Это шестая статья цикла о том, почему акустика, которая хорошо измеряется, может плохо звучать.
В первой статье выяснилось то, что АЧХ суммирует всю поступившую энергию независимо от времени её прихода. Во второй — что помещение добавляет к звуку большое количество отраженных копий и резонансов, с которыми надо научиться дружить. В третьей — что качество воспроизведения низких частот сухие цифры характеристик не отражают. Четвёртая спустилась глубже — до самого динамика: идеального решения не существует, а ошибки проектирования после покупки уже не исправить. Пятая (ч.1 и ч.2) была посвящена искажениям: что это такое, почему порядок гармоники важнее её абсолютной величины, и почему слух отзывается на эти явления совсем не так, как измерительный прибор. На тот момент все закончилось заменой усилителя, но проблема с высокими частотами осталась на месте.
С усилителями получилась занятная картина — эти устройства незаметно присутствовали фоном практически с самого начала цикла. Уже в первой статье я сознательно отложил разговор о них приняв допущение об их невиновности по сравнению с динамиками: измерительный стенд, синусоида, резистивная нагрузка и красивые цифры. Позже, в пятой, тема снова возникла вскользь — упоминались выходной каскад класса B, режекторный фильтр и мысль о том, чтобы управлять током вместо напряжения. Каждый раз разговор откладывался, и вот настал момент, когда откладывать дальше некуда.
Главный вопрос звучит просто: все ли усилители звучат одинаково? Когда происходили описываемые события готового ответа у меня не было. Понимание приходило постепенно, шаг за шагом. Мешало то, что распутывались сразу две нити, усилитель и источник сигнала, и понадобилось несколько заходов, чтобы понять, кто из них за что отвечает. Поэтому объяснение первопричин моего недовольства и разделилось надвое: источникам будет посвящена отдельная статья.
Половина результата
Система осталась той же, что и в прошлой статье: акустика Infinity Renaissance 90 подключена к ресиверу Denon AVR-X3400H, работающему в режиме стереоусилителя. Проблема с высокими частотами проявлялась отчётливо: тарелки звучали резко, вокал сопровождался звонким призвуком, а сибилянты резали слух. Причём неприятные ощущения сохранялись даже на низкой громкости, хотя на высокой они становились просто невыносимыми.
Первым делом подозрение пало на усилитель мощности. Ведь многоканальный ресивер, работающий в стереорежиме, — типичное слабое звено любой системы, которая строится для музыки. Вполне возможно, что именно он виноват в таких симптомах. Чтобы проверить эту гипотезу, я приобрёл Parasound A23. Выбор пал на него в первую очередь благодаря хорошей репутации и положительным отзывам других слушателей, поскольку на тот момент вся техника была для меня лишь блестящими коробками с магией внутри. Такой подход распространён среди покупателей техники — мы часто доверяем чужому опыту и рекомендациям, но позже я расскажу, как выбирать надёжнее.
Новый усилитель я подключил через линейные выходы ресивера, сохранив последний в качестве предварительного усилителя и ЦАПа. В итоге уже с первых минут стало ясно: бас значительно улучшился — стал плотнее, глубже и убедительнее, однако верхняя часть среднего диапазона изменений не показала, основная проблема с верхними частотами оставалась нерешённой.
Результат был, но оказался не тем, на который я рассчитывал. Самая неприятная ситуация при апгрейде компонента — получить лишь половину желаемого эффекта. Очевидно, что-то изменилось, но это наблюдение само по себе бесполезно. Оно позволяет сделать взаимоисключающие выводы: либо покупка оправдана, ведь произошли очевидные изменения, либо деньги потрачены зря, поскольку главная проблема никуда не ушла. Сам факт изменения не даёт критерия выбора между этими выводами.
Тем не менее улучшение баса имело совершенно конкретную причину, которую я позже подробно разберу. Особенно удивительно оказалось то, что опубликованные технические характеристики ресивера никак не намекали на такую возможность. Но ресивер всё ещё находился в цепи, пусть теперь и в роли ЦАПа, и чтобы объективно оценить вклад нового усилителя, следовало исключить и его тоже. Поэтому следующим шагом я сменил источник сигнала.
