Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1) (страница 3)
реклама
Импеданс усилителя и демпфирование динамика
Усилитель работает не в вакууме, он нагружается на динамическую головку (или звуковую колонку из нескольких динамиков). Рассматривать одно без другого было бы ошибочным. Качество работы усилителя зависит от того, что представляет собой нагрузка, но верно и обратное – функционирование динамика зависит от усилителя.
Для упрощения рассуждений предположим, что усилитель нагружен на один динамик без каких-либо фильтров и согласующих элементов, соединительные провода минимальной длины, достаточного сечения и качества исполнения. Надуманная ситуация? Отнюдь, существуют же активные колонки для воспроизведения только низких частот.
Поговорим немного о динамической головке. Зачастую, из электрических характеристик указывается только её номинальное сопротивление, но это же далеко не всё! Эффективность или отдача, эквивалентный объем, частота механического резонанса, его добротность… много чего полезного остается за кадром. Обратим внимание на такую характеристику, как добротность – она состоит из механической и электрической составляющих.
Механическая зависит от эластичности подвеса диффузора, его веса и сопутствующего объема воздуха и изменена быть не может. Вообще говоря, может применяться акустическое демпфирование, но не стоит на это сильно рассчитывать. А вот другая составляющая, электрическая добротность, зависит от выходного сопротивления усилителя. Если динамическая головка не слишком удачно подходит для выбранного акустического оформления, то изменением электрического демпфирования (выходным сопротивлением усилителя) можно немного подправить дело.
Основной источник проблемы – механическая система излучателя, у которой есть резонанс в самом начале низкочастотного диапазона рабочей полосы частот. Если по диффузору легонько стукнуть, то он издаст звук низкой частоты, причем основные колебания будут на частоте механического резонанса, длительность самого звучания будет зависеть от добротности. Есть такое понятие «призвук» – вот это оно и есть, когда динамик продолжает издавать звук уже после того, как электрически звук должен был прекратиться. Для изменения величины призвука можно варьировать выходное сопротивление усилителя.
Для симулирования используется следующая модель:
реклама
Гирлянда элементов L2… R22 в центральной части схемы эмулируют низкочастотную динамическую головку диаметром 25 см.
Графики: красный – выходное напряжение усилителя, зеленый – реактивная составляющая динамической головки. Увы, электрическая модель слабо соотносится с акустической, поэтому в тесте интересны общие закономерности, а не конкретные численные вычисления и правильность воспроизведения. Очень трудно совместить графики с настолько различными условиями работы, поэтому параметры подбирались так, чтобы амплитуда зеленого графика (реактивная часть динамика) оставалась постоянной, 1 вольт.
Вначале обычный режим, точка соединения R29 и C7 соединяется с землей, что переводит усилитель в обычный режим работы.
Ничего необычного, на вход усилителя подается прямоугольный сигнал, он же получается на выходе. Изменим условия игры, соберем схему так, как на рисунке – при этом появится ПОС («положительная обратная связь») по току нагрузки и выходное сопротивление усилителя станет отрицательным.
Форма сигнала для схемы с отрицательным выходным сопротивлением:
реклама
Различия видны невооруженным взглядом – на выходе усилителя напряжение уже не столь похоже на требуемое, фронты претерпели существенное изменение. Идея здесь в том, что если механическая система динамика резко увеличивает отдачу на резонансной частоте, то надо так формировать форму напряжения, чтобы на резонансной частоте оно было соответствующе понижено. В результате, при излучении произойдет взаимная компенсация и звуковая картинка будет восприниматься корректнее.
Рассмотрим и третий вариант, с большим выходным сопротивлением. Обычно у усилителя очень низкое выходное сопротивление, но что мешает его увеличить? Нет, банальная установка дополнительного последовательного резистора между выходом усилителя и динамиком использоваться не будет, для этого просто следует откорректировать принцип обратной связи. Конкретно – обратную связь надо брать не с выхода усилителя, а с резистора, включенного последовательно с динамиком в цепь «земля» (резистор R28). При этом выходное сопротивление усилителя станет очень большим.
Форма сигнала для схемы с токовым выходом:
М-да. Форма выходного напряжения получила явный колебательный характер, как и напряжение на реактивной части модели динамика.
Теперь сравните характер поведения зеленого графика для всех трёх случаев – как видите, можно оказывать влияние на время колебаний динамика, а значит, подстройкой работы усилителя регулировать время призвука, обычную «болезнь» динамиков большого диаметра.
Когда говорят об усилителе, то, кроме демпфирования, представляет интерес еще один момент – нагрев катушки. Динамическая головка преобразует электрическое воздействие в механическое перемещение диффузора с помощью катушки, которая перемещается в магнитном зазоре. Последняя наматывается медным проводом и при нагреве должна увеличивать свое сопротивление. Это актуально? Проверим.
Для теста использован советский динамик с неизвестной маркировкой (похожий на 4ГД8Е) и «китайский» вкладной наушник «за 100 рублей». Издеваться над хорошими вещами мне совершенно не хочется, а полученные результаты интересуют больше как тенденции, потому элементная база не столь важна.
