Импеданс акустической системы

Печать

В наши дни, когда техническое развитие достигло небывалых высот, у современного Hi-Fi поклонника, казалось бы, не должно возникать преткновений в поиске аудиоаппаратуры, способной с высокой достоверностью и эмоциональной содержательностью воспроизвести любой музыкальный материал, записанный на любой стандартный носитель. Увы, сложившаяся ситуация почти не оставляет шансов человеку, заинтересованному в высококачественном воспроизведении звука, быстро обрести свое счастье. Собственные заблуждения, дезинформация извне - всё это усложняет поиск достойного варианта, вполне удовлетворяющего музыкальным и духовным потребностям аудиофила. Вопросы экономии времени и оптимизации расходов, устремившись в бесконечность, также не находят успешного разрешения. Дело осложнено еще и тем, что ангажированные аудио издания и лживые рекламные кампании, пользуясь обстоятельствами, намеренно запутывая, рады преуспеть за счет всеобщей несведущности. Кажется, они попросту водят потребителя за нос, предлагая нерациональные, заведомо тупиковые решения.

Как быть? Беспомощные ныне гениальные изобретения прошлых лет уже не в состоянии удовлетворять запросам современности, приучившей общество потребления к абсолюту естества, предполагающего совершенное уничтожение границ между образом мнимым и реальным. Существует ли новые прогрессивные решения? Чем руководствоваться, на что рассчитывать и кому доверять при выборе заслуживающей именно Вашего внимания аудиоаппаратуры? Исследуя эти вопросы, прежде всего, стоит разобраться с закоренелой системой понятий, которой вынужден руководствоваться пытливый потребитель, удручённый результатом своих усилий и желающий более не ошибаться в выборе. Но мало кто отдает себе отчет в том, что, продолжая принимать традиционные понятия за догму, он неизбежно направляет свои поиски по кругу, по пути, не имеющему конца и никогда не приводящему к удовлетворительному результату. Как ни странно, но на текущий момент именно такой круговорот скрыто поощряется  и лукаво одобряется мировой Hi-Fi индустрией. Пора разорвать этот круг!

Начиная переосмысление старых догм, меломану, стремящемуся к качественному развитию своей аудиосистемы, важно понимать, что большинство технических параметров, которыми ему приходится руководствоваться при выборе компонентов, не являются однозначными. Зачастую эти параметры несут ориентировочную информацию, оперирование которой не всегда удобно, корректно и даже уместно. Даже искушенному в технических вопросах любителю музыки бывает сложно, опираясь на предлагаемые производителями показатели, судить о реальном соответствии аппаратуры заявленным техническом характеристикам. Например, базовые характеристики усилителя мощности и акустических систем в реальности зависят не только от собственных конструктивных особенностей, создающих условия для распространения электрического сигнала, но и от их взаимной сочетаемости - реакции одного на текущее состояние другого. В подобной зависимости находятся и компоненты начальной стадии усиления: источник сигнала и предварительный усилитель. Потому любая совместная деятельность двух произвольных устройств порождает свой уникальный, непрерывный поток данных, охарактеризовать который единичными значениями просто не представляется возможным.

Помочь ищущему правды читателю убедиться в том, что любые компоненты, являющиеся частями единого аудиотракта, оказывают заметное влияние на эффективную работоспособность друг друга; разобраться во взаимосвязях, научившись оперировать достоверными качественными категориями – задача данного руководства. Главная же цель – дать практические советы по решению проблем построения идеальной аудиосистемы, способной если не навсегда, то надолго успокоить растревоженное сердце меломана, предоставив ему возможность в полной мере сосредоточиться на желанном искусстве и наслаждаться любимой музыкой, оставив, наконец, бесконечные мытарства.

О ИМПЕДАНСЕ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ЕГО ВЛИЯНИИ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ


Специалисты согласятся, что, пожалуй, одним из самых «размытых» параметров, якобы характеризующих эксплуатационные свойства акустических систем (АС), является их сопротивление или импеданс (Z) - комплексная характеристика сопротивления. Обычно фигурирующее в документации, значение импеданса не выходит за пределы значений от 4 до 8 Ом, реже до 16 Ом. На самом деле, соответствующее заявленному в документе фиксированное значение сопротивления, система имеет лишь в ограниченном ряде частот, разбросанных по всему аудио-диапазону. В промежутках же между ними величина импеданса не редко превышает паспортное значение в несколько раз и может достигать 20 или даже 40 Ом. Причем, подобные значения импеданса охватывают куда более широкие частотные пределы, чем набор частот, соответствующий паспортному показателю. Нелепо утверждать, что подобная действительность не оказывает на работу аудиосистемы никакого влияния и, главное, остается незамеченной устройством, непосредственно связанным с акустической системой – усилителем мощности, качественные и энергетические возможности которого напрямую зависят от параметров его нагрузки. На деле, подчиняясь создаваемым АС  условиям, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) усилителя - еще одна паспортная характеристика -  оказывается неприлично лжив, поскольку нелинейно зависящая от частоты, нагрузка неизбежно порождает в выходном каскаде усилителя дополнительную порцию сильнейших искажений, возникающих из-за невозможности обеспечить требуемую амплитуду сигнала. К сожалению, эта проблема, не единственная. Но обо всем по порядку.

Рис.1

На рисунке 1 представлен график зависимости импеданса типовой 3-х полосной АС от частоты излучения. Как видно, эта зависимость весьма криволинейна. Она имеет совпадение с цифрой, значащейся в паспорте - 8 Ом, лишь в конкретных точках (A, B, C, D, E), которым соответствует конкретный набор частот F8. Вот именно на этих частотах, надо полагать, связкой усилитель–АС и будут обеспечиваться заявленные паспортом параметры. В остальном спектре производитель оказывается не в состоянии гарантировать правдоподобность характеристик, которые в реальности будут отличаться в разы и не в лучшую сторону. Честно ли это по отношению к потребителю?

Анализ изменений, отображенных на графике слева направо, покажет, что первый подъем характеристики – это результат отклика динамической головки на возбуждение со стороны усилителя, приходящийся на частоту ее собственного резонанса (Fr). К сведению: в случае применения в качестве акустического оформления для НЧ-излучателя ящика-фазоинвертора этих горбов будет два. Следующие за механическим резонансом подъемы характеристики свидетельствуют о наличии у системы полос излучения, выделенных конкретным динамическим головкам. Упрощенные для наглядности амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) - в данном случае трёх полос - изображены на рассматриваемом рисунке линиями разных цветов: фиолетовый – низкочастотный, голубой - среднечастотный, синий – высокочастотный диапазон. Как видим, частоты, находящиеся на пересечении АЧХ полос, (Fx1 и Fx2) совместно с Fr соответствуют зонам пиковых значений импеданса. Рост импеданса АС на Fx1, Fx2 обусловлен тем, что стандартный полосовой разделительный фильтр (кроссовер) конструктивно обеспечивает непрерывное увеличение сопротивления за пределами эффективного для конкретной полосы частотного диапазона. Неизбежно образовавшиеся в таком случае аномальные зоны с экстремальным Z однозначно являются сомнительными с точки зрения стандартов оценки качества.

О реакции усилителя мощности на ситуацию с импедансом АС нужно сообщить следующее: выходной каскад любого усилителя, в зависимости от конструкции, по-разному, но всегда негативно, будет реагировать на изменения сопротивления нагрузки. Так, например, являющийся бесспорным эталоном качественного подхода, усилитель без отрицательной обратной связи в классе А вынужденно изменит передаваемый в нагрузку предельный ток, что в свою очередь приведет к падению максимальной пиковой мощности и, как следствие, преждевременному возникновению искажений (клиппинга), воспринимаемых на слух как «грязь» в громких местах фонограммы. Если учесть, что эта грязь способна жирными пятнами проступить одновременно в нескольких местах слышимого спектра, такой явный недочет трудно не заметить и тем более смириться с ним. Наверняка многим знакома ситуация напряженного ожидания конца симфонического тутти, принесшего вместо естественного в такой ситуации восторга мощью и красотой звучания, дискомфорт и раздражение до рези в ушах. Теперь понятно, чем может быть обусловлен подобный конфуз…

Кроме того, выходная мощность рассматриваемого типа усилителей находится в сильной зависимости от характера нагрузки со стороны АС, который может быть индуктивным, активным или емкостным. К сожалению, задача популярного освещения данной проблематики не представляется простой.  Поэтому, стараясь не злоупотреблять вниманием читателя, не обязанного иметь специальную электротехническую подготовку, оставим проблему без дополнительных разъяснений, указав лишь на то, что области с наиболее выраженным характером нагрузки приходятся все на те же зоны согласования полос. Ситуация крайне усугублена еще и проблемами, возникающими внутри самой АС: совместная репродукция сопрягаемыми динамиками частот, близких к частоте раздела кроссовера, обязательно приводит к неравномерности АЧХ, искажениям сигнала, деформации фазы и диаграммы направленности излучения. Упомянутые процессы, настолько сложны и малопонятны, что, конечно, никак не могут быть описаны стандартными характеристиками.

Популярное техническое решение - охват выходных каскадов усилителя петлей отрицательной обратной связи (ООС) решит обозначенную выше, проблему. Но только отчасти, для красивой цифры в паспорте. Предложенный способ идеален лишь для показательных тестов с применением периодических сигналов, типа «синусоида», поскольку в них не проявляется негативное влияние ООС. В реальности же тончайшая музыкальная последовательность электрических токов оказывается безжалостно и безвозвратно испорчена. Однажды уже прошедший по всем каскадам усиления, с их нелинейностями, неизбежно запаздывая, бесцеремонно «наступая на пятки» самому себе, но все же стремящийся уравновесить образовавшийся дисбаланс, сигнал обратной связи вбрасывает в исходный аудио сигнал значительную порцию скрытых искажений, называемых интермодуляционными. О них тоже не пишут в паспорте! При участии ООС  коэффициент неучтенных искажений этого рода может достигать ужасающих значений – до 25%. Где уж тут говорить о высокой верности передачи информации. Не уместна ли в отношении такого подхода к решению важнейшей аудио задачи народная мудрость: «Одно лечим – другое калечим»?

Дополняя сказанное о негативной роли ООС в звуковоспроизведении, следует упомянуть и о возникающем с ее помощью бесконтрольном распространении по тракту усиления резонансных откликов, генерируемых звуковыми катушками динамических головок. Чужеродные сигналы, посылаемые обратно в усилитель через канал обратной связи, неизбежно попадают на его вход, усиливаются и вновь оказываются на клеммах динамиков уже на общих  основаниях с полезным музыкальным сигналом. Приведение обличающих ООС контрдоводов может быть продолжено, но сказанного выше и так вполне достаточно, чтобы принять за факт ее бесспорную вредоносность.

Вывод: для корректного воспроизведения звука с гарантированно, как заявляется в документации, низкими показателями искажений усилителя (КНИ и пр.), акустическая система обязана иметь линейную характеристику импеданса, без ярко выраженных аномалий.

Рис.2

Пожалуй, единственным рациональным решением всего комплекса вышеозначенных проблем является пассивное, а значит, не привносящее собственных искажений, устройство, выравнивающее искривления импеданса АС и представляющее усилителю нагрузку, как стабильное во всем диапазоне излучения активное сопротивление. Таким устройством является уникальная разработка инженеров компании WagnerAudioLab (WALab) – кроссовер с линейным импедансом, именуемый EasyString. Более чем тридцатилетний опыт работы в области конструирования АС привел специалистов WALab к победе над данной нетривиальной задачей, свидетельствующей о неизменном упорстве, утверждающем принцип: «побеждать непобедимое». Результат работы иллюстрирует график рисунка 2. На нем изображена кривая характеристического импеданса одной из акустических систем компании. Эта слегка волнообразная линия, напоминающая колеблющуюся струну, не идет ни в какое сравнение с уродливо искривленной характеристикой типовых АС (рис.1).

Необходимо заметить, что уникальность данной разработки заключается еще и в том, что авторам удалось не только обеспечить изящную компенсацию сопротивления путем создания противо-кроссовера с практически зеркальной характеристикой, но и гармонизировать его компоненты с учетом множества факторов, связанных с особенностями процессов в них протекающих, а так же в полном соответствии с характерным откликом компенсируемых элементов на исходный сигнал.

Подводя итоги сказанного, следует зафиксировать следующее:

  1. Справочная информация о сопротивлении АС не дает объективной картины.
  2. Импеданс АС – сложная, зависимая от частоты сигнала, функция.
  3. Уровень искажений усилителя в каждое мгновение зависят от фактического значения сопротивления АС и его характера.
  4. Характеристика АС имеет множество аномалий, где уровни искажений могут принимать критические значения.
  5. В усилителях в классе А без ООС нелинейность импеданса АС порождает нелинейную АЧХ.
  6. ООС  не является спасительным средством решения проблемы нелинейности импеданса АС.
  7. Производитель АС должен обеспечить стабильность Z во всем диапазоне частот.
  8. Пассивный противо-кроссовер – единственный разумный способ оптимизировать взаимодействие усилителя и АС.
  9. Компания WALab – разработчик уникального кроссовера, в полной мере решающего задачи линеаризации импеданса АС.