Импеданс и его влияние в акустической системе
Сам столкнулся с этой темой давно, но разобраться решил, когда начал серьёзно заниматься акустическими измерениями. Немного покапал в инете, немного пообщался с друзьями и в конце концов нарисовалась данная статья, которая надеюсь поможет в нашем непростом деле.
Импеданс – это комплексное (полное) сопротивление двухполюсника для гармонического сигнала, которое имеет активную и реактивную составляющие. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом. Импедансом так же называется отношение комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, прикладываемого к двухполюснику, к комплексной амплитуде тока, протекающего через двухполюсник.
Пример импеданса акустической системы:
В отличие от резистора, электрическое сопротивление которого характеризует соотношение напряжения к току на нём, попытка применения термина электрическое сопротивление к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) приводит к тому, что сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю, а сопротивление идеального конденсатора — к бесконечности.
Сопротивление правильно описывает свойства катушки и конденсатора только на постоянном токе. В случае же переменного тока свойства реактивных элементов существенно иные: напряжение на катушке индуктивности и ток через конденсатор не равны нулю. Такое поведение сопротивлением уже не описывается, поскольку сопротивление предполагает постоянное, не зависящее от времени соотношение тока и напряжения, то есть отсутствие фазовых сдвигов тока и напряжения.
Было бы удобно иметь некоторую характеристику и для реактивных элементов, которая бы при любых условиях связывала ток и напряжение на них подобно сопротивлению. Такую характеристику можно ввести, если рассмотреть свойства реактивных элементов при гармонических воздействиях на них. В этом случае ток и напряжение оказываются связаны некой стабильной константой (подобной в некотором смысле сопротивлению), которая и получила название электрический импеданс (или просто импеданс). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно оно позволяет одновременно учитывать и амплитудные, и фазовые характеристики сигналов и систем.
В целом величина полного электрического сопротивления (импеданса) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.
Если представить акустическую систему, как четырёхполюсник к входным клеммам которого подключен генератор сигналов, то в зависимости от частоты подаваемого сигнала и состава вашего фильтра + излучатель, импеданс будет изменяться. Изменение носит нелинейный характер и может быть в одной области частот ёмкостным, а в другой – индуктивным. Чем сложнее выполнен фильтр в вашей акустической системе, тем больше изменений в импедансе.
Импеданс — что это такое в колонках? Сопротивление колонок, какой параметр выбрать, особенности подключения звуковых колонок
Опубликовано kachlife в 29.10.2020
Импеданс – комплексное сопротивление электрической цепи из резистора, ёмкости и индуктивности, которое действует при поступлении переменного тока высоких частот на вход этой цепи. В зависимости от величин ёмкости и индуктивности меняется импеданс цепи. На низких частотах большее влияние оказывает активный элемент (резистор). На высоких частотах – реактивные элементы (ёмкости и индуктивности).
Сопротивление или импеданс
Итак, по порядку. Сопротивление или импеданс. В одних случаях указывается одно, в других — другое, и в этом есть определенное лукавство. Да, если подсоединить омметр к клеммам акустического кабеля, мы получим требуемые 4, 6 или 8 Ом с точностью ±10%. Только вот беда, это измерение некорректно: мы используем постоянный ток, а нас интересует сопротивление переменному току в звуковом диапазоне частот. И заметим: голосовая катушка динамика по определению не может иметь линейное (не зависящее от частоты) электрическое сопротивление — ведь это индуктивность! А если учесть, что у динамика есть резонансные частоты, и в составе колонки таких динамиков несколько, плюс все это объединяет и вовсе нелинейная схема кроссовера, то измеренное нами сопротивление постоянному току становится просто ориентировочной цифрой.
График замера импеданса (сопротивления)
Корректным параметром становится импеданс, под которым, как правило, имеется в виду сопротивление переменному току — в нашем случае различное на разных частотах. Чаще всего, он представляется в виде графика такой зависимости. В серьезных моделях колонок такой график часто прилагается. Для колонок сопротивлением 8 Ом на определенных частотах импеданс может «проседать» втрое — скажем, до 2-3 Ом — и это способно стать серьезной проблемой для работы подключенного к колонке усилителя. Более-менее ровная кривая импеданса у многополосной системы — признак серьезного уровня разработки АС.
