Почему усилители могут звучать по-разному — физические основы явления

Сразу прошу заметить, что я не говорю: «звучат». Я говорю: «могут звучать». Абсолютно все усилители звуковой частоты делаются исключительно с одной и той же целью, равно как и имеют исключительно одно предназначение. А потому и создаются все они по более-менее одной и той же технологии, и уж во всяком случае, с применением одной и той же расчетно-теоретической научной базы.

В идеале все усилители в одних и тех же условиях должны звучать совершенно неотличимо — ни один вменяемый производитель даже в мыслях не имеет намеренного «искривления» звучания своего усилителя каким-то понравившимся ему образом. Такое искривление всегда и везде считается браком и некомпетентностью создателя.

Но поскольку мы живем в реальном, а не идеальном мире, то некоторые отклонения от идеальности все-таки имеют место быть. Отклонения эти, как правило, невелики, зачастую исчезающе малы, но иногда оказываются заметны. Ключевое слово — иногда. О причинах этого мы и поговорим ниже. Никаких откровений не будет — просто вспомним хорошо известные, но давно забытые вещи.

Основная причина появления возможных нюансов (а это именно нюансы, ибо ничего радикального при отсутствии брака или неисправностей в звучании не возникает никогда) в звучании одного и того же усилителя с различными акустическими системами находится, как ни странно, не в усилителе. Она находится в АС и назывется «импеданс».

Усилители мощности (УМ) рассчитываются исходя из идеальности нагрузки, т.е. на основе принятия в качестве нагрузочного элемента резистора с сопротивлением, постоянным во всем звуковом диапазоне частот (например, 8 или 4 Ом), которым как бы заменяют реальную колонку. Если нагрузить УМ на такой резистор и измерить напряжение на его зажимах, то получится АЧХ УМ, которая в идеале должна иметь вид практически прямой горизонтальной линии с неоднородностью порядка долей децибела (например ±0,2 дБ) во всей слышимой полосе частот, т.е. от 20 до 20000 Гц.

Но вот беда — реальные колонки даже близко не являются постоянными резисторами. Сопротивление АС на разных частотах весьма различно и носит, как уже говорилось, название импеданса. Подробнее об импедансе можно прочесть здесь, в п. 19.

Тот же самый УМ, но нагруженный на реальную колонку, уже не даст такой прямой линии АЧХ на зажимах — неравномерность напряжения на зажимах будет существенно выше — фактически она будет в той или иной степени повторять импеданс АС. А определяться эта степень будет величиной выходного импеданса УМ — чем он меньше, тем меньше неоднородность. И, соответственно, чем выходной импеданс УМ выше, тем сильнее будут колебания напряжения на клеммах АС.

Фактически, данную ситуацию можно с полным правом рассматривать как принудительную, неотключаемую тембральную коррекцию.

С  увеличением как «размашистости» импеданса АС, так и с повышением выходного импеданса УМ ситуация изменяется весьма драматическим образом. Еще раз обращаю ваше внимание на то, что мы имеем дело с принудительной, неотключаемой тембральной коррекцией, возникающей помимо желания пользователя.

Именно эта причина — различное принудительное искажение тембрального баланса — является основной причиной, обуславливающей различное восприятие человеком звучания УМ с различными АС.

Здесь же стоит упомянуть и о пресловутой «мутности» и «ватности» звучания, часто приписываемой усилителям.

Позволю себе в этой связи небольшое лирическое отступление под названием «Миф от транзисторной жесткости» или «Не гонитесь за нулями искажений!».

В последнее время, при организации прослушивания акустических систем для клиентов, которые размышляли над приобретением тех или иных АС, мне посчастливилось стать участником ряда интересных экспериментов. Многие клиенты, выбирая себе АС, приносили с собой свои собственные усилители, к которым они просили подключать интересующие их АС — этим актом они стремились заверить себя в том, что дома никаких проблем с «совместимостью» у них не возникнет. В мои планы не входит перечисление конкретных моделей — скажу лишь, что усилители приносились сугубо современные, транзисторные, от таких брендов как Cambridge Audio, NAD, Rotel, Roksan и что-то еще (я не записывал). Сравнение звучания каждого такого современного усилителя производилось, в зависимости от пожеланий клиента, либо с тремя усилителями, которые включены в состав одной из моих собственных систем — интегральным Technics, интегральным Aurex, двухблочным Pioneer, соответственно 69-го, 84-го и 80-го годов выпуска — либо с тремя усилителями, которые составляли на тот момент мою вторую систему — двухблочный Technics, трехблочный Diatone и двухблочный Diatone — соответственно 77-го, 78-го и 76-го годов выпуска. Сравнение проводилось, разумеется, на нескольких парах АС, из которых выбирали клиенты.

Результаты опытов таковы: разница между различными усилителями была. Не такая, чтобы лично я взялся идентифицировать усилители в слепом тестировании, но, тем не менее, она имела место быть замеченной. Особенно клиентами, которые выслушивали каждый нюанс, каждую мелочь.

Все современные усилители (разумеется, речь только о тех, что перечислены выше) уступили по звучанию каждому из усилителей, использующихся в моих системах.

Наиболее частыми сравнительными характеристиками при переключении с моих усилителей на современные были такие:

  1. «звучание схлопнулось»
  2. «звук стал мутным»
  3. «пропало разрешение»
  4. «на звук словно вуаль накинули»
  5. «звучание стало как через вату».

Чаще всего наивысшую оценку получало звучание усилителя Technics 1969 года выпуска. Именно оно, по мнению слушавших, отличается наибольшей музыкальностью, ясностью, четкостью, воздухом, прозрачностью… одним словом, чрезвычайно высокой комфортностью.

И, наконец, абсолютно никакого увеличения жесткости звучания по мере перехода от самых наисовременнейших усилителей к все более и более древним (вплоть до 69 года выпуска) не наблюдалось. Более того, такое понятие, как «жесткость» вообще не употреблялось слушателями. «Мутность», «ватность» — да, но только не «жесткость».

Таким образом, становится ясно, что широко распространенный миф о какой-то невероятной жесткости звучания первых транзисторных усилителей лопается как мыльный пузырь. Ничего подобного на практике не наблюдается. Наоборот, первые транзисторные усилители оказываются самыми музыкальными, чисто и комфортно звучащими. И наоборот — лобовое «столкновение» в одной системе самых современных усилителей, изготовленных по самым, казалось бы, современным технологиям, с усилителями первого и второго поколения, вызывает у многих слушателей буквально слезы на глазах. Скорбь по утраченным деньгам — самая неподдельная.

Конец лирического отступления.

Замечено, что чем меньше нелинейных искажений имеет усилитель, тем более мутно и ватно он звучит. Именно этим объясняется тот факт, что несмотря на совершенно ровное, тонально неискаженное звучание, современные усилители с большим числом нулей после запятой в графе «Искажения» звучат чрезвычайно скучно и неинтересно.

Ситуация в какой-то мере та же самая, что и с АС — чем мертвее корпус АС, чем меньше у АС послезвучий, чем «чище» и «глаже» все ее характеристики, тем мертвее ее звучание. С усилителями та же история: полное отсутствие искажений — гарантия мертвечины.

Для справки:

Усилитель мощности, на котором я проводил измерения, показанные выше, оснащен вариабельным демпинг-фактором, т.е. иными словами, переменным (переключаемым) выходным импедансом. В паспорте к моему УМ написано (в 1977 году), что это сделано для того, чтобы обеспечить «гибкость работы с различными АС» — как хочешь, так и понимай. Я это понимаю как еще одну возможность искажать звучание (возможно даже приятным образом).

ДФ усилителя традиционно определяется как отношение номинальной нагрузки (обычно 8 Ом) к выходному сопротивлению УМ (т.е. значению импеданса на частоте 1кГц). Если выходное сопротивление УМ равно 100 мОм, то ДФ = 8/0,1 = 80.

Считается, что у хороших твердотельных усилителей ДФ > 200. У лучших — ДФ > 500. Многие производители не указывают ДФ вообще. Высокие значения выходного импеданса (несколько единиц Ом) характерны для ламповых усилителей. Для транзисторных усилителей характерны значения импеданса порядка 50-200 мОм.

Заявляемый смысл высокого ДФ — демпфировать динамическую головку, т.е. снижать (или исключать) последствия механического резонанса. Электрическое демпфирование хорошо заметно на примере головки без корпуса. Тукните пальцем по диафрагме НЧ-головки, и вы услышите долгий глухой звук. Затем закоротите выводы головки и тукните снова. Теперь звук явно короче и больше напоминает «тонг». А теперь закоротите динамик резистором (8/20 =) 0.4 Ома. Получите нечто среднее. Когда НЧ-динамик помещен в акустическое оформление, то он как бы уже частично задемпфирован. Может быть, в этом случае ДФ = 20 — более чем достаточно, а может быть и нет.

Считается, что чем ДФ усилителя выше, тем оно лучше (в идеале динамик реагирует только на полезный сигнал и никогда на свой естественный резонанс). Никто не знает, достаточен ли ДФ = 20, но все почему-то убеждены, что если ДФ = 500, то это однозначно лучше, чем 20.

В этой связи стоит сказать два слова и о некорректном трактовании понятия ДФ, даваемым некоторыми людьми. Определение ДФ как «сопротивление АС по постоянному току, деленное на выходное сопротивление усилителя» неверно. Потому что в нем отсутствует учет сопротивления акустических кабелей и элементов фильтров акустических систем, а ведь все это находится непосредственно на пути сигнала. Или кто-то подключает АС беспроводным способом?

Когда речь заходит о ДФ, сравнивать необходимо не абстрактные ДФ (те, что иногда указывают в паспортах на УМ), а эффективные, т.е. с учетом сопротивления, по крайней мере, кабелей.

ДФ(эфф.) может быть определен как [Z нагрузки] / [Z вых. УМ + Z соед. кабелей].

Приведу два численных примера:

  • Z нагрузки = 8 Ом
  • Z вых. УМ = 0.08 Ом (читай: «паспортный» ДФ = 8/0.08 = 100)
  • Z кабелей = 0.033 (2 х [3м длины] х [сопротивление 1м кабеля]).

Тогда ДФ(эфф.) = 71.

Очевидно, что если для подключения АС вы используете трехметровые кабели с сечением жилы 3 квадрата (диаметр ~ 2 мм, R~0.033 Ом), то максимальный эффективный ДФ будет равен 242, даже если «паспортный» ДФ усилителя равен бесконечности (т.е. выходное сопротивление равно 0).

Пересчитаем теперь все то же самое для Z вых. УМ = 0.016 Ом (ДФ «паспортный» = 500) — теперь ДФ(эфф.) = 160.

Если вы сильно озабочены «проблемой ДФ», то даже с учетом сопротивления кабелей, иметь усилитель с большим ДФ в целом выгоднее. При этом выгоднее не означает «совершенно необходимо». Разумеется, если вам по какой-либо причине необходимо протянуть акустические кабели длиной в 30 метров, эффективный ДФ будет весьма и весьма низким — порядка 24(!) — независимо от малости выходного сопротивления усилителя (т.е. огромности его паспортного ДФ).

Таким образом, если при использовании усилителя с ДФ = 100 ваша акустика явно и недвусмысленно выигрывает в звучании, то вам нужно подумать о приобретении именного такого усилителя. Если же Ваши АС уже и без того хорошо задемпфированы, а ДФ = 20 уже и так более, чем достаточен, то разницы между усилителями с ДФ=100 и ДФ=20 не будет никакой.

Еще примеры. Возьмем одну и ту же, для простоты омическую, нагрузку в 8 Ом, и нагрузим на нее два УМ, которые отличаются только ДФ (скажем, 50 и 150). Подключение произведем одним и тем же кабелем — скажем, каким-нибудь 3-х метровым AWG10 (т.е. диаметром около 2,6 мм).

У первого ДФ(эфф.) будет 45 (не сильно отличается от 50, правда?), а у второго ДФ(эфф.) будет всего 110 (почти в полтора раза ниже паспортного).

