Обеспечение надежности громкоговорителей при эксплуатации

Михаил Ольшевский,
главный инженер
«Акустик Дизайн Бюро»,
www.adbltd.ru

Важность и актуальность обеспечения надежности громкоговорителей при их эксплуатации, я думаю, не вызывает у читателя сомнений. Каждый, кто так или иначе связан с шоу-бизнесом, прекрасно знает, какова стоимость современных профессиональных звуковых систем и какова может быть стоимость срыва серьезного массового мероприятия, произошедшего вследствие выхода из строя звукового оборудования.
Но и в любых других, не столь драматичных ситуациях, выход из строя громкоговорителей – это всегда дополнительные расходы потребителя, продавца или изготовителя этих громкоговорителей. Это моральный ущерб для артиста и слушателя, это падение престижа торговой марки.
Нередки случаи, когда неосторожным движением фейдера на пульте звукорежиссера выводятся из строя десятки громкоговорителей. А то, что даже опытные специалисты допускают дорогостоящие ошибки, говорит о том, что вопросы эти действительно непросты.
Повреждения громкоговорителей делятся на три основных группы по признаку вызывающей их причины (см. рис. 1.) (Громкоговорителем я называю как законченную конструкцию – кабинет, так и динамическую головку громкоговорителя, драйвер). Разницу будет легко понять по контексту или она будет несущественной.)

Первая группа

Повреждения звуковой катушки, вызванные ее перегревом. Это деформация катушки, выгорание клея, скрепляющего обмотку, рассыпание обмотки и т. п.
Процесс разогрева катушки относительно медленный, занимающий в первом приближении от единиц до десятков секунд в зависимости от массы и материала катушки, поэтому температура растет пропорционально средней мощности и соответственно квадрату среднеквадратического (эффективного, теплового) значения проходящего тока или приложенного напряжения. Таким образом, для предотвращения перегрева звуковой катушки должна быть каким-то образом ограничена средняя мощность или среднеквадратическое значение проходящего тока или подводимого напряжения.

Вторая группа

Повреждения подвижной системы, вызванные приложением к звуковой катушке недопустимо большой механической силы, что приводит к разрушительному ускорению.
Это отрыв звуковой катушки, центрирующего диска, разрывы диффузора и т.п.
Сила, приложенная к звуковой катушке, прямо пропорциональна протекающему через нее току или приложенному напряжению, а процесс разрушения материала при превышении предела упругой деформации происходит практически мгновенно, поэтому для предотвращения этого класса повреждений должно быть ограничено мгновенное значение подводимого напряжения или проходящего тока.

Третья группа

Повреждения подвижной системы, вызванные чрезмерным перемещением звуковой катушки (т.е. чрезмерной амплитудой колебаний).
Это обрыв подводящих проводников, разрушение подвеса диффузора, «выскакивание» катушки из зазора магнитной системы и т.п.
На амплитуду колебаний диффузора влияет как подводимое напряжение (или протекающий ток), так и частота колебаний.
Амплитуда возрастает с увеличением напряжения и с понижением частоты. Для ограничения амплитуды колебаний должны быть регламентированы как значение подводимого на- пряжения (протекающего тока) так и нижняя граница диапазона частот.
Таким образом, чтобы защитить громкоговоритель, нужно сформулировать требования по ограничению трех величин: Средней мощности Pavg, мгновенного значения протекающего
тока Ivc и частоты колебаний f с учетом пока еще не известной нам взаимосвязи этих величин.
Пользуясь законом Ома, можно перейти от мощности и тока к более удобной для практики величине – напряжению.
Pavg = Urms^2 / Zvc
Ivc = Uvc / Zvc
Используем звуковой генератор, подключенный к усилителю мощности с низким выходным сопротивлением в качестве источника ЭДС.

Рис. 2

Мы получили простую схему испытания (рис.2), которая учитывает все факторы, повреждающие громкоговоритель. При этом мы имеем всего четыре интересующих нас параметра: Uvc rms, Uvc peak, Zvc, fgen.
Пиковое и среднеквадратическое напряжения, подводимые к звуковой катушке, Uvc rms, Uvc peak – это параметры для измерения. Еще нам требуется знать импеданс звуковой катушки Zvc и, кроме того, у нас фигурирует малопонятный пока генератор, вырабатывающий сигнал с частотой fgen.
И надо как-то связать все это между собой. Это было бы просто, если бы мы исследовали утюг: нагрузка – активная, КПД – 100%, вся энергия – в тепло, чистый закон Ома.
Однако громкоговоритель является сложной электромеханической системой, имеющей несколько резонансов и обладающей значительной нелинейностью. Его электрическое со- противление имеет комплексный характер и сложным образом зависит от частоты. Строгий анализ происходящих в нем процессов чрезвычайно сложен.
Но нам все это не нужно, мы – пользователи. Для того чтобы изделие долго работало, нужно просто посмотреть в инструкцию и сделать все, как там написано.
Посмотрим, что написано в инструкции про допустимую мощность:
Long term RMS power capacity         W
Long term power rating AES              W
Continuous power handling                W
Average power IEC 60268-5              W
Long time average power EIA            W
Instantaneous peak power                 W
Short-term power handling (10ms)     W
Этот список можно продолжить, вариантов нормирования допустимой мощности существует много. Попробуем в этом разобраться.
Во-первых, что означают аббревиатуры, встречающиеся в паспортах громкоговорителей?
EIA, AES, ANSI, IEC – это ссылки на различные стандарты.
EIA – Electronic Industries Association, AES – Audio Engineering Society, ANSI – American National Standards Institute, IEC – International Electrotecnical Commission (МЭК) – все это уважаемые международные и национальные организации, занимающиеся стандартизацией. RMS – Root Mean Square – среднеквадратическое значение. Это чисто математическое понятие.
Большинство применяемых в последнее время стандартов предлагает практически одинаковые методики нормирования мощности громкоговорителей, имеющие некоторые отличия, о которых поговорим ниже, а общее в них следующее.
Испытания проводятся на шумовом сигнале (это белый или розовый шум) с нормированным с помощью амплитудного ограничителя пик-фактором (то есть отношением пиковой мощности к средней), и определенным частотным спектром, который формируется соответствующими фильтрами. Схема испытания приведена на рис. 3.

Рис. 3

Усилитель, естественно, должен обладать достаточным запасоммощности и низким выходным сопротивлением. Для проведения необходимых измерений требуется только среднеквадратический вольтметр.
Обратите внимание на то, что по существу стандартами нормируется не мощность, как можно было бы предполагать, а подводимое к звуковой катушке напряжение, что следует из самой схемы испытаний. Мощность же является величиной расчетной и в разных стандартах рассчитывается по-разному. См. таблицу на рис. 4. Поэтому допустимая мощность одного и того же громкоговорителя, рассчитанная по разным стандартам будет различной, несмотря на то, что допустимое подводимое напряжение одинаково. 

Рис. 4

Что означают Zэкв, Zмин, Zном в формулах расчета мощности в разных стандартах поясняется рисунком 5, на котором приведена типовая зависимость импеданса звуковой катушки громкоговорителя от частоты (громкоговоритель находится в открытом пространстве). Зависимость импеданса от частоты громкоговорителя, установленного в корпус имеет несколько другую форму, но характерные точки у нее те же. Re – сопротивление звуковой катушки постоянному току, Zмин – минимальный импеданс звуковой катушки в рабочем диапазоне частот, Zном – номинальный импеданс звуковой катушки.

Рис. 5

Выбирается из стандартного ряда (16, 8, 4 Ом), но не должен превышать Zмин более чем на 20%. Zэкв принимается как 1,15 Re.
С определением мощности мы разобрались. Теперь разберемся с тестовым сигналом.
Сочетание вида используемого шума и соответствующей фильтрации (см. схему испытаний на рис. 3) обеспечивает заданное частотное распределение мощности (спектр) сигнала, а амплитудное ограничение обеспечивает заданный пик-фактор сигнала.
Какие требования положены в основу предлагаемых стандартами спектральных распределений и амплитудного ограничения тестового сигнала?

Рис. 6

Посмотрим на рис. 6, где в верхней части изображен спектр тестового сигнала в соответствии со стандартом IEC 60268-5, а в нижней – спектр реального музыкального сигнала (одна из песен Рода Стюарта), усредненный по интервалу в несколько минут.
Очевидное сходство двух спектров не случайно. Стандартные тесты опираются на обширные статистические исследования реальной музыки.
Теперь об амплитудном ограничении в схеме испытаний. Амплитудное ограничение шумового сигнала до получения определенного пик-фактора позволяет жестко связать пиковую мощность со средней или пиковое напряжение со среднеквадратическим. Измерив среднеквадратическое значение напряжения, легко найти пиковое.
Выбор величины пик-фактора 6 дБ – это также результат статистических исследований. Его значение обеспечивает достаточный запас по средней мощности для воспроизведения громкоговорителем подавляющего большинства музыкальных сигналов.
Суммируем то, что мы выяснили о стандартах измерения мощности.
Первое. По существу, в стандартах нормируется не средняя мощность (как можно было бы подумать из нормируемой величины), а среднеквадратическое напряжение, подводимое к звуковой катушке громкоговорителя, которое реально измеряется. А мощность в этих стандартах – это некая условная величина, получаемая путем деления квадрата этого напряжения на некое число Z , являющееся также условным эквивалентом импеданса звуковой катушки.
Второе. Пиковое напряжение нормируется посредством установления стандартного пик-фактора тестового сигнала.
Третье. Допустимая рабочая частота учитывается в параметрах тестового сигнала посредством использования определенного типа шума в сочетании с заданной фильтрацией.
Теперь вспомним о наших попытках самостоятельно разработать систему допустимых параметров мощности для громкоговорителя. Вернемся к
рис. 2.
Мы видим, что все параметры, ответственные за все три возможных причины разрушения громкоговорителя, (Uvc rms, Uvc peak, f gen, Zvc) учтены в стандартах.
Кроме того, вид тестового сигнала достаточно хорошо имитирует (с точки зрения нормирования допустимой мощности) большинство музыкальных сигналов, а требования по пик-фактору до последнего времени считались достаточно жесткими.
Почему я пишу об этом в прошедшем времени вы поймете позже.
Еще несколько слов об удобстве пользования описанными стандартами.
Выбор подводимого напряжения в качестве основной мощностной характеристики, а некоего условного сопротивления в качестве единственной константы, определяющей свойства громкоговорителя как нагрузки позволяет потребителю не учитывать комплексного и нелинейного характера импеданса звуковой катушки, и его сложной зависимости от частоты сигнала, не вникать в процессы преобразования электрической энергии в акустическую и тепловую, забыть про такие понятия, как коэффициент мощности, коэффициент полезного действия и т.д.
Однако надо всегда помнить об условности этой системы стандартов, о том, что реальная мощность (потребляемая, излучаемая, рассеиваемая) имеет очень слабую связь с паспортнорасчетной.
В частности, если вы, вспомнив закон Ома (I = U/R), замените в схеме испытаний на рис 3. вольтметр на амперметр и попытаетесь заставить работать ваш громкоговоритель на полную (по показаниям амперметра) мощность, которая приведена в паспорте, результат будет, скорее всего, печальным.
Мы разобрались, как нормируются допустимые параметры громкоговорителей в различных стандартах и что по существу означают эти параметры.
Теперь разберемся, как соотносятся характеристики усилителей мощности с допустимыми параметрами громкоговорителей, как влияют на их совместную работу характеристики воспроизводимых сигналов и другие факторы. Как соразмерить мощность усилителя с мощностью громкоговорителя?
Начнем с характеристик различных сигналов как связующего звена между  усилителем и громкоговорителем.
Рассмотрим принципиально важное для нас понятие: пик-фактор сигнала.
Напомню, что пик-фактор сигнала – это отношение пиковой (или максимальной мгновенной) мощности сигнала к его средней мощности, или (что то же самое) квадрат отношения пикового напряжения к среднеквадратическому, выраженное, как правило, в дБ.
Для примера рассмотрим вычисление пик-фактора двух сигналов с одинаковыми пиковыми значениями. (См. рис.7).

