La Potenza AES (e i woofer PRO)

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La Potenza AES (e i woofer PRO)

#1 Messaggio da MarioBon » 08/06/2020, 13:26

(Rivisto e corretto il 12 luglio 2020, ultima correzione 13 luglio)
Nei data sheet degli altoparlanti, in particolare dei woofer professionali, viene indicata la Potenza AES.
questa potenza è così calcolata (secondo la nota AES 2 - 1984 Rev.2003):

- l'altoparlante è privo di carico (nemmeno lo schermo IEC)
- il segnale è rumore rosa con fattore di cresta pari a due
- la banda passante del segnale è limitata alla banda di utilizzo (per es. una decade per i woofer)
- la potenza è calcolata rispetto al minimo del modulo dell'impedenza nella banda di utilizzo
- il segnale resta applicato per due ore.
- il valore della potenza AES è quello che non produce alterazioni permanenti superiori al 10% dei parametri dell'altoparlante.
Lo stimolo utilizzato è rumore rosa pesato come nella figura che segue con bassi e alti attenuati.Immagine
Dopo due ore di funzionamento in aria libera l'altoparlante ha raggiunto l'equilibrio termico e si presume che continuera a comportarsi allo stesso modo anche nelle ore successive. In particolare non dovrebbe riscaldarsi ulteriormente.

Per valutare il dato dichiarato di potenza AES si deve conoscere l'impedenza sulla quale è stata calcolata.
Per esempio per questo woofer (Faital)
Immagine
è specificato tutto correttamente come si evince dalle note.
Per ottenere 600 Watt con fattore di cresta 2 su un carico di 6 Ohm serve un amplificatore da 1200 Watt su 8 Ohm e infatti la potenza massima è doppia della potenza AES come specificato nella nota (4)
La potenza AES serve anche per calcolare la massima corrente che l'altoparlante può digerire che, in questo esempio, vale
sqr(600/6)=sqr(100)=10 Amper RMS (con rumore rosa con FC=2).
Dato che i programmi musicali presentano un FC minimo pari a 3 e che per una sinusoide FC=1.414, la scelta di eseguire la misura con FC=2 appare adeguata per tutte le situazioni pratiche tranne quando si utilizzano segnali artificiali quali sinusoidi, onde quadre e sweep che hanno FC inferiore a 2.
La potenza AES è quindi la potenza che può digerire l'altoparlante nel lungo periodo senza subire danni permanenti.
Un minimo di attenziona va prestato nel caso che l'altoparlante sia montato in cassa chiusa (dove lo scambio termico con l'ambiente è limitato) e nei sistemi reflex progettati male.

Riguardo al fattore di cresta pari a 2 sorge un dubbio (esplicitato da Farina): la IEC misura il fattore di cresta con un indicatore di "quasi picco" per cui al valore misurato (2) corrisponde, in realtà, un fattore di cresta maggiore il che significherebbe che la potenza AES applicata è minore di quella dichiarata.
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Re: La Potenza AES

#2 Messaggio da MarioBon » 08/06/2020, 13:31

In questo secondo esempio la potenza AES è dichiarata ma manca l'indicazione della minima impedenza. Si noti che RE, in questo caso, è "solo" 4.7 Ohm che è minore dei 6.2 Ohm previsti per un woofer da 8 Ohm nominali. Il grafico della curva di impedenza (presente nel data sheet ma non riportato qui) non ha una risoluzione sufficiente per dedurre il modulo minimo. Non resta che calcolare la massima corrente ipotizzando un minimo tra 5 e 5.5 Ohm.

Immagine

Anche Sica dichiara la Potenza AES ma non dichiara su che impedenza è calcolata.
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Re: La Potenza AES

#3 Messaggio da MarioBon » 08/06/2020, 13:36

Questo è un woofer B&C dove tutto è dichiarato conformemente alle norme. Si noti il minimo modulo di impedenza di 6.2 Ohm contro una RE=5.1 Ohm.
Immagine

Anche RCF dichiara correttamente la Potenza AES e il minimo modulo dell'impedenza.
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Re: La Potenza AES

#4 Messaggio da MarioBon » 08/06/2020, 13:50

Per concludere:
La potenza AES è un dato utile perchè indica la potenza da non superare per non danneggiare l'altoparlante. Se è dichiarato il minimo modulo dell'impedenza consente di calcolare la massima corrente assorbita. Questo esaurisce il problema dal punto di vista termico. Poi ci sono altri due limiti:
- Lo spostamento Xmax (lineare)
- la compressione termica.

