При выборе усилителя мощности покупатели часто допускают похожую ошибку, полагая, что указанные в паспорте технические характеристики позволят им понять, какого звука стоит ожидать от приобретаемого усилителя. Дело в том, что основные параметры не отражают «характер» усилителя, хотя бы потому, что они измерены в рафинированных лабораторных условиях и вообще могут быть недостоверными.
Равные по техническим характеристикам усилители могут звучать по-разному. А бывает, что усилитель с худшими характеристиками звучит гораздо лучше. Можно сделать предположение, что эти явления в основном связаны с субъективным восприятием звукового поля разными людьми. Однако правильнее предположить, что если при одинаковых «цифрах» имеются различия, это означает, что что-то измерить попросту забыли. В итоге получается, что оценивать усилитель по основным характеристикам – всё равно, что оценивать человека лишь по его физическим параметрам.
К основным характеристикам усилителя мощности звуковой частоты относятся:
- Выходная мощность
- Частотный диапазон
- Коэффициент гармонических искажений
- Отношение сигнал / шум
- Коэффициент демпфирования (демпинг-фактор)
Дополнительно могут указываться:
- Коэффициент интермодуляционных искажений
- Скорость нарастания выходного напряжения
- Перекрёстные помехи
Разумеется, в паспорте присутствуют и немаловажные эксплуатационные характеристики:
- Напряжение питания
- Максимальная потребляемая мощность
- Масса
- Габаритные размеры
- Выходная мощность
Выходная мощность
Данный параметр имеет множество разновидностей и методик измерения, и некоторые производители используют это в рекламных целях, намеренно не указывая условия, при которых выходная мощность была измерена. Именно поэтому покупатель недоумевает, сравнивая в магазине крохотный музыкальный центр с наклейкой «2×1000 Вт» и увесистый усилитель мощности внушительных размеров с характеристикой 30 Вт на канал.
Для отечественных усилителей в основном использовались такие характеристики, как номинальная и максимальная выходная мощность:
Номинальная мощность – выходная мощность усилителя при заданном коэффициенте нелинейных искажений. Такая методика измерения предоставляет определённую свободу выбора изготовителю, который волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. А ведь широко известно, что в усилителях класса АВ при малых уровнях выходной мощности, например 1 Вт, уровень искажений может достигать огромных значений. Существенно уменьшаться он может только при увеличении выходной мощности до номинальной. В паспортах отечественными производителями указывались рекордные номинальные характеристики с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя, тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5–15% от максимального значения. Вероятно, поэтому отечественные усилители тех лет заметно проигрывали на слух зарубежным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости. В СССР же шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.
Максимальная мощность – выходная мощность усилителя при ненормированном коэффициенте нелинейных искажений. Данный параметр является ещё менее информативным, чем номинальная мощность, и характеризует только запас прочности усилителя – способность работать длительное время при перегрузках по входу.
Среди зарубежных чаще всего используются характеристики: среднеквадратичная мощность (RMS), пиковая музыкальная выходная мощность (PMPO) и мощность по стандарту DIN (DIN POWER):
Среднеквадратичная мощность (RMS) – среднеквадратичное значение мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Как правило, измерение проводится на частоте 1 кГц при достижении коэффициента нелинейных искажений 10%. Этот показатель был заимствован из электротехники и, строго говоря, для описания звуковых характеристик непригоден. В музыкальных сигналах громкие звуки человек слышит лучше, чем слабые, поскольку на органы слуха воздействуют амплитудные значения, а не среднеквадратичные. Таким образом, усреднённое значение будет мало о чём говорить. Стандарт среднеквадратичной мощности был одной из неудачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры и имеет весьма ограниченное применение: усилитель, который выдает 10% искажений на немаксимальной мощности, нужно ещё поискать. До достижения максимальной мощности искажения зачастую не превышают сотых долей процента, а потом резко возрастают.
Пиковая музыкальная выходная мощность (PMPO) – максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени (обычно за 10 мс). Как следует из описания, параметр PMPO – виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях усилителей, вводя в заблуждение многочисленных покупателей. В связи с этим можно лишь посетовать на отсутствие единых обязательных стандартов измерения выходной мощности и на недобросовестность производителей. 100 Вт PMPO зачастую соответствуют лишь 3 Вт номинальной мощности при 1% коэффициента гармонических искажений.
Мощность по стандарту DIN (DIN POWER) – значение мощности, выдаваемой на реальной нагрузке при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Измерения проводятся в течение 10 минут с помощью сигнала частотой 1 кГц при достижении 1% коэффициента гармонических искажений. Данный параметр наиболее адекватно характеризует выходную мощность усилителя. Иногда он встречается в паспорте усилителя под обозначением IEJA. Его разновидность IHF определяет выходную мощность при 0,1% коэффициента гармонических искажений.
Строго говоря, есть и многие другие виды измерений, например, DIN MUSIC POWER, описывающая мощность не синусоидального, а музыкального сигнала. В последнее время из-за отсутствия единого стандарта производители стараются указывать выходную мощность вкупе с другими характеристиками, при которых она измерена. Например:
650 Вт (8 Ом, 20 – 20000 Гц, 0,1% КНИ)
750 Вт (8 Ом, 1000 Гц, 0,1% КНИ)
Учитывая тот факт, что музыкальный сигнал имеет большой частотный и динамический диапазон, правильнее проводить измерения с помощью музыкальных сигналов и указывать не номинальную мощность, а график зависимости коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности.
Каждый усилитель рассчитан на определённое сопротивление нагрузки. Тем не менее, оно может варьироваться, и в технических паспортах указываются основные параметры для каждого допустимого сопротивления.
Частотный диапазон
Практически любой современный усилитель мощности звуковой частоты способен усиливать сигналы с частотой, выходящей далеко за рамки слышимого диапазона. Поэтому указывать в чистом виде частотный диапазон, например, от 5 Гц до 100 кГц – совершенно бессмысленно.
Назначение усилителя мощности звуковой частоты (если он не имеет специального назначения, как, например, гитарный усилитель) – формирование на выходе электрического сигнала, по форме в точности повторяющего входной сигнал, но имеющего большую мощность. Так как музыкальный сигнал, даже если он формируется одним музыкальным инструментом, далёк от гармонического, то минимизации коэффициента нелинейных искажений в усилителях для качественного воспроизведения звука недостаточно. Необходимо, чтобы в диапазоне слышимых частот от 16 до 20000 Гц амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя были абсолютно горизонтальными. На практике этого добиться не удаётся, да и акустическая система имеет амплитудно-частотную характеристику с более существенными провалами и подъёмами.
Частотный диапазон указывается при нормированной неравномерности амплитудно-частотной характеристики, выраженной в относительных величинах. Самые удачные модели усилителей имеют неравномерность амплитудно-частотной характеристики ±0,1 дБ в диапазоне от 20 до 20000 Гц. Если при измерении принять стандартную неравномерность 3 дБ, то частотный диапазон составит 10 – 100000 Гц.
Коэффициент гармонических искажений
Искажения сигнала вызваны нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов и присущи любым усилителям мощности. Если подать на вход усилителя синусоидальный сигнал, то в спектре выходного сигнала, кроме основной гармоники, обнаружатся дополнительные, частота которых кратна частоте полезного сигнала. Такие гармоники являются паразитными, и их мощность, как правило, невелика. Однако их суммирование с полезным сигналом приводит к существенному искажению его формы и, как следствие, искажённому звучанию.
Коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion) показывает слышимую составляющую гармонических искажений в выходном сигнале и определяется как отношение суммарной мощности паразитных сигналов к мощности полезного гармонического сигнала. Как правило, измерения проводятся на частоте 1 кГц.
При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (чётная/нечётная), а также от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.
Типовое значение коэффициента гармонических искажений для высококачественного (hi-fi) усилителя составляет 0,1%. Однако уже не раз отмечалось: усилитель с коэффициентом гармонических искажений 0,001% может оказаться хуже по звуку, чем другой, с 0,1%. Дело в том, что при таких малых значениях этого параметра искажения сложно проследить в форме выходного сигнала или ощутить на слух. Поэтому разницы между 0,1% и 0,001% слышно не будет.
Отношение сигнал / шум
Отношение сигнал / шум определяется как отношение мощности полезного гармонического сигнала к мощности собственных шумов усилителя мощности. Данный параметр для современной звукоусилительной техники превышает значение 100 дБ. Это означает, что мощность собственных шумов усилителя в 10 миллиардов раз меньше мощности полезного музыкального сигнала. Можно с уверенностью сказать, что в настоящее время этот параметр – лишь предмет гордости производителя. Он не имеет для пользователя никакого значения. Кто сможет ощутить различия между отношением сигнал/шум 95 и 100 дБ?!
Коэффициент демпфирования (демпинг-фактор)
Коэффициент демпфирования определяется как отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя и характеризует способность усилителя подавлять паразитные напряжения, которые возникают в динамических головках при движении катушки в магнитном поле. Если демпфирование недостаточно, то диффузор будет совершать свои собственные «телодвижения», никак не связанные с музыкой, но зависящие от упругости подвески. Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве моделей акустических систем эта проблема успешно решается. Можно считать достаточным, если значение коэффициента превышает 100.
Демпфирование зависит не только от выходного сопротивления усилителя и сопротивления акустической системы. Необходимо учитывать, что способность поглощать возвращаемую громкоговорителем энергию зависит от индуктивностей фильтров, а также от сопротивления разъёмов и кабеля, которым подключены акустические системы.
Минимальным значением коэффициента демпфирования можно считать 20, хорошим — 150–400. Современные усилители высокого класса имеют значение этого параметра 150 и выше.
Коэффициент интермодуляционных искажений
Нелинейность характеристик усилительных элементов приводит к возникновению нелинейных искажений. Большинство производителей усилителей измеряют и указывают в паспорте только коэффициент гармонических искажений. Измерения проводятся с помощью гармонического сигнала. При подобном тестировании на выходе усилительного тракта появляются высшие гармоники, частота которых кратка частоте основного тона. Однако, как уже упоминалось, музыкальный сигнал далёк от гармонического. Более того, любой музыкальный инструмент воспроизводит не только основной тон, но и «обертоны», которые являются ярким примером гармонических искажений. Известно, что наличие в музыкальном сигнале «обертонов» вовсе не портит, а обогащает звук. Поэтому очень важно указывать не коэффициент гармонических искажений, а весь спектр выходного сигнала, из которого можно определить тип (чётные или нечётные) паразитных гармоник и их уровень относительно полезного сигнала. С точки зрения психоакустики, например, наличие в выходном сигнале ощутимых по уровню чётных гармоник воспринимается на слух лучше, чем наличие малых нечётных.
Наибольший вред музыкальному сигналу приносят интермодуляционные искажения (Inter Modulation Distortion), которые возникают при подаче на вход нелинейной системы многочастотного сигнала. При этом на выходе появляются паразитные сигналы с частотами, являющимися суммой или разностью частот входных сигналов, а также суммой или разностью частот сигналов, вызванных гармоническими искажениями и через обратную связь возвращённых на вход усилителя. Подобные искажения не соотносятся с основными тонами музыкального сигнала и привносят в него фоновый шум.
Необходимо отметить, что единых стандартов по измерению интермодуляционных искажений не существует, а результаты измерений существенно зависят от уровней входных сигналов и их частот. Чаще всего коэффициент интермодуляционных искажений (IMD) не указывается просто потому, что неизвестно, как его измерять. Тем не менее, данный параметр является наиболее перспективным для оценки нелинейных свойств усилителя мощности.
Скорость нарастания выходного сигнала
Данный параметр характеризует уровень динамических искажений, которые возникают вследствие ограничения скорости нарастания выходного сигнала в усилителе, охваченного глубокой отрицательной обратной связью (ООС). Введение ООС, как правило, приводит к нестабильности усилителя на высоких частотах. Это вынуждает применять частотную коррекцию. В свою очередь, недостаточно высокая частота среза образуемого фильтра низких частот и вызывает динамические искажения.
В музыкальном сигнале всегда присутствуют резкие всплески по уровню (например, при работе ударных инструментов). Недостаточная скорость нарастания сигнала приводит к ухудшению звучания, которое выражается в потере энергичности.
Перекрёстные помехи
Данный параметр определяет степень проникновения сигнала из одного канала в другой. Высокий уровень перекрёстных помех приводит к незначительному ухудшению чёткости восприятия стереобазы. Однако чуткий слушатель сразу ощутит, что звук не даёт представления о взаимном расположении и размерах музыкальных инструментов, то есть наблюдается отсутствие или нечёткость звуковой трёхмерной картины.
Не в последнюю очередь при выборе усилителя обращается внимание на его внешний вид и удобство в эксплуатации. В силу субъективности эти показатели не поддаются никакому измерению и выражаются в виде звёздочек в многочисленных рейтингах и наклеек типа «Золотой дизайн» (Gold Design) на корпусе устройства. Вне сомнений, это также является характеристикой усилителя мощности.