Рис. 7

Наверху слева фрагмент реального музыкального сигнала (напряжения) длительностью Т = T1-T0, наверху справа фрагмент синусоидального сигнала также длительностью Т.
В нижней части рисунка приведена формула среднеквадратического значения напряжения.
В соответствии с формулой сначала возводим оба сигнала в квадрат (см. вторую сверху осциллограмму). Процесс интегрирования представим как подсчет площади под получившейся кривой (закрашено синим), полученные в результате среднеквадратические значения напряжения представим условно на диаграммах вместе с пиковыми значениями напряжения (красно-синие диаграммы, совмещенные с осциллограммами сигналов внизу).
Синий постамент в диаграмме обозначает среднеквадратическое напряжение, красная верхушка – пиковое напряжение.
Теперь посмотрим на сравнительную диаграмму пик-факторов различных сигналов. (Рис. 8). Масштаб диаграммы – линейный по напряжению.

Рис. 8

Мы видим, что пик-фактор различных сигналов может варьироваться от 20 дБ и более при «аудиофильском» воспроизведении музыки до 0 дБ при воспроизведении прямоугольного сигнала. Средняя мощность, ответственная за разогрев звуковой катушки, составит 1% от пиковой мощности в первом случае и 100% в последнем. Иными словами, разница в тепловыделении при прочих равных условиях может отличаться в 100 раз.
Здесь необходимо сделать важное отступление. Мы будем вынуждены в дальнейшем рассматривать два варианта работы звуковой системы, в которой работает громкоговоритель.
Назовем их условно «вменяемый» и «невменяемый» по степени возможной перегрузки системы.
«Вменяемый» режим – это когда оператор следит как минимум за уровнем сигнала в системе и поддерживает его на допустимом уровне. Этот режим позволяет максимально реализовать качественный потенциал системы.
«Невменяемый режим» – это когда фейдеры на пульте двигаются вперед  до упора, показатели индикаторов, как и качество звука, никого не интересуют и главный принцип: – «чем громче, тем лучше».
Степень невменяемости определим как суммарное превышение коэффициентов передачи фейдеров пульта, находящихся в цепи передачи сигнала, над вменяемыми коэффициентами передачи и будем измерять его в дБ. То есть, если нормальное положение фейдера канала и мастер-фейдера на пульте имеет запас по 10 дБ, то степень невменяемости будет 20 дБ при вдвигании фейдеров до упора.
Аналогичное понятие вменяемости следовало бы ввести и по отношению к мастерингу фонограмм. В этом случае за порог вменяемости логично было бы принять 6 дБ, что соответствовало бы «духу и букве» вышеупомянутых стандартов.
Так вот: диаграмма 5 иллюстрирует невменяемый мастеринг, а диаграмма 7 работу невменяемого оператора с фонограммой невменяемого «мастера».
При сравнении диаграммы 7 с диаграммой 2, мы видим чудовищную разницу в среднеквадратическом уровне напряжения: около10 дБ или 10 раз по мощности.

Рис.9

Для убедительности приведем факты. На рис. 9 показана осциллограмма фрагмента современной танцевальной музыки в формате MP3, скачанной из интернета.
Пик-фактор за время усреднения в несколько десятков секунд (время, достаточное для  разогрева звуковой катушки) составляет 2 дБ – это ниже, чем пик-фактор синусоидального сигнала. Это минимальный пик-фактор, который удалось обнаружить автору, (но искать пришлось недолго), а значения 3-4 дБ в таких фонограммах – это почти норма.
Теперь обратимся к усилителям.
В паспорте усилителя, как правило, приводятся два важных для нас параметра:
Номинальная мощность на нагрузке Rн = 8 Ом (4 Ом, 2 Ом) при нормируемом коэффициенте нелинейных искажений (обычно 0,1 или 0,05%).
Максимальная мощность на нагрузке Rн = 8 Ом (4 Ом, 2 Ом) при КНИ = 1%.
Не вдаваясь в подробности характеристик усилителей (а также стандартов, методов измерений и т.п.), скажем только, что и та и другая мощность это долговременная средняя мощность, обеспечиваемая на синусоидальном сигнале. Для рассмотрения вопросов надежности громкоговорителей этой информации нам будет достаточно.
Обозначим эти мощности как Pavg (0,1%) и Pavg (1,0%). Соответствующие значения среднеквадратического напряжения мы найдем по известным формулам:
Urms (0,1%) = (Pavg (0,1%)*Rн)^0,5
Urms (1,0%) = (Pavg (1,0%)*Rн)^0,5
Пиковые значения выходного напряжения будут равны:
Upeak (0,1%) = Urms (0,1%)*1,41
Upeak (1,0%) = Urms (1,0%)*1,41,
где 1,41 – это пик-фактор синусоидального сигнала.
Для любого конкретного типа усилителя существует предел мгновенного выходного напряжения, обусловленный схемотехникой и физически ограниченный напряжением питания выходного каскада. Поэтому по существу именно пиковое выходное напряжение нормируется в документации на усилитель, но опосредованно, через среднюю мощность тестового синусоидального сигнала.
Посмотрим на рис. 10, иллюстрирующий вышесказанное.

Рис. 10

Слева мы видим условную диаграмму напряжений в усилителе, справа – полупериоды выходного синусоидального сигнала с искажениями, возрастающими с увеличением выходного напряжения. Отметим, что запас по напряжению питания выходного каскада находится в прямой зависимости от совести производителя, поэтому высококачественные усилители «честных» производителей оказываются потенциально более опасными с точки зрения возможной перегрузки громкоговорителей.

Рис.11

Попробуем на примере вполне типичного громкоговорителя EV T-251 (см. рис.11) с допустимой мощностью 400 Вт по стандарту EIA RS 426A подобрать подходящий ему усилитель.
Обратите внимание, что мощность одного и того же громкоговорителя в разных стандартах разная, а допустимое напряжение одинаково для всех стандартов.
Общеизвестно, что для высококачественного звучания требуется неискаженное воспроизведение даже кратковременных пиков сигнала.
Для полной реализации возможностей громкоговорителя, пиковое напряжение, которое способен без заметных искажений выдать усилитель, должно быть больше или равно пиковому напряжению, которое без повреждений способен громкоговоритель «принять».

"> Рис. 12

На рисунке 12 по левую сторону моста – способность усилителя «выдавать» напряжение, иллюстрируемая диаграммой. По правую сторону – громкоговоритель со своей способностью (без повреждений) «принять» это напряжение. Его способность принимать пиковые и среднеквадратические напряжения изображена в виде ворот. Звуковой сигнал будет связующим мостом.
На рисунке отображен оптимальный, наилучший вариант, когда усилитель способен с минимальными искажениями (0,1%) воспроизвести предельные для громкоговорителя пиковые напряжения. Такой вариант позволяет реализовать все возможности громкоговорителя, как по уровню звукового давления, так и по качественным показателям.
Подберем усилитель с подходящими характеристиками.
Нужный усилитель должен обеспечивать пиковое напряжение около 100 В (или соответственно среднюю мощность около 625 Вт) на нагрузке 8 Ом при коэффициенте нелинейных искажений 0,1%.

"> Рис. 13

Как правило, максимальная мощность такого усилителя будет заявлена как 4000 Вт или более (т.е. 2 х 2000 Вт на нагрузке 2 Ом). Типичная диаграмма уровней напряжения такого усилителя (EV CP4000S) приведена на рис.13.
Отметим, что при параллельном включении двух громкоговорителей, мощность усилителя должна быть уже 1250 Вт на нагрузке 4 Ом при КНИ=0,1% (это уже, как правило, должен быть другой, более мощный усилитель).
Следует обратить внимание на важный момент: реальный минимальный импеданс громкоговорителя (см. рис. 5) значительно отличается от номинального и может составлять, например, около 5 Ом для 8-омного громкоговорителя. Поэтому параллельное включение даже трех громкоговорителей номинальным сопротивлением 8 Ом к выходу усилителя, рассчитанного на минимальную нагрузку 2 Ом, может привести к перегрузке усилителя, срабатыванию защиты или выходу усилителя из строя.

Рис. 14

Подберем теперь компромиссный вариант усилителя, который обеспечит несколько худшее (при коэффициенте нелинейных искажений 1,0%) воспроизведение пиков сигнала. Нужный усилитель должен обеспечивать также около 625 Вт на нагрузке 8 Ом, но при коэффициенте нелиней-ных искажений 1,0%.
Соответствующая заявленная максимальная мощность усилителя будет около 3000 Вт (т.е. 2 х 1500 Вт на нагрузке 2 Ом). Типичная диаграмма уровней напряжения такого усилителя (EV CP3000S) приведена на рис.14.
Теперь посмотрим, как будут различные сигналы проходить по цепи «усилитель – громкоговоритель».

Рис. 15

Рисунок 15 иллюстрирует вменяемую работу с вменяемыми сигналами (два первых, если помните – это музыка, третий – стандартный измерительный шум).
Усилитель СР3000. Мы видим, что все три сигнала нормально проходят в ворота, то есть громкоговоритель в порядке.

Рис. 16

Следующий рисунок (рис. 16) иллюстрирует вменяемую работу, но с невменяемыми сигналами. Первый и третий сигналы, если помните, музыкальные. Второй сигнал синусоидальный. Как видите, все три сигнала «не пролезают в ворота» по среднеквадратическому напряжению, то есть громкоговоритель неизбежно перегреется и выйдет из строя. (Заметим, что по пиковому напряжению сигналы вполне «пролезабельные».)
Теперь посмотрим, что будет при «невменяемой» работе оператора, когда пиковое выходное напряжение приближается к напряжению питания выходного каскада для усилителя CP4000S. (см. рис. 17).

Рис. 17

Пиковые и среднеквадратические напряжения превышены в разы, тепловая мощность превышена многократно (в 5-6 раз).
Возникает вопрос «Что делать?»
В первую очередь напрашивается тривиальное решение: использовать такой усилитель, который при любых условиях не сможет перегрузить наш громкоговоритель.
Пользуясь вышеприведенными рассуждениями, нетрудно оценить, каким при таких условиях должен быть усилитель. Его номинальная мощность должна быть около 80 Вт на нагрузке 8 Ом при отсутствии встроенного лимитера или 160 Вт при наличии встроенного клиплимитера. Маловероятно, что кто-либо сочтет приемлемым такое решение.
Реально эффективный способ защиты громкоговорителей – это включение в цепь сигнала лимитеров.
Существует три способа защиты с помощью лимитеров (см. рис. 18).

Рис. 18

Первый способ. С помощью пикового лимитера. (Пиковые лимитеры входят в состав большинства недорогих цифровых контроллеров). Этот способ хорошо работает с «вменяемыми» сигналами с большими пик-факторами. В случае работы с «невменяемыми» сигналами мы либо получаем перегрузку по тепловой мощности, либо, если производим настройку под невменяемые сигналы, то не реализуем возможности звуковой системы при работе с нормальными сигналами. И то и другое плохо.
Второй способ – с помощью среднеквадратического лимитера. Это значительно более эффективно, особенно против «невменяемых» сигналов, но не защищает от оператора-экстремиста, работающего с высококачественным сигналом. Правда, это редкое сочетание.
Третий способ – с помощью пикового и среднеквадратического лимитеров.
Это оптимальный вариант, позволяющий игнорировать пик-фактор входного сигнала, хорошо работает с любыми сигналами и любыми операторами.

Рис. 19

Теперь рассмотрим «продвинутую» многополосную систему, управляемую цифровым контроллером с традиционной структурой. (См. рис. 19).
Казалось бы, теперь наши громкоговорители защищены со всех сторон. Спектр сигнала в каждой полосе ограничен очень крутыми (24 дБ на октаву) фильтрами, пиковые лимитеры ограничивают мгновенное значение выходного напряжения. Причем порог ограничения установлен с учетом всех возможных опасностей рассмотренных выше. Что еще?
Для простоты проследим работу контроллера на примере двух полос в двух ситуациях.
Ситуация 1: уровень сигнала находится чуть ниже порога срабатывания лимитера (то есть при нормальной работе).
Ситуация 2: уровень сигнала находится выше порога срабатывания лимитера на величину «невменяемости» оператора. Примем ее равной 18 дБ.

Рис. 20

На рис.20 показан спектр сигнала, снятый на выходах двух полос контроллера при широкополосном шуме на его  входе.
На верхнем графике – лимитеры на грани срабатывания, нижний график – сигнал на 18 дБ выше порога. Как и следовало ожидать, в обоих случаях картинка практически одинаковая. Полосы частот пересекаются в обоих случаях н уровне 6 дБ, что соответствует используемым фильтрам Линквитца-Райли Все хорошо.
Теперь снимем АЧХ тех же двух каналов контроллера при подаче на вход сканирующего синусоидального сигнала (см.рис. 20).
Верхняя картинка повторяет предыдущую (с точностью до масштаба). А вот с нижней произошло что-то, на первый взгляд, странное.
Полосы частот взаимно перехлестнулись, причем на целую октаву, а частоты, которые должны быть круто
отрезаны, проникают в соседнюю полосу. Особенно опасно проникновение частот, находящихся ниж рабочегодиапазона, в рабочую полосу. Большинство читателей быстро поймет, что ничего странного в этом нет. Прост мы привыкли считать, что крутизн фильтра 24 дБ на октаву – это практически идеально. Но «невменяемость оператора в 18-20 дБ, (соизмеримая с крутизной фильтров), в сочетании с работой лимитера может в определенных ситуациях свести ее на нет. Когда может возникнуть такая ситуация? Она возникает при двух условиях: первое – рабочий уровень сигнала значительно превышает порог срабатывания лимитеров, второе – в спектре входного сигнала большая мощность присутствует в узкой полосе частот вблизи рабочего диапазона рассматриваемого канала, но за его пределами. А в это время в рабочем диапазоне сигнал почти отсутствует.
Какое отношение это имеет к музыкальному сигналу, спросите вы, мы же видели, как похож спектр песни Рода Стюарта на тестовый шум, а последние измерения вообще были проведены на синусоидальном сигнале. Так это «старый добрый» Род Стюарт, отвечу я вам.

Рис. 21

Посмотрите на рис. 21, где показаны спектры отрывков современной танцевальной музыки длительностью в несколько десятков секунд (это достаточное время, чтобы вывести из строя громкоговоритель).
Во всех приведенных случаях имеется очень существенное пролезание низких частот в полосу более высоких. Наиболее опасным является пролезание инфразвуковых частот в канал сабвуфера и "сабвуферных" частот в канал средних. Тогда возможны повреждения громкоговорителей третьего вида по нашел классификации.
Еще один существенный момент, который часто ускользает от внимания.
Важнейшее условие нормальной работы громкоговорителя – это хороший отвод тепла от звуковой катушки, которому способствует специально организованный ток воздуха, вызываемый колебательным движением диффузора (см. рис. 22).

Рис. 22

С увеличением мощности растет амплитуда колебаний диффузора, увеличивается ток воздуха, улучшается охлаждение.
Но для эффективной работы такой системы охлаждения требуется присутствие в спектре подводимого сигнала частот, близких к нижней границе допустимого диапазона. В противном случае, если большая часть мощности будет сосредоточена в средней и верхней части рабочего диапазона, то амплитуда колебаний подвижной системы будет недостаточной для нормального охлаждения катушки. (Напомним, что амплитуда уменьшается с квадратом частоты).
Особенно это касается громкоговорителей с длинноходовой подвижной системой, работающих в средне- частотном диапазоне, так как часть удлиненной звуковой катушки будет находиться постоянно вне охлаждающего магнитного зазора (см. рис. 23).

Рис. 23

Теперь также посмотрим на рис. 24, где приведены несколько примеров спектра современной танцевальной музыки.
Мы видим, что во всех примерах энергия сигнала сосредоточена значительно выше нижней частоты обреза среднечастотного канала (обычно около 100 Гц).
В этой ситуации очень вероятно выгорание звуковой катушки среднечастотного громкоговорителя.
Теперь несколько слов о температурном режиме громкоговорителя.

Рис. 24

Установившаяся температура звуковой катушки определяется следующими факторами.
Во-первых, мощностью рассеяния, которая пропорциональна среднеквадратическому значению подводимого напряжения.
Во-вторых, тепловым сопротивлением, которое, в основном, определяется конструкцией громкоговорителя.
В-третьих,– температурой окружающей среды.
Длительность переходного процесса определяется теплоемкостями звуковой катушки и магнитной системы с рамой-диффузородержателем (назовем это для краткости «железом»).
При подаче на громкоговоритель напряжения с постоянным среднеквадратическим значением, температура звуковой катушки начинает подниматься вверх от температуры окружающей среды и асимптотически стремится к своему установившемуся значению.

Рис. 25

На рис. 25 показана типичная кривая роста температуры звуковой катушки в зависимости от времени (при постоянной рассеиваемой мощности).
Мы видим два характерных участка на кривой. За начальный участок быстрого повышения температуры ответственна тепловая постоянная времени самой катушки, которая имеет малую массу и теплоемкость.
За длительный участок медленного роста ответственна тяжелая магнитная система с рамой. Первый участок имеет продолжительность порядка единиц секунд, второй участок – порядка единиц часов.
При работе с сигналом, имеющим высокий пик-фактор, при работе на сравнительно непродолжительных концертах, где музыкальные номера чередуются с речевыми паузами, температура «железа» держится на невысоком уровне, что дает чувствительный запас для кратковременной тепловой перегрузки звуковой катушки. В противном случае, когда температура «железа» близка к предельно допустимой, даже кратковременное превышение допустимого среднеквадратического напряжения приведет к выходу громкоговорителя из строя.

Рис. 26

Также надо всегда помнить, что температура окружающей среды является «стартовой точкой» для температуры звуковой катушки и она будет повышаться соответствующим образом вместе с температурой окружающей среды. А окружающей средой для драйвера является воздух внутри кабинета. При работе летом под палящими лучами солнца температура черного кабинета может достигать 70 градусов. При этом допустимая тепловая мощность снижается минимум на треть. Заметим, что «по инструкции» допустимые температуры эксплуатации редко выходят за рамки бытового диапазона : от +5 до +40 градусов по Цельсию.
Каковы же выводы из всего вышесказанного? Как же все-таки обеспечить долгую жизнь громкоговорителю?
Основная часть проблем надежности должна решаться на стадии проектирования звуковой системы. Она должна иметь соответствующую структуру.
Мощность звуковой системы должна соответствовать ее назначению, масштабам озвучиваемой площадки и условиям эксплуатации.
Не стоит экономить на устройствах, обеспечивающих защиту громкоговорителей, а настройка их не должна производиться «на глазок».
Проектировать системы необходимо так, чтобы при эксплуатации громкоговорители не выходили на предельные режимы более чем по одному параметру. Например, перегрузка по пиковому напряжению для холодного громкоговорителя не так страшна, как для горячего, так как материалы и клеевые соединения теряют прочность при высокой температуре.
Следует избегать длительной работы при режимах, близких к предельным, так как реальный ресурс громкоговорителя в этих условиях падает до нескольких сотен часов и ниже. В этой ситуации просто неприлично говорить о качестве звучания (КНИ в таких режимах составляет в лучшем случае десятки процентов).
Следует помнить, что современная танцевальная музыка объективно представляет собой опасность для громко-
говорителей, так как нарушает принципы, положенные в основу стандартов допустимых параметров.
Если система предназначена для работы на дискотеке, где требуется каждодневная многочасовая работа с обеспечением экстремальных звуковых давлений, где эта система будет подвергаться воздействию фонограмм с предельно малым пик-фактором и другим неблагоприятным воздействиям, то она должна быть спроектирована с достаточным запасом мощности.
В таких системах следует применять контроллеры, имеющие в своем составе среднеквадратические лимитеры или применять аналоговые среднеквадратические лимитеры в дополнение к недорогим цифровым контроллерам.
Следует всеми способами стараться, чтобы используемые фонограммы были соответствующего качества. Фонограммам MP-3 из интернета – не должно быть места в профессиональной работе! Да и персонал, обслуживающий профессиональную звуковую систему, должен быть профессиональным.

Итого

Мы попытались разобраться в том, как следует трактовать предельно допустимые параметры громкоговорителей, приводимые в документации. Это должно помочь избежать ошибок при проектировании и эксплуатации звуковых систем.
Мы рассмотрели потенциальные опасности, которые приводят к выходу громкоговорителей из строя, в том числе те, которые обычно ускользают от нашего внимания. Это должно позволить учесть максимальное число неблагоприятных факторов, снижающих надежность громкоговорителей, и принять правильную стратегию борьбы с ними (не с громкоговорителями, конечно, а с факторами).
Мы не дали готовых решений для всех поднятых вопросов, что в принципе невозможно, но если заинтересованный читатель задумается над реально существующими проблемами, о которых раньше не задумывался, то ответы на многие вопросы он найдет сам.

Задать вопросы автору
можно по адресу: info@adbltd.ru.