Lo spostamento massimo consente di calcolare il massimo SPL ottenibile ad una certa frequenza (di solito si condidera l'estremo basso) mentre la compressione termica indica di quanto aumenta la resistenza della bobina mobile RE con la temperatura e quindi consente di calcolare il numero di altoparlanti necessario per ottenere un certo SPL.

Alla fine l'indicazione è di non fermarsi ai dati di targa ma di controllare che siano presenti tutti i dati necessari e di leggere bene le note scritte in piccolo.
Leggere dei dati senza sapere come sono stati ottenuti può indurre in errore.
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Re: La Potenza AES

#5 Messaggio da MarioBon » 08/06/2020, 14:02

La potenza AES indica il limite da non superare per non incorrere in alterazioni non reversibili dei parametri dell'altoparlante.

I parametri essenziali di un altoparlante sono:
RE resistenza della bobina mobile (si scalda ma poi si raffredda => reversibile)
MMS e MMD massa e massa dinamica: non cambiano
F0 frequenza di risponanza in aria => cambia => non reversibile (attraverso VAS)
BL fattore di forza => B può cambiare (smagnetizazione) => non reversibile (riduce efficienza)
Q fattori di merito: dipendono dalla massa, F0, RE e dalle perdire => cambiano in modo reversibile/rreversibile

Una variazione di VAS del 20% porta alla variazione di F0 del 10% (circa). Tali variazioni comportano alterazioni trascurabili sull'allineamento reflex (compliance shift) quindi rispettando il limite dalla Potenza AES non si corrono rischi nemmeno in questo senso.

Nota: il fatto che il diaframma del woofer non si sposti (come avviene nei reflex alla frequenza di risonanza) non significa che la bobina mobile non si scaldi.
Quindi il reflex risolve i problemi legati a Xmax ma non quelli termici (se non in parte minima e trascurabile).
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Re: La Potenza AES

#6 Messaggio da MarioBon » 13/06/2020, 13:50

Sempre nei data sheet della Eighteensound viene (non sempre) riportata la compressiene termica espressa in dB.
Nelle note esplicative c'è scritto che tale compressione viene misurata dopo che la potenza specificata è stata applicata per "alcuni minuti" (di solito la compressione viene misurata alla potenza AES a metà ed a un decino di tale valore).
Questi "alcuni minuti" sono sufficienti per raggiungere l'equilibrio termico? se si allora quella specificata è effettivamente la compessione che si osserva nel lungo periodo. Se l'equilibrio termico non viene raggiunto la compressione termica continuerà ad aumentare nel tempo (fino al raggiungimento dell'equilibrio termico o alla rottura). All'equilibrio termico la potenza trasformata in calore viene dissipata e la temperatura non cambia.
Come vedremo oltre la temperatura continua a crescer fino a 270°.
Supponiamo di regolare il volume per ottenere diciamo 100 dB a un metro. Dopo 2 ore il sistema raggiunge l'equilibrio termico e la temperatura rimane costante. La compressione termica , supponiamo, raggiunge i 3 dB. Questo significa che il sistema sta producendo 97 dB e non 100 (3 dB in meno). A questo punto per ottenere l'SPL di partenza (100dB) la potenza di pilotaggio deve essere raddoppiata ma questo provoca un ulteriore riscaldamento dell'altoparlante ed un aumento della compressione. Si entra così in un "percorso chiuso" dove più aumenta la potenza, più l'altoparlante si scalda e più si deve aumentare la potenza per mantenere l'SPL richiesto. Una specie di fuga termica. Ad un certo punto l'altoparlante fonde (le colle diventano plastiche e la bobina si stacca dal cono o la smaltatura del filo cede e la bobina va in corto). L'altoparlante si rompe. L cosa succede tanto è vero che alcuni costruttori rendono disponibili i kit per sostituire la bobina mobile.
L'unico modo per evitare la rottura è aumentare il numero degli altoparlanti dividendo così la potenza su più dispositivi riducendo la temperatura e la compressione termica di ciascuno.
Quando la compressione termica raggiunge 3 dB il rendimento dell'altoparlante si dimezza (e la compressione raggiunge anche 6 dB...).
A questo punto si può ragionare se conviene utilizzare un altoparlante molto efficiente ma affetto da compressione o uno meno efficiente che smaltisce meglio il calore. Si può anche ragionare se conviene utilizzare un woofer da 15" o due da 12" (o uno da 21" piuttosto che due da 15").
Infatti un woofer da 15" ha una bobina da 100 mm ma due woofer da 12" hanno due bobine da 100 mm quindi la superficie a disposizione per smaltire il calore è doppia. LA cosa funziona se i due woofer (da 15" e da 12" hanno la stessa altezza del traferro.
Sostituire un woofer da 15" (con bobna da 100mm) con due da 12" con bobona da 50 mm termicamente è inutile.
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Re: La Potenza AES

