על וואטים, דציבלים, מגברי הספק ומה שביניהם....
דיונים רבים מתקיימים בין שוחרי ציוד השמע ברמה הגבוהה (High End / Audiophiles / Audiofreeks) מהו ההספק הנדרש ממגבר הספק המחובר לזוג רמקולים בעלי נצילות כזו או אחרת.
אנסה להביא מספר עובדות פיזיקאליות שיכולות לתת נקודת מוצא אשר ממנה יכול כל אחד לבחור את העדפותיו האישיות.
השמיעה האנושית אינה דבר פשוט. מחקרים רבים נערכו ע"י חוקרים שונים הן בתחום האקוסטי-פיזיקאלי והן בתחום הפסיכו-אקוסטי לנסות וללמוד את הנושא.
כאמור, מעורבים כאן שני גורמים שלא בהכרח משלימים זה את זה ובין חובבי מערכות השמע, אפילו סותרים זה את זה (ולנקודה זו נחזור בהמשך).
אני אתייחס לנושא בהיבט האקוסטי שמקיף הן את העובדות הפיזיקאליות הניתנות למדידה רפטטיבית ולחיזוי עפ"י כללים מתמטיים מקובלים והן את תוצאות המחקרים שנערכו תוך שיתוף קבוצות מבחן מייצגות וסיכום התוצאות בצורה סטטיסטית.
מחקרים שנערכו ע"י חוקרים שונים במקומות שונים ובזמנים שונים על קבוצות מבחן, תוך הקפדה על כללי בדיקה המקובלים ע"י הקהילייה המדעית העלו כי סף השמיעה של האדם עומד על הספק השווה ל- 1x10-12W/m2 כאשר הושמע לנבחנים צליל בתדירות של 1kHz .
כאמור, מדובר בתוצאה סטטיסטית וככזו, ישנם השומעים הספקים נמוכים מסף זה ואחרים שדרוש להם הספק גבוה יותר ע"מ שיתחילו לשמוע. העוצמה הדרושה ע"מ שהאדם יתחיל לשמוע נקראת "סף השמע".
לאחר שההספק הוגבר, התלוננו רוב האנשים על תחושת כאב בעוצמה השווה ל- 1W/m2 .
עוצמה זו מכונה בשם "סף הכאב".
חישוב מתמטי פשוט מעלה כי יחס ההספקים בין סף הכאב לסף השמע עומד על 1012, כלומר, הספק סף הכאב גבוה פי מיליון מיליונים מסף השמע.
מאחר והתנהגות האוזן היא לוגריתמית, נוח לנו להשתמש בסולם מדידה לוגריתמי שבו 12 מדרגות, האחת גדולה פי עשר מהקודמת לה וכל מדרגה היא, בעצם, לוג לפי בסיס עשר של היחס בין ההספק הנמדד באותה מדרגה לבין ההספק של סף השמע.
מזה יוצא כי ההספק של סף הכאב יושב על המדרגה השתים-עשרה בסולם.
המדרגות בסולם זכו לכינוי "בלים" (Bell) על שמו של ממציא הטלפון: אלכסנדר גראהם בל.
מאחר והמרווח בין מדרגה למדרגה גדול מאד ואינו מאפשר רזולוציית מדידה טובה, הוחלט לחלק כל מדרגה לעשר תת-חלוקות כאשר כל תת-חלוקה נקראת "עשירית בל" או Deci-Bell ובקיצור: dB. בסולם המדידה קיבלנו, אפוא, מאה ועשרים שנתות או 120dB.
המשמעות של סולם המדידה היא כי באמצעותו ניתן למדוד עוצמות שמע שונות ולבטאן ב- dB כאשר מספר ה- dB מציין את היחס שבין ההספק הנמדד להספק סף השמע.
ובקיצור, dBspl.
(לשם המחשה: עוצמת שמע של 90dBspl פירושה הספק אקוסטי הגדול פי 109 מהספק סף השמע או, 1mW/m2)
ציינתי קודם את ההספק האקוסטי של סף השמע הזכרתי את העובדה כי המדידה נערכה בתדר של 1kHz.
מתוך הניסויים השונים שנערכו נמצא כי סף השמע משתנה בכל תדר ותדר. ככל שיורדים בתדר הנבדק יש צורך להעלות את ההספק האקוסטי ע"מ שניתן יהיה לשמעו. העלאת התדר הנמדד מורה כי בתדירויות שבין 1kHz לבין 4kHz ההספק הנדרש לסף השמיעה יורד מההספק הנדרש ב-1kHz. כאשר ממשיכים להעלות את התדר, שוב יש צורך להגביר את ההספק ע"מ שניתן יהיה לשמעו.
חוקרים שונים סיכמו את תוצאות המדידה והמפורסמים שבהם הם פלטשר ומונסון שסיכמו את התוצאות בגראפים הנקראים על שמם: עקומות פלטשר מונסון.
עקומות אלו מראות את הקשר שבין העוצמה האקוסטית האובייקטיבית (נמדדת ב- dBspl) לבין העוצמה הסובייקטיבית הגורמת לתחושת העוצמה באוזן האנושית.
הקווים, בעקומות פלטשר מונסון המציינים את עוצמת השמיעה הסובייקטיבית נקראים איזופונים.
מתוך העקומות ניתן ללמוד כי בעוצמות שמע נמוכות, ישנו הבדל ניכר בין העוצמה האובייקטיבית לבין העצמה הסובייקטיבית הנשמעת בתדירויות הנמוכות והגבוהות.
במילים אחרות, ע"מ לשמוע צליל בתדר של 100Hz בעוצמה זהה לצליל בתדר 1kHz ובעל עוצמה של 30dBspl יש להגביר את העוצמה ל- 45dBspl!
וכדי לשמוע באותה עוצמה צליל של 50Hz יש צורך להגבירו ל- 60dBspl!!!! (פי אלף!!!!)
למזלנו, בעוצמות בינוניות גבוהות, אנו שומעים את התדרים השונים בעוצמות, פחות או יותר, זהות. זאת הסיבה שטכנאי ההקלטות באולפן, יבצע את המיקס בעוצמות סביב ה-80dBspl שזוהי, אגב, העוצמה הממוצעת שתזמורת סימפונית מנגנת.
מאחר ומדובר בתכונה אנושית, מערכות השמע צריכות להיות מסוגלות "לפצות" על אי יכולתנו לשמוע את כל הצלילים בכל העוצמות בצורה זהה ולצורך כך, קיים מעגל מיוחד המדמה בהיפוך את "מגבלתה" של האוזן האנושית ומגביר את הצלילים בעלי התדירויות הנמוכות והגבוהות כאשר הם בעוצמה נמוכה. מעגל זה נקרא "Loudness" .
השפעת מעגל ה-Loudness צריכה להיות תלויה בעוצמה המופקת מהמגבר אולם מאחר ואין אפשרות לדעת מהי העוצמה שבפועל נשמעת למאזין, לעולם תיקון ה-Loudness לא יהיה מדויק לחלוטין. וכאן המקום להפריך טעות נפוצה – אין דבר כזה מגבר שיש לו יכולת פירוט תדרים נמוכים (ו/או גבוהים) בעוצמות נמוכות. המגבר מעביר את כל המידע בצורה ניטראלית (אלא אם היצרנים "בילפו" והוסיפו מעגל loudness סמוי).
בחינת המגבר ביכולתו לפרט את הצליל בעוצמות נמוכות – אין לה כל סימוכין ולהיפך רק מראה עד כמה המגבר אינו ניטראלי!
הבה נבחן מהו ההספק החשמלי הנדרש ממגבר ההספק.
ראשית צריכים לדעת ולהבין כמה מושגי ייסוד.
תחום דינאמי של מגבר – המרחב ב-dB בין הרעש העצמי של המגבר לבין העוצמה המכסימאלית שהוא מסוגל להוציא מבלי להיכנס לעיוותים משמעותיים.
תחום דינאמי של המוזיקה - המרחב ב-dB שבין העוצמה החלשה של המוזיקה המושמעת לבין העוצמה המכסימאלית שלה.
נצילות רמקול – ההספק האקוסטי המופק מהרמקול (dBspl) או בוואטים אקוסטיים למטר מרובע, במרחק מטר אחד ממנו, על הציר המרכזי שלו, כאשר האות החשמלי המזין אותו הוא בהספק של 1 וואט (ברמקול בעל עכבה אופיינית של 8 אוהם = 2.83 וולט). בדיקה זו נעשית בחדר חסר הד. נצילות אופיינית: 90dBspl@1W@1m . שלושה ד"ב למעלה פירושה נצילות כפולה ושלושה ד"ב למטה – חצי.
תחום דינאמי מקובל של תזמורת סימפונית יכול להיות בין 80dB לבין 90dB. תחום דינאמי של קונצרט רוק יהיה בדרך כלל בסביבות 40dB ותחום דינאמי של מוזיקת דאנס, האוס וכד' – בסביבות 20dB (ע"מ להיווכח במספרים הנ"ל, אפשר לצפות בשעון ה- VU Meter הנמצא במכשירים שונים ולראות את תחום התנועה של המחוג).
בדרך כלל, תזמורת סימפונית מנגנת בעוצמה ממוצעת של כ- 80dBspl (כזכור, זוהי העוצמה שבה אנו שומעים את כל התדירויות, פחות או יותר, באותה עוצמה).
כאשר התזמורת מנגנת קטעים שקטים במיוחד העוצמה היא בסביבות ה- 40dBspl ובקטעים חזקים במיוחד (המנדרין המשתולל של בארטוק) עוצמת הנגינה יכולה להגיע עד לכדי 120dBspl! (מה שנותן תחום דינאמי של כשמונים ד"ב).
לעומת זאת, מוזיקת פופ, אף אם היא מנוגנת בעוצמות חזקות במיוחד, אין לה תחום דינאמי כה רחב וזאת משום שהעוצמה המכסימאלית לא עוברת את 110dBspl שהיא נחשבת לחזקה מאד אם שומעים אותה לזמן ממושך, בעוד ששם, במוזיקה זו, אין קטעים ממש שקטים.
כאשר מאזינים למוזיקה קלאסית בחדר מגורים ממוצע, אם אנו רוצים לשחזר נכונה את חווית ההאזנה באולם הקונצרטים, אנו נדרשים למערכת בעלת יכולת פעולה בתחום של שמונים ד"ב. פרקטית לא ניתן לקבל בתנאים רגילים תחום כה רחב. קטעים שקטים לא יישמעו עקב רעשי הסביבה ואילו הקטעים החזקים יביאו עלינו את תלונות השכנים. לכן, היום די מקובל בזמן ביצוע ההקלטה, לצמצם את התחום משמונים לכשישים ד"ב. תהליך זה נקרא "קומפרסיה" או, "דחיסה".
נניח כי ברשותנו מצויה הקלטה דחוסה לשישים ד"ב סביב הממוצע של 80dBspl. כלומר, העוצמה החזקה ביותר תהיה 80+30=110dBspl והעוצמה החלשה ביותר תהיה 80-30=50dBspl.
נניח כי ברשותנו רמקול בעל נצילות של 90db/1W ואנו מאזינים בחדר בעל מקדם בליעה אופייני של 50%
ע"מ לקבל עוצמה אקוסטית של 80dBspl יש צורך להכניס לרמקול הספק חשמלי של
POut=1W-10dB=0.1W .
כדי לקבל את מלוא הטווח הדינאמי הרעש העצמי של המגבר צריך להיות קטן מ:
PN(Thermal)=0.1W-30dB-3dB=0.5x10-4W (שזה דבר די מקובל, אפילו במגברים בינוניים ומעלה).
ההספק המכסימאלי הנדרש מהמגבר יהיה: Pmax RMS=0.1W+30dB=100WRMS.
מספרים אלו נותנים אינדיקציה להספקים הנדרשים ממגבר המחובר לרמקול בעל נצילות ממוצעת. כאשר המגבר מחובר לרמקול בעל נצילות כפולה, כמובן שההספק המכסימאלי אותו הוא יידרש לספק יהיה חצי.
אני לא אכנס להיבטים האלקטרוניים הקשורים בתכנון המגברים, אולם אציין את העובדה כי מגבר מספק את ההספק החשמלי לרמקול עפ"י הנוסחה: POut=V2Out/Z[f] speaker. מאחר והתנגדות (עכבת) הרמקול אינה קבועה בתדר, הרי שגם ההספק הנמסר לרמקול בכל תדר ותדר משתנה.
הבדל משמעותי נוסף בין מגברים שונים היא הזזת הפאזה של האות החשמלי בין אותות בתדירויות שונות. מאחר וההקלטה אמורה להיות ללא הזזת פאזה הרי שאם המגבר מזיז פאזה של האות בכל תדר, הרי שכלים שונים המנגנים צלילים בגבהים שונים (ואפילו אותו הכלי – במנעד רחב) יישמעו במיקום שונה במרחב, מה שייתן לנו "תמונת במה" מעוותת.
מתוך כל האמור כאן, אפשר ללמוד משהו על המורכבות הקשורה בציוד שמע ברמה גבוהה. עובדה זו, מאפשרת ליצרני הציוד, המסתמכים על "בורותם" של הלקוחות, למכור "לוקשים" והלקוחות, שאינם רוצים להצהיר בקול רם על חוסר הבנתם וחוסר הידע שלהם "קונים" את הלוקשים ומשלמים במיטב כספם עבור מוצרי וודו שהדבר היחיד הנכון בהם: שהם עולים הרבה כסף !
כפי שציינתי בתחילת דברי, חלק ניכר מנושא השמע מבוסס על החלק הפסיכולוגי של הפרשנות שהמוח נותן למידע המגיע אליו מהאוזן ולכן, אם המאזין נמצא במצב נפשי מסוים, היכול להיות מושפע מאלף ואחת סיבות, הרי שגם מה שהוא יישמע יהיה מושפע מהמצב הפסיכולוגי. גם תכונה זו מנוצלת ע"י יצרני הציוד ה"מכניסים" את הלקוח למצב נפשי מסוים שיגרום לו לשמוע את מה שהיצרן רוצה שישמע. יצירת מצב נפשי יכולה להיעשות באמצעים פשוטים למדי, כמו למשל, עיצוב המוצר, מערכת שיווק אגרסיבית, פרסום "מאמרים מטעם" ב"ספרות המקצועית" וכו'.
ככלל, איני שולל את הפרשנות שאנשים שונים נותנים לצליל המוסיקאלי ובודאי שלא אנסה לבקר העדפות אישיות.
אולם, אל להם, מוכרי הוודו, לתת הסברים "פסבדו-מדעיים" המסבירים, לכאורה את יתרונותיהם של המוצרים שלהם. יש בכך משום שרלטנות לשמה ואישית, איני אוהב זאת.
המאמר נכתב ע"י: אריאל אריאלי | 
