Проблема создания высококачественного аудиоусилителя во многом сводится к обеспечению достоверного воспроизведения импульсного электрического сигнала на реактивную (комплексную) нагрузку. Однако все испытания усилителей для определения их технических характеристик проводятся, во-первых, в стационарных условиях, во-вторых, с использованием синусоидальных сигналов и, в-третьих, при работе усилителя на чисто активную нагрузку.
Именно так определяются:
- мощность;
- полоса пропускания;
- суммарный коэффициент нелинейных искажений (КНИ);
- зависимость КНИ от частоты и от номера гармоники;
- коэффициент интермодуляционных искажений;
- выходное сопротивление.
В то же время, реальный музыкальный сигнал имеет очень мало общего с синусоидой, а реальные громкоговорители очень мало похожи на активные сопротивления. На рис. 2.1 представлена типичная зависимость сопротивления от частоты для громкоговорителя в акустическом оформлении типа «фазоинвертор». Номинальное сопротивление для такой акустической системы указано «8 Ом».
Рис. 2.1. Зависимость от частоты сопротивления громкоговорителя в акустическом оформлении типа «фазоинвертор»
Однако, как видно из рис. 2.1, зависимость сопротивления от частоты немонотонна, его значение в полосе частот от 10 до 2000 Гц изменяется от 5 до 30 Ом. Вблизи 2000 Гц обычно находится частота разделения сигнала между низко- и высокочастотным громкоговорителями. Два низкочастотных пика вызваны взаимодействием громкоговорителя для частот, близких к его резонансной частоте (45 Гц) с колебаниями воздуха в трубе фазоинвертора, настроенного на эту же частоту.
При отсутствии фазоинвертора, например, в оформлении типа «закрытый ящик», громкоговоритель имеет один высокий пик до 50 и даже более ом на частоте резонанса. Монотонный рост сопротивления с ростом частоты выше 150 Гц — следствие индуктивности L = 1—2 мГн катушки громкоговорителя.
Напомним, что сопротивление катушки индуктивностью L на частоте f равно RL = 2nLf. С ростом частоты индуктивность катушки громкоговорителя снижается в 2 и более раз вследствие снижения магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен постоянный магнит.
В двух- и трехполосных системах вблизи частот раздела появляются дополнительные пики сопротивления. При этом абсолютные значения сопротивления в высокочастотной области уменьшаются, так как индуктивность высокочастотных громкоговорителей значительно ниже индуктивности низкочастотных головок. Реактивная нагрузка затрудняет нормальную работу усилительного тракта. При возбуждении тока в катушке громкоговорителя возникает переходный электромагнитный процесс. Вызванный этим процессом импульс тока, проходя через выходное сопротивление усилителя, попадает в цепь обратной связи. Такое «дополнение» к собственным переходным процессам охваченного обратной связью усилительного тракта приводит к негативными последствиями.
Очень низкое выходное сопротивление порядка 10−1… 10−2 Ом, присущее транзисторным усилителям с глубокой отрицательной обратной связью, приводит к большим значениям переходных токов. Частотную характеристику громкоговорителя можно, в принципе, линеаризовать, вводя корректирующие индуктивности, емкости и резисторы. Пример такой коррекции для низкочастотного громкоговорителя показан на рис. 2.2. Читателю предлагается самостоятельно мысленно экстраполировать эту схему для двух- и трехполосной акустической системы, т. е. добавить к цепям линеаризации еще и разделительные фильтры, а количество динамических головок увеличить до двух или трех.
Цепочки L1C1 и L2C2 компенсируют низкочастотные резонансы, а R3C3 компенсирует рост сопротивления на высоких частотах (сопротивление конденсатора емкостью С равно Rc = 1/(2πfС). Не будем подробно анализировать работу такой схемы, так как автор является явным противником какого-либо усложнения тракта на пути от выхода усилителя к звуковой катушке громкоговорителя. Рис. 2.2 приведен только для того, чтобы отметить нецелесообразность такой коррекции.
Рис. 2.2. Громкоговоритель с LC- и RC-цепочками для выравнивания зависимости его сопротивления от частоты
Действительно, комбинация «громкоговорители + фильтры + цепи линеаризации» будет «видна» усилителем как чисто активное сопротивление и он, по-видимому, обеспечит электрические характеристики (выходную мощность, коэффициент гармоник, их спектр, интермодуляционные искажения), соответствующие испытаниям с чисто активной нагрузкой. Усилителю будет работать легче. Но как насчет акустических характеристик? Как будет звучать громкоговоритель? Что услышит слушатель от системы «громкоговорители + фильтры + цепи линеаризации»?
Ведь сигнал на выходе усилителя теперь будет распределен между громкоговорителями и почти десятком пассивных реактивных элементов! Они явно исказят работу громкоговорителя, особенно его импульсный отклик. На другом «полюсе» подходов к конструированию акустических систем находятся системы с единственным широкополосным громкоговорителем либо двухполосные, иногда коаксиальные, системы с единственным конденсатором для разделения низких и высоких частот. На них и следует ориентироваться при конструировании усилителей для высококачественного звуковоспроизведения.
