Por que você não pode comparar os amplificadores de fone de ouvido a partir da posição do volume por sua potência?

Estamos acostumados ao fato de que o amplificador cuja potência de saída é maior sob as mesmas condições (a mesma carga e distorção comparável) geralmente toca mais alto. Então, por que essa regra falha nos amplificadores de fone de ouvido? Como compará-los?

Para começar, lembramos que a energia é o produto da tensão e da corrente, e a corrente depende da magnitude da tensão e da classificação da carga.

W = U * I
I = U / R

Não podemos aumentar a potência adicionando apenas corrente sem alterar a tensão. Em outras palavras, com o controle de volume, controlamos apenas a tensão na saída do amplificador, e a corrente será consumida dependendo da resistência da carga (alto-falantes ou fones de ouvido). Aumentaremos a tensão - o consumo atual também aumentará automaticamente.

Qualquer amplificador possui características extremas que podem ser expressas como o nível máximo de corrente e tensão para determinados critérios de qualidade. Se definirmos o nível de saída no qual o sinal amplificado ultrapassa o valor limite de tensão, os "topos" da onda serão cortados.


Exemplo de forma de onda IHiFi-100, limitação desequilibrada

Esse tipo de distorção é geralmente chamado de "recorte" ou "sobrecarga". Mas pode haver uma situação em que a tensão máxima não seja excedida, mas o consumo de corrente na carga (alto-falantes ou fones de ouvido) é maior do que o amplificador pode oferecer. Como resultado, obtemos distorção de som semelhante.


Limite de corrente Audiolab M-DAC com baixa resistência. A limitação na parte superior da onda é "suave" e na parte inferior "dura".

Como a energia é o produto da corrente e da tensão, com potência de saída igual, a corrente e a tensão são inversamente proporcionais.

U = P / I, I = P / U

Com sensibilidade igual à potência dos alto-falantes (ou fones de ouvido), mas com impedâncias diferentes, para garantir pressão sonora igual na saída, é necessária a mesma potência, mas com diferentes proporções de corrente e tensão.

Quase todos os alto-falantes com emissores dinâmicos são de baixa impedância - 4 ou 8 ohms. Para essa carga do amplificador, o valor da corrente de saída é principalmente importante, pois a voltagem necessária é relativamente pequena.

Como é geralmente determinado o potencial do amplificador? Quem tem um transformador mais pesado e mais capacitância na fonte de alimentação é melhor. Embora este seja um indicador indireto, geralmente é bastante preciso.

O sinal musical não é um seno puro a longo prazo, é energeticamente 9-15 dB "mais silencioso" devido à amplitude desigual no tempo. Se, por exemplo, medimos uma potência de 10 W (4 Ohms, 6,3 Vrms, 1,5 A), o valor médio real consumido será de 3,5 W (a uma densidade de energia de 9 dB inferior). Assim, se aumentarmos o volume em 9 dB, o valor da tensão no sinal de música será 10 watts reais.


Forma de onda para sinal senoidal e musical

A imagem mostra as áreas sombreadas do seno e do sinal musical. A proporção das áreas é igual à proporção da corrente consumida com igual amplitude de tensão.



Se não houver capacidade suficiente na fonte de alimentação, em momentos de alta potência a curto prazo, receberemos distorções no som devido ao corte por corrente. Mas, com capacidade suficiente na fonte de alimentação, o amplificador receberá a energia necessária. É por esse motivo que muitas vezes prestamos muita atenção à capacitância dos capacitores. De fato, um amplificador com capacitores capacitivos será mais poderoso, embora no teste em senos de potência (a longo prazo) seja igual a um amplificador com uma capacidade menor de capacitor na fonte de alimentação.

Outro ponto mais importante, se os amplificadores tiverem o mesmo limite de tensão, por exemplo, 5 Vrms, em um seno com uma carga de 4 Ohms, haverá um consumo de corrente de 1,25 A, e para um musical com uma densidade de 9 dB menor - 0,4 A. Suponha que dois amplificadores de 4 ohms declararam potência de 6 W (5 Vrms, 1,2 A) e 4 W (5 Vrms, 0,8 A). Como você pode ver, o primeiro amplificador possui uma potência senoidal mais alta, mas os amplificadores tocam no mesmo volume no sinal de música, porque sua voltagem máxima é a mesma. O recorte devido à falta de corrente não será, porque ambos os amplificadores são capazes de fornecer mais de 0,4 A por 4 ohms. A margem de potência do primeiro amplificador é simplesmente redundante (é assim que as alegações parecem que as características se encontram e você não pode confiar nelas).

A diferença entre o sinal senoidal e o musical é tão óbvia que, em todos os padrões, de uma maneira ou de outra, existem recomendações para fazer medições ou indicar os dados finais dos sinais próximos ao musical. Mas nenhuma dessas recomendações se enraizou. A principal razão sugerida é que, para a maioria dos amplificadores, a margem de tensão é muito maior que a margem atual para cargas de baixa impedância.

Por exemplo, se um amplificador sem carga pode dar 12 Vrms, mas sob uma carga com uma corrente de 0,6 A, já obtemos um recorte a 2,4 Vrms a 4 ohms no seno e a 6,7 ​​Vrms no sinal de música. Simplesmente não chegamos ao limite de tensão.

O consumidor tem uma pergunta simples, o que está tocando mais alto e a classificação da potência na maioria dos casos fornece a resposta correta, porque em termos de tensão e corrente, apenas a corrente será o fator limitante. Se recalcularmos a energia em “corrente + tensão”, então vamos fazer cálculos desnecessários e a resposta será a mesma.

Além disso, comparando os valores de potência, tensão e corrente, não obtemos a resposta “quanto mais alto”, porque essa resposta está contida apenas em unidades expressas em decibéis. Por exemplo, em termos de potência, três amplificadores serão organizados da seguinte forma: 10 W, 20 W e 30 W. Mas em termos de volume, um amplificador com uma potência de 20 W estará no meio? Nas unidades expressas em dB, a potência será semelhante a: 10 dBW, 13 dBW e 14,7 dBW. Proporções como -3 / 0 / 1,7 dB. Assim, um amplificador com uma potência de 20 watts estará muito mais próximo de um amplificador de 30 watts.

Talvez se o desenvolvimento de computadores tivesse acontecido anteriormente e os autores de revistas e leitores brilhantes pudessem contar logaritmos, não veríamos valores abstratos da potência dos amplificadores, mas valores específicos da pressão sonora na saída de alto-falantes e amplificadores específicos. Mas, infelizmente, era muito complicado, embora desse uma resposta mais precisa.

Mas voltando ao principal - simplificar a classificação dos amplificadores em termos de volume por potência não levou a contradições (especialmente para amplificadores de orçamento), porque O fator limitante era principalmente atual. Mas com os amplificadores de fones de ouvido, o problema surgiu em pleno crescimento.

As impedâncias comuns para fones de ouvido variam de 16 a 300 ohms. Para fones de ouvido de baixa impedância, a corrente é o parâmetro limitador e, para a alta impedância - tensão. Além disso, para fones de ouvido de baixa impedância, haverá uma margem de pelo menos 9 a 15 dB de corrente.

Se o amplificador para alto-falantes de carga típica tiver apenas dois, 4 e 8 Ohms (e, portanto, dois valores de nível de potência), para um amplificador de fone de ouvido essas impedâncias típicas são da ordem de 8: 8, 16, 24, 32, 60, 100, 200, 300 e 600 ohms. Na melhor das hipóteses, os fabricantes indicam um valor de energia para duas classificações.

Usuários não treinados nem sempre percebem que amplificadores diferentes têm classificações de potência diferentes e não é possível comparar 0,5 W a 32 Ohm e 0,3 W a 300 Ohm.

Se você criar um gráfico da tensão de saída do amplificador, ele assumirá esse formato.


No eixo horizontal - resistência à carga (alto-falantes ou fones de ouvido). Vertical, tensão, à esquerda em Vrms (familiar a muitos) e à direita em dBV. dBV é o valor da tensão em decibéis, em que 1 Vrms é usado para 0 dB. Nestas unidades, a tensão para equipamentos profissionais é indicada há muito tempo, porque Os níveis são ajustados em dB. No nosso caso, isso é conveniente devido à comparação direta do volume imediatamente em dB.

A linha pontilhada azul é o limite de tensão. No exemplo, isso é 0 dBV ou 1 Vrms. Por simplicidade de exemplo, a impedância de saída do amplificador é 0 Ohms e esta linha é estritamente horizontal.

A linha vermelha é o valor da tensão em uma corrente de saída de 10 mA (de acordo com a fórmula U = I * R).

A linha preta é o resultado dos limites de corrente e tensão. Se os valores de tensão forem convertidos em energia, obteremos 1,6 mW (-16 dBV) para 16 Ohms e 3,3 mW (0 dBV) para 300 Ohms.

As relações de potência fornecem uma diferença de 3 dB (10 * Log10 (W1 / W2) = 10 * Log10 (3,3 / 1,6) = 3 dB). Considere o exemplo com fones de ouvido com uma sensibilidade de 100 dB / mW quando avaliado de acordo com o gráfico de tensão:

Se tivermos fones de ouvido com uma sensibilidade de 118 dB / V SPL (100 dB / mW) a 16 Ohms, para eles a pressão máxima do som será igual a -16 dBV + 118 dB / V SPL = 102 dB SPL. Para fones de ouvido com uma sensibilidade de 105 dB / V SPL (100 dB / mW) a 300 Ohms, a pressão do som será igual a 0 dBV + 105 dB / V SPL = 105 dB SPL. A diferença de volume entre os fones de ouvido conectados a este amplificador será igual a 105 dB SPL - 102 dB SPL = 3 dB, onde o modelo de alta impedância será mais alto.

Matematicamente, tudo isso é bom para o seno. Mas para um sinal musical, o cálculo já será diferente.


Como a densidade de energia do sinal é menor em pelo menos 9 dB, o limite de corrente será ao longo da linha tracejada verde, que é maior em 9 dB, respectivamente.


As relações de tensão já serão diferentes.

Para 16 ohms:

• Para o seno, teremos um valor de -16 dBV.
• Para um sinal de música, o valor já será 9 dB mais alto, igual a -7 dBV, e a potência "musical" já não deve ser de 1,6 mW, mas 12 mW!
• Se você esquecer a qualidade (se o nível atual for excedido, obteremos distorções) ou se a densidade de energia do sinal for ainda menor, o valor poderá chegar a 0 dBV.

Por 300 Ohms, nada vai mudar, porque existe apenas um limite de tensão. Para o exemplo acima, para um sinal de música, fones de ouvido com sensibilidade de 118 dB / V a 16 Ohms fornecerão uma pressão sonora de -7 dBV + 118 dB / V SPL = 111 dB SPL. E a diferença entre os modelos de baixa e alta resistência se tornará 111dB SPL - 105dB SPL = 6dB, onde o modelo de baixa resistência já será mais alto.

E se você apenas girar o botão de volume ao máximo e não prestar atenção à qualidade (barulho do recorte), a diferença entre os fones de ouvido será de 13 dB a favor do modelo de baixa impedância.


Se observarmos as amplitudes, a margem atual é menor que 9 dB, e, portanto, o nível máximo de tensão permanecerá em 0 dBV. No exemplo acima, o ganho real foi de 6 dB.

O que acontece se compararmos amplificadores com a mesma potência de saída?


Adicione um segundo amplificador com a potência declarada de 3 mW a 32 Ohms e de 3,3 mW a 300 Ohms. Nosso primeiro amplificador no exemplo tem exatamente a mesma potência em 32 e 300 ohms.

O segundo amplificador possui uma tensão máxima de 2,3 dBV (1,3 Vrms), uma impedância de saída de 100 Ohms e uma corrente de saída de 100 mA. Devido à resistência diferente de zero, o limite de tensão não é uma linha horizontal reta, mas uma curva com uma diminuição da tensão na região de baixa impedância.

Como você pode ver no gráfico, a linha magenta cruza com a linha preta em 32 e 300 Ohms. A margem atual é tão grande (linha tracejada magenta) que não afeta os valores máximos.

O gráfico acima mostra que para o primeiro amplificador de 32 ohms existe uma margem de 9 dB, porque isso permite o valor máximo de tensão. Para um segundo amplificador com uma grande margem de corrente, a tensão máxima não permite obter potência "musical" mais do que foi obtida para o seno.

Assim, formalmente, os amplificadores têm a mesma potência, mas, na prática, o primeiro amplificador de fone de ouvido de 32 ohms fornecerá um volume 9 dB maior com a mesma qualidade.

Que conclusões globais podem ser tiradas disso? A comparação de amplificadores simplesmente por energia está incorreta, apesar de ser habitual e mais ou menos adequada para amplificadores CA.

O desenvolvimento de relatórios no RAA sempre foi direcionado não ao número máximo de gráficos, mas à possibilidade de comparar produtos. E ao comparar, obtendo respostas práticas, não abstratas.

A operação da sensibilidade à potência e o gráfico de potência foram menos convenientes para comparação rápida do que, por exemplo, comparação da sensibilidade à tensão e, consequentemente, gráficos de tensão.

No entanto, o gráfico de tensão plotado pelo seno não era preciso o suficiente para comparar o volume entre os amplificadores. Como resultado do trabalho, uma visão aprimorada do gráfico de tensão foi adicionada à potência "musical". Este gráfico foi adicionado aos relatórios e a vários serviços e comparações online.

Comparação dos gráficos das características de potência dos amplificadores e determinação do nível de tensão necessário para fones de ouvido do amplificador

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Neste serviço, você pode comparar amplificadores em volume e dentro da estrutura de determinadas classes de qualidade. Se você escolher uma classe A equivalente, será uma comparação na qualidade presumivelmente máxima dos amplificadores. E se você selecionar "Sem limite de corrente" - simplesmente haverá uma comparação de volume sem considerar a qualidade.

Por padrão, a densidade de energia do sinal é definida em 12 dB abaixo da densidade senoidal. Normalmente, a densidade de um sinal de música varia de 9 a 15 dB. Se desejar, você pode definir uma densidade diferente. Se você selecionar 3 dB e exibir “Point On”, você obterá um gráfico construído pelo seno com os valores originais.


Para analisar os níveis para uma carga específica, você pode definir a resistência do fone de ouvido e a tabela adicional conterá os valores desejados em dBV.

Existem outros algoritmos interessantes e úteis neste serviço, mas estão além do escopo deste tópico.

Comparação da parte do amplificador em volume

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Esta é uma versão simplificada na forma de uma tabela na qual você pode definir duas opções de resistência e observar as amplitudes em dB. Da mesma forma, você pode escolher uma classe de qualidade equivalente. Além disso, são dados os valores em poder do seno. Ao classificar, você pode ver que os valores de energia podem diferir significativamente nos mesmos valores de tensão devido à densidade de energia do sinal.

Calculadora da linha de base do amplificador

Sem dúvida, muitos terão uma pergunta involuntariamente, mas e quanto a comparar dispositivos que não foram medidos no RAA? Como calcular tensão e corrente? Como criar um cronograma?



Para isso, é preparada uma calculadora separada, na qual será possível inserir dados conhecidos sobre o dispositivo e obter os valores finais na saída.

A calculadora não é simples, porque Às vezes, os dados dos fabricantes estão incompletos e é necessário calcular o intervalo provável de valores possíveis. Por exemplo, um fabricante pode indicar energia para uma única carga e nível máximo de tensão sem carga. Sem uma impedância de saída, pode haver várias opções de gráfico. Várias combinações desses dados estão sendo elaboradas.

Sumário

Para comparar a parte do amplificador em termos de volume, a densidade de energia do sinal musical e separadamente as restrições de corrente e tensão devem ser levadas em consideração.