Для точного воспроизведения звуковых колебаний необходимо, чтобы ширина полосы пропускания звуковых усилителей и акустики была гораздо шире (вплоть до 200 кГц), чем диапазон частот, слышимый человеком (20 Гц-20 кГц).
Человеческий слух, как известно, способен услышать звуковые колебания, не выходящие за пределы 20 Гц-20 кГц. У людей разных возрастов из-за изменений в слуховом аппарате этот предел разный. После 40 лет большинство людей уже не слышат звуки свыше 16 кГц, а после 50 лет свыше 13 кГц. Но все же считается, что человек слышит звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
Исходя из этих возможностей человеческого слуха все ширпотребовские звуковые усилители и акустические системы проектируются и производятся способными воспроизводить звуки, не выходящие за пределы этого частотного диапазона (20 Гц-20 кГц). А зачастую имеют и ещё более узкий диапазон.
Такая ширина полос усилителей и акустики считается вполне достаточной для воспроизведения без потерь и искажений слышимых человеком звуков. Будь то музыка, речь человека, звуки природы. Все вроде бы логично, раз эти полосы полностью перекрывают диапазон слышимых звуков, то и все звуки будут воспроизведены в первозданном виде без каких-либо искажений. И нет никакой необходимости в воспроизведении частот, выходящих за пределы слышимости.
Все это было бы справедливо, если бы все усиливаемые звуковыми усилителями и воспроизводимые акустикой звуки состояли только лишь из синусоидальных сигналов. Но на самом деле это не совсем так. Вернее, совсем не так.
Проблематика усиления музыкальных звуков
Все звуки музыкальных инструментов являются источником сигналов сложной формы. Такой сигнал кроме основного звука определенной частоты содержит и много призвуков на частотах выше основного. Они называются обертонами, по сути это ничто иное как гармоники.
Их частоты кратны частоте основного звука и зачастую выходят за верхний предел диапазона слышимых звуков. Естественно, что сами по себе обертоны вне диапазона слышимых звуков слышимы не будут. Но будучи наложенными на основной сигнал, так же как и слышимые, придают ему особый индивидуальный звуковой окрас. Звук становится богаче, прозрачнее и воздушнее. Именно благодаря обертонам мы и отличаем звуки одинаковой частоты, издаваемые пианино и скрипкой.
Чтобы до конца было понятно, приведу еще пример. У нас есть сложный звук в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов (меандр) с частотой следования 2 кГц.
Необходимо этот сигнал без искажений усилить и воспроизвести. Нам известно, что любой сигнал, форма которого отличается от синусоидальной, имеет в своем составе гармоники. То есть является суммой гармонических синусоидальных колебаний (рядом Фурье) разной амплитуды и частоты. Частоты этих гармоник кратны частоте первой основной гармоники (основного сигнала) и простираются достаточно далеко по оси частот. Но чем выше их частота, тем меньше их амплитуда и результирующий вклад в формирование правильной формы сигнала. Поэтому достаточно просуммировать только определённую часть гармоник для получения практически правильной формы сигнала. В нашем случае периодической последовательности прямоугольных импульсов достаточно первых пятидесяти гармоник.
Теперь посчитаем, какая должна быть верхняя граница полосы пропускания звукового усилителя, чтобы он мог усилить 50-ю гармонику нашей последовательности импульсов (меандра). Особенность меандра состоит в том, что он состоит только из нечетных гармоник, а четные отсутствуют. Поэтому 50-й по счету гармоникой будет 99 нечетная гармоника меандра. Итого ее частота составит 2 кГц х 99 = 198 кГц.
Соответственно в полосу пропускания ширпотребовских звуковых усилителей и акустики, которая составляет 20 Гц – 20 кГц войдут только 1-я (2 кГц), 3-я (6 кГц), 5-я (10 кГц), 7-я (14 кГц) и 9-я (18 кГц) нечетные гармоники. Только они будут усилены и воспроизведены, и их явно недостаточно для получения правильной формы исходного сигнала. То есть звуковой усилитель и акустика с такими узкими полосами пропускания сильно исказят наш меандр, даже на такой невысокой частоте, как 2 кГц.
Формирование меандра из первых шести гармоник (сигнал на выходе узкополосного усилителя)
Формирование меандра из первых шести гармоник (сигнал на выходе узкополосного усилителя)
Фронты у такого сигнала станут пологими, так как скорость нарастания и спада сигнала сильно уменьшиться, вершины сигналов приобретут провалы и всплески. А что тогда говорить про более высокую частоту.
Из всего вышесказанного вполне очевидно, что чем шире полоса пропускания усилителя, тем быстрее сможет нарастать и спадать сигнал на его выходе и тем выше будет его быстродействие. То есть между шириной пропускания усилителя и его быстродействием имеется прямая зависимость, шире полоса – выше быстродействие.
Звуковые усилители с расширенными полосами пропускания
Многие читатели скажут, что не существует звуковых усилителей, способных усиливать сигналы с частотами до 200 кГц, и уж тем более выше.
Но я скажу, что такие усилители есть. Например, «TiERRA» - сверхбыстродействующие усилители российской компании Prorphetmaster Audio с очень широкой полосой пропускания от 0 Гц до 8000 кГц (8 мегагерц), вы только вдумайтесь в эти цифры.
Проект "TiERRA" - это сверхширокополосный, сверхбыстродействующий интегрированный усилитель класса А, построенный в форм-факторе тройного композитного усилителя с общей ОООС, с выходным каскадом на интегральных буферах BUF634T. Модель этого года имеет новую топологию печатных плат, улучшенный блок питания и более прочный корпус из анодированного алюминия.
Полоса пропускания 0 Гц - 8 000 000 Гц (УПТ)
Выходная мощность на нагрузку 4 Ом - 30 Вт на канал
на нагрузку 8 Ом - 15 Вт на канал (класс А)
Ток покоя оконечного каскада – 1 А
Скорость нарастания выходного напряжения – более 400 В/мкс
Отношение сигнал\шум - 120 дБ
Энергоемкость блока питания - 172 Дж
Количество входов - 3
Входное сопротивление - 10 кОм
Выходное сопротивление 0.0001 Ом (коэффициент демпфирования нагрузки 40000)
Чувствительность входов - 550 мВ
Габариты: 455 мм х 465 мм х 160 мм (с ножками и разъемами), корпус 455 мм х 435 мм х140 мм.
Вес 25 кг.
- уровень нелинейных искажений на 1 кГц при выходном напряжении близком к максимальному, на нагрузке 8 Ом: 0.0005%
- уровень интермодуляционных искажений при выходном напряжении - 2 дБ, на нагрузке 8 Ом: 0.0002%
В выходном каскаде каждого канала установлено в параллельном включении 48 буферов, суммарный выходной ток которых может достигать 12 А постоянно и почти 20 А в импульсе. Несмотря на большое количество элементов, выходной каскад одного канала занимает на плате площадь всего 45 кв. см. Напряжение питания +\- 18 В. Медные радиаторы охлаждения.
Все платы промышленного изготовления (компания "Резонит"), двухслойные с толщиной меди 105 мкм. Конструкция - полноценное двойное моно.
Блок питания полностью стабилизированный для всех каскадов усиления и всех сервисных функций, что позволяет усилителю сохранять полную работоспособность при изменениях напряжения сети питания от 190 В до 240 В. Мощность блока питания составляет 450 Вт. В фильтре питания суммарно почти Фарад емкостей. (Hitachi Aic и Nichicon FW). Каждый Ватт выходной мощности в УМ “Tierra” обеспечен энергией блока питания, ориентировочно, в 60 раз лучше, чем у среднестатистического УМ класса Hi-Fi.
Отдельными блоками питания со своими трансформаторами и сетевыми фильтрами оснащены лестничный регулятор громкости с селектором входов (ATT-6 конструкции Максима Волобуева) и система "мягкого старта" силовых цепей . Первичные цепи питания усилителя имеют R-C фильтры сетевых помех и постоянного напряжения в сети.
Оптоэлектронная защита АС от постоянного напряжения, с задержкой подключения АС, индивидуальная для каждого канала. Контакты реле защиты АС не находятся в цепи аудио сигнала - реле с контактами на ток до 16 А замыкает выход УМ на землю на время переходных процессов при включении УМ и при срабатывании защиты. ОООС на это время замыкается в усилителе напряжения.
В усилителе обеспечен кратчайший путь сигнала от входа до выхода - входные разъемы и выходные терминалы подсоединяются прямо к плате, которая находится параллельно задней панели. (подводящие провода отсутствуют как класс)
Вся аудио часть двух каналов УМ (селектор входов, усилители напряжения, РГ и оконечные каскады) расположена на фрагменте платы 16 см х 12 см в районе разъемов, все остальное место в корпусе занимает стабилизированный БП.
Tierra не имеет ни входных, ни выходных фильтров. Нет коррекции (емкостей в ООС), нет интегратора (уровень постоянного напряжения на выходе в районе 10 мВ).
И это не единичный пример, вот еще усилитель попроще: «HAFLER DH-220» с полосой пропускания от 3 Гц до 160 кГц, что весьма недурно. Его качество звучания несопоставимо выше ширпотребовских усилителей. И ведь на самом деле подобных звуковых усилителей не так уж и мало.
Но почему-то все считают стандартом полосу пропускания звуковых усилителей от 20 Гц до 20 кГц. Хотя еще в СССР был ГОСТ 24388-88, который предписывал усилителям первой группы сложности иметь полосу пропускания от 20 Гц до 25 кГц. А усилителям нулевой группы сложности, высокой верности воспроизведения от 10 Гц до 40 кГц. Об этом все забыли.
Важность быстродействия цепей отрицательной обратной связи в усилителях
Существует еще один немаловажный фактор, которому требуется подобная широкая полоса пропускания звуковых усилителей или же их высокое быстродействие, что в общем то одно и тоже. Этим фактором является быстродействие цепей отрицательной обратной связи (ООС).
Наличие цепей ООС в усилителях, это техническая необходимость. Эти цепи значительно, я бы сказал, глобально, уменьшают искажения усиливаемого сигнала. Через них часть сигнала проходящего через тракт усилителя поступает с его выхода на вход для соответствующего изменения коэффициента усиления и минимизации искажений.
При узкой полосе пропускания усилителя низкое быстродействие имеют и все цепи ООС. Будучи медленными, они не успевают отреагировать на поступающий усиливаемый сигнал с крутыми фронтами. Это приводит к тому, что сигнал поступает на вход усилителя с его выхода с запаздыванием. Соответственно регулировка коэффициента усиления усилителя производится также с запаздыванием. В результате этого каждая начальная часть нового усиливаемого сигнала (импульса) на протяжении этого запаздывания будет усиливаться с максимальным искажением.
Искаженный цепями ООС меандр на выходе усилителя
И хоть длительность этих искажений и невелика, слушатели с хорошим слухом услышат их отчетливо. Поэтому в таком широкополосном усилителе, как «TiERRA», подобные искажения будут отсутствовать вовсе, а в более простых, с полосой до 160 кГц будут крайне незначительны и на слух восприниматься не будут.
Акустические системы с расширенными полосами пропускания
Со звуковыми усилителями теперь понятно. А что с акустикой? Ведь для таких высококлассных усилителей нужна и соответствующая акустика.
Читатели скажут, что акустика с таким широким диапазоном уж точно не существует. А я скажу, что есть. Например, акустика ELAC BS 244 c диапазоном до 50 кГц.
Еще пример, акустика KEF LS50 Meta с диапазоном до 45 кГц.
А для расширения частотного диапазона узкополосных акустических систем применяются дополнительные высокочастотные головки, называемые супертвитерами. Например, супертвитер ALLB Music позволяет расширить частотный диапазон до 55 кГц.
