Что такое кпд в автозвуке
— Чувствительность динамика. Характеристика всегда указываемая для динамика.Это можно сказать КПД динамика. Чем выше эта цифра тем громче будет играть динамик при прочих равных условиях, а громкость никогда лишней не будет :):):)
— диаметр динамика. Как правило чем больше диаметр динамика тем выше его чувствительность. см.выше. :)
— полосы динамика(колонки, аккустической системы, акустики) количество динамиков в составе акустики, которые воспроизводят каждый свои частоты.
— кроссовер.Специальная схема разделяющая сигнал на несколько полос для динамиков со своим диапазоном частот.
— компонентная акустика это у которой все полосы устанавливаются отдельно и независимо и
подключаются к общему кроссоверу.
Коаксиальная акустика- та в которой все полосы собраны вместе перед басовым динамиком.На нем же и установлен кроссовер как правило.
-поканальная система усиления. Эт система в которой у каждого динамика есть свой канал усилителя, в такой системе отсутствуют кроссоверы и все управляется процессорной магнитолой.
— мостовое включение каналов усилителя. Подключение при котором 2 канала усилителя работают на 1динамик.Мощность отдаваемая усилителем при этом возрастает в 2-3 раза.
— Силовые кабели: провода питания магнитолы или усилителей. Межблочные кабели: провода от линейных выходов магнитолы до входов усилителя. Аккустические провода: провода идущие к динамикам.
Отдельно хотел предостеречь вас от самой главной и распространенной ошибки.Самое бессмысленное занятие спрашивать в интернете как звучит тот или иной компонент и какой лучше.Не важно магнитола это, усилитель или динамики. Точно также бесполезно слушать компоненты на стенде в магазине. Это все не даст ровным счетом НИ ЧЕ ГО! Во первых уши и запросы у всех разные.То что нравится одному, будет ужасно для другого. Во вторых компонент в отрыве от конкретной машины в конкретной системе рассматривать нельзя! В разных условиях аппаратура будет звучать абсолютно по разному.
Любая покупка любой аппаратуры в какой то мере это тычок пальцем в небо и узнаете как оно заиграет только установоив все в свое авто и настроив.Совет всего один: перед покупкой постарайтесь послушать это у кого то в машине, похожей габаритами салона на вашу.
Теперь о главном! :)
Вы решили самостоятельно ставить звук в машину! Сели на диван и задумались :) А задуматься надо в первую очередь о том что хотите! Вернее насколько глубоко готовы залезть в свой кошелек и чего получить в результате. Тут рекомендую посидеть в машинах друзей и знакомых, послушать поспрашивать что и как стоит и потом определиться. Как правило классические системы формируют следующими вариантами:
— магнитола и 2 динамика сзади или спереди в дверях.
— магнитола и 4 динамика. 2 спереди 2 сзади.
— магнитола и 2 динамика спереди + саб
— магнитола и 4 динамика + саб
— прочее (поканалки, процессоры, многоусилительные системы. Либо многокиловаттные эс пи эль системы).
Лучше всего сразу реально оценить свои запросы, силы, возможности и финансы и только потом
начинать. Переделывать всегда сложнее чем делать с нуля.
1) МАГНИТОЛА. Рекомендую обойти стороной самые дешевые магнитолы. К сожалению сделаны они не надежно и их век крайне не велик. Лучше возьмите бюджетную магнитолу от брендов чем навороченую двд, тв китайскую поделку. Уверяю вас глюки и косяки приведут вас в бешенство и от радости не останется и следа.
Второй совет по магнитолам: отдайте предпочтение магнитолам с USB входом. В случае каких
либо проблем с приводом у вас всегда останется второй источник.
Ну и третий очень важный совет: проследите чтоб количество линейных выходов хватило для построения вашей системы.
Бывает 1 линейный выход на сабвуфер.
2 линейных выхода: Могут переключатся либо работать на полный диапазон либо на работу с сабом.
3 линейных выхода: 2 на полный диапазон +1 на саб.
4 линейных выхода: тоже что и предыдущее только выхода на саб 2 с возможностью переключения на полную полосу (2 фронт-2 тыл).
5 линейных выходов. 2 фронт, 2 тыл + 1 на саб.
6 линейных выходов. 2 фронт, 2 тыл, 2 саб, либо в случае процессорной магнитолы 6 линейных выходов + саб для организации поканальной системы.
Что касается сабвуферных выходов то по сути разницы не будет что 1 что 2 выхода.
На любой 1 линейный выход в принципе можно подключать 2 усилителя через разветвитель.но как
показывает практика есть риск что линейник не сможет полноценно раскачать оба усилка.
2) ПЕРЕДНИЕ ДИНАМИКИ (фронт). Тут у вас выбор только между количеством полос компонентной акустики. Коаксиальная за очень редким исключением не работает адекватно на фронте. Вам придется выбирать между 2мя и 3мя полосами. Если у вас нет планов строить поканальную систему с процессорной магнитолой, советую вам остановиться в выборе на 2х полосной системе.
Ее проще установить и гораздо проще настроить. Мидбасовые динамики ставятся в двери, желательно с доворотом на слушателя. Пищалки в оконные стойки, либо в угол окна двери.Пищалки желательно в регулируемых корзинках, чтоб можно было регулировать их направление.
3) ЗАДНИЕ ДИНАМИКИ (тыл) тут как раз вполне подойдут коаксиальные динамики. предпочтительно блины ( у них больше площадь излучения а значит и чувствительность ;) ). с полосами в них немного сложнее. Встречаются не только 2х и 3х полосные но и 4,5 и даже 6 полос! :) как правило полос там все те же 3 но по 2-3 динамика на сч и вч полосу. Из моих наблюдений оптимально 3 полосы. Больше нет смысла.При подключении от магнитолы бессмысленен подбор динамиков по мощностям. Практически любая коаксиальная или компонентная система подойдет по мощности к магнитоле. Настоятельно советую не читать заявленые мощности на динамиках, усилках, магнитолах. В реальности цифры гоораздо скромнее.;)
4) САБВУФЕР. Самый модный компонент автозвука :):):) Повод для гордости любого автомобилиста!
Сабвуферы бывают с заводским корпусом и без. Те которые без корпуса делятся на те которые расчитаны на работу в ящике и на те которые работают в аккустической полке.При этом нельзя ставить фри эйрный саб в ящик и ящичный в полку. В лучшем случае вы получите говнозвук в худшем убьете динамик.
Разновидности сабов:
— активный. саб со встроенным усилком. самый простой, незатейливый и дешевый вариант. Звук от него точно такой же самый простой, незатейливый и дешевый.
— фри эйр. Устанавливаются в полку и имеют весьма посредственный звук. годится для тех кто не хочет особо заморачиваться.
— Оформление Закрытый Ящик. просто ящик в который установлен динамик. отличается ровной характеристикой баса, скоростью баса. Но проигрывает по громкости.
— оформление ФазоИнвертор. Самое распространенное оформление. Ящик со щелью или круглыми портами. Излюбленное оформление ЭС ПИ ЭЛЬщиков. Приемущества: громкость, громкость и громкость :) В заводском оформлении им иногда не хватает скорости баса и качества. И для такого саба нужен обязательно усилитель с сабсоником (фильтром инфранизких частот) Без него есть риск порвать динамик в силу особенностей работы этого оформления.
— Оформление БандПасс. Если в двух словах это оформление в котором динамик находится внутри
ящика а наружу выходят только порты. Это оформление является самым громкоим из всех, но
вместе с тем и крайне сложным в изготовлении, расчете и настройке.Как раз изза этого
практически все бандпассы заводского изготовления имеют очень не красивый, бубнящий, гудящий
звук без какой либо атаки. Лично я ни кому не рекомендую это оформление. Оставьте его для
фанатов и спецов.
Сабвуферы бывают однокатушечные и двухкатушечные. 2х катушечным с помощью разного подключения обмоток менять незначительно харатктеристики.Или подключать сразу к 2м усилителям. такие сабы использую эс пи эльщики для достижения аксимальной мощности отдаваемой усилителем.
Также сабвуферы отличаются диаметром. Чем больше диаметр тем выше чувствительность и ниже частота работы и пожалуй ниже скорость баса. Ну и большой диаметр требует большого объема ящика который поселится в багажнике, не забывайте об этом.
Если вы решитесь изготавливать ящик самостоятельно то не хватайте тут же ножевку и шуруповерт. Потратьте время на изучение того как правильно это делать. На первый взгляд дело не хитрое, но скрывает в себе множество нюансов от которых напрямую будет зависеть результат. В частности самое главное то что каждому динамику необходим индивидуальный объем ящика и его параметры. В один ящик тыкать все динамики подрят дело не особо благодарное, по этому либо воспользуйтесь рекомендациями производителя в документах на динамик, либо сделайте расчет самостоятельно с помощью программы JBL speakershop.
Усилители бывают 1но канальные( моноблоки) 2х канальные, 4х канальные, 5ти канальные.
Сперва поделюсь с вами одной небольшой хитростью на которую многие не обращают внимание.
Все усилители расчитаны на работу с определенным сопротивлением нагрузки. Боевыеусилители в
расчет брать не будем. Они для спецов, им моя статья нах не нужна :):) Все обычные усилки работают с 2х омной нагрузкой на канал и 4 ом при соединении каналов в мост.Меньше сопротивление подключать опасно для усилка. Больше можно но усилитель не сможет работать на полную громкость.Так вот. Подавляющее большенство акустики на рынке имеет сопротивление 4ом! А это значит в обычном включении на 1 канал мы можем совершенно спокойно повесить по 2 динамика! например есть фронт и тыл.Совершенно не обязательно брать 4х канальный усилитель. Достаточно 2х канального :) Единственный минус- отсутствие регулировки баланса фронт-тыл.
— моноблоки. Бывают сабвуферные и с полной полосой. используются как правило для работы с мощными сабами.
— 2х канальные усилители. Применяют как для работы с фронтом, тылом так и соединяют в мост
для работы на сабвуфер.
-4х канальные. Как правило 2 канала соединяют в мост для саба. Оставшейся парой каналов качают фронт, тыл.
-5ти канальные. Этакий универсальный вариант. 4 канала для фронта-тыла и 1 канал более мощный на саб.
Также усилители делятся на классы работы.Самые распространенные: А, АВ.D класс. Принцип работы у этих усилителей разный, но главное что нас интересует это то, что они имеют разный КПД.
А класс. используется в основном специалистами SQ такие усилки имеют большой нагрев, большие габариты и низкий КПД порядка 20-30процентов если не ошибаюсь.
АВ класс. Самый распространенный среди усилителей. средние размеры, средний нагрев, КПД порядка 60процентов.
D класс. Цифровые моноблоки. Большая мощность, маленький размер, небольшой нагрев, КПД до 85-90 процентов. Минус в том что за редким исключением D класс не может воспроизводить высокие частоты изза особенностей свой конструкции и могут работать только на сабвуфер.
Самый главный вопрос: как подобрать по мощностям динамики- усилители. Чтоб и работало на всю и не горели динамики. К сожалению это не просто. Производители практически никогда не указывают верную мощность. Тут могу посоветовать только одно: на форумах узнать у людей примерную РЕАЛЬНУЮ максимальную мощность выбираемых динамиков и усилителей и подбирать либо равные по мощности компоненты либо чтоб динамики были чуть мощнее.
