Dietro le Quinte della Gestione Potenza degli Altoparlanti
Abbiamo scritto diversi articoli sulle valutazioni di potenza degli altoparlanti nel corso degli anni, ma l'argomento sembra essere uno che pochissime persone comprendono appieno. Questo articolo servirà come guida di riferimento su come i produttori premium e affidabili valutano le capacità di gestione della potenza dei loro altoparlanti. Inizieremo esaminando la fisica del design degli altoparlanti riguardo a come affrontano il calore creato dalla potenza del vostro amplificatore, poi spiegheremo come il rumore rosa viene usato per creare le valutazioni di potenza.
Efficienza e Potenza degli Altoparlanti
Sfortunatamente, gli altoparlanti sono notoriamente inefficienti. Un driver midrange ad alta efficienza da 8 pollici usato in un altoparlante per pubblico indirizzo può trasformare solo circa l'1,3% della potenza dall'amplificatore in energia acustica. Il resto viene convertito in calore nella bobina mobile e, successivamente, nelle parti attorno alla bobina come il magnete, il T-yoke e il cono.
Gli altoparlanti progettati per applicazioni audio auto sono spesso significativamente meno efficienti perché devono operare su una gamma di frequenza più ampia. Per un driver midrange con una valutazione di sensibilità di 90 dB 1W/1M, l'efficienza è un misero 0,63%.
Pensate a quanto calore genera una lampadina a incandescenza da 100 watt. Qui sotto c'è un'immagine termica di una lampadina da 100 watt che è stata accesa per soli 60 secondi. La base di vetro della lampadina ha già raggiunto una temperatura di oltre 90 gradi Celsius o 195 gradi F. È chiaramente troppo calda per essere toccata e continuerà solo a scaldarsi. Una rapida ricerca mostra che le lampadine a incandescenza hanno un'efficienza di circa il 2,2%. Questa mancanza di efficienza le rende una grande analogia in termini di confronto della generazione di calore con quella di un altoparlante. Entreremo nella logistica e realtà di alimentare quella potenza in qualcosa che non sia un subwoofer a breve.
Come gli Altoparlanti Gestiscono il Calore
Il calore in un altoparlante è generato nell'avvolgimento della bobina mobile. Che sia rame, alluminio o una combinazione di entrambi, tutto quel calore è concentrato su quella bobina di filo relativamente piccola. L'unico componente che viene a contatto diretto con la bobina mobile è, non sorprendentemente, il supporto della bobina mobile. Negli altoparlanti audio auto, i supporti della bobina mobile sono fatti di materiali come carta kraft, carte isolanti sintetiche come 3M TufQUIN, fibre aramidiche come Nomex e Bondex, e alluminio. Ognuno di questi materiali ha diverse proprietà di isolamento e conduttività termica.
Il prossimo componente dell'altoparlante che deve gestire il calore dalla bobina mobile è la piastra superiore. Nella maggior parte dei casi, la piastra superiore è un pezzo di acciaio che è fissato al magnete (o magneti) per focalizzare il campo magnetico sulla bobina mobile. Sebbene la piastra superiore non venga a 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 grandi sforzi per garantire che ci sia un flusso d'aria significativo attorno alla piastra superiore per migliorare ulteriormente il raffreddamento, specialmente sui subwoofer.
Il T-yoke, la parte della struttura del motore che completa il ciclo del campo magnetico, è anche importante nell'aiutare a dissipare il calore dalla bobina mobile e dal supporto. Il T-yoke risiede all'interno del supporto della bobina mobile nella maggior parte dei design.
Diametro Bobina Mobile Subwoofer e Gestione Potenza
La capacità di qualsiasi dispositivo di gestire il calore è determinata dalla sua dimensione. Una resistenza da 1/8 watt è molto più piccola di una resistenza da 1 watt. Generalmente, 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, successivamente, quanta potenza l'altoparlante può gestire.
A titolo di esempio, guardando attraverso la gamma di prodotti di un popolare produttore di subwoofer, vediamo che i loro subwoofer con bobina mobile da 2 pollici di diametro sono classificati per 250 watt; passando a una bobina da 2,5 pollici aumenta la classificazione di potenza a 500 watt. I loro subwoofer con bobine da 3 pollici sono classificati a 600 watt, e i loro woofer da competizione hanno bobine massicce da 4 e 5 pollici di diametro classificate per 2.500 e 3.000 watt, rispettivamente.
Tenete a mente, l'altezza fisica di ciascuna di queste bobine mobili non è stata fornita, quindi è sicuro assumere che il salto a più di 2.500 watt di gestione della potenza arrivi con un significativo aumento dell'altezza dell'avvolgimento della bobina e dell'area superficiale associata.
Dimensioni Bobina Mobile Altoparlanti Ad Alta Frequenza
Parlare di gestione della potenza in qualcosa che non sia un subwoofer richiederà un po' di buon senso. Pensate attentamente alle valutazioni di gestione della potenza su un altoparlante midrange. Guarderemo attraverso un altro marchio popolare e vedremo come i diametri delle loro bobine mobili si relazionano alle specifiche di gestione della potenza di diversi dei loro altoparlanti midrange da 6,5 pollici. Questo marchio ha un driver con bobina da 1 pollice classificato per 70 watt, e una bobina da 1,25 pollici è classificata 80 watt in una serie e 100 watt in una soluzione di fascia alta. Le diverse valutazioni di potenza sulle bobine da 1,25 pollici dimostrano come l'altezza complessiva dell'avvolgimento influisca sulla capacità termica.
Ora, parliamo dei tweeter. I tweeter nelle applicazioni audio auto sono estremamente piccoli e, francamente, piuttosto fragili. Gli avvolgimenti della bobina mobile nei tweeter sono fatti da filo molto fine, spesso più piccolo 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 midrange con un avvolgimento della bobina mobile che è almeno cinque volte più alto può gestire solo 100 watt? La risposta sta in come i produttori testano i loro altoparlanti.
Cos'è il Rumore Rosa?
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 dell'audio o del formato file audio per 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 di 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 1-2 kHz è distribuita su 10 volte tanto spazio.
Ecco com'è l'analisi spettrale di un segnale audio di rumore rosa:
Potete vedere che sopra i 20 Hz, il livello del segnale diminuisce a una velocità di -10 dB per decade man mano che la frequenza aumenta. Ciò significa che c'è 10dB meno energia di segnale a 1 kHz che a 100 Hz. Quando relazioniamo questa riduzione della forza del segnale alla potenza dai nostri amplificatori, il rapporto è anche un fattore di 10.
Se stiamo riproducendo rumore rosa attraverso un sistema audio, e i controlli di sensibilità dell'amplificatore sono impostati per produrre 100 watt di potenza a 20 Hz, a 200Hz l'amplificatore starà producendo 10 watt. A 2 kHz, l'amplificatore starà producendo 1 watt, e a 20 kHz, l'amplificatore eroga 0,1 watt di potenza ai nostri altoparlanti.
Densità di Potenza nella Musica
Un altro argomento che dovremmo discutere prima di arrivare alle valutazioni di potenza degli altoparlanti è come l'energia audio è distribuita nella musica che ascoltiamo. Abbiamo esaminato sei tracce audio e analizzato il loro contenuto spettrale in Adobe Audition nello stesso modo della forma d'onda del rumore rosa sopra. I risultati sono mostrati qui sotto:
Come potete 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 usano segnali di rumore rosa per testare le capacità di gestione della potenza dei loro altoparlanti.
Come Viene Testata la Gestione Potenza degli Altoparlanti
A seconda del marchio, diverse aziende usano processi diversi per testare le capacità di gestione della potenza dei loro altoparlanti. Si deve notare che alcune aziende hanno specifiche dettagliate per le loro procedure di test mentre altre si affidano semplicemente ai dati forniti dai loro fornitori, e altre indovinano basandosi sulla dimensione della bobina mobile usata nel design. Questa è una delle differenze chiave tra aziende che mettono uno sforzo significativo nel design e sviluppo dei loro prodotti e quelle che scelgono soluzioni da un catalogo e fanno stampare il loro nome sul cestello e sulla calotta antipolvere.
