Co sprawia trudność?

Jednym z ważnych parametrów zespołów głośnikowych jest efektywność. To miara sprawności energetycznej - stopnia, w jakim głośnik (przetwornik elektroakustyczny) zamienia dostarczoną energię elektryczną (ze wzmacniacza) w dźwięk.

Efektywność jest wyrażana w logarytmicznej skali decybelowej, w której 3 dB różnicy oznacza poziom dwa razy większy (lub mniejszy), 6 dB - cztery razy itd. Potocznie rzecz ujmując, przy takiej samej dostarczonej mocy elektrycznej, głośnik o efektywności 3 dB będzie grał dwa razy głośniej.

Warto dodać, że sprawność przeciętnych głośników wynosi kilka procent - większość energii zamieniana jest na ciepło, a więc jest nie tylko „marnowana” z punktu widzenia celu, dla jakiego pracują głośniki, lecz dodatkowo pogarsza warunki ich pracy - gdy wzrasta temperatura cewki głośnika, rośnie jej rezystancja, a i wzrost temperatury układu magnetycznego jest niekorzystny, mogąc prowadzić do zniekształceń nieliniowych. Mimo to nie można niskiej efektywności utożsamiać z niską jakością - jest wiele kolumn o niskiej efektywności i bardzo dobrym brzmieniu.

Trudności z trudnymi obciążeniami

Doskonałym przykładem są właśnie konstrukcje ATC, których niska efektywność ma swoje źródło w szczególnych rozwiązaniach zastosowanych w samych przetwornikach, a służących... jakby to nie zabrzmiało paradoksalnie - redukcji zniekształceń. Chodzi o układ tzw. krótkiej cewki w długiej szczelinie, który w porównaniu do typowego (stosowanego w zdecydowanej większości przetworników elektrodynamicznych) układu długiej cewki w krótkiej szczelinie, charakteryzuje się niższą efektywnością, ale niższymi zniekształceniami (dzięki pracy cewki w jednorodnym polu magnetycznych znajdującym się w szczelinie).

Ponadto układ napędowy jest przygotowany do liniowej pracy z dużymi wychyleniami (w tym celu szczelina musi być znacznie dłuższa od cewki), i w tej sytuacji nawet bardzo duże układy magnetyczne, jakie stosuje ATC, nie zapewniają uzyskania wysokiej efektywności (większa część szczeliny, bez względu na położenie cewki, nie jest przez nią wypełniona).

W tym miejscu bardziej interesuje nas jednak co innego. Stwierdźmy fakt, że SCM7, zarówno ze względu na swoją wielkość (układ dwudrożny z 15-cm nisko-średniotonowym, w obudowie o objętości niespełna 10 litrów), jak i ową szczególną technikę, ma efektywność bardzo niską - wg pomiarów w laboratorium „Audio” tylko 79 dB (abstrahujemy od danych producenta, który obiecuje wyższą wartość, i od powodów tej rozbieżności; porównujemy efektywności konstrukcji zmierzonych w „Audio” w takich samych warunkach).

Jak już wiemy, będzie to powodowało, że SCM7 przy określonej dostarczonej mocy będą grały znacznie ciszej niż większość konstrukcji, nawet podobnej wielkości. Aby więc zagrały tak samo głośno, trzeba dostarczyć większą moc.

Tego typu sytuacja doprowadza wielu audiofilów do uproszczonego wniosku, że SCM7 (i w ogóle konstrukcje ATC) wymagają wzmacniacza nie tyle o dużej mocy, co o jakichś trudnych do zdefiniowania parametrach, zdolnego „napędzić”, „pociągnąć” „poradzić sobie”, „wysterować”, jakoby „trudne obciążenie”, jakim jest SCM7. Jednak lepiej utrwalone znaczenie pojęcia „trudnego obciążenia” dotyczy zupełnie innego parametru (niż efektywność) - a mianowicie impedancji (zespołu głośnikowego).

Obydwa znaczenia „trudnego obciążenia” (związane z efektywnością lub impedancją) wymagają różnych środków przezwyciężających tę trudność, więc ich mieszanie prowadzi do grubych nieporozumień nie tylko na gruncie teoretycznym, ale i praktycznym - właśnie w doborze odpowiedniego wzmacniacza.

Głośnik (zespół głośnikowy, kolumna, przetwornik elektroakustyczny) jest odbiornikiem mocy elektrycznej, która aby mogła zostać zamieniona na dźwięk czy nawet ciepło, musi przedstawiać sobą impedancję (obciążenie). Wtedy wydzieli się na nim moc (jak już wiemy, niestety w większości w postaci ciepła) zgodnie z podstawowymi wzorami znanymi z fizyki.

Wysokiej klasy wzmacniacze tranzystorowe, w określonym zakresie rekomendowanej impedancji obciążenia zachowują się w przybliżeniu jak źródła stałonapięciowe. Oznacza to, że wraz ze spadkiem impedancji obciążenia, przy ustalonym napięciu na zaciskach, płynie większy prąd (odwrotnie proporcjonalnie do spadku impedancji).

A ponieważ prąd jest we wzorze na moc w kwadracie, więc mimo że impedancja maleje, to moc wzrasta, odwrotnie proporcjonalnie do spadku impedancji. Większość dobrych wzmacniaczy zachowuje się tak przy impedancjach powyżej 4 omów (a więc na 4 omach moc jest prawie dwukrotnie wyższa niż na 8 omach), niektóre już od 2 omów, a najmocniejsze - od 1 oma.

Ale typowy wzmacniacz, który obciążymy impedancją niższą od 4 omów, może mieć „trudności” - spadnie napięcie na wyjściu, nie popłynie prąd większy odwrotnie proporcjonalnie do spadku impedancji, i moc albo wzrośnie nieznacznie, albo nawet spadnie. Stanie się tak nie tylko przy określonej pozycji regulatora, ale też w badaniu mocy maksymalnej (znamionowej) wzmacniacza.

Rzeczywista impedancja zespołu głośnikowego nie jest rezystancją o stałej wartości, ale charakterystyką zmienną w funkcji częstotliwości (chociaż na podstawie tej charakterystyki i jej minimów określa się impedancję znamionową), więc trudno dokładnie kwantyfikować stopień trudności - zależy od interakcji z danym wzmacniaczem.

Niektóre wzmacniacze nie lubią też dużych kątów fazowych impedancji (związanych z jej zmiennością), zwłaszcza gdy występują w zakresach o niskiej wartości modułu impedancji. To jest właśnie „trudne obciążenie” w klasycznym (i poprawnym) rozumieniu, i aby poradzić sobie z takim obciążeniem, trzeba szukać odpowiedniego wzmacniacza, niepoddającego się przy niskich impedancjach.

Czasami mówi się w takich przypadkach o „wydajności prądowej” - bo osiągnięcie wysokiej mocy przy niskich impedancjach faktycznie wymaga większego prądu (niż przy niskich impedancjach). Jednak i tutaj wkrada się nieporozumienie, gdy niektórzy „doradcy sprzętowi” zupełnie oddzielają moc od prądu, zakładając, że wzmacniacz może mieć niską moc, byle miał mityczny prąd.

Jednak wystarczy mierzyć moc na niskich impedancjach, aby przekonać się, czy wszystko jest OK - ostatecznie chodzi nam o moc wydzielaną na głośniku, a nie o sam prąd płynący przez głośnik.

ATC SCM7 mają niską efektywność (z tego punktu widzenia są więc „trudne”), a przy tym impedancję znamionową 8 omów (i z tego ważniejszego powodu są „łatwe”). Jednak wielu audiofilów nie rozróżni tych spraw i orzeknie, że to obciążenie „trudne” - po prostu dlatego, że SCM7 zagrają cicho.

Tymczasem zagrają znacznie ciszej (przy określonej pozycji regulatora głośności) od innych zespołów głośnikowych nie tylko z powodu niskiej efektywości, ale i wysokiej impedancji - większość kolumna na rynku jest 4-omowa. A jak już wiemy, przy obciążeniu 4-omowym z większości wzmacniaczy popłynie większy prąd i wydzieli się wyższa moc.

Stąd ważne jest rozróżnienie między efektywnością a czułością, zaś mieszanie tych parametrów też jest częstym błędem zarówno producentów, jak i użytkowników. Efektywność definiujemy jako ciśnienie akustyczne w odległości 1 m od głośnika, przy dostarczeniu 1 W mocy. Czułość - przy przyłożeniu napięcia 2,83 V. Bez względu na

impedancję obciążenia. Skąd taka „dziwna” wartość? Napięcie 2,83 V przy impedancji 8 omów daje właśnie 1 W; stąd przy takiej impedancji wartości efektywności i czułości są jednakowe. Ale większość współczesnych zespołów głośnikowych jest 4-omowa (a że producenci przedstawiają je często i nieprawdziwie jako 8-omowe, to inna sprawa).

Wtedy napięcie 2,83 V powoduje dostarczenie 2 W - dwa razy wyższej mocy - co ma swoje odbicie w o 3 dB wyższym ciśnieniu akustycznym. Aby zmierzyć efektywność kolumny 4-omowej, należałoby zmniejszyć napięcie do 2 V, ale... żaden producent tego nie robi, bo wynik widoczny w tabelce, jakkolwiek zatytułowany, byłby wtedy o 3 dB niższy.

Właśnie dlatego, że SCM7, tak jak inne kolumny 8-omowe, są pod względem impedancji „łatwym” obciążeniem, wydają się wielu użytkownikom - oceniającym „trudność” na skróty, czyli przez pryzmat głośności uzyskiwanej przy określonej pozycji regulatora (i związanym z nią napięciem) - obciążeniem „trudnym”.

A grać mogą ciszej z dwóch zupełnie różnych powodów (lub na skutek ich zbiegu) - kolumna może mieć niższą efektywność, ale może też pobierać mniej mocy. Rozpoznanie, z którą sytuacją mamy do czynienia, wymaga poznania podstawowych parametrów, a nie tylko porównania głośności otrzymywanej z dwóch różnych kolumn, podłączonych do tego samego wzmacniacza przy tej samej pozycji regulatora.

Co widzi wzmacniacz

Użytkownik SCM7 słyszy, że głośniki grają cicho, i intuicyjnie stwierdza, że wzmacniacz musi się „męczyć”. Tymczasem wzmacniacz „widzi” tylko charakterystykę impedancji - w tym przypadku wysoką, a więc „łatwą” - i wcale się nie męczy, jak też nie sprawia mu żadnej trudności fakt, że większość mocy głośnik zamienił na ciepło, a nie na dźwięk. To już sprawa „między głośnikiem a nami”; wzmacniacz nic „nie wie” o naszych wrażeniach - czy jest cicho, czy głośno.

Wyobraźmy sobie, że podłączamy 8-omowy rezystor o bardzo dużej mocy do wzmacniaczy o mocach kilku watów, kilkanaście, kilkadziesiąt, kilkaset... Dla wszystkich jest to obciążenie bezproblemowe, każdy dostarczy tyle watów, na ile go stać na takiej impedancji, nie mając „żadnego pojęcia” o tym, że cała ta moc zamieniała się w ciepło, a nie w dźwięk.

Różnica między mocą, którą może przyjąć rezystor, a mocą, którą może dostarczyć wzmacniacz, nie ma żadnego znaczenia dla pracy tego ostatniego - żadnemu nie przeszkadza to, że rezystor ma moc dwa, dziesięć czy sto razy większą. Może tyle przyjąć, ale nie musi.

Czy któryś z tych wzmacniaczy miałby problem z „wysterowaniem” tego rezystora? A co oznacza jego wysterowanie? Czy dostarczenie maksymalnej mocy, jaką może przyjąć? A co oznacza wysterowanie zespołu głośnikowego? Czy właśnie dostarczenie maksymalnej mocy, czy jakiejś niższej wartości, powyżej której głośnik zaczyna dobrze grać? Jaka to może być moc?

Jeżeli brać pod uwagę „próg czułości”, powyżej którego głośnik gra już liniowo (w wymiarze dynamiki, a nie charakterystyki częstotliwościowej), to w grę wchodzą bardzo niskie wartości, rzędu 1 wata, nawet dla głośników o niskiej efektywności. Warto wiedzieć, że zniekształcenia nieliniowe, wnoszone przez sam głośnik, rosną (procentowo) wraz ze wzrostem mocy już od niskich wartości, więc „najczystszy” dźwięk pojawia się wtedy, gdy gramy cicho.

Jeżeli natomiast chodzi o dotarcie do takiej głośności i dynamiki, która zapewnia nam odpowiednią dawkę muzycznych emocji, to sprawa staje się nie tylko subiektywna, uzależniona od osobistych preferencji, ale nawet dla określonego już słuchacza niejednoznaczna.

Zależy bowiem co najmniej od dystansu, jaki dzieli go od głośników - przecież ciśnienie akustyczne maleje wraz z kwadratem odległości. Innej mocy będziemy potrzebowali, aby wedle nawet własnego gustu „wysterować” głośniki znajdujące się w odległości 1 m, a innej (szesnaście razy większej) w odległości 4 m. I jak tu odpowiadać na

pytanie, jaki wzmacniacz „da sobie radę”? Trudna rada... Wszyscy czekają na proste wskazówki: kup pan taki wzmacniacz, a takiego nie kupuj, bo „nie da rady”…

Trzymając się przykładu SCM7, można by skwitować tak: wcale nie muszą dostawać 100 W, aby grać ładnie i cicho. Muszą je dostać, aby zagrać ładnie i głośno. Jednak więcej niż 100 W i tak nie przyjmą, bo limituje je ich własna moc. Producent podaje zakres rekomendowanej mocy wzmacniacza (prawdopodobnie znamionowej, a nie mocy, jaka należy dostarczać „na bieżąco”) w granicach 75-300 W.

Wydaje się jednak, że 15-cm nisko-średniotonowy, nawet tak wysokiej klasy, jak tutaj zastosowany, 300 watów nie przyjmie... Producenci często podają dzisiaj tak wysokie granice rekomendowanych zakresów mocy współpracujących wzmacniaczy, co też ma różne przyczyny - sugeruje wysoką moc głośnika, ale przecież do niej nie zobowiązuje... to nie moc znamionowa, którą głośnik musi przyjąć.

Niech zapas mocy będzie z Tobą?

Można też wychodzić z założenia, że wzmacniacz powinien mieć zapas mocy (względem mocy znamionowej głośnika), aby w żadnej sytuacji nie ulegać przesterowaniu (zagrażającemu uszkodzeniem głośnika). To jednak też nie ma nic wspólnego z „trudnością” współpracy z głośnikiem.

Nie ma bowiem sensu odróżniać głośników, które „wymagają” od wzmacniacza takiego zapasu mocy, od takich, które nie wymagają. Niektórzy zdają się sądzić, że zapas mocy wzmacniacza jest w jakiś sposób przez głośnik odczuwany, głośnik za ten zapas wzmacniaczowi się odwzajemnia, i wzmacniaczowi łatwiej jest pracować... Albo że „trudne” obciążenie, związane nawet z niską mocą głośnika, może zostać „opanowane” dzięki wysokiej mocy pozostającej w zapasie, albo dostarczanej w krótkich impulsach...

Jest jeszcze kwestia tzw. współczynnika tłumienia, związanego z impedancją wyjściową wzmacniacza. Ale o tym już w następnym numerze.

Andrzej Kisiel