Подаёшь на динамик 100 ватт, а звука получается примерно на один ватт. Всё остальное уходит в тепло. Эта скромная доля и называется η0, КПД динамика. Если ты выбираешь усилитель и не понимаешь, почему «сотки на канал» вдруг мало, начни отсюда. Проверим η0 на двух динамиках из каталога и заодно убедимся, что их паспорта честные.
Как посчитать КПД динамика?
η0 = (4π² / c³) × Fs³ × Vas / Qes
Здесь c это скорость звука. Высокая Fs, большой Vas и низкая Qes (сильный мотор) дают высокий КПД. Отсюда вечный компромисс: глубокий бас, маленький ящик и высокий КПД одновременно не получить, выбирай любые два. Это так называемый «железный закон», подробнее в статье про закон Хофмана.
КПД напрямую переводится в чувствительность:
SPL (1 Вт / 1 м) ≈ 112 + 10 × lg(η0)
Каждое удвоение КПД даёт +3 дБ. У типичных автомобильных динамиков η0 около 0,2–1 %, то есть 85–92 дБ.
Сходится ли расчёт с паспортом?
Возьмём c = 343 м/с, Vas переведём в кубометры.
| Динамик | Fs | Vas | Qes | η0 по формуле | SPL по η0 | SPL в паспорте |
|---|---|---|---|---|---|---|
| НОЭМА 300ГДН30-4 | 20 Гц | 181 л | 0,24 | ≈ 0,59 % | ≈ 89,7 дБ | 90 дБ |
| ESB 9.4m | 135 Гц | 1,4 л | 0,931 | ≈ 0,36 % | ≈ 87,6 дБ | 87,6 дБ |
Расчёт сходится с паспортом в пределах десятых долей децибела, цифрам можно верить. Если у какого-то динамика расхождение 3–5 дБ, значит, чувствительность в паспорте посчитана иначе (например, на 2,83 В при низком импедансе) или написана «для красоты».
Интересно другое. У сабвуфера Fs крошечная, 20 Гц, а КПД всё равно выше, чем у СЧ динамика. Его вытягивают огромный Vas (181 л) и очень сильный мотор (Qes 0,24). У ESB 9.4m наоборот: Fs высокая, но Vas маленький и электрическое демпфирование слабое.
Куда девается остальная мощность
- Плохое согласование с воздухом. Лёгкий воздух слабо «сопротивляется» тяжёлому диффузору, и в звук уходит крохотная доля энергии.
- Потери в катушке. Почти вся мощность греет Re.
- Физика низких частот. За глубокий бас приходится платить КПД.
Что с этим делать на практике
- Проверяй паспорт. SPL, посчитанный через η0, должен примерно совпадать с заявленной чувствительностью, как в таблице выше.
- Закладывай запас мощности. Разница в 3 дБ означает вдвое больше ватт от усилителя ради той же громкости.
- Подбирай фронт с близким КПД. Меньше уровня придётся срезать в процессоре.
Где чаще всего ошибаются с КПД
- Сравнивать чувствительность «1 Вт» одного динамика с «2,83 В» другого. У ESB 9.4m это 87,6 и 90,6 дБ, а железка одна и та же.
- Считать, что высокий КПД всегда хорошо. Ради него сабвуферу нужен большой ящик, или придётся мириться с менее глубоким басом.
Цифры КПД обычно пугают, поэтому вот ещё несколько уточнений, которые всплывают в разговоре про громкость и ватты.
КПД типичного автомобильного динамика около 0,2–1 %, что соответствует чувствительности примерно 85–92 дБ (1 Вт / 1 м). Остальные 99 % с лишним мощности усилителя уходят в тепло, в основном в звуковой катушке. Поэтому даже «сотка на канал» превращается в звук мощностью меньше ватта, и это нормально для любой динамической головки.
Чтобы динамик заиграл громче на 6 дБ, мощность усилителя нужно поднять в 4 раза, на 3 дБ в 2 раза. Например, если на 25 Вт динамик выдаёт нужный уровень, то для +6 дБ потребуется 100 Вт, а для +10 дБ уже 250 Вт. Разница в КПД между динамиками на 3 дБ означает вдвое больше ватт ради той же громкости.
По громкости разница в 3 дБ чувствительности равна удвоению мощности: динамику на 87 дБ нужно 200 Вт, чтобы сыграть как динамик на 90 дБ от 100 Вт. Но высокий КПД у сабвуфера оплачивается большим ящиком или менее глубоким басом. Поэтому в SQ подбирают баланс и закладывают запас мощности усилителя, а не гонятся за одной цифрой.
Почти вся подведённая мощность при низком КПД рассеивается в звуковой катушке на сопротивлении Re. Катушка нагревается, её сопротивление растёт, и динамик на той же мощности играет тише. Этот эффект называют компрессией мощности, и на долгих громких прослушиваниях он съедает несколько децибел.
Опорный КПД η0 зависит только от самого динамика: его считают по Fs, Vas и Qes, и в полосе выше резонанса ящик эту цифру почти не меняет. Ящик определяет, как низко динамик сыграет и с какой добротностью, то есть форму спада внизу. Поэтому в маленьком ящике сабвуфер не становится громче или тише в середине своей полосы, он теряет нижнюю октаву или получает горб.
КПД из тех цифр, которые сразу показывают, сколько ватт реально понадобится системе и насколько придётся выравнивать уровни между сабвуфером, мидбасом и СЧ. Посчитать это до покупки удобнее всего на шаге «Подбор компонентов», а подровнять остаток уже при настройке системы.
Прогнал свой динамик через формулу и получил расхождение с паспортом? Скинь параметры в Telegram-чат, посмотрим, где подвох.
Источники
- R. H. Small, серия статей о закрытых и фазоинверторных системах, Journal of the Audio Engineering Society, 1972–1973
- KLIPPEL: определения и методика измерения параметров Тиля-Смолла
- Л. Беранек, «Акустика» (русский перевод, 1965)
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
- Э. Л. Виноградова, «Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками» (Массовая радиобиблиотека, вып. 966)
- С. Д. Бать, «Любительские громкоговорители»
См. также: Параметры Тиля-Смолла, SPL, EBP.