Müzik Sistemlerinde Güç

Bir müzik sisteminden bahsedilirken en sık kullanılan tanımlamalardan biri sistemin gücüdür. Hatta, bazı broşür ve ilanlarda bildirilen tek özellik güç olabilmektedir. Ancak, bir müzik sisteminin gücü ne ifade etmektedir, ne kadar olması uygundur gibi konular çok net değildir. Bu yazıda mümkün olduğu kadar basit olarak temel bazı bilgiler verilecektir. Müzik dinlerken tercih edilen ses seviyesi kısmen sübjektif bir konu olduğu için uygun güç seviyesi hakkında kesin bir sonuca ulaşılması beklenmemelidir. 

Bu yazı evde kullanım için tasarlanmış cihazlar ve ev koşulları düşünülerek hazırlanmıştır. Yazının tam olarak anlaşılabilmesi için desibel, logaritma gibi bazı kavramların bilinmesinde fayda vardır. Ancak, yazının genelinin anlaşılması için bu şart değildir. 

RMS Güç

Ses, bir ses kaynağının titreşmesinden, yani ileri geri hareket etmesinden oluşur. En basit şekliyle bir ses dalgası Şekil 1’de gösterilmiştir.

Şekil 1. Sinüsoidal ses dalgasının zaman – genlik boyutunda gösterimi

Şekilde yatay eksen zamanı, dikey eksen genliği, kırmızı yatay çizgi sıfır değerini göstermektedir.  A ve B çizgileri arasında kalan bölümün gücü hesaplandığında sonuç sıfır çıkacaktır. Çünkü artı ve eksi bölümlerin toplamı sıfırdır. Benzer şekilde uzun bir zaman aralığında herhangi bir ses dalgasının gücü doğrudan hesaplandığında sonuç hep sıfır çıkar. Oysa yapılan bir iş, harcanan bir güç vardır. Artı ve eksi kısımların birbirini götürmesini engellemek için RMS (root mean square, yani karelerin ortalamasının kare kökü) denen bir hesaplama yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem, elektrik sobası gibi basit cihazların harcadığı gücü ölçmede gayet iyi sonuç vermekle beraber, pratikteki ses dalgalarının genliği zaman içinde önemli değişiklikler gösterdiği için sesin gücünü tanımlamada yetersiz kalmaktadır. Şekil 2’de gerçek bir müzik sinyalinden 1 saniye uzunlukta bir kısım gösterilmiştir.

Şekil 2. Bir saniyelik bir müzik sinyali

Görüldüğü gibi müzikte ortalama güç ile kısa aralıklardaki güç çok farklı olabilmektedir.

Amplifikatör çıkış gücü

Amplifikatörler için üretici firmalar tarafından bildirilen güç genellikle çıkışa sabit bir direnç (4 veya 8 ohm gibi) bağlandığında ilgili cihazın belirli bir distorsiyon (sinyalde bozulma) oranını aşmaksızın uzun süre verebileceği asgari güçtür.

Örneğin, teknik özelliklerinde 8 ohm’da RMS 100 watt olduğu belirtilen bir amplifikatör, sinyal kalitesinde fazla bozulma yaratmaksızın uzun süre en az bu gücü verebilir. Ayrıca, seste görece fazla bozulmaya yol açarak daha yüksek güç de üretebilir. Dolayısıyla, kolona göre düşük güçte gözüken bir amplifikatörün kolona zarar vermesi mümkündür. Ayrıca, amplifikatörün güç sınırı zorlandığında ortaya çıkan bozulmalar sinyaldeki tiz seslerin oranını artırdığı için tiz hoparlörler için ek bir risk oluştururlar. Bu nedenle, genellikle amplifikatörlerin gücünün kolonlardan fazla olması önerilir.

Bir amplifikatörün akım kapasitesi sınırsız kabul edilirse çıkışına bağlanan direncin değeri yarıya indiğinde amplifikatörün ürettiği güç 2 katına çıkar. Ama bu durum pratikte ancak bir ölçüde mümkün olmaktadır. Çünkü her amplifikatörün akım kapasitesinin bir sınırı vardır. Ayrıca aşırı ısınma da direnç azaldıkça gücün artmasına bir engel teşkil eder.

Pratikte bir amplifikatörün ne kadar güç üretebileceği kolonun özelliklerine de bağlıdır. Çünkü hemen hemen hiçbir kolon testlerde kullanılan dirençler kadar basit bir yük oluşturmaz. Kolonların direnci sinyalin frekansına göre değişir.  Kolonlar amplifikatörden gelen sinyalle ses ürettikleri gibi kendi titreşimleri nedeniyle amplifikatöre de bir sinyal gönderirler. Bu da amplifikatörün yapısına bağlı olarak farklı etkiler yaratabilir.

Amplifikatörler konusunda belirtilmesi gereken bir husus da üretilen güç ile “volume” düğmesinin pozisyonu arasında fazla bir ilişki olmadığıdır. Amplifikatörün ürettiği güç, giriş sinyalinin seviyesi ve kolonun empedansı gibi iki önemli dış etkene de bağlıdır. Çoğu üretici amplifikatörün kazancını gereğinden yüksek tasarladığı için çoğu zaman volume düğmesi en fazla ortalardayken azami güce ulaşılır.

Kolonlarda güç

Kolonlar için bildirilen güç, sinyalin müzikte rastlanan frekans dağılımına uygun olması şartıyla, girişe uygulandığında cihazın arızalanmayacağı azami güçtür. Genellikle continuous (sürekli) ve peak (kısa süreli) olarak iki ayrı değer belirtilir. Üretici firmalar ölçümlerde çeşitli yöntemler kullanabilmekte ve çıkan sonuçlar yönteme göre değişebilmektedir. Bazı firmalar kullandıkları yöntemi detaylı olarak açıklarken bazıları bu konuda hiçbir açıklama yapmamaktadır. Müzikte bazı frekanslardaki ortalama seviye daha düşüktür ve kolonların dayanabileceği güç bu varsayımla hesaplanır. Ancak, çeşitli türden 15 ayrı albümden örnekler alarak yapmış olduğum bir inceleme kısa süreli sinyallerin ortalamaya göre farklı bir dağılımı olduğunu göstermiştir. Yanda, incelemenin yöntemi açıklanmaktadır. Şekil 3’te ise inceleme sonuçları gösterilmektedir. Grafikten anlaşıldığı gibi, bas ve tiz seslerde ortalama değerlerle azami değerler arasındaki fark orta frekanslardakinden fazladır. Yani, en bas ve en tiz sesler genel olarak zayıf olmakla birlikte bazen gayet güçlü olabilmektedirler.

Şekil 3. Müzikte rastlanan seslerin ortalama ve maksimum değerleri ile frekansın ilişkisi

Hoparlörlerin arızalanması kabaca iki şekilde olmaktadır. Biri ortalama sinyal seviyesinin hoparlörün kaldırabileceğinden yüksek olması nedeniyle aşırı ısınma yoluyla, diğeri ise kısa süreli sinyallerin hoparlörün mekanik dayanıklılık sınırını aşması yoluyladır. Mekanik arızalar daha çok bas hoparlörlerde görülmektedir. Tiz hoparlörlerde ise arızalar, daha çok bobinin yalıtkan maddesinin erimesi ile kendini gösteren aşırı ısınmadan kaynaklanmaktadır. Yüksek frekanslarda, Şekil 3’te görülen yüksek tepe değerleri muhtemelen arızalanma riskini fazla artırmamakta, daha çok distorsiyon miktarını etkilemektedirler.

Kolon hassasiyeti

Buraya kadar amplifikatörlerin çıkış gücünden ve kolonların dayanabildiği giriş gücünden bahsettik. Fakat aslında güç konusunda bir müzik sisteminden beklenen, ses çıkış gücüdür. Bu da en çok kolonların hassasiyeti (sensitivity) ile ilişkilidir. Hoparlör diyaframları ne kadar hafif olurlarsa olsunlar, özgül ağırlıkları havanınkinden çok daha yüksektir. Dolayısıyla kolonlara uygulanan gücün çok büyük bir bölümü diyaframı hareket ettirmeye harcanır. Orta randımanlı bir kolonda havaya iletilen güç ise %1 civarındadır.

Kolonların hassasiyeti genellikle girişlerine 1 watt uygulandığında 1 metre mesafede oluşan ses basınç seviyesinin ölçülmesiyle saptanır. Bu ölçümün hangi frekansta yapıldığı, 1 watt’ın nasıl tespit edildiği (kolonların direnci her frekansta aynı olmadığı için nominal bir dirence ve uygulanan voltajın o dirençte ne kadar güce denk geldiğine göre hesaplama yapılır) gibi faktörlere bağlı olarak hassasiyet ölçüm sonuçları değişiklikler gösterir. Bununla birlikte, firmaların verdiği hassasiyet değerlerinin kabaca güvenilir olduğunu söyleyebiliriz.

Müzik sistemlerinin çıkış gücünün karşılaştırılması açısından hassasiyet konusunun önemli olmasının esas nedeni ise kolonların bu konuda çok farklı özelliklere sahip olabilmesidir. Çok uç örnekleri hariç tutarsak kolonların hassasiyetinde 20 db’lik farklar olabilmektedir. Bir kolonun kendisinden 20 db yüksek hassasiyetli bir kolonun belirli bir giriş gücüyle ürettiği ses basınç seviyesini üretebilmesi için girişine 100 katı güç uygulanması gerekmektedir. Uygulanan güçleri P₁ ve P₂ ile gösterirsek,

10Log₁₀(P₁/P₂)=20 ==> Log₁₀(P₁/P₂)=2 ==> P₁/P₂ = 10²

Bir başka örnek verecek olursak, uzun süreli dayanabildikleri güç 50 ve 200 watt RMS olan iki kolonun hassasiyetleri aynı olduğu takdirde çıkış seviyeleri arasındaki fark 10Log₁₀(200/50) = 6 db olacaktır. 

Ses basınç seviyesi farklarının insan tarafından nasıl algılandığı konusundaki araştırma sonuçlarında bazı farklar olmakla birlikte en yaygın kabul gören değerler aşağıdaki tabloda verilmiştir. 

Tablo 1. Ses basınç seviyesi artışlarının algılanışı

Tabloya göre güçten kaynaklanan 6 db’lik fark rahatlıkla fark edilebilenden biraz fazla, hassasiyetler arasındaki 20 db’lik fark ise 4 kat olarak algılanmaktadır.

Uygun ses basınç seviyesi

Müzik dinlemek için uygun ses basınç seviyesinin ne civarda olduğu konusunda çeşitli araştırmalar ve farklı görüşler vardır. Bunların bir kısmı canlı müzikteki veya konserlerdeki ses basınç seviyelerini ölçerek sonuca ulaşmaya çalışmaktadır. Ancak bu çalışmaların büyük bir çoğunluğunda ölçüm mesafesi, seviyenin ortalama mı yoksa azami mi olduğu, kullanılan ağırlık (weighting) tipi, ölçüm cihazının hızı gibi önemli veriler açıklanmamıştır. Ayrıca, bir konser salonu için uygun olan ses seviyesinin ev koşulları için ne kadar geçerli bir gösterge olacağı da şüphelidir.

Uygun ses basınç seviyesi konusunda önemli bir kriter de kulak sağlığıdır. Daha çok endüstriyel gürültülerin oluşturduğu riskleri gösteren bir tablo aşağıdadır.

A-weighting, aslında düşük seviyeli gürültülerin algılanma miktarına göre hazırlanmış bir ağırlıklandırma yöntemidir. Ancak, en yaygın olarak kabul edilen yukarıdaki değerler bu şekilde ağırlıklandırılmıştır. Müziğin endüstriyel gürültülere göre daha az darbeli olması nedeniyle daha az risk oluşturduğu görüşünde olanlar vardır. Ancak, bu konuda farklı görüşler de bulunduğu, ayrıca her insanın ayrı özellikleri olduğu ve kulaklarda uğultu, geçici işitme zayıflaması gibi belirtilerin uzun vadede ortaya çıkabilecek kalıcı hasarların işaretçisi olabileceği unutulmamalıdır.

Kolonlarda hassasiyet bölümünde anlatılan yöntemle yapmış olduğum incelemede ulaştığım ses basınç seviyeleri ile ilgili sübjektif sonuçlar aşağıdadır:

Tabloda verilen değerler dinleme mesafesindeki, yani kulak bölgesindeki ses basınç seviyesini (db spl) göstermektedir.

Maksimum değerler müzik sisteminin giriş seviyesi ile çıkış seviyesi arasındaki ilişkinin doğrusal olduğu varsayımına göre hesaplanmıştır. Ancak, özellikle kolonların gücünün sınırına yaklaşıldığında bu varsayımdan uzaklaşılır. Bu bölümde doğrusal yerine azalarak artan bir fonksiyon söz konusudur.

Tabloda verilen değerler belirli bir müzik sistemi ve koşullar çerçevesinde benim kişisel değerlendirmelerimdir. Müzik sistemlerindeki farklara ve kişiye göre değerlendirmeler değişebilir. Bununla birlikte sonuçlar makul ve tutarlı gözükmektedir.

Gerekli RMS güç ve hassasiyet

Çeşitli seviyelerde ses basınç seviyelerini elde etmek için gereken RMS güç (Watts) değerleri çeşitli kolon hassasiyetleri için aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tabloda bulunmayan hassasiyet ve seviyeler için gerekli güç değerleri aşağıdaki formüle göre hesaplanabilir:

Yukarıda verilen ses basınç seviyelerinin elde edilmesinde oda büyüklüğü, kolon adedi, dinleyicinin kolonlara mesafesi gibi faktörlerin de rolü vardır. Bu faktörlerin ne kadar etkili olacağı teorik olarak hesaplanabilse de pratikte koşullara bağlı olarak önemli sapmalar olabilir. Örneğin, bir ses kaynağına olan mesafenin iki katına çıkması durumunda ses basınç seviyesi açık alanda veya yansımasız odada teorik olarak 6 db azalır. Ancak pratikte kolonun sesi dağıtış şekli (polar response), odanın büyüklüğü, şekli ve ses yutucu özellikleri çok farklı sonuçlara yol açabilir.

Özetle, kolonlar için verilen hassasiyet ve güç rakamları değerlendirilirken istenen ses basınç seviyesinin yanı sıra oda boyutu gibi hususlar da dikkate alınmalıdır. Ayrıca, müzikte sinyalin 50ms’den kısa süreler için daha yüksek seviyelere ulaşabildiği, uç frekanslarda ortalama değerlerden sapmaların fazla olduğu, müzik sistemlerinin gücünün sınırına yakın kullanıldığında sesteki bozulmanın arttığı gibi faktörler de gözönüne alınarak yukarıdaki değerlere bir emniyet marjı eklemek uygun gözükmektedir.

Referanslar

Beranek, Leo L.; Acoustics, 2nd Edition
Colloms, Martin; High-Performance Loudspeakers, 3rd Edition
Everest, F. Alton; The Master Handbook of Acoustics, 2nd Edition
Hiraga, Jean; Les Haut-parleurs, 3rd Edition