Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak osiągnąć wysoki poziom głośności z niewielkiego głośnika

ghost666 12 Mar 2018 17:16 3882 6
  • Jednym z częstszych wyzwań, jakie stają obecnie przed inżynierami zajmującymi się systemami audio, jest konieczność uzyskania wysokiej głośności z niewielkich głośników, dodatkowo najczęściej w systemie zasilanym z baterii.

    W takiej sytuacji najczęstszym i jednym z najlepszych rozwiązań, jest wykorzystanie wzmacniacza mocy pracującego w klasie D. Taki układ będzie w stanie dostarczyć koniecznej mocy do głośnika.

    Niestety, tutaj pojawia się kolejny problem. Bardzo często, moc, która bez problemu może być dostarczona przez wzmacniacz klasy D, jest wyższa niż maksymalna dopuszczalna moc ciągła niewielkiego głośnika. W naturalny sposób ogranicza to głośność - ciśnienie dźwięku (SPL) - na wyjściu z urządzenia. Głośniki takie mają jednakże pewną bezwładność cieplną - stałą czasową, opisującą proces nagrzewania się jego uzwojenia. Zjawisko to zobrazowano na rysunku 1 przedstawiającym moc (czerwona linia) i temperaturę (niebieska linia) uzwojenia głośnika. Z uwagi na to, jak widać na tym wykresie, możliwe jest chwilowe dostarczanie do głośnika wyższej mocy, pod warunkiem jednakże, że monitoruje się jego temperaturę i ogranicza moc, gdy przekracza ona maksymalną dopuszczalną wartość. Jeśli tego nie zrobimy, to głośnik może zostać uszkodzony.

    Jak osiągnąć wysoki poziom głośności z niewielkiego głośnika
    Rys.1. Wykres mocy (czerwona linia) i temperatury uzwojenia głośnika (niebieska linia) w czasie.


    Jednym z rozwiązań tego problemu jest zastosowanie limitera. W takim układzie wzmacniacz będzie mógł dostarczać swoją maksymalną moc w impulsie, ale układ zapobiegnie dostarczaniu nadmiernej mocy średniej do głośnika. Tego rodzaju układy są niedrogie i bardzo skuteczne, jednakże podczas swojej pracy mogą wprowadzać do dźwięku pewne zniekształcenia i zakłócenia.

    Jeśli znamy maksymalną moc ciągłą naszego głośnika, stałą czasową opisującą proces nagrzewnia się uzwojenia oraz jego impedancję to bez problemu możemy skonfigurować limiter napięcia wyjściowego, który pozwoli z jednej strony na dostarczanie wyższej mocy do głośnika, a z drugiej uchroni go przed uszkodzeniem. Jak pokazano na rysunku 2, obrazującym wykres mocy audio w czasie, możliwe będzie dostarczanie chwilowo wyższej mocy, ale czas trwania tych impulsów ograniczony będzie termiczną stałą czasową nagrzewania się uzwojenia głośnika.

    Tego rodzaju rozwiązanie zaimplementować można na poziomie samego wzmacniacza lub w procesorze układu. Jako że taki system nie posiada sprzężenia zwrotnego - nie mierzy się temperatury uzwojenia, a jedynie opiera o zmierzone wcześniej parametry - to konieczne jest zapewnienie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa.





    Margines bezpieczeństwa w takim systemie musi uwzględniać zarówno rozrzuty produkcyjne pomiędzy głośnikami (tak w maksymalnej dopuszczalnej mocy, jak i stałej czasowej nagrzewania się) jak i zmieniające się warunki otoczenia, głównie rosnącą w czasie pracy takiego układu temperaturę. Jeśli margines będzie zbyt mały, to w momencie, gdy całe urządzenie nagrzeje się, nawet najmniejszy impuls może okazać się zbyt wysoki i doprowadzi do zniszczenia uzwojenia.

    Jak osiągnąć wysoki poziom głośności z niewielkiego głośnika
    Rys.2. Wykres mocy dostarczanej do głośnika w czasie, obrazujący zasadę działania limitera.


    Istnieją oczywiście możliwości, by zredukować w inteligentny sposób ten margines. Jedną z nich jest wykorzystanie wzmacniacza w klasie D, który ma możliwość pomiaru prądu i napięcia na swoim wyjściu, tzw. Smart Ampa. Zabezpieczenie w takim systemie mierzy realną temperaturę uzwojenia, dzięki pomiarowi napięcia i prądu płynącego przez uzwojenia głośnika oraz znajomości zależności jego impedancji od temperatury.

    Dzięki wykorzystaniu układu Smart Amp możliwa jest daleko idąca redukcja marginesu bezpieczeństwa, jaką typowo stosuje się w układach z limiterem. Systemy tego rodzaju dostarczać będą maksymalną moc audio do głośnika aż do momentu, gdy realnie osiągnie on graniczną temperaturę, a potem korzystać będą z kompresora, by w naturalny sposób ograniczyć poziom mocy, aż uzwojenie odpowiednio wystygnie.

    Dodatkowo, w tego rodzaju systemie, istnieje możliwość kalibracji układu dla każdego głośnika. Pozwala to zrezygnować także z marginesu wynikającego z rozrzutu produkcyjnego samych głośników.

    Wysoka temperatura otoczenia nie jest problemem dla opisywanych wzmacniaczy, dzięki temu, że mierzą one realną temperaturę uzwojenia. Dzięki temu na głośnik podawana jest w impulsie maksymalna dopuszczalna w danej chwili moc.

    Typowy limiter nie chroni też głośnika przed nadmiernym wychyłem membrany, jako że nie wykorzystuje on zaawansowanych modeli głośnika, a jedynie samą estymację temperatury. Wpływ nadmiernego wychyłu na pracę głośnika pokazano na rysunku 3.

    Wzmacniacz Smart Amp wykorzystuje oprócz pomiaru realnej temperatury także zaawansowany model fizycznego głośnika. Dzięki temu układ zabezpieczający pracę głośnika nie tylko ogranicza moc, gdy głośnik się przegrzewa, ale także gdy wychył membrany jest zbyt duży. Wychył membrany jest obliczany w czasie rzeczywistym, jedynie na podstawie parametrów elektrycznych głośnika - pomiaru jego impedancji poprzez mierzenie prądu i napięcia na uzwojeniu. Dzięki temu układ jest w stanie reagować natychmiast na wszelkie niebezpieczne zdarzenia i ograniczać moc, nie wprowadzając zbędnych zakłóceń.

    Jak osiągnąć wysoki poziom głośności z niewielkiego głośnika
    Rys.3. Model głośnika - impedancja w funkcji częstotliwości, dla pomiaru temperatury (niebieska linia) i wychylenia (czerwona linia).


    Jakkolwiek prosty limiter dostarczać może w impulsie wyższej mocy niż klasyczny wzmacniacz, to jego wydajność jest istotnie ograniczona na skutek rozrzutu parametrów układu i zmiennej temperatury otoczenia. Dodatkowo, w takim systemie nadal występuje ryzyko uszkodzenia głośnika poprzez nadmierne przemieszczenie mechaniczne membrany lub przegrzanie w momencie, gdy temperatura otoczenia jest wysoka.

    Wykorzystanie inteligentnego wzmacniacza, takiego jak TAS2557, który posiada wbudowane zaawansowane algorytmy ochrony głośnika, pozwala na osiągnięcie maksymalnego SPL z danego głośnika, przy zapewnieniu wysokiej niezawodności układu. Strojenie układu odbywa się poprzez dedykowane oprogramowanie dla układów Smart Amp, które wyposażone jest w intuicyjny interfejs graficzny ułatwiający cały proces.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/12/18/don-t-limit-your-audio-how-to-achieve-loud-sound-from-a-small-speaker


    Fajne!
  • Sklep HeluKabel
  • #2 12 Mar 2018 23:49
    grawastar1986
    Poziom 10  

    Mam fajny mały głośnik bezprzewodowy firmy krzak. Jest on w stanie nagłośnić mieszkanie 60 m2 i jeszcze na zewnątrz go słychać. Kiedyś byłem pod wrażeniem głośników z iMaca G4. Średnica 5 cm a grał bardzo głośno i czysto.

  • Sklep HeluKabel
  • #3 13 Mar 2018 08:50
    quniq
    Poziom 21  

    No cóż, wszyscy walczą o moc. Kupiłem ostatnio dziewczynie głośnik przenośny znanej i cenionej marki kojarzonej głównie z kartami dźwiękowymi. O ile grał bardzo znośnie i dość głośno, o tyle wbudowana automatyka dynamiki całkowicie zabija cichsze fragmenty nagrań... Także takie wzmacniacze fajnie się sprawdzają jako szczekaczki pod namiot, ale w domu nic nie zastąpi sprawdzonych rozwiązań analogowych.

  • #4 13 Mar 2018 11:06
    szeryf3
    Poziom 14  

    A ja nieraz się zastanawiałem jak uzyskano taką dużą moc na tak małych głośnikach, kiedy młodzież idzie ulicą i słucha muzyki.
    Fajny artykuł.

  • #5 13 Mar 2018 15:56
    pawel1029384756
    Poziom 20  

    Bardzo fajny artykuł, tylko brakuje w nim wzmianki o tym co dzieje się z dynamiką słuchanej muzyki, tak jak pisał @quniq. Wszystko jest głośno, ale cały czas na tym samym poziomie, co moim zdaniem zabija całkowicie muzykę, pracę artystów i realizatorów.
    Często słyszę opinie, że nie potrzebne są duże kolumny, jak taki maluch na Bluetooth gra głośniej, tylko pytanie w jakim stopniu odwzorowuje to co chcemy żeby zagrał. Dobre rozwiązanie na budowę, niech gra, byle głośno.

  • #6 13 Mar 2018 16:07
    JacekCz
    Poziom 35  

    pawel1029384756 napisał:
    Bardzo fajny artykuł, tylko brakuje w nim wzmianki o tym co dzieje się z dynamiką słuchanej muzyki, tak jak pisał @quniq. Wszystko jest głośno, ale cały czas na tym samym poziomie, co moim zdaniem zabija całkowicie muzykę, pracę artystów i realizatorów.
    Często słyszę opinie, że nie potrzebne są duże kolumny, jak taki maluch na Bluetooth gra głośniej, tylko pytanie w jakim stopniu odwzorowuje to co chcemy żeby zagrał. Dobre rozwiązanie na budowę, niech gra, byle głośno.

    +1

    Dużą głośność przy niewygórowanej mocy elektrycznej i małych wymiarach łatwo uzyskać rezygnując z dołu pasma, czego przykładem jest syrena piezoelektryczna (ew dając "łupnięcie" w średnich basach), co sprzęt "młodzieżowy" najczęściej realizuje

  • #7 13 Mar 2018 17:21
    szeryf3
    Poziom 14  

    pawel1029384756 no i o to chodzi młodzieży, aby było głośno.