Kako Meriti Izlaznu Snagu Gitarskog Pojačala?

E, ovo je tema kojom se bavim skoro svakodnevno. Pošto većina nas nije tehnički potkovana, a ipak je jedan deo populacije zaboravio nešto osnovne fizike, primećujem da velika većina ljudi bira da se drži (dez)informacija koje kruže decenijama.

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

Zašto su lampaška pojačala glasnija od tranzistorskih? Ili jesu li?

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 radna tačka, i nije ona na kojoj si ikad svirao/la.
• Pojačano do klipovanja, isto pojačalo isporučuje znatno više. Talasni oblik se pretvara u pravougaoni talas, a RMS vrednost pravougaonog talasa jednaka je njegovoj vršnoj vrednosti — pa se snaga otprilike udvostruči. Izmerio sam 170 W na svom Superleadu iz 1976.
• Udvostručenje snage kupuje ti 3 dB. To je mala promena. Da bi nešto zvučalo dvostruko glasnije trebaju ti otprilike 10 dB, što je deset puta veća snaga.
• Što znači da vati skoro nikad nisu razlog zašto 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 tiho složili da je klipovanje normalno.

Šta Svi Pogrešno Shvataju

Greška nije neverovanje broju. Broj je u redu. Greška je verovanje da broj opisuje pojačalo, kad zapravo opisuje jedan test uslov koji skoro nema veze sa sviranjem gitare.

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

Neko je pojačalu doveo sinusni signal od 1 kHz. Povezali su otpornik od 8 Ω umesto zvučnika. Pojačavali su dok izlaz tek nije počeo da distorzira — 0,01% onoga što je izašlo bio je harmonijski sadržaj koji nije ušao — i tu su stali. Tačno u tom trenutku, snaga isporučena otporniku bila je 100 W.

Svaki deo toga je laboratorijski uslov:

• 1 kHz je jedna frekvencija. Pojačalo će raditi nešto drugačije na 100 Hz i opet nešto drugačije na 5 kHz.
• Otpornik nije zvučnik. Impedansa zvučnika se kreće od možda 6 Ω do preko 40 Ω kroz audio opseg, i ono što pojačalo isporučuje menja se sa njom.
• 0,01% THD je čistije nego što se od gitarskog pojačala ikad tražilo. U terminima gitariste, ovo je 100 W čistih srednjih frekvencija.

Dakle, brojka industrije je relativna figura. Zaista je korisna za poređenje dva pojačala sličnog tipa jedno naspram drugog, a skoro beskorisna za predviđanje šta bilo koje od njih radi 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 svodi na napon puta struja:

$$P = V \cdot I$$

Ako znamo napon preko zvučnika i struju kroz njega, pomnožimo ih i imamo snagu. Dovoljno lako? Ne baš — jer je ta formula napisana za DC, stalan napon koji se ne menja. Naš signal se stalno menja. Zato nam treba još jedna ideja.

Zašto je testni signal sinusni talas

Pročitaćeš da se sinusni talas koristi za testiranje jer je "najbliži stvarnom signalu". Nije. Odsvirana žica je bogat harmonijski niz sa perkusivnim napadom i opadajućom envelopom; sinusni talas nije ništa od toga.

Pravi razlog je mnogo bolji od toga. Sinusni talas je jedini signal koji savršeno linearno pojačalo propušta bez promene oblika. Dovedi sinus, i sve što izađe na drugoj frekvenciji proizvelo je pojačalo. To čini distorziju trivijalno merljivom — pogledaš izlazni spektar, i sve što nije osnovna frekvencija je greška pojačala. Nijedan drugi testni signal ti ovo ne daje besplatno. Takođe je matematički jednostavan, što je bilo mnogo bitnije kad je ova konvencija uspostavljena nego što je danas.

RMS, i zašto je niži od vrha

Sinusni talas provede najveći deo vremena daleko od svog vrha. DC napon koji sedi na istoj vrednosti kao taj vrh isporučio bi mnogo više energije, jer nikad ne popušta.

Zato, da bismo koristili našu DC formulu za snagu sa AC signalom, treba nam AC vrednost koja radi isti posao kao data DC vrednost. To je RMS — koren srednje kvadratne vrednosti. Za sinusni talas:

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

Ovo vredi usvojiti, jer o tome zavisi ceo trik na kraju ovog teksta: RMS nije fiksan razlomak vrha. Zavisi od oblika talasa. Za sinus je to 0,707 vrha. Za druge oblike je nešto sasvim drugo.

I usput — kad navodimo AC vrednosti, skoro uvek navodimo RMS. 230 V u tvojoj zidnoj utičnici je RMS figura. Stavi osciloskop na to i talasni oblik zapravo se zaljulja do oko ±325 V. U Americi, 120 V RMS ide do vrha od oko ±170 V.

Pravilo palca: Osim ako neko eksplicitno kaže "vrh", AC napon je RMS. Ocene snage pojačala su zasnovane na RMS. Isto i tvoje mrežno napajanje.

Još jedan deo: THD

Ukupna harmonijska distorzija. Strogo, to je odnos RMS vrednosti svih harmonika koje je pojačalo dodalo prema RMS vrednosti osnovne frekvencije koja mu je data, izražen u procentima. Matematika za izvlačenje toga je zaista zahtevna i ovde nam ne treba.

Ono što je bitno je posao koji radi u deklaraciji: to je uslov zaustavljanja. Brojka snage je besmislena bez nje, jer možeš dobiti skoro bilo koji broj snage koji poželiš iz pojačala ako nikad ne kažeš koliko si distorzije prihvatio/la usput. Hi-fi pojačalo se meri na 0,01%. Gitarska pojačala se ponekad ocenjuju na 5% THD, što je znatno glasnija — i prljavija — radna tačka. Fender ocenjuje Blues Junior na 15 W minimalno u 8 Ω na 5% THD, i to je odštampano tačno tu na fabričkom servisnom dijagramu.

Sprovođenje Brojki

Kako zaista izgleda 100 W u 8 Ω

Znamo da je $P = V \cdot I$, a Omov zakon kaže $V = I \cdot R$. Kombinuj ih i možeš raditi 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:

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

Dakle, pojačalo od 100 W u 8 Ω proizvodi otprilike 28,3 V RMS i isporučuje otprilike 3,5 A. To je merenje industrije, i to ti govori nalepnica na zadnjoj strani.

Zadrži tih 28,3 V. To je RMS figura, za sinusni talas.

Šta se dešava kad ga pojačaš

Uzmimo Marshall Plexi-stil pojačalo, moj omiljeni primer. Četiri EL34, ocenjeno na 100 W, i nekako toliko snažnije zvuči od dosta drugih pojačala od 100 W — pogotovo njihovih tranzistorskih parnjaka.

Deo odgovora je arhitektura. Stariji dizajni kao Plexi nemaju kontrolu jačine na kraju predpojačala; to je stiglo kasnije, sa 2204/2203 master volume sklopovima. Volume potenciometar na Plexiju se ponaša više kao gain kontrola, a sve nizvodno od njega je potpuno otvoreno. Svako ko je svirao dobar Superlead zna da je pojačalo već izuzetno glasno na 2 na skali.

Rani Marshalli su pojačala od 100 W, i isporučuju 100 W "čistog" — sa volume potenciometrom na oko 2.

Idi preko 2 i jačina nastavlja da raste, zajedno sa našim uzbuđenjem i besom naših komšija. Ali nešto konkretno se dešava talasnom obliku. Počinje da se kompresuje, pa da klipuje, i kako klipuje, približava se pravougaonom talasu.

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

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

Pravougaoni talas nikad ne napušta svoj vrh. Sedi na $+V_{\text{Vrh}}$ pola ciklusa i na $-V_{\text{Vrh}}$ drugu polovinu. Njegova RMS vrednost je zato jednaka njegovoj vršnoj vrednosti:

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

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

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

Klipuj taj sinus u pravougaoni talas i RMS raste sa 28,3 V do punih 40 V, bez ikakve promene vršne amplitude. Sad ponovo izračunaj snagu:

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

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

Na radnom stolu: 170 W u veštački teret sa mog Marshall Superleada iz 1976, pojačanog. Ne teoretskih 200 W — napajanje sagne pod tolikim opterećenjem, a pravi gitarski signal nikad ne postane savršen pravougaoni talas. Ali udobno više od 100 W na nalepnici.

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

Šta Ovo Znači Na Radnom Stolu

Problem od 3 dB

Dobro. Znači pojačan Plexi pravi 170 W umesto 100 W. Sigurno je to razlog zašto je toliko glasan?

Jedva. Evo aritmetike koja svima kvari 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. To je mala promena — primetna jedno pored drugog, ništa nalik razlici koju ljudi opisuju. A puno teoretsko udvostručenje na 200 W donosi ti samo 3 dB.

Gore od toga: opažena jačina takođe ne prati decibele jedan-na-jedan. Grubo psihoakustičko pravilo je da je potrebno 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 bilo dvostruko glasnije, treba ti pojačalo od 1000 W.

Pravilo palca: Udvostručenje vata kupuje ti 3 dB. Deset puta više vata kupuje ti "dvostruko glasnije". Snaga pojačala je užasna 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. Navodi se u dB na 1 W mereno na 1 m, i gitarski zvučnici dosta variraju — otprilike 96 do 100 dB kod uobičajenih 12-inčnih modela. Taj razmak od 4 dB ne zvuči kao mnogo dok ga ne pretvoriš nazad u vate: 4 dB je faktor 2,5. Prelazak na zvučnik osetljiviji za 4 dB vredi više nego prelazak na pojačalo sa dva i po puta većom snagom, a košta deo te cene.

Veličina kabineta je ona druga. Četiri dvanaestice zrače daleko efikasnije od jedne, i zbog same površine i zbog toga 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 terminima snage, isto kao učetvorostručenje tvog pojačala.

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 naprema jedan, a vati u tome skoro da nisu doprineli ničim.

Mit o lampi naspram tranzistora, rešen

Što nas dovodi do poslednjeg.

Mit: Lampaška pojačala su glasnija od tranzistorskih pojačala iste ocene.

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

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

Lampaška pojačala su gurnuta preko te linije veoma rano, 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 u svojoj zoni klipovanja sa tranzistorskim pojačalom koje radi ispod nje, nazivamo razliku "lampaškom glasnošću", i posežemo za mitološkim objašnjenjem za nešto što je RMS aritmetika plus sedamdeset godina navike.

Ne poredimo pojačala. Poredimo slučajeve upotrebe.

Probaj Sam/Sama

Strana tereta ove priče — deo koji zapravo odlučuje tvoju jačinu — je ono za šta je Feedback Lab napravljen. Učitaj Marshall-stil preset, prebaci model kabineta između zatvorenog 4×12 i otvorenog 1×12, i posmatraj šta se dešava odzivu na zvučniku. Isto pojačalo. Nigde blizu ista jačina.

Ako želiš drugu polovinu jednačine snage — koliko naporno lampe zapravo rade pri mirovanju, i koliko tvog napajanja to jede — to je Bias Bench, a aritmetika je razložena korak po korak u mom tekstu o biasovanju push-pull izlaznog stepena sa fiksnim bias-om.

I na sopstvenom radnom stolu, sa ničim drugim osim multimetra koji čita AC volte: poveži 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 ponovo pročitaj. Drugi broj je onaj na kom sviraš.

Pažljivo: Nikad ne radi lampaško pojačalo bez tereta. Ovo radi u pravi veštački teret ocenjen dobro iznad izlaza pojačala — ne šaku otpornika iz fioke — i zapamti da teret od 100 W pretvara 100 W u toplotu.

Izvori

• Fender Musical Instruments, Blues Junior kombinovani servisni dijagram, 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, otprilike 170 W.
• Vrednosti osetljivosti zvučnika su opsezi dB/W/m koje objavljuju proizvođači za uobičajene 12-inčne gitarske drajvere. Proveri konkretan model umesto da veruješ opsegu — razmak unutar jednog brenda je širi nego što bi očekivao/la.
• Figura "10 dB zvuči dvostruko glasnije" je psihoakustičko pravilo palca iz istraživanja jednake glasnosti, ne precizna konstanta. Pomera se sa nivoom i sa spektrom. Tretiraj je kao red veličine, ne kao broj za računanje.

Jedna stvar koju sam namerno ostavio po strani ovde je arhitektura pojačala — izlazni transformatori i usklađivanje impedanse, i šta zapravo znači ocena "minimalnog tereta" tranzistorskog pojačala. To je čitav tekst za sebe, i dobiće ga.

Dotad: izmeri, ne pogađaj. Srećno "čagovanje".