О загадках УМЗЧ и эквивалентности электроакустических преобразователей

   Г. КОВАЛЕНКО, г. Таганрог 

   Почему существует разница в звучании музыки, воспроизводимой с помощью ламповых и транзисторных усилителей? Эта загадка волновала многих аудиофилов и инженеров на протяжении десятков лет, высказывались различные версии, менялась схемотехника, повышалась линейность усилителей увеличением глубины общей ООС. Автор этой статьи также занялся разгадкой этой проблемы еще в студенческие годы. Вот о своих исканиях и находках в профессиональной работе он и решил поделиться с нашими читателями.
  Автор данного цикла статей предлагает читателям ознакомиться со своими взглядами на технику звуковоспроизведения, которые позволили создать достаточно оригинальную аппаратуру, выпускаемую ныне фирмой "Колвир".
  С 1977 г. автор работал в НИИ "Бриз" при заводе "Прибой" (г. Таганрог), где занимался разработкой и постановкой производства транзисторной аппаратуры звуковоспроизведения, выпускаемой тогда под марками "Корвет", "Прибой". Производимый там же ламповый усилитель нового поколения "Прибой", известный многим аудиофилам 80—90х годов, заставил автора серьезно задуматься над секретами хорошего "лампового звучания" усилителей. Он исследовал в те же 80-е годы все версии "разгадок", высказываемых специалистами на страницах периодической печати.
   В результате многих экспериментов он убедился, что ни одна из версий не объясняла тех эффектов, что были слышны при сравнительных прослушиваниях разнообразной аппаратуры. Технические решения предлагаемых теорий не обеспечивали достижения качества, присущего ламповым усилителям. После этого с одобрения руководства автор избрал темой своего дипломного проекта в 1984 г. звуковоспроизводящий комплекс из усилителя и АС.
    В результате своих исследований динамических, электростатических и других экзотических электроакустических преобразователей (ЭАП) автору стало ясно, что звуковое давление прямо пропорционально электрическому заряду, проходящему через преобразователь (о этих процессах несколько ниже), т.е. току. И поэтому в качестве усилителя в проекте был предложен УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением, работающий как источник тока (ИТ), опытный образец которого и был представлен экзаменационной комиссии.
  Результаты демонстрации ошеломили комиссию: этот усилитель переиграл не только "Прибой", но и ламповый усилитель фирмы Pioneer, считавший комиссией эталонным! Это подтверждалось и лабораторными измерениями, проведенными автором: испытательный сигнал (синусоидальный и прямоугольный) подавался на три УМЗЧ (обычные транзисторный, ламповый, а также транзисторный, работающий в режиме ИТ), а к выходам последовательно подключалась АС (популярная в то время 10 МАС-1).
   Акустический сигнал поступал на конденсаторный микрофон измерительного комплекса ВШВ-003-М2, к выходу которого были подключены осциллограф и измеритель гармоник. Результаты измерений показали, что ламповый усилитель и УМЗЧ-ИТ превосходили обычный транзисторный по коэффициенту гармоник в 1,5 и в 10 раз соответственно. Интермодуляция в ламповом УМЗЧ в сравнении с обычным транзисторным была в пять раз меньше, а в УМЗЧ-ИТ — почти в 70 раз! Линеаризация АЧХ для УМЗЧ-ИТ в сравнении с другими сравниваемыми была явной. Верхняя граница рабочих частот АС возросла в два раза, нижняя сместилась вдвое ниже, а неравномерность АЧХ уменьшилась на 6 дБ.    При подаче прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц AC 10MAC-1 с УМЗЧ-ИТ существенно точнее воспроизводила форму импульсов. Дипломная работа, естественно, была признана выполненной на "отлично". В дипломной работе не рассматривались вопросы и разработки практических схем УМЗЧ-ИТ, а только теоретические вопросы качественного сравнения ламповых и транзисторных усилителей и их взаимодействуя с громкоговорителем, в результате чего был найден ответ, что УМЗЧ должен быть выполнен как генератор (источник) тока. Макет на базе усилителя "Бриг-001", представленный комиссии, был изготовлен в тот момент без теоретической проработки вопросов устойчивости УМЗЧ-ИТ и представлял собой преобразователь напряжение-ток, выполненный нэ основе схемы с незаземленной нагрузкой и обратной связью по току.
  Заявка на способ расчета и устройство, реализующее УМЗЧ-ИТ, имеет патент с приоритетом от 1991 года[1]. Внедрение же этого усилителя в производство натолкнулось на вопросы согласования, изменения стандартов, на тогдашнюю бюрократическую систему. К тому же грянула перестройка... Автор перешел в хозрасчетное предприятие "Лаборатория электронной техники", где он выполнял частные заказы и которая в дальнейшем распалась на ряд предприятий, в том числе "Колвир" и небезызвестную "Три В".
   За последующие годы автор создал на принципе "токовых" усилителей также усилители-корректоры, темброблоки, кабельные усилители для передачи слабых сигналов по длинным линиям, разработал свои оригинальные методики измерений электроакустических параметров. Изучение цифровых методов записи-воспроизведения позволило обнаружить грубую ошибку при считывании цифровой информации (пресловутый джиттер-эффект). Причем подобные ошибки после переделки аппаратуры автором устраняются.
   Фирмой на основе оригинальных исследований создан ряд кабелей различного назначения (фонокабели, межблочные, цифровые, акустические, сетевые). Другим направлением деятельности фирмы является разработка широкополосных динамических головок, на основе которых создан целый ряд акустических систем бытового и профессионального назначения. Исследования в области цифрового звука не прекращаются, и новые разработки готовятся...
   Особенности работы динамических и электростатических электроакустических преобразователей.
  Теперь приступим к рассмотрению вопросов электроакустических преобразователей, чтобы было понятно, почему для их возбуждения необходим усилитель с "токовым" выходом.
   Для начала читателю полезно уточнить: что есть звук? Звук — это колебания атмосферного давления в полосе частот 20...20000 Гц. Здесь мы максимально упростим вопрос, исключая особенности среды и считая ее идеальной. Общепринятый синусоидальный сигнал должен вызывать в конкретной точке атмосферы изменение давления по такой же кривой, т.е. синусоидальный. Как же э/акустический преобразователь может обеспечить это изменение? Все знают, что это достигается колебательными перемещениями диффузора, мембраны, пленки и т.п. Как же эти перемещения обеспечивают колебания давления возле преобразователя? Эти колебания вызываются уплотнением и разрежением воздушной среды возле мембраны'
   К примеру, рассмотрим воспроизведение прямоугольного акустического сигнала через ЭАП. Чтобы достичь подобной формы колебаний звукового давления, диффузор должен сначала переместиться в пространстве очень быстро, чтобы создать большое уплотнение среды, формируя крутой фронт сигнала, а затем он должен поддерживать это уплотнение постоянным, что достигается его перемещением с постоянной скоростью. Затем задний фронт формируется также очень быстрым перемещением диффузора, после чего для сохранения того же уплотнения движется с постоянной скоростью. Время движения с постоянной скоростью определяется длительностью этих импульсов. Что же заставляет диффузор так двигаться? Видно, что мгновенное изменение скорости мембраны происходит за счет большого ускорения, а при равномерном движении — за счет отсутствия ускорения.
  Теперь смотрим, какие же силы воздействуют на мембрану? Первая — сила, толкающая мембрану и приводящая ее в движение. Вторая сила, противоположная по направлению — сила сопротивления среды (она же характеризует акустическое сопротивление). Для первого этапа формирования фронта импульса первая сила должна превосходить вторую, чтобы разность этих сил могла бы обеспечить ускоренное перемещение мембраны: a=F/m, где m — масса мембраны, a F — разница между силами. Во время действия верхней "полки" силы равны по величине, но противоположны по направлению. Далее происходит процесс формирования обратного фронта за счет изменения направления первой силы и на первом этапе сложение ее с силой реакции среды до момента разряжения среды до атмосферного давления. Затем при продолжении разряжения сила становится противодействующей силе, приложенной к мембране. До момента формирования нижней "полки" действует ускоряющая сила.    И так процесс повторяется многократно с частотой акустического сигнала. У читателя может возникнуть вопрос: зачем для поддержания давления мембране необходимо перемещаться с постоянной скоростью? А потому, что мембрана работает в открытом пространстве и не является поршнем насоса, а уплотнение или разрежение среды перед излучателем стремится вернуться к атмосферному за счет текучести среды. Теперь становится понятным такое движение мембраны и понятно, что для такого движения необходима сила воздействия на мембрану, изменяющаяся по величине и направлению вo времени в соответствии с необходимыми колебаниями давления. Сила и ее направление должны строго соответствовать колебаниям давления перед мембраной. Размеры мембраны принимаются соответствующими реальным излучателям.
   Мы установили факт прямой пропорциональности звукового давления силе воздействия на мембрану. А как образуется эта сила? Давайте рассмотрим два типа преобразователей: электродинамический и затем электростатический.
  Итак, динамический излучатель возбуждается посредством связанной с диффузором звуковой катушки в магнитном поле. Теперь вспомним школьный курс физики, где рассматривается взаимодействие проводника с магнитным полем при протекании через него электрического тока. Так называемая сила Лоренца определяется из формулы F = BII SinА, где В — индукция магнитного поля, I — ток через проводник, I — длина проводника, SinА — угол между направлением магнитных линий и проводником. В магнитной системе головки SinА =1, В и I — постоянны, и фактически ток определяет силу, смещающую звуковую катушку, т.е. функция тока, протекающего через катушку, и определяет функцию звукового давления.
  Как же формируется сила, воздействующая на пленку электростатического ЭАП? Сила в симметричном преобразователе определяется напряженностью электрического поля и величины заряда: F=QE. Закон изменения напряженности поля от обеих обкладок одинаков, но противоположен по знаку, поэтому общее воздействие поля на заряд на пленке остается одинаковым и величину Е можно принять постоянной. Отсюда сила прямо пропорциональна заряду на пленке. Теперь достаточно вспомнить, что ток — это направленное движение зарядов через сечение проводника в единицу времени. Т.е. заряд на обкладках ЭАП формируется электрическим током.
   Мы приходим к выводу, что в обоих случаях функция тока определяет функцию звукового давления. Аналогично это можно доказать и для других типов ЭАП.

                 Работа обычного усилителя с ЭАП

   Рассмотрим работу УМЗЧ совместно с этими двумя типами ЭАП в упрощенном виде.
Что отслеживает УМЗЧ ИН на своем выходе? Функцию напряжения, но не тока. Теперь, какую нагрузку представляет собой динамическая головка? Нагрузка имеет комплексный импеданс, состоящий из активной и реактивной составляющих. Активная — это сопротивление провода катушки, которое увеличивается в результате нагрева от протекающего через него тока, т.е. меняется от величины протекающего через катушку тока.
   Теперь о реактивной составляющей: она состоит из индуктивности катушки, которая меняется при перемещении катушки относительно керна магнитной системы. Кроме того, масса диффузора в эквивалентной электрической схеме является индуктивностью. Механическая гибкость подвеса подвижной системы в эквивалентной электрической схеме представляется как емкость. Если на малых амплитудах колебаний реактивное сопротивление гибкости подвеса мало, то на больших амплитудах подвес ограничивает смещение и его реактивное сопротивление становится значительным. Акустическое сопротивление опускаем, так как оно во вех случаях является свойствами среды, а не излучателя.
   Так как же УМЗЧ ИН формирует ток в широкополосной динамической головке, подключаемой без фильтров? Омическое сопротивление головки с изменяемым сопротивлением от нагрева вызывает искажения формы тока в отличие от напряжения (термодинамическая компрессия). Индуктивная составляющая вызывает запаздывание тока по фазе относительно напряжения УМЗЧ ИН. К тому же значение индуктивности изменяется от направления движения катушки: при движении вперед значение этой индуктивности уменьшается, при движении назад — уменьшается, что обуславливает изменения в звучании музыкальных инструментов ударного возбуждения при смене полярности включения головки.    Другой эффект проявления индуктивной составляющей — затяжка атаки инструмента из-за отставания тока от напряжения УМЗЧ ИН. Влияние гибкости (эквивалентной емкости) порождает резонансные колебания, (поскольку образуется LC-контур через малое выходное сопротивление усилителя), выражаемые как затягивания послезвучаний ударных инструментов. Таким образом ток, протекающий через звуковую катушку, очень сильно отличается от выходного напряжения УМЗЧ ИН, и звуковое давление имеет те же искажения (резонансы, искажения атаки, послезвучия), которые многократно описывались ранее. И как следствие — искажения пространственной звуковой картины, плохая локализация инструментов и т.п. А представьте, какие искажения добавляют пассивные разделительные фильтры в форму тока, протекающего через динамические головки?
   А как бы работал УМЗЧ ИН с электростатическим ЭАП, непосредственно подключенным к выходу? Что представляет собой комплексное сопротивление электростатического излучателя? Это активное сопротивление, определяемое подводящими проводами и сопротивление пленки, очень мало. Масса, эквивалентная индуктивности, тоже очень мала. Емкостная составляющая определяется площадью излучателя, но она тоже не очень большая. Гибкость пленки, рассматриваемая как эквивалентная емкость — тоже невелика. Комплексное сопротивление этого ЭАП носит ярко выраженный реактивно- емкостной характер и искажения проявляются на достаточно высокочастотных сигналах, где начинает резко уменьшаться его комплексное сопротивление и ток нагрузки опережает напряжение на выходе УМЗЧ ИН.
   Но в реальных условиях электростатические излучатели подключаются к УМЗЧ ИН через повышающие трансформаторы с их значительным активным сопротивлением и весьма малой индуктивностью, в результате чего УМЗЧ ИН оказывается нагруженным почти на активную нагрузку, и форма тока на выходе ИН очень близка к форме напряжения. Это и обуславливает высокое качество звучание электростатического ЭАП в их рабочем диапазоне частот. В случае подключения электростатического ЭАП напрямую к ламповому УМЗЧ его собственное выходное сопротивление является нагрузкой и обуславливает форму тока в соответствии с сигналом, т.е. он работает в режиме генератора тока. В этом случае также достигается хорошее неискаженное звучание.
   Как видно уважаемому читателю, описанные особенности работы двух наиболее распространенных ЭАП с УМЗЧ ИН, многократно подтверждаются субъективными оценками в различных популярных изданиях. Кстати, отсюда можно сделать вывод, что для улучшения качества звуковоспроизведения усилитель должен работать в режиме генератора тока (УМЗЧ ИТ).

