Kako Izmeriti Izlaznu Snagu Gitarskog Pojačala?

E, ovo je tema kojom se bavim skoro svaki dan. Većina nas nije tehnički potkovana, a jedan deo ljudi je nekad učio osnovnu fiziku, pa je zaboravio. Spoji to dvoje, i dobiješ ono što se stvarno dešava: skoro svi se drže (dez)informacija koje kruže već decenijama.

Znači, hajde da uradimo ovo kako spada. Šta znači broj na zadnjoj strani tvog pojačala, kako se do njega dolazi, i — deo do kog niko ne stigne — kako se taj broj uklapa u to da stojiš u prostoriji i odlučuješ koje pojačalo je glasnije. Usput rešavamo i dve rasprave koje sam vodio više puta nego što mogu da izbrojim:

Zašto su lampaška pojačala glasnija od tranzistorskih? Ili nisu?

Zašto su Marshalli toliko glasni?

Kratka Verzija

• Oznaka "100 W" znači 100 W na 1 kHz, u otporni teret, uz skoro nikakvu distorziju. To je jedna jedina radna tačka, i nisi je nikad odsvirao.
• Pojačano do klipovanja, isto pojačalo isporučuje znatno više. Talas se pretvori u pravougaoni, a RMS pravougaonog talasa jednak je njegovom vrhu — pa se snaga otprilike udvostruči. Na svom Superleadu iz '76. izmerio sam 170 W.
• Duplo veća snaga ti donosi 3 dB. To se jedva primeti. Da bi nešto zvučalo dvostruko glasnije, treba ti oko 10 dB — deset puta veća snaga.
• Znači vati skoro nikad nisu razlog što je jedno pojačalo glasnije od drugog. Osetljivost zvučnika i veličina kabineta jesu — a 4×12 vredi otprilike koliko i učetvorostručenje tvog pojačala.
• Lampaška pojačala nisu suštinski glasnija. Suštinski su upotrebljiva dok klipuju, a svi smo se prećutno dogovorili da je to normalno.

Šta Svi Pogrešno Shvataju

Greška nije u tome što veruješ broju. Broj je tačan. Greška je u tome što misliš da taj broj opisuje pojačalo — a on zapravo opisuje jedan jedini test uslov, koji sa sviranjem gitare nema skoro nikakve veze.

Evo šta ti deklaracija stvarno kaže kad piše 100 W na 1 kHz, 0,01% THD, 8 Ω:

Neko je pojačalu doveo sinus od 1 kHz. Umesto zvučnika, zakačio je otpornik od 8 Ω. Pojačavao je dok se izlaz tek nije počeo da izobličuje — 0,01% onoga što je izašlo bio je harmonijski sadržaj koji na ulazu nije postojao — i tu je stao. Baš u tom trenutku, snaga na otporniku je bila 100 W.

Svaki deo ovoga je laboratorijski uslov:

• 1 kHz je jedna jedina frekvencija. Pojačalo se ponaša drugačije na 100 Hz, i opet drugačije na 5 kHz.
• Otpornik nije zvučnik. Impedansa zvučnika se kreće od negde 6 Ω do preko 40 Ω kroz ceo audio opseg, i ono što pojačalo isporučuje menja se zajedno s njom.
• 0,01% THD je čistije nego što se od gitarskog pojačala ikad tražilo. U prevodu na jezik gitariste: ovo je 100 W čistih srednjih frekvencija.

Znači, ta industrijska brojka je relativna. Odlično radi za poređenje dva slična pojačala jedno naspram drugog, a skoro je beskorisna za predviđanje šta će konkretno pojačalo raditi u prostoriji.

Fizika Koja Ti Zaista Treba

Ne mnogo, iskreno. Tri ideje.

Snaga je brzina

Snaga je brzina kojom se energija prenosi — džuli u sekundi. Jedan vat je jedan džul u sekundi.

$$P = \frac{W}{t}$$

U električnom kolu, to se svede na napon puta struja:

$$P = V \cdot I$$

Znaš napon preko zvučnika i struju kroz njega, pomnožiš ih, i imaš snagu. Zvuči lako? Nije baš — ta formula je napisana za DC, stalan napon koji se ne pomera. Naš signal se pomera neprestano. Zato nam treba još jedna ideja.

Zašto se za test koristi sinus

Negde ćeš pročitati da se sinus koristi za testiranje jer je "najbliži pravom signalu". Nije. Odsvirana žica je bogat niz harmonika, sa perkusivnim napadom i envelopom koja opada; sinus nije ništa od toga.

Pravi razlog je mnogo bolji. Sinus je jedini signal koji savršeno linearno pojačalo propušta a da mu ne promeni oblik. Dovedeš sinus, i sve što na izlazu iskoči na drugoj frekvenciji, napravilo je samo pojačalo. Time izobličenje postaje trivijalno merljivo — pogledaš spektar na izlazu, i sve što nije osnovna frekvencija je krivica pojačala. Nijedan drugi test signal ti to ne daje besplatno. Uz to je i matematički jednostavan, što je nekad, kad se ova konvencija ustalila, značilo mnogo više nego danas.

RMS, i zašto je manji od vrha

Sinus najveći deo vremena provede daleko od svog vrha. DC napon na istoj vrednosti kao taj vrh isporučio bi mnogo više energije, jer nikad ne popusti.

Znači, da bismo DC formulu za snagu upotrebili na AC signalu, treba nam AC vrednost koja radi isti posao kao data DC vrednost. To je RMS — koren srednje kvadratne vrednosti. Za sinus:

$$V_{\text{RMS}} = \frac{V_{\text{Peak}}}{\sqrt{2}} \approx 0.707 \cdot V_{\text{Peak}}$$

Ovo vredi zapamtiti, jer o tome zavisi ceo trik na kraju teksta: RMS nije fiksan razlomak vrha. Zavisi od oblika talasa. Kod sinusa je to 0,707 vrha. Kod drugih oblika je sasvim druga priča.

I usput — kad navodimo AC vrednosti, skoro uvek navodimo RMS. Onih 230 V iz tvoje utičnice je RMS broj. Stavi osciloskop na to, i talas se stvarno zaljulja do oko ±325 V. U Americi, 120 V RMS ide do vrha od oko ±170 V.

Pravilo palca: Ako neko izričito ne kaže "vrh", AC napon je RMS. Deklarisana snaga pojačala je RMS. Isto i tvoje mrežno napajanje.

I još nešto: THD

Ukupno harmonijsko izobličenje. Strogo uzev, to je odnos RMS vrednosti svih harmonika koje je pojačalo dodalo prema RMS vrednosti osnovne frekvencije koju je dobilo, izražen u procentima. Matematika iza toga je stvarno komplikovana i ovde nam ne treba.

Bitno je šta radi u deklaraciji: to je uslov zaustavljanja. Broj snage bez njega ne znači ništa, jer iz pojačala možeš izvući skoro bilo koju snagu koju poželiš, ako nikad ne kažeš koliko izobličenja si usput prihvatio. Hi-fi pojačalo se meri na 0,01%. Gitarska pojačala se ponekad deklarišu na 5% THD, što je znatno glasnija — i prljavija — radna tačka. Fender za Blues Junior navodi 15 W minimum u 8 Ω na 5% THD, i to piše baš tu, na fabričkoj servisnoj šemi.

Idemo Na Brojke

Kako stvarno izgleda 100 W u 8 Ω

Znamo da je $P = V \cdot I$, a Omov zakon kaže $V = I \cdot R$. Spoji ih, i možeš da radiš samo sa naponom:

$$P = \frac{V^2}{R}$$

Preuređeno za napon koji nam treba:

$$V = \sqrt{P \cdot R} = \sqrt{100 \cdot 8} \approx 28.3\ \text{V}$$

I struja:

$$I = \frac{V}{R} = \frac{28.3}{8} \approx 3.54\ \text{A}$$

Znači, pojačalo od 100 W u 8 Ω pravi otprilike 28,3 V RMS i isporučuje otprilike 3,5 A. To je industrijsko merenje, i to ti govori nalepnica na leđima pojačala.

Zapamti taj broj, 28,3 V. To je RMS, za sinusni talas.

Kad ga pojačaš do daske

Uzmimo Marshall Plexi-stil pojačalo, moj omiljeni primer. Četiri EL34, deklarisano na 100 W, a nekako zvuči mnogo snažnije od gomile drugih pojačala od 100 W — pogotovo tranzistorskih.

Deo odgovora je arhitektura. Stariji dizajni kao Plexi nemaju kontrolu jačine na kraju pretpojačala — to je stiglo tek kasnije, sa 2204/2203 master volume kolima. Volume potenciometar na Plexiju radi više kao gain kontrola, a sve posle njega je širom otvoreno. Ko god je svirao dobar Superlead zna da je pojačalo već ludo glasno na dvojci.

Rani Marshalli su pojačala od 100 W, i tih 100 W "čistog" isporuče već sa volume potenciometrom na oko dvojke.

Pređeš preko dvojke, i jačina se penje dalje, zajedno sa tvojim uzbuđenjem i besom komšije. Ali sa talasnim oblikom se nešto konkretno dešava. Prvo se kompresuje, onda počne da klipuje, i kako klipuje, sve više liči na pravougaoni talas.

Evo zanimljivog dela. Vršna amplituda ne može da raste. Prikovana je naponskom šinom i transformatorom — vrhovi talasa udare u plafon i spljošte se. Pa ako je vršni napon fiksan, a impedansa zvučnika fiksna, zašto pojačalo i dalje postaje glasnije?

Zato što RMS zavisi od oblika, a oblik se promenio.

Pravougaoni talas nikad ne napušta svoj vrh. Sedi na $+V_{\text{Peak}}$ pola ciklusa, i na $-V_{\text{Peak}}$ drugu polovinu. Zato mu je RMS vrednost jednaka vršnoj:

$$V_{\text{RMS}} = V_{\text{Peak}}$$

Naš sinus je bio 28,3 V RMS, pa mu je vrh bio:

$$V_{\text{Peak}} = 28.3 \cdot \sqrt{2} \approx 40\ \text{V}$$

Zaklipuj taj sinus u pravougaoni talas, i RMS skoči sa 28,3 V na punih 40 V — bez ijedne promene vršne amplitude. Sad ponovo izračunaj snagu:

$$P = \frac{V^2}{R} = \frac{40^2}{8} = 200\ \text{W}$$

Duplo veća snaga, iz istog pojačala, sa istim naponom šine, u isti zvučnik. Ništa nije nadograđeno. Talas je jednostavno postao deblji.

Na radnom stolu: 170 W u veštački teret, sa mog Marshall Superleada iz '76, pojačanog do daske. Ne teorijskih 200 W — napajanje sagne pod tolikim opterećenjem, a pravi gitarski signal nikad ne postane savršeno pravougaon. Ali udobno više od tih 100 W na nalepnici.

Taj razmak između 170 i 200 vredi poštovati, ne zaokruživati ga na jedno ili drugo. Prava pojačala sagnu. Pravi signali su složeni talasi, ne udžbenički pravougaonici. Broj od 200 W je plafon — gde konkretno pojačalo stvarno sleti zavisi od njegovog napajanja, izlaznog transformatora, i koliko ga jako guraš.

Šta Ovo Znači Na Radnom Stolu

Problem od 3 dB

Dobro. Znači pojačan Plexi pravi 170 W umesto 100 W. E to je onda razlog što je toliko glasan, zar ne?

Jedva. Evo aritmetike koja svima pokvari dan:

$$\Delta L = 10 \cdot \log_{10}\!\left(\frac{P_2}{P_1}\right)$$

Idući sa 100 W na 170 W:

$$\Delta L = 10 \cdot \log_{10}(1.7) \approx 2.3\ \text{dB}$$

Dva i po decibela. Mala promena — čuje se kad slušaš jedno pored drugog, ali ništa nalik razlici koju ljudi opisuju. A puno teorijsko udvostručenje na 200 W ti donese samo 3 dB.

I gore od toga — opažena jačina ni decibele ne prati jedan na jedan. Grubo psihoakustičko pravilo kaže da treba oko 10 dB pre nego što će većina slušalaca reći da je nešto "dvostruko glasnije". Deset decibela je deset puta veća snaga. Da bi tvoje pojačalo od 100 W subjektivno zvučalo dvostruko glasnije, treba ti pojačalo od 1000 W.

Pravilo palca: Duplo vati ti donesu 3 dB. Deset puta vati ti donesu "dvostruko glasnije". Snaga pojačala je grozna kontrola jačine.

Pa zašto onda Marshall pobeđuje?

Zato što jačinu u prostoriji skoro u potpunosti odlučuje ono što se dešava posle pojačala.

Osetljivost zvučnika je ta glavna stvar. Navodi se u dB, na 1 W, mereno na 1 m — i gitarski zvučnici tu dosta variraju, otprilike 96 do 100 dB kod uobičajenih 12-inčnih modela. Ta razlika od 4 dB ne zvuči kao mnogo, dok je ne pretvoriš nazad u vate: 4 dB je faktor 2,5. Zamena za zvučnik osetljiviji za 4 dB ti vredi više nego zamena za pojačalo sa dva i po puta većom snagom — a košta te delić te cene.

Veličina kabineta je ta druga. Četiri dvanaestice zrače mnogo efikasnije od jedne — i zbog same površine, i zato što se drajveri međusobno sprežu na niskim frekvencijama. U praksi 4×12 vozi otprilike 6 dB ispred 1×12 na istom pojačalu — što je, u vatima, isto kao da si pojačalo učetvorostručio.

Saberi to, i slika je jasna. Plexi kroz 4×12 sa Greenback zvučnicima naspram tranzistorskog kombo pojačala od 100 W sa jednim osrednjim zvučnikom uopšte nije poređenje 100 W protiv 100 W. Bliže je odnosu deset prema jedan, a vati u tome skoro da nisu učestvovali.

Mit o lampama i tranzistorima, rešen

Što nas dovodi do poslednjeg.

Mit: Lampaška pojačala su glasnija od tranzistorskih iste deklarisane snage.

Presuda: Ne suštinski. Glasnija su na način na koji ih zapravo koristimo — ostaju upotrebljiva i posle tačke klipovanja, a većina tranzistorskih pojačala to ne izdrži.

Sve iz odeljka o pravougaonom talasu iznad važi za bilo koje pojačalo. Tranzistorsko pojačalo od 100 W, gurnuto u tvrdo klipovanje, takođe ide ka 200 W. Razlika je što to niko ne radi, jer većina tranzistorskih izlaznih stepena zaklipovana zvuči zaista loše — njihovi dizajneri su se stvarno potrudili da ostanu čisti sve do šine, pa da tu stanu.

Lampaška pojačala su gurnuta preko te linije još davno, uglavnom slučajno, i ispostavilo se da nam se to svidelo. Onda su dizajneri počeli namerno da grade za to. Tako poredimo lampaško pojačalo koje radi nekoliko dB unutar zone klipovanja sa tranzistorskim koje radi ispod nje, razliku nazovemo "lampaškom glasnošću", i posegnemo za mitološkim objašnjenjem za nešto što je čista RMS aritmetika plus sedamdeset godina navike.

Ne poredimo pojačala. Poredimo načine upotrebe.

Probaj Odmah

Strana tereta u ovoj priči — deo koji zapravo odlučuje tvoju jačinu — je ono za šta postoji Feedback Lab. Učitaj Marshall-stil preset, prebaci model kabineta sa zatvorenog 4×12 na otvoreni 1×12, i gledaj šta se dešava odzivu na zvučniku. Isto pojačalo. Ni blizu ista jačina.

Ako hoćeš i drugu polovinu jednačine snage — koliko naporno lampe zapravo rade u mirovanju, i koliko ti to jede od napajanja — to je Bias Bench, a cela aritmetika je razložena korak po korak u tekstu o biasovanju fixed-bias push-pull izlaznog stepena.

I na sopstvenom radnom stolu, sa ničim drugim osim multimetra koji čita AC volte: spoji veštački teret poznate otpornosti, dovedi pojačalu sinus od 1 kHz, i pročitaj napon preko tereta. Kvadriraj ga, podeli sa otpornošću, i imaš pravu snagu svog pojačala. Onda ga pojačaj dok se talas ne izravna, i pročitaj ponovo. Taj drugi broj je onaj na kom stvarno sviraš.

Pažnja: Nikad ne pali lampaško pojačalo bez tereta. Radi ovo u pravi veštački teret, dimenzionisan dobro iznad izlaza pojačala — ne u šaku otpornika iz fioke — i zapamti da teret od 100 W tih 100 W pretvara u toplotu.

Izvori

• Fender Musical Instruments, Blues Junior combined service diagram, crtež 0057275000 Rev D. Test specifikacija izlaza od 15 W / 10,95 V_rms / 5% THD, navedena iznad, odštampana je na samoj šemi.
• Sopstveno merenje autora: Marshall Superlead iz 1976. u otporni veštački teret, pojačan do daske, otprilike 170 W.
• Brojke za osetljivost zvučnika su proizvođački objavljeni dB/W/m opsezi za uobičajene 12-inčne gitarske drajvere. Proveri konkretan model umesto da veruješ opsegu — razlike unutar jednog brenda su šire nego što bi očekivao.
• Podatak da "10 dB zvuči dvostruko glasnije" je psihoakustičko pravilo palca iz istraživanja jednake glasnosti, ne precizna konstanta. Pomera se sa nivoom i sa spektrom. Tretiraj ga kao red veličine, ne kao broj za računanje.

Jednu stvar sam ovde namerno ostavio po strani — arhitekturu pojačala, izlazne transformatore i usklađivanje impedanse, i šta zapravo znači oznaka "minimalnog opterećenja" na tranzistorskom pojačalu. To je ceo tekst za sebe, i dobiće ga.

Dotad: izmeri, nemoj da nagađaš. Srećno čagovanje.