Для измерения девиации сопротивления динамика от мощности можно строить схему по принципу: генератор сверхнизких и высоких частот + усилитель + динамик + микрофон, в результате получаются неинформативные картинки с сильным эмоциональным подтекстом. Нет уж. Нудно и некачественно. Сделаем иначе – снимем напряжение на датчике тока при подаче на динамик фиксированного напряжения постоянного тока. При этом сразу можно будет оценить и величину изменения сопротивления и скорость этого изменения (время теплового процесса).
Динамик:
Время переходного процесса порядка трёх секунд, изменение (увеличение) от нагрева составило 1/5 номинального сопротивления.
Наушник (15 Ом):
Время переходного процесса здесь меньше, порядка 0.7 секунды, а вот девиация сопротивления порядка 1/8. Но здесь необходимо пояснение, измерения проводились при напряжении на наушнике около 3 В. Вы слушали когда-нибудь подобный наушник при напряжения, близких к этому? При положительном ответе я начну завидовать, если после этого вы сохранили слух. У меня с этим беда, для тестового наушника нормальный уровень громкости получился при напряжении 0.3 вольта. Если повторить тест измерения на нагрев для напряжения 0.3 вольта, то девиация сопротивления вообще не должна быть заметна, ведь тепловая мощность уменьшится в 100 раз. Поэтому график для пониженного напряжения не приводится, смысла в нем нет.
реклама
Если по наушникам всё сильно запутано, то по динамикам довольно прозрачно. Их катушка нагревается и сопротивление возрастает. Причем, тест производился над советской динамической головкой, современные динамические головки обладают более «мощными» характеристиками при примерно таком же исполнении, в чём подвох?
Всё просто, материал изоляции провода и каркас катушки выполняется из материалов с повышенной теплостойкостью, что обеспечивает им большую рабочую мощность. По некоторым данным, в профессиональных динамиках катушка нагревается до 190-200 градусов. А что, довольно логично, я встречал обсуждения в конференциях вопросов вида – нормально ли, что магнитная система нагревается выше 60 градусов? Тепловое сопротивление медной обмотки меняется порядка 0.4 процента на каждый градус нагрева, далее простые расчеты.
В моем тесте динамика температура катушки вряд ли превысила 100 градусов по Цельсию, скорее не было и шестидесяти. Это означает, что сопротивление динамика может меняться значительно больше, чем на 1/5 номинального сопротивления. Впрочем, многое зависит и от слушателя – если не возникает желания озвучивать стадион, то сия проблема не столь актуальна. Хотя, есть применения типа ЭМОС, и там сложности умножаются.
Для среднечастотных динамических головок свойственна другая проблема, но со схожими последствиями. При колебании диффузора катушка перемещается вдоль магнитного зазора, со всеми его неоднородностями, что несколько меняет ее индуктивность. Если подать на динамик пару сигналов, низкой и высокой частоты, то низкочастотная составляющая будет сдвигать диффузор, и катушка будет смещаться в магнитном зазоре, что приведет к изменению ее индуктивности. В сильно упрощенной форме, эквивалентная схема динамической головки представляется в виде последовательного соединения активного сопротивления и индуктивности катушки. Для низких частот импеданс головки будет определяться активным сопротивлением, но на высоких частотах уже начнет сказываться собственная индуктивность катушки.
Коль скоро эта индуктивность не постоянна во времени, то и ток через катушку не останется постоянным, что означает интермодуляционные искажения. По некоторым разрозненным данным, собственная индуктивность катушки может меняться на 10-30 процентов, в зависимости от конструкции динамика. Это приведет к уровню интермодуляционных искажений 5-12 процентов. Подробнее этот вопрос рассмотрен в работе «Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?», автор С. Агеев.
Чтобы не быть совсем уж голословным, простенькая проверка – возьмем тот же тестовый динамик и подадим на него постоянный ток, который вызовет смещение диффузора, после чего останется только измерить его индуктивность.
В моем случае динамик показал изменение индуктивности на 4 процента при подаче постоянного тока, соответствующего 25 процентам номинальной мощности. При одной полярности тока следовало увеличение индуктивности, при другой – уменьшение. Если же убрать управление током и просто нажать пальцем на диффузор, то индуктивность возрастет в 1.7 раза, а обратный процесс приводит к ее уменьшению до 0.8 от первоначального варианта. Замеры индуктивности проводились с использованием прибора Е7-8, на частоте 10 кГц.
Заметность искажений
Проверка усилителя дает численную характеристику «коэффициент гармоник», но отражает ли она реальное качество звучания? С одной стороны, это объективный параметр и при малом значении подразумевает неплохое качество звука. Так, что же характеризует коэффициент гармоник? Вообще-то, «сферического коня», увы. Важен не только уровень искажений, вносимый усилителем, но его состав и частотный диапазон.
Человек воспринимает разную частоту звука с различной чувствительностью, наибольшая восприимчивость приходится на диапазон средних частот, 0.5-1 кГц, выше и ниже чувствительность падает. Хуже другое, на этих зависимостях сказывается уровень звука – при уменьшении громкости низкие и высокие частоты воспринимаются хуже. Для устранения этого эффекта, в нормальных усилителях в регулятор громкости встраивают тонкомпенсацию.
