В 60-х годах текущего столетия для оценки качества звучания высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуры широко использовался очень емкий, но безразмерный термин "высокая верность воспроизведения звука".

    В настоящее время термин этот, к сожалению, забыт, а качество звучания оценивается с помощью таких измеримых параметров, как коэффициент гармоник (Кг), коэффициент интермодуляционных искажений (Ки), наличие динамических искажений (TIM - искажений) и ряда других, подробно описанных в литературе [1-3], но дающих далеко неполное и неистинное представление о качестве звучания того или иного звуковоспроизводящего устройства. Нередки случаи, когда при проведении слуховых экспертиз предпочтение отдается аппаратуре не с лучшими, а с худшими параметрами. В чем же здесь дело? А в том, что перечисленные выше параметры выбраны без учета особенностей человеческого слуха.

Психоакустические исследования [4], с которыми читатели познакомятся в этой статье, могут помочь им найти другой, более реальный подход к оценке качества звучания бытовой радиоаппаратуры. Для начала рассмотрим кривые , приведенные на рис. 1.

Рис. 1

Сплошной линией 1 показана зависимость абсолютного порога слышимости (АПС) звука от частоты. Область выше этой кривой называют плоскостью слышимости. На ней кружком обозначен чистый (синусоидальный) тон частотой 1 кГц и уровнем громкости 80 дБ. Проведем такой эксперимент. Допустим, что одновременно с этим тоном (назовем его мешающим или маскирующим) будет звучать еще один, с переменной частотой и амплитудой (назовем его измерительным). Так вот, в области частот от 20 до 500 Гц измерительные тона не будут слышны до тех пор, пока их уровни не превысят ограниченные кривой АПС. А как только это произойдет, измерительные тона будут слышны вместе с мешающим. Иными словами, в этом диапазоне АПС и порог слышимости тона при маскировке совпадают. В области частот 500...1000 Гц измерительный тон сильно маскируется мешающим (см. штрих-пунктирную кривую 2). Чтобы измерительный тон был слышен в этой области, его уровень должен быть много больше АПС, т. е. при маскировке мешающим тоном порог слышимости измерительного лежит здесь выше кривой АПС. В диапазоне частот 1000...2000 Гц измерительный тон вообще не будет слышен до тех пор, пока его уровень не превысит АПС на 50 дБ, причем, если его уровень будет увеличиваться и дальше, то слышимым окажется не он, а разностный тон, частота которого меньше мешающего тона 1 кГц. Это явление будет наблюдаться до тех пор, пока уровень измерительного тона не достигнет некоторого нового порога слышимости, ограниченного штриховой линией 3, после чего наряду с разностным и мешающим тонами становится слышимым и измерительный. Оба эти порога следует строго различать. В октаве, расположенной выше частоты мешающего тона, порог слышимости измерительного тона всегда намного выше порога слышимости разностных тонов. Если частота измерительного тона близка к основной, удвоенной или утроенной частоте мешающего тона, то в широком диапазоне уровней (выделены штриховкой) слышны биения. В диапазоне частот 2000...10 000 Гц порог слышимости измерительного тона лежит выше уровней, ограниченных штрих-пунктирной кривой. При более низких уровнях слышен только мешающий тон. На самых высоких частотах (10 000... 20 000 Гц) маскирующее действие мешающего тона исчезает и измерительный тон становится слышимым, как только его уровень превысит АПС. Рис. 2 На рис. 2 показаны кривые порогов слышимости измерительного тона при маскировке его мешающим тоном частотой 1 кГц и уровнями 30, 50, 70 и 90 дБ. Измерительный тон станет слышимым только тогда, когда его уровень превысит соответствующий порог слышимости. Ниже этих порогов будет слышен только мешающий тон. Следует обратить внимание на то, что область маскировки измерительного тона сужается с уменьшением уровня мешающего тона. Рассмотрим теперь, какие минимальные изменения уровня воспринимаются на слух. Рис. 3

    На рис. 3 показаны зависимости порога слышимости синусоидального тона частотой 1 кГц и уровнем 40, 60, 80 и 90 дБ от глубины и частоты его модуляции синусоидальным тоном переменной частоты. Из рисунка видно, что наиболее чувствителен слух к частоте модуляции 3...4 Гц. На этой частоте при уровне тона 90 дБ слух воспринимает глубину модуляции около 1 %. Анализ кривых порогов слышимости, показанных на рис. 1 и 2, позволяет объяснить резкое увеличение чувствительности слуха к амплитудной модуляции частотой выше 200 Гц. Слуховое восприятие нижней боковой частоты модуляции определяется в этой области кривой АПС, эффект маскирования здесь минимален.

При прохождении музыкальных и речевых сигналов через предварительные усилители ЗЧ и усилители мощности изменяются фазовые соотношения между составляющими созвучий, проявляющиеся в виде так называемых временных искажений. Пороговая величина воспринимаемого на слух временного сдвига зависит от характера звукового сигнала. Проделаем такой опыт. Пропустим через усилитель импульсный звуковой сигнал, содержащий высокочастотную и низкочастотную составляющие. Из-за временного сдвига между этими составляющими тембр исходного созвучия изменится. При импульсном характере сигнала пороговая величина слухового восприятия временного сдвига составит около 2 мс. Причем при уровнях звукового давления, превышающих АПС, эта величина практически не зависит от уровня. Рассмотренные выше особенности слухового восприятия звукового сигнала позволяют сделать некоторые выводы о допустимых величинах Кг и Ки. 1. Анализ кривых, приведенных на рис. 1 и 2, показывает, что все гармоники с амплитудой ниже уровня, ограниченного кривой 2, будут неслышны. Создается впечатление допустимости большого числа и значительных по амплитуде гармоник высших порядков. Например, судя по рис. 1, уровень 15-й гармоники может достигать -30 дБ (здесь и далее уровень гармоник указан относительно максимальной мощности сигнала 1 кГц - 80 дБ). Однако на этот счет не следует обольщаться. Во-первых, амплитуда допустимых с точки зрения слухового восприятия гармоник быстро падает с уменьшением уровня сигнала (рис. 2), например, при уровне 50 дБ амплитуды гармоник, вносящих наибольший вклад в Кг (со второй по шестую), должны быть ниже кривой АПС. Во-вторых, сконструировать усилитель ЗЧ, амплитуды гармоник которого повторяли бы АПС, практически невозможно. В-третьих, все сказанное справедливо для одночастотного сигнала. При усилении реального сигнала процессы возникновения продуктов нелинейности будут гораздо сложней. Поэтому при проектировании усилительного устройства следует стремиться к тому, чтобы спектр усиленного сигнала был ограничен пятью гармониками. Согласно рис. 1, уровни второй, третьей, четвертой и пятой гармоник не должны превышать соответственно -30, -46, -60 дБ, что соответствует Кг=3.32 %. Однако столь большая величина допустимого Кг не должна вызывать никаких иллюзий, поскольку она фактически на 99 % определяется уровнем второй гармоники, а те, кто серьезно занимаются разработкой аппаратуры высокой верности воспроизведения звука, понимают, как трудно сконструировать усилитель с резким спадом амплитуд гармоник высшего порядка, к которым наиболее чувствителен слуховой аппарат человека. Именно эта особенность слухового восприятия указывает на неправомочность рекомендаций некоторых авторов при выборе Кг усилителя мощности ЗЧ (УМЗЧ) принимать во внимание Кг электропроигрывателей и громкоговорителей. Эти устройства, в отличие от усилителей ЗЧ, не синтезируют гармоник высшего порядка, а потому вносимые ими искажения менее заметны на слух. Выводы относительно допустимого Ки при анализе рис. 1 и 2 получить еще проще. Все сигналы с частотами, являющимися разностью или суммой двух не вызывающих биений тонов (т. е. не попадающих в заштрихованные области на рис. 1), должны лежать ниже уровня АПС, а это - 90 дБ (рис. 2). Такому уровню соответствует Ки=0.003%, и именно эта величина указана в [1, 5]. Особенно это относится к разностным сигналам, так как крутизна спада левой части кривой порога слышимости 2 (см. рис. 1) существенно выше правой. Действительно, если на вход усилителя подать два равных по амплитуде сигнала частотой, например, 19 и 20 кГц, мешающий сигнал суммарной частоты окажется далеко за пределами слышимого диапазона частот, а разностной частоты 1 кГц будет хорошо слышим, если Ки>0.003%, причем его уровень будет тем выше, чем больше Ки. Сравнение требуемых значений Кг=3.32 % и Ки=0.003% показывает, что измерять нужно не первый, а второй параметр. В крайнем случае можно ограничиться измерением Кг, но в наиболее широком диапазоне частот. Рост этого коэффициента в диапазоне высших звуковых частот (10...20 кГц) косвенно свидетельствует о значительном Ки. 2. При использовании нестабилизированных источников питания низкочастотные составляющие с частотами вблизи 50, 100 и 200 Гц оказываются промодулированными пульсациями напряжения выпрямителя. На слух это воспринимается, как биения. Особенно сильно этот эффект проявляется при максимальной мощности УМЗЧ. Восприимчивость слуха к такого рода искажениям иллюстрирует рис. 3. По-видимому, наличием этих искажений можно объяснить, что при больших амплитудах пульсаций "басы" приобретают "жесткость". Глубина амплитудной модуляции определяется выходным сопротивлением выпрямителя и коэффициентом пульсаций питающего напряжения. Устранить этот эффект можно двумя методами. Первый и самый очевидный - применение стабилизатора. Однако создание стабилизатора на ток порядка 10...15 А (в импульсе) дело довольно сложное и дорогостоящее. Второй метод - увеличение глубины ООС, что требует и соответствующего увеличения коэффициента усиления УМЗЧ (К0). Но по ряду причин (о чем будет сказано ниже) и это далеко не оптимальный вариант. В последние годы за рубежом эта проблема решается введением дополнительной (помимо основной R2, R1, определяющей коэффициент усиления УМЗЧ по переменному напряжению Кu) цепи частотно-зависимой ООС (рис. 4). Она образована ОУ DA1, DA2. На ОУ DA2 собран интегратор с частотой среза fи=1/2p*R5C2. ОУ DA1 включен инвертером, через резистор R3 сигнал дополнительной ООС поступает в цепь основной ООС. Общая частота среза обеих цепей ООС равна: fи=R2/2p*R5C2R3. Рис. 4 На частоте сигнала f>fи работает только цепь основной ООС. При f=fи интегратор начинает вести себя как фильтр нижних частот (ФНЧ) первого порядка, что влечет за собой увеличение глубины ООС на 6 дБ на октаву. При дальнейшем снижении частоты глубина ООС увеличивается и достигает своего предельного значения, определяемого коэффициентом усиления ОУ DA2 плюс K0 самого усилителя, т. е. позволяет увеличить K0 на несколько порядков только в области низших частот. Необходимое значение частоты fи можно выбрать, руководствуясь зависимостями, приведенными на рис. 3. Легко видеть, что значение fи должно лежать в диапазоне 2...5 Гц, поскольку он соответствует наименьшей чувствительности слуха к восприятию амплитудной модуляции. Рассмотрим теперь те свойства УМЗЧ, которые приводят к возникновению динамических искажений, или, как их еще принято называть, TIM-искажений. Структурная схема типичного УМЗЧ подробно описана в [1], ее упрощенный вид с осциллограммами сигналов в различных точках приведен на рис. 4. Функции входного дифференциального каскада выполняет усилитель А1 с коэффициентом усиления K1. ФНЧ R4C1 формирует однополюсную АЧХ усилителя с главным полюсом на частоте f0 (рис. 5). Второй каскад представляет собой усилитель А2 с коэффициентом усиления К2. Весь усилитель охвачен цепью ООС (R2R1). Рис. 5

    Проследим процессы, происходящие в УМЗЧ при подаче на его вход импульсного сигнала. Поступивший сигнал усиливается первым каскадом с коэффициентом усиления K1, а так как обратная связь включится только после прохождения сигнала через ФНЧ R4C1 с постоянной времени T = R4C1 = 1/2p*f0, а большинство усилителей проектируется на получение максимального коэффициента усиления К0, то первый каскад неизбежно ограничит поступивший сигнал.

Именно это обстоятельство является основной причиной возникновения динамических искажений. (Здесь еще раз уместно вернуться к выбору Кг и Ки. Дело в том, что режим ограничения приводит к дополнительному увеличению числа и энергии гармоник. Часть их неизбежно попадает в область частот более низких, чем та область, в которой маскирование отсутствует (на рис. 1 и 2 область частот ниже 1 кГц). Отсюда и требование стремиться проектировать усилители, создающие минимальное число гармоник). Через какое-то время ООС полностью включится и полюс АЧХ усилителя с частоты fo сместится на частоту fc (рис. 5), характеризующую поведение УМЗЧ в установившемся режиме. Несмотря на то, что, как указывалось выше, слух воспринимает только достаточно большие временные искажения (более 2 мс), это не должно служить поводом для оптимизма, поскольку такую задержку создает ФНЧ с главным полюсом АЧХ на частоте 79 Гц. Поэтому, даже если исключить все факторы, влияющие на возникновение динамических искажений, но использовать УМЗЧ, АЧХ которого будет иметь главный полюс на частоте f0≤79 Гц, возникшая временная задержка будет превышать 2 мс и хорошо восприниматься на слух. Основными методами борьбы с ТIМ-искажениями могут быть уменьшение глубины ООС, увеличение частоты fo, уменьшение коэффициента усиления входного дифференциального каскада K1 и получение необходимого усиления К0 за счет второго каскада К2, увеличение динамического диапазона каскадов А1 и А2. Следует однако, иметь в виду, что уменьшение глубины ООС негативно скажется на Кг и Ки а это потребует разработки специальных высоколинейных усилительных каскадов. Нельзя также забывать и об уменьшении глубины ООС с увеличением частоты. В качестве примера возьмем такой случай: f0=1 кГц, К0=80 дБ, Кu=30 дБ (рис. 5). В этом случае глубина ООС на частоте 20 кГц составит 24 дБ, а на частоте 40 кГц - всего 18 дБ, что еще раз показывает недопустимость большого числа гармоник, скомпенсировать которые невозможно из-за недостатка усиления в петле ООС. В таблице приведены значения измеренных анализатором спектра СК4-56 амплитуд гармоник и рассчитанные по ним значения Кг, для дифференциального усилительного каскада, каскада на ламповом триоде, а также каскада, выполненного на транзистоpax, включенных по схеме эмиттерного повторителя и работающих в режимах АВ и А. Переход от режима АВ к А дает уменьшение Кг в четыре раза, что позволяет уменьшить К0 УМЗЧ на 13 дБ и, что как следствие, увеличивает f0 на две октавы. Следует отметить, что требованию получения монотонно спадающего ряда амплитуд гармоник в наибольшей степени отвечает каскад на ламповом триоде. Благоприятный спектр гармоник, большая линейность и, как следствие, меньшая глубина ООС в значительной степени и определяют "мягкость" звучания ламповых усилителей. Резюмируя изложенное, можно дать следующие рекомендации для разработки и испытания аппаратуры ВВВ: 1. Величины Кг и Ки должны согласовываться с рекомендациями психоакустики, а распределение гармоник необходимо измерять анализатором спектра или, подавая на вход УМЗЧ двухчастотный сигнал (19 и 20 кГц равной амплитуды), измерять компоненты искажений в диапазоне разностных частот 1...10 кГц или в крайнем случае на одной частоте 1 кГц 2. Особое внимание необходимо уделить измерению динамических характеристик УМЗЧ и всего тракта. 3. Стремиться к созданию наиболее линейных усилительных звеньев, что позволит уменьшить глубину ООС и снизить опасность возникновения TIМ-искажений. 4. Общее представление о качестве УМЗЧ может дать следующий эксперимент Отключив высокочастотную головку АС и заменив ее резистором эквивалентного сопротивления более высокой мощности, подать на вход УМЗЧ два тона равной амплитуды в диапазоне частот 20...30 кГц с разницей частот 1...2 кГц. Уровень воспроизводимого АС звука и будет характеризовать величину Кг и Ки.

ЛИТЕРАТУРА 1. Дмитриев Н., Феофилактов Н. Схемотехника усилителей мощности ЗЧ - Радио, 1985. № 5, с 36- 38, № 6, с 25-28 2. Беспалов И., Пикерсгиль А. Качество звучания и характеристики УМЗЧ - Радио, 1986. № 1, с 56-57 3. Глухов А., Зорин И., Никонов А. Измерение и контроль в трактах звукового вещания - М Радио и связь, 1984 4. Цвикер Э.. Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации - М Связь, 1971 5. Petri - Larmi M., Otala М., Lammasmiemi J. Psichoacoustic Delection Threshold of Transient Intermodulation Dibtoition - Journal of the Audio Engineering Society 1980, N 28, N 3, p 98-104                                                                                                             Костин В. Опубликовано в журнале Радио №12 1987 г.

Разницу в звучании громкоговорителей при работе с различными УМЗЧ, в первую очередь, замечают, сравнивая ламповые и транзисторные усилители:спектр их гармонических искажений часто существенно отличается. Иногда заметные отличия бывают и среди усилителей одной и той же группы. Например, в одном из аудиожурналов оценки, данные ламповым УМЗЧ мощностью 12 и 50 Вт, склонялись в пользу менее мощного. Или оценка была необъективной? Как нам кажется, автор статьи доказательно объясняет одну из мистических причин возникновения в громкоговорителях переходных и интермодуляционных искажений, создающих заметную разницу в звучании при работе с различными УМЗЧ. Он предлагает также доступные методы существенного снижения искажений громкоговорителей, которые достаточно просто реализуются с применением современной элементной базы. В настоящее время считается общепризнанным, что одним из требований к усилителю мощности является обеспечение неизменности его выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Иными словами, выходное сопротивление УМЗЧ должно быть невелико по сравнению с нагрузочным, составляя не более 1/10,,,1/1000 от модуля сопротивления (импеданса) нагрузки |Zн|. Эта точка зрения отражена в многочисленных стандартах и рекомендациях, а также в литературе. Специально введен даже такой параметр, как коэффициент демпфирования - Kd (или демпинг-фактор), равный отношению номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя Rвых УМ. Так, при номинальном сопротивлении нагрузки, равном 4 Ом, и выходном сопротивлении усилителя 0,05 Ом Kd будет равен 80. Действующие ныне стандарты на аппаратуру HiFi требуют, чтобы значение коэффициента демпфирования у высококачественных усилителей было бы не менее 20 (а рекомендуется - не менее 100). Для большинства транзисторных усилителей, имеющихся в продаже, Kd превышает 200. Доводы в пользу малого Rвых УМ (и соответственно высокогоKd) общеизвестны: это обеспечение взаимозаменяемости усилителей и акустических систем, получение эффективного и предсказуемого демпфирования основного (низкочастотного) резонанса громкоговорителя, а также удобство измерения и сопоставления характеристик усилителей. Однако, несмотря на правомерность и обоснованность вышеприведенных соображений, вывод о необходимости такого соотношения, по мнению автора, принципиально ошибочен! Всё дело в том, что этот вывод делается без учета физики работы электродинамических головок громкоговорителей (ГГ). Подавляющее большинство разработчиков усилителей искренне полагает, что всё, что от них требуется - это выдать напряжение требуемой величины на заданном сопротивлении нагрузки с возможно меньшими искажениями. Разработчики громкоговорителей, в свою очередь, вроде бы должны исходить из того, что их изделия будут питаться от усилителей с пренебрежимо малым выходным сопротивлением. Казалось бы, все просто и ясно - какие тут могут быть вопросы? Тем не менее, вопросы, и очень серьёзные, имеются. Главным из них является вопрос о величине интермодуляционных искажений, вносимых ГГ при работе ее от усилителя с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением (источника напряжения или источника ЭДС). «Какое отношение к этому может иметь выходное сопротивление усилителя? Не морочьте мне голову!» - скажет читатель. - И ошибётся. Имеет, и самое прямое, несмотря на то, что факт этой зависимости упоминается крайне редко. Во всяком случае, не обнаружено современных работ, в которых бы рассматривалось это влияние на все параметры сквозного электроакустического тракта - от напряжения на входе усилителя до звуковых колебаний. При рассмотрении этой темы ранее почему-то ограничивались анализом поведения ГГ вблизи основного резонанса на нижних частотах, тогда как не менее интересное происходит на заметно более высоких частотах - на пару октав выше резонансной частоты. Для восполнения этого пробела и предназначена эта статья. Надо сказать, что для повышения доступности изложение весьма упрощено и схематизировано, поэтому ряд «тонких» вопросов остался нерассмотренным. Итак, чтобы понять, как выходное сопротивление УМЗЧ влияет на интермодуляционные искажения в громкоговорителях, надо вспомнить, какова физика излучения звука диффузором ГГ. Ниже частоты основного резонанса при подаче синусоидального напряжения сигнала на обмотку звуковой катушки ГГ амплитуда смещения её диффузора определяется упругим противодействием подвеса (или сжимаемого в закрытом ящике воздуха) и почти не зависит от частоты сигнала. Работа ГГ в этом режиме характеризуется большими искажениями и очень низкой отдачей полезного акустического сигнала (очень низким КПД). На частоте основного резонанса масса диффузора вместе с колеблющейся массой воздуха и упругостью подвеса образуют колебательную систему, аналогичную грузику на пружинке. КПД излучения в этой области частот близок к максимальному для данной ГГ. Выше частоты основного резонанса силы инерции диффузора вместе с колеблющейся массой воздуха оказываются большими, чем силы упругости подвеса, поэтому смещение диффузора оказывается обратно пропорциональным квадрату частоты. Однако ускорение диффузора при этом теоретически не зависит от частоты, что и обеспечивает равномерность АЧХ по звуковому давлению. Следовательно, для обеспечения равномерности АЧХ ГГ на частотах выше частоты основного резонанса к диффузору со стороны звуковой катушки необходимо прикладывать силу постоянной амплитуды, как это следует из второго закона Ньютона (F=m*a). Сила же, действующая на диффузор со стороны звуковой катушки, пропорциональна току в ней. При подключении ГГ к источнику напряжения U ток I в звуковой катушке на каждой частоте определяется из закона Ома I(f)=U/Zг(f), где Zг(f) - зависящее от частоты комплексное сопротивление звуковой катушки. Оно определяется преимущественно тремя величинами: активным сопротивлением звуковой катушки Rг (измеряемым омметром), индуктивностью Lг. На ток влияет также и противо-ЭДС, возникающая при перемещении звуковой катушки в магнитном поле и пропорциональная скорости перемещения. На частотах заметно выше основного резонанса величиной противо-ЭДС можно пренебречь, поскольку диффузор со звуковой катушкой просто не успевают разогнаться за половину периода частоты сигнала. Поэтому зависимость Zг(f) выше частоты основного резонанса определяется в основном величинами Rг и Lг Так вот, ни сопротивление Rг, ни индуктивность Lг особым постоянством не отличаются. Сопротивление звуковой катушки сильно зависит от температуры (ТКС меди около +0,35%/оС), а температура звуковой катушки малогабаритных среднечастотных ГГ при нормальной работе изменяется на величину в 30...50 оС и причем весьма быстро - за десятки миллисекунд и менее. Соответственно, сопротивление звуковой катушки , а следовательно, и ток через неё, и звуковое давление при неизменном приложенном напряжении изменяются на 10...15%, создавая интермодуляционные искажения соответствующей величины (в низкочастотных ГГ, тепловая инерционность которых велика, разогрев звуковой катушки вызывает эффект тепловой компрессии сигнала). Изменения индуктивности ещё более сложны. Амплитуда и фаза тока через звуковую катушку на частотах заметно выше резонансной в значительной мере определяются величиной индуктивности. А она очень сильно зависит от положения звуковой катушки в зазоре: при нормальной амплитуде смещения для частот, лишь немногим больших, нежели частота основного резонанса, индуктивность изменяется на 15...40% у различных ГГ. Соответственно при номинальной мощности, подводимой к громкоговорителю, интермодуляционные искажения могут достигать 10...25%. Сказанное выше иллюстрируется фотографией осциллограмм звукового давления, снятых на одной из лучших отечественных среднечастотных ГГ - 5ГДШ-5-4. Структурная схема измерительной установки приведена на рисунке. В качестве источника двухтонального сигнала применены пара генераторов и два усилителя, между выходами которых подключена испытуемая ГГ, установленная на акустическом экране площадью около 1 м2 . Два отдельных усилителя с большим запасом по мощности (400 Вт) использованы с целью избежать образования интермодуляционных искажений при прохождении двухтонового сигнала через усилительный тракт. Звуковое давление, развиваемое головкой, воспринималось ленточным электродинамическим микрофоном, нелинейные искажения которого составляют величину менее -66дБ при уровне звукового давления 130 дБ. Звуковое давление такого громкоговорителя в этом эксперименте составляло примерно 96 дБ, та что искажениями микрофона при данных условиях можно было пренебречь. Как видно на осциллограммах на экране верхнего осциллографа (верхняя - без фильтрации, нижняя - после фильтрации ФВЧ), модуляция сигнала с частотой 4 кГц под воздействием другого с частотой 300 Гц (при мощности на головке 2,5 Вт) превышает 20%. Это соответствует величине интермодуляционных искажений около 15%. Думается, нет нужды напоминать о том, что порог заметности продуктов интермодуляционных искажений лежит намного ниже одного процента, достигая в ряде случаев сотых долей процента. Понятно, что искажения УМЗЧ, если только они имеют «мягкий» характер, и не превышают нескольких сотых процента, просто неразличимы на фоне искажений в громкоговорителе, вызванных его работой от источника напряжения. Интермодуляционные продукты искажений разрушают прозрачность и детальность звучания - получается «каша», в которой отдельные инструменты и голоса слышны лишь изредка. Этот тип звучания наверняка хорошо знаком читателям (хорошим тестом на искажения может служить фонограмма детского хора). Однако существует способ резко уменьшить описанные выше искажения, вызванные непостоянством импеданса головки громкоговорителя. Для этого усилитель, работающий на громкоговоритель, должен иметь выходное сопротивление, много большее, чем составляющие импеданса Rг и Xг (2p fLг) ГГ. Тогда их изменения практически не будут оказывать влияния на ток в звуковой катушке, а следовательно, исчезнут и искажения, вызванные этими изменениями. С целью демонстрации эффективности такого метода снижения искажений измерительная установка была дополнена резистором сопротивлением 47 Ом (т.е. на порядок больше модуля импеданса исследуемой ГГ), включенным последовательно с ГГ. Для сохранения прежней величины звукового давления уровни сигналов на выходах усилителей были соответственно увеличены. Эффект перехода на токовый режим очевиден из сравнения соответствующих осциллограмм: паразитная модуляция высокочастотного сигнала на экране нижнего осциллографа значительно меньше и еле видна, величина её не превышает 2...3% - налицо резкое снижение искажений ГГ. Знатоки могут возразить, что для уменьшения непостоянства импеданса звуковой катушки существует множество способов: это и заполнение зазора охлаждающей магнитной жидкостью, и установка медных колпачков на керны магнитной системы, и тщательный подбор профиля керна и плотности намотки катушки, а также многое другое. Однако все эти методы, во-первых, не решают проблему в принципе, а во-вторых, ведут к усложнению и удорожанию производства ГГ, вследствие чего не находят полного применения даже в студийных громкоговорителях. Именно поэтому большинство среднечастотных и низкочастотных ГГ не имеет ни медных колпачков, ни магнитной жидкости (в таких ГГ при работе на полной мощности жидкость нередко выбрасывается из зазора). Следовательно, питание ГГ от высокоомного источника сигнала (в пределе - от источника тока) является полезным и целесообразным способом снижения их интермодуляционных искажений, особенно при построении многополосных активных акустических систем. Демпфирование основного резонанса при этом приходится выполнять чисто акустическим путем, поскольку собственная акустическая добротность среднечастотных ГГ, как правило,значительно превышает единицу, достигая 4...8. Любопытно, что именно такой режим «токового» питания ГГ имеет место в ламповых УМЗЧ с пентодным или тетродным выходом при неглубокой (менее 10 дБ) ООС, особенно при наличии местной ООС по току в виде сопротивления в цепи катода. В процессе налаживания такого усилителя его искажения без общей ООС обычно оказываются в пределах 2,,,5% и уверенно заметны на слух при включении в разрыв контрольного тракта (метод сравнения с «прямым проводом»). Однако после подключения усилителя к громкоговорителю обнаруживается, что по мере увеличения глубины обратной связи звучание сначала улучшается, а затем происходит потеря его детальности и прозрачности. Особенно четко это заметно в многополосном усилителе, выходные каскады которого работают непосредственно на соответствующие головки громкоговорителей без каких-либо фильтров. Причина этого, на первый взгляд, парадоксального явления в том, что при увеличении глубины ООС по напряжению выходное сопротивление усилителя резко снижается. Негативные последствия питания ГГ от УМЗЧ с малым выходным сопротивлением рассмотрены выше. В триодном усилителе выходное сопротивление, как правило, намного меньше, чем в пентодном или тетродном, а линейность до введения ООС выше, поэтому введение ООС по напряжению улучшает работу отдельно взятого усилителя, но вместе с тем ещё более ухудшает работу головки громкоговорителя. Как следствие, в результате введения ООС по выходному напряжению в триодный усилитель звук, действительно, может становиться хуже, несмотря на улучшение характеристик собственно усилителя! Этот эмпирически установленный факт служит неиссякаемой пищей для спекуляций на тему вреда от применения обратных связей в звуковых усилителях мощности, а также рассуждений об особой, ламповой прозрачности и естественности звучания. Однако из выше рассмотренных фактов со всей очевидностью следует, что дело не в наличии (или отсутствии) самой по себе ООС, а в результирующем выходном сопротивлении усилителя. Вот где «собака зарыта»! Стоит сказать несколько слов об использовании отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ. Да, положительная обратная связь (ПОС) по току помогает задемпфировать ГГ на частоте основного резонанса и уменьшить мощность, рассеиваемую на звуковой катушке. Однако за простоту и эффективность демпфирования приходится платить возрастанием влияния индуктивности ГГ на её характеристики, даже по сравнению с режимом работы от источника напряжения. Это вызвано тем, что постоянная времени Lг/Rг заменяется на большую, равную Lг/[Rг+(-Rвых.УМ)]. Соответственно понижается частота, начиная с которой в сумме импедансов системы «ГГ + УМЗЧ» начинает доминировать индуктивное сопротивление. Аналогично увеличивается и влияние тепловых изменений активного сопротивления звуковой катушки: сумма изменяющегося сопротивления звуковой катушки и неизменного отрицательного выходного сопротивления усилителя в процентном отношении изменяется сильнее. Конечно, если Rвых.