Форум гитаристов

Зависимость громкости от мощности. Вся правда о ламповых ваттах

Итак, думаю, надо разбить вопрос на два.
Сначала мы разберемся, так сказать, с азами, а именно зависимостью мощности усилителя, чувствительности динамика и, естественно, громкости.
А вторым номером, для любознательных пацанов, посмотрим почему «ламповые ватты» звучат громче «транзисторных ватт». Т.е., почему при прочих равных характеристиках ламповый усилитель звучит громче транзисторного.

Мощность + чувствительность = громкость

Да, формула видится именно такой.
Для начала давайте разберемся с понятиями. Что же такое мощность?
Формально, как известно тем, у кого образование несколько выше трех классов и коридора церковно приходской школы, мощность – это мера работы в единицу времени. И зовется сия физическая величина – Ватт. В честь авторитетного товарища Джеймса Ватта (Уатт), жившего в 19-м веке в Шотландии. А авторитет и признание пришли к любознательному пареньку Ватту после того, как он изобрел (а точнее усовершенствовал) паровую машину.
Теперь разберемся с громкостью.
Громкость – это субъективное (sic!) восприятие силы звука, которое, в основном, зависит от звукового давления и частоты звука, а так же от многих и многих параметров, вплоть до того с какой ноги встал субъект воспринимающий звук.
А вот уровень громкости – это относительная величина, численно равная звуковому давлению, создаваемому синусоидой с частотой 1кГц, такой же громкости, как и измеряемый звук.
Уровень громкости измеряется в фонах, а звуковое давление — в децибелах.
Последние нас и будут интересовать.
Строго говоря, децибел – величина безразмерная и относительная, предназначенная для измерения отношения всяких «энергетических» величин (мощности, энергии, плотности потока мощности и т. п.). Т.е., дБ предназначены для измерения «соотношения уровней» величин. А величина в дБ — это 10 десятичных логарифмов отношения двух одноименных энергетических величин.
Само название величины децибел восходит к еще одному авторитетному товарищу – Грэму Беллу, изобретателю телефона. А деци – это приставка, означающая 1/10.
В общем, огрубив и приблизив (физики это любят ), можно сказать, что громкость характеризуется децибелами по мощности (дБ).
После вышесказанного, не надо быть семи пядей во лбу, чтобы понять, что если у нас есть два усилителя: 50 Ватт и 100 Ватт, то по громкости они отличаются не в два раза.
Отношения мощностей в 2 раза, говорит нам о том, что по громкости усилители отличаются всего на 3 Дб (хотя, опять-таки не совсем так, см. «огрубим и приблизим»). Как переводить разы в децибелы смотрим в Wiki или учебнике по физике.
Кто не хочет париться и понимать, просто запоминаем: громкость и мощность связаны не
линейно.

Теперь немного усложним. Добавим второе слагаемое из формулы – чувствительность динамика.

Чувствительность громкоговорителя – это звуковое давление, которое создает громкоговоритель при подаче на него сигнала с определенной энергетической мощностью.
Именно от чувствительности динамика к подводимой к нему мощности зависит звуковое давление, которое мы ощущаем своими барабанными перепонками. Ну, и становится понятно, как же мы «огрубив и приблизив» связали мощность с громкостью.
Простой пример. У первого динамика чувствительность 90 Дб, а у второго 93 Дб. Если вспомнить наши рассуждения про мощность, то легко понять, что первый будет звучать так же громко, как второй, если подвести к нему в 2 раза большую мощность, чем ко второму.
Иными словами, при 100 ваттном усилителе 90 Дб динамик будет звучать так же громко, как второй 93 Дб динамик при подключении к нему 50 Ватт.
Еще не отпала охота гоняться за ваттами?
Конечно, мощность усилителя или комбика позволяет нам косвенно (sic!) судить о громкости, но и только.
Теперь усложним задачку и поговорим, почему же ламповый комбик звучит субъективно громче, чем транзисторный?

Вся правда о «ламповых ваттах»!

А дело тут вот в чем. Ламповый усилитель компрессирует сигнал, отчего он кажется громче. Плюс ко всему, если ламповому усилителю не хватает мощности для передачи пика сигнала (атака, обычно это фронт), то он искажает его, компрессируя по амплитуде. Причем искажает не абы как, а красиво. И слушать эти искажения приятно. Так же, при компрессии и усилении лампа обогащает частотный спектр сигнала четными гармониками, которые приятны на слух.
А транзистор?
Он не имеет обыкновения компрессировать сигнал. От того, кстати, большие амплитуды (пики сигнала) при атаке им жестко обрезаются и искажаются. Мало того, что обрезаются (а в лампе компрессируются и весь сигнал проходит), так еще и искажаются! Но, в отличие, от лампы совсем некрасиво и неприятно звучащее, т.к. насыщает звук диссонирующими нечетными гармониками.
Такая вот, эквилибристика.
Именно поэтому транзисторные аппараты стараются сделать с большим запасом по мощности, для того, чтобы не происходило перегрузок. Т.е. если на комбике написано 50 Ватт, то в обычном режиме он играет, дай Бог, на 25, и использует свой полный потенциал только при перегрузках.
В ламповых же аппаратах такой запас мощности ни к чему, т.к. именно перегруз и компрессия лампового усилителя – это именно тот «труЪ-ламповый» звук. Потому-то 25- ваттный ламповый аппарат может звучать громче 50-ваттного транзисторного комбика.
Такая вот суровая правда…
Резюмируя все вышесказанное, можно сказать, что при определении громкости звучания комбика нужно руководствоваться основными тремя факторами:
1. Лампа или транзистор;
2. Чувствительность динамика;
3. Мощность.

===============================================================
Мощность и громкость усилителей
При выборе комбика и усилка мы всегда обращаем внимание на мощность. Все знают, что мощнее, значит громче. Но в целом, смысл этого параметра зачастую неясен, особенно начинающим. Попробуем разобраться во всем по порядку.
1. Как измеряется мощность?
Весьма распространенным заблуждением новичков является такое: мощность усилителя, это сколько он потребляет электроэнергии. Усилитель - не лампа накаливания, поэтому, когда мы говорим о 100-ваттном усилителе, это вовсе не значит, что он потребляет 100Вт (реально, кстати, раза в полтора-два больше), речь идет о выходной мощности. На выходе усилителя имеется некоторый электрический ток, мощность которого мы можем замерить, и эта мощность будет вполне адекватно отражать способность усилителя "качать" динамики. Надо только определиться с методикой измерения мощности и тем, что принимать за номинал максимальной мощности.
Начнем с номинала. Максимальной мощностью усилителя принято замерять при таком уровне выходного сигнала, когда поданный на вход синусоидальный сигнал на выходе воспроизводится практически без гармонических искажений, то есть если и происходит клиппинг (см. статью "Усиление и перегруз"), то на грани различимости ухом человека.
Перейдем к методике измерений. Заглянув в школьный учебник по физике, мы без труда отыщем формулу P=U*I, где U - напряжение, а I - сила тока. Очевидно, что величина силы тока имеет смысл только в том случае, когда к выходу подключена нагрузка (кабинет), через которую идет ток. Сила тока будет равна U/R, где R - сопротивление нагрузки. А формула примет окончательный вид P=U2/R.
Все бы хорошо, но ток-то у нас переменный, что возводить в квадрат? Существует понятие эффективного напряжения переменного тока – средней величины постоянного напряжения, с мощностной точки зрения адекватного переменному. В случае синусоидального тока расчет эффективного напряжения происходит следующим образом:  .
Также не стоит забывать, что поскольку ток переменный, учитывать надо не омическое сопротивление нагрузки, а ее импеданс (совокупность омического, емкостного и индуктивного сопротивлений). В итоге формула получит вид: P=U2/(2Z), где U - напряжение переменного тока (пиковое значение), Z - импеданс нагрузки.
Описанный метод измерения максимальной номинальной мощности усилителя обозначается RMS (Root Mean Square). Поскольку в общем случае, мощность зависит от нагрузки принято уточнять при какой именно, например, RMS 100Вт, 8 Ом.
В принципе, гитарные усилители, поддерживающие разный импеданс нагрузки, как правило, обеспечивают в силу переключения выходных трансформаторов одинаковую мощность на любой поддерживаемый импеданс. Поэтому, указание импеданса носит несколько формальный характер ("не ту" по импедансу нагрузку категорически не рекомендуется подключать), скорее как справка какой импеданс поддерживается усилителем.
2. Какая связь между мощностью и громкостью?
Как же увеличение мощности влияет на громкость? Распространенное заблуждение - "в n раз мощнее - в n раз громче". Это не так.
Прежде всего, отметим, что громкость - понятие субъективное. Это то, как слуховой аппарат интерпретирует уровень звукового давления, поэтому мы формально можем вести речь только о связи мощности усилителя и производимым им уровнем звукового давления. Однако, есть эмпирическая связь между уровнем звукового давления и субъективным восприятием громкости. (Поскольку речь пойдет о децибелах, рекомендую тем, кто не знаком с методикой работы с этими величинами, сперва ознакомиться с материалом "Децибелы")
Итак:
Уровни громкости (дБ SPL): 0дБ - порог слышимости, 120 дБ - болевой порог (100-ваттный стек с близкого расстояния), 60 дБ - человеческая речь, примерно с расстояния в метр.
Изменения громкости (субъективное восприятие нормальным слухом): 1дБ - предел различимости изменения громкости, 3дБ - уверенно различимое изменение, 6дБ - существенное изменение, 10дБ - изменение громкости вдвое.
Как же связаны разница в максимальной мощности и разница в максимальной громкости? Очень просто: соотношение звуковых давлений в децибелах равно соотношению мощностей. Вычисляем децибелы и получаем следующее.
Если один усилитель мощнее другого в два раза, то разница в громкости составит 3дБ, если в десять раз, то 10дБ. Иными словами, чтобы удвоить громкость, нам надо увеличить мощность в целых 10 раз! 100-ваттный стек громче сопливого 10-ваттного "подкроватного" комбика всего вдвое!
Удвоение мощности приводит всего лишь к заметному, но не очень существенному повышению звукового давления. То есть, важна относительная, а не абсолютная разница в мощности.
А почему же такая насыщенная шкала мощностей на рынке? Не стоит забывать, что громкость - понятие субъективное, и влияет на ее восприятие не только звуковое давление, но и тембр звука, и характер его распространения.
Комбик Frontman-15 сам по себе и включенный в кабинет 4х12 – это две большие разницы, как говорится.
30-ваттный комбик при несущественной разнице в громкости может крыть схожий 20-ваттный тем, что у него уже не 8", а 10" динамик и больше кабинет, соответственно звук у него "больше".
Разница же между 50 и 100 ваттным усилителем заключается не только в 3дБ (не всегда особо нужных), но и тем, что в силу разного количества ламп, поведение их каскадов усиления мощности, влияние на звук различается. Но это отдельный разговор.
Почему считается, что ламповые усилители громче транзисторных того же номинала?
В самом деле, почему? Напомним, что метод RMS основан на измерении не при максимальном положении ручки громкости усилителя, а того, при котором достигается максимальный по уровню неискаженный сигнал. Конечно, эти положения могут совпадать, но не обязательно.
В случае транзисторного усилителя, скорее всего, будут совпадать, поскольку (см. "Усиление и перегруз") транзисторный усилитель резко входит в режим полной перегрузки, делая звук просто кошмарным. Поэтому схемотехника обычных транзисторных усилителей не позволяет довести усиление сигнала до такой степени. (А если позволяет, результат будет ужасным).
В случае ламп мы можем позволить себе перегрузку каскада усиления. Планку выходного напряжения мы при этом не перепрыгнем, но громче будем все равно. Каким же образом? Очень просто. Формула мощности метода RMS годится только для синусоидального сигнала, у сигнала другой формы эффективное напряжение будет другим. И мощность будет другой при том же пиковом напряжении.
Нагляднее всего будет графическое объяснение. На Рисунке 1 - синусоида, на Рисунке 2 - несколько искаженный сигнал той же амплитуды, на Рисунке 3 - максимальная перегрузка, прямоугольный импульс той же амплитуды, что и в первых двух случаях.
 
Предположим, на выход подается сигнал одного из этих трех типов. Очевидно, динамики нам обеспечат такую же звуковую волну. Какая у нее будет энергия? Площадь под графиком, интеграл. Очевидно, что наибольшая энергия будет у прямоугольной волны, наименьшая у синусоиды, а несколько искаженный сигнал займет промежуточное положение. А чем больше энергия колебаний, тем больше звуковое давление, громкость.
С точки зрения формулы расчета мощности по эффективному напряжению победа прямоугольного сигнала объясняется тем, что его эффективное напряжение равно пиковому, то есть убирается из знаменателя в формуле двойка и мощность фактически удваивается. Конечно, так ламповая секция мощности не перегружает и дополнительно 3 дБ не дает, но фактически звуковое давление будет больше. К тому же краткие всплески (атака), пожалуй, могут достигнуть и предела перегрузки. Немаловажную роль играет и то, что искажение ламп добавляет в звук гармоники, которые делают его "больше", и в результате субъективно громче. Ламповый звук может быть субъективно громче аналогичного по уровню звукового давления и характеру в целом транзисторного именно за счет того, что у него более "мощная" структура.
Александр Авдуевский, 2002