конденсаторов большой емкости. Но емкость таких конденсаторов ограничена, а батарея большой емкости имеет очень большие размеры поэтому обычно не удается получить достаточный эффект. Поэтому компания "Элит" видит выход в применении нового поколения конденсаторов высокой емкости - электрохимических и эффект от их применения бесспорно есть.

Общеизвестно, что выраженность глубокого тембра низких частот тем ярче, чем длительное импульс (количество обертонов). Для частот ниже 50 Гц, всегда желательно продлить звучание до и более 100 миллисекунд, при сохранении установленной мощности прослушивания. Сравнительные испытания электрохимических и алюминиевых конденсаторов, проведенные известными в области CAR-AUDIO компаниями - Alumapro, JME (США) показали явные преимущество первых.

Хорошо известный старый принцип: 1 фарада на каждые 1000 Вт - перестает действовать при мощностях 2000 Вт. Из нижеприведенной таблицы видно, что алюминиевый конденсатор емкостью в 2Ф не в состоянии поддерживать качество звука в 2000 ваттной аудиосистеме:

2000 ватт

	Алюминивый	Электрохимический
Тип конденсатора и емкость	2 фарады	15 фарад	27 фарад
Напряжение конденсатора в конце 100-й миллисекунды	"0" В	10,98 В	11,14 В

 

В тоже время электрохимические конденсаторы, при работе с усилителем мощностью выше 2000 Вт, обеспечивают мощность пролонгированного импульса низкой частоты, и следовательно, качество тембровой окраски.

"Элит" предлагает следующую номенклатуру электрохимических конденсаторов для автомобильных аудио систем высокого качества:

1. - емкостью 5Ф для систем мощностью до 500 Вт
2. - емкостью 15Ф для систем мощностью до 1000 Вт
3. - емкостью 27Ф для систем мощностью до 2000 Вт
4. - емкостью 50Ф для систем мощностью до 8000 Вт

 

Емкостной накопитель энергии		Напряжение ном./макс.	Электрическая ёмкость не менее	Полный энергозапас ном/макс. не менее	Внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц не выше	Ток разряда номинальный	Габариты Д х Ш х В	Вес	Область применения
		В	Ф	кДж	Ом	А	мм	кг
автомобильные аудиосистемы	14ПП-0,5/0,015	12/15	5	0,5	0,015	40	120х36х199	1,7	Емкостной буфер для питания автомобильной аудиосистемы с выходной мощностью до 500 Вт
	15ПП-1/0,025	15	15	1,6	0,02	80	176х33 х 160	2,4	Емкостной буфер для питания автомобильной аудиосистемы с выходной мощностью до 1000 Вт
	15ПП-3/0,01	15	27	3	0,01	120	176х33 х 160	3	Емкостной буфер для питания автомобильной аудиосистемы с выходной мощностью до 1500 Вт
	18ПП-8/006	18	50	8	0,006	480	186х85х210	4,7	Емкостной буфер для питания автомобильной аудиосистемы с выходной мощностью до 8000 Вт

 

Данные электрохимические конденсаторы не требуют обслуживания в течение всего срока службы, который составляет 5-6 лет.

Но не все модели электрохимических конденсаторов можно разряжать полностью, обычно остаточное напряжение не должно быть ниже 50% от номинала.

Те которые можно разряжать полностью обычно имеют большие (0,01 -:- 0,1 А) токи утечки через выравнивающие системы. И их способность разряжаться полностью и вновь набирать заряд при включении должна быть указана в документации. Так что будьте внимательны!

 

Еще одна проблема

Еще одна сторона типовых систем - это ограничение пиковой мощности и скорости нарастания напряжения на фронтах бросков сигнала.

 

 

На рисунке 1 показан участок осциллограммы звукового сигнала со средней мощностью 1 ватт и пиковой мощностью 300 ватт (перепад мощности составляет 25 дБ. Скорость нарастания мощности (тока) при пиковом сигнале колеблется от сотен ампер до более 10⁶ А/сек.

Установка электрохимических конденсаторов в некоторой степени решает и эту проблему.

Но простая установка каких либо конденсаторов не обеспечит качество звука.

Такую скорость нарастания не могут обеспечить не только химические процессы в аккумуляторе, не только любые суперконденсаторы, потому что его ограничивают и индуктивность длинных линий подачи питания к усилителю и линии подключения акустических систем. И "бескислородная" медь тоже не решает проблему.

К слову вся тянутая продукция (провода, в том числе многожильные) делается только из чистой безкислородной меди, механические свойства меди содержащей примеси (особенно кислород) не позволяют пропускать ее через волочильные станы, особенно при малых диаметрах. Она слишком хрупкая.
Если уж говорить о применении специальных проводов работающих (имеющих стабильные сопротивление) в широком диапазоне частот, то тут выдумывать ничего не надо. Уже давно известен такой провод и он называется "лицендрат", который применяется до частот порядка 500 кГц. По аналогичной технологии может быть изготовлен широкопрлосный мощный сигнальный провод и силовой провод.

 

Проблему качественного звука решает все перечисленное и ..

... правильный монтаж

Устанавливая буферные конденсаторы надо помнить о требованиях к монтажу качественной акустической системы совсем немного отличаются от монтажа мощных высокочастотных систем.

 

Правило	Причина
1. Мощные выходные каскады усилителей (усилители) устанавливаются на минимальном расстоянии от акустических систем	Индуктивность соединительных проводников акустическая система - усилитель составляет порядка 2-10 мкГн/м будет превышать сопротивление акустической системы. Это завалит воспроизведение на частотах более 10 кГц и затянет фронты
2. Фильтрующие конденсаторы (основные и дополнительные - том числе электрохимические) необходимо устанавливать на минимальном расстоянии от мощных выходных каскадов.	Ток в акустических системах по характеристикам полностью совпадает с током через акустические системы
3. При установке любых суперконденсаторов в мощные выходные каскады усилителей родные конденсаторы фильтра удалять нельзя.	Вообще-то никакие суперконденсаторы одни не обеспечат для качественной работы фильтра. Подробнее описано здесь
4. Малосигнальные цепи звуковоспроизводящее устройство - усилители мощности не имеют таких ограничений на длину линий соединения.	Единственное ограничение накладывает помехозащищенность линий связи

 

Заключение

У качественного звука много тонкостей (субъективного восприятия и технических параметров звука) и если Вы хотите стать профи, Вы должны разобраться в них.

А.Сорокин, 2012, 2014

Ссылки:

1. СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ ЭЛИТ - НОВОЕ КАЧЕСТВО АВТОЗВУКА http://www.elit-cap.com/files/rus/a_car_audio.htm (К сожалению ссылка не работает)
2. ООО Elitech-pro (Элтех-про) из Воронежа предлагает подобные конденсаторы любителям басов автозвука и не только авто.