На время источником стал FiiO E7 — компактный цифровой преобразователь, с хорошими измерениями; этот аппарат у меня ещё со времён увлечения наушниками. Подробности сравнения источников оставлю на потом, сейчас важно другое: какое воздействие окажет чистая звуковая цепь.
Как только цепь избавилась от промежуточных компонентов, результат оказался неожиданным: раздражающие высокие частоты полностью исчезли. Тарелки снова приобрели натуральный звук, стеклянный оттенок испарился. Правда, возникла новая особенность — звучание стало слишком чистым: ровным, плоским, местами монотонным, иногда даже излишне ярким, вплоть до режущей слух чёткости. Появились уловимые оттенки искусственности в голосах — ощущение, которое присутствовало и раньше, но стало особенно заметным в упрощённом тракте. Подобные замечания встречались мне и в отзывах других пользователей, и я осознал, что причина кроется в обычном несоответствии моим личным предпочтениям.
Хотя формально это нельзя назвать полноценным тестом — ведь я одновременно изменил сразу два параметра, — замена позволила устранить компонент, влияние которого я давно подозревал. Дело в том, что изначально ресивер выполнял двойную функцию: был и источником сигнала, и усилителем. Как бы все это звучало подключи я FiiO к выходному каскаду ресивера я уже вряд ли узнаю, и это далеко за пределами стандартных сценариев использования, а режим Direct все равно оставляет слишком много на пути сигнала. Поэтому отнести наблюдаемые изменения непосредственно к новому усилителю мощности я тогда не мог — для такого вывода требовалось провести сравнение в одинаковых условиях с другим усилителем, однако система перестала маскировать детали.
Возникает главный вопрос: что именно я услышал? Заключается ли отличие в самом устройстве, в особенностях его схемы, или же оно существует лишь в моём восприятии? Можно ли было предугадать это до приобретения?
Сколько ватт нужно на самом деле: окно в один ватт
Давайте начнем с азов. Основная характеристика любого усилителя это мощность, но для большинства из нас эта цифра на самом деле ничего не говорит, и мы просто пытаемся выбрать то устройство, где она побольше в рамках заложенного бюджета.
Мощность расходуется следующим образом: каждый прирост громкости на 3 дБ удваивает потребляемую электрическую мощность, поэтому рост чувствительности динамика на 3 дБ позволяет вдвое снизить энергопотребление. Уже сама чувствительность акустики, указанная производителем, даёт представление о масштабе задачи, задолго до выбора усилителя.
Однако тут есть один небольшой маркетинговый нюанс, который не имеет отношения к усилителям, но раз уж об этом зашёл разговор, его стоит отметить. Чувствительность в классическом понимании — это громкость акустики на расстоянии 1 метра при подводимой мощности в 1 Вт на частоте в 1 кГц. Но как мы помним, 1 Вт (P) — это произведение напряжения (U) на ток (I), и для разного номинального сопротивления акустики эти величины, естественно, будут различаться (меньше сопротивление — меньше напряжение и больше ток для достижения тех же 1 Вт). А если мы возьмём в расчёт тот факт, что фактический импеданс на частоте 1 кГц может отличаться от номинального, то всё становится ещё запутаннее. Альтернативный вариант, который можно встретить, — это чувствительность не на 1 Вт, а при 2,83 В (что равняется 1 Вт в 8 Ом), но при таком измерении в цифрах заведомо выигрывает низкоомная акустика, так как банально получает больше тока при том же напряжении, но это уже может быть далеко не 1 Вт. Те же Infinity, о которых тут часто идёт речь, публикуют чувствительность в 87 дБ/2,83 В, а при сопротивлении в 3,3 Ом на 1 кГц это уже, простите, 2,4 Вт. На 1 Вт их чувствительность получается около 83 дБ. Поэтому если будете считать что-то самостоятельно, сначала найдите верную точку отсчёта.
А теперь вернемся к усилителям. Нельсон Пасс (Nelson Pass) однажды провёл наглядный эксперимент. Он поставил динамики Tannoy с чувствительностью около 95 дБ/Вт в небольшой комнате и воспроизвёл альбом Massive Attack на комфортной громкости, которая не мешала соседям. Одновременно он наблюдал экран осциллографа, калиброванного так, что вертикальная ось показывала напряжение одноваттного усилителя.
На фотографии отчётливо видно, что основной музыкальный сигнал укладывается в рамки одного ватта с большим запасом. Лишь отдельные пики, преимущественно барабанные удары, доходят до верхнего края шкалы. Эта картинка наглядно демонстрирует: на такой системе и такой громкости одного ватта вполне хватает.
Убедительность фотографии в сравнении с сухой технической документацией объясняется природой музыкального сигнала: он состоит из коротких всплесков и длительных спокойных участков. Спецификации мощности ориентируются на экстремальные случаи, а не на повседневное домашнее использование аппаратуры.
Теперь представьте, что чувствительность снизилась на 10 дБ — например, стала 85 дБ/Вт. Чтобы получить такой же уровень громкости, понадобится уже около 10 Вт. Планируете вечеринку? Запаситесь сотней ватт. Вечеринка в помещение чуть просторнее — потребуются уже несколько сот ватт. Пасс при этом вовсе не призывал покупать сверхмощные аппараты. Цель его демонстрации была показать, насколько реально низкое энергопотребление типичного домашнего звука.
И ещё одно отступление от усилителей: комфортная громкость — это сколько? Средняя громкость в районе 80 дБ в точке прослушивания с пиками до 95 дБ считается оптимальной с точки зрения восприятия (и без последствий для слуха). При расстоянии точки прослушивания от акустики в 2 м (−6 дБ потерь от расстояния), беря в расчёт среднюю живость комнаты (+2 дБ от отражений) и то, что колонок всё же пара (+3–6 дБ в зависимости от корреляции сигнала между левым и правым каналами), мы получим то, что от каждой акустики требуется в пике примерно 94,5 дБ в метре от неё (как раз то, что и получилось у Пасса). Зная эту цифру и чувствительность колонок, можно легко рассчитать требуемую мощность. Для моих непростых Infinity по этой формуле получаются невероятные 14 Вт на канал.
Ресивер из прошлой статьи обещал выдавать более сотни — правда, вопрос, на какую именно нагрузку. Подробности паспорта я уже разбирал ранее, и ключевой вывод из них: показатель мощности, казавшийся решающим, на практике оказался второстепенным. Напомню, что самое интересное там была зависимость искажений от нагрузки: THD 0,08 % при нагрузке 8 Ом и 0,7 % при 6 Ом. Как правило, рост искажений с понижением нагрузки не линейный, а возрастающий, поэтому дальше можем экстраполировать. В итоге мне от него требовалось всего 10–15 Вт, но в 3 Ома. И хоть сама по себе мощность небольшая, качественную и стабильную работу с низкоомной нагрузкой гарантирует далеко не каждый усилитель.
На самом деле для усилителя мощность — это не просто итоговое число, которое получают в конце проектирования. Выбор целевой мощности — основополагающее решение, определяющее весь последующий дизайн схемы. Некоторые подходы вообще не позволяют масштабироваться. Например, однотактный усилитель класса A работает как обогреватель, воспроизводящий музыку: он непрерывно потребляет максимальный ток вне зависимости от уровня входящего сигнала. Методика проектирования, подходящая для нескольких ватт, станет неприменима при попытках выйти на сотни ватт.
Выходит, выбирая высокую целевую мощность, дизайнер автоматически отказывается от целого ряда потенциально интересных решений ещё до покупки первой детали. Вот почему разговор о схемотехнике очень важен: ограничения по мощности заранее исключают многие возможные реализации.
Условия, при которых усилители неразличимы
Когда аудиолюбителям говорят, что усилитель имеет очень низкие искажения, часто возникает реакция: «Измерения ничего не говорят о реальном звучании — вспомните восьмидесятые, когда рынок наводнили усилители с фантастическими показателями типа 0,00001 % искажений, которые на слух казались неприятными и резкими». Этот довод настолько распространён, что Бруно Путзейс (Bruno Putzeys) в статье «Negative feedback in audio amplifiers: Why there is no such thing as too much» цитирует его практически дословно и отвечает резко: таких показателей никто реально не заявлял.
Что же было на самом деле? По словам Путзейса, производители порой приводили единственный показатель — гармонические искажения на частоте 1 кГц и мощности 1 Вт — рассчитывая, что читатели примут это значение за характеристику устройства при любых условиях. Сам по себе этот замер был корректным; введением в заблуждение стало представление одной точки как всей картины. Порой, добавляет Путзейс, цифры просто фальсифицировались. Его заключение относительно самих усилителей той эпохи: их измерения были очень плохими, и звучали они соответствующе.
