Дамы и господа, аудиофилы и меломаны, здравствуйте.
Добро пожаловать на Dzen-канал магазина Demograf AE, посвященный аудиотехнике.
Напоминаем Вам, что ознакомиться с нашей аудиотехникой вы можете на сайте audio-tube.ru
Сегодня у нас сборная очередная, интересная статья, честно скомунизженная с просторов интернета для ознакомления нашей дорогой публики.
Источники (авторы): журнал Аудио Магазин № 2 (31) 2000. Статья Константина НИКИТИНА "Субъективная экспертиза в поисках объективного".
Отдельно отмечаем, что мнение Demograf Audio может не совпадать с мнением автора статьи.
Итак, поехали!
Hапомним уважаемому читателю, что в предыдущей части (CM. "AM" No 6 (29) 99) Мы познакомились с некоторыми методами постановки субъективных испытаний аудиоаппаратуры.
Одновременно мы предприняли попытку стандартизации языка аудиоэксперта, ознакомив читателя с рекомендациями общества аудиоинженеров.
Сегодня перед нами куда более сложная задача, решение которой становится смыслом и целью деятельности большого числа аудиоспециалистов.
Необычайно заманчивым представляется установление связи объективных процессов, происходящих в аудиотрактах, с субъективным восприятием их проявлений.
Понятно, что при наиболее общей постановке вопроса задача эта решения не имеет: слишком многие физические факторы способны оказывать на слух человека влияния, схожие по конечному результату.
Однако даже частные, узконаправленные наблюдения могут представить заметный интерес, особенно если звучание имеет устойчивый, повторяющийся характер.
Рассматривая подобный вопрос, приходится в известном смысле выбирать золотую середину: с одной стороны, совершенно неинтересно рассматривать звуковые последствия очевидных "непорядков" в тракте например нелинейных искажений значительной величины, возникающих из-за перегрузки; с другой стороны, попытка выявить субъективные последствия наиболее тонких эффектов скажем, связанных с неидеальностью кристаллической структуры меди в межблочных соединителях, наверняка окажется проблематичной: слишком много маскирующих явлений, препятствующих рафинации именно интересующих нас последствий.
И еще об одной особенности.
Человеческое ухо, особенно натренированное ухо эксперта, легко регистрирует те или иные особенности звучания тракта.
Однако в круг традиционных экспертных задач при субъективном анализе трактов вовсе не входит выявление связей субъективного восприятия и его объективных (физических) причин.
В то же время специалисты в технике, исследующие различные явления в трактах, с достоверностью заявляют лишь о технических, инструментально регистрируемых результатах: например, докладывают нам, что нарушение поршнеобразного движения диффузора динамической головки на повышенных частотах и связанное с ним образование стоячих волн в теле диффузора способны вызвать как "изрезанность" АЧХ, так и появление дополнительных, паразитных спектральных составляющих в создаваемом звуковом давлении.
Однако каким образом последствия объективных физических процессов вплетаются в музыкальную ткань прослушиваемых произведений, к каким нарушениям с точки зрения получения эстетического удовольствия они приводят подобные вопросы находятся вне поля деятельности научно-технических специалистов.
Итак, сегодня мы займемся довольно редкой проблемой наведением мостов между физическими процессами и их не физическими (то есть не объективными), а слушательскими (субъективными) последствиями.
1. Усилители низкой частоты
На первый взгляд может показаться, что огромное разнообразие схемотехнических особенностей различных УНЧ, возможность применения различных элементных баз все это способно создать не меньшее разнообразие серьезных, уверенно регистрируемых экспертом различий в звучании.
Сказанное подкрепляется тем, что эксперты аудиоизданий пока не прекратили регистрировать различия в неоскудевающем потоке тестируемых усилителей.
В то же время существует всего несколько причин, по которым может заметно измениться звучание трактов, укомплектованных тем или другим усилителем.
По этим причинам возникает принципиальная разница в их звучании, что легко регистрируется большинством экспертов.
Было время, когда многочисленные отечественные издания ("Радио", "В помощь радиолюбителю", "Приборы и техника эксперимента" и др.) публиковали огромное количество схем УНЧ, так сказать, "одна лучше другой".
С позиций современной радиотехники все потуги изобретателей двадцатилетней давности, во всяком случае их подавляющее большинство, были попытками борьбы с несовершенством элементной базы.
Сейчас у разработчиков практически отсутствует эта проблема, и им уже не требуется выдумывать те или иные схемотехнические ухищрения с целью избежать проявлений какого-либо процесса, связанного с этим несовершенством.
Однако ряд проблем, имеющих наиболее общий характер, остался и в современных усилителях.
Часть из них имеет экономическую основу, другие, как может показаться, такой основы не имеют, хотя последнее утверждение может вызвать ряд возражений.
Перед тем как ознакомиться с основными следствиями этих проблем, рассмотрим в деталях портрет типичного Современного усилителя мощности.
Современный усилитель легко отдает свою номинальную мощность (скажем, сотню ватт на канал), имеет при этом пренебрежимо низкие искажения, измеренные на синусоидальном тесте на не очень высокой частоте при работе на активную нагрузку.
При частоте испытательного сигнала 1000 Гц в структуре побочных спектральных составляющих нет приоритетных зон гармоники имеют слабую тенденцию к убыванию начиная с третьей, но легко регистрируются вплоть до 21-ой, а то и выше, в сумме давая 0,005-0,02% искажений.
На повышенных мощностях уровень гармоник вплоть до ограничения сигнала на выходе растет медленно, в спектре постепенно появляются комбинации частоты сигнала с гармониками частоты сети 100 Гц.
АЧХ усилителя абсолютно плоская в полосе 20 Гц 20 кГц; неравномерность незначительна и в более широкой полосе; заметно "заваливается" лишь к сотне-другой килогерц.
Выходное сопротивление усилителя составляет один или несколько десятков миллиОМ и сохраняет небольшую величину, слабо возрастая к границе звукового диапазона.
Понятно, что инструментальное тестирование подобных усилителей, особенно синусоидальным (или бигармоническим) тест-сигналом, не способно выявить не только какие-либо особенности, но порою и разницу в поведении двух усилителей, даже заметно отличающихся по цене и, как это ни странно, по музыкальному звучанию.
Чем же усилители могут отличаться? Первое, что оказывается существенно различным в усилителях, это энергоемкость системы электропитания (СЭП).
СЭП довольно дорогостоящий узел, составляющий добрую треть, а то и половину стоимости УНЧ.
Сэкономить на системе электропитания оказывается весьма соблазнительным для разработчика, однако последствия этого шага нередко довольно ощутимы на слух.
Если усилитель воспроизводит средневысокие частоты, а басов в фонограмме немного, то проблем почти не наблюдается.
Емкость фильтра СЭП прекрасно справляется со своей задачей, а общее снижение напряжения электропитания с ростом громкости, вызванное причинами, рассмотренными нами ранее (см. "АМ" No 1 (18) 98, с. 120), не сильно влияет на функционирование усилителя с транзисторами в активном режиме.
Заметно меняет картину появление мощного басового сигнала.
А ведь именно басовый сигнал имеет обыкновение быть мощным: при среднем уровне звучания оркестрового forte в 90-96 дБ оркестровые tutti поднимаются до 100 дБ и выше, а полноценный удар большого бубна перекрывает этот уровень еще на 10-15 дБ.
Здесь напряжение питания, вырабатываемое СЭП, снижается и модулируется частотой гармоник сети.
Само по себе это явление не опасно, однако вероятность приближения усилителя к режиму ограничения в этом случае резко возрастает.
Учитывая, что современные фонограммы имеют весьма широкий динамический диапазон, возникновение "зашкаливания" отнюдь не является гипотетическим.
Сплошь и рядом, слушая всевозможные "Техниксы", творцы которых не нашли возможности снабдить изделие хорошим трансформатором и хорошим конденсатором СЭП, но тем не менее в техпаспорте написали что-нибудь вроде "2 х 85 Вт", замечаешь, что приличное звучание наблюдается лишь "до тех пор, пока...", а мощный басовый удар надолго вышибает усилитель из колеи.
Хочешь избежать искажений и перегрузки заранее снижай громкость.
Особенно неприятные последствия вызывает проникновение низкочастотных (ниже 50 Гц) составляющих во вторичную обмотку трансформатора, что происходит, в частности, при экономии разработчиков на емкости СЭП.
Стойкость современных малогабаритных трансформаторов к постоянному подмагничиванию не высока, одним же из его последствий может оказаться дополнительная "просадка" напряжения питания усилителя.
Субъективно рассмотренные, явления эти регистрируются экспертом далеко не только как простое ограничение сигнала.
В отличие от реального филармонического звучания, где практически отсутствует маскирование мощным басом (барабаны, литавры, туба) остальной части оркестра, в недостаточно энерговооруженных УНЧ "блеск и лак" слетает с составляющих средневысокого регистра моментально, как только появляется бас.
Этим страдают практически все усилители, относящиеся к "демократической" ценовой категории.
Зачастую владелец недорогого усилителя и не подозревает, что лишен значительной части той радости, которую способна доставить фонограмма.
Замечу, что гуманных способов борьбы с указанным явлением не существует: энерговооруженность СЭП приходится увеличивать до уровня один джоуль энергии емкости СЭП на один ватт пиковой мощности УНЧ, что оказывается весьма дорогим удовольствием.
Бытует мнение, что заметное влияние на качество звучания УНЧ оказывает глубина общей отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель.
Анализ нескольких современных схем УНЧ показал, что ООС в них применяется и ее глубина достигает нескольких десятков децибел, однако действительно заметна тенденция к ее снижению год от года.
Причин тому много, рассмотрим все по порядку.
Как правило, усилитель оказывается охвачен несколькими петлями обратной связи.
В каждом каскаде усиления присутствует местная обратная связь иначе нелинейность, характерная для транзистора, проявится в полной мере.
В результате усилитель в целом уже может и без общей ООС обладать приемлемыми АЧХ и уровнем нелинейных искажений, например почти плоской АЧХ до 10 кГц и 1% искажений.
Применение в этом случае 20 дБ ООС способно расширить АЧХ до 100 кГц и снизить искажения в идеале до 0,1%.
В реальности же это может произойти, а может и не произойти.
Ведь применение ООС, способное расширить АЧХ, никак не влияет на скорость распространения сигнала по тракту прямого усиления.
При этом лишь на стационарном, лучше периодическом, а еще лучше на синусоидальном сигнале усилитель будет вести себя прилично.
Появление реального сигнала в точке А (см. рис.) не сопровождается моментальным приходом сигнала по цепи ООС в точку С: для распространения сигнала по тракту прямого усиления АВ, представляющему собой ФНЧ, требуется определенное время, в течение которого весь сигнал UBX, а не разность Uax-Uooс достигнет входа усилителя.
Последствия только что рассмотренного явления запаздывания оказываются довольно малоприятными: перегрузка первых каскадов УНЧ, не рассчитанных на весь сигнал Uвх лишь одно из них.
С этой точки зрения, применение ООС для "лечения" безнадежно плохих усилителей, действительно, к добру не приведет.
Кстати, заметим, что даже в условиях высокого быстродействия прямого тракта введение его в режим ограничения по выходному напряжению (что, вообще говоря, встречается) опять-таки приводит к перегрузке первых каскадов, так как и сигнал ООС оказывается ограниченным.
Попытка решить проблему путем увеличения динамического диапазона первого каскада при больших глубинах ООС, как легко догадаться, будет безуспешной.
Более эффективным методом борьбы является попытка линеаризации трактов благодаря применению более совершенной элементной базы (например, МДП-транзисторов) и использованию местных петель ООС.
В этом случае тракт прямого усиления оказывается весьма линейным и широкополосным даже при отсутствии общей ООС, и ее введение не влечет за собой столь выраженных отрицательных последствий.
Несмотря на то, что при тестировании синусоидальным или даже широкополосным периодическим сигналом выявить искажения, обусловленные неудачным использованием ООС, часто не удается, при воспроизведении музыкальных фрагментов результат описанных процессов воспринимается слушателем как типичные нелинейные искажения, причем довольно высоких порядков: спектр воспроизводимого сигнала в значительной степени обогащается.
На деле эксперт отмечает в первую очередь не только потерю натуральности тембров, но, как часто говорят не в терминах AES, и то, что звук теряет "живость", а иногда настолько, что звучание натуральных музыкальных инструментов начинает походить на звучание их электронных аналогов.
Что же касается таких важных аспектов акустического звучания, как локализационные характеристики, восприятие реверберирующего окружения, ощущение атмосферы зала, то они, как ни странно, оказываются весьма стойкими к воздействию описанных негативных процессов.
Понятно, что мы отразили не все явления, характерные для усилителей с обратной связью.
Читатель со стажем, наверное, догадывается, что наличие глубокой обратной связи в усилителях чревато потерей устойчивости: в связи с дополнительными фазовыми сдвигами, всегда вносимыми каскадами усиления, на некоторой частоте (частотах) связь из отрицательной способна превратиться в положительную, что и приведет к самовозбуждению.
Аварийных режимов, ясное дело, удается избежать благодаря вводимым в УНЧ корректирующим цепям, но предотвратить все возможности подвозбуждения и при этом не испортить прочие характеристики усилителя очень непросто.
Переключение плеч усилителя в режиме АВ, реактивность нагрузки, локальные перегрузки каскадов и другие причины способны вызвать возникновение локальных очагов неустойчивости: где-то в недрах схемы в какие-то моменты возникает (а то и не возникает) неадекватная реакция каскадов на усиливаемый сигнал, сопровождаемая появлением побочных спектральных составляющих и выходом каскадов из штатного режима работы, в том числе и по постоянному току.
Попытка обнаружить подобные явления путем анализа выходного напряжения, особенно на синусоидальном тесте при активной нагрузке, как правило, к успеху не приводит, путешествие же со щупом осциллографа (как минимум 2 пФ) по внутренностям схемы выявляет возбуждение там, где его нет, и гасит там, где есть.
Последствия нарушений устойчивости весьма ощутимы на слух и могут разнообразно проявляться.
Если учесть крайнюю нестабильность рассмотренных процессов и трудности в постановке четкого эксперимента, становится понятно, почему в прессе отсутствуют описания "синдрома локального возбуждения", однако сообщения о том, что помимо изъянов, описанных выше, характерными являются локализационные нарушения, а также нередко страдает глубинная эшелонированность стереопанорамы, имеются; впрочем, еще раз замечу, что поставить достоверный эксперимент мне самому не удалось.
Замечу также, что выявить "грех" в усилителе тем или иным инструментальным способом гораздо проще, чем статистически достоверно и технически обоснованно заявить об аудиофильных последствиях обнаруженного изъяна.
Более того, чаще даже труднее сказать, почему усилитель играет хорошо, чем объяснить, почему он играет плохо.
М. А. Сергеев, например, мнению которого я вполне доверяю, честно написал в свое время: "Я догадываюсь, в чем кривизна «Корвета У-068», но не знаю, почему «ТЕАС А-ВХ10» звучит хорошо, и не боюсь в этом признаться" ("АМ" No 4 (27) 99, с. 72).
Самым решительным образом на работе усилителя сказывается его способность возбуждать ту или иную нагрузку, не являющуюся просто активным сопротивлением.
Заметим, что любой активный прибор (лампа, транзистор, полевой транзистор) в активном (то есть не в ключевом) режиме является генератором тока.
Конечность выходного сопротивления объясняется только неидеальностью прибора.
Приближение УНЧ к режиму генератора напряжения, столь желанного для АС, достигается опять-таки благодаря применению обратных связей местных (к примеру, в эмиттерном повторителе) и общих.
Однако далеко не всегда удается улучшить нагрузочные характеристики усилителя за счет ООС: в ряде случаев никакое воздействие на управляющий (сигнальный) вход усилителя не способно обеспечить его устойчивость к капризам нагрузки, отнюдь не являющейся омическим сопротивлением, и показатели качества усилителя оказываются в заметной зависимости от структуры и элементной базы его силовых каскадов.
Эти проблемы неоднократно интересовали исследователей: в журнале "Радио" их поднимал Н. Е. Сухов, на наших страницах М. А. Сергеев не один раз использовал усилитель не как источник сигнала, а в качестве нагрузки.
В этой связи хочется обсудить один важный вопрос: может ли действительная часть импеданса АС стать меньше омического сопротивления провода катушки Re?
Если да, то при заметном снижении полного сопротивления АС жизнь усилителя может сильно осложниться, об этом, кстати, пишут некоторые исследователи в популярных изданиях.
Мне кажется, это и так, и не так.
Не так в связи с тем, что само понятие импеданса, то есть полного сопротивления, введено исключительно для синусоидальных токов и напряжений, когда работает метод комплексных амплитуд.
В этом смысле ни действительная часть, ни модуль импеданса не могут стать меньше Re.
На синусоидальном сигнале АС никогда не станет "генератором", она всегда будет потребителем.
А вот на импульсном либо другом нестационарном или даже просто непериодическом сигнале АС способна в некоторые моменты отдавать, а не потреблять энергию.
Понятие "импеданс" тут уже не применимо, а усилителю время от времени придется довольствоваться ролью потребителя, а не источника.
С этой ролью разные усилители справляются существенно по-разному, и это зависит уже и от схемотехники, и от связи, применяемых приборов (биполярные, МДП-транзисторы), и от обратной Неудачи усилителя в борьбе с капризами АС либо приводят к специфическим нелинейным искажениям, не регистрируемым на "синусе" и хорошо заметным на музыкальном сигнале, либо опять-таки вызывают самовозбуждение (конечно, не без помощи общей обратной связи), которое тоже воспринимается слушателями как искажения.
Характер субъективных проявлений только что рассмотренных процессов довольно специфичен они могут проявляться на одних фрагментах и не проявляться на других; так или иначе подавляющее большинство усилителей транзисторных или ламповых в той или иной мере ими страдает.
Характер проявления искажений в ламповых усилителях существенно иной лампа по определению односторонне проводящий прибор.
Быть может, в этом одна из причин предпочтения многими "лампового" звука.
Частенько аудио (или радио-) любители спрашивают: а чем же подобные либо другие "специфические" искажения в усилителях отличаются от "обычных нелинейных"?
Я бы ответил на этот вопрос, если бы "обычные" не были изжиты в УНЧ уже лет двадцать тому назад.
Все искажения в современных УНЧ — специфические.
Именно поэтому все меньше доверия вызывает содержание технических паспортов, поэтому цветет и пахнет субъективная экспертиза.
Кто-то называет неудачи УНЧ в борьбе с нагрузкой "плохой макродинамикой".
Кто-то "разновидностью переходных искажений".
Смысл один: "загрязняются" не только динамические контрасты, но и порой, казалось бы, совершенно безобидные места фонограммы.
И наконец, в значительной степени субъективные особенности звучания усилителей зависят от режима работы оконечных каскадов.
Исторически мы привыкли к тому, что возможны режимы классов А, В и АВ. "Аудио Магазин" уже неоднократно описывал их особенности, поэтому сейчас остановимся на них очень кратко.
В режиме класса В при усилении синусоидального сигнала двухтактным усилителем транзисторы работают попеременно, полпериода один и полпериода второй.
Таким образом, для чистого режима класса В характерна "сшивка" полуволн вблизи нулевого уровня и, что важнее, постоянные переходы транзисторов из активного режима в режим отсечки и обратно.
В режиме класса АВ транзисторы открыты более чем полпериода, и при нулевом входном сигнале через выходных транзистора, минуя нагрузку, будет протекать некоторый ток покоя 10.
Чем больше ток 10, тем шире зона амплитуд малых сигналов, при усилении которых не происходит переход транзистора в режим отсечки.
Недостатков, свойственных чистому режиму класса В (подробнее о них мы расскажем чуть позже), при этом не отмечается.
Даже при небольших токах покоя, не превышающих 15-20% от максимального тока оконечных каскадов, до 95% времени воспроизведения симфонической музыки, исключая лишь фортиссимо, попадет в режим А, при котором переключения транзисторов "отсечка активный режим отсечка" не наблюдается, хотя усилитель работает в режиме АВ.
Чистый режим А, характеризующийся огромным стопроцентным током покоя, используется крайне ко, так как требует рассеивания очень большого количества тепла.
Чем же плох режим с переключением, и к каким субъективно воспринимаемым последствиям он приводит?
Анализ показывает, что последствия переключения гораздо больше проявляются на слух, чем "сшивки" полуволн; для режима переключения характерна "прогулка" транзистора по целой группе режимов, от активного до отсечки, перезаряд барьерной и отчасти диффузионной емкостей.
Ход процессов в значительной степени усложняет реактивность нагрузки, приводящей к сдвигу фаз напряжение/ток.
В этом случае момент переключения становится хорошо заметен и на осциллограмме.
Само по себе переключение не оказывает радикального влияния на звук и сродни пресловутой "ступеньке", хотя, конечно, ни о каком high end говорить уже не приходится: ухо регистрирует типичные высокогармонические нелинейные искажения, приводящие прежде всего к нарушению тембральной чистоты типичной черте транзисторного звучания.
Вместе с тем, в моменты переключения выходных транзисторов возможно возникновение (опять-таки!) очагов локальной неустойчивости, причем это может произойти и в предварительных каскадах.
Прежде всего слушатель регистрирует появляющуюся жесткость в звучании, наличие характерных призвуков, потерю теплоты, прозрачности, в "сильно запущенных случаях натуральности.
Вообще, надо сказать, что с локальной неустойчивостью самого разного происхождения многие специалисты связывают чуть ли не половину всех "тонких явлений", "фантомов" и "ингредиентов Х" линейных аудиоусилителей.
Понятно, что мы рассмотрели лишь малую часть возможных причин этого явления.
В связи с изложенным аудиофилы премного уважают надпись "Class А" на корпусе усилителя.
Однако частенько они оказываются обманутыми.
Реальность такова, что лишь ламповые однотактные усилители, как правило, работают в "настоящем" классе А, в большинстве "транзисторных" случаев класс А является на деле АВ с довольно большим током покоя или с чем-нибудь еще.
С первого взгляда может показаться, что мы стрижем все усилители под одну гребенку, сводя различия, обеспечиваемые невероятным разнообразием практических схемных реализаций, всего лишь к нескольким наиболее общим группам, так сказать, для простоты анализа.
Действительно, игра в схемотехнику позволяет решить целый спектр задач по улучшению качества.
Но речь как раз идет о том, что в большинстве современных усилителей все доступные меры по совершенствованию схемы уже приняты, а возможности улучшения звучания отнюдь не исчерпаны.
Пример.
Одно время, особенно в отечественной схемотехнике, господствовала мода на использование многотранзисторных каскадов усиления.
Делалось это якобы с целью повышения линейности отдельного каскада, что само по себе и неплохо.
В связи с тем, что, в отличие от ламп, транзисторы бывают двух типов проводимости, было предложено превеликое множество разновидностей так называемых каскодных каскадов усиления.
Некоторые из них (например, общий эмиттер общая база с фиксацией положения рабочей точки, и многие другие) на самом деле имели преимущества, особенно с ростом частоты и амплитуды усиливаемого сигнала.
Число транзисторов, задействованных в УНЧ, стало подбираться к сотне, что осложнило задачи массового производства, создав необходимость обширного входного контроля.
Современные зарубежные схемы, как правило, просты и "малокаскадны".
Стремление к укорочению и упрощению пути сигнала от источника к нагрузке, столь рьяно пропагандируемым нашими и не нашими адептами high end, имеет под собой реальную почву, где мы и потопчемся в одной из следующих публикаций.
Помимо покаскадной линеаризации заметное изменение качества звучания может быть достигнуто разумными действиями, способствующими мгновенной (а не установившейся) термостабильности усилительных каскадов.
Известно, что малые размеры кристалла транзистора и не всегда малая величина термосопротивления системы кристалл-подложка-корпус-радиатор приводят к заметному изменению параметров каскада при протекании тока сигнала.
При этом мгновенная модуляция температуры ответственных фрагментов кристалла достигает на НЧ десятков градусов!
Мы в который раз натыкаемся чуть ли не на главную вредоносную особенность полупроводниковой техники: на ее памятливость к предыстории, иными словами, на параметрику.
Учитывая отсутствие собственного опыта в постановке параметрических экспериментов, на этом пока закончу.
В следующий раз мы рассмотрим объективные технические особенности акустических систем и связанные с ними результаты субъективного восприятия при прослушивании.
Продолжение следует…