Усилитель. Тайны черного ящика.
В стандартах на усилители, как международных, так и отечественных,
присутствует до сотни параметров, долженствующих, по замыслу специалистов,
характеризовать качество этого устройства.
В стандартах на усилители,
как международных, так и отечественных, присутствует до сотни параметров,
долженствующих, по замыслу специалистов, характеризовать качество этого
устройства. Правда, ныне стандарты — это некий ориентир, поскольку они
оговаривают больше методику измерения параметра, а не конкретное его значение,
достижение которого служит неоспоримым свидетельством принадлежности аппарата к
некоей категории, например Hi-Fi, столь дорогой аудиолюбителю со стажем.
В почти полуторавековой истории звуковоспроизведения чисто механическая
эпоха закончилась относительно быстро. Эра электроники началась с изобретения Ли
де Форестом триода в 1906 году. Вся история эволюции техники усилителей — это
бесконечный выбор между качеством, которое в эпоху хай-фай рассматривалось как
наилучшее приближение к оригиналу, то есть живому исполнению музыки, и
эффективностью. В роли усилительных элементов используются лампы или транзисторы
(дискретные либо в виде интегральных микросхем), причем возможны различные их
комбинации в одном устройстве. Но количество аналоговых режимов их работы или
классов при этом всего два: А и В. При работе в классе А усилительный элемент в
большей или меньшей степени открыт и действует в течение всего периода сигнала.
Во всех каскадах предварительного усиления используется только класс А. Если
говорить об усилителе мощности, то этот класс фатально неэффективен: полезная
мощность, отдаваемая в нагрузку (громкоговоритель), составляет не более одной
пятой. То есть для питания стереоусилителя с выходной мощностью 100 Вт
потребуется около 1 кВт. В классе В для усиления каждой полуволны используется
свой элемент. Положительную полуволну усиливает один, а другой, предназначенный
для усиления отрицательной, в это время закрыт, а потом они меняются местами.
Подобный вариант позволяет повысить эффективность теоретически до 78%.
Производители дорогой техники предлагают усилители мощности с переключением
режима выходного каскада из класса А в класс В. Чтобы снизить влияние
специфических для класса В искажений, используется комбинированный класс АВ: для
малых амплитуд сигнала усилитель работает в классе А, а для больших — в классе
В. Но эффективность такого усилителя, естественно, падает, и мощность в классе А
в разы меньше, чем в классе В. Существует еще импульсный класс D, в котором на
практике используются только транзисторы, хотя теоретически могли бы быть и
лампы. В усилителях этого класса выходные транзисторы функционируют как ключи,
которые либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Вследствие того что в
таком режиме работы практически отсутствует выделение тепла, эффективность
усилителя приближается к 100%. Это отличает его от «частично проводящих»
устройств классов А или В.
Поскольку непрерывный музыкальный сигнал невозможно воспроизвести только
включением/выключением каскада, усилители класса D представляют его, изменяя
временной отрезок между переключениями электронного ключа. Такой процесс
называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, или, по-английски, PWM).
Американский автор статьи, где описывался один из первых вариантов звукового
усилителя, работающего в классе D, приводил следующий аргумент в его пользу: при
замене каждого из миллиона усилителей мощности, которые есть у жителей Чикаго,
снижение энергопотребления позволит остановить электростанцию на Ниагарском
водопаде. Типов искажений сигнала в усилителе несколько, но обычно технически
подготовленные покупатели обращают внимание в первую очередь на нелинейные
искажения (используя кальку с английского, они называются также общими
гармоническими искажениями), хотя, на наш взгляд, они не являются главными.
Величина этих искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (КНИ),
который представляет собой выраженное в процентах отношение эффективной
амплитуды высших гармоник на выходе устройства к эффективной амплитуде сигнала
основной частоты при воздействии синусоидального сигнала этой частоты на вход
устройства. Указанный параметр позволяет количественно оценить нелинейность
передаточной характеристики, которая проявляется в возникновении в выходном
сигнале спектральных составляющих (гармоник), отсутствующих во входном сигнале,
то есть происходит изменение спектра входного сигнала. Это объективные
гармонические искажения, физически присутствующие в воспроизводимом звуковом
сигнале. Однако существует еще орган слуха человека, который является нелинейной
системой. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии на
барабанную перепонку синусоидального звука с некоей частотой в слуховом аппарате
зарождаются гармоники этого звука с частотами в два, три и т. д. раза больше.
Поскольку в первичном воздействующем тоне нет этих гармоник, они получили
название субъективных гармоник. При росте интенсивности основного тона величина
субъективных гармоник резко увеличивается и может даже превысить его. Это
обстоятельство дает основание для предположения о том, что из-за нелинейности
слуха звуки с частотой менее 100 Гц ощущаются не сами по себе, а из-за
создаваемых ими субъективных гармоник, попадающих в область частот свыше 100 Гц.
КНИ современных усилителей обычно располагается в пределах от 0,001 до 2%. Для
усилителей уровня Hi-Fi международные стандарты (МЭК 581-6 и др.) устанавливают
норму на искажения в 0,7%. Для субъективной оценки заметности искажений при
прослушивании своей домашней системы можно использовать специальные записи с
привнесенным, строго установленным уровнем искажений. Например, на тестовом CD
«MY DISC» (фирма Sheffield Lab) имеется дюжина дорожек с записями отдельно
синусоидального и музыкального сигнала с уровнями искажений 0,03%, 0,1% и так
далее с постепенным увеличением вплоть до 10%. Внимательное и критическое их
прослушивание может дать незаменимый опыт оценки звучания.
Стандарты предусматривают измерение еще и интермодуляционных искажений,
коэффициент которых показывает, как влияют низкочастотные сигналы большой
амплитуды на усиление слабых высокочастотных сигналов. Это более важный параметр
для усилителя, предназначенного для звукоусиления, поскольку в музыкальном
сигнале присутствует практически весь слышимый спектр, а не только какая-то одна
частота, для которой измеряются КНИ. Один английский специалист предлагал в
журнале «Wireless World» измерять искажения при воздействии трехчастотного
сигнала. Результаты его эксперимента показывали, что усилители (он тестировал
известные и популярные модели), имеющие одинаковые коэффициенты нелинейных и
интермодуляционных искажений, при измерении по его методике дают существенно
отличающиеся результаты. Однако чиновники МЭК не приняли это предложение в
качестве стандарта — возможно, под давлением крупных производителей аппаратуры.
Для нормальной работы электронных ламп выходных каскадов усилителей мощности (в
пределах допустимых напряжений и токов) требуется достаточно высокое
сопротивление нагрузки, тогда как сопротивление пассивных акустических систем
мало: номинальное варьируется от 4 до 16 Ом, а на отдельных частотах может
падать и ниже 1 Ом.
В качестве согласующего элемента, позволяющего получить большой ток в
нагрузке, применяется выходной трансформатор с высокоомной первичной и
низкоомной вторичной обмоткой. Такой трансформатор — настоящее произведение
инженерного искусства, поскольку в отличие от силового трансформатора в блоке
питания он должен обеспечивать передачу сигнала во всем звуковом диапазоне
частот и лаже выше. Можно исключить этот дорогой в силу своей сложности и
критичный элемент схемы, используя бестрансформаторный выход (англоязычное
обозначение — OTL), при котором в выходном каскаде несколько ламп работают
параллельно на общую нагрузку, обеспечивая необходимый ток. Характерным примером
здесь является стереоусилитель мощности итальянской фирмы GRAAF GM 200: чтобы
дать мощность по 200 Вт на канал при нагрузке 8 Ом, на выходе работают тридцать
две лампы PL504 — по восемь в каждом плече выходного каскада. Заметим, что для
мощных транзисторов проблемы выходного трансформатора не существует: они в
состоянии обеспечить необходимый ток в нагрузке. А сколько нужно ватт на выходе
усилителя, чтобы получить достаточную громкость звучания при воспроизведении в
жилом помещении? Это зависит в первую очередь от чувствительности акустики, а
также от размера помещения и его акустических характеристик.
Необходимо учитывать, что цена усилителя зависит от выходной мощности
(практика показывает, что разумная стоимость стереоусилителя — приблизительно
два доллара за ватт выходной мощности) и что в то же время «большая мощность» и
«хорошее звучание» не всегда являются синонимами. С одной стороны, максимальное
предложение по числу моделей на рынке лежит в диапазоне от 100 до 150 Вт на
канал, но реальная потребность может оказаться меньше, чем представляется на
первый взгляд. При фоновом воспроизведении тихой музыки в комнате площадью 30 м2
уровень звукового давления составляет приблизительно 60 дБ, что обеспечивается
двумя акустическими системами средней чувствительности и стереоусилителем с
выходной мощностью всего лишь 3 мВт на канал. Звукорежиссеры при сведении
мастера обычно проводят контрольное прослушивание при уровне громкости 80 дБ или
чуть выше. Для домашнего воспроизведения с такой громкостью мощность усилителя
должна быть увеличена до 2 х 0,3 Вт, а громкая музыка (90 дБ) требует мощности
2x3 Вт. Заметим, что большой симфонический оркестр в концертном зале не создает
звуковое давление более 95 дБ, для чего в нашем примере потребуется усилитель с
мощностью 10 Вт на канал.
А зачем же тогда нужна солидная мощность? Для правильного воспроизведения
коротких пиков, превышающих средний уровень на 10 дБ и более. На практике
необходимая выходная мощность усилителя зависит от требуемого уровня звукового
давления и эффективности громкоговорителей. Тут, как ни крути, акустика — самое
важное звено. Приведенные выше данные эассчитаны для систем с чувствительностью
86—87 дБ. Эта характеристика измеряется в специальной безэховой камере при
подаче на акустику тестового сигнала мощнотью 1 Вт. В обычной комнате такая
система обеспечит сколько меньшее звуковое давление (85 дБ). Здесь местно
привести несколько общих сведений об эффективности акустики различных
конструкций. Акустические системы с закрытым корпусом (acoustic-suspension)
обычно имеют чувствительность 83...87 дБ. У акустики с фазоинвертором (vented,
bass-reflex) чувствительность может находиться в пределах 88—93 дБ, а у рупорных
моделей она еще выше. Правило расчета мощности очень просто. При каждом
увеличении звукового давления на 3 дБ мощность усилителя должна удваиваться, а
на 5 дБ — утраиваться (заметим, что разница в 1—2 дБ практически незаметна при
работе с хорошим 30—40-ваттным усилителем). При этом необходимо учитывать
возможности акустики: большинство АС категории Hi-Fi неспособны воспроизводить
звук с уровнем более 100 дБ без роста искажений. Так что если ваша акустика
имеет чувствительность 90 дБ, то для получения уровня 100 дБ достаточно
усилителя с половинной мощностью 2 х 15 Вт вместо 2 х 30 Вт. А усилитель с
выходом 2 х 60 Вт на такой акустике обеспечит вам уровень уже в целых 106 дБ! Я
думаю, теперь ясно, почему ламповый усилитель, работающий в классе А с мощностью
2 х 15 Вт, при соответствующем подборе акустики удовлетворит владельца
практически во всех случаях домашнего воспроизведения. Что же касается
помещения, то дать точную оценку весьма затруднительно. Понятно, что для
озвучивания большего помещения требуется и большая мощность. Ориентировочно
можно принять, что в жилых комнатах это соответствует разнице звукового давления
около 5 дБ (напомним: разброс по мощности в три раза!).
ASW, AUDIO PRO, B&W,
Cambridge Audio, Canton, Cerwin-Vega!, DALI,
Dynaudio, Elac, HECO, JAMO, JBL, KEF,
KLIPSCH, MAGNAT, Martin Logan, Meridian, MONITOR
AUDIO, MT-Power, NAD, Onkyo, PARADIGM, PMC,
PSB, Q Acoustics, RBH, Sonus Faber, SpeakerCraft,
TANNOY, TRIANGLE, Wharfedale, YAMAHA, Anthem,
ARCAM, Denon, Harman/kardon, Marantz, NAD,
Pioneer, SHERWOOD, Arcus, Cambridge Audio,
Cyrus, Denon, Micromega, Musical Fidelity, PARASOUND,
Pioneer, Pro-Ject, Rotel, THORENS, Clearaudio
Комментариев нет:
Отправить комментарий