Un processo di test degli altoparlanti correttamente ingegnerizzato implica diversi passaggi. Useremo un subwoofer per il primo esempio. Il tecnico che esegue il test imposterebbe l'output dell'amplificatore usando una traccia audio a onda sinusoidale per rappresentare un livello di tensione che equivale al livello di potenza che vogliono testare. Per un subwoofer da 4 ohm che deve essere testato 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 rumore rosa che equivale a un'ampiezza uguale a 20 Hz per testare il driver.
Una volta impostati i livelli e l'altoparlante montato nel dispositivo di test, questa traccia di rumore rosa viene riprodotta a un livello continuo finché l'altoparlante non si guasta, o è passato un tempo adeguato. Molte aziende usano 8-10 ore come tempo di test minimo e alcune estendono questo a 100 ore. Dopo che la temperatura si stabilizza nell'altoparlante, il test a tempo esteso può aiutare a confermare l'idoneità e l'affidabilità degli adesivi e materiali scelti per costruire l'altoparlante. In essenza, diventa un test fisico oltre che di gestione della potenza.
Anche se varia da marchio a marchio, affinché l'altoparlante superi il test, i parametri Thiele/Small del driver non devono essere cambiati più di un importo predeterminato rispetto a quelli prima che il test iniziasse. 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 Altoparlanti Midrange e Ad Alta Frequenza
Poiché i driver midrange e i tweeter non possono gestire alti livelli di escursione, vengono testati nello stesso modo di un woofer, ma il segnale di test passa attraverso un filtro passa-alto. Ecco un esempio:
Diciamo che vogliamo testare un tweeter da 4 ohm, e vogliamo usare lo standard sopra per testarlo per 100 watt di gestione della potenza. Questo 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 usando un'onda sinusoidale mentre non è connesso all'altoparlante. Una volta impostato il livello, il rumore rosa viene riprodotto attraverso qualsiasi filtro passa-alto il produttore specifica. Per lo scopo di questo esempio, diciamo che il filtro è impostato a 2 kHz.
Questo è come apparirà l'analisi spettrale del segnale di test.
Il livello di picco medio del segnale di test è ora circa 20 dB più basso di quanto fosse a 20 Hz con un segnale a banda completa. In termini di potenza del segnale audio, abbiamo 1/100 della potenza. O 1 watt.
Stiamo dicendo che un tweeter classificato per gestire 100 watt di potenza di rumore rosa, testato sopra i 2 kHz, è testato solo con 1 watt di potenza? Assolutamente! È esattamente così che funziona. Pensate 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 solo 1 watt di potenza. Potrebbe essere in grado di gestire 10 watt. Significa che sarebbe una buona idea classificare il driver come capace di gestire 1.000 watt di rumore rosa? Probabilmente no. Sapete che qualcuno che non capisce come funziona il rumore rosa userà una traccia a onda sinusoidale per impostare i gain sul loro amplificatore tweeter e cercherà di immettere 63 volt (1.000 watt) nel tweeter. Naturalmente, queste stesse persone chiameranno anche il produttore dell'altoparlante lamentandosi che il tweeter è "rotto" e tutto quello che stavano facendo era impostare i controlli di gain.
Qual è il Punto delle Specifiche di Gestione Potenza?
Le valutazioni di gestione della potenza degli altoparlanti che usano il rumore rosa sono basate su criteri stabiliti per altoparlanti full-range domestici. I test imitano ciò che gli altoparlanti sperimenterebbero quando ascoltati ad alti livelli di volume e sono destinati a indicare quale valutazione di potenza dell'amplificatore sarebbe adatta per ottenere il massimo dagli altoparlanti senza danneggiarli. Questa specificazione non tiene conto di cosa succede quando un amplificatore viene spinto in clipping – ne parleremo un'altra volta.
Per ora, la conclusione di tutto questo è che impostare un sistema audio dovrebbe iniziare con l'impostazione dei controlli di sensibilità sul vostro amplificatore subwoofer, poi alzare i livelli dei canali midrange e tweeter per creare un sistema bilanciato. Le probabilità sono che non vi avvicinerete nemmeno alla potenza massima dagli amplificatori mid e tweeter. Oh, e non avete bisogno di un amplificatore da 150 watt per pilotare i vostri tweeter.