Юный техник, 2014 № 03

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Какая мощность нужна усилителю?

В последнее время фирмы-производители, желая поднять свои доходы, подталкивают потребителя к мысли, что чем больше выходная мощность музыкального центра или ресивера, тем качественнее звуковоспроизведение и тем «круче» владелец аппарата. За ними тянутся и самодельщики, конструируя все более мощные аппараты. А какая нужна на самом деле мощность усилителя звуковой частоты?

Танцуем от печки. Начать, естественно, следует не с производителей (цели их понятны), а с потребителя — человека и свойств его слуха. Наше ухо — удивительнейший и очень чувствительный орган, способный улавливать самые тихие звуки. Звук представляет собой волны, распространяющиеся в среде, в нашем случае колебания давления воздуха. Так же, как и абсолютное давление, равное примерно 1 атмосфере = 760 мм ртутного столба = 105 Па, амплитуда звуковых волн измеряется в единицах давления, в системе единиц СИ — в паскалях (Па). Один паскаль соответствует силе в один ньютон, распределенной по площадке в 1 м², перпендикулярной направлению распространения звука (1 Па = 1 н/м²). Звуковое давление — это отклонения давления воздуха от постоянного атмосферного, которое мы не чувствуем и не замечаем, поскольку оно действует на барабанную перепонку уха одинаково с обеих сторон.

Звуковые волны переносят энергию и характеризуются плотностью потока мощности, измеряемой в ваттах на 1 м², то есть мощностью, с которой звуковая волна проходит через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения звука. Именно мощность, улавливаемая ухом, и производит физиологические эффекты, позволяющие нам слышать. Громкость звука измеряется в децибелах. Один децибел — это 1/10 Бел, логарифмической единицы, названной в честь изобретателя телефона А. Белла.

При измерениях, связанных со звуком, децибелы хороши в том отношении, что восприятие громкости подчиняется логарифмическому закону, то есть громкость прямо пропорциональна логарифму звукового давления и мощности звуковой волны, или уровню звука, выраженному в децибелах. За нулевой уровень громкости принят условный (усредненный) порог слышимости человеком.

Плотность потока мощности П пропорциональна квадрату звукового давления р, связь здесь аналогична связи между мощностью и напряжением в электрических цепях, округленно: П = 0,0023∙р², р = 2√П. Таблица 1 связывает громкость звука, звуковое давление и плотность потока мощности.

Уровни громкости выше 100 дБ считают безусловно опасными для здоровья, а потеря слуха может наблюдаться, начиная с 80 дБ. Существуют документы, определяющие максимально допустимый уровень любых загрязнений, в том числе и звуковых (шумовых). Для концертных залов, дискотек и т. д. установлена норма 90 дБ, на время выступления музыкальных ансамблей — 85 дБ, при воспроизведении музыки электроакустическими системами — 70 дБ (везде указаны пиковые значения).

Интересно, а какая же акустическая мощность попадает при этом в ухо слушателя?

Пользуясь таблицей 1, собранной из многих источников, начиная со старинного «Справочника по радиотехнике» Г.Г. Гинкина издания 1947 года и кончая современными публикациями, это очень легко сделать. Приложите линейку к собственной ушной раковине и измерьте ее площадь. Получится что-то около 20 см², или 2∙10^-3 м². Остается помножить плотность потока мощности на эту площадь:

P_ак = П∙S

Поясню примерами: пусть мы услышали тихий шепот с расстояния 1 м — громкость 10 дБ, поток 10^-5 мкВт/м². Акустическая мощность составит 2х10^-8 мкВт, или 2х10^-14 Вт. Смещение частиц воздуха при столь слабом звуке составляет всего 10^-7 мм, что в тысячи раз меньше длины световой волны!

Вот каким невероятно чувствительным устройством снабдила нас природа. Как же не относиться к нему бережно! Однако мы можем еще повысить чувствительность уха, увеличив площадь сбора звуковой энергии с помощью слуховой трубки (до появления электронных слуховых аппаратов слабослышащие так и делали) или больших рупоров (звукоулавливатель).