Тут все немного проще чем кажется. Во первых сразу хочу развеять миф о бескислородной меди. ВСЯ медь используемая в проводах является бескислородной и только такой! Медь насыщенная кислородом очень хрупка и она крошится. соответсвенно для проводов физически непригодна. В общем реклама и не более того.Зато появилось другое технологическое решение. Обмедненный аллюминий. аллюминиевый провод с медной оболочкой. Практически все бюджетные rомплекты подключения усилителей состоят из таких проводов. их легко отличить по белесому срезу и легко отламывающихся жилках. В принципе такой провод будет работать но его характеристики существенно хуже чем у медного. Он даст больше просадок на пиках потребления. В общем советую вам использовать провода содержащие чистую медь.Как силовые так и акустические.Сечение силовых проводов можно подобрать по этой табличке.
Ток потребления лучше считать суммой номиналов предохранителей усилителей, чтоб был запас.
Сечение акустических проводов можно посчитать примерно так:
D=(Pmax/U)/10
где D — диаметр кабеля в, Pmax — максимальная мощность потребителя, в данном случае динамика (либо же максимальная мощность усилителя на канал). Лучше для расчета брать большее значение, дабы обеспечить запас для дальнейшего роста.
U — напряжение сети, т.е. 12В.
К межблочным проводам есть еще одно требование кроме чистоты меди. надежное экранирование. чем качественнее выполнено экранирование межблоков тем меньше помех они наловят. Я бы посоветовал для установки в систему использовать бюджетные линейки межблочников брендовых фирм.
Отдельно упомяну сложные поканальные процессорные системы которые являются высококачествеными системами воспроизведения звука.И системы расчитаные на максимальное звуковое давление.И то и другое профессиональный высший пилотаж. Настолько высший что как правило в повседневной жизни оно и нафиг не надо :) В обоих случаях не звук для машины а машина для звука :) Такие системы как правило строят профессионалы и знатоки.
Многие думают, что динамик расходует энергию просто на перемещение большой воздушной массы. Плотность воздуха 1,2кг на 1м^3, то есть, в типичном корпусе для 12" сабвуфера менее 100г воздушной массы. Двигать сотню граммов динамику так же легко, как урагану Катрина стайку воробьев. Если на это и уходит какая то часть энергии, то она настолько мизерная, что ею можно пренебречь.
А вот чтобы сжать воздух, энергии требуется очень много. Динамику необходимо сначала разогнать воздушную массу, а затем заставить ее очень резко тормозить и тем создать сжатие(давление). Процесс называется "динамическая компрессия".
Именно это и происходит в тот момент, когда диффузор сначала засасывает некий объем воздушной массы в порт и разгоняет его, а затем, когда воздух достигает выхода из порта, диффузор уже успевает вернуться в начальную точку и создать избыточное давление в объеме, которое заставляет воздух из порта резко затормозить.
Так, именно на динамическое сжатие воздуха динамик и тратит энергию, что есть "акустическая нагрузка".
Очевидно, чем выше степень сжатия, тем выше давление. Также очевидно, что процесс динамической компрессии имеет некий КПД, зависящий от ряда факторов: чем больший объем, чем быстрее разогнать и чем резче остановить, тем выше давление.
Как получить больший объем? Использовать порт максимальной площади. Как разогнать быстрее? Использовать порт минимальной длины. Как остановить резче? Использовать минимальный объем корпуса. Все это очень просто, в теории примерно так и работает, будь у нас динамический насос. Но это там чем выше частота, тем круче, а у нас все наоборот - мы любим низкие частоты, что вносит свою коррективу. Однако, принципы у нас все те же, и те же проблемы.
Рассмотрю три основные проблемы, которые вижу на ваших примерах.
1) Обратное давление.
Когда диффузор засасывает или выталкивает воздух - в порт попадает только часть воздуха, только часть будет делать звук, а другая часть ускорится, на что динамик потратит энергию, но улетит в обратном направлении, не сделав ничего полезного.
Какой выход? Самый простой - увеличивать площадь порта, что хорошо. Но этим действием мы снижаем скорость потока, а значит снизим и давление. Тут есть место жизненно необходимому компромиссу. А еще мы научились делать фланцы.
Кто-то когда-то сказал, что фланцы нужны для борьбы с турбулентностью на входе\выходе. Правда отчасти, тк с нею фланцы действительно помогают. Вот только для этого не нужно ничего толком считать и изучать, достаточно просто избавиться от резких граней на входе\выходе небольшим радиусным закруглением. А вот чтобы эффективно побороться с обратным давлением - нужно считать и изучать, а затем строить правильный профиль фланца.
Существует экспонента, у=e^x. Профиль фланца на ее основе действительно помогает бороться с проблемой, действительно увеличивает КПД, позволяя через меньшую площадь порта пропустить больший объем воздуха.
Тут вы скажете "фланцы-фланцам, а как же экспо-порт". А "экспо-порт" - это, друзья, костыль. Насколько он помогает ускорить и пропустить бОльшую воздушную массу, настолько же он препятствует ее более резкой остановке. Весь корпус должен быть одной большой экспо-трубой чтобы экспо-порт работал адекватно, тк в обычном прямоугольном корпусе уменьшения объема и увеличения "встречного давления" не происходит.
2) Однородность потока.
Суть проблемы в том, что в разных типах туннеля поток протекает по разному. Т.к. вдоль стенок поток протекает медленнее, чем в центре, то максимально однородным поток будет в таком порте, где площадь стенок минимальна - в круглом.
Только и исключительно в круглом порте максимально ускорен будет наибольший объем воздушной массы. Ни в каком другом.
Чем быстрее мы разгоняем воздух в порте, чем больший объем разогнанного воздуха, тем большее давление внутри корпуса потребуется, чтобы этот воздух резко остановить, а значит и объем корпуса следует уменьшать, чтобы такое давление создать. Уменьшая объем корпуса, мы поднимаем частоту настройки. Чтобы снизить частоту настройки - увеличиваем длину порта, что снижает скорость потока.
В этом суть балансировки - при минимально возможной площади порта, где обратное давление минимально, выбрать такое отношение длины порта к объему, которое позволяет получать и максимальную скорость потока в порте, и максимально резкую остановку на выходе, и максимальный КПД как следствие. Это и будет идеальный корпус.
Теперь формула идеального корпуса вам известна. Вернемся в реальный мир с вопросом "Как это знание связать с конкретно моим динамиком?". Только тестами, друзья, только тестами - у вас не просто разные динамики, еще разные и мощности, и любимые частоты настройки. Теперь вы просто лучше понимаете что именно делаете, для чего и почему.
Так и что в итоге делаем? Все очень просто.
1) строим порт правильного сечения с правильными фланцами.
2) находим правильную площадь порта при нужной настройке.
3) находим правильное соотношение объема\длины порта.
5) PROFIT, вы великолепны!
Естественно, не все готовы тратить столько времени на тесты. Так что, если надо совсем просто: строите то, что мы рекомендуем, и используете это на той мощности, что мы рекомендуем, и в том диапазоне частот, который мы рекомендуем. Затем производите "тонкую настройку" оформления под ваши персональные условия, руководствуясь вышеописанными принципами.
Современные динамики
Наверняка многие замечали что современные громкоговорители звучат ненатурально. Вызвано это по большей части стремлением выжать из малюсенького динамика сносный звук. Для этого используют современные композитные материалы. Однако, низкий КПД, который раньше считался большим недостатком, постепенно превратилось в средство достижения высокой верности воспроизведения. Конечно искусственное снижение КПД динамиков это не самоцель, а следствие стремления производителей к высокому качеству воспроизведения. Это, как сейчас модно говорить Hi-End.
Зачем искусственно снижать КПД динамиков:
-1- Стремясь к высокой верности воспроизведения в последние годы все чаще и чаще отказываются от использования корпусов для акустических систем типа “фазоинвертор” а также с акустическими лабиринтами. Громкоговорители располагают только на лицевой стороне акустической системы, а заднюю часть делают герметичной, т.е. Используется конструкция типа “закрытый ящик”. Это определенно снижает КПД, но обеспечивает гораздо более натуральное и естественное звучание низкочастотной составляющей, особенно в области собственного резонанса.
-2- Для уменьшения искажений на низких частотах, там где работа динамика переходит в поршневой режим, практикуется увеличение длины подвижной катушки так, чтобы оба ее конца выходили за пределы магнитного зазора. В этом случае намотка катушки пересекает равномерное магнитное поле, однако при этом уменьшается используемая в ней электрическая мощность
-3- Для уменьшения искажений и паразитных резонансов вызванных местными деформациями, диффузор НЧ громкоговорителей делается менее упругим и более толстым. Это увеличивает его массу и требует большей электрической мощности для приведения его в движение.
-4- Часто конструкторы практикуют искусственное снижение индукции магнитного поля в зазоре до некоторого оптимального значения. Хоть обычно и стремятся сделать обратное, как ни странно снижение индукции благоприятно сказывается на звучании и способствует более быстрому затуханию нежелательных колебаний на высоких частотах.
Перечисленные примеры не исчерпывают всех приемов и соображений связанных с уменьшением КПД динамиков. Однако они отчетливо демонстрируют к каким компромиссам можно прибегать ради высокой верности воспроизведения.
Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название - АудиоГик. Материалы этого сайта - личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали :-)
Что такое «класс усилителя»? На самом деле слово «класс» в данном случае обозначает принцип работы усилителя.
Класс А
Этот класс по праву считается безнадёжно устаревшим. В настоящее время его можно встретить, пожалуй, только в домашней аудиотехнике, да и то всё реже. Главное достоинство таких усилителей — минимальные искажения на малых уровнях сигнала, они прекрасно передают мельчайшие нюансы. А вот на высоких уровнях сигнала всё уже далеко не так прекрасно. К тому же КПД таких усилителей редко превышает 30%, основная часть энергии уходит в тепло, из-за чего они очень сильно греются. В автомобильной технике таких усилителей единицы, и в основном это старые модели.
Класс В
Такие усилители имеют низкий ток покоя (почти не потребляют энергии при отсутствии сигнала). Как следствие, у них более высокий КПД. Но из-за особенностей своей работы имеют и более высокий коэффициент гармонических искажений на малой громкости. Впрочем, на высокой громкости они уже не так заметны. В классе В работают подавляющее большинство недорогих, но мощных автомобильных усилителей, несмотря на то, что на них пишут «Класс АВ».
Класс АВ
«Золотая середина» между классами А и В. Усилители АВ-класса намного эффективнее усилителей А-класса и имеют заметно меньшие искажения, чем усилители B-класса. Оригинальные схемные решения позволили получить в этих моделях очень высокое качество звука при совсем небольшой цене.
Класс D
Многие называют такие усилители «цифровыми», хотя это неправильно. Буква D действительно пошла от слова Digital, но в данном случае оно переводится как «импульсный». В таких усилителях входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов разной длительности: выше амплитуда — импульс длиннее, ниже амплитуда — импульс короче.
Импульсный сигнал усиливается, как и в обычных усилителях, но из-за того, что выходные каскады работают в «ключевом режиме» (включено-выключено, без промежуточных значений), потери получаются минимальными, а КПД очень высоким. Перед подачей на динамик импульсный сигнал проходит через LC-фильтр (катушка индуктивности и конденсатор) и снова приобретает исходную непрерывную (аналоговую) форму.
Существует стереотип, что усилители класса D уступают качеством звучания традиционным усилителям класса АВ. И так действительно было лет десять-пятнадцать тому назад. Но сегодня даже консервативный домашний High End вовсю строится на D-классе. Причина проста — современная элементная база позволяет поднять несущие частоты (частоты следования импульсов) до 400 и даже выше килогерц. Более того, D-класс сейчас даже лучше подходит для систем, ориентированных на аудиоформаты высокого разрешения (Hi-Res Audio).
Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.
В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.
По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.
Вычисляется по формуле:
Формула КПД
η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа [Дж]
Aзатраченная — затраченная работа [Дж]
Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман. Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору. То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.
Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.
Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.
Потенциальная энергия
Еп = mg
Еп — потенциальная энергия [Дж]
m — масса тела [кг]
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля g ≃ 9,8 м/с^2
Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.
Механическая работа
А = FS
A — механическая работа [Дж]
F — приложенная сила [Н]
И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?
Все очень просто! Задаем два вопроса:
- За счет чего происходит процесс?
- Ради какого результата?
В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.
КПД в механике
Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.
КПД
η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа [Дж]
Aзатраченная — затраченная работа [Дж]
Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются.
Давайте разберемся на примере задачи.
Задача
Чтобы вкатить санки массой 4 кг в горку длиной 12 метров, мальчик приложил силу в 15 Н. Высота горки равна 2 м. Найти КПД этого процесса. Ускорение свободного падения принять равным g ≃9,8 м/с^2
Запишем формулу КПД.
η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%
Теперь задаем два главных вопроса:
Ради чего все это затеяли?
Чтобы санки в горку поднять — то есть ради приобретения телом потенциальной энергии. Значит в данном процессе полезная работа равна потенциальной энергии санок.
Потенциальная энергия
Еп = mgh
Еп — потенциальная энергия [Дж]
m — масса тела [кг]
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля g ≃9,8 м/с^2
За счет чего процесс происходит?
За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе
Механическая работа
А = FS
A — механическая работа [Дж]
F — приложенная сила [Н]
Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:
η = Eп/A * 100% = mgh/FS * 100%
η = 4*9,8*2/15*12 * 100% = 78,4/180 * 100% ≃ 43,6 %
Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6 %
КПД в термодинамике
В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.
- Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.
Схема теплового двигателя выглядит так:
У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q1 или Qнагревателя (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).
- Рабочее тело — это тело, на котором завязан процесс (чаще всего это газ). Оно расширяется при подводе к нему теплоты и сжимается при охлаждении. Часть переданного Q1 уходит на механическую работу A. Из-за этого производится движение.
Оставшееся количество теплоты Q2 или Qхолодильника отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.
КПД такой тепловой машины будет равен:
КПД тепловой машины
η = (Aполезная/Qнагревателя) * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа (механическая) [Дж]
Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]
Если мы выразим полезную (механическую) работу через Qнагревателя и Qхолодильника, мы получим:
A = Qнагревателя — Qхолодильника.
Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.
КПД тепловой машины
η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]
Qхолодильника — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]
А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела?
Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя.
Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.
Запишем его, чтобы не забыть:
Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.
Задача
Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.
Решение:
Возьмем формулу для расчета КПД:
η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%
η = 20 — 10/20 *100% = 50%
Ответ: КПД тепловой машины равен 50%
Идеальная тепловая машина: цикл Карно
Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.
На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом
А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.
КПД цикла Карно
η = Tнагревателя — Tхолодильника /Tнагревателя *100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Tнагревателя — температура нагревателя[Дж]
Tхолодильника — температура холодильника [Дж]
КПД в электродинамике
Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.
КПД
η = Aполезная/Aзатраченная *100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа [Дж]
Aзатраченная — затраченная работа [Дж]
Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.
Задачка, чтобы разобраться
Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.
Решение:
Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно 😉
Количество теплоты, затраченное на нагревание
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Работает чайник, потому что в розетку подключен. Затраченная работа в данном случае — это работа электрического тока.
Работа электрического тока
A = (I^2)*Rt = (U^2)/R *t = UIt
A — работа электрического тока [Дж]
U — напряжение [В]
R — сопротивление [Ом]
То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:
η = Q/A *100% = Q/UIt *100%
Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь намм известны все значения, поэтому подставим их:
η = 22176/220*1,4*120 *100% = 60%
Ответ: КПД чайника равен 60%.
Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:
Работа электрического тока
A — работа электрического тока [Дж]
Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.
Читайте также: