В последнее время специалисты вплотную подошли к пониманию того, что УМЗЧ и громкоговоритель (ГГ) с функциональной точки зрения следует рассматривать как составные части единого звуковоспроизводящего устройства (ЗВУ).
К сожалению, устоявшихся норм на параметры, коими должны обладать образующее это устройство УМЗЧ и ГГ, нет. В результате до сих пор доминирует сформировавшийся в семидесятые годы блочный принцип компоновки высококачественных звуковоспроизводящих комплексов (ЗВК), составляемых из нескольких источников музыкального сигнала, УМЗЧ и ГГ.
Все блоки разрабатываются как самостоятельные устройства, к которым предъявляют одно общее требование — минимизация всех видов вносимых искажений. Этот неписанный стандарт обычно стремятся выполнить и в конструктивно объединенных УМЗЧ и ГГ.Улучшение многих параметров ГГ с горизонтальной АЧХ излучения (уменьшение габаритов, нелинейных искажений, низшей рабочей частоты) достигается только при одновременном снижении их КПД, поэтому мощность современных ЗВУ все чаще превышает двузначную цифру.
Очевидно, что дальнейшая эволюция ЗВУ в этом направлении способна породить лишь монстров. А ведь возможности для повышения КПД современных ЗВУ существуют. И главное условие прогресса — проектирование УМЗЧ и ГГ как единого (с функциональной точки зрения) устройства. Хотя ЗВУ появились более 100 лет назад до сих пор в понимании принципа их работы осталось немало белых пятен.
Свидетельством тому является большое количество накопившихся проблем, которые пытаются решить и специалисты, и радиолюбители. Это преодоление противоречий между объективными (инструментальными) и субъективными (на слух) методами контроля качества ЗВУ, поиск неких негативных “эзотерических” эффектов, присущих транзисторным УМЗЧ.
Сюда же входят оптимальный выбор величины выходного сопротивления УМЗЧ, акустического оформления (закрытый ящик фазоинвертор, рупор), активных элементов (ламп, биполярных или полевых транзисторов) и т.п. Возникшие трудности отчасти можно объяснить тем, что в ЗВУ переплелись многие отрасли знаний — на его работу оказывают влияние электрические параметры УМЗЧ, электрические, механические и акустические параметры ГГ, помещения для прослушивания.
Кроме того, восприятие созданного ЗВУ музыкального образа зависит от физиологических и психологических особенностей слушателя. На формирование последних свой негативный отпечаток наложил многолетний опыт “общения” практически каждого из нас с далекими от совершенства ЗВУ.
Звуковоспроизводящее устройство
Значительные расхождения, наблюдаемые при сравнении субъективных оценок качества звучания различных ЗВУ с их инструментально измеренными параметрами, объясняются физиологическими свойствами слуха и особенностями психоэмоционального воздействия звукового сигнала на слушателя. Последнее находится в сильной зависимости от его привычек и музыкальных пристрастий. Пищу для размышлений могут дать следующие наблюдения автора.
- Всем желающим предлагалось установить положение регуляторов входящего в состав высококачественного ЗВК эквалайзера на свой вкус. В результате выяснилось, что многие из тех, кто обычно слушает “радиоточку” либо транзисторный АМ-приемник, убирали частоты ниже 200 Гц и выше 6 кГц, поскольку лежащие в указанном диапазоне спектральные составляющие музыкального сигнала воспринимались ими как “мешающие”. Лица, постоянно эксплуатирующие широкополосную, но не очень качественную аппаратуру, поначалу “поднимали” регуляторы диапазона 30-80 Гц и выше 6 кГц, но впоследствии многие из них возвращали эквалайзер в исходное положение. Для одних на “адаптацию” к сбалансированному звучанию требовалось несколько минут, для других — несколько дней. Довольно значительная группа слушателей так и не смогла отказаться от подъема низших частот (встречались и неисправимые “любители” высших частот). В ходе расспросов этой группы выяснилось, что на слух они отчетливо ощущают избыточность басов, но не хотят отказываться от их воздействия. При прослушивании тех же музыкальных произведений на головные телефоны желания подчеркнуть низшие частоты у них, как правило, не возникало. Это можно объяснить тем, что указанные слушатели “подсели” на басы, причем на их воздействие не на слух, а на все тело. Последнее обстоятельство дает основание полагать, что физиологическое воздействие низших и высших частот на слушателя, вызывающее “вибромассаж” брюшной полости и выплеск микропорций адреналина, часто оказывает влияние (при сравнительной оценке звучания ЗВУ) на результат и не в пользу высококачественного устройства. Предпочтительным оказывается то, у которого больше “мяса” и “стекла” в звуке. В этом, возможно, кроется один из феноменов “лампового звука“.
- Наиболее “продвинутым” слушателям вначале предлагалось прослушать фрагмент музыкального произведения, воспроизводимого двухканальным ЗВУ среднего качества с диапазоном воспроизводимых частот от 100 Гц до 20 кГц. Затем включался сабвуфер (о чем слушателей ставили в известность), и прослушивался тот же фрагмент. Рядом с работающими ГГ располагались другие, более качественные, установленные лишь для дезориентации слушателей, которым предлагалось определить, какие ГГ были подключены при втором прослушивании. Многие слушатели отметили улучшение звучания средних частот при втором прослушивании, на основании чего ими был сделан ошибочный вывод, что при втором прослушивании работали другие, более качественные ГГ.
- Той же группе слушателей предлагалось прослушать чистый тон частотой 50 Гц и запомнить его звучание. Затем к нему подмешивались тоны частотой 100, 150, 200 и 250 Гц амплитудой соответственно 15, 5, 3 и 2% от основного сигнала, моделирующие 2 5 гармоники основного тона. Перечисленные “гармоники” подмешивались к основному тону в различных комбинациях. Перед слушателями ставилась задача определить, какое звучание искажено, а какое нет.
В ходе этого нехитрого опыта выяснилось, что сигнал, состоящий из основного тона и 4-й и 5-й гармоник, уверенно фиксировался как искаженный. При подмешивании только 2-й гармоники сигнал воспринимался как неискаженный, а при подмешивании только 3-й гармоники лишь половина слушателей заметила изменение окраски звучания. Около половины слушателей, заметивших изменение звучания при наличии только 3-й гармоники, перестали замечать искажения при подмешивании еще и 2-й гармоники. Самым примечательным оказалось то, что при наличии в сигнале всех 4 гармоник он был воспринят как неискаженный чуть ли не половиной слушателей.
Анализируя результаты второго и третьего наблюдений, можно сделать следующие предположения. Из-за нелинейных свойств слуха и эффекта маскировки [1] гармоники низших порядков с меньшими, чем возникающие в органах слуха, уровнями сами остаются незамеченными, но их наличие в спектре сигнала оказывает маскирующий эффект на гармоники более высокого порядка, и наоборот, при малом уровне гармоник низких порядков становятся более заметны гармоники высших порядков.
Эту особенность слуха пытаются эксплуатировать некоторые производители, специально вводя в электрический тракт нелинейности второго порядка. Очевидно, что стремясь к снижению искажений, необходимо обеспечить близкую к “естественной” скорость спада уровня гармоник с увеличением их номера. В принципе, нелинейность органов слуха значительна, но они вносят в основном вторую гармонику, достигающую 15-25%, а уровень гармоник более высокого порядка быстро спадает — на 10-15 дБ от номера к номеру [1].
Этому требованию отвечают устройства, крутизна амплитудной характеристики которых изменяется плавно, причем с увеличением амплитуды сигнала она либо только увеличивается, либо только уменьшается (в симметричных устройствах, например в двухтактных УМЗЧ, при этом будет преобладать 3-я гармоника).
Маскирующий эффект органов слуха обусловлен их строением. Звуковой сигнал определенной тональности частично возбуждает рецепторы, реагирующие на более высокочастотный сигнал, т е маскируется диапазон частот выше мощного (маскирующего) сигнала. Наиболее сильно маскируются сигналы в пределах 1,0-1,5 октав.
Поскольку комбинационные составляющие лежат как выше, так и ниже основных сигналов и часто отстоят от них далеко, они плохо маскируются основным сигналом. Хорошо маскируются лишь составляющие, образующиеся на нелинейностях второго порядка (они образуются и в органах слуха). В результате информативность оценки интермодуляционных искажений по уровню разностного сигнала, образующегося на нелинейностях второго порядка, крайне низка.
Результаты второго опыта можно интерпретировать так. Пороговая чувствительность слуха к басам низкая, и для их прослушивания с необходимой громкостью приходится значительно повышать уровень НЧ (эту функцию часто выполняет тонкомпенсированный регулятор громкости). Можно предположить, что маскирующее действие НЧ-сигнала на вносимые ЗВУ паразитные спектральные составляющие при среднем уровне громкости охватывает не одну, а 2-3 и более октав, достигая области максимальной чувствительности слуха (0,2.. 2 кГц).
Указанная область частот совпадает со среднестатистическим максимумом спектральной плотности мощности речи и музыки, в результате гармоники и интермодуляционные составляющие становятся менее заметными при наличии басов. Уровень нелинейных искажений оценивают двумя параметрами — коэффициентом гармоник (Кг) и коэффициентом интермодуляционных искажений (Ки).
К сожалению, принятая в настоящее время методика их измерения не только не выявляет ряд нелинейных эффектов, присущих отдельным компонентам ЗВУ, но не позволяет даже приблизительно оценить по этим параметрам качество звучания того или иного устройства. В результате у аудиофилов сформировалось твердое убеждение в том, что инструментальные методы не в состоянии дать представление о качестве звучания ЗВУ, и для этого подходит лишь субъективная оценка.
Причина столь вопиющего положения кроется в принятой ныне методике подсчета суммарного уровня Кг, которая не учитывает ни различий в восприятий слухом гармоник низшего и высшего порядков, ни различий в восприятии искажений на низких, средних и высоких частотах. В результате устройство, вносящее только 2-ю гармонику величиной 1%, приравнивается к устройству, суммарный уровень гармоник которого тоже равен 1 %, но складывается в основном из гармоник высшего порядка.
Не учитывает ныне действующая методика измерения Кг и разпичий в воздействии на органы слуха 2-й и 3-й гармоник, а они велики.
Например, при подаче двух синусоидальных сигналов частотой 20 Гц и 1 кГц на вход устройства, вносящего только 3-ю гармонику, в районе частоты 2 кГц образуются комбинационные составляющие, которые воспринимаются на слух как сигнал с глубокой амплитудной модуляцией. Если же устройство одновременно вносит и 2-ю гармонику с уровнем в несколько раз больше 3-й, то на частоте 2 кГц образуется сигнал, уровень амплитудной модуляции которого невелик.
Таким образом, введение в электрический тракт ЗВУ нелинейности второго порядка, например электровакуумной лампы, способствует снижению паразитной амплитудной модуляции продуктов нелинейного преобразования сигнала. Это еще один пример проявления эффекта “благозвучия” нелинейности второго порядка, который кроется, как уже указывалось, в маскировке влияния нелинейности 3-го порядка, которая в современных ЗВУ преобладает.
Если же тракт ЗВУ линеен, то введение в него нелинейности 2-го порядка вряд ли приведет к субъективному ощущению улучшения качества звучания Правда, полной уверенности в этом у автора нет, поскольку, возможно, существует эффект компенсации вносимой слухом нелинейности введением в ЗВУ такой же нелинейности в противофазе. При проведении описанного выше опыта с подмешиванием к основному тону гармоник ставилась основная задача обнаружить именно этот эффект, но сделать это не удалось. Однако это не означает, что такого эффекта не существует — нужны более основательные исследования.
Поскольку реакция слуха на различные спектральные составляющие искаженного сигнала отличается от реакции на них вольтметра среднеквадратичных значений, то и оценивать нелинейные искажения в ЗВУ следует иначе — с учетом степени деструктивного влияния нелинейностей различного порядка на качество звуковоспроизведения. Для этого предлагается использовать метод взвешивания гармоник различного порядка путем сравнения их отрицательного воздействия на качество сигнала со 2-й гармоникой. В отличие от общепринятого, модифицированный параметр можно назвать, например, приведенным (ко 2-й гармонике) коэффициентом гармоник (Кгп).
Ничего экстраординарного в этом предложении нет, ведь сходный прием уже давно применяется, например, при оценке уровня шума ЗВУ. Аналогичным образом можно учесть и различия в восприятии искажений в разных частотных диапазонах. Для этого следует ввести понятие средневзвешенного (по частоте) коэффициента гармоник (Кгп ср), который может вычисляться, например, усреднением трех Кгп, измеренных на частотах 63 Гц, 1 и 16 кГц, умноженных на свой взвешивающий коэффициент.
Как уже указывалось, органы слуха искажают сигнал таким образом, что уровень каждой последующей гармоники на 10 … 15 дБ ниже предыдущей. Следует ожидать, что отрицательное воздействие каждой последующей вносимой ЗВУ гармоники на качество сигнала увеличивается в среднем на 12 дБ, т.е. в 4 раза по сравнению с предыдущей.
Если, к примеру, УМЗЧ дает спектр искажений, состоящий из
Кз=0,02% и К5=0,01%, то в этом случае
Кгп = 4 • 0,02 + 64 • 0,01 = 0,72 (%)
Для простоты и наглядности здесь произведено простое сложение, а не вычисление среднеквадратичного значения. Поскольку отсутствие в спектре искаженного сигнала составляющих низкого порядка оказывает дополнительное отрицательное влияние на восприятие музыкального сигнала, то это должно быть соответствующим образом отражено при вычислении величины Кгп.
Наиболее благоприятный спектр искажений соответствует спектру искажений слуха, т е. уровень каждой последующей гармоники меньше уровня предыдущей в 3 . 5 раз (без пропусков). Так, в приведенном выше примере в спектре выходного сигнала УМЗЧ отсутствуют 2-я и 4-я гармоники, что приводит к ухудшению качества звучания по сравнению со случаем, когда в спектре присутствует 2-я гармоника величиной 0,06.. 0,1%.
С учетом этого предположения Кгп в приведенном выше примере должен увеличиться до 1…2%. Конечно, приведенный выше способ вычисления Кгм не претендует на высокую точность, но он может служить отправной точкой для выработки методики измерения Кгп, поскольку дает результаты, более соответствующие субъективной оценке качества звучания ЗВУ. В дальнейшем коэффициенты, на которые следует умножать ту или иную спектральную составляющую, следует уточнить в ходе экспериментальных исследований.
Информативность используемой ныне методики измерения Ки крайне низка. Измерение уровня комбинационных составляющих продуктов взаимодействия поданных на вход двух разнесенных по частоте синусоидальных сигналов не дает никакой дополнительной информации, поскольку нелинейность звуковоспроизводящего тракта при прохождении через него стационарного сигнала под стационарным понимается сигнал,
при котором медленно протекающие эффекты, например тепловые, не проявляются) однозначно определяется односигнальным параметром Кгп.ср. А такие эффекты как образование комбинационных составляющих при взаимодействии полезного сигнала с разного рода стационарными помехами (пульсациями напряжения питания, поднесущей и т.п.) можно измерить и при прохождении через звуковоспроизводящий тракт одного синусоидального сигнала.
Оценивать влияние образующихся на выходе устройства комбинационных составляющих на качество звуковоспроизведения следует по методике, сходной с методикой подсчета кратных спектральных составляющих (гармоник), т.е. с учетом физиологических свойств слуха. Поскольку и кратные, и некратные паразитные спектральные составляющие могут быть измерены (в обоих случаях требуется анализатор спектра) и подсчитаны одновременно, то этот интегральный параметр следовало бы назвать иначе, например, коэффициентом односигнальной нелинейности (Kн1) и, соответственно, Kн1 cp.
Достоинство параметра Кн1 (Кн1ср) заключается в том, что он представляет собой сплав инструментального метода измерения уровня спектральных составляющих с субъективной оценкой их влияния на качество звучания, произведенной экспертами. По мере накопления экспериментального материала методика определения Кн1ср будет совершенствоваться, а наше доверие к приведенному в паспорте на устройство параметру возрастать. Использование параметров Кн1 и Кн1ср вовсе не означает, что многосигнальные испытания не нужны. Они необходимы, однако методика их проведения должна быть направлена на выявление эффектов, которые при односигнальных испытаниях не проявляются.
