Les watts sont des watts, ou pas ? Explication détaillée pour passionnés d'audio auto

Lorsqu'on examine l'achat d'un amplificateur audio automobile, la spécification la plus vérifiée est la puissance qu'il peut produire. La puissance est mesurée 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 – tant la bonne que la mauvaise façon.

Définition formelle

Commençons par la définition formelle d'un watt. Un watt est une unité SI (Système International) de mesure de la puissance. Cette puissance n'a pas à 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 pouvait accomplir. Dans cette application cinétique, un watt correspondait au travail effectué lorsque la vitesse d'un objet avançait régulièrement à 1 mètre par seconde avec une force de 1 newton s'y opposant. En ce qui concerne un moteur électrique, 1 cheval-vapeur équivaut à 746 watts.

Autant parler de chevaux-vapeur est amusant, nous sommes passionnés d'audio automobile, alors revenons à l'explication du watt électrique.

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

Perdu ? Ne vous inquiétez pas ; nous contentons simplement les férus de mathématiques et de mesures parmi nous. Simplifions ce qui compte.

Lorsque nous voulons utiliser l'électricité pour faire un travail, nous devons faire circuler des électrons à travers un dispositif comme un filament, un moteur ou une bobine mobile. Le résultat sera, dans le cas d'un haut-parleur, que le champ magnétique créé par le flux d'électrons fera que la bobine mobile sera attirée ou repoussée par l'aimant fixe de notre haut-parleur. Lorsque nous faisons circuler plus d'électrons, plus de travail est effectué, et le haut-parleur se déplace davantage vers ou loin de l'aimant.

Mathématiques de la puissance

C'est ici que nous commençons à parler d'équations de puissance. Il existe trois méthodes courantes pour calculer la puissance dans un circuit – mais nous devons connaître les valeurs d'autres variables telles que la tension, la résistance ou l'intensité. N'importe lesquelles de ces deux variables peuvent être utilisées pour calculer la puissance dans un circuit. Voici les équations :
Si nous avons un circuit avec une résistance de 4 ohms et y appliquons une tension de 10 volts, 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 déterminer n'importe quelle autre variable – c'est de l'algèbre simple.

Mesure de la puissance

Lorsqu'un technicien a un amplificateur sur un banc de test et veut mesurer la puissance, il connecte généralement l'ampli à un banc de résistances de charge de 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 sortant d'un amplificateur connecté à une charge de 2 ohms. Cela donne 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 en courant alternatif (CA). Les signaux CA sont nécessaires pour faire bouger le cône du haut-parleur d'avant en arrière depuis sa position de repos, mais ils compliquent considérablement la mesure de puissance. La façon dont les conducteurs et les charges réagissent aux signaux CA diffère des signaux en courant continu (CC).

Parce que les signaux CA 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 le courant en train de circuler et d'établir un champ magnétique, il n'aime pas s'arrêter. Imaginez une tension CC – tous les électrons se déplacent dans la même direction en permanence. Ils sont contents et n'ont pas de plaintes. Avec les signaux CA, 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. À cause de cela, ils s'opposent à un changement de direction.

Une bobine (inductance) n'est vraiment rien d'autre qu'un fil enroulé. Nous voyons des bobines dans les réseaux de crossover passifs et les étages de filtrage des amplificateurs de classe D. Lorsque des électrons circulent dans une bobine, ils créent un fort champ magnétique. Lorsque vous retirez 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 un endroit où aller, autre que dans le circuit qui contrôlait la fonction du relais.

Lorsque nous appliquons un signal CA à une bobine, plus la fréquence est élevée, plus il est difficile de changer la direction du flux d'électrons. La résistance au flux de courant alternatif est appelée réactance inductive. Considérez-la comme une résistance, mais applicable uniquement aux signaux CA. Les bobines s'opposent à un changement de flux de courant. Si nous déconnectons notre source de courant alternatif et mesurons la résistance CC d'une bobine avec un multimètre, le nombre affiché est la résistance. Pour mesurer la réactance d'une bobine, nous avons besoin d'un dispositif capable d'appliquer un signal CA et de mesurer la chute de tension effective aux bornes de la bobine.

La formule pour calculer la réactance inductive est Xl = 2 x pi x F x L, où F est la fréquence du signal CA appliqué, L est la valeur d'inductance de la bobine mesurée en henrys et Xl est la réactance inductive en ohms. On voit que l'inductance augmente avec la fréquence, comme mentionné précédemment.

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

Courant et tension

Nous avons d'autres mauvaises nouvelles pour vous. Parce qu'une bobine s'oppose au changement de flux de courant, une erreur de synchronisation survient. Synchronisation de quoi, demandez-vous ? Le temps relatif entre la tension CA aux bornes de la bobine et la valeur CA du courant circulant dans la bobine. Dans une bobine parfaite (sans résistance CC), le courant à travers la bobine retarde la tension aux bornes de la bobine de 90 degrés ou ¼ de la fréquence du signal passant à travers.

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 au même moment que le pic de tension ? Nous ne pouvons pas simplement multiplier les deux nombres pour obtenir la puissance dans le circuit. Pire, la durée pendant laquelle le courant retarde la tension dépend de la résistance CC de la bobine et de la réactance inductive – pour la plupart des haut-parleurs audio auto, la résistance CC se situe généralement entre 2 et 8 ohms. L'inductance se situe entre 0,04 mH pour un tweeter de haute qualité à 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.

Nous sommes sûrs que vous êtes d'accord – c'est très compliqué, mais n'abandonnez pas pour l'instant.

Comment mesurons-nous la puissance réelle dans un circuit CA ? 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 20 ou 30 fois la fréquence que nous mesurons pour être raisonnablement précis. Nous pouvons également utiliser des multimètres conventionnels pour mesurer la quantité de courant et de tension dans le circuit, puis utiliser un mètre d'angle de phase pour trouver la relation relative entre les deux. Presque aucun d'entre nous n'a un mètre d'angle de phase autonome dans sa boîte à outils. Ce que nous ne pouvons pas faire, c'est simplement multiplier la tension et le courant l'un par l'autre.

Ces gars du SPL et les watts

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 les "clampant". Ils connectent une pince ampèremétrique à l'un des fils de haut-parleur sortant de l'ampli et mettent un voltmètre aux bornes des terminals de l'amplificateur.

Cela crée trois problèmes :

1. Ils devraient connecter le voltmètre aux bornes du haut-parleur. En raison du fort courant, la résistance du fil de haut-parleur peut gaspiller une quantité mesurable de puissance.
2. Avec un voltmètre et une pince ampèremétrique, nous ne connaissons pas la relation de phase entre le courant circulant dans les bobines mobiles et la tension aux bornes de la bobine mobile.
3. Ils effectuent généralement ces tests à des niveaux de puissance extrêmement élevés. Les quantités massives de puissance chauffent rapidement les bobines mobiles. Cette chaleur augmente aussi rapidement leur résistance. Cette augmentation de résistance fera diminuer le courant circulant dans le haut-parleur. Si la pince ampèremétrique connectée est en mode "maintien de crête", elle stockera 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. Alors que le courant diminue, la tension de sortie de l'amplificateur peut augmenter, donnant une fausse lecture au voltmètre en mode maintien de crête. Ce chauffage et cette augmentation de résistance peuvent se produire en quelques secondes.

Si vous pensiez que notre définition du watt était compliquée, expliquer comment calculer la puissance dans une charge réactive vous pousserait par-dessus bord, donc nous ne l'expliquerons pas tout. C'est un sujet réservé aux cours universitaires sur la puissance CA. Ce que nous ferons est de fournir une solution pour faire des mesures de puissance complexes.

La réalité est que mesurer la puissance sortant d'un amplificateur connecté à un haut-parleur pour obtenir des résultats précis est très difficile. Quelques entreprises produisent des wattmètres audio auto. L'unité la plus populaire est le D'Amore Engineering AMM-1. L'AMM-1 est un mètre portatif 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 combien de puissance réelle votre amplificateur produit. (Ne pleurez pas si c'est moins que ce que vous pensiez.)

L'AMM-1 peut également afficher les volt-ampères. Les volt-ampères 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 êtes sérieux au sujet de la mesure de puissance lorsqu'un amplificateur alimente une charge réactive comme un haut-parleur, c'est l'outil dont vous avez besoin.

Ce que vous devez savoir

Lorsque vous achetez un amplificateur, les chiffres généralement cités sont mesurés sur des charges résistives. La plupart des amplificateurs n'ont aucun problème à piloter des charges réactives, vous pouvez donc faire confiance aux chiffres publiés, tant que la spécification de distorsion est clairement définie.

La spécification CEA-2006A (maintenant appelée CTA-2006A) pour la mesure de puissance définit la distorsion maximale du signal pendant la mesure à 1 %, et pas plus de 14,4 volts ne peuvent alimenter l'ampli. La comparaison des spécifications de puissance en utilisant cette norme a nivelé le terrain de jeu dans l'industrie de l'audio automobile.

Nous examinerons d'autres spécifications d'amplificateurs très importantes dans un autre article. Ces autres spécifications peuvent, en fait, être plus importantes pour choisir le bon ampli pour votre système que la puissance qu'il produit. D'ici là, passez chez votre détaillant spécialisé en audio automobile local pour découvrir les derniers amplificateurs disponibles pour votre système. Il y a des amplis incroyables sur le marché avec beaucoup de fonctionnalités sympas.

Bonne écoute !