При использовании еще более тонких акустических кабелей той же длины, скажем, AWG15 (т.е. около 1,5 мм в диаметре) ситуация еще более нивелируется. ДФ(эфф.) первого будет 36, а ДФ(эфф.) второго — 69.

Разговор о больших ДФ может быть «актуален» только в тех случаях, когда используются кабели в руку толщиной. ДФ=150, конечно, абстрактно «лучше», чем ДФ=50, но в той же степени значимости, что и КНИ=0,0005% «лучше» КНИ=0,005%.

Более того, практика показывает, что для большинства АС, подключенных разумным кабелем, ДФ(паспортн.) = 50 более, чем достаточно.

Даже если вы запутались в расчетах и проводах, запомните одну простую вещь: на практике все рекламные заявления о заоблачных ДФ разбиваются об элементы фильтра в АС (кроссовера), а точнее, о катушку индуктивности на НЧ звене с активным сопротивлением от 0.4 до 1 Ома!


Вместо резюме:

«Принудительная тональная коррекция» на клеммах АС имеет место абсолютно всегда. При чисто омической нагрузке (пусть это будет силовой резистор 8 Ом) неравномерность АЧХ типового транзисторного усилителя мощности составляет ±0,2 дБ в слышимой полосе частот. При нагрузке на реальную акустику она будет всегда заметно больше. Например, уже не ±0,2 дБ, а ±0,5 дБ или даже ±1 дБ. Безусловно, не всякая неравномерность заметна на слух, но если эта неравномерность превышает ±1 дБ, то шансы на ее заметность (в виде ощущений «приятности» или, наоборот, «неприятности») повышаются.

При сравнении между собой разных усилителей (на одной и той же акустике) чрезвычайно важно обеспечить строго одну и ту же громкость прослушивания. Задача эта несколько сложнее, чем кажется, поскольку на слух это не делается. А вторая «засада» заключается в том, что у двух разных усилителей могут быть совершенно разные зависимости импеданса от частоты, что опять же может давать более или менее заметную разницу даже на одних и тех же АС.

Да, искажения есть везде и всегда. Вопрос в другом: насколько они вообще слышны и заметны эти самые искажения Я, например, считаю, что пресловутые «ламповые искажения» (четные гармоники), которые якобы придают звучанию ламповых УМ некоторую «приятную мягкость» или «полноту» — это полная ерунда. Равно как и полная ерунда то, что нечетные гармоники (обычно имеют ввиду гармоники высоких порядков), свойственные транзисторным УМ, якобы придают звучанию какую-то «жесткость» и «шероховатость». В реальности ничего этого нет.

Автор:  Raoul Sanchez

4 комментария: Почему усилители могут звучать по-разному — физические основы явления

  1. Дмитрий пишет:

    Последний абзац сомнителен. Если переведено верно и в соответствии с оригиналом, то чет/нечет гармоники слышно и они различаются. Вторая гармоника – как раз “ламповость” дает и она присутствует и в транзисторных усилителях (особенно в тех в которых мало поработали над схемотехникой, качество деталей тут менее важно). А вот нечетных в ламповых усилителях практически нет (по сравнению со второй гармоникой), а вот в транзисторных они есть всегда.
    Про уровень искажений, формально, у нас еще в бородатые времена 50-60 годов говорили, что искажения обычный человек слышит начиная с уровня 0,7-1% независимо от их порядков.
    П.С. Часто супер современные и крутые усилители, на самых новейших транзисторах и т.п., схемотехнически делаются так, чтобы искажать звук намеренно. Более подробно все можно вычитать у Селфа Дугласа в проектировании УМЗЧ.

  2. Любитель пишет:

    Самое ужасное, когда [i]каналы[/i] усилителя имеют разный тембр. Вот это – порок так порок… Я до сих пор хз как это исправлять, хотя, по логике нужно, скорее всего, заменять конденсаторы. Они со временем изменяют свою емкость.

    • Дмитрий пишет:

      Есть еще подозрение, как ни странно, что неравномерный износ регулятора громкости тоже влияет. Либо для галетников – окисление контактов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *