Глава 5. РАЗБИРАЕМСЯ С УСИЛИТЕЛЯМИ

Следующий за головным устройством элемент аудиосистемы – усилитель мощности. Его основная задача – принять слабый линейный аудиосигнал, который формируется в головном устройстве, и подготовить его для подачи на акустику. Несмотря на то, что усилители уже встроены в большинство головных устройств, нас будут интересовать в основном все же внешние. Основная причина – относительно невысокая мощность первых. Тут может возникнуть вполне резонный на первый взгляд вопрос: мол, зачем вообще нужен более мощный усилитель, если громкости встроенного вполне хватает? Громкость, на самом деле, дело второстепенное, главное – более высокое качество звучания.

ЧЕМ ВНЕШНИЕ УСИЛИТЕЛИ ЛУЧШЕ ВСТРОЕННЫХ В ГОЛОВНЫЕ УСТРОЙСТВА?

Что представляет собой звук? Звук – это чередующиеся колебания воздуха, интенсивность которых постоянно меняется. Соответственно, и мощность сигнала, который усилитель выдает на динамики, тоже постоянно меняется. В обычном музыкальном сигнале всегда есть отдельные пики, которые могут превышать средний уровень мощности на десятки децибел, и наш слух к ним очень чувствителен.

 Встроенный усилитель головного устройства неплохо справляется с основной информативной частью сигнала, но, не имея большого запаса мощности, неизбежно сглаживает эти пики, как бы компрессирует сигнал. Это приводит к тому, что звучание получается «зажатым», тяжелым, в нем будто чего-то не хватает, хотя громкости вполне достаточно.

 Если же мы подключим акустические системы к более мощному внешнему усилителю, то пики сигнала уже не будут срезаться, а начнут воспроизводиться практически без искажений, и субъективно при той же самой громкости звучание будет более легким, открытым, естественным. Разница оказывается настолько существенной, что ее обычно замечает даже человек, далекий от музыки.

 Но есть и еще пара причин, зачем в машине нужен мощный усилитель. Например, автомобильная акустика, как правило, не блещет высокой чувствительностью, и чтобы заставить динамики петь с нужной громкостью, их требуется хорошенько «подкормить» ваттами. Плюс ко всему в автомобиле постоянно присутствует дорожный шум, который маскирует низкочастотную составляющую музыки, из-за чего, скажем, уровень баса в автомобиле обычно приходится немного завышать. А низкие частоты в музыке – это самый энергоемкий диапазон, и желание «чуть-чуть прибавить баску» на деле оборачивается необходимостью увеличивать подаваемую на акустику мощность в разы. Вот и получается, что внешний усилитель с достаточным запасом мощности – непременный атрибут качественной автомобильной системы.

Цель установки внешнего мощного усилителя – получение не столько более высокой громкости, сколько более качественного звучания.

Это на входе усилителя. На выходе же, поскольку сигнал будет уже не идеально синусоидальным, его спектр изменится – уровень основной гармоники 

уменьшится, зато появятся появятся «лишние» гармоники с кратными частотами: вторая, третья, четвертая и т. д. Их так и называют – кратные гармоники:

На самом деле абсолютная     величина коэффициента     гармонических искажений     далеко не в полной мере     характеризует качество     усилителя. Важен и характер     этих искажений. Например,     некоторые усилители могут     иметь КГИ порядка процента,     тем не менее их звучание мо-     жет воспринимается очень     комфортно. А все дело в том,     что в них в этом случае до-     минируют четные гармоники,     что как раз и придает усили-     телям теплоту и бархатис-     тость звучания. Преоблада-     ние же нечетных гармоник     (как на рисунке) делает звук     жестким и резким, как бы     «дробленым».

Теперь если мы сравним уровень кратных гармоник в процентном соотношении с уровнем основной, то получим коэффициент гармонических искажений, сокращенно КГИ, THD – total harmonic distortion. Иногда его называют просто коэффициентом нелинейных искажений, хотя это не совсем корректно, гармонические искажения – лишь один из видов нелинейных искажений. Чем больше усилитель изменит форму сигнала, тем более значительным будет уровень кратных гармоник и, соответственно, тем выше будет КГИ. К слову, иногда производители немного лукавят, учитывая при расчете не все, а только первые две-три гармоники. Если же вы встретите обозначение THD+N (THD+Noise), то оно означает, что при измерении учитывался еще и шум, который реальный усилитель тоже неизбежно вносит в сигнал.

Впрочем, синус – это удобный сигнал лишь для измерений, а усилитель предназначен для работы все же с широкополосным сигналом, в котором присутствует не одна частота, а целый спектр. И для того, чтобы охарактеризовать способность усилителя работать с многочастотными сигналами, существует еще одно понятие – интермодуляционные искажения.

Это тоже нелинейные искажения, и их суть, в общем-то, та же самая – появление в выходном сигнале нежелательных частотных составляющих. Только в этом случае они вызваны взаимодействием («перемножением») сигналов с разными частотами. Для того чтобы измерить интермодуляционные искажения, на вход усилителя подают сигнал, который имеет примерно вот такую форму:

Особенность этого сигнала в том, что в его спектре присутствуют только две частоты. На выходе же, кроме них, появятся еще и «лишние» составляющие, вызванные как раз интермодуляционными искажениями. К примеру, вот что мы можем получить на выходе, если на вход подадим сигнал с частотами 5 и 6 кГц:

Коэффициент интермодуляционных искажений показывает, какую часть от основных сигналов составляют «лишние» гармоники. К сожалению, он указывается достаточно редко, хотя на характер звучания интермодуляционные искажения оказывают очень даже существенное влияние.

 

ЧТО ТВОРИТСЯ У УСИЛИТЕЛЯ НА ВЫХОДЕ?

И так, на своих выходных клеммах усилитель создает некоторое переменное напряжение. К ним подключена нагрузка (акустическая система), и под действием этого переменного напряжения через нее течет ток.

Усилитель в каждый момент времени сообщает нагрузке какое-то количество энергии, и с этой его способностью как раз и связано понятие мощности. Мгновенная выходная мощность, то есть отдаваемая усилителем в каждый момент времени, определяется по формуле: p = i x u.

Но вот незадача. Дело в том, что акустические системы – это все-таки сложная нагрузка, в которой есть индуктивная и емкостная составляющие (мы еще рассмотрим это подробнее, когда будем разбираться с акустикой). Для тех, кто забыл школьные уроки физики, напомню: в этом случае ток и напряжение могут и не совпадать по фазе.

Но это еще полбеды, гораздо хуже то, что все акустические системы имеют разные параметры. Так что же, на каждую из них усилитель будет выдавать мощность по-разному? Строго говоря, да. Нас это, понятное дело, устроить не может, поскольку мы должны все же как-то численно охарактеризовать его возможности, и лучше сделать это так, чтобы результат был однозначным. Давайте посмотрим, как это можно сделать.

Акустическая система – это     сложная нагрузка для усили-     теля, в которой присутствуют     индуктивная и емкостная со-     ставляющие. А это значит, что     ток через нее и напряжение     на ее клеммах не всегда будут     совпадать по фазе. Заметьте,     на графике есть участки, на ко-     торых мощность отрицатель-     ная. Это не ошибка, в эти мо-     менты времени акустическая     система возвращает часть     энергии усилителю, динамик     в эти моменты работает как     раскрученный электродвига-     тель, который в режиме тор-     можения на время становится     генератором.

Во-первых, с музыкальным сигналом дело иметь неудобно, поэтому определимся для начала с его формой. Самый простой и удобный для измерений – это синусоидальный сигнал.

Во-вторых, с понятием мгновенной мощности дело иметь тоже неудобно, поскольку она постоянно меняется, поэтому будем оперировать средним значением мощности. Для синусоидального сигнала, в отличие от какого-нибудь музыкального, это вполне предсказуемая и постоянная величина.

В-третьих, для измерений можно взять вместо акустической системы обычный резистор. Он не имеет ни индуктивности, ни емкости, поэтому ток через него и напряжение на нем всегда будут совпадать по фазе. Его обычно так и называют – резистивный эквивалент нагрузки. Например, если вы увидите в описании фразу «мощность, измеренная на нагрузке 4 Ом», то знайте, что она измерялась при подключении к выходным клеммам усилителя не какого-нибудь динамика, а обычного 4-омного резистора.

Теперь мы можем легко посчитать среднюю мощность, выдаваемую усилителем:P средн = I x U.

где I и U – это среднеквадратические (Root Mean Square, RMS), значения тока и напряжения. Для нашего синусоидального сигнала они будут равны: I = 0,707 x I пик; U = 0,707 x U пик, где Iпик и Uпик – пиковые значения тока и напряжения соответственно.

Физический смысл среднеквадратического значения силы переменного тока (его еще называют действующим, или эффективным) таков: это такое значение силы переменного тока, который произведет тот же самый тепловой или электродинамический эффект, что и то же значение постоянного тока. И аналогично для напряжения.

 

 Важно особо отметить, что термин «среднеквадратическое» применим только к напряжению или току. Часто можно слышать и о среднеквадратической мощности, хотя это на самом деле некорректно. Для мощности сокращение RMS имеет совсем другое значение – не Root Mean Square, а Rated Maximum Sinusoidal, и оно обозначает номинальную мощность, то есть это понятие тесно связывают с выполнением определенных условий при измерении.

Максимальная мощность, которую может выдать усилитель, измеряется обычно так. Подключают к усилителю нагрузку (опять же резистор с заданным сопротивлением), на вход подают синусоидальный сигнал и следят за тем, какой сигнал получается на выходе. Увеличивают уровень сигнала до тех пор, пока усилитель не упрется в потолок своих возможностей и не начнет ограничивать сигнал по амплитуде. В этот момент начинается резкий рост гармонических искажений:

Так вот ту самую среднюю выходную мощность, которую усилитель способен выдать в принципе (не важно, какие при этом будут искажения), обычно и принимают за максимальную.

 

СКОЛЬКО ВАТТ МОЖНО ПОЛУЧИТЬ ОТ УСИЛИТЕЛЯ С 12-ВОЛЬТОВЫМ ПИТАНИЕМ?

И так, давайте теперь посмотрим, какую же максимальную мощность мы сможем получить на выходе не какого-нибудь абстрактного, а именно автомобильного усилителя. Для этого вспомним закон Ома: P = U2 / R, где U – это максимальная амплитуда напряжения на выходе усилителя, а R – это сопротивление нагрузки (резистора, который мы подключили к усилителю для измерений).

Что нам дает эта формула? А из нее мы можем сделать вывод, что максимальная мощность, которую может выдать усилитель, будет определяться двумя вещами – максимальным напряжением электрического сигнала, который он способен создать на своих выходных клеммах, и сопротивлением подключенной нагрузки.

Это означает, что на нагрузке 4 Ом максимально возможная мощность составит всего лишь…    4,2422 / 2 ≈4,5 Вт.

Чтобы повысить ее, встроенные усилители делают мостовыми. Это означает, что на один динамик на самом деле работают сразу два усилителя, и чтобы организовать 4 выхода, в головном устройстве делают 8-канальный усилитель. При этом мощность каждого такого «двойного» канала учетверяется по сравнению с «одиночным». Про мостовое включение мы еще поговорим отдельно, так что пока просто примите это как факт. В общем, получается, что максимальная мощность синусоидального сигнала при питании 12 В реально может составить порядка 18 Вт.

	Указанные на головных устрой- ствах максимальные мощности порядка 40, 50 или 55 Вт – это не те мощности, которые встроенные усилители могут выдавать про- должительное время, а максимум, который они могут выдать лишь в короткие промежутки времени в     пиках сигнала.

Но откуда же тогда берутся на лицевой панели магнитол надписи «4 по 45 Вт», «4 по 50 Вт», «4 по 55 Вт»?.. Обман? В общем-то, нет, хотя без лукавства, понятное дело, не обошлось. Дело в том, что встроенные в ГУ усилители, как правило, выполнены по схемам с вольтдобавкой (так называемый класс «Н»). В них предусмотрен конденсатор, который заряжается в моменты, когда сигнал не слишком мощный, и отдает накопленную энергию, когда должен быть пик сигнала (не путайте с буферными конденсаторами, которые просто «подпирают» 12-вольтовое питание). В эти самые короткие моменты времени, когда конденсатор заряжен, усилитель и бывает способен «стрельнуть» в нагрузку те самые 40 или 50 Вт. Конечно, запасаемой энергии все равно будет недостаточно, чтобы усилитель абсолютно точно и без искажений воспроизвел пики сигнала, но, как говорится, дело сделано – цифра получена. При этом, правда, скромно умалчивается о том, каким именно способом, но мы-то с вами эту хитрость теперь знаем.

Вообще в трактовке понятия максимальной мощности производители своевольничают довольно часто. Одни понимают под ней «нормальную», то есть среднюю, мощность, которую усилитель может выдать в принципе, а другие – ее пиковые значения. Разница в этих понятиях – ровно в два раза. Если же мы возьмем не синусоидальный, а вообще какой-нибудь шумовой или музыкальный сигнал, в котором пики сигнала могут превышать усредненные значения на десятки децибел, то получим и вовсе сногсшибательные цифры. Помните дешевые приемники на батарейках с несуразными значениями мощности PMPO (Peak Musical Power Output)? Вот это и есть как раз тот самый случай.

 

КАКУЮ НАГРУЗКУ МОЖНО ПОДКЛЮЧАТЬ К УСИЛИТЕЛЮ?

И так, если вы внимательно посмотрите на формулу мощности, приведенную чуть раньше, то увидите, что мощность, выдаваемая усилителем, зависит от двух вещей – от напряжения, которое он развивает на своих выходных клеммах, и от сопротивления подключенной к нему нагрузки. С напряжением вроде как разобрались, теперь давайте рассмотрим, что получится, если мы будем менять сопротивление. Например, подключим вместо 4-омных акустических систем 2-омные. Нагрузка при этом будет «сопротивляться» вдвое меньше, и через нее потечет вдвое больший ток. А раз так, то и мощность, выдаваемая усилителем в нагрузку, тоже удвоится. Заманчиво, правда?

Но на практике уменьшать сопротивление нагрузки можно только до определенных пределов. Элементы усилителя имеют же не безграничные возможности, и если мы подключим акустику со слишком маленьким сопротивлением, то через них потечет слишком большой ток, и усилитель с большой вероятностью просто выйдет из строя. Поэтому в инструкциях обычно указывают минимальное сопротивление нагрузки, с которым усилитель может нормально работать. Обязательно обращайте на это внимание при выборе подходящей модели.

Современные автомобильные усилители обычно рассчитаны на подключение 4-омных динамиков, но, как правило, легко справляются и с 2-омными. Мощности, понятное дело, они тоже будут выдавать на них разные. Обратите внимание в инструкции на эту разницу, по ней в большинстве случаев можно примерно оценить потенциал усилителя. Хорошим показателем можно считать увеличение выдаваемой мощности при переходе с 4 Ом на 2 Ом на 60–80%. А вот если прирост составляет всего лишь 20–30%, то это значит, что усилитель работает на пределе своих возможностей, его энергетический запас невелик.

Будьте внимательны при подключении акустики к усилителю. Если для усилителя указано, что для него минимальное сопротивление нагрузки составляет, например, 4 Ом, то при подключении 2-омной акустики он запросто может выйти из строя. И напротив: при подключении акустики с большим сопротивлением усилитель будет чувствовать себя весьма комфортно, правда, его выходная мощность при этом пропорционально снизится.

ЧТО ТАКОЕ НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ?

Впрочем, что же мы все это о запасах, предельных значениях и максимальных мощностях. Нам же, в конце концов, музыку слушать. И желательно в хорошем качестве, а значит, с небольшими искажениями. Усилитель, как вы уже знаете, хорошо работает, только пока мощность выходного сигнала относительно невелика. А вот с ее увеличением КГИ начинает резко расти.

Поэтому, помимо максимальной мощности как таковой, было бы неплохо знать еще и мощность, при которой искажения еще не превысят разумных величин. Для этого подадим на усилитель все тот же синусоидальный сигнал и начнем повышать его уровень, следя за искажениями на выходе. Как только искажения достигнут допустимого предела, фиксируем эту мощность. Это и есть номинальная мощность усилителя, или Rated Maximum Sinusoidal, RMS.

Но что вообще такое «допустимый предел»? Вот возьмем такой наглядный пример: лежат в магазине на одной витрине две модели, и на обоих указано, что они имеют номинальную мощность, например, по 50 Вт на канал. Но для первого указано, что она развивается при искажениях 0,1%, а для второго – при 1%. Видите, в этой ситуации «допустимый предел» у каждого производителя оказался свой.

Для того чтобы сравнивать мощность усилителей между собой было все-таки возможно, время от времени вводились стандарты ее измерения. К этому приложили руку и ГОСТСТ, и IEC, и DIN, и еще черт знает кто… Один из последних – CEA-2006 – был опубликован в 2003 году Ассоциацией производителей бытовой электроники (Consumer Electronics Association). В нем четко прописан пункт, касающийся измерения параметров автомобильных усилителей. Согласно этому стандарту, номинальная мощность определяется при использовании источника питания 14,4 В (напряжение питания, кстати, тоже очень важное условие измерений), на нагрузке 4 Ом при коэффициенте гармонических искажений 1%. Так что если на коробке с усилителем стоит логотип CEA-2006, то можно быть уверенным, что выходная номинальная мощность измерена именно по этим критериям, даже если они не отмечены в описании как-то отдельно.

 

ЧТО ТАКОЕ ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ?

Собственных шумов не вносит разве что только идеальный усилитель. Но он существует, к сожалению, только в математических моделях и несбыточных мечтах разработчиков, а все реальные устройства так и норовят внести в сигнал какую-нибудь гадость. Для нас, понятное дело, чем этого шума будет меньше, тем лучше.

Но, вообще-то говоря, отдельно взятый шум как таковой нам не особо интересен. Гораздо важнее, будет он нам мешать слушать музыку или нет. Поэтому нам важна не его абсолютная величина, а то, насколько он велик по отношению к полезному сигналу. Ну а раз берем отношение, то и единицы измерения будут децибелы. В описаниях этот параметр так и называют – отношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio, SNR).

Возникает вопрос: по отношению к какому сигналу его измерять? В старых стандартах измерения проводились при выходном сигнале максимальной мощности. Но у этого метода есть как минимум один серьезный недостаток – неудобно сравнивать усилители с разными выходными мощностями. По новым же стандартам, скажем по тому же CEA-2006, SNR определяется при фиксированной мощности сигнала 1 Вт, и не важно, на какой при этом максимум усилитель способен вообще.

 

ЧТО ПОКАЗЫВАЕТ КОЭФФИЦИЕНТ ДЕМПФИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ?

Вы уже знаете, что все измерения усилителей делаются на резистивном эквиваленте нагрузки. Но в реальной-то жизни мы подключаем к ним реальные динамики. А что представляет собой любой динамик? Это самая настоящая колебательная система, в которой диффузор и прикрепленная к нему звуковая катушка могут двигаться. Принцип работы – как у электродвигателя: через катушку, находящуюся в магнитном поле, течет ток, и возникает толкающее усилие.

И все бы хорошо, но все это двигающееся туда-сюда хозяйство обладает определенной массой, а это значит, что на какой-то определенной частоте может войти в резонанс. Эту частоту так и называют – частота собственного резонанса динамика – и обозначают как Fs. Что же произойдет, когда динамик будет работать на частотах, близких к резонансной? Вспомните, во что превращается электродвигатель, если его раскрутить, – он становится не чем иным, как генератором, который начинает сам вырабатывать электрический ток. Динамик ведет себя точно так же – когда он резонирует, то тоже сам вырабатывает ток. И если мы хотим, чтобы он движением своего диффузора как можно точнее повторял электрический сигнал, такое своевольничанье динамика нужно пресекать. Самый эффективный способ затормозить любой генератор – нагрузить его. Наш динамик нагружен на выходное сопротивление усилителя, а это значит, что оно должно быть как можно меньше – усилитель должен попросту закорачивать этот «генератор» и тем самым гасить резонансные колебания динамика.

Но как понять, хорошо ли усилитель с этим справляется? Можно, например, пойти «в лоб» – просто измерить выходное сопротивление усилителя. Чем оно будет меньше – тем лучше. Но лучше соотнести его с сопротивлением нагрузки (нагрузкой для усилителя является акустическая система), получив коэффициент демпфирования. Его еще называют демпинг-фактором (damping-factor).     K = R нагр / R вых.

Чем выше будет этот коэффициент, тем, при прочих равных, лучше. Например, старыми стандартами (скажем, DIN 45500) определялось, что этот коэффициент должен быть хотя бы 20. Сейчас он во многом утратил свое значение, ведь современные усилители могут иметь коэффициент демпфирования уже порядка сотен.

 Глава 5. РАЗБИРАЕМСЯ С УСИЛИТЕЛЯМИ (продолжение 1)