#7 Messaggio da MarioBon » 09/07/2020, 15:01

la EighteenSound specifica la compressione "dopo alcuni minuti". Cerchiamo di capire cosa significa.
Quando nella bobina mobile dell'altoparlante circola la corrente I questa acquista calore e si scalda per effetto Joule. Vale questa relazione:

Qresiduo = Qimmesso- Qdissipato.

Q qui sta per calore. Qimmesso vale (Potenza_elettrica per tempo) ed è il calore che avrebbe la bobina mobile se tutta la potenza elettrica fosse convertita in calore. Qdissipato è il calore che viene dissipato per irraggiamento verso le piastre polari che riscalda il circuito magnetico e viene quindi disperso in aria.
All'equilibrio termico Qimmesso = Qdissipato e il Qresiduo è nullo. Se la potenza è troppa l'altoparlante non riesce a smaltire il calore e continua a scaldarsi. Qresiduo è il calore che provoca il continuo innalzamento della temperatura. Ad un certo punto le colle si liquefano o la smaltatura del rame cede e l'altoparlante si rompe.
Per un woofer professionale con supporto della bobina in fiberglass la massima temperatura deve rimanere sotto i 300° (limite delle colle epossidiche e della smaltatura mentre il fiberglass regge anche 350°).
Nella figura che segue (JBL) sono messi a confronto diversi woofer professionali alimentati con 300 Watt. Questa potenza è sufficientemente bassa da poter essere dissipata e i woofer raggiungono l'equilibrio termico.
Immagine
C'è da dire che il woofer TAD è spacificato per 150 Watt mentre nel test viene pilotato con 300 Watt quindi si scalda più del consentitoe comprime per 7 dB (che è oggettivamente troppo). Alla JBL non amano molto la TAD.
Dato che la potenza è determinata dall'impedenza e che ogni woofer ha impedenza diversa il fatto che siano tutti alimentati con 300 Watt va preso con le pinza: diciamo che sono alimentati con circa 300 Watt.
Utilizzando la relazione compressione=20log(1+alfa(Tb-Ta)) con alfa=0.4, Tb temperatura della bobina e Ta temperaura ambiente si ottengono i valori di temperatura che esguono.
compressione 7.2 dB => 350°
compressione 4.6 dB => 200°
compressione 3.5 dB => 150°
compressione 2.0 dB => 90°
Alfa vale circa 0.4% (0.004) tra 18 e 300°.
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Re: La Potenza AES

#8 Messaggio da MarioBon » 09/07/2020, 15:12

Il wooder JBL 2206 H dopo circa mezzo minuto di funzionamento (con 300 Watt applicati a norma IEC) raggiunge l'equilibrio termico che corrisponde ad una compressione di 2 dB (siamo attromo a 100°)
il woofer DL15X mostra una compressione di 3 dB quindi, dopo meno di un minuto la sua efficienza si e ridotta alla metà.
Del woofer TAD si è già detto che non sopporta i 300 Watt applicati.
Questo grafico comparativo ci racconta molte cose:
- il riscaldamento è molto veloce (meno di un minuto)
- l'equilibrio termico viene raggiunto
- ogni woofer, a seconda di come è fatto, raggiunge temperature diverse
- la compressione può superare i 6 dB (ma è da evitare)
Questo significa che il rendimento può essere ridotto a meno di un quarto. Invece è abbastanza normale perdere la metà del rendimento (con 3 dB di compressione).
Si capisce quindi perchè i costruttori di altoparlanti cerchino di migliorare non la tenuta in potenza ma la massima temperatura di esercizione degli altoparlanti (ovvero la capacità di dissipare calore).
Tra un woofer con l'8% di rendimento che comprime 6 dB e un woofer con il 2% di rendimento ma che non comprime, in termini di SPL non c'è differenza.
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Re: La Potenza AES

#9 Messaggio da MarioBon » 09/07/2020, 15:24

Passiamo a questo grafico che proviene da un articolo della Eighteensound e riguarda un woofer da 15" con bobina da 100 mm (rosso) ed un woofer uguale al precedente ma dotato di bobina ISV (avvolta sia all'interno che all'esterno del supporto).
Immagine
Il supporto in fiberglass è un pessimo conduttore di calore quindi l'avvolgimento "normale" può irradiare solo verso il piatto polare(all'esterno). La bobina ISV invece irradia sia verso il piatto polare che verso il polo centrale. In sostanza la bobina ISV presenta una superficie di irradiazione più ampia che si traduce in un riscaldamento più basso di 20°.
La prima figura mostra il riscaldamento nei primi 5 minuti. Anche qui si vede che la temperatura cresce molto velocemente in meno di un minuto. La compressione del woofer con bobina ISV tende a 3 dB circa.Il woofer "normale" tende a 3.75 dB
La corrispondente temperatura vale 230° che dovrebbe corrispondera a 5.2 dB di compressione ma qui bisogna anche capire come è stata valutata questa compressione e sopratutto tenere conto del fatto che il coefficiente termico diminuisce con l'aumentare della temperatura. Tenendo con della dipendenza del coefficiente termico dalla temperatura si trova un valore vicino a 3.2 dB (che è molto meno sbagliato dei 5.2dB calcolati con l'espressione approssmata).
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Re: La Potenza AES

#10 Messaggio da MarioBon » 09/07/2020, 15:37

Nella figura che segue sono riportate sovrapposte due risposte in frequenza prese allo stesso woofer nelle stesse condizioni ma pilotato a 1 Watt e 100 Watt. La curva a 1 Watt (la più alta) è stata traslata verso l'alto di 20 dB e, se non esistesse compressione termica, sarebbe perfettamente sovrapposta a quella presa a 100 Watt.
Immagine
Quello che si vede è che la compressione è quasi nulla tra 50 e 80 Hz mentre varia nel resto della banda passante (in modo neanche tanto regolare).
La compressione appare più evidente attorno al minimo di impedenza e meno accentualta nella parte alta.
Questo è dovuto all'induttanza della bobina mobile che, essendo un elemento reattivo, non accumula calore (non assorbe potenza attiva).
Quello che si deve notare è che questo woofer presenta delle rotture (break-up) evidenti nell'intorno delle quali la compressione è meno regolare.
Nella regione tra 50 e 80 Hz la risposta è determinata dal Qt dell'altoparlante che, attraverso il Qelettrico, dipende da RE (resistenza della bobina mobile). Al crescere di RE con la temperatura Qe aumenta e Qt aumenta e quindi anche il livello delle basse frequenze aumenta. Affinchè ciò avvenga il Qmeccanico deve essere molto alto.
Quindi questo woofer ha un Qm molto alto e non smaltisce tanto bene il calore (supporto bobina di piccolo diametro, treferro basso). In più ha anche una componente induttiva non indiferente.
L'andamento con la frequenza della compressione termica dovrebbe essere confrontata con la parte reale dell'impedenza.
Da questo esempio di capisce che non è facile definire la compressione termica con un unico dato e questo spiega (almeno in parte) perchè non tornano certi calcoli.
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