   Особенности работы усилителей с общей ООС

   Транзисторные УМЗЧ без общей ООС, как и ламповые усилители с неглубокой ООС по напряжению, имеют выходное сопротивление, сравнимое с сопротивлением нагрузки и поэтому представляют собой "генераторы мощности". Т.е. выходное напряжение таких усилителей зависимо от сопротивления нагрузки таким образом, что при изменении нагрузки происходит некоторая "стабилизация" тока. Но и это обусловливает более качественное звучание таких усилителей, что также общепризнанно.
   В соответствии с выше изложенным, можно сделать вывод: громкоговорители с усилителями с глубокой ООС будут звучать менее качественно из-за большей стабилизации выходного напряжения УМЗЧ и безразличия их к току нагрузки.
   Бытующее мнение, что по цепи общей ООС по напряжению проникает реакция головки, представляется некорректным ввиду поддержания этим УМЗЧ напряжения на нагрузке неизменным. Как раз для токового усилителя характерно поддержание стабильного тока через нагрузку путем изменения своего выходного напряжения как реакции изменения импеданса нагрузки, причем чем более глубокая ООС по току, тем более точная реакция в выходном напряжении относительно изменения импеданса нагрузки, что обеспечивает большую точность преобразования электрического сигнала в акустический, и как следствие, более точное звуковоспроизведение.

  Взаимодействие усилителя и громкоговорителя в системе звуковоспроизведения
   Стоит упомянуть, что обычно громкоговорители представляют собой двух-трехполосные системы с разделительными фильтрами, которые и являются собственнонагрузкой УМЗЧ. От конструкции этих фильтров очень сильно зависит звучание громкоговорителя. Разделительный фильтр, построенный с ориентацией на УМЗЧ ИН, как частотные делители напряжения без учета частотного деления тока еще больше искажают
токи в ЭДГ. Как правило, это характерно для фильтров высокого порядка, что отмечалось неоднократно при субъективных оценках. Но этот вопрос достоин более подробного рассмотрения, поэтому пассивным фильтрам и их расчету предполагается посвятить отдельную статью.