«Почему, – можете спросить Вы – у моего соседа по гаражу 100-ваттные «лопухи» (коаксиальная овальная акустика размером 6 х 9 дюймов) захрипели и сгорели?» А это, милые вы мои, произошло не оттого, что мощности головного устройства было много, а оттого, что было мало МАКСИМАЛЬНОЙ мощности.
Все видят, но мало кто обращает внимание: там, где всерьез, а не для красоты указывается максимальная выходная мощность автомобильной магнитолы (например, на последней странице инструкции по эксплуатации), рядом стоит и величина коэффициента нелинейных искажений, соответствующая приведенному значению. У нас это сокращается в К.Н.И., а в англоязычной инструкции будет выглядеть как THD и какое-то число со знаком процентов. Вспоминаем (или узнаем), что такое нелинейные искажения. Их иногда называют гармоническими (THD и означает Total Harmonic Distortion – общие гармонические искажения), что более правильно. Суть дела: когда усилитель работает идеально, сигнал на выходе будет отличаться от сигнала на входе только амплитудой, причем зависеть будет линейно. Увеличился сигнал на входе вдвое – и на выходе вдвое, а форма его осталась неизменной. При достижении максимальной мощности, как мы видели, форма изменяется, это уже не синусоида, а сигнал какой-то более сложной формы.
Рис.1
Француз Фурье доказал, что любой периодический сигнал, какую бы причудливую форму он ни имел, можно построить (как из кирпичиков) из синусоид разной амплитуды с частотами, кратными периоду сигнала. Тогда это была сплошная математика, потому что частот и амплитуд этих никто не видел. А сейчас и увидеть, и измерить несложно. Вот, к примеру, написано, что при такой-то мощности К.Н.И. (или THD) составляет 1%. Это означает, что чистый синусоидальный сигнал частотой, скажем, 1 кГц, пройдя через усилитель, немного исказился по форме, и, чтобы получить эту немного неидеальную форму, к нему надо прибавить маленькую синусоиду с частотой 2 кГц, еще одну маленькую с частотой 3 кГц и так далее. Это если бы мы задались целью составить такой искаженный сигнал. А в реальной жизни эти незваные добавки видны на экране спектроанализатора – устройства, показывающего, какой сигнал на какой частоте присутствует на выходе усилителя.
Картинка – вот она, на рис. 1. На ней все видно: большой «штырь» – это основной тон, для нашего примера я взял частоту 250 Гц. Вторая «шпилька», существенно ниже, на частоте 500 Гц, потом – на 750, на 1 кГц, потом они постепенно тонут в шумах. Это – измерения реального усилителя, аналогичного тем, что применяются в автомобильных головных устройствах. С точки зрения величины сигнала на выходе такие усилители, собранные по мостовой схеме, равносильны усилителю с двухполярным питанием, в нашем случае +/- 15 В. Хороший попался аппарат: всех незваных синусоид (гармоник), когда их сложили вместе, набралось меньше чем на 0,1% от основного сигнала. На осциллограмме виден безукоризненный синус, не доходящий еще и до отметки 12 В, а у нас подано питание 15.
Верхняя часть экрана принадлежит анализатору спектра. Трактовать его показания несложно, даже бывает увлекательно. По горизонтальной оси – частота, а по вертикальной – уровень сигнала на выходе на этой частоте. Как видим, главное, что есть на выходе – это усиленный сигнал частотой 250 Гц, поданный на вход. Но не только. Каждая «шпилька» – это гармоника основной частоты. Вторая гармоника – на частоте 500 Гц, третья – на 750 и так далее. Здесь «и так далее» не так много: уровень искажений очень низкий. Анализатор спектра – вещь крайне чувствительная, можно разглядеть, например, небольшой выступ на частоте 50 Гц: это наводки сети. А «трава» между столбиками гармоник – собственные шумы усилителя. Помимо суммарного уровня искажений (это то, что выражается в процентах), кое-какая информация содержится в уровне отдельных гармоник. Четные (с частотой вдвое, вчетверо, вшестеро и т.д. выше, чем основной тон) – признаки несимметричного искажения сигнала, нечетные, начиная с третьей) – симметричного.
Рис.2
Увеличим входной сигнал. Напряжение на выходе возросло на вольт с небольшим, как вдруг на спектрограмме вырос целый «забор» из гармоник (рис. 2), значит, выходной сигнал опасно близко подошел к запретной зоне. По амплитуде гармоники вроде небольшие (верхняя шкала сильно растянута по вертикали), и в сумме они складываются в невеликий итог: меньше полпроцента. Амплитуда сигнала выросла на вольт с копейками, форма на глаз вроде бы не изменилась, но анализатор спектра не проведешь: сколько сразу всякой гадости появилось в выходном сигнале. И хотя гадости всего 0,4%, этого «забора» раньше в звуке не было, а теперь он есть. Это уже будет слышно, ухо по чувствительности превосходит лучшие приборы. Здесь можно разглядеть, что стала расти третья гармоника (на 750 Гц), то есть появились ранние признаки симметричного, сверху и снизу, ограничения сигнала.
Рис.3
Добавим еще – и вот, приплыли: на синусоиде стали отчетливо видны искажения формы, именно те, которых мы ожидали – выше питания не прыгнешь (рис. 3). Здесь уже нельзя не разглядеть, что, пытаясь перепрыгнуть через пределы, поставленные источником питания, сигнал стал ограничен. Гармоник на выходе много, и преобладают нечетные (3-я, 5-я и т.д.), которые славятся тем, что наиболее неприятны для слуха. Спектр сигнала стал чудовищным, в реальной жизни мы услышим, помимо чистого тона 250 Гц, массу нового: и 500, и (особенно) 750 Гц и далее до самых невозможных частот. Утешение, что все они кратны 250 Гц, довольно слабое, для слуха это или скрип, или хрип, в зависимости от основной частоты.
Теперь вопрос из древнего анекдота: где талию делать будем? Что принять за максимальную выходную мощность? Если там, где искажений было еще совсем мало (рис. 1), то окажется 13,5 Вт – RMS, как Вы теперь понимаете, увидев, в чем указано выходное напряжение. Если там, где под полпроцента (рис. 2), то будет уже почти 19 Вт. А если согласиться с 10% (рис. 3), то получим сказочную для таких усилителей величину 23 Вт. Но только лучше не соглашаться: видите, что кроется за этой неприметной цифрой?
Итог нашего анализа на первый взгляд парадоксален: с одной стороны у усилителя есть только одна максимально достижимая выходная мощность, определяемая (при одном и том же сопротивлении нагрузки) в основном напряжением питания, с другой стороны указать ее можно как угодно, вопрос в том, какой К.Н.И. считать допустимым. Традиционно для действительно мощных, внешних усилителей максимальную мощность указывают при К.Н.И., равном 1%. Для головных устройств изготовители предпочитают 10%, по причинам, уже не нуждающимся в комментариях.
Почему при таких, в общем-то, жалких значениях максимальной мощности усилителей головных устройств прицепленные к ним «200-ваттные лопухи» начинают хрипеть, а то и гореть? Почему хрипеть, Вы уже видели: хрип – это гармоники, появившиеся на выходе усилителя при его перегрузке. Человек думает, что его могучая магнитола перегрузила динамик, а на деле «лопуху» что дали, то и играет, думая своими лопушиными мозгами, что так и надо. А почему же горят, если им такая мощность – как слону дробина?
А давайте еще раз взглянем на результаты предыдущих опытов с искажениями, а потом их даже продолжим. Я там кое-что дорисовал: условные кривые, показывающие, какая часть частотного спектра попадает на низкочастотную головку (собственно «лопух»), а какая – на блок ВЧ-головок в центре коаксиала. Естественно, это относится в полной мере и к любой другой многополосной акустике, а у нас другой и не бывает. Вот играет что-то, и там есть мощная составляющая с частотой 250 Гц, на этих частотах, как показывает статистика, уровень сигнала в музыкальных записях близок к максимальному. Пищалка (ВЧ-динамик) пока в отпуске: на голубом поле, изображающем ее рабочий диапазон, сигнала почти нет (рис. 4), и правильно, не ее это частота. Это – из предыдущего примера работы усилителя на мощности, далекой от максимальной, и с минимальными искажениями. Наш тестовый сигнал в реальных условиях предназначен исключительно для мидбасового динамика, на пищалку его не пускает разделительный фильтр (синяя кривая, довольно условно). Пока все хорошо: на пищалке, кроме шумов, ничего и нет.
Рис.4
Когда искажений становится полпроцента, что-то уже появляется, но пока ничего страшного, амплитуды невелики, а большая их часть попадает в область, где фильтр пищалки начинает отрезать ненужное (рис. 5). Уже при искажениях 0,5% пищалке начинает кое-что доставаться, этого недостаточно, чтобы нанести ей вред. Но, думая, что это - замысел композитора, ВЧ-головка будет старательно «озвучивать» гармоники, внося в звучание совершенно непрошенные детали.
При 10% уже нехорошо: пищалке положен полный покой, а на нее валится куча гармоник, да еще с уровнем выше, чем содержание верхних частот в нормальной фонограмме (рис. 6). То есть, при искажениях 10% пищалка работает уже всерьез, и это при основной частоте 250 Гц (вовсе не «пищалочной»). А ведь это могли бы быть и 1 кГц, и 2 кГц, тоже частоты не для пищалки, и тогда уже вторая гармоника долбила бы по нежной майларовой диафрагме ВЧ-головки.
Рис.5
Добро бы это было в записи, но ведь не было: пищалка работает «на износ» исключительно благодаря нечистоплотности усилителя.
Рис.6
Пойдем дальше, до предела: выкрутим входной сигнал так, что после отрезания верхушек полуволн смирная синусоида превратится в сигнал почти прямоугольной формы, в котором гармоник за сорок процентов от основного сигнала (рис. 7). Предел падения: усилитель перегружен настолько, что синусоида превратилась в череду прямоугольных импульсов. Это уже опасно не только для пищалки: мощность, заключенная в таком сигнале, намного больше, чем в синусоиде равной амплитуды, потому что прямоугольные волны «толще». Сейчас мощность на выходе составляет около 50 Вт, которые (за вычетом 0,4-0,5%) звуковая катушка должна переработать в тепло. Ей сейчас не стоит завидовать.
Рис.7
Вот здесь пищалке, скорее всего, конец. А ведь и усилитель у нас тот же, и частота по-прежнему «непищалочья». При некотором природном даре таким сигналом можно подпортить и мидбас. Посмотрите: эффективное значение напряжения на выходе стало практически равно напряжению питания, потому что у прямоугольника это полпериода – полный «плюс» питания, полпериода – полный «минус». Электрическая мощность, которая при этом поступает на динамик, составит больше 50 Вт. Представим себе 50-ваттный паяльник, потом вспомним, что динамик – это паяльник на 99,5%, и судьба звуковой катушки, сделанной, в отличие от обмотки паяльника, не из нихрома, слюды и асбеста, а из гораздо более нежных материалов, перестанет выглядеть безоблачной.
Значит ли все это, что на мощность акустики можно вообще не смотреть? Не совсем. Надо просто смотреть несколько по-другому.
А. Елютин |
