¿WATTS that?

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El “watt” es uno de esos términos de los que todo mundo habla, pero pocos conocen en realidad, pareciera ser una especie de mito, algo que repetimos una y otra vez pero no sabemos a ciencia cierta que es. Por eso dedicaremos este espacio a identificar las situaciones en el audio donde lo utilizamos y aclarar los conceptos más importantes para comprenderlo.

¿Qué es el watt?
El watt es la unidad con la que medimos la potencia o lo que es lo mismo, la cantidad de energía en un determinado tiempo, ya sea energía eléctrica o electromagnética disipada, radiada o absorbida. Debemos considerar que la energía se genera y se consume, por lo que desde el punto de vista de la eficiencia, siempre será más conveniente generar más energía y consumir menos. En un sistema de sonido el amplificador se “alimenta” con corriente eléctrica que brinda la potencia necesaria para hacer mover un altavoz que a su vez produce energía sonora que podemos escuchar, como vemos, ambos equipos son consumidores y generadores de energía.

Se abrevia con la letra “W” y los prefijos más usuales son:
kW         1 kilowatt            =             1,000 W                               mil watts
MW       1 Megawatt       =             1,000,000 W                       millón de watts
GW        1 Gigawatt          =             1,000,000,000 W              billón de watts

mW       1 miliwatt            =             0.001 W                               milésima de watt
µW        1 microwatt       =             0.0000001 W                      millónésima de watt
nW        1 nanowatt        =             0.0000000001 W               billónesima de watt

Conceptos básicos de energía:

  • La energía se mide en Joules/segundo (J/s)
  • 1 Joule/segundo = 1 watt
  • 1 caballo de fuerza = 746 watts = la energía de 10 personas
  • La energía existe en dos formas: potencial y cinética, para comprenderlo hagamos la analogía con la energía en un lago y un río. En el lago el agua está contenida o estancada y salvo que cambiemos la inclinación del terreno (lo que originaría que el agua se moviera), ésta se mantiene estática pero tiene la capacidad o el potencial de moverse; en cambio en un río la energía está presente de forma cinética a través del movimiento constante del agua.
  • Nuestro cuerpo es un generador de energía (capaz de producir trabajo) y que requiere de consumir energía (alimento)
  • Existen equivalencias entre la energía mecánica y la energía eléctrica, una de ellas es la fricción y la resistencia eléctrica, ambas son fuerzas que se oponen a la energía aplicada y ofrecen una resistencia. El concepto de “eficiencia” es una especificación importante en el diseño y desempeño de amplificadores y altavoces (sensitividad)
  • En el proceso de conversión de energía eléctrica a acústica, un altavoz y un driver de compresión solo convierten en sonido audible el 10% y 25%  correspondientemente, la energía restante se pierde por la fricción en forma de calor

 

¿Cómo calculo el consumo de mi equipo? (o lo que es lo mismo… ¿a cuántos Amperes equivalen los watts)
Cualquier sistema de sonido ya sea un simple componente casero o uno de refuerzo sonoro (PA) para 10,000 personas, requiere energía eléctrica para funcionar. Para esto necesitamos conocer la carga total de nuestros equipos, equivalente a la suma total en watts y conocer el consumo en Amperes, que nos ayudará a saber el suministro eléctrico requerido.

 P = VI              V = P/I            I = P/V

P = Potencia (Watts)

V = Voltaje (Volts)

I = Corriente (Amperes)

En la siguiente tabla tenemos los datos de tres amplificadores marca YAMAHA, serien P, donde vemos que el consumo de cada modelo:

yamaha watts amps1
Nota: El valor idle significa que el equipo no está operando y solo está encendido

Con la fórmula anterior podemos saber el consumo de cada uno en Amperes:

I = P/V

 Del P7000S     I = 650 W / 127 volts = 5.12 Amperes

Del P5000S     I = 500 W / 127 volts = 3.94 Amperes

Del P3500       I = 450 W / 127 volts = 3.54 Amperes

Algunas marcas como CROWN, ofrecen información más detallada en donde podemos conocer el consumo en Amperes dependiendo de la carga (2, 8, 4 o 16 ohms), e inclusive muestran la potencia en watts que el equipo disipa o pierde en forma de calor al operar.

Tabla consumo Crown Amp

Vale la pena resaltar la relación existente entre la resistencia o carga del amplificador (expresada en ohms) con el consumo del equipo, el cual es menor al operar a impedancias altas (8 o 16 ohms) y su consumo aumenta a impedancias bajas (2 ohms). Cuando utilizamos un amplificador con carga muy baja, obtenemos mayor potencia ya que circula mayor corriente, pero corremos el riesgo de dañarlo. Es importante conocer las características del amplificador al momento de conectarle los altavoces y tener cuidado con la impedancia final al hacer algún tipo de arreglo serie/paralelo con estos.

De la misma manera podemos ver la relación inversa entre el voltaje de alimentación (120, 208 o 230 volts AC) y el consumo del amplificador. A mayor voltaje de alimentación menor consumo.

 

 ¿Cómo interpretar las especificaciones de potencia de un amplificador o altavoz?
Los fabricantes utilizan distintos términos en sus tablas de especificaciones, tales como pico, RMS, potencia media o programa,  por otro lado, existen diferentes métodos para determinar la capacidad de potencia del sistema o componente del altavoz que arroja resultados diferentes. En algunos casos como el del audio de consumo (componentes para casa), la potencia se llega especificar en watts PMPO (Peak Music Power Output), que ni siquiera es un standard y se calcula de manera arbitraria sumando las potencias pico de los canales de amplificación que solo representan la reproducción instantánea de los picos más altos y nada tiene que ver con el comportamiento de la música.

 

Potencia en Altavoces:
Average (promedio) o RMS.- Se refiere equivocadamente como potencia “RMS”, ya que se deriva a partir de las lecturas de voltaje RMS. RMS (raíz cuadrada media) sólo tiene sentido en las variables que tienen valores positivos y negativos. La potencia sólo es positiva por lo que no necesita la “raíz” y el “cuadrado” del proceso de RMS, sólo la “media” (promedio). Por lo tanto, la potencia media es la que utiliza el voltaje RMS para su cálculo. Para cuestiones prácticas el valor RMS es .707 de la señal pico.
Program (programa).- Para la mayoría de los fabricantes, es simplemente el doble de la potencia media, aunque otros fabricantes pueden utilizar relaciones distintas de 2:1. Puede ser utilizado como una guía para la selección de la potencia del amplificador. Por ejemplo, un altavoz con 300 W de potencia media y potencia de programa 600 W (2x300W) podría utilizar un amplificador con salida de 600 W. Esto es para condiciones cuidadosamente controladas, para algunas otras aplicaciones habituales con cierto grado de abuso, el amplificador puede resultar demasiado grande.
 Peak (pico).- Corresponde al cálculo de la potencia con base en los picos de tensión. Para una señal con picos de 6 dB, la potencia pico es cuatro veces la potencia promdio.
 Continuos (continua).- Especifica que la señal aplicada en la prueba es una señal continua como un tono o ruido todo el tiempo, ya que hay algunas normas que especifican utilizar señales intermitentes

 

Potencia en Amplificadores:
Para conocer la potencia de un amplificador deberán tomarse en cuenta otros datos como,  la carga o impedancia medida en ohms, el tipo de señal empleado que puede ser un tono de prueba de 1 kHz o ruido rosa ó música, la distorsión armónica (THD), y si el valor está dado por canal, en estéreo o bridge (puente). Existen otros factores que intervienen las características de un amplificador, pero los anteriores son los más significativos y útiles.

A continuación vemos la tabla de especificaciones de potencia de los amplificadores YAMAHA correspondiente e a la Serie P, ésta nos ayudará a identificar los datos más relevantes:

Tabla amplificadores yamaha

¿Qué es importante en la tabla de especificaciones?
Carga del amplificador.- La potencia del amplificador depende de la impedancia (resistencia) de los altavoces, a menor impedancia mayor potencia y viceversa. Hay que tomar en cuenta que depende del diseño la capacidad de manejar cargas muy bajas (menor a 2 ohms); por otro lado el modo bridge (puente) donde los dos canales se suman y funcionan como un solo amplificador, usualmente no permiten operar a menos de 8 o 4 ohms.
Señal de prueba.- La diferencia de medición obtenida con un tono de 1 kHz o ruido rosa,  produce resultados igualmente distintos. Es comprensible que el amplificador tendrá mejor desempeño (más potencia) inyectándole un tono que si lo hacemos con una señal más compleja como ruido rosa que demandará más del equipo. Dado que la música es una señal variable compuesta por múltiples frecuencias que varían todo el tiempo, el dato útil es el obtenemos con una señal continua con presencia de todas las frecuencias en el rango de operación de 20 Hz a los 20 kHz, durante un tiempo prolongado. El valor obtenido de un pulso corto y rápido (burst) no dice mucho sobre el comportamiento sostenido del amplificador.
Distorsión Armónica (THD).- La distorsión armónica compara el nivel de salida contra el de entrada y mide la diferencia de armónicos (distorsión) entre ambos puntos: Niveles más bajos de distorsión son mejores y valores usuales en amplificadores o preamplificadores son menores al 1 %, en realidad es poco perceptible para el oído humano y no es algo muy significativo para evaluar el desempeño de un equipo.

¿Cuánta potencia requiero?
El amplificador, componente encargado de agrandar o “amplificar” la señal eléctrica recibida de cualquier fuente de audio (instrumento musical, smartphone , mezcladora, etc,), recibe una señal a nivel de línea y entrega a su salida un nivel de potencia, el cual “alimenta” el altavoz que a su vez convierte la señal eléctrica en una señal acústica (transductor). Una de las especificaciones más comunes se refiere a la “potencia” del amplificador que es expresada en watts, y es importante al momento de seleccionar el altavoz que se le conectará.

Si su sistema de sonido cuenta con algún limitador, puede utilizar un amplificador que provea de 2 a 4 veces la potencia continua por canal, esto permitirá tener de 3 a 6 dB de “headroom” para las señales pico. Los altavoces están construidos para poder manejar estos picos cortos. Por el contrario si no cuenta con algún sistema de protección (limitador), la potencia del amplificador deberá ser igual a la potencia continua de los altavoces, de esta manera no se dañarán en caso presentarse “clipping” por saturación en la entrada de amplificador. En este caso no existe “headroom” para los picos y deberá manejar los altavoces a un nivel menor del que están especificados para evitar distorsión.

Si trabaja principalmente con música bailable suave o solamente voz, se recomienda que la potencia del amplificador sea 1.6 veces la potencia continua por canal. Si sonoriza metal o grunge, utilice un amplificador que sea 2.5 veces el valor nominal de potencia continua por canal. La potencia del amplificador debe considerar la impedancia del altavoz (2, 4, 8 o 16 ohms).

Supongamos que la impedancia de los altavoces es de 4 ohms y su potencia continua es de 100 watts. Si reproduce música suave bailable, la potencia del amplificador de 4 ohm deberá ser 1.6 x 100 watts o 160 watts continuos por canal. Para metal pesado o grunge, la potencia del amplificador de 4 ohm debe ser de 2.5 x 100 watts o 250 watts continuos por canal.

Si aplica más energía, es muy probable que dañe los altavoces tratando de hacer que amplificador suene más fuerte, lo que llevará al límite las bobinas y conos de los altavoces. El “clipping” puede dañar los altavoces debido a sobrecalentamiento, así que mantenga la relación de 1.6 a 2.5 veces la potencia continua del altavoz.

Potencia vs. Aplicación
Un cuestionamiento frecuente es el relacionado al tema de la potencia y la cobertura de un determinado evento o audiencia. La siguiente información está basada en un texto publicado por CROWN, aquí la liga para información más detallada: http://www.crownaudio.com/how_much_power.htm

Potencia total de amplificación requerida para diversas aplicaciones:

  • Monitoreo de campo cercano: 25 W para 85 dB SPL promedio (con picos de 15 dB), 250 W para un promedio de 95 dB SPL (con 15 picos dB)
  • Equipo de casa: 150 W para 85 dB SPL promedio (con picos de 15 dB), 1500 W para  95 dB SPL promedio (con picos de 15 dB)
  • Música folclórica en una cafetería con capacidad para 50 personas: 25 a 250 W
  • Música folclórica en un auditorio mediano, club iglesia con 150 a 250 asientos: 95 a 250 W
  • Música folclórica en un pequeño festival al aire libre (15 metros del altavoz al público): 250 W
  • Música Pop o Jazz en un auditorio de tamaño mediano, club o iglesia con 150 a 250 asientos: 250-750 W
  • Música pop o Jazz en una sala de conciertos de 2,000 asientos: 400 a 1,200 W
  • Música rock en auditorio mediano, club o iglesia con 150 a 250 asientos: Al menos 1,500 W
  • Música rock en un pequeño festival al aire libre (15 metros del altavoz a la audiencia): Por lo menos 1,000 a 3,000 W

Aclaraciones referentes al listado:

  • Sensibilidad altavoz típico es 85 dB SPL / W / m para los equipos estéreo domésticos, 95 dB SPL / W / m para pequeños altavoces PA, 100-105 dB para altavoces PA medianas y 110 dB para altavoces de PA.
  • La potencia recomendada permite picos de señal de 10 dB para el folk, el jazz y la música pop. En realidad, los picos pueden ser de hasta 25 dB, pero se están permitiendo algunos picos muy corto que son inaudibles.
  • La potencia recomendada permite picos de señal de 6 dB para música rock que está muy limitada y comprimida
  • Algunos conciertos de rock en recintos muy grandes, aunque pudieran sonorizarse con 15,000 watts con 6 dB de headroom, usualmente las compañías de sonorización utilizan sistemas de 80,000 o 400,000 watts en total. Tal cantidad de potencia es requerida para manejar picos de 20 a 24 dB sin distorsión alguna, además de manejar clusters de altavoces para cubrir otras áreas

Crown Amp calculator

Por último, un link bien útil a  esta calculadora que les proporcionará la energía eléctrica necesaria (potencia de salida del amplificador) para producir un nivel de presión sonora deseada (SPL) a una distancia dada, con un headroom suficiente para mantener el amplificador  fuera de clipping. http://www.crownaudio.com/elect-pwr-req.htm

 

 

ON SOUND
www.onsoundcom.mx
info@onsound.com.mx
(55) 5674-4358
(55) 5672-3995

 

Links complementarios:
Explicación en video de corriente y voltaje https://www.youtube.com/watch?v=1xPjES-sHwg
Explicación de voltaje y ley de ohm https://www.youtube.com/watch?v=zYS9kdS56l8
 
Fuentes:
http://whatis.techtarget.com/definition/watt
http://wolfcrow.com/blog/what-is-the-difference-between-line-level-and-mic-level/
http://en.wikipedia.org/wiki/Line_level
https://soma.sbcc.edu/users/davega/filmpro_181/FILMPRO_181_Reference_Notes/FILMPRO_181_LineVSMicLevel/LINE%20LEVEL%20VS%20MIC%20LEVEL.pdf
http://www.sweetwater.com/insync/speaker-level/
http://www.gcaudio.com/resources/howtos/voltageloudness.html
http://www.prosoundweb.com/article/print/audio_power_trip_how_consumption_production_transmission_can_affect_your_so
http://en.wikipedia.org/wiki/Power-added_efficiency
http://www.sengpielaudio.com/calculator-efficiency.htm
http://www.ehow.com/how_7723139_calculate-power-usage-amps.html
http://www.crownaudio.com/how_much_power.htm
http://www.doctorproaudio.com/doctor/temas/powerhandling.htm
https://www.jblpro.com/pub/technote/spkpwfaq.pdf
 
Existen tres niveles básicos de señal que debemos identificar en un sistema de audio:
Nivel de micrófono             2 a 316 milivolts                                voltaje que entrega un micrófono
Nivel de línea                       316 milivolts a 3.472 volts              voltaje de operación interna de los equipos
Nivel de potencia                + de 24 volts                                        voltaje que entrega un amplificador
Nota: Esta tabla es solo una referencia, existen equipos de consumo y profesionales, diseñados bajo distintos estándares con referencias de voltaje diferentes

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