Анатолий Лихницкий
Мощность
Часть 2. О
параметрах согласования аудиокомпонентов
Размышляя над изломами
коррекции RIAA, я всегда вспоминаю замечательные слова Владимира Ильича Ленина:
„Чтобы выпрямить палку, надо ее перегнуть”
Вопрос об унификации параметров согласования
аудиокомпонентов возник в 1950-е годы, когда на смену радиоле[1], в
которой все необходимое для хорошего звучания было в одном корпусе, пришли
аудиосистемы. В них почти каждый мало-мальски важный узел приобрел независимость,
представ перед потребителями в виде имеющего вход и выход „черного ящика”[2].
Независимость - разве это плохо? Если провести аналогию
между распадом радиолы на аудиокомпоненты и распадом
СССР на независимые государства, то становится понятной и главная проблема,
которая возникает в подобных ситуациях: это неразбериха в таможенных
отношениях, в случае аудиоаппаратуры - неразбериха в параметрах согласования.
Несмотря на возникшие трудности, идея составлять аудиосистему из компонентов,
каждый из которых можно выбрать по своему усмотрению, оказалась исключительно
привлекательной. Покупателю, получившему неограниченную возможность выбора,
стало казаться, что он превратился в настоящего инженера-творца. Интерес
к подобному творчеству и сейчас активно поддерживается публикациями о
загадочных явлениях в усилителях, кабелях, стеклянных и конусных подставках, а
также о зеленой краске[3] и т.
п.
К сожалению, в этом всеобщем субъективистском буме за кадром
остались музыка как таковая и чисто технические проблемы унификации параметров
согласования аудиокомпонентов. Наверное, поэтому вопросами согласования
пришлось заниматься инженерам-профессионалам. Они должны были предложить такую
систему взаимодействия между аудио-компонентами, пользуясь которой потребитель,
не задумываясь и не заглядывая в учебник по радиоделу, смог бы самым немыслимым
образом соединять разные аудиокомпоненты и добиваться
от системы в целом необходимой громкости звучания. Также требовалось, чтобы в
собранной системе не возникали дополнительный шум (фон) или искажения звука, а
также чтобы ни один компонент ни при каких условиях не „испепелял” другой.
Этими проблемами долгие годы почти независимо друг от друга
занимались специалисты в США (Институт hi-fi, IHF), в Германии (Комиссия по
стандартизации) и в Швейцарии (IEC, по-русски МЭК - Международная электротехническая
комиссия).
Когда в СССР разрабатывали
государственные стандарты, то обычно лет десять выжидали, а затем
придерживались рекомендаций МЭК. Сейчас вопросами согласования аудиокомпонентов
в России заниматься некому. Именно поэтому, перед тем как окончательно выйти на
пенсию, я решил напомнить забытые всеми секреты. Начало этому было положено
мною в статье „Мощность. Часть I” („АМ” № 2 (7) 96, с. 65-75). В ней рассмотрен
вопрос выбора мощности усилителя, необходимой для получения в комнате
прослушивания требуемой громкости звучания музыки.
Данную статью, которая является продолжением статьи
„Мощность”, я начинаю с более общих вопросов - величин, которые выражают
параметры согласования аудиокомпонентов, затем перехожу к параметрам
согласования источников музыкальных программ с усилителем, а также
предварительного усилителя с усилителем мощности. О согласовании усилителя
мощности и громкоговорителя по множеству мощностей (кроме рассмотренной ранее),
а их более десяти, я расскажу в третьей части статьи „Мощность”.
ПАРАМЕТРЫ, ВЕЛИЧИНЫ, ЕДИНИЦЫ
Начну с вопроса, почему потребовалось так много параметров
согласования, обозначаемых, на первый взгляд, почти одинаково. На примере
знакомого уже понятия „мощность” попробую обосновать такую необходимость.
Вспомним, что каждая величина, взятая нами для
количественной оценки сигнала, чаще всего характеризует его одним числом.
Переход от временной функции сигнала (например, синусоидальной) к числу уже
рассмотрен в части I статьи „Мощность” (с. 67). Важно, что каждый
использованный для такого перехода вид обработки сигнала имеет определенный
физический смысл, который обозначают прилагательным: пиковая мощность, средняя
мощность. Если вид обработки сигнала очевиден, его можно не указывать. Так,
когда мощность средняя, вид обработки обычно не обозначают. Или если
написано „напряжение переменного тока”, то это означает, что речь идет о его
эффективном, точнее сказать, среднеквадратическом значении (СКЗ) (по-английски:
root mean square, сокращенно RMS).
Каждая величина может быть соотнесена со входом или выходом
аудио-компонента. Обозначается это так: входная мощность - значит,
„потребляемая аудиокомпонентом”; выходная мощность - значит, „отдаваемая
в нагрузку”.
Каждая величина может выступать и как измеряемый параметр
аудиокомпонента, и как условие измерений. К примеру, можно измерять
гармонические искажения усилителя при выходной мощности 10 Вт или, наоборот,
измерять максимальную выходную мощность, при которой гармонические искажения не
превышают заранее установленного значения, скажем 1%. В первом случае мощность
является условием измерений, поэтому в соответствии с публикацией МЭК 268-15
[1] ее называют номинальной (rated). Во втором случае мощность является
измеряемой величиной, тогда ее называют максимальной.
Понятие „максимальный” может иметь один из двух смыслов:
1)
максимальная
величина должна быть „не менее” (допустим, выходная мощность усилителя);
2)
максимальная
величина должна быть „не более”, то есть превышение этой величины грозит
неприятностями, например перегрузкой входа усилителя.
Обычно этот нюанс становится понятным из назначения
определяемого параметра.
Несколько слов о термине „rated” („номинальный”). МЭК использует
это слово для обозначения величин, которые являются условием измерения других
параметров. В стандартах США слово „ rated” обозначает „потребительские”
параметры изделия, а для величин, являющихся условиями измерения, применяется
термин „reference” [2], который я буду переводить словом „референсный".
Кроме напряжения сигнала и согласуемых сопротивлений, номинальной (референсной) оказалась частота сигнала 1000 Гц, а также
положение регулятора громкости усилителя. При таком положении поданное на вход
усилителя номинальное (референсное) напряжение должно
обеспечить на его выходе соответствующее номинальное (референсное)
напряжение или мощность.
Каждая величина-параметр имеет свое назначение в системе
согласования. В зависимости от своего назначения параметры разделяются на три
группы, которые соотносятся:
а) с получением требуемой громкости звучания;
б) с получением наименьших искажений и шума;
в) с обеспечением безопасного взаимодействия компонентов
(так, громкоговоритель не должен сжечь усилитель своим „неправильным”
внутренним сопротивлением или, наоборот, усилитель не должен сделать то же
самое с громкоговорителем из-за чрезмерной мощности или самовозбуждения).
Обычно параметры, имеющие разное назначение, требуют разных
условий определения. По этой причине не обязательно рядом с величиной указывать
ее назначение, достаточно обозначить условия ее определения. Например, мощность,
ограниченная искажениями, характеризует первое функциональное назначение; мощность,
ограниченная температурой, характеризует третье функциональное назначение.
Используются также величины, которые имеют одно
функциональное назначение, но разные условия определения. Скажем: кратковременная
входная мощность, долговременная входная мощность - здесь условием
определения является длительность действия испытательного сигнала; в другом
случае - разные виды испытательного сигнала, например: шумовая мощность,
синусоидальная мощность.
И все же почему в качестве примера я выбрал такой параметр,
как мощность? Разве слух меломана услаждает мощность усилителя? Мне кажется,
что выходная мощность получила распространение прежде всего как наиболее
весомый фактор, участвующий в формировании цены усилителя. Вспомним, как еще
совсем недавно подсчитывали количество ватт на один доллар или на килограмм
массы усилителя.
Если попытаться составить исчерпывающий список величин,
которые должны характеризовать согласование любых двух аудиокомпонентов, то
оказывается, что их всего четыре. При электрическом согласовании это ток,
сопротивление, напряжение и мощность. Среди этих четырех величин для целей
согласования достаточно знать только две, причем любые, остальные легко можно
определить из закона Ома или из формулы мощности (то есть из произведения тока
на напряжение). Например, выходная мощность, ограниченная искажениями,
при номинальном сопротивлении нагрузки вполне может быть заменена на напряжение,
ограниченное искажениями (см. МЭК 268-3 [3]). При этом никто не лишает
потребителя информации о согласовании усилителя с громкоговорителем. Кстати,
выходную мощность усилителя не измеряют, а рассчитывают из падения напряжения
на номинальном сопротивлении нагрузки.
Аналогичным образом обстоят дела с механическими и
акустическими параметрами при их согласовании в аудиосистемах. Ведь
механические и акустические величины являются в определенном смысле аналогами
[4] электрических величин (см. табл. 1).
Таблица 1
|
Величины |
|||||
|
Электрические |
Механические |
Акустические |
|||
|
Наименование |
Ед. измер. |
Наименование |
Ед. измер. |
Наименование |
Ед. измер. |
|
Электрический ток |
Ампер |
Колебательная
скорость |
м/с |
Объемная скорость |
м3 /с |
|
Электрическое сопротивление |
Ом |
Механическое
сопротивление |
Н с/м |
Акустическое сопротивление |
Па с/м3 |
|
Напряжение (электрическое) |
Вольт |
Сила
переменная |
Ньютон |
Звуковое давление |
Паскаль |
|
Электрическая мощность (средняя) |
Ватт |
Механическая
мощность (средняя) |
Ватт |
Акустическая мощность (средняя) |
Ватт |
Здесь при переходе энергии сигнала
из одной формы в другую величины, сведенные в одну колонку таблицы, можно пересчитать
в величины-аналоги, указанные в других колонках. Для этого в расчетах
используют так называемый коэффициент преобразования. Например, при
преобразовании колебаний электрического тока, протекающего через катушку
динамического громкоговорителя, в механические колебания диффузора
электрические величины преобразуются в механические через коэффициент
электромеханической связи Вl (где В - индукция в зазоре
магнита, Тл; l - длина проводника в этом зазоре, м). Аналогичным образом происходит
обратное преобразование, к примеру, в головке звукоснимателя, в которой
скорость механических колебаний иглы преобразуется в напряжение на ее выходе.
Остановлюсь еще на одной важной
особенности рассматриваемых величин. Все они в той или иной степени зависят от частоты
испытательного сигнала. Эта зависимость может быть незначительной: тогда о ней
не упоминают либо обозначают ее допуск. Если зависимость от частоты требует
особого внимания, то есть является определяемой величиной, в документации,
отражающей присоединительные параметры аудиокомпонента, приводится зависимость
от частоты модуля такой величины (составляющая фазы обычно не учитывается).
Так, АЧХ предусилителя с коррекцией, выполненной по
стандарту RIAA (с указанием допуска), или частотная характеристика модуля полного
электрического сопротивления[4] приводится в виде графика.
Не все величины поддаются измерению
с помощью стандартных средств: вряд ли даже в Обществе потребителей вам измерят
частотную характеристику приведенного к игле модуля полного механического
сопротивления подвижной системы звукоснимателя. В таких случаях производители
аудиокомпонентов указывают величины, которые косвенно характеризуют
трудноизмеряемые параметры. Скажем, вместо упомянутой характеристики головки
звукоснимателя они сообщают сведения о действующей массе подвижной системы и ее
динамической гибкости.
Есть также величины, которые можно
уверенно назвать фантомными. Это прежде всего входное и выходное
сопротивление усилителей, которое сформировано в результате действия в этих
аппаратах последовательной отрицательной обратной связи по напряжению.
Оказывается, такое сопротивление соответствует физическому только при малом
уровне сигнала и при определенных соотношениях между мнимой и действительной
частью комплексного сопротивления источника сигнала и нагрузки.
И последнее в этом беглом обзоре -
так называемые внесистемные величины. К ним можно отнести выраженное в
децибелах отношение величин, имеющих одну размерность. Наиболее привычной
внесистемной величиной является уровень звукового давления (sound pressure level - SPL). К выраженным в децибелах
величинам обязательно добавляется слово уровень.
Коэффициент демпфирования (параметр
усилителя мощности) также внесистемная величина. Этот коэффициент выражает
соотношение номинального сопротивления нагрузки и выходного сопротивления
усилителя. Эта устремленная в бесконечность величина обычно оказывает на
потребителя магическое действие, хотя ни в каких расчетах, касающихся
согласования усилителя и громкоговорителя, она не учитывается. На самом деле
потребитель может воспользоваться этой величиной только для качественной оценки
влияния выходного сопротивления усилителей на работу разделительного фильтра
акустической системы. Если коэффициент демпфирования больше 10, то о его
влиянии на качество работы акустической системы можно забыть.
Коэффициент демпфирования и мощность
- это параметры аудиоаппаратуры, которые по своей сути никакого смысла не
несут. Они, подобно заклинаниям живших еще в том музыкальном времени египетских
жрецов, воздействуют прежде всего на подсознание потребителей и служат тем
самым благородной цели аудиофикации нашей страны и
мира.
Несколько слов о единицах измерения
рассмотренных величин. Изучая рекламные проспекты или многоколоночные таблицы с
параметрами аудиокомпонентов, вы постоянно сталкиваетесь с тем, что указанные в
них величины имеют единицы измерения, которые отличаются от принятых в
международной системе СИ. Такие единицы, как микрон, минута, число оборотов в
минуту, грамм-сила, см/с, мВ/см/с, мкм/мН и т. п., относят к внесистемным.
Будучи не совсем законными, они применяются только потому, что нормируемые
параметры аудиоаппаратуры и единицы их измерения родились задолго до появления
системы СИ.
Конечно, для рядового покупателя
аудиоаппаратуры не важно, в каких единицах измеряется та или иная величина,
главное - привычка. Ведь гораздо привычней для восприятия частота вращения 331/3 об/мин, чем 0,55 (и еще 5 в периоде) об/с.
Сложнее тем, кто решил воспользоваться параметрами аудиоаппаратуры, то есть
произвести на их основе какие-либо расчеты. Мой настоятельный совет таков:
прежде чем взяться за дело, аккуратнейшим образом пересчитайте все единицы
измерения параметров аудиокомпонентов в единицы системы СИ. Чтобы при таком
пересчете у вас не возникло недоразумений, далее в тексте рядом с каждым
определяемым параметром я указываю единицы измерения, получившие наибольшее
распространение в стандартах и у производителей аудиоаппаратуры.
ПРИНЦИПЫ, ПОДХОДЫ, СОГЛАШЕНИЯ
В принципах согласования
аудиокомпонентов, несмотря на элементы кривой логики, есть ясно очерченный и
вполне рациональный смысл. Смысл этот эволюционным путем оттачивался более 30
лет, поэтому, несмотря на изначальные различия национальных подходов, принципы
согласования в конце концов оказались у всех примерно одинаковыми. Это помогло
в конце концов всем договориться и создать международный документ (МЭК 268-15),
включающий требования к согласованию компонентов аудиоаппаратуры, которыми
должны руководствоваться все ее производители. Начиная свою работу, разработчики
документа договорились принимать в расчет только те аудиокомпоненты,
которые потребитель рассматривает как заменяемые в своей аудиосистеме и которые
характеризуются входными и выходными параметрами вне зависимости от других
компонентов аудиосистемы. Последнему условию, как оказалось, не отвечают
головки звукоснимателей и тонармы (об этом см. ниже).
Изначально подход к согласованию
аудиокомпонентов был ориентирован на то, что главный источник музыкальных
программ - проигрыватель Lp. Другие источники - я имею в виду тюнер, магнитофон,
проигрыватель компакт-дисков - „присоединились” к аудиосистеме позже. Специфика
подхода к согласованию аудиокомпонентов и выбор соответствующих параметров
предопределились разбросом максимальных уровней записей на Lp (более 10 дБ) и различием
чувствительности выпускаемых промышленностью головок звукоснимателей. Из-за
этого разброса сложнее всего оказалось нормировать максимальный и минимальный
уровни сигналов на входах и выходах согласуемых компонентов, при которых
обеспечивается нормальная громкость звучания аудиосистемы. В рамках МЭК 268-15,
к сожалению, не удалось договориться обо всех важных параметрах согласования,
так что эти договоренности можно считать лишь „таможенным” соглашением между
производителями аудиокомпонентов. Обозначим таможенные границы между аудиокомпонентами на схеме (рис. 1) знаком «Х».
Рис. 1 Структурная схема аудиосистемы. В этой схеме
усилитель, в котором объединены функции предварительного усилителя и усилителя
мощности, называется полным; предварительным называется линейный
усилитель, имеющий в своем составе корректирующий усилитель или не имеющий его.
Все таможенные границы между аудиокомпонентами
обозначены знаком «Х».
Обсуждение вопросов, касающихся
согласования аудиокомпонентов, начнем с рассмотрения параметров согласования у
грампластинки и электропроигрывателя, а затем, миновав все таможенные посты,
остановимся на разновидностях мощности при согласовании усилителя и
громкоговорителя. Для каждого параметра согласования будут приведены все
наиболее часто употребляемые термины (на русском и английском языках), условия
определения параметров, а также единицы измерения. В случаях, когда в разных
стандартах встречаются неодинаковые толкования одного и того же параметра,
будет даваться их сравнительный анализ. Для тех, кто желает более подробно
ознакомиться с затронутыми вопросами, в конце статьи приведена обширная
библиография.
Электропроигрыватель состоит из следующих узлов: привода
диска (поворотного стола), головки звукоснимателя и тонарма.
1. Согласование грампластинки и
привода (см. МЭК 98А [5])
Для согласования грампластинки с приводом диска нужно знать частоту
вращения диска (номинальное значение 331/з
или 45 об/ мин) (spead of rotation of turntable 331/з
(or 45) rev/min, сокращенно – spead rpm 331/з (ог 45))[5].
Если в проигрывателе установка частоты вращения не
предусмотрена, то должно указываться среднее значение отклонения этого
параметра от номинального значения в процентах (mean deviation from each rated spead ±%, сокращенно – spead inaccuracy, 
%).
Можно считать удовлетворительной неточность частоты вращения
в пределах ±0,5%. Мною не рассматриваются параметры привода, такие как
коэффициент детонации (wow
and flater [6]) и уровень рокота (ramble [7]), поскольку они
характеризуют качество работы электропроигрывателя.
2. Согласование грампластинки и
звукоснимателя (см. МЭК 98А)
Звукосниматель состоит из двух „независимых”
узлов - головки и тонарма. Для согласования звукоснимателя с грампластинкой
установлены следующие параметры.
Тип и размеры кончика иглы (styles type). Они определяются двумя радиусами,
мкм: фронтальным (frontal radius, mm) и боковым (fore/aft radius, mm). В недорогих электропроигрывателях
используют однорадиусные иглы, так называемые сферические
(с радиусом 18 мкм). Такие иглы также применяют при определении геометрической огибаемости предельно модулированной канавки грампластинки
(см. МЭК 98-1 [8]). Иглы, характеризуемые двумя и более радиусами кончика,
называют многорадиусными. У многорадиусной
иглы ширина следа на стенках канавки грампластинки меньше, чем у сферической
иглы, благодаря этой особенности огибание сильно модулированной канавки грампластинки
не сопровождается явными искажениями огибания [9], которые всегда
отмечаются при использовании сферической иглы. Другое важное преимущество
некоторых типов многорадиусных игл - большая площадь
контакта с канавкой грампластинки, а это значит, что при одной и той же
прижимной силе можно получить меньшее давление на стенки канавки и благодаря
этому более высокую частоту ВЧ-резонанса подвижной
системы головки звукоснимателя (см. ниже).
Прижимная сила, мН (tracking forse, mN) - вертикальная сила, с которой
игла звукоснимателя прижата к обеим стенкам грампластинки. Она может быть номинальной
- тогда указывают одно значение - или рекомендуемой (recommended tracking forse range). В этом случае обязательно обозначают допуск этой
величины или ее пределы.
Вертикальный угол воспроизведения (vertical angle of playback). Этот угол, образованный осью
иглодержателя и ее проекцией на поверхность грампластинки, должен быть равен 20
(±1,5)°, то есть соответствовать эффективному вертикальному углу записи 20° (до
1964 г. этот угол был равен 15°).
Способность к огибанию канавки, мН (tracking ability, mN). Этот параметр определяется
значением минимальной прижимной силы звукоснимателя, требуемой для поддержания
контакта между его иглой и обеими стенками канавки грампластинки при
воспроизведении тестовой записи „EMI Ltd” TS201 (см. [5], appendix D).
Тестовый диск TS201 имеет следующие параметры: диаметр диска 175 мм;
частота вращения 331/3 об/мин; сигнал синусоидальный (отдельно
в правом и левом канале), его частота изменяется от 80 до 8000Гц и опять к 80
Гц. От 80 до 630 Гц колебательная скорость записи увеличивается с 0,6 до 8
см/с, от 2 до 2,5 кГц имеет практически постоянное значение 12 см/с (кстати,
это значение не является предельным для Lp-записи, см. ниже), выше частоты 2,5
кГц колебательная скорость записи падает.
Если при проигрывании этого диска вы не заметите хрипа,
вызванного отрывом иглы звукоснимателя от канавки, значит, проверяемый
звукосниматель механически согласован с грампластинкой. Гарантия производителя
звукоснимателей, проверившего свою продукцию с помощью этого тестового диска,
наверное, устроила бы всех, если бы головка и тонарм продавались как единое
целое. Ну, а что делать, если вы купили головку отдельно от тонарма, да к тому
же тестового диска у вас нет? Здесь Лушечка сразу бы
встряла: „Прижать иглу как следует, чтобы не выскакивала, и все дела!” Но не
стоит спешить с присвоением самой говорливой собачке степени доктора наук.
Если установить прижимную силу более 20 мН (при
использовании сферической иглы) или более 40 мН (при многорадиусной
игле, например типа „Van den Hul”), то после проигрывания грампластинки ее канавка будет
необратимо деформирована [10]. Грампластинка приобретет радиальные блики, а при
повторном ее воспроизведении будут хорошо заметны шум, хрипы и потрескивания.
Такую пластинку обычно называют „заезженной”. Чтобы не испортить свои любимые
записи, попробуем установить прижимную силу в соответствии с указаниями в
инструкции к головке звукоснимателя. И снова беда! Беспомощно наблюдаем, как ни
с того ни с сего игла застревает на одном месте или начинает скакать по
грампластинке, или в громких местах на вас обрушивается ужасающий скрежет, да к
тому же вы замечаете странное подвывание, наподобие
плача гавайской гитары. Однако не спешите обращаться с жалобой в фирму-производитель. В том, что происходит, виноваты вы
сами, поскольку не учли механические параметры согласования головки
звукоснимателя и тонарма - и понятно почему: эти параметры никогда не
рассматривались как присоединительные, так как они конструкционные.
Для головки звукоснимателя это следующие
параметры:
• динамическая гибкость (вертикальная и поперечная), мкм/мН
(dynamic
compiance (vert/lateral), mm/mN);
• действующая масса подвижной системы головки, мг (effective mass of stylis assemble, mg);
• масса головки, г (weight (or
mass), grams).
Для тонарма это следующие параметры:
• действующая масса тонарма, г (effective
mass of tonarm, grams);
• рекомендуемая масса головки от и до, г (cartrige weight range, grams);
• тип демпфирования (type damping).
Оказывается, только учитывая эти, напрямую не связанные с
передачей сигнала, конструкционные параметры, можно оценить согласованность
головки и тонарма и их способность совместно обеспечивать надежное огибание
канавки грампластинки, в том числе „мелодийной”.
Чтобы оценить эту способность, необходимо взять калькулятор и произвести
несложные расчеты. Но для начала немножко физики.
Начнем с того, что в механике есть свой закон Ома, который в
приложении к затронутому нами вопросу согласования гласит: сила
взаимодействия иглы и канавки равна колебательной скорости этой канавки,
умноженной на приведенное к игле механическое сопротивление звукоснимателя (действующее).
Чтобы игла не отрывалась от канавки грампластинки, упомянутая мной сила
взаимодействия должна быть меньше прижимной силы звукоснимателя. Рассчитать
силу взаимодействия иглы и канавки можно, зная динамические пределы колебаний
иглы в канавке грампластинки (в диапазоне частот, который несколько шире
звукового диапазона). Такие пределы установлены Хантом [11] на основе анализа
физических ограничений механической звукозаписи:
- максимальное мгновенное ускорение модулированной канавки
грампластинки не должно превышать 9,8
103 м/с2 или 1000 g (не правда ли, впечатляющее
значение?). Этот предел определяется кривизной[6]
модулированной канавки, которую может огибать игла со сферическим кончиком,
имеющим радиус 18мкм;
- максимальная колебательная скорость модулированной
канавки грампластинки не должна превышать 0,25 м/с (амплитудное
значение). Значение этого предела определяется крутизной[7]
канавки, которая без искажений может быть записана резцом рекордера. В
соответствии с п. 11 МЭК 268-15, СКЗ максимальной колебательной скорости не
должно превышать 17,5 см/с;
- максимальное колебательное смещение модулированной канавки
не должно превышать 50,8
м. Этот предел задается максимальной амплитудой колебательного
смещения записи, при которой не происходит пересечения канавок грампластинки;
- максимальное ускорение иглы звукоснимателя, которое может
возникнуть в результате огибания короблений грампластинки. Значение этой
величины считается равным 0,23 м/с2;
- максимальная колебательная скорость иглы в процессе
огибания короблений грампластинки. В наихудшем случае это значение составляет
0,6 см/с на частоте 3 Гц, затем, начиная с частоты 10 Гц и выше, наблюдается
минимум 0,2 см/с.
Указанные в последних двух пунктах значения подтверждены
экспериментально [12].
Опираясь на эти данные, Хант утверждал, что свобода выбора
конструкционных (механических) параметров головки и тонарма ограничена. Чтобы
обосновать это утверждение, он связал предельные параметры грамзаписи с
конструкционными параметрами головки и тонарма, выразив эту связь в форме трех
неравенств:
где F - прижимная сила звукоснимателя, Н;
Сиг - динамическая гибкость подвижной системы звукоснимателя,
м/Н;
Мзв - действующая масса звукоснимателя (головки и
тонарма), кг;
Rd - приведенное к игле механическое
сопротивление демпфера звукоснимателя вязкого типа, Нс/м;
Mиг - действующая масса подвижной системы
звукоснимателя, кг;
- максимальное
колебательное смещение модулированной канавки, м;
- максимальная
радиальная скорость тонарма при перемещении головки к центру диска, м/с;
- максимальное
ускорение иглы в модулированной канавке, м/с2;
- максимальное
ускорение иглы, вызванное короблением грампластинки, м/с2.
Прежде чем делать выводы, остановимся еще на двух важных условиях
согласования грампластинки и звукоснимателя. Эти условия прямо не следуют из
приведенных выше неравенств. Речь идет о критических резонансах звукоснимателя.
Первый, так называемый ВЧ-резонанс, образован
гибкостью[8]
канавки грампластинки (при ее контакте с иглой звукоснимателя) и действующей
массой подвижной системы звукоснимателя. У современных звукоснимателей эта
частота обычно располагается выше 12 кГц. Второй, так называемый НЧ-резонанс, образован гибкостью подвижной системы
звукоснимателя и действующей массой этого звукоснимателя (то есть тонарма и
головки). Частота этого резонанса обычно расположена ниже 20 Гц. Важно, что
механическое сопротивление звукоснимателя, приведенное к игле, на частотах этих
резонансов возрастает пропорционально добротности каждого из них. Обычно
добротность этих резонансов бывает больше 10. Несмотря на то, что эти резонансы
часто находятся за пределами диапазона воспроизводимых частот аудиосистемы,
вред, наносимый ими качеству звучания, весьма ощутим, и об этом стоит поговорить.
О ВЧ-резонансе
подвижной системы звукоснимателя
В его окрестности (±1 октава) наблюдается рост нелинейных
искажений (в основном частотно-разностных) [13], причем искажения эти часто
превышают несколько процентов [14]; кроме того, существенно растет шум,
сопровождающий отслеживание иглой канавки. Искажения, о которых идет речь,
называют динамическими или деформационными [15].
Сузив рассматриваемый вопрос до роли ВЧ-резонанса
в согласовании звукоснимателя и грампластинки, можно смело утверждать: когда
этот резонанс расположен в звуковом диапазоне, он является причиной частых микроотрывов иглы от канавки грампластинки. Можно избежать
этих неприятностей, выбрав частоту ВЧ-резонанса выше
удвоенной частоты верхней границы звукового диапазона [11]. Для этого подвижная
система головки звукоснимателя должна иметь действующую массу, составляющую
доли миллиграмма. Технически это осуществимо, если иглодержатель изготовлен из
бериллия, имеет форму конуса и интегрирован с иглой [16], например путем
нанесения на его кончик алмазной пленки [17]. Механическое сопротивление
подвижной системы в районе ВЧ-резонанса можно
уменьшить, обеспечив его динамическое демпфирование. С этой целью между
иглодержателем и подвижной частью преобразователя вводится вязко-упругая связь
[18, 19].
О НЧ-резонансе
звукоснимателя
В результате огибания иглой звукоснимателя даже небольших
короблений грампластинки, на частоте НЧ-резонанса
возникают колебания тонарма относительно грампластинки, амплитуда которых при
отсутствии демпфирования этого резонанса более чем на 20 дБ превышает амплитуду
колебаний иглы, вызванных этими короблениями. В процессе вертикальных колебаний
тонарма игла звукоснимателя совершает также продольные колебания (то есть вдоль
канавки), которые являются причиной заметной детонации звука. Эта детонация в
проигрывателях без демпфирования тонарма достигает 0,5% [20]. Вернемся к
вопросу согласования грампластинки и звукоснимателя: существенный рост
механического сопротивления его подвижной системы в окрестности НЧ-резонанса является главной причиной нарушения контакта
этой системы с канавкой грампластинки. Этот дефект можно устранить только путем
применения устройств для демпфирования НЧ-резонанса
звукоснимателя. Об этом знали основоположники механической звукозаписи и
воспроизведения Хант[11], Бауер [10] и др. Недотепы
конструкторы современных сверхдорогих проигрывателей Lp об этом уже не знают, хотя теория и
расчет основных видов механического демпфирования звукоснимателей были
разработаны еще 20 лет назад [20].
Назовем основные виды механического демпфирования
звукоснимателей.
Применение вязкой (резистивной) связи между тонармом и его
неподвижным основанием. Техническое воплощение этого вида демпфирования можно встретить во многих
проигрывателях (см. об этом, в частности, в „АМ” №4(5)95, с. 61).
Динамическое резонансное демпфирование. Основано на взаимодействии рычага
тонарма и настроенного на частоту НЧ-резонанса его
противовеса. Обе части тонарма соединены между собой вязко-упруго. (Этот вид
демпфирования был реализован в эектропроигрывателе „Dual 701”.)
Динамическое демпфирование вязкого типа. Устройство демпфирования этого вида
включает тело демпфера (имеющее ощутимую массу, приведенную к игле), которая
взаимодействует с действующей массой звукоснимателя через вязкую связь. Идея
такого демпфирования принадлежит Накаи [21], однако
автор не смог довести эту идею до промышленного воплощения из-за трудностей,
возникших при конструировании такого тонарма. Над осуществлением динамического
вязкого демпфирования звукоснимателей работали многие, однако реализовать его
удалось, как мне известно, только в СССР в электропроигрывателе „Корвет 003”
[22, 23]. Вспомните большой блестящий шар, расположенный на пересечении осей
тонарма. Как удалось решить возникшие при реализации этого устройства
технические проблемы, вы можете узнать, прочитав статью в журнале „Радио” [24].
Тонарм с демпфером-шаром, подвешенным в сферической полости, которая была
заполнена вязкой жидкостью, мои сослуживцы называли „яйцом Лихницкого”. К
сожалению, после моего ухода из „Морфизприбора”
оставшиеся разработчики-энтузиасты почти сразу удалили желток (то есть
внутренний шар) из этого яйца.
Следует упомянуть и о тонармах, в которых используется
достаточно сложное по конструкции электромеханическое демпфирование, - примером
может служить тонарм в электропроигрывателе „Denon L7”. Более простым применением
электромеханического демпфирования этого типа можно считать шунтирование
обмоток головки последовательной резонансной цепью, настроенной на частоту НЧ-резонанса звукоснимателя [25].
А теперь обещанные мной простые соотношения между
конструкционными параметрами головки и тонарма, при которых обеспечивается
согласование звукоснимателя и грампластинки.
1) Частота НЧ-резонанса
звукоснимателя, Гц:
fнч=
Эта частота должна иметь следующие значения:
15-18 Гц (для звукоснимателя без демпфирования);
11 Гц (в случае демпфера вязкого типа);
9 Гц (в случае динамического резонансного демпфирования);
>7 Гц (в случае динамического демпфирования вязкого
типа).
2) Соотношение действующей массы звукоснимателя и прижимной
силы [11].
Отношение выраженной в граммах массы звукоснимателя (
) к выраженной в граммах прижимной силе[9]
должно составлять:
<3,5 (при использовании демпфирования вязкого типа с
резонансным пиком +З дБ);
6,8 (то же с резонансным пиком +10дБ);
13 (без применения демпфирования или с динамическим
демпфированием).
3) Соотношение между вертикальной составляющей динамической
гибкости (в мкм/мН) и прижимной силой (в мН):
Сиг = 168 / F.
4) Соотношение между действующей массой подвижной системы
звукоснимателя и прижимной силой:
Mиг <0,14 мг на каждый грамм прижимной силы для
сферической иглы радиусом 18мкм [11];
Mиг <0,28 мг на каждый грамм
прижимной силы для многорадиусной иглы [26], например
типа „Van den Hul”.
II. СОГЛАСОВАНИЕ ВЫХОДОВ ИСТОЧНИКОВ МУЗЫКАЛЬНЫХ
ПРОГРАММ И ВХОДОВ УСИЛИТЕЛЯ[10]
Здесь и далее речь пойдет о соглашении между производителями
аудиокомпонентов, в котором принимались во внимание, скорее сложившиеся
традиции, чем физика.
Производители аудиоаппаратуры договорились об унификации
параметров для трех видов источников программ:
а) электропроигрывателя с головкой высокой
чувствительности, подключаемого к корректирующему входу усилителя (так
называемому входу ММ);
б) электропроигрывателя с головкой низкой
чувствительности, подключаемого к корректирующему входу усилителя (так
называемому входу МС);
в) корректора, тюнера, магнитофона, проигрывателя
компакт-дисков или другого вспомогательного оборудования, подключаемого к
линейному входу усилителя (так называемому входу высокого уровня).
1. Выходные параметры головки звукоснимателя,
используемые при согласовании с корректирующим входом усилителя (см. МЭК 98А,
МЭК 268-15)
Тип преобразователя (tupe tranduser). Обозначается в паспорте на головку. Из этого обозначения
должен быть ясен принцип преобразования механических колебаний иглы в
электрические. У большинства современных головок звукоснимателя напряжение на
выходе обусловлено явлением электромагнитной индукции и поэтому пропорционально
скорости колебаний иглы. Такие головки называют магнитными.
Преобразователи магнитных головок подразделяются на следующие виды: с подвижным
магнитом (ММ), с индуцированным магнитом (IМ), с переменным магнитным
сопротивлением (МI) и с подвижными катушками (МС).
Чувствительность канала, мВ/см/с (canal sensitivity, mV/cm/s). Это отношение напряжения,
развиваемого звукоснимателем на выходе правого или левого каналов на
номинальном сопротивлении нагрузки и при частоте 1000 Гц, к колебательной
скорости записи[11].
Высокая чувствительность головок, в соответствии с п. 11 МЭК
268-15, должна находиться в пределах от 0,7 до 2 мВ/см/с, а низкая
чувствительность - от 0,04 до 0.16 мВ/см/с. Если изменить размерность
чувствительности на размерность в системе СИ - В/м/с, то она предстанет перед
нами как коэффициент электромеханической связи Вl (где В - индукция в зазоре
магнита, Тл; l - длина проводника в этом зазоре, м) между
колебательной скоростью иглы и ЭДС[12] на
выходе головки звукоснимателя.
Номинальное сопротивление головки (rated impedance). Это полное внутреннее
сопротивление, измеренное на выходе каждого канала головки. Для головок
магнитного типа обычно указывают сопротивление по постоянному току в Ом (W) и
индуктивность обмотки в мГн (mH).
Номинальное сопротивление нагрузки головки, кОм (rated load impedance, kW). Это сопротивление представляет
собой нагрузку канала головки, при использовании которой производитель
гарантирует параметры этой головки. (Обычно указывают сопротивление нагрузки в
кОм и значение рекомендуемой параллельной емкости в пФ.) Производителям головок
разрешается рекомендовать специальную корректирующую цепь ее нагрузки (см. МЭК
98А, п. 3.3.Зd). В общем случае головки высокой чувствительности должны быть
рассчитаны на номинальное сопротивление нагрузки 47 кОм и параллельно к нему
емкость 420 пФ (учитывает емкость кабеля и входную емкость усилителя).
Головки низкой чувствительности должны работать на
номинальное сопротивление нагрузки 100 Ом.
Номинальное выходное напряжение, мВ (rated output voltage, mV). Это напряжение на выходе головки
при нижнем пределе ее чувствительности (см. выше) и колебательной скорости
записи 7 см/с на частоте 1000 Гц. Номинальное выходное напряжение головок
высокой чувствительности - 5 мВ, низкой чувствительности - 0,3 мВ.
Максимальное выходное напряжение, мВ (maximum output voltage, mV). Это напряжение на выходе канала
головки при верхнем пределе ее чувствительности и принятой за максимум
колебательной скорости записи в правом или левом канале 17,5 см/с в диапазоне
частот от 700 до 3000 Гц. Максимальное выходное напряжение у головок высокой
чувствительности не должно превышать 35 мВ, а низкой - 2,8 мВ.
Подразделение головок на два вида
чувствительности - высокого уровня и низкого уровня - сложилось исторически в
конкурентной борьбе двух идеологических принципов.
Принцип ММ: легкий подвижной магнит
взаимодействует с неподвижной катушкой большого размера, намотанной проводом
большой длины (изобретение братьев Шур (Shure), патент США № 3475565, опубликован
17.12.68).
Принцип МС: маленькая и
легкая подвижная катушка провода (без магнитного сердечника) взаимодействует с
неподвижным магнитом большой энергии (первое удачное промышленное воплощение
этого принципа продемонстрировано в головке „Ortofon tupe SPU-G”, разработку которой относят к началу 1960-х гг.).
На самом деле не важно, что относительно чего колеблется.
Значение имеет то, что в головках ММ удалось получить большое выходное
напряжение за счет огромной длины проводника и, соответственно, большой
индуктивности катушки (обычно более 0,5 Гн).
В головках МС, при существенно большей (примерно в 10
раз) магнитной индукции, из-за невозможности намотать сверхминиатюрную катушку
проводом нужной длины пришлось довольствоваться существенно более низкой
чувствительностью, чем в головках ММ.
То, что раньше казалось недостатком головки МС, вскоре
обернулось ее достоинством. Все стали отмечать, что звучание головок МС в
сравнении с головками ММ заметно лучше. Сейчас этот феномен несложно объяснить,
во-первых, существенным сокращением длины проводника катушки головки МС и,
во-вторых, меньшей ее индуктивностью. Неблагоприятное действие на музыкальный
сигнал большой индуктивности катушки в головках ММ выражается искажениями
групповой задержки, которые наблюдаются при прохождении музыкального сигнала
через Г-образный НЧ-фильтр,
образованный этой индуктивность и суммарной емкостью кабеля, которая включает
емкость кабеля и емкость, действующую на входе усилителя.
Небольшую по длине проводника катушку и, соответственно,
малую индуктивность имеют головки МС(I),так называемые МС-головки высокого
уровня. Они содержат магнитный сердечник в подвижной катушке. Благодаря этому
сердечнику такие головки по чувствительности приближаются к ММ, а по качеству
звучания – к МС. Кстати, многие считают этот сердечник недостатком, хотя не
могут объяснить почему. Я же думаю, что принцип действия головки сам по себе не
важен. Обращать внимание надо прежде всего на то, чтобы индуктивность ее
катушек (приведенная к входу ММ) не превышала 50 мГн.
Всем известно, что проигрыватель Lp, подключенный к входу усилителя,
нуждается в специальной коррекции АЧХ. Такой корректор либо встроен в
предварительный усилитель, либо выполнен в виде отдельного компонента.
Необходимость коррекции вызвана тем, что применяемые обычно головки звукоснимателя
являются преобразователем скорости колебаний иглы в электрическое напряжение, а
также тем, что запись на грампластинке имеет АЧХ с изломами, которые при
воспроизведении приходится „выпрямлять”. Если выразить эту мысль более точно,
АЧХ воспроизведения должна быть инверсной по отношению к АЧХ записи. Хотя
частотная коррекция записи не фигурирует среди параметров согласования
аудиокомпонентов (см. МЭК 268-15, п. 11), историю появления такого
корректирования знать необходимо: тогда будет понятно, почему виниловые диски,
особенно ранних выпусков, не удается с хорошим качеством воспроизвести на
современной аудиоаппаратуре.
Идея корректирования АЧХ записи и затем возвращения к
исходной характеристике при воспроизведении рождалась в 1920-е гг., одновременно
с переходом с акустической записи на электрическую. С инженерной точки зрения,
коррекция АЧХ при записи позволяет „вписать” средний спектр максимальной
мощности музыкального сигнала[13] в
рассмотренные выше пределы механической
записи и, таким образом, получить некоторый выигрыш в отношении сигнал/шум при
воспроизведении, а значит, расширить динамический диапазон записи. Вопрос о
том, как это сделать наилучшим образом, оказался непростым. В эпоху записи на
78 об/мин использовалось более 20 типов частотной коррекции записи. В 1950-е
гг. когда началось производство Lp, осталось три основных типа:
1) “Columbia Long Play” (UK). Эту коррекцию использовали фирмы
“Columbia UK”, “HMV” и “EMI”;
2) DGG (Deutsche Grammophon Gesellschaft). Этот тип применялся в Германии,
прежде всего, фирмой “Deutsche Grammophon”
3) RIAA
(Recording Industry Assosiation of
В 1959 г. производители грамзаписи всего мира (включая СССР)
сели за круглый стол и договорились осуществлять запись Lp по стандарту RIAA. Это соглашение нашло свое
отражение в публикации МЭК 98-1.
Собирателям Lp разных периодов полезно знать частоты перегибов в
АЧХ записи (то есть частоты полюсов и нулей[14]),
которые применялись в звукозаписи до 1959 г.
Таблица 2
|
Стандарты записи |
f1 ,
Гц (ноль) |
f2 ,
Гц (полюс) |
f3 , Гц (ноль) |
|
RIAA |
50 |
500 |
2120 |
|
DGG |
50 |
500 |
3180 |
|
|
100(150) |
500 |
1600 |
Напомню – это следует из работы Ханта [11], - что при обозначенных
в табл.2 характеристиках записи согласование звукоснимателя и грампластинки
может быть получено, только когда спектр мощности музыкального сигнала затухает
с наклоном 12 дБ на октаву выше частоты f3. Если при записи это условие не
соблюдается, канавка будет иметь чрезмерно большую крутизну и поэтому не будет
огибаться воспроизводящей иглой. Требование к “форме” спектра записанного
сигнала оказалось столь серьезным, что пришлось отказаться от попыток создать
тестовый диск (с частотой вращения 331/3 об/мин), в
котором колебательная скорость синусоидального сигнала меняется по стандарту RIAA. Именно поэтому все выпущенные в
свет тестовые диски для снятия АЧХ звукоснимателей имеют постоянную
колебательную скорость выше частоты 1 кГц (см. МЭК 98-1).
2. Выходные параметры
источников сигнала:
корректирующего усилителя, тюнера, магнитофона,
проигрывателя СD и другого вспомогательного оборудования, используемого при
согласовании с линейными входами усилителя высокого уровня (см. МЭК 268-15)
Выходное
сопротивление, кОм (output source impedance, W) перечисленных аудиокомпонентов обычно
имеет активный характер и не должно превышать 10 кОм.
Номинальное
сопротивление нагрузки, кОм (rated load impedance, кW) - сопротивление
нагрузки выхода источника сигнала, при котором производитель гарантирует его
заявленные параметры. Это сопротивление равно 47 кОм.
Номинальное
выходное напряжение, В (rated output voltage, V) - напряжение на выходе источника сигнала, которое
является условием измерения других параметров этого источника. Это напряжение
устанавливается:
- у корректирующего усилителя при номинальном
выходном напряжении головки звукоснимателя;
- у тюнеров ЧМ при номинальном входном уровне сигнала
по воздуху 40 дБ относительно 1 пВт;
- у радиоприемников АМ при 80-процентной модуляции;
- у магнитофона при установке уровня записи по МЭК 94-2.
Номинальное выходное напряжение должно быть равно 0,5 В.
Минимальное выходное напряжение, В (minimum output voltage, V) - это напряжение максимума
сигнала на выходе источника при наихудших условиях его передачи на выход.
Устанавливается:
- у корректирующего усилителя при
минимуме чувствительности головки звукоснимателя и при колебательной скорости
записи 2,71 см/с (на частоте 315 Гц);
- у тюнера ЧМ при сигнале, который приходит на частоте 22,5
кГц с отношением сигнал/шум 26 дБ;
- у радиоприемника АМ при 30% модуляции;
- у магнитофонов, когда уровень записи на 8 дБ ниже уровня,
указанного в МЭК 94-2;
- у проигрывателей компакт-дисков и DAT-магнитофонов, когда максимальный
уровень цифровой записи на 12 дБ ниже предельного.
Минимальное выходное напряжение может быть 0,2 В.
Максимальное выходное напряжение, В (maximum output voltage,V) - это напряжение максимума
сигнала при наилучших условиях его передачи на выход источника:
- у корректирующего усилителя при максимальной
чувствительности головки и при колебательной скорости записи 17,5 см/с;
- у тюнеров ЧМ и радиоприемников АМ при максимальной
модуляции;
- у проигрывателей компакт-дисков и DAT-магнитофонов при предельном уровне
цифровой записи.
Максимальное выходное напряжение при любом полезном сигнале
должно быть 2 В.
3. Входные параметры предварительного
усилителя для согласования с рассмотренными выше источниками сигнала
В мире получили распространение две системы параметров
согласования усилителей и источников сигнала. В Европе и в странах бывшего СССР
национальные стандарты разрабатываются на основе МЭК 268-15 и МЭК 268-3, в США
и Японии применяют американский стандарт „EIA Standart RS-490”.
Не делая попыток скрестить эти документы, попробую провести
возможные параллели. Для начала некоторые уточнения. В обоих стандартах
нормируются три входа усилителей.
Вход ММ (ММ-phono or high sensitivity input), корректированный.
Долженсопрягаться с магнитными головками, имеющими
чувствительность в соответствии с МЭК 268-15 от 0,7 до 2 мВ/см/с, в
соответствии с RS-490 - от 0,5 до 2 мВ/см/с.
Вход МС (МС- phono or low sensitivity input), корректированный.
Должен сопрягаться смагнитными головками, имеющими чувствительность в
соответствии с МЭК от 0,04 до 0,16 мВ/см/с, в соответствии с RS-490 - 0,2 мВ/см/с и менее.
Вход
высокого уровня (line or high level input), некорректированный. Должен
сопрягаться с некорректированными по АЧХ источниками сигнала.
Входные параметры
|
По МЭК 268-15 |
По стандарту США (“EIA standart RS-490”) |
|
Номинальное сопротивление, кОм, Ом (rated source impedance, kW,W). Резистор, включенный
последовательно с ЭДС источника сигнала, имитирует полное сопротивление
источника сигнала: на входе ММ 2,2 кОм
(рекомендуется включать последовательно с предполагаемой индуктивностью
головки) на входе МС 10 Ом на входе высокого уровня
10 кОм Полное входное сопротивление, кОм, Ом (Input impedance, kW, W). Внутреннее сопротивление
усилителя, измеренное между его входными зажимами: входа ММ 47 кОм (параллельно с емкостью 220 пФ) входа МС 100 Ом входа высокого уровня Номинальная ЭДС источника, мВ, В (rated source e.m.f.,mV, V). Значение ЭДС, поданное на вход
предварительного усилителя через номинальное сопротивление источника, которое
при номинальном положении регулятора громкости создает на его выходе
номинальное напряжение 1 В: на входе ММ 5 мВ на входе МС
0,3 мВ на входе высокого уровня 0,5 В Минимальная ЭДС
источника, мВ, В (minimum source e.m.f. for rated output woltage, mV,V). Минимальное значение ЭДС, поданное на вход
усилителя через номинальное сопротивление источника, которое при установке
регулятора громкости в положение „mах” создает на
выходе этого усилителя номинальное напряжение 1 В. Эта ЭДС должна иметь
значения: на входе ММ на входе МС на входе высокого уровня ЭДС источника, соответствующая перегрузке входа, мВ, В (overload source e.m.f., mV, V). Максимальное значение ЭДС, поданное на вход усилителя
через номинальное сопротивление источника, которое (при установке регулятора
громкости в положение, обеспечивающее выходной уровень этого усилителя на 10
дБ ниже номинального) вызывает появление на выходе этого усилителя
нормируемых в документации на усилитель гармонических искажений. Эта ЭДС
должна иметь значения: на входе ММ
на входе МС
на входе высокого уровня |
Резистор на входе, кОм, Ом (input termination, kW, W). Эта величина - аналог
„номинального сопротивления источника сигнала” (по МЭК), однако значения
сопротивления резистора другие: на
входе ММ 1 кОм на входе МС 10 Ом на входе высокого уровня 1 кОм Полное входное сопротивление, кОм (input impedance, kW). Эта величина - полный аналог
величины, указанной в МЭК, хотя допуски на ее значения существенно больше: для входа ММ >10 кОм для входа МС <10 кОм для входа высокого уровня >10 кОм Производитель усилителя должен
указывать конкретное значение этого параметра с двухсторонним допуском. Референсный входной уровень, мВ, В (input reference level,mV, V). Эта величина - аналог „номинальной
ЭДС источника” (по МЭК), но ее значения немного отличаются. При референсном
выходном напряжении усилителя, равном 0,5 В, имеем: на входе ММ 5 мВ на входе МС 0,5 мВ на входе высокого уровня 0,5 В Чувствительность, мВ, В (sensitivity, mV, V). Эта величина является аналогом
„минимальной ЭДС источника” (по МЭК) и представляет собой результат измерения
действующего на входе предварительного усилителя напряжения сигнала с
частотой 1000 Гц при достижении на его выходе референсного напряжения 0,5 В.
Измерение чувствительности производят при установке регулятора громкости в
положение „max”. Значение чувствительности усилителя не нормируется, но
производитель должен указывать его в документации. Максимум входного сигнала, В (maximum input signal/overload input, V). Эта величина - аналог „ЭДС источника сигнала,
соответствующего перегрузке входа” (по МЭК) - представляет собой результат
измерения напряжения на входе предварительного усилителя, при котором на его
выходе (при установке регулятора громкости на уровень чуть больший, чем
уровень полного затухания) наблюдается начало ограничения сигнала на
выбранной частоте (для корректирующего входа на частоте 1 кГц). Значение
параметра в RS-490 не нормируется, оно
должно устанавливаться производителем. |
III. СОГЛАСОВАНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ
И УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
Как и в предыдущем случае, в мире распространены две системы
параметров согласования предварительного усилителя и усилителя мощности – по
МЭК 268-15 и по стандарту “EIA Standart RS-490”. Если названные мной ниже
величины встречались раньше, при повторении их определение даваться не будет.
1. Выходные параметры
предварительного усилителя
|
по МЭК 268-15 |
по “EIA Standart RS-490” |
|
Выходное сопротивление источника (output source impedance, kW) < 1 кОм Номинальное сопротивление нагрузки выхода (rated load impedance, kW) 10 кОм. Номинальное выходное напряжение (rated output voltage, V)
1 В. Значение этой величины устанавливается в условиях подачи
на вход усилителя минимальной ЭДС источника сигнала при положении „max” регулятора громкости. Выходное напряжение, ограниченное номинальными
искажениями (rated distoation limited output voltage, V) |
Выходное сопротивление, Ом (output impedance, W) - не нормируется. Сопротивление нагрузки, Ом, пФ (load impedance, kW, pF) - нормируется значение резистора
1000 Ом ±5% и параллельной емкости 1000 пФ ±5%. Это требование явно жестче,
чем в рекомендации МЭК. Референсное выходное напряжение, В (output reference level, V) - 0,5 В. Значение этой
величины путем выбора соответствующего положения регулятора громкости в
условиях подачи на вход усилителя сигнала референсного уровня. Это положение
регулятора громкости, как уже говорилось, называется референсным. Максимальное выходное напряжение, В (maximum voltage output, V). Значение этой величины
измеряют при указанном выше сопротивлении нагрузки усилителя и при установке
регулятора громкости в положение, соответствующее ее увеличению на 12 дБ
относительно громкости при референсном положении регулятора. Когда на вход
высокого уровня этого усилителя подается синусоидальный сигнал, искомое
значение выходного напряжения определяют при коэффициенте общих гармонических
искажений на выходе 1%. Значение максимального выходного напряжения (с
указанием „не менее”) нормируют производители усилителей в документации. |
2. Выходные параметры усилителя
мощности
|
по МЭК 268-15 |
по “EIA Standart RS-490” |
|
Номинальное сопротивление источника (гаted source impedance, kW) - 1 кОм. Входное сопротивление (input impedance, kW) >10
кОм. Минимальная ЭДС источника при выходном напряжении,
ограниченном номинальными искажениями (minimum source e.m.f. for rated distortion limited, V) - |
Резистор на входе (input termination, kW) - 1 кОм. Эта величина – аналог
регламентированного МЭК номинального сопротивления источника. Входное сопротивление, кОм (input impedance, kW) - аналог соответствующей величины
по МЭК. Значение параметра в RS-490 не нормируется, однако
производитель должен указывать в документации его конкретное значение. Чувствительность
при непрерывной средней выходной мощности, В (sensitivity for the continious averadge power output (for rated power, V)). Этот параметр, за исключением
особых условий испытаний при определении непрерывной выходной мощности,
полностью соответствует определяемой МЭК „минимальной ЭДС при выходном
напряжении (мощности), ограниченном искажениями". Если в данных производителя фигурирует слово „чувствительность” без
оговорки насчет выходной мощности, то эта мощность является референсной, то есть равняется 1 Вт. Если в усилителе
мощности имеется регулятор усиления, то при измерении чувствительности он
устанавливается в положение “max”. Параметр не
нормируется в стандартах, его значение устанавливают производители усилителя
в сопроводительной документации. |
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Коллектив редакторов журнала „АМ” настоятельно просил меня
рассказать домашним хозяйкам, интересующимся сборкой аудиосистем, о том, как
пользоваться приведенными выше таблицами согласования параметров. Рассчитывая
на доминанту женского восприятия, я решил отойти от привычной для международных
соглашений сухой, терминологически протокольной формы и придать параметрам
согласования живую эмоциональную окраску.
Вы, наверное, заметили, что в каждой из приведенных мной
выше таблиц монотонно повторяются пять параметров согласования, причем между
выходными параметрами источника (звукоснимателя, магнитофона,
проигрывателя компакт-дисков и т. п.) и входными параметрами приемника
(предварительного или полного усилителя, эквалайзера и т. п.) просматривается
определенная связь, которая видна из таблицы 3. Для удобства сопоставления мной
использованы наименования параметров, принятые в МЭК 268-15 (разъяснения
относительно этих параметров см. выше в тексте статьи).
Таблица 3
|
Выходные параметры источника |
Больше, меньше, равно |
Входные параметры приемника |
|
Выходное сопротивление |
|
Номинальное сопротивление источника |
|
Номинальное сопротивление приемника (рекомендуемое) |
Полное входное сопротивление |
|
|
Номинальное выходное напряжение |
= |
Номинальная ЭДС источника |
|
Минимальное выходное напряжение[16] |
|
Минимальная ЭДС источника |
|
Максимальное выходное напряжение[17] |
|
ЭДС источника, соответствующая перегрузке входа[18] |
В таблице 3, как вы могли заметить, отсутствуют цифры. Этого
требовал „свободный, эмоциональный" стиль описания параметров
согласования. Однако шутки в сторону, поскольку без цифр нам все-таки не
обойтись. Для начала поставим перед собой задачу согласовать свои домашние аудиокомпоненты с теми, которые вы только что купили или
собираетесь купить. Более глобальной целью - согласовать свою аппаратуру со
всеми выпускаемыми в мире аудиокомпонентами -
задаваться не надо. Однако приступим к делу.
1. Начните с определения интересующей вас границы
согласования между аудиокомпонентами (см. рис. 1).
2. Выпишите из технических паспортов выбранных
аудиокомпонентов указанные в таблице 3 параметры, кроме выделенного красным
(можно взять их аналоги по стандарту RS-490 с учетом необходимых поправок[19]).
Если в паспорте на аудиокомпонент
отсутствуют необходимые данные, то производитель обычно указывает, что
параметры согласования отвечают требованиям МЭК 268-15. Если все компоненты
вашей аудиосистемы по параметрам соответствуют МЭК 268-15, то вам не стоит
беспокоиться, поскольку правильное согласование достигается само собой. Если
хотя бы один из ваших компонентов изготовлен в США[20] или
в его паспорте указано, что он соответствует требованиям „EIA Standard RS-490” (или IHF), то проверка правильности
согласования этого компонента с другими необходима. Для проверки выпишите из
паспортов согласуемых компонентов следующие параметры:
у источников сигнала:
ü
полное
выходное сопротивление,
ü
рекомендуемое
сопротивление нагрузки,
ü
максимальный
выходной сигнал (напряжение),
ü
минимальный
выходной сигнал (напряжение).
Для головки звукоснимателя это чувствительность или выходное
напряжение при поперечной колебательной скорости канавки 5 см/с, деленное на
семь;
у предварительного усилителя:
ü
полное
входное сопротивление,
ü
чувствительность
входов,
ü
максимальный
входной сигнал (напряжение перегрузки),
ü
максимальное
выходное напряжение (ограниченное искажениями);
у усилителя мощности:
ü
входное
сопротивление,
ü
чувствительность
при средней непрерывной выходной мощности (ограниченной искажениями).
3. Выписанные из паспортов или пересчитанные (как в случае
использования в качестве источника головки звукоснимателя) значения подставьте
в таблицу 3 рядом с наименованиями параметров (кроме выделенного красным).
После этого проверьте соответствие вписанных значений этих параметров знакам
неравенства.
Правильным согласование нужно считать, когда 35 мВ 100 мВ, неправильным -
если 35 мВ 10 Мв.
4. Если все неравенства в таблице 3, с учетом примечаний к
ней, оказались правильными, значит, на выбранной вами границе согласование
параметров аудиокомпонентов достигнуто.
И все же, прежде чем испытать окончательное удовлетворение
от достигнутого согласования, дочитайте статью и прислушайтесь к некоторым моим
советам.
Согласование
параметров источника и приемника сигналов
В силу сложившейся традиции все источники сигнала[21]
являются источниками напряжения. Поэтому, как правило, сопротивление нагрузки
такого источника должно превышать его выходное сопротивление в 5 раз и более.
Когда сопротивление нагрузки меньше этой или другой (рекомендуемой
производителем) величины, существует опасность появления на выходе источника
нелинейных искажений сигнала и ограничений полосы воспроизводимых частот снизу.
Особым случаем считается согласование высокоиндуктивной
головки звукоснимателя (например, типа ММ) с входом предварительного усилителя.
Индуктивность такой головки, входное сопротивление и входная емкость усилителя,
а также соединительного кабеля образуют фильтр НЧ с частотой ограничения ВЧ
около 20 кГц. Производители высокоиндуктивных головок обычно приспосабливают
образовавшийся естественным путем фильтр для выравнивания АЧХ этой головки и
поэтому рекомендуют потребителям придерживаться условий согласования выхода
головки и входа усилителя с большой точностью (±1-2%). Несоответствие полного
входного сопротивления усилителя тому значению, которое рекомендуется в случае
использования головок ММ, может привести:
a) к окраске в области ВЧ (если емкость
нагрузки головки больше рекомендуемой),
b) к подчеркиванию ВЧ (если активная
часть сопротивления входа больше рекомендуемой),
c) к приглушению звучания на ВЧ (если
активная составляющая сопротивления входа меньше рекомендуемой).
К счастью, производители головок убедили членов МЭК
стандартизировать значение полного сопротивления входов для подключения головок
типа ММ. Его активная составляющая принята равной 47 кОм, и параллельно к нему
должна быть подключена емкость 420 пФ. Американцы (в рамках RS-490) не захотели жестко регламентировать
это сопротивление и постановили, что оно должно быть не меньше 10 кОм.
Как достичь нормальной громкости звучания аудиосистемы, если
в ней есть компоненты, изготовленные в США?
Если после согласования аудиокомпонентов ваша система звучит
недостаточно громко (даже при установке регулятора громкости на максимум),
значит, виноваты американцы: из-за них в соотношение параметров, обозначенных в
четвертой строке таблицы 3, вкралась ошибка. В этом случае правильность
согласования аудиокомпонентов в части достижения громкости звучания нужно
проверить, оперируя параметрами, установленными стандартом RS-490 (то есть, не переводя их в
параметры МЭК 268-15).
Значения параметров компонентов вашей аудиосистемы
подставьте в следующее неравенство:
EпyEум5,6Er (для Lp-источника); EпyEум 125Um
(для СD-источника), (где Er - чувствительность головки
звукоснимателя, мВ/см/с; Eпy - чувствительность соответствующего
входа предварительного усилителя[22], мВ;
Eум - чувствительность входа усилителя мощности при достижении на его
выходе напряжения, ограниченного искажениями, В; Um - максимальное выходное напряжение
проигрывателя компактдисков, В).
Все несовпадения размерности единиц измерения учтены в
коэффициентах неравенства.
При соблюдении неравенства вы можете установить регулятором
громкости необходимую мощность на выходе усилителя, в том числе
прослушивая записи с самым низким уровнем.
Обсуждение параметров согласования выходов усилителя
мощности с громкоговорителями, а также с другими потребителями этой мощности
читайте в статье „Мощность. Часть III” в одном из следующих номеров журнала.
Литература
1. IEC
Publication № 268-15 (1987); Preferred matching values for the inter cooection of sound sustem
components.
2. Standard
test metods of measurement for Audio Amplifier.
RS-490. EIA, 1981.
3. IEC
Publication № 268-3 (1983): Amplifiers.
4. Г. Ольсон. Динамические аналогии. М., „ИЛ", 1947.
5. IЕС Publication
№ 98А
(1964): Меtod’s of measuring the charahteristics of disk record playing units..
6. Deutsche Normen DIN 45507.
7. Deutsche Normen DIN 45539 В.
8. IEC
Publication № 98-1 (1959): Recommendations for stereophonic commercial disk
records.
9. М. S. Corrington. The calculation of stereo
disk tracing distortion. – RCA Review, 1958, June, р. 216.
10. В. В. Ваиеr,
L. Gипtеr. А High Fidelity
Phonograph Reproducer. – “IRE National Convention Record”, 1957, № 7, р.
76-81.
11. F. V. Нипt. Тhе Rational
Design of Phonograph Pickups. – JAES, 1962, vol. 10, № 4, p.274-288.
12. L. Нарр,
F. Каr1оv. „Record
warps and System Playback Performance”. Доклад, прочитанный на 46-й конференции Audio Engineering Society в Нью-Йорке 10 сентября 1973 г.
13. J. D.
Woodward, R. E. Werner. High Frequency Intermodulation
Testing Of Stereo Phonograph Pickups. – JAES, 1967, vol. 15, № 2, р.
130-142.
14. J. Waltоп.
Stylus Mass Distortion. – “Wireless World”, 1963, vо1. 69, №4, р.
171-178.
15. J. V.
Whitе. Тheory
of groove deformation in phonograph records. Part 1 – J. Acoust.
Soc. Am., 1975, vо1.
57, № 6, р.1332-1340.
16. Е. V. Нипt. Еlectropolishing
and Rointing Thin Berylium
Wires. – Rev. Sc. Instrum., 1963, vо1. 34, р. 1134.
17. А. М.
Лихницкий, Е. А. Попова. Интегрированная с иглодержателем алмазная игла
головки звукоснимателя. Авт. свид. СССР № 1739379, G 11 В 3/44, 07.06.92, бюл. № 21.
18. В. В. Ваиеr. Оn the Damping of Phonograph Styli. - JAES,1964, vо1.12, № 3, р. 210-213.
19. А. М.
Лихницкий. Головка звукоснимателя. Авт. свид.
СССР № 666566, G 11 В 3/04, 05.06.79, бюл. № 21.
20. А. М.
Лихницкий. Демпфирование основного резонанса звукоснимателя. — „ТРПА",
1978, вып. 3, с. 34-47.
21. G. Т. Nаkai.
Dynamic Damping of Stylus Compliance. – Tone-Arm Resonanse.
- JAES, 1973, vо1.
21, № 7, р. 555-562.
22. А. М.
Лихницкий, А. С. Гребинский. Тонарм. Авт. свид. СССР № 858078, G 11 В 3/10, 23.08.81, бюл. 31.
23. А. М.
Лихницкий, Ю. Н. Сумачев, Л. П. Пыркова.
Тонарм. Авт. свид. СССР № 1034067, G 11 В 3/10,07.08.83, бюл. № 29.
24. А. М. Лихницкий. Тонарм с
динамическим вязким демпфированием. — „Радио”, 1981, № 11, с. 42-44.
25. А. М.
Лихницкий. Звукосниматель с электромеханическим демпфированием основного