Watt, decibel és néhány egyéb hangfal paraméter értelmezése

Watt (terhelhetőség)

A névleges terhelhetőség, amely egy teljesítmény adat egy hangfal adatlapján, természetesen nem a leadott akusztikai teljesítményt jelenti, hanem a meghajtó erősítő maximális torzítatlan szinuszos teljesítményét a szabványban előírt hullámformájú jel hangfalra adásakor. Mivel a szobai hangfalakban alkalmazott hangszórók többségének hatásfoka mindössze 0,2-2%, az erősítő által betáplált teljesítmény túlnyomó része (a mechanikai és örvényáramú veszteségek kivételével) mindössze a hangszórók lengőtekercsét melegíti (dinamikus hangszóró esetén). Ha túl nagy teljesítményt adunk a hangfalra, a lengőtekercs annyira felmelegszik, hogy leválik a hordozóról, és emiatt tönkremegy. De lehet, hogy már egy ennél alacsonyabb teljesítménynél bekövetkezik az, hogy a lengőcséve túl nagy kilengést ér el, felütközik a hangszóró belső szerkezetén, és a fellépő komoly erőhatások miatt előbb-utóbb leválik a membránról. Emiatt két korlátozó tényezőnk van a maximális bemenő teljesítményre, egy „hőmérsékleti limit” és egy „mechanikai limit” (vagy másként „kilengési limit”).

Szokták úgy értelmezni a gyártó által megadott terhelhetőség értéket, hogy az az „ajánlott maximális erősítőteljesítményt” jelenti, amellyel meghajtható a hangfal tönkremenetel nélkül. Úgy tűnhet, hogy ez az értelmezés egy csapásra elintézi mind a hőmérsékleti, mind a mechanikai limit problémáját, de ez csak abban az esetben igaz, ha az erősítő nincs túlvezérelve (clipping). Sajnos ha egy alacsonyabb teljesítményű erősítőt használunk, amelynek nincs elég tápfeszültsége, hogy a kívánt jelet alakhűen átvigye, és ezért túlvezérlődik, a túlvezérlés megnöveli a jel RMS értékét a csúcsértékhez képest, így az alacsonyabb teljesítményű erősítő (nagy csúcstényezőjű zenei jelnél) valójában közel akkora teljesítményt adhat le, mint egy olyan nagy teljesítményű erősítő, amely túlvezérlődés nélkül ki tudta volna adni a kívánt jelet. Sőt, mivel a clipping megnöveli a jelben a magas frekvenciák arányát, egy nem elegendően nagy teljesítményű erősítő túlvezérlésben "hatékonyabban" tehet kárt a magashangszóróban, mint egy nagyobb teljesítményű!

Tehát nincs könnyű dolgunk. Az IEC 60268-5(2003)/EN 60268-5 szabvány tartalmaz egy „rated noise power” (névleges zajterhelhetőség) adatot. De nem csak ez az egy szabvány van használatban. Azon kívül, kihasználva a káoszt, a gyártók szeretnek minél nagyobb számot megadni a teljesítmény (terhelhetőség) adatukra, könnyen lehet, hogy valami nem szabványos mérési eredményt tüntetnek fel, amely mérésnek "könnyű" a hullámformája (pl. rövid burst jelek csúcsteljesítménye hosszabb szünettel) távol áll a szabványok által előírt, meghatározott csúcstényezőjű és frekvenciaeloszlású rózsazaj hullámformáktól. Arra a következtetésre kell jutnunk, hogy a különböző gyártók által egyszerűen „teljesítmény”-nek nevezett adatok nem feltétlenül összehasonlíthatók. Ezért célszerű mindig megérdeklődni a gyártótól, hogy amit ők egyszerűen hangfal teljesítménynek hívnak, az mit takar, milyen szabvány szerint lett mérve. A következő ábra a terhelhetőség mérésére használt gyakoribb szabványok, az IEC 60268-5 (régebben 268-5), az AES2-2012, EIA RS-426-A és az EIA RS-426-B zajjeleinek frekvenciaeloszlását mutatja. Láthatók a jelentős eltérések közöttük, ami lehetetlenné teszi az összehasonlítást.

További információk a terhelhetőség mérés különböző szabványairól: http://www.doctorproaudio.com/doctor/temas/powerhandling.htm

Milyen minimális terhelhetőségű hangfal kell otthoni zenehallgatáshoz?

A kívánt terhelhetőséget mindig az érzékenységgel és az impedanciával együtt kell értékelni, és a szobaméret, sőt a hallgató hangfaltól való távolsága is számít. Egy nagyobb szobához általában nagyobb teljesítményű hangfal szükséges ugyanannak a hangerő érzetnek a kialakításához, ha távolról hallgatjuk a hangfalat. Az érzékenységet általában 2,83 V RMS értékű feszültséggel mérik, amely egy 8 Ω-os hangfalat 1 W, egy 6 Ω-osat 1,5 W és egy 4 Ω-osat 2 W teljesítménnyel terhel. Ezért ha teljesítmény arányosan akarunk összehasonlítani különböző impedanciájú hangfalakat, akkor 8 Ω-os hangfalhoz viszonyítva egy 6 Ω-os hangfal érzékenységéből 1,8 dB-t, egy 4 Ω-os hangfaléból 3 dB-t le kell vonni, így dB/W-ban kapjuk meg az érzékenységet. Ennek a korrekciónak az elvégzése után egy 3 dB-lel nagyobb érzékenységű hangfalnak fele akkora elektromos teljesítmény kell ugyanakkora a hangnyomás (hangerő) eléréséhez. Természetesen fordítva is igaz: egy 3 dB-lel kisebb érzékenységű hangfalnak kétszer akkora elektromos teljesítmény kell ugyanakkora a hangerő eléréséhez.

Az IEC 60268-5(2003) szabvány névleges zajterhelhetőség adatát alapul véve a normál zenehallgatási igényeknek egy átlagos mennyiségű hangelnyelő berendezési tárgyat tartalmazó, 20-25 m²-es szobában, egy 87 dB SPL/ 1 Watt érzékenységű hangfal esetén 2 m távolságból hallgatva már 10-20 W-os névleges terhelhetőség bőven eleget tesz szinte bármilyen zenéhez. Természetesen ennél 3 dB-lel nagyobb érzékenységű hangfalaknak (90 dB/W) elég fele ekkora, vagyis 5-10 W teljesítmény (terhelhetőség) ugyanahhoz a max. hangerőhöz, illetve egy 3 dB-lel kisebb érzékenységű (84 dB/W) hangfalnak ehhez 20-40 W kell. De vigyázzunk! Ha ki kell emelni a mély és/ vagy magas hangokat hangszínszabályzóval, akkor 3 dB kiemelés esetén akár a fentiekben ajánlott névleges terhelhetőség 2-szeresére, 6 dB kiemelésnél akár 4-szeresére is szükség lehet a hangfal konstrukciójától függően!

Decibel (érzékenység)

Először talán arról, mi is a decibel. Amikor teljesítmény- vagy intenzitásmérésről van szó, egy megállapodás szerinti alapszinthez (P₀) képest mért jel (P₁) arányát decibelben a következő módon fejezhetjük ki:

$L_\mathrm{dB} = 10 \log_{10} \bigg(\frac{P_1}{P_0}\bigg) \,$

Amikor olyan mérésről beszélünk, amelynek a négyzete arányos a teljesítménnyel vagy intenzitással, például feszültség, áramerősség, hangnyomás, akkor a kifejezés a következő formát ölti:

$L_\mathrm{dB} = 10 \log_{10} \bigg(\frac{A_1^2}{A_0^2}\bigg) = 20 \log_{10} \bigg(\frac{A_1}{A_0}\bigg). \,$

Ezt az egyenletet szokás a „20 logaritmus” szabálynak is nevezni, mint ahogy a teljesítményre vonatkozó decibel képletét a „10 logaritmus” szabálynak.

A decibel használata ott hasznos, ahol nagyon nagy arányszámokkal kellene dolgozni. A logaritmikus skála miatt ezek a nagy arányok egy kényelmes számértékkel kifejezhetők. Ezen kívül a hang és fényintenzitás emberi érzékszervekkel való értékelése közelebbi arányban van az intenzitás logaritmusával (Weber-Fechner törvény), mint az intenzitással, így a decibel nagyon hasznos arra, hogy az érzékszervekkel érzékelt szintkülönbségeket számszerűen jelezze.

Az akusztikában használt decibel (dB) hangnyomásra vonatkozik (helyesebben a „dB SPL” megnevezés lenne korrekt, ahol az SPL a „sound pressure level” hangnyomásszint rövidítése angolul). Az akusztika decibel alapszintje 0.0002 µbar (2×10⁻⁵ Pa), amely nagyjából egy egészséges emberi fül hallásküszöbe 1 kHz-es frekvenciánál.

Most térjünk rá a hangfal decibelben megadott érzékenység adatára.

Régebben az érzékenységet „X dB/W/m” módon adták meg. Viszont a hangnyomás a feszültséggel arányos, nem a teljesítménnyel. Kétszeres hangnyomás növekedéshez kétszeres feszültség, de négyszeres teljesítmény szükséges. Az érzékenységet tehát úgy kell kifejezni, hogy „X dB SPL/2,83 V RMS/ m” (azért nem 1 V RMS-re van megadva az adat, hanem 2,83 V RMS-re, hogy legalább 8 Ω-os hangfalakra konzisztens legyen a kifejezés a már elavult dB/W-tal, ugyanis 2,83 V RMS éppen 1 W-tal terhel egy 8 Ω-os ellenállást).

Tegyük fel, hogy két hangfal érzékenysége helyesen az „X dB SPL/2,83V RMS/ m” formában van megadva. Hogyan hasonlíthatók össze? Ha egy hangfal érzékenysége x dB-lel nagyobb, mint egy másiké, akkor a köztük levő érzékenység arány a 10^(x/20) képlettel számítható ki. A következő táblázat tartalmazza, hogy a különböző decibel eltérések pozitív vagy negatív irányban hányszoros változást jelentenek. (Megjegyzés: Hallásunk nem pontosan a kétszeres hangnyomást hallja kétszer hangosabbnak. Az emberi hallás a 2 dB változást éppen hallhatónak, és a körülbelül 10 dB változást érzékeli kétszeres szubjektív hangerőnek. Lásd részletesebben itt: level change calculator.)

	Pozitív változás (+dB)	Negatív változás (-dB)
0 dB	1x	1x
1 dB	1,12x	0,89x
2 dB	1,26x	0,79x
3 dB	1,41x	0,71x
6 dB	2x	0,5x
10 dB	3,16x	0,32x
20 dB	10x	0,1x
40 dB	100x	0,01x
60 dB	1000x	0,001x

Ohm (impedancia)

A hangfal impedanciája frekvenciafüggő mennyiség. Hogyan lehet akkor egy szimpla értékkel kifejezni? A hangfal „névleges impedanciája” egy tiszta ohmikus ellenállás, amit a gyártó ad meg számítási célokra. Ez a definíció nem pontosan az, amit az IEC 60268-5 szabvány mond, de megteszi. A szabvány azt mondja ki, hogy a megadott névleges frekvenciaátviteli tartományban a minimum impedancia nem lehet kevesebb, mint a névleges impedancia 0,8-szorosa, és ha ennél kisebb a megadott frekvenciatartományon kívül (az egyenszintet, vagyis 0 Hz-et is figyelembe véve), akkor a gyártónak ezt külön jeleznie kell. Mivel az egyenszintnél az impedancia gyakran valóban kisebb, mint az átviteli sávban, ezt külön specifikálni kellene, de sok gyártó nem teszi meg.

A névleges impedancia meghatározásához a gyártónak meg kell mérnie a névleges frekvenciaátviteli tartományban egy impedanciaérték sorozat minimumát, és kiszámítani az átlagot. Ha a minimum impedancia kisebb, mint ezen átlag 0,8-szorosa, akkor a névleges impedancia a minimum 1,25-szöröse (= 1/0,8) lesz, egyébként pedig az átlagérték. Ezzel a pontos értékkel szemben a gyártók általában leegyszerűsítik a dolgot, és a kapott pontos érték helyett 4, 6 vagy 8 Ω-ot írnak az adatlapra. Ezt talán azért teszik, hogy ne zavarják össze a vevőket, de így pontosabb számítást nem lehet végezni.

Hertz (frekvenciaátvitel)

Az IEC 60268-5(2003) szabvány szerint a hangfal frekvenciaátvitelét a következőképpen kell kalkulálni: 1) A hangfal frekvenciamenetét fel kell venni a referenciatengelyben szinuszjellel. 2) A maximális hangnyomás frekvenciája körül egy oktáv szélességben átlagolni kell a görbét. Ezt az átlagolt jelszintet nevezzük érzékenységnek. 3) A frekvenciaátvitelt úgy adjuk meg, mint azon frekvenciatartományt, amelynek határain a hangfal hangnyomása 10 dB-lel csökken az érzékenység szintjéhez képest. 1/9 oktávnál kisebb gödröket a frekvenciaátvitelben figyelmen kívül lehet hagyni.

Sajnos itt sincs konszenzus a gyártók között, mert más szabványok is léteznek. Mindenki szélesebb frekvenciaátvitelt szeretne megadni. Egy korrekt specifikáció lehet például a 40-20.000 Hz, +/- 3 dB. De legyen megadva a decibel tartomány, vagy ha ez nincs, akkor legalább a szabvány, ami alapján mérve lett.

Ha meg van adva grafikusan a frekvenciamenet

Egy valódi lakószobában a falakról visszaverődő hangkomponensek tartalmazni fogják nem csak az előre irányban sugárzott hangot, hanem más irányokból visszaverődő hangösszetevőket is, amelyeket a fülünk szintén hall. Az a jó, ha az előresugárzott frekvenciamenet mellett meg van adva a 30 fokos és 60 fokos vízszintes szögben mért frekvenciamenet is.

Milyen frekvenciaátvitelű hangfalat vásároljunk?

A zenében általában nincsenek 40 Hz-nél kisebb frekvenciák, kivéve az orgonamuzsikát, ahol a legmélyebb sípok ez alá mennek. Az ember 20.000 Hz felett nem hall még fiatal korban sem, idősebb, 35 év feletti korban pedig rohamosan romlik a magas frekvenciák érzékelése. Tehát ha csak zenét hallgatunk, elég olyan hangfalat választanunk, amely frekvenciaátvitele legalább 40-20.000 Hz +/- 3 dB. Viszont a házimozi hangeffektek bizony gyakran tartalmaznak 40 Hz alatti komponenseket. Ezek lesugárzásához nagy méretű (aktív) szubbasszus sugárzó kell. Ugyancsak felépíthető a hifi rendszerünk úgy, hogy a kisebb méretű fősugárzóhoz, amely nem viszi át a mélybasszust, pl. 80-20.000 Hz +/- 3 dB a frekvenciaátvitele, választunk egy közepes méretű szubbasszus sugárzót, ez esetben a 40-80 Hz-ig terjedő sáv lefedéséhez.

Konklúzió

A gyártók között nincs konszenzus, hogy hogyan kellene egyértelműen megadni a műszaki adatokat, és emiatt két különböző hangfalat nem mindig lehet csak számértékek alapján összehasonlítani. Görbék és diagramok már többet mondanak, de egy hangfalnak általában zenét kell reprodukálni egy komplex környezetben, amit a lakószoba jelent, és nem süketszobában, ahol a mérés történt. Emellett egyes hangfalgyártók annyira hiányosan adják meg a hangfalaik paramétereit, hogy ezek az adatok csak óvatosan kezelendők. A hangfal meghallgatásának is adjunk jelentős szerepet, ne csupán a műszaki adatok összehasonlítgatása alapján döntsünk, ha vásárolunk. Hangfalvásárlási tippeimet itt találja.

Főoldal