УМ по абсолютной величине не превышает 1/3...1/5 от активного сопротивления обмотки звуковой катушки, потеря от введения ПОС невелика. Поэтому слабую ПОС по току для небольшого дополнительного демпфирования или для точной подстройки добротности в низкочастотной полосе применять можно. Кроме того, ПОС по току и режим источника тока в УМЗЧ не совместимы между собой, вследствие чего токовое питание ГГ в низкочастотной полосе, к сожалению, оказывается не всегда применимым. С интермодуляционными искажениями мы, видимо, разобрались. Теперь осталось рассмотреть второй вопрос - величину и длительность призвуков, возникающих в диффузоре ГГ при воспроизведении сигналов импульсного характера. Этот вопрос гораздо сложнее и «тоньше». Как известно, диффузоры ГГ можно считать бесконечно жесткими только в очень грубом приближении. На самом же деле они при колебаниях существенно изгибаются, причем весьма причудливым образом. Это связано с наличием большого числа паразитных резонансных частот диффузора и подвижной системы ГГ в целом. После прохождения импульсного сигнала свободные колебания на каждой из резонансных частот затухают не сразу, порождая призвуки, окрашивают звучание и скрадывают ясность и детальность, ухудшая стереоэффект. Для исключения этих призвуков теоретически есть две возможности. Первая - это сдвинуть все резонансные частоты за пределы рабочего диапазона частот, в область далекого ультразвука (50...100 кГц). Этим способом пользуются при разработке маломощных высокочастотных ГГ и некоторых измерительных микрофонов. Применительно к ГГ - это способ «жесткого» диффузора. Вторая возможность - это снижение добротности паразитных резонансов, с тем чтобы колебания затухали настолько быстро, что их нельзя услышать. Для этого необходимо применение «мягких» диффузоров, потери при изгибе которых настолько велики, что добротность паразитных резонансов оказывается близка к единице. Однако нелинейные искажения и максимальное звуковое давление ГГ с «мягким» диффузором оказываются несколько хуже, чем у ГГ с «жестким» диффузором. С другой стороны, ГГ с «мягкими» диффузорами, как правило, значительно выигрывают по ясности, неокрашенности и прозрачности звучания. Так вот, возможен и третий вариант - использование ГГ с относительно «жестким» диффузором и введение её акустического демпфирования. В этом случае удается в некоторой мере совместить достоинства обоих подходов. Именно таким образом чаще всего строятся студийные контрольные громкоговорители (большие мониторы). Естественно, что при питании демпфированной ГГ от источника напряжения из-за резкого падения полной добротности основного резонанса существенно искажается АЧХ. Источник тока в этом случае также оказывается предпочтительнее, поскольку способствует выравниванию АЧХ одновременно с исключением эффекта термической компрессии. Что же касается призвуков, возникающих из-за свободных колебаний диффузоров ГГ, то, поскольку паразитные резонансные частоты расположены, как правило, намного выше частоты основного резонанса, режим работы ГГ - с источником тока или напряжения - практически никакого влияния на них не оказывает. Единственный прямой способ борьбы с паразитными резонансами - акустическое демпфирование. Однако вероятность их возбуждения при питании ГГ от источника тока оказывается меньшей, поскольку эти резонансы становятся наиболее заметными при их возбуждении продуктами искажений. Как абсолютные, так и относительные амплитуды этих продуктов искажений для этого режима работы ГГ оказываются существенно меньше. Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие практические выводы: 1. Режим работы головки громкоговорителя от источника тока (в противоположность источнику напряжения) обеспечивает существенное снижение интермодуляционных искажений, вносимых самой головкой. 2. Наиболее целесообразный вариант конструкции громкоговорителя с низкими интермодуляционными искажениями - активный многополосный, с разделительным фильтром (кроссовером) и отдельными усилителями на каждую полосу. Впрочем, этот вывод справедлив независимо от режима питания ГГ. 3. Работа головок от источников тока вызывает необходимость акустического демпфирования их основного резонанса, вследствие чего попутно достигается и некоторое демпфирование паразитных резонансов подвижной системы. Это улучшает импульсные характеристики громкоговорителя и способствует устранению дополнительной окраски звучания. 4. С целью получения высокого выходного сопротивления усилителя и сохранения малой величины его искажений следует применять ООС не по напряжению, а по току. Конечно, автор понимает, что предлагаемый метод снижения искажений не является панацеей. Кроме того, в случае использования готового многополосного громкоговорителя осуществление токового питания его отдельных ГГ без переделки невозможна. Попытка же подключения многополосного громкоговорителя в целом к усилителю с повышенным выходным сопротивлением приведёт не столько к снижению искажений, сколько к резкому искажению АЧХ и соответственно, сбою тонального баланса. Тем не менее снижение интермодуляционных искажений ГГ почти на порядок, причем столь доступным методом, явно заслуживает достойного внимания.
С.АГЕЕВ, г. Москва
Автор благодарит сотрудников НИКФИ Сырицо А.П. за помощь при проведении измерений и Шрайбмана А.Э. за обсуждение результатов.