Кривые равной громкости:
Второй момент со схожей проблемой – большая часть мощности спектра типичных источников (фильмы, музыка) приходится на низкие частоты. Чтобы не загромождать статью не самой второстепенной информацией, ознакомиться с распределением энергии можно в статье «Спектр музыкального сигнала». В зависимости от частот разделения, для звуковой колонки на базе НЧ, СЧ и ВЧ динамических головок, принято распределять их мощность как 70%, 50% и 30% от полной. Или можно воспользоваться методикой из той же статьи:
Технология расчета представлена на третьей странице.
Давайте возьмем абстрактный усилитель с уровнем гармоник 0.01 процента. Предположим, данная цифра была получена измерением уровня искажений классическим способом - на частоте 1 кГц и с номинальным уровнем громкости. Неплохой усилитель?… Но продолжим анализ. Основную часть времени усилитель работает при низкой или очень низкой громкости, поэтому измерения на номинальной мощности не являются столь уж значимыми. Обычно при снижении уровня сигнала относительный уровень гармоник повышается. Больше или меньше, но все транзисторные усилители класса AB страдают эффектом «ступеньки».
Предположим, сей абстрактный усилитель был спроектирован достойно, а потому уменьшение уровня не привело к катастрофической деградации свойств и уровень гармоник повысился всего до 0.1 процента. Чтобы не быть голословным, обратимся к довольно распространенному интегральному усилителю TDA2050:
Повысился уровень искажений, но ведь это относительный уровень и он не так заметен, как при полной громкости. Впрочем нет, если в комнате долго тихо, то происходит эффект адаптации и чувствительность восстанавливается. Проблема в другом, если у усилителя большой спектр гармоник (спектр, а не уровень!), то основной сигнал не может «замаскировать» все гармоники и они могут стать заметными. Давайте проанализируем заметность искажений для сигнала трех диапазонов – низкие частоты (до 200 Гц), средние и высокие (выше 5 кГц).
Низкие и сверхнизкие частоты характерны тем, что ухо их воспринимает не как звук, а скорее как вибрацию. Поэтому, «заметность» их низкая. Но, хотя их не так отчетливо слышно, это вовсе не означает, что они не приносят проблем. Искажения в динамической головке из-за ограниченной механической прочности диффузора и неоднородности магнитного поля в зазоре магнитопровода можно опустить, речь идет о более простых вещах – в этой полосе частот рассеивается бо́льшая часть всей мощности, что означает значительную амплитуду сигнала.
Отягощает ситуацию то, что сам сигнал данной частоты плохо слышен и не может маскировать собственные искажения высокого порядка. Прикинем, что будет с искажениями. Возьмем частоту сигнала 100 Гц, характерную для низкочастотных колонок, при низком уровне громкости. Это означает коэффициент гармоник порядка 0.1 процента. Положим, тестовой усилитель хороший, только со спектром искажений, характерным для интегральных решений – четверть искажений приходится на гармоники высокого порядка (с номером 5 и больше).
Расклад следующий – порядка 0.05 процента искажений приходится на частоты 0.5-2 кГц, которые «слышны» в 2-5 раз лучше. Кроме того, я не зря говорил о низком уровне громкости и тонкомпенсации – из-за последнего низкие частоты поднимаются в 5-15 раз… что увеличивает и их сопутствующие искажения в той же пропорции. Если всё просуммировать, то уровень искажений можно разбить на две составляющие:
- С низким номером гармоник, порядка 0.07 процента, они частично маскируются полезным сигналом.
- С высоким уровнем гармоник, порядка 0.05 процента. Они плохо маскируются и хорошо прослушиваются в среднечастотном диапазоне. Если перевести с учетом тонкомпенсации и «слышимости», то их уровень будет порядка 0.05*3*10=1.5 процента.
Вывод – для низкочастотного звена лучше делать отдельный усилитель.
Средние частоты характеризуются высокой восприимчивостью человеческого уха, поэтому и полезный сигнал, и гармоники одинаково заметны, при расчетах переводить в «слышимость» нужды не возникает.
В высокочастотной части спектра звукового диапазона вроде бы всё просто – гармоники выше 20 кГц не слышны. Что ж, с ними и не нужно бороться? Отнюдь, появление искажений в ультразвуковом диапазоне приводит к двум последствиям:
- Возникает помеха высокой частоты, которую старается устранить общая обратная связь усилителя. Как следствие, появляются наведенные искажения из-за изменения условий работы входного каскада.
- Сами искажения не слышны, но факт их появления влияет на амплитуду первой гармоники (полезный сигнал), что воспринимается ухом как «странное» плавание уровня. Обычно, величина гармоник на верхнем диапазоне зависит от сопутствующих факторов – уровня и характера высокочастотных и низкочастотных составляющих, и при медленном изменении уровня происходит как бы скачкообразная модуляция громкости высоких частот.
Продолжение здесь.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила