Les watts sont des watts, ou le sont-ils ? Une explication détaillée pour les gars de l'audio automobile

Lorsque les gens envisagent d'acheter un amplificateur audio pour voiture, la spécification qu'ils vérifient le plus souvent est la puissance qu'il peut produire. La puissance est évaluée en watts - une unité universelle de mesure de la puissance. Dans cet article, nous expliquons ce qu'est un watt et comment il est mesuré - à la fois de manière correcte et incorrecte.

L'heure du dictionnaire !

Éliminons d'abord la définition formelle d'un watt. Un watt est une unité SI (Système International) de mesure de puissance. L'alimentation n'a pas besoin d'être électrique. En fait, l'unité watt a été nommée d'après James Watt et créée pour quantifier le travail qu'une machine à vapeur pourrait faire. Dans cette application cinétique, un watt était le travail effectué lorsque la vitesse d'un objet se déplaçait régulièrement à 1 mètre par seconde avec une force de 1 newton s'y opposant. Lorsqu'on se réfère à un moteur électrique, 1 cheval-vapeur équivaut à 746 watts.

Aussi amusant que soit de parler de puissance, nous sommes des passionnés d'autoradio, alors revenons sur la bonne voie avec une explication du watt électrique.

En termes électriques, un watt est un transfert de 1 joule d'énergie sur une période de 1 seconde. La prochaine question logique est qu'est-ce qu'un joule? Un joule est encore une autre unité SI de mesure, et il définit la quantité de travail nécessaire pour déplacer une charge de 1 coulomb à travers un potentiel électrique de 1 volt. Oui, la question se déplace maintenant vers le coulomb – qu'est-ce que c'est que ça ? Un coulomb est une unité de charge électrique - et est égal à -6,242 x 10^18 électrons.

Encore perdu ? Ne vous inquiétez pas; nous ne faisons qu'apaiser les nerds des mathématiques et des mesures parmi nous. Décomposons cela en ce qui compte.

Lorsque nous voulons utiliser l'électricité pour effectuer un travail, nous devons faire passer des électrons à travers un appareil comme un filament, un moteur ou une bobine acoustique. Le résultat sera, dans le cas d'un haut-parleur, que le champ magnétique créé par le flux d'électrons entraînera l'attraction ou la répulsion de la bobine acoustique vers l'aimant fixe de notre haut-parleur. Lorsque nous faisons circuler plus d'électrons, plus de travail est effectué et le haut-parleur se rapproche ou s'éloigne de l'aimant.

Mathématiques de puissance

C'est ici que nous commençons à parler des équations de puissance. Il existe trois méthodes courantes de calcul de la puissance dans un circuit - mais nous devons connaître les valeurs d'autres variables telles que la tension, la résistance ou l'ampérage. Deux de ces variables peuvent être utilisées pour calculer la puissance produite dans un circuit. Voici les équations :
Si nous avons un circuit avec une résistance de 4 ohms et que nous lui appliquons une tension avec un potentiel de 10 volts, alors nous avons 25 watts de puissance. Augmenter cette tension à 20 volts signifie que la puissance disponible est maintenant de 100 watts. Nous pouvons substituer et réorganiser les variables dans les équations ci-dessus pour comprendre n'importe quelle autre variable - c'est de l'algèbre simple.

Mesure de la puissance

Lorsqu'un technicien a un amplificateur sur un banc d'essai et veut mesurer la puissance, le technicien connecte généralement l'ampli à une banque de résistances de charge haute puissance, puis mesure la sortie de l'amplificateur lorsque le signal a atteint un niveau de distorsion de 1 % . La mesure prise est la tension. Le plus souvent, nous supposons que la charge n'est pas variable. Disons que nous mesurons 44 Volts RMS à partir d'un amplificateur et que nous avons l'ampli connecté à une charge de 2 ohms. Cela équivaut à 968 watts. C'est très simple et très reproductible - mais cela ne fonctionne pas dans le monde réel. Voyons pourquoi.

Résistance versus Réactance

Cela va devenir un peu technique. Les signaux audio sont des signaux de courant alternatif (CA). Des signaux alternatifs sont nécessaires pour faire avancer et reculer le cône du haut-parleur depuis sa position de repos, mais ils rendent la mesure de la puissance beaucoup plus compliquée. La façon dont les conducteurs et les charges réagissent aux signaux CA est différente des signaux de courant continu (CC).

Parce que les signaux alternatifs changent de direction, la polarité des champs magnétiques qu'ils créent change également de direction. Essayer de changer la polarité des champs magnétiques perturbe le comportement du flux de courant. Une fois que le courant circule et crée un champ magnétique, il n'aime pas s'arrêter. Imaginez une tension continue - tous les électrons se déplacent dans la même direction tout le temps. Ils sont heureux et ne se plaignent pas. En ce qui concerne les signaux AC, cependant, ce flux d'électrons doit changer de direction. Avec un signal de 20 kHz, le changement de direction se produit 20 000 fois par seconde. Les électrons sont paresseux - ils aiment continuer à faire ce qu'ils faisaient. Pour cette raison, ils s'opposent à un changement de direction.

Un inducteur n'est vraiment rien de plus qu'une bobine de fil. Nous voyons des inductances dans les réseaux croisés passifs et les étages de filtrage des amplificateurs de classe D. Lorsque les électrons traversent une inductance, ils créent un champ magnétique puissant. Lorsque vous supprimez la source de tension, les électrons essaient de continuer à circuler. En fait, si vous avez vu un relais avec une diode connectée, cette diode est là pour donner à ce flux d'électrons quelque part où aller, autre que de retourner dans le circuit qui contrôlait la fonction du relais.

Lorsque nous appliquons un signal alternatif à une inductance, plus la fréquence est élevée, plus il est difficile de changer la direction du flux d'électrons. La résistance au passage du courant alternatif est appelée réactance inductive. Considérez-le comme une résistance, mais uniquement applicable aux signaux AC. Les inductances s'opposent à une modification du flux de courant. Si nous déconnectons notre source de courant alternatif et mesurons la résistance CC d'un inducteur avec un multimètre, le nombre que nous voyons sur l'écran est la résistance. Pour mesurer la réactance d'une inductance, nous avons besoin d'un appareil capable d'appliquer un signal alternatif et de mesurer la chute de tension effective aux bornes de l'inductance.

La formule pour calculer la réactance inductive est Xl =2 x pi x F x L, où F est la fréquence du signal AC appliqué, L est la valeur d'inductance de l'inductance mesurée en henry et Xl est la réactance inductive en ohms. Vous pouvez voir que l'inductance augmente avec la fréquence, comme nous l'avons mentionné précédemment.

La bobine acoustique d'un haut-parleur est et agit comme une inductance.

Courant et tension

Nous avons d'autres mauvaises nouvelles pour vous. Parce qu'un inducteur s'oppose au changement de flux de courant, une erreur de synchronisation se produit. Calendrier de quoi, demandez-vous? Le temps relatif entre la tension alternative aux bornes de l'inductance et la valeur alternative du courant circulant dans l'inductance. Dans une inductance parfaite (sans résistance CC), le courant traversant l'inductance est en retard sur la tension aux bornes de l'inductance de 90 degrés ou ¼ de la fréquence du signal traversé.

Laissez cela pénétrer une seconde, puis repensez à nos équations de puissance. La puissance est la tension multipliée par le courant. Mais que se passe-t-il si le pic de courant ne se produit pas en même temps que le pic de tension ? Nous ne pouvons pas simplement multiplier les deux nombres ensemble pour obtenir la puissance dans le circuit. Pire encore, la durée pendant laquelle le courant est en retard sur la tension dépend de la résistance CC de l'inductance et la réactance inductive - pour la plupart des haut-parleurs audio de voiture, la résistance CC se situe généralement entre 2 et 8 ohms. L'inductance est comprise entre 0,04 mH pour un tweeter de haute qualité et plus de 5 mH pour un gros subwoofer.

Il y a un autre défi :l'inductance change en fonction du niveau d'excitation du haut-parleur et de la position du cône du haut-parleur.

Nous sommes sûrs que vous êtes d'accord - Tout est très compliqué, mais n'abandonnez pas tout de suite.

Comment mesure-t-on la puissance réelle dans un circuit AC ? Il y a plusieurs façons. Nous pouvons mesurer le courant et la tension instantanés à un taux d'échantillonnage très élevé et les multiplier ensemble. Le taux d'échantillonnage devrait être de 20 ou 30 fois la fréquence que nous mesurons pour être raisonnablement précis. Nous pouvons également utiliser des compteurs conventionnels pour mesurer la quantité de courant et de tension dans le circuit, puis utiliser un compteur d'angle de phase pour trouver la relation relative entre les deux. Pratiquement aucun d'entre nous n'a un compteur d'angle de phase autonome dans sa boîte à outils. Ce que nous ne pouvons pas faire est simplement de multiplier la tension et le courant par l'autre.

Ces gars et ces watts SPL

Si vous lisez ceci, vous parcourez probablement Internet avec une certaine fréquence. Vous avez sans doute vu des passionnés de SPL tenter de mesurer la puissance produite par leurs amplificateurs en la « bridant ». Ils connectent une pince de courant à l'un des fils de haut-parleur sortant de l'ampli et mettent un voltmètre aux bornes de l'amplificateur.

Cela crée trois problèmes :

1. Ils doivent connecter le voltmètre aux bornes des haut-parleurs. En raison du flux de courant élevé, la résistance du fil du haut-parleur peut gaspiller une quantité d'énergie mesurable.
2. Avec un voltmètre et une pince de courant, nous ne connaissons pas la relation de phase entre le courant circulant dans les bobines acoustiques et la tension aux bornes de la bobine acoustique.
3. Ils effectuent généralement ces tests à des niveaux de puissance extrêmement élevés. Les quantités massives de puissance chauffent rapidement les bobines acoustiques. Cette chaleur augmente également leur résistance rapidement. Cette augmentation de la résistance entraînera une diminution du courant traversant le haut-parleur. Si la pince de courant connectée est en mode « maintien de crête », elle mémorisera une lecture de crête du courant initial circulant dans la bobine mobile. La réduction du flux de courant allège la charge sur l'alimentation de l'amplificateur et lui permet de produire plus de tension. Lorsque le courant diminue, la tension de sortie de l'amplificateur peut augmenter, donnant une fausse lecture au voltmètre en mode de maintien de crête. Cette augmentation du chauffage et de la résistance peut se produire en quelques secondes.

Si vous pensiez que notre définition du watt était compliquée, alors expliquer comment calculer la puissance dans une charge réactive vous pousserait à bout, nous n'expliquerons donc pas tout. C'est un sujet réservé aux cours collégiaux ou universitaires sur l'alimentation secteur. Ce que nous ferons faire est de fournir une solution pour effectuer des mesures de puissance compliquées.

La réalité est que lorsqu'il s'agit de mesurer la puissance d'un amplificateur connecté à un haut-parleur, il est très difficile d'obtenir des résultats précis . Quelques entreprises produisent des wattmètres audio pour voiture. L'unité la plus populaire est le D'Amore Engineering AMM-1. L'AMM-1 est un compteur portable qui mesure simultanément le courant et la tension, et calcule l'angle de phase entre eux pour fournir une mesure de puissance précise. L'AMM-1 vous montrera la puissance réelle de votre amplificateur. (S'il vous plaît, ne pleurez pas si c'est moins que ce que vous pensiez.)

L'AMM-1 peut également afficher les volts-ampères. Les voltampères sont calculés en multipliant le courant par la tension. Vous pouvez également voir l'angle de phase de la charge sur un autre écran. Si vous voulez vraiment mesurer la puissance lorsqu'un amplificateur pilote une charge réactive comme un haut-parleur, alors c'est l'outil dont vous avez besoin.

Ce que vous devez savoir

When you are shopping for an amplifier, the numbers you usually see quoted are measured into resistive loads. Most amplifiers have no problem with driving reactive loads, so you can trust the published numbers, as long as the distortion specification is clearly defined.

The CEA-2006A (now called CTA-2006A) specification for power measurement defines the maximum signal distortion during measurement as being 1%, and no more than 14.4 volts can be supplying the amp. Comparing power specs using this standard has leveled the playing field in the car audio industry.

We will look at some other very important amplifier specifications in another article. These other specifications may, in fact, be more important to choosing the right amp for your system than how much power the amp makes. Until then, drop into your local car audio specialist retailer to find out about the latest amplifiers available for your system. There are some amazing new amps on the market with a lot of cool features.

Happy listening!