Усилители сигналов звуковой частоты и акустические системы

На первый взгляд сама постановка вопроса может показаться надуманной, поскольку уже само название «усилители сигналов звуковой частоты (УЗЧ)» вроде бы точно и полно определяет предмет разговора. На практике это далеко не так и с этим стоит разобраться, для чего целесообразно разделить понятие УЗЧ на два: «усилитель» и «сигнал звуковой частоты».

Под сигналами звуковой частоты чаще подразумевают переменное электрическое напряжение в некотором диапазоне частот, нижняя граница которого, как правило, находится в области 15...20 Гц, а верхняя - 18...22кГц.

В то же время УЗЧ сплошь и рядом оперируют с сигналами, частоты которых существенно выходят за указанные границы как в сторону низших, так и в сторону высших частот. Например, для всех усилителей с так называемой «гальванической» междукаскадной связью (т.е. без разделительных конденсаторов) нижней границы полосы пропускания не существует вообще, поскольку они являются усилителями постоянного тока. Точно так же у оконечных двухтактных каскадов транзисторных усилителей, нагруженных на акустическую систему (АС) через разделительный конденсатор, нижняя граница полосы пропускания определяется не самим каскадом, а исключительно величиной емкости разделительного конденсатора, и при значениях этой емкости в несколько тысяч микрофарад может составлять единицы герц.

С другой стороны, в высококачественных УЗЧ класса Hi-Fi верхняя граница полосы пропускания для существенного снижения нелинейных искажений в электрическом тракте «отодвигается» до значений 50...80кГц, доходя в отдельных случаях до 120 кГц, что явно исключает понятие «звуковые частоты».

Зачем это нужно и что этим достигается? Ответ на этот вопрос вытекает из анализа сущности нелинейных искажений. А сущность эта сводится к тому, что при подаче на вход нелинейного элемента (например, того же самого УЗЧ) электрического сигнала одной частоты строго синусоидальной формы на выходе оказывается сигнал той же самой основной частоты, по форме отличающийся от исходного синусоидального.

Не вдаваясь в теорию вопроса, укажем лишь, что такой искаженный сигнал по существу представляет собой смесь нескольких чисто синусоидальных сигналов, частоты которых в целое число раз превышают частоту основного тона. Эти сигналы называются гармониками основного тона и имеют возвращающие порядковые номера. Так, для сигнала основного тона в 45 Гц первой гармоникой будет сам основной ток, 2-й гармоникой - сигнал частотой 90 Гц, 3-й - 135 Гц и т.д.

Для идеальной неискаженной передачи электрического сигнала через тракт УЗЧ нелинейные искажения (а они оцениваются в процентном соотношении суммы уровней всех гармоник к уровню основного тона) должны быть исчезающе малы. Еще не так давно для промышленной бытовой аппаратуры даже высшего класса приемлемой считалась величина коэффициента нелинейных искажений (КНИ) порядка единиц процентов. У сегодняшней радиоаппаратуры такого же класса она составляет тысячные доли процента.

Мы рассмотрели случай возникновения нелинейных искажений для синусоидального сигнала одной частоты. При практической работе реального УЗЧ в бытовой радиоаппаратуре такого случая, как правило, почти никогда не бывает: любой реальный звуковой сигнал состоит из смеси множества сигналов отдельных единичных частот, причем даже звучание одного какого-либо музыкального инструмента (скажем, литавр или «тарелок») представляет собой целый спектр частот от 90 Гц до 13 кГц. В этом спектре нижняя частота (90 Гц) является основной, а все остальные - смесью всех высших гармоник.

Чтобы на практике сигнал литавр, «пропущенный» через УЗЧ, сохранился неискаженным «на слух», необходимо пропустить практически без искажений как минимум 3-ю и 5-ю гармоники самой высокой частоты их спектра. А для частоты в 13 кГц это будут соответственно частоты 39 и 65 кГц.

Возникает законный вопрос: а почему именно 3-ю и 5-ю гармоники, а, скажем, не 2-ю, 4-ю или 7-ю? Ответ на него лежит в схемотехнике абсолютного большинства современных «бытовых» УЗЧ, оконечные каскады которых выполнены по двухтактной схеме. В любой двухтактной симметричной схеме все четные гармоники на выходе отсутствуют, что же касается нечетных гармоник, то их уровень с повышением номера резко падает, поэтому влиянием на общий КНИ всех нечетных гармоник выше 5-й можно пренебречь.

Работникам ремонтных и сервисных служб приходится сталкиваться с двумя видами УЗЧ. Одни являются составной частью радиоаппарата (телевизора, радиоприемника, магнитофона, магнитолы, плеера, музыкального центра). Другие представляют собой автономную конструкцию, рассчитанную на подключение со стороны входа сигналов ЗЧ от любого из перечисленных аппаратов, а со стороны выхода - АС с определенной номинальной мощностью и величиной собственного импеданса (полного сопротивления). Последние (автономные аппараты) до недавнего времени выпускались отечественной радиопромышленностью под общим названием УКУ (усилительно-коммутационные устройства), например, «Амфитон АО-01-стерео», «Барк-001 стерео», «Ласпи-001», и предназначались для совместного использования с тюнерами, магнитофонными приставками, электрофонами. Впоследствии эта линия нашла свое прямое развитие в создании радиокомплексов и музыкальных центров. Аналогичное разделение характерно сегодня и для абсолютного большинства импортной бытовой радиоаппаратуры. Следует сразу отметить, что УЗЧ этих двух групп аппаратуры существенно отличаются друг от друга по качественным показателям, что объясняется разницей в предназначении этих групп.

Встроенные УЗЧ, являющиеся неотъемлемой частью радиоаппарата, сегодня по большей части используются в недорогих массовых конструкциях, где вопрос стоимости отодвигает на второй план вопрос качества звуковоспроизведения. Сюда можно отнести большинство малогабаритных транзисторных приемников - носимых и переносных, все виды аудио плееров, портативные кассетные магнитофоны.

Что же касается УКУ, радиокомплексов и музыкальных центров, то это, напротив, исключительно высококлассные устройства, для которых самым главным показателем является качество воспроизведения. Не случайно для аппаратуры этой группы на Западе был придуман специальный термин - аппаратура Hi-Fi (High Fidelity), что дословно переводится как «высокая верность» (воспроизведения). Некоторое время в отечественной технической литературе использовался русский аналог этого термина - аббревиатура ВВВ, обозначавшая «высокую верность воспроизведения». Сегодня этот термин чаще вытесняется более общим термином «звукотехника Hi-End», характеризующим аппаратуру наивысшего класса.

Для аппаратуры отечественного производства со встроенными УЗЧ основные параметры и характеристики регламентируются ГОСТами: для радиовещательных приемников - ГОСТ 5851-82; для электрофонов - ГОСТ 11157-80; для «бытовых» магнитофонов - ГОСТ 24863-81. Все эти ГОСТы предусматривают деление аппаратуры на классы качества, хотя чаще используется термин «группы сложности». В соответствии с таким делением аппаратура может быть нулевой, первой, второй или третьей группы сложности. Нулевая группа соответствует аппаратуре высшего класса.

Для автономных УЗЧ, УКУ и УЗЧ, входящих в состав радиокомплексов и музыкальных центров, параметры регламентируются ГОСТом 24388-83. Этот ГОСТ предусматривает аппаратуру всего двух групп сложности - нулевой и первой, что соответствует высшему и первому классу.

Конкретные величины параметров УЗЧ и АС, регламентируемые этими ГОСТами, приведены в приложениях 1 и 2.

Для аппаратуры зарубежного производства такого детального деления на классы не существует: аппарат может быть либо «обычным», либо Hi-Fi (Hi-End).

Все изложенные соображения необходимо учитывать при организации сервисных служб и проведении ремонтных работ. В первую очередь это относится к оснащению производственных подразделений контрольно-измерительной аппаратурой соответствующего класса, технической документацией, а также руководствами и методиками по определению технического состояния, обнаружению неисправностей, технике их устранения и проведению комплексных измерений после проведения ремонта.

Усилитель - ядро любой аудиосистемы. От его характеристик зависит качество звучания всех подключаемых к нему источников сигналов. К современному компонентному (не встроенному в систему, а являющемуся отдельным ее компонентом) усилителю можно подключить до 10 различных источников сигналов - тюнер, кассетную деку, CD-проигрыватель (о них мы поговорим ниже) и даже "старинную" виниловую вертушку. Различают два основных вида усилителей: одноблочный или полный (интегральный) и двухблочный (предварительный и оконечный). Чаще встречаются интегральные УЗЧ, совмещающие функции предварительного и оконечного усилителей в одном корпусе. Номинальная выходная мощность компонентных УЗЧ (отношение квадрата амплитуды выходного напряжения к сопротивлению нагрузки) может достигать 300 Вт и более на канал, что говорит о том, какой именно мощностью усилитель способен обеспечить данную нагрузку.

Необходимо отличать постоянную выходную мощность (Root Mean Square) от кратковременной максимальной (Music Power Output). В усилителях с невысокой выходной мощностью при пиках сигнала может происходить его ограничение, в результате чего звучание получается сильно искаженным.

По типу элемента усиления все аппараты рассматриваемого вида делятся на ламповые и транзисторные. Первые стояли у истоков усилительной техники и в наше время встречаются чаще в изделиях категории High End. Вторые в силу своих уникальных возможностей и миниатюрных габаритов повсеместно вытеснили лампы и позволяют достичь минимальных величин выходного сопротивления в усилителях мощности.

Оригинальной технической характеристикой любого усилителя является скорость нарастания выходного сигнала (Slew Rate), измеряемая в вольтах на миллисекунду (В/мс). Она выражает максимально достижимое изменение амплитуды выходного сигнала в данном отрезке времени. Существует правило: чем больше выходное напряжение, тем больше должна быть скорость нарастания выходного сигнала.

Ну и, наконец, еще одной важной характеристикой каждого усилителя всегда было отношение сигнал/шум. Под этим понятием на практике подразумевается широкополосный шум, издаваемый данным компонентом. Соотношение, измеряемое в децибелах (дБ), определяется как величина максимально достижимой амплитуды сигнала, кратная уровню шумовых составляющих. Цифровая запись существенно повысила требования к соотношению сигнал/шум усилителей. В современных моделях предусилителей для линейных входов достигаются величины, превышающие 100 дБ, в усилителях мощности - более 120 дБ.

Переключатель звуковых входов усилителя может иметь как кнопочное, так и барабанное, или «шафловое», исполнение. Идеальным считается наличие следующих ВХОДОВ: СD (для компакт-проигрывателя), Таре 1 (для кассетной деки), Таре 2/DCC (DAT) (для второй кассетной деки или одного из цифровых магнитофонов), Tuner (для радио), Аuх (Auxiliary - дополнительный универсальный линейный звуковой вход), VCR 1 и 2 (для подключения различных видеоисточников). Лишним никогда не будет также вход корректирующего усилителя для подключения головки звукоснимателя проигрывателя грампластинок (Phono).

В большинстве случаев в качестве входных используют разъемы типа «тюльпан», или RCA (по названию фирмы-изобретателя). Для двух каналов требуется пара разъемов, и конструктивно они часто объединены в четверки и восьмерки. В самых простых аппаратах они покрываются тонким слоем никеля, в более дорогих - слоем золота. Металл разъема на блоке должен соответствовать металлу кабельных соединителей, иначе со временем может ухудшиться качество переходного сигнала.

В некоторых усилителях на передней панели к стандартным ручкам регулировок громкости (Volume), баланса каналов (Balance), тембров высоких (Treble) и низких (Bass) частот может добавиться кнопка Таре Monitor. Использование этого режима предусматривает подключение трехголовочной кассетной деки со сквозным каналом и позволяет прослушивать в процессе записи на компакт-кассету качество материала.

Полезными для любого усилителя будут функции отключения звука (Mute), а также система тонкомпенсации (Loudness), осуществляющая фиксированный или регулируемый подъем низких и (реже) высоких частот при низких уровнях громкости для компенсации в этих условиях падения чувствительности слуха человека на данных частотах. Однако существует мнение, что чем меньше корректировок сигнала происходит в усилителе, тем ближе он к идеалу. Поэтому часто имеется возможность исключить все вспомогательные регулировки и фильтры из тракта обработки сигнала (различные исполнения функциональной кнопки Direct-Source, Pure и т.д.).

В последнее время усилители HI-FI систем приспосабливают для работы в составе комплекса техники для домашнего кинотеатра. В таких случаях их превращают в AV-усилители путем возложения на них функций AV-процессоров и обзаводясь встроенными декодерами окружающего театрального звука Pro Logic, Digital АС-3, DTS, MPEG-2 и т.д. Большой объем электроники приводит к тому, что AV-усилители высших ценовых категорий часто разделяются на предусилитель-процессор и блок усилителей мощности.

Для согласования усилителя с АС, а тем самым и для оптимальной эксплуатации всего комплекса аппаратуры, необходимо соблюсти несколько правил. В настоящее время элементная база любого усилителя позволяет без особого труда достичь параметрически уравновешенной кривой в области от 20 Гц до 20 кГц. Поэтому гораздо более значительными и определяющими выглядят следующие моменты. Прежде всего усилитель должен обладать соответствующей мощностью, которая должна быть не меньше рекомендуемой для акустики, но и не больше. В первом случае не удастся раскачать акустику до требуемой громкости, во втором - возможно ее физическое разрушение. Рекомендуется, чтобы АС обладали более высокой номинальной мощностью, чем максимальная мощность усилителя. Еще одним условием оптимальной эксплуатации усилителя является соответствие импеданса громкоговорителей рекомендованному. По этой причине общее сопротивление акустических систем должно быть не меньше указанного рядом с клеммами для подключения громкоговорителей. Наиболее благоприятной является ситуация, когда усилитель обеспечивает возможность подключения нагрузки сопротивлением до 2 Ом.

В отличие от минисистем (см. ниже), отдельные узлы интегральных Hi-Fi усилителей практически никогда не совмещают в себе функции эквалайзера или звукового процессора. Говоря о совмещении Hi-Fi усилителя с другими электронными устройствами, нельзя не остановиться на ресиверах. Это, пожалуй, самая распространенная форма «сосуществования» усилителя. Его сиамским близнецом в таких случаях является тюнер. Если ресивер адаптирован для работы с видеосистемой, он получает название AV-ресивер. В случаях, когда AV-усилитель (AV-ресивер) оснащен декодером Pro Logic, на передней панели к стандартным ручкам регулировок добавляются кнопки управления театральными режимами звука. К таковым относятся режимы постоянной задержки (в пределах 15...30 мс) для тыловых каналов (Delay Time), пространственного звучания Dolby 3 Stereo (эксплуатация только трех передних каналов - левого, центрального и правого) и собственно четырехканальный Dolby Pro Logic (DPI).

Пока только начинают завоевывать рынок аудио- и видеотехники AV-усилители (AV-ресиверы) со встроенным декодером шестиканального цифрового пространственного звука Dolby Digital АС-3 (американский аналог этого фермата называется Digital Theater System (QTS), однако он несовместим с АС-3 (сокращение от Audio Coding — «звуковое кодирование»» третьего поколения)) или с возможностью подключения внешнего процессора, оснащенного этим декодером. Такие усилители позволяют подключать к себе СD- или DVD проигрыватели и имеют возможность выдавать полноценный цифровой пространственный звук (от 3 до 20000 Гц). При этом к двум фронтальным, паре тыловых и центральному диалоговому каналу добавляется отдельный канал для подключения сабвуфера, который озвучивает басы ниже 100 Гц и воспроизводимые на этих частотах шумовые эффекты.

Во всех случаях, когда речь идет о бытовой радиоаппаратуре, самым последним звеном сквозного тракта звуковоспроизведения, на который «работает» УЗЧ, является электромеханический преобразователь электрического сигнала в воспринимаемые ухом человека звуковые волны. Единственным исключением из этого правила можно считать усилитель записи магнитофона, нагрузкой которого является записывающая головка.

Электромеханические преобразователи (ЭМП) могут быть реализованы в самых различных, абсолютно непохожих друг на друга, конструкциях: в виде пьезомеханического или конденсаторного излучателя, вставляемого внутрь ушной раковины динамического мембранного излучателя, в виде одиночного электродинамического громкоговорителя (мощностью от 0,05 Вт и размером 50x80 мм до 100 Вт размером 315x190 мм), либо в виде акустических систем (АС), внутри корпуса, которых могут быть размещены до десятка излучателей самых разных типов, систем и размеров, образующих единый фронт излучения звуковых волн.

Такие АС, помимо собственно излучающих ЭМП, могут быть оборудованы внутренними системами звукопоглощения, настроенными акустическими резонаторами, электрическими фильтрами, механическими фазоинверторами и другими вспомогательными устройствами, назначение которых - выравнивание (или уменьшение неравномерности) акустической частотной характеристики АС по реальному звуковому давлению.

Такие АС являются конструктивно законченными самостоятельными изделиями и могут использоваться совместно с рядом автономных УЗЧ и УКУ, либо входить в состав музыкальных центров и радиокомплексов.

Условием совместимости АС с источником сигнала 34 в этих случаях является совпадение номинальных мощностей, полосы пропускания и величин импедансов.

В приложении 3 приведены сравнительные данные большинства отечественных АС, выпускавшихся в последние годы и до сегодня успешно эксплуатируемые в России. Данные этой таблицы безусловно окажут существенную помощь работникам сервисных служб в процессе ремонта АС.

Перечислим наиболее популярные фирмы, специализирующиеся на производстве АС, и некоторые выпускаемые ими модели АС.

Это, прежде всего, уже упомянутый TECHNICS с двухполосными системами с тремя динамическими громкоговорителями и фазоинвертором (SB-CA21, SB-CA11, SB-LV500), АС центрального канала модного нынче в определенных кругах домашнего театра (SB-C500), диполярная АС тылового канала домашнего театра (SB-S50G), АС центрального и тылового каналов системы спутникового телевидения (SB-HT140), АС центрального и тылового каналов (SB-CSS80, 5B-СSSI40), трехполосные АС с фазоинвертором (SB-LX70, SB-A38, SB-LXS0, SB-LX50, SB-A28) и многие другие.

Уже почти 40 лет мир знаком с АС датской фирмы ELTAX. И если раньше компания ограничивалась только выпуском высококачественной Hi-Fi акустики, то теперь, отдавая дань моде, выпускает АС для домашних театров, в первую очередь серии Millennium 100/200/400, которую отличает элегантный внешний вид и отменное звучание.

Фирма НЕСО, как олицетворение немецкого тщательного подхода к производству, много лет остается эталоном сохранения традиций для остальных производителей АС. Например, широко известны специальные разработки этой фирмы: Argon Reference - АС, снабженная четырехполосным кроссовером и имеющая супертвитер, способный воспроизводить звуки на частотах до 70 кГц, и Argon Surround - тыловая АС для домашнего кинотеатра, в которой применено по два комплекта динамических головок для создания диффузного звукового поля.

Компания MAGNAT - одна из старейших в Германии, производящая АС уже более 30 лет. Предметом гордости компании всегда были собственные разработки, результатом чего стали легендарные в прошлые годы колонки Plasma и серия AC All-Ribbon. И сегодня MAGNAT представляет более десятка линеек от систем класса Hi-End до «бюджетных» серий, выпуская АС как с классическим дизайном, так и «авангардную» акустику. Наиболее известна сейчас их серия Vector Needle. Неповторимый дизайн имеет АС серии Avantgarde: S10, С100, S100. Самый представительный модельный ряд MAGNAT носит название Vintage и включает в себя линейки с номерами от 1 до 9.

Компаний NHT, входящая с 1996 г. в мегакорпорацию RECOTON, - одна из ярких представительниц «американской» школы звука. Сегодня на российском рынке NHT представляет несколько серий универсальных АС. Самая престижная - Music Series -состоит из шести АС с «аудиофильским» качеством звучания. Специально для любителей кино NHT выпускает серию Ноme Theater, а акустика серии Perfomance - это небольшие «бюджетные» АС, предназначенные для использования в небольших помещениях, но тем не менее обладающие высокими показателями. В названных линейках отсутствуют сабвуферы, но любителям громких басов можно не беспокоиться. Для их нужд NHT выпускает Sub-серию, состоящую из активных сабвуферов высочайшего уровня.

Датская компания JAMO - крупнейший в Европе производитель АС. Последние годы JAMO традиционно представляет 4 модельных ряда АС под литерами A, D, Е и X.

Присутствие на российском рынке акустики известного английского производителя BOWERS & WILKINS далеко не случайно. Новая акустика фирмы представлена сериями 300 и СМ. Первая из них – эго система начального уровня, рассчитанная на массового покупателя благодаря своей невысокой цене. В серии СМ первостепенное внимание уделено внешнему виду АС, а также внедрено несколько технических усовершенствований.

Канадская фирма ENERGY, в частности, представила на российском рынке полочную двухполосную AC Take 5, а фирма DALI - набор акустических систем 80S/SC -5/SR-5.

Фирма DYNAUDIO представляет набор АС в составе четырех сателлитов Audiedence LR120+- и громкоговорителя центрального канала, а фирма TANNOY - набор AC Mercury 5M/M-S/M2 в составе двух, фронтальных и двух тыловых колонок и громкоговорителя центрального канала.

Знаменитая японская фирма SONY представляет набор AC SA-VE705, фирма ANTHONY GALLO ACOUSTICS - набор АС Nucleos Micro, канадская фирма ENERGY - набор AC Encore, а фирма SOUND DYNAMICS - набор AC RTS-5/CS-1000/RTS-3/RTS-1200.

Нельзя также не упомянуть имеющиеся в продаже АС серии Status компании ACOUSTIC RESEARCH, серии Е американской компании CERWIN-VEGA, серии FRX фирмы MIRAGE, серии RT американской компании POLK AUDIO, а также продукцию итальянской фирмы CHARIO, английских CASTLE и MONITOR AUDIO.

Интерес представляют плоские беспроводные колонки объемного звучания АСС132/142AF фирмы THOMSON, которые могут быть повешены на стену, а также беспроводные колонки WSP740 и колонки ASK140, подключаемые с помощью проводов.

Словом, ассортимент современной акустики на российском рынке сейчас настолько обширен, что невозможно не только привести параметры изделий, но и перечислить их все и даже упомянуть выпускающие их фирмы.