Механизм появления подобных заявлений прост: отличные показатели дешёвых моделей заявлялись в расчёте, что никто не станет их проверять реальными замерами; для флагманских устройств публиковались более скромные значения, предполагалось, что именно их будут тестировать специалисты. «Более скромные» вовсе не означает «подтверждённые» — это значит лишь «указанные с учётом возможного контроля».
Основной контраргумент против измерений строится на утверждении, которое неверно само по себе. Это не делает паспортные характеристики заведомо ложными, а лишь узкими: одна точка на графике, взятая при фиксированной частоте, мощности и нагрузке, говорит правду исключительно про неё саму и умалчивает обо всём остальном.
Однако справедливость ради стоит признать: ниже некоторого порога искажений компетентные усилители, работающие в пределах своих возможностей, действительно становятся трудноразличимыми на слух. Ещё в семидесятых годах прошлого века Джулиан Хирш (Julian Hirsch) назвал возможным порогом различимости уровень около 0,1 %. Позже Пасс отметил, что более осведомлённые люди, с которыми он общался, считают порог ближе к 0,01 %, и сам находит такую оценку разумной — осторожно замечая, что такие уровни искажений «возможно, не воспринимаются на слух». Важность оценки Пасса состоит в том, что он продаёт усилители, чья привлекательность основана именно на характерном звучании; коммерчески выгодно было бы установить порог выше, однако он указывает значительно меньшее значение. При этом достижение указанного порога по гармоническим искажениям само по себе не обеспечивает полной неразличимости усилителей. Оно лишь устанавливает ограничение по одной конкретной метрике, которая сама по себе недостаточна для комплексного сравнения. Тут же вспоминается Gm из прошлой статьи, которая способна перевернуть цифры THD с ног на голову. Возможно все по-своему правы, просто говорят о крайних случаях, уже не характеризуемых обычным процентом спектра гармонических искажений.
Сам Пасс немедленно уточняет: гармонические искажения — лишь один из множества параметров качества, существуют и иные аспекты, заслуживающие внимания. Установленный порог характеризует только величину одного показателя и никак не связан с другими аспектами поведения усилителя. Напомним, предыдущая статья подробно рассматривала, почему фокусироваться именно на величине гармонических искажений некорректно.
Настоящий вопрос заключается не в достоверности паспортных данных, а в тех условиях, которые они принципиально упускают, и достаточно ли велик эффект, возникающий в этих условиях, чтобы восприниматься на слух:
Реальная нагрузка не является резистором.
Зависимость искажений от уровня сигнала и их характер влияют на восприятие.
Демпфирование динамика зависит не только от свойств усилителя.
Внутренняя схема представляет собой совокупность различных технических подходов, зачастую конфликтующих друг с другом.
Музыкальный сигнал регулярно выходит за пределы линейного диапазона усилителя, приближаясь к клиппингу.
Нагрузка, которая не резистор
Когда мы смотрим на технические характеристики усилителя, часто видим указанную нагрузку в омах — например, 4 или 8 Ом. Однако реальный громкоговоритель — это далеко не простой резистор. За клеммами скрывается звуковая катушка в магнитном поле, подвешенная на механической системе с собственными резонансами. Это означает, что импеданс динамика меняется с частотой и имеет не только величину, но и фазовый угол.
Что такое фазовый угол? Когда напряжение подается на резистор, ток мгновенно изменяется вместе с напряжением. Громкоговоритель ведет себя иначе: на многих частотах ток либо опережает напряжение, либо отстает от него. Получается, что ток, который должен обеспечивать усилитель в данный момент, уже не равен напряжению, деленному на указанное сопротивление.
Почему это усложняет работу усилителя? Когда ток и напряжение выходят из фазы, выходные транзисторы вынуждены проводить большие токи в моменты, когда на них еще приложено значительное напряжение. Речь идет о напряжении непосредственно на самом транзисторе — оно равно напряжению шины питания минус выходное напряжение. При реактивной нагрузке пик тока может приходиться на момент, близкий к нулевому выходному напряжению, и таким образом почти полное напряжение питания прикладывается к проводящему транзистору. Такое сочетание тока и напряжения нагревает транзисторы сильнее, чем простое сопротивление аналогичного значения.
Спецификация указывает номинальное значение, но усилитель сталкивается с минимальными значениями импеданса, которые могут возникать на определенных частотах с соответствующими фазовыми углами — и музыка не избегает этих частот. Например, моя акустика имеет номинальное сопротивление 4 Ом, но измеряются вплоть до 2,4 Ом, как было указано ранее.
Здесь возникает ключевой момент: многие путают две разные вещи, называемые «контролем» усилителя над нагрузкой. Сделать выходной импеданс низким легко и дешево в транзисторном усилителе: отрицательная обратная связь десятилетиями обеспечивает коэффициент демпфирования в сотни единиц без каких-либо усилий. Сложнее обеспечить способность отдавать значительный ток в низкоомную нагрузку — это требует мощного источника питания, достаточного количества выходных устройств и радиатора, каждый из которых увеличивает стоимость и размеры устройства.
Спецификация обычно указывает легкий параметр (низкое выходное сопротивление) и умалчивает о дорогостоящем (способности отдать ток).
Мой ресивер служит наглядным примером. Его семь каналов используют общую шину питания, рассчитанную на типичный сценарий, когда большинство каналов работают слабо. Мощность в спецификации была измерена при нагрузке на два канала из семи. Терминалы рассчитаны на диапазон сопротивлений от 4 до 16 Ом, следовательно, мой 4-омный громкоговоритель уже работает на нижней границе допустимого диапазона, а при падении сопротивления до 2,4 Ом нагрузка становится тяжелее расчетной. И при этом спецификация не содержит никаких указаний на уровень искажений при 4 Ом.
Из-за особенностей поведения реальных нагрузок журнал Stereophile добавил к традиционным измерениям на простых резисторах использование имитатора нагрузки. Резистор никогда не запрашивает ток, необходимый динамику на частоте минимального импеданса, и не создает сдвиг фаз. Именно поэтому Stereophile заявил, что начиная с определенного момента его обзоры усилителей будут включать измерения на таком симуляторе. Однако справедливости ради отмечу, что они так и не начали публиковать графики зависимости искажений от частоты под созданной комплексной нагрузкой, а только результаты его влияния на АЧХ усилителя.
Сам имитатор был разработан Кеном Кантором (Ken Kantor), работавшим в компаниях NHT и International Jensen. По сути, это сеть из резисторов, индукторов и конденсаторов, чьё комплексное сопротивление и фазовый угол соответствуют типичному двухполосному громкоговорителю в закрытом корпусе с номинальным сопротивлением 8 Ом. Имитация включает пик импеданса внизу спектра, соответствующий резонансу закрытого корпуса, и пик в нижней части высоких частот, отражающий влияние фильтра кроссовера. Маленькие резисторы в сети специально введены для имитации последовательного сопротивления реальных катушек индуктивности.
Позже Джон Аткинсон (John Atkinson) добавил цепь Цобеля — последовательно соединённые резистор и конденсатор, подключаемые параллельно входным терминалам. Причина добавления была в том, что в оригинальной схеме Кантора импеданс поднимался выше 5 кГц совместно с положительным фазовым углом, что практически никогда не встречается в реальных громкоговорителях; сам Аткинсон откровенно признаётся, что на высоких частотах оригинал Кантора был нежнее к усилителю, чем любой реальный громкоговоритель, который ему доводилось измерять.
Однако мои динамики оказываются сложнее, чем стандартный симулятор: будучи номинально 4-омными, они опускаются до 2,4 Ом, создавая более тяжелую нагрузку, чем та, с которой тестируются усилители.
Коэффициент демпфирования: между источником напряжения и источником тока
Энергия движется в обоих направлениях. Звуковые катушки, движущиеся в магнитном поле, действуют как генераторы — буквально как динамо-машины. Когда сигнал прекращается или резко меняется, диффузор продолжает двигаться по инерции, и катушка вырабатывает свое собственное напряжение — противо-ЭДС (back-EMF), которое возвращается обратно на выходные терминалы усилителя. В эти моменты часть энергии, накопленной в подвижной системе, течет обратно в усилитель вместо того, чтобы выходить из него наружу. Что усилитель сделает с этим возвратившимся напряжением — поглотит его или проигнорирует — зависит от конструкции и определяет, насколько эффективно тормозится движение диффузора.
Выходное сопротивление усилителя может находиться в широком диапазоне — от практически нулевого значения до очень большого. На одном краю спектра мы имеем источник напряжения (voltage source): такое устройство поддерживает заданное напряжение независимо от потребляемого тока. В этом случае собственная ЭДС звуковой катушки встречает практически короткое замыкание, создавая обратный ток через катушку. Этот ток создаёт силу, противодействующую движению диффузора — возникает электрическое торможение.
На другом краю диапазона располагается источник тока (current source): здесь поддерживается постоянный ток, каким бы ни было напряжение нагрузки. В таком режиме ЭДС катушки не способна создать дополнительный ток, следовательно, электрического торможения не происходит. Реальные усилители занимают промежуточное положение, и выбор точки на этой шкале — это проектировочное решение, а не закон природы.
Сила электрического тормоза зависит от коэффициента Bl. Bl говорит о том, насколько сильно катушка толкает диффузор на каждый ампер тока, и одновременно — сколько напряжения она вырабатывает на единицу скорости движения. Эта сила растёт пропорционально квадрату Bl и уменьшается с ростом общего сопротивления петли.
Теперь рассмотрим, как это отражается на характеристиках громкоговорителя. Добротность (Q) характеризует степень свободы, с которой диффузор продолжает движение после резонансного возбуждения: высокая Q означает выраженный пик АЧХ в низкочастотной области и продолжительные колебания диффузора; низкая Q обеспечивает быстрый возврат к покою и чёткое, контролируемое звучание баса, которое становится излишне сухим, если переборщить.
Добротность драйвера состоит из двух компонентов: механической добротности Qms, обусловленной потерями в подвесе и воздухе, и электрической добротности Qes, определяемой тормозящим действием усилителя, описанным ранее. Общая добротность рассчитывается по формуле: Qts = Qms·Qes/(Qms+Qes). Добавляя последовательное сопротивление, мы увеличиваем Qes прямо пропорционально отношению (Re+Rs)/Re, где Re — собственное сопротивление звуковой катушки. Поднимаясь достаточно высоко по этому пути, мы можем полностью исключить электрический компонент добротности, оставив только механические потери, и Qts приблизится к Qms. Механическая добротность служит потолком, и любой желаемый уровень между паспортным значением и этим максимумом достигается выбором подходящего выходного сопротивления источника — делая этот параметр инструментом проектирования.
Самый простой способ переместиться вдоль оси — поставить резистор последовательно. Простым примером такой корректировки служит статья Нельсона Пасса о применении источника тока для коррекции АЧХ: большинство случаев, с которыми он работал, не требовали истинного источника тока, а нуждались лишь в высоком выходном сопротивлении порядка 47 Ом. Такое сопротивление легко получить, добавив крупный резистор последовательно с выходом обычного усилителя напряжения. По сути, это эквивалент Тевенина для источника тока: с точки зрения динамика, источник напряжения за большим резистором ведёт себя подобно источнику тока, поскольку ток определяется преимущественно величиной резистора, а не нагрузкой. Однако такой подход сопровождается нагревом резистора.
Важное следствие: любое сопротивление в цепи — будь то специально подобранное или случайное — смещает систему вдоль оси от источника напряжения к источнику тока, независимо от намерений проектировщика.
Мой собственный печальный опыт наглядно демонстрирует последствия такого непреднамеренного сдвига. Проектируя кроссовер, я выбрал воздушную катушку индуктивностью 7,85 мГн, ориентируясь исключительно на цену и номинал, упустив из виду её внутреннее сопротивление. Измеренное значение составило 2,65 Ом. Против моих 0,0008 Ом выходного сопротивления усилителя это оказалось примерно в три тысячи раз больше, сводя заявленный коэффициент демпфирования к эффективному значению около 3. Для звуковой катушки моего драйвера с сопротивлением 7,6 Ом это подняло Qes примерно на 35 % и стоило около 2,6 дБ выхода в полосе частот выше резонанса, где импеданс драйвера близок к постоянному сопротивлению катушки (меньше на более высоких частотах, где импеданс возрастает).
Как это звучало в результате? Бас был не «слегка полнее», как иногда пишут, а стал гулким и тяжёлым, медленно затухал и настолько доминировал, что перекрывал детали среднечастотного диапазона. Между тем, когда обычные катушки индуктивности меняют на воздушные, часто сообщают, что бас становится «полнее» и «лучше». Причина та же самая: повышение добротности увеличивает количество баса, и на первый слух это воспринимается положительно. В итоге со второй попытки у меня получилось что планировалось, используя катушку индуктивности с железным сердечником, сопротивление которой изначально учитывалось в модели.
Этот случай важен прежде всего для тех, кто проектирует свой первый кроссовер или рассматривает покупку «апгрейдов»: замена катушки — это не простая замена компонента, а изменение настройки всей акустической системы.
Тем временем, Пасс сознательно использовал аналогичный принцип в своём усилителе Son of Zen. Без общей обратной связи и с выходным сопротивлением около 16 Ом (соответственно, коэффициентом демпфирования около 0,5 относительно стандартных 100–1000 у транзисторных усилителей), подключённые к нему динамики Fostex 208E в закрытых корпусах проявляли совершенно иные характеристики: приобретали глубокий нижний регистр, которого ранее не наблюдалось. Его объяснение: высокочувствительные широкополосные драйверы с мощными магнитами и лёгкими диффузорами склонны к чрезмерному электрическому демпфированию, теряя глубину нижнего регистра. По словам Пасса, частичное снятие электрического контроля отчасти объясняет популярность ламповых усилителей среди владельцев таких динамиков.
Коэффициент демпфирования определяется как отношение сопротивления эталонной нагрузки (обычно 8 Ом) к выходному сопротивлению усилителя. Возьмем мой собственный широкополосный динамик, характеристики которого приведены в документации: сопротивление звуковой катушки Re составляет 7,6 Ом, резонансная частота равна 114 Гц, механическая добротность Qms — 4,49, электрическая добротность Qes — 0,87, полная добротность в свободном пространстве Qts — 0,72. Эта величина Qts в свободном воздухе уже близка к значениям, которым обычно настраивают законченные акустические системы, поэтому параметры в свободном воздухе дают справедливую картину поведения динамика. Более того, в закрытом корпусе Qes и Qms умножаются на одинаковый коэффициент, поэтому изменение выходного сопротивления приводит к такому же процентному изменению общей добротности, однако абсолютные значения Q и подъём на частоте резонанса возрастают. Предположим, что я использовал бы катушку с железным сердечником с сопротивлением около 0,35 Ом, которая сама по себе поднимает Qts до 0,76.
Что меняется при увеличении последовательного сопротивления? Два основных параметра: во-первых, общая добротность Qts — чем выше она становится относительно порогового значения около 0,7, тем сильнее выражен пик на резонансной частоте и дольше длится колебание диффузора. Во-вторых, баланс частот: последовательное сопротивление снижает уровень в тех областях, где полное сопротивление динамика близко к Re, но практически не влияет вблизи резонанса, где импеданс значительно выше. Низкие частоты начинают преобладать над средними.
Посмотрим теперь, как изменяются показатели при различных коэффициентах демпфирования, когда последовательно добавляется сопротивление к нашей катушке 0,35 Ом:
Коэффициент демпфирования 10 000 (выходное сопротивление усилителя 0,0008 Ом): Qts остается неизменным — 0,76, никаких изменений не наблюдается.
Коэффициент демпфирования 400 (0,02 Ом): Qts по-прежнему равен 0,76.
Коэффициент демпфирования 20 (0,4 Ом): Qts возрастает до 0,79, низкочастотные компоненты поднимаются примерно на 0,35 дБ относительно средних частот — едва различимо на слух.
Коэффициент демпфирования 3 (около 2,7 Ом): Qts достигает 0,96, подъем низких частот относительно середины составляет около 2 дБ, колебания диффузора затухают медленнее — эффект отчетливо слышен, причем результат аналогичен тому, что наблюдалось ранее с моей воздушной катушкой (Qts 0,93 и прирост около 1,8 дБ).
В готовой многополосной акустической системе, управляемой транзисторным усилителем, коэффициенты демпфирования от десятков и выше не меняют заметно бас через добротность (Q); изменения становятся заметны только при коэффициентах демпфирования порядка единиц — таких как усилители без обратной связи или ламповые усилители с минимальной обратной связью, либо когда дополнительное сопротивление (подобное моей воздушной катушке) размещено между усилителем и динамиком. Точные показатели зависят от характеристик конкретного динамика и конструкции корпуса.
Отсюда понятно, почему обе стороны спора о важности коэффициента демпфирования имеют право на существование. Владельцы широкополосных динамиков, управляемых ламповыми усилителями с небольшой обратной связью, находятся ближе к верхнему концу оси, где выходное сопротивление усилителя составляет большую часть суммарного сопротивления цепи, и смена усилителя существенно перестраивает настройку динамика. Владельцы современных многополосных систем с качественными транзисторными усилителями располагаются внизу оси, где сопротивление катушки кроссовера намного превышает выходное сопротивление усилителя, и смена усилителя мало влияет на результат. Никто из участников дискуссии не воображает себе эффекты — различия реальны, но зависят от конфигурации системы.
Коэффициент демпфирования — это точное измеримое свойство усилителя относительно эталона 8 Ом, а не характеристика системы в целом. Что реально ощущает драйвер — это совокупное последовательное сопротивление всей цепи: усилителя, кабеля, катушки индуктивности.
Почему вообще кому-то может понадобиться источник тока? Вернёмся к проблеме, затронутой в предыдущей статье: когда диффузор входит в модальный режим и перестаёт двигаться как единое целое, эти вибрации создают собственную противо-ЭДС. Источник напряжения реагирует на неё практически коротким замыканием, позволяя протекать току, который оказывается искажённым — появляется новый источник искажений. Источник тока устраняет этот путь возникновения искажений, потому что противо-ЭДС не способна генерировать ток через источник тока. Однако это устранение не затрагивает других причин искажений: само явление модального режима, нелинейность коэффициента Bl, упругость подвеса остаются неизменными. Цена такого подхода — потеря электрического торможения, и контроль над басом должен обеспечиваться механическим и акустическим демпфированием. Пасс отмечает, что многие высокочувствительные широкополосные драйверы обладают достаточным запасом механической и акустической демпфирующей способности, позволяющей компенсировать отсутствие электрического демпфирования, а недостающее электрическое демпфирование может компенсироваться резистивными или RLC-сетями непосредственно возле драйвера.
До сих пор мы говорили о движении вдоль оси сопротивления только в одну сторону — от нуля к бесконечности. Если рассматривать усилитель как инструмент управления добротностью системы, то иногда хочется, наоборот, понизить Qts ниже его паспортного значения — ведь при нулевом последовательном сопротивлении Qts равен заявленному в характеристиках значению, и никакое добавочное сопротивление не способно опустить его ниже, оно только поднимет его, — и от этого может появиться стремление двинуться по этой оси в обратную сторону путем вычитания. Выходное сопротивление ниже нуля возможно, но только для активных схем. Усилитель с положительной обратной связью может обеспечить отрицательное сопротивление. Например, Род Эллиотт (Rod Elliott) приводил пример компенсации сопротивления обмотки трансформатора: при внутреннем сопротивлении 100 Ом компенсация не должна превышать примерно −98 Ом, иначе система теряет устойчивость. Потеря стабильности наступает, когда отрицательная составляющая нейтрализует всё положительное демпфирование в петле. Учитывая резонансный характер нагрузки громкоговорителя, такая настройка требует осторожности. Экспериментально Эллиотт обнаружил, что большинство протестированных им драйверов плохо реагировали на отрицательные сопротивления, хотя некоторые работали удовлетворительно. Получается это возможно, но весьма трудоемко.
Что мы имеем в итоге?
Я рассмотрел окружающие усилитель факторы: какую реальную мощность нужно предусмотреть, при каких условиях усилители становятся неразличимы, что представляет собой реальная нагрузка для усилителя (которая далеко не всегда выглядит как простой резистор), и какова природа цепи демпфирования, где выходное сопротивление усилителя зачастую не является самым значительным звеном. Осталось заглянуть внутрь — изучить устройства выходного каскада, механизмы обратной связи и процессы, происходящие при достижении сигнала границ питания. Этим вопросам будет посвящена вторая часть статьи, которая выйдет через несколько дней, а между статьями — рабочие заметки: вырезанные разделы, измерения, неудачи на стенде — в канале «Архитектура звука».