Диапазон воспроизводимых частот
Следующий параметр — диапазон воспроизводимых частот. Если в этом пункте указано что-то типа «35 Гц – 25 кГц» — и все, то в этом случае я рекомендую сразу воскликнуть что-то типа режиссерского «Не верю!». Поскольку перед нами — очередное лукавство, и у продавцов недорогих систем оно встречается довольно часто. Да, наша колонка может воспроизводить 35 герц. Но на этой частоте ее чувствительность (о которой, в данном случае, изготовитель скромно умолчал) может быть очень небольшой. В результате в этом месте (оно называется нижний предел) частотная характеристика может иметь «завал» — спад децибел на 20. А это, в свою очередь, означает, что на этой заветной низкой частоте, которая так важна для воспроизведения «панча», колонка звучит, по ощущениям, тише раза в 3-4. То есть, практически молчит… То же самое касается и верхней граничной частоты диапазона.
Пример измерения АЧХ акустики
Корректно диапазон частот, указанный в технических характеристиках, будет выглядеть только в сочетании с показателем неравномерности частотной характеристики в децибелах во всем этом диапазоне. И данные типа «диапазон частот 35 Гц – 25 кГц при неравномерности ±3 децибела» сразу же вызывают уважение и серьезное отношение к продукту. Оптимально, если в документации эти данные проиллюстрированы графиком АЧХ — амплитудно-частотной характеристики, где по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной — звуковое давление.
Важным, хотя и не так часто встречающимся, является указание диапазона частот и его неравномерности при отклонении от оси на угол, как правило, 15-30 градусов. Этот параметр позволяет оценить, насколько широка направленность звучания колонок. От нее, в частности, зависит величина «пятна» объемного звучания — области, в которой слушатели получат качественный пространственный эффект. От этого, в свою очередь, зависит, сколько «посадочных мест» может располагаться в образованном новыми колонками зрительном зале в условиях конкретной комнаты, что особенно важно не только для классического стерео, но и при использования акустики в системах домашнего кинотеатра.
Чувствительность
В связи со всем вышесказанным, перейдем и к параметру «чувствительность». Она измеряется в децибелах. Этот показатель, в какой-то степени указывает на степень совершенства нашей колонки. Практически это — ее КПД, коэффициент полезного действия. Для современной акустики этот параметр находится в пределах около 83-95 децибел. Понятно, что высокие значения чувствительности, особенно для классической многополосной системы, достигаются путем множества серьезных и часто затратных технологических усовершенствований.
Схема измерения чувствительности колонок
Повышение чувствительности на 6 децибел приводит к ощущению, что при том же входном сигнале акустика звучит приблизительно вдвое громче! И кстати, для того чтобы поднять громкость на 3 децибела, диффузор динамика должен колебаться с приблизительно удвоенной амплитудой. Для маломощного усилителя, а это, в частности, большинство ламповых моделей, звук которых столь привлекателен, нужна акустика именно с высокой чувствительностью.
Что это такое – импеданс: смысл характеристики с точки зрения физики
Для начала давайте обратимся к теоретическим знаниям, заглянув в раздел электротехники. Итак, что такое импеданс? Это полное (комплексное) сопротивление (единица измерения – Ом) в двухполюсной электрической цепи при колебаниях переменного тока. Величина это довольно сложная в вычислении, поскольку складывается из активного и реактивного сопротивлений.Также на этот параметр оказывает непосредственное влияние частота колебаний.
Расчёт полного сопротивления является сложной задачей, требующей определённой технической подготовки
Помимо электрического импеданса существует ещё несколько разновидностей. Наиболее актуальным в нашем случае будет акустический импеданс. Что это? По аналогии с основным подвидом, под этим определением скрывается сопротивление материального объекта различного рода колебаниям.
Данный вид сопротивления используется не только в бытовой технике, но и в медицине
Импеданс и особенности параметра в акустике
Со стороны физики, надеемся, всё понятно. Но сейчас нас в первую очередь интересует, что означает импеданс (сопротивление) в наушниках и тому подобной портативной аппаратуре. Итак, импеданс наушников – это значение сопротивления, получаемое на входе. Обозначается он символом «Ω», единицей измерения служит Ом.
После прочтения нашей статьи, увидев на упаковке подобную надпись, вы больше не будете вопросительно смотреть по сторонам
Данная характеристика определённым образом влияет на громкость звука (об этом позднее) и зависит от выходной мощности устройства. Притом имеет место обратная зависимость, что видно в представленной ниже таблице.
| Значение показателя, Ом | Уровень громкости | Требуемая мощность |
| 25 и ниже | Высокий | Низкая |
| 32 и выше | Низкий | Высокая |
Также в Сети вы можете встретить термин «импеданс динамика». Предвосхищая ваши вопросы о том, что это такое, сообщаем нашим читателям, что в это определение заложен следующий смысл: при воспроизведении в динамике образуется нагрузка, преобразующая электрический сигнал в тепло, а не в звук. Именно с этим негативным явлением мы отчасти и боремся, подбирая оптимальную модель.
Для измерения импеданса динамика используют всё тот же мультиметр (в электротехнике без него – никуда!).
Коэффициент нелинейных искажений
Это очень важная характеристика, которая, тем не менее, также нечасто фигурирует в параметрах колонок. Методики ее измерения бывают не совсем корректны. И все же, для качественных моделей она не превышает одного процента, для колонок хорошего уровня это треть процента (0,32% – 0,37%) практически во всем диапазоне частот, и лишь на низах этот параметр может перевалить за 1 процент. Если учесть, что именно на низких частотах наши уши не очень восприимчивы к искажениям, то такой «скачок» не критичен.
Еще одна особенность: КНИ резко возрастает при высокой громкости. Следует понимать, что в звуковом тракте «источник — межкомпонентный кабель — предварительный усилитель — межкомпонентный кабель — оконечный усилитель — акустический кабель — колонка», именно акустическая система является источником наиболее серьезных искажений, хотя подробнее об искажениях, наверное, стоило бы поговорить в связи с усилителями.
Мощность
И раз упомянуты усилители — самое время перейти к мощности. Это тема также «усилительная», но и в приложении к колонкам в ней немало интересного. В параметрах колонки, чаще всего, указывается рекомендованная мощность усилителя в виде двух чисел — минимального и максимального значения. Например, читаем, что для некоей напольной пассивной акустики, указывается минимальная мощность усилителя 20 Вт, максимальная — 200. Это значит, что при мощности усилителя ниже 20 Ватт колонка не сможет обеспечить приемлемый диапазон звукового давления (громкости), ограниченный ее чувствительностью. А при мощности выше 200 Ватт изготовитель, очевидно, не гарантирует сохранность колонки.
При превышении максимальной мощности (часто используется термин «пиковая» мощность или другое, на усмотрение изготовителя) происходит лавинообразное нарастание искажений, затем динамик может перейти в режим клиппирования — когда части подвижной системы ударяются в ограничивающие их смещение детали динамика. Это отмечается характерными щелчками. Появление таких щелчков — верный признак того, что динамику осталось работать совсем недолго. Не стоит доводить до этого.
Окно программы для разработки акустики VituixCAD
Как ни странно, очень важно при выборе колонок обратить внимание не только на цифры технических характеристик, но и на типы излучателей, их особенности и размеры. Особенно стоит оценить совокупный размер диффузоров низкочастотных драйверов. Наличие единственного прямонаправленного низкочастотного динамика с диффузором диаметром 5 дюймов очень плохо сочетается с заявленной нижней граничной частотой 30 Гц, особенно при неравномерности 3 децибела — а такие надписи доводилось видеть у недобросовестных изготовителей.
Все вышеупомянутые параметры акустики важны не только для понимания того, как она зазвучит, но и для того, чтобы правильно подобрать комплект «колонки-усилитель». Общие принципы достаточно просты. Максимальная мощность усилителя должно быть заведомо меньше, чем максимальная мощность акустики. А ее чувствительность, поведение импенданса, особенности схемы требуют серьезного анализа для понимания, какой усилитель станет оптимальным выбором. Но это — тема для другого рассказа.
Предыдущие материалы цикла «Акустические системы»:
Акустические системы: поговорим о звуке (часть 1)
Акустические системы: строение динамика (часть 2)
Акустические системы: типы динамиков (часть 3)
Акустические системы: альтернативные варианты излучателей звука (часть 4)
Акустические системы: стены, сферы, ящики, каналы (часть 5)
Эту статью прочитали 9 522 раза
Статья входит в разделы:Как выбрать. Гид покупателяИнтересное о звуке
Особенности подключения звуковых колонок
Подключение нескольких акустических систем к источнику сигнала осуществляется последовательным, параллельным и параллельно-последовательным способом. Соответственно, параметр группы динамиков вычисляется по Закону Ома. На этикетках и в инструкциях по эксплуатации динамиков, наушников указывается их сопротивление (4,8,16 Ом). Если ваши колонки не новые, утеряна инструкция по эксплуатации или по другой причине сопротивление колонок вам неизвестно, его можно измерить мультиметром. Что это такое? Это специальный прибор для измерения данного параметра.
Освободив динамики в колонках от аппаратуры, замеряете их сопротивление. Мультиметр будет показывать несколько заниженные значения сопротивлений близкие стандартным.
Что означает сопротивление динамика и почему это важно
Более низкий импеданс является нормой в высококачественном звуковом оборудовании
Почти для каждого динамика или набора наушников, которые вы можете купить, вы найдете спецификацию для сопротивления, измеренного в Омах (обозначается как Ω). Редко на упаковке и в прилагаемых руководствах по продукту объясняется, что означает импеданс или почему это важно для вас.
Импеданс как великий рок-н-ролл. Понимать все об этом сложно, но вам не нужно понимать все, чтобы «получить» это.
О динамике импеданса
Говоря о таких вещах, как ватт, напряжение и мощность, многие авторы аудио используют аналогию воды, протекающей по трубе, потому что это аналогия, которую люди могут визуализировать и относиться к ней.
Думайте о динамике как о трубе. Звуковой сигнал – ваша музыка – действует как вода, текущая по трубе. Чем больше труба, тем легче течет вода. Большие трубы также обрабатывают больший объем проточной воды. Динамик с более низким импедансом похож на большую трубку в том, что он пропускает больше электрического сигнала и позволяет ему легче течь.
В результате вы видите усилители, которые рассчитаны на 100 Вт при сопротивлении 8 Ом или 150 или 200 Вт при сопротивлении 4 Ом. Чем ниже сопротивление, тем легче электричество (сигнал или музыка) протекает через динамик.
Многие усилители не предназначены для работы с 4-омными динамиками. Используя аналогию с трубой, вы можете вставить большую трубу, но она будет нести больше воды (аудио), если у вас есть насос (усилитель), достаточно мощный, чтобы обеспечить дополнительный поток воды.
Низкое сопротивление гарантирует высокое качество?
Использование громкоговорителей с низким сопротивлением без оборудования, которое может их поддерживать, может привести к тому, что усилитель будет полностью включен, что может повредить оборудование.
Использование несовпадающих громкоговорителей и усилителей может вызвать проблемы, когда ресивер или усилитель не справляются с поставленной задачей.
Возьмите практически любой современный динамик и подключите его к любому современному усилителю, и вам будет более чем достаточно громкости для вашей гостиной. Итак, в чем преимущество 4-Омного динамика по сравнению с 6-Омным или 8-Омным? Немного – только то, что низкий импеданс иногда указывает на тонкую настройку, которую инженеры сделали, когда проектировали динамик.
Сопротивление динамика изменяется по мере увеличения или уменьшения звука по высоте (или частоте). Например, при частоте 41 герц (самая низкая нота на стандартной бас-гитаре) сопротивление динамика может составлять 10 Ом. При 2000 герц (верхний диапазон скрипки) полное сопротивление может составлять всего 3 Ом. Спецификация сопротивления, видимая на динамике, является лишь приблизительным средним.
Некоторые из наиболее требовательных инженеров по акустике предпочитают выравнивать сопротивление динамиков для обеспечения стабильного звучания во всем звуковом диапазоне. Точно так же, как кто-то может отшлифовать кусок дерева, чтобы удалить высокие гребни зерна, инженер-докладчик может использовать электрическую схему, чтобы сгладить области с высоким импедансом. Это дополнительное внимание, почему 4-омные динамики распространены в высококачественном аудио, но редко встречаются в массовом рынке.
Может ли ваша система справиться с этим?
Перед тем, как купить 4-Омный динамик, убедитесь, что усилитель или ресивер справится с этим. Это может быть не совсем понятно, но если производитель усилителя или приемника публикует значения мощности в 8 и 4 Ом, вы в безопасности. Большинство отдельных усилителей без встроенного предусилителя или тюнера могут работать с 4-Омными динамиками, как и большинство высококачественных A/V-ресиверов.
Относительно недорогой ресивер может не подойти для 4-х омных динамиков. Он может нормально работать при низкой громкости, но проверните его, и усилитель может не иметь питания для питания динамика. Приемник может временно отключиться, или вы можете сжечь приемник.
О переключателе импеданса
Некоторые усилители и приемники оснащены переключателем импеданса на задней панели, который можно использовать для переключения между настройками ома. Проблема с использованием этого переключателя состоит в том, что импеданс – это не плоская настройка, а изменяющаяся кривая. Использование переключателя импеданса для «согласования» вашего оборудования с вашими динамиками преднамеренно ограничивает все возможности вашего усилителя или ресивера. Оставьте импеданс на самом высоком уровне и приобретите динамики, которые соответствуют настройкам импеданса вашего оборудования для наилучшей производительности.
Импеданс автомобильных динамиков
В автомобильной аудиосистеме 4-х Омная акустика является нормой. Это связано с тем, что автомобильные аудиосистемы работают на 12 В постоянного тока вместо 120 В переменного тока. Импеданс 4 Ом позволяет автомобильным аудиоколонкам получать больше мощности от автомобильного аудиоусилителя низкого напряжения. Автомобильные аудио усилители предназначены для использования с низкоомными динамиками. Так что проверните и наслаждайтесь.
Что означает импеданс динамика и почему это важно
Практически для каждого динамика или набора наушников, которые вы можете приобрести, вы найдете спецификацию импеданса, измеренного в омах (обозначенного как Ω). Упаковка и прилагаемые руководства по продукту редко объясняют, что означает импеданс или почему это важно для вас.
Об импедансе динамика
Говоря о таких вещах, как ватты, напряжение и мощность, многие авторы аудиозаписей используют аналогию с водой, протекающей по трубе, потому что это аналогия, которую люди могут визуализировать.
В результате вы видите усилители, которые рассчитаны на выдачу 100 Вт при импедансе 8 Ом или 150 или 200 Вт при сопротивлении 4 Ом. Чем ниже импеданс, тем легче электричество (сигнал или музыка) проходит через динамик.
Усилитель — устройство для усиления мощности (интенсивности) сигнала, но без изменения вида самой величины и сигнала. Википедия
Гарантирует ли низкое сопротивление высокое качество?
Использование громкоговорителей с низким сопротивлением без оборудования, которое может их поддерживать, может привести к тому, что усилитель будет работать на полную мощность, что может привести к повреждению оборудования.
Важно: использование несовместимых динамиков и усилителей может вызвать проблемы, если ресивер или усилитель не справятся с задачей.
Импеданс динамика изменяется по мере увеличения и уменьшения высоты звука (или частоты) звука. Например, при 41 герце (самая младшая нота на стандартной бас-гитаре) импеданс динамика может составлять 10 Ом. На частоте 2000 герц (верхний диапазон скрипки) импеданс может составлять всего 3 Ом. Характеристики импеданса динамика являются приблизительными.
Некоторые из наиболее требовательных инженеров по акустическим системам любят выравнивать импеданс динамиков для получения стабильного звука во всем звуковом диапазоне. Подобно тому, как кто-то может отшлифовать часть дерева, чтобы удалить высокие выступы зерна, инженер по акустике может использовать электрическую схему, чтобы сгладить области с высоким сопротивлением. Это дополнительное внимание является причиной того, почему 4-омные динамики широко используются в аудио высокого класса, но редко в аудио массовом рынке.
Может ли ваша система с этим справиться?
Прежде чем покупать динамик на 4 Ом, убедитесь, что усилитель или ресивер справятся с этим. Это может быть непонятно, но если производитель усилителя или ресивера публикует номинальную мощность как в 8, так и в 4 Ом, вы в безопасности. Большинство отдельных усилителей без встроенного предусилителя или тюнера могут работать с 4-омными динамиками, как и большинство высококачественных A/V-ресиверов.
Относительно недорогой ресивер может не подойти для 4-омных динамиков. Он может нормально работать при низкой громкости, но если увеличить его, у усилителя может не хватить мощности для питания динамика. Ресивер может временно отключиться, или вы можете его просто сжечь.
О переключателе импеданса
Некоторые усилители и ресиверы оснащены переключателем импеданса на задней панели, который можно использовать для переключения между настройками сопротивления. Проблема с использованием этого переключателя заключается в том, что импеданс не является плоской настройкой, это кривая, которая меняется. Использование переключателя импеданса для «согласования» вашего оборудования с громкоговорителями намеренно ограничивает все возможности вашего усилителя или ресивера. Оставьте значение импеданса на максимальном значении и приобретите динамики, которые соответствуют настройкам импеданса вашего оборудования, для наилучшей работы.
Импеданс автомобильных динамиков
В автомобильной аудиосистеме нормой являются 4-омные динамики. Это потому, что автомобильные аудиосистемы работают от 12 вольт постоянного тока вместо 120 вольт переменного тока. Импеданс 4 Ом позволяет автомобильным аудиосистемам потреблять больше мощности от низковольтного автомобильного аудиоусилителя. Автомобильные аудиоусилители предназначены для использования с динамиками с низким сопротивлением.