Рупор обратим, и использовался не только в граммофонах как излучатель звука, но и как приемник-антенна для звуковых колебаний. Вспомните также «братьев наших меньших» — животных, у которых большие ушные раковины, оформленные в виде рупора, да еще и поворотные, отнюдь не редкость (см. рис. 1 и 2).

Рис. 1. Звукоулавливатель времен Великой Отечественной войны для обнаружения вражеских самолетов, по-видимому, в осажденном Ленинграде.

Рис. 2. Фенек — самый маленький представитель семейства псовых. Огромные уши позволяют ему улавливать самые слабые звуки.

Возьмем теперь предельно допустимый уровень громкости 90 дБ. Плотность потока мощности составит 1000 мкВт/м², а попадающая в ухо мощность P_ак = П∙S — всего 2 мкВт. Повторю: два микроватта, а больше — уже опасно!

Надо заметить, что все приведенные данные относятся к середине частотного диапазона звука — порядка 1…2 кГц, где чувствительность уха максимальна. На высоких и низких частотах чувствительность уха падает, но это не касается опасного предела, который остается примерно постоянным.

В этом кроется еще одна опасность — попытка услышать разрекламированные частоты 20 Гц (НЧ) или 20 кГц (ВЧ) заставляет поднимать их уровень в звуковоспроизводящем устройстве. Поначалу это помогает — звук становится глубже, сочнее и насыщеннее. Однако динамический диапазон (разница между слуховым порогом и предельно допустимой громкостью) сужается, пока не обратится в ноль на границах слухового диапазона.

Попытка услышать, например, звук с частотой 10 или 15 Гц с помощью мощной звукоустановки может закончиться тем, что у вас оторвутся внутренние органы, но звука вы все равно не услышите! Это ли не акустическое оружие? Влияние же мощного ультразвука (частоты выше 15 кГц) на живые организмы вообще еще мало исследовано.

Разберемся с «затычками». Как-то понадобилось мне спросить дорогу, и я обратился к симпатичному молодому человеку с умными глазами. В них отразилось недоумение. Потом он сообразил, что с ним говорят, вынул что-то из уха и даже повернулся этим ухом ко мне. Я повторил вопрос. Он опять ничего не услышал. Пришлось повторить вопрос в третий раз, уже громко.

Знакомая картина? Вот результат прослушивания плеера с большой громкостью — явное ослабление слуха. Вынул из уха он то, что всем известно, — наушник.

Эти наушники-«затычки» вместе со всевозможными плеерами расплодились, как эпидемия. Наверняка вы встречались и с техническими данными плееров: выходная мощность у них десятки, а то и сотни милливатт на канал.

Куда эта мощность девается? Если акустическая мощность в ушном канале не превосходит 2 мкВт (вы разумный человек и не злоупотребляете мощностью), а плеер отдает электрическую мощность 2 мВт (вы убавили громкость), то КПД «затычек» составляет… КПД = Р_ак/Р_эл = 10^-3, или всего 0,1 %!!!

Если КПД поднять хотя бы до 1 % (все равно он был бы в 7 раз ниже, чем у паровоза), то плеер мог бы потреблять в 10 раз меньше энергии от батарей, и они прослужили бы в 10 раз дольше!

Значения КПД вы не найдете ни в каких технических данных ни на одни наушники (стыдно, наверное), лишь изредка приводят данные о чувствительности, например 80 дБ/мВт. Это значит, что при подведении электрической мощности 1 мВт наушник звучит с громкостью 80 дБ. А для 90 дБ ему надо уже 10 мВт. Но не обольщайтесь, если вдруг увидите цифру чувствительности в 120 дБ, потому что еще неизвестно, что это за цифра и в каких условиях она снята. В этом мы будем разбираться во второй части нашего расследования.

В. ПОЛЯКОВ, профессор

(Окончание следует)