О философии построения аудиосистемы

Трудно сказать, что сподвигло меня к написанию этой работы. Наверно склонность к анализу явлений, которые наблюдаю и из любви к познанию окружающего мира. Меня всегда восхищало многобразие окружающих нас явлений. Очень увлекался я и астрономией, и химией, и электроникой, В политехническом  институте – как впрочем и все остальные –  и пусть без особого интереса, но изучал и математику, физику, теоретическую механику и особенно запомнилась и увлекли философия, кибернетика и программирование. Программирование,  правда,   было в комбинации с ЭВМ Минск-22 еще….    Как давно это было !  Но, видно уже от этого у меня особая любовь к лампам :-)))    Ну, короче, во мне всегда жило желание разобраться в изучаемых явлениях немного подробнее, чем этого требовал курс обучения….

Вот также обстоит дело с построением ламповых усилителей. Этим делом я уже увлекаюсь наверно около 10 – 12 лет. За это время много чего переделал, перепробовал и переслушал – слава Богу, есть для этого и здоровье, и время, и деньги. И последние два – три года один вопрос мне не дает покоя – почему некоторые усилители звучат, а некторые, сделанные по тем же принципам, только на другой элементной базе – нет. Вопрос конечно странный – скажете вы ! Понятно, есть детали хорошие и есть плохие. Есть инженеры хорошие и плохие. Согласен с этим. Но есть еще нечто, в чем должен честно себе признаться каждый специалист, кто занимается построением, например, ламповых аудиоусилителей – часто нет возможности 100 % предсказать, как запроектированная схема будет звучать – все говорят одну стандартную фразу – надо собирать и слушать ! То есть даже специалист высшего класса, учитывающий все известные на сегодня научные теории и гипотезы – не может быть полностью уверенным в конечном результате. Вот это немного  смущает и стимулирует к попыткам разобраться. Скажу честно – эта статья – не содержит ясных ответов, а может быть даже  больше ставит вопросы. Но дорогу осилит идущий.

И маленькое отступление.  Я – не специалист в физике и электронике – поэтому прошу извинить за возможные неточности.

Поэтому начну рассуждения с азов, как бы сам для себя.  А что такое звук ?  Это волновые колебания воздуха, генерируемые их источниками ( музыкальные инструменты, голосовые связки, например )  и воспринимаемые нашим слуховым аппаратом.  Отметим некоторые моменты:

1. Воздух, как любая материя,  имеет некоторую плотность, поэтому он обладает упругостью.

2. Звуковая волна одной частоты от одного точечного источника в общем случае описывается волновым уравнением p (xt) = p0 cos (ωt ± kx).

3. Звук имеет некоторую конечную скорость распостранения.

4. Слуховое воприятие человека неидеально, причем человек не только может слышать лишь ограниченную область частот, но и чувтсвительность уха к разным частотам неодинакова.

5. Музыка – это очень сложная суперпозиция различных волн, которая уже не описывается таким простым выражением, как в пункте 2 выше.

Вот так, шаг за шагом давайте теперь подробнее попытаемся разобраться, какие выводы можно из этого всего сделать.

Начну с рассуждений по пунктам 2 и 5.  Даже если открыть описание звуковой волны из Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0

\frac{\partial^2\Psi_i}{\partial t^2}-\sum_{j,k}A^j_{i,k}\frac{\partial^2\Psi_j}{\partial x_k^2}=0, ( 1)

– а это дифференциальное уравнение второго порядка –  уже можно понять, что та примитивная гипотеза о адекватном описании звуковой волны как синусоиды на экране осциллографа является лишь очень грубым первым приближением для уровня школьников старших классов.  А ведь заметьте – почти вся сегодняшняя звуковая аппаратура постороена именно исходя из предположения об адекватности этой примитивной модели.  Что из этого следует ? А то, что инженер,  проектируя усилитель низкой частоты  исходя из учета этого примитивного представления,  изначально закладывет в проект проблему.  Где выход ? Сначала давайте от формул спустимся на землю и посмотрим, как сегодня происходит запись звука в студии.  А запись практически в 100 % случаев ведется на микрофон, который представляет собой электромагнитный прибор, катушка которого генерирует электрический ток в соответствии с колебаниями мембраны, которая, в свою очередь, как мы предполагаем, колеблется в такт с приходящей звуковой волной. Если отбросить пока несовершенства самого микрофона, то  можно  в приближении сказать, что электромагнитная катушка является источником электрического тока, форма которого должна отражать характер исходной волновой функции (1).  ( конденсаторный микрофон не имеет катушки индуктивности, но его принцип работы по сути тот же – звуковая волна вызывает измение емкости постоянно-заряженного конденстора, что приводит к возникновению тока в цепи усилителя ). Теперь поговорим о следующей этапе – звукоусиление. Микрофон нагружен на некоторое входное сопротивление усилителя – опять-таки, если  пока  не говорить о некотором активном и реактивном сопротивлении соединительного кабеля.  Для того, чтобы понять, что будет происходить при изменении входного сопротивления усилителя, давайте проведем аналогию с генератором переменного тока, который в нормальном режиме работает на некоторую нагрузку – что будет, если нагрузку отключить ? Понятно, что  ничего хорошего не будет.  ЭДС самоиндукции, возникающая в генераторе приведет к опасному повышению напряжения на генераторе .  Но эта ситуация в случае со звукоусилением эквивалентна огромному входному сопротивлению усилительного каскада. И согласующий резистор на входе Rc

Рис. 1.

мало помогает – получается,  формально согласовав таким образом  микрофон и вход усилителя, мы фактически производим детектирование исходного сигнала  на этом резисторе и теряем часть  информации, поступающей от мембраны.  Потому что ток через сетку правой лампы практически не течет. Если вначале мы имели некторую функцию где переменными являются  напряжение U и ток I, то после детектирования на резисторе , мы получаем на сетке ( или на базе, истоке ) микрофонного усилителя ( если он подразумевается с огромным входным сопротивлением ) фактически более примитивную временнУю реплику U = f ( t ) начальной волновой функции . Вот к чему приводит упрощение представления о волне как сложной функции – при дальнейшем усилении или любой другой обработке звука,  если мы соглашаемся с представлением о звуке, как о простой синусоиде  U = sin ( t ),  мы просто теряем часть той информации, которая была заложена изначально в записываемом сигнале. И отсюда следует простой вывод – высокое входное сопротивление каскада – это зло, а не благо.  Практических доказательств тому есть очень много, когда казалось бы с инженерной точки зрения неэкономичный и сложный в реализации каскад с общей сеткой оказывается звучит намного лучше, например для МС головок и в ЦАПах, чем классический каскад с общим катодом, а тем более – катодный повторитель.  Так что основная проблема катодного повторителя – это не столько ( или не только ) ООС,   сколько его огромное входное сопротивление.  Фактически тем же страдает и каскад с общим катодом, если не брать во внимание сеточный резистор, который, как уже говорилось, фактически детектирует входной токовый сигнал  в напряжение.

Немного о трансформаторах.  Известный конструктор ламповых усилителей Сусуму Сакума http://www.spbaudio.narod.ru/sakuma.htm говорит так:    “Многие японские аудиофилы используют усилители с большой мощностью, чтобы получить мощную середину и бас. Но превосходные громкоговорители  ………. отвергают грубую силу (power)”.   Самая главная цель – это не “Power” (сила, мощность), а “Energy” и “Frame of tone” Единственный способ добиться Energy и Frame это установить много трансформаторов, хотя я не могу дать вам научного обоснования этого…..”   То есть Сакума для получения энергичного звука ставил в усилитель побольше трансформаторов – и на вход, и межкаскадные, и на выход…  Давайте теперь обратим внимание на акустическую колонку – что она собой представляет ? Микрофон не напоминает ? Ага ! тот же принцип,  но наоборот. Усилитель создает в динамике электрическое поле, которое находясь в постоянном магнитном поле двигает мембрану. Круг замкнулся.  Микрофон – усилитель – колонка.  Начало и конец – токовое управление ! А что мы делаем по середине ?  Все строим и строим усилители напряжения,  совсем забыв о токовой составляющей, просто детектируя ее на входных балластных резисторах….  А Сакума, видимо эмпирически и интуитивно чувствовал, что транформатор в усилителе вовсе не является инородным телом – он продолжает работу начатую микрофоном ( или виниловой головкой ) и передает ее на завершение звуковой колонке.

Я продолжил рассуждения, навеянные работами Сакумы дальше. Теперь логично было бы уйти вовсе от каскада с общим катодом ( на “левой” лампе )  и построить что-нибудь на лампе c токовым управлением, которая давала бы усиление и то поку, и по напряжению. Это так называемые “правые ” лампы, которые работают с токами сетки.  К сожалению отсутствие коммерческого спроса на такого рода электровакуумные приборы привело к тому, что их вообще-то совсем мало. Маломощных почти нет вообще, а из мощных ламп мне вспоминается только Г-811.  Поэтому в качестве предварительного каскада напрашивается попробовать каскад с общей сеткой – пусть он не дает усиления по току, но зато он дает усиление по напряжению при токовом управлении.

Кстати, все упомянутые выше аргументы подтверждают то мнение аудиофилов, что цифровые источники нельзя считать хай-эндом – т.к. звук в этом случае – это плоская реплика в виде оцифрованного потенциала и в принципе здесь исправить или улучшить что-либо уже нельзя никак.  Следуя этой теории, получается, что “правильными” источниками могут быть только аналоговые источники – винил и магнитная пленка. Сам я пока в этом не имел возможности убедиться.  Но теперь определил для себя путь куда надо идти.

Вот в кратце тот ход моих мыслей, которые привели к поиску решений построения УНЧ на левых лампах в каскадах ОК и на обычных лампах в каскадах с ОС.

Пробуйте, слушайте, восхищайтесь.

Спасибо за внимание.

Дополнено 12 августа 2014. Конечно совсем списывать со счетов каскад с ОК наверно рановато.  Прочитав поподробнее очень толковую книжечку А.М.Бонч-Бруевича “Применение электронных ламп в экспериментальной физике” М., 1956, до меня дошло,  что каскад с ОК можно заставить работать и как усилитель тока тоже ( пусть и  с довольно высоким входным сопротивлением ), только нужно подобрать правильно его режимы.   Но об этом  в следующих публикациях.

***************************************************************************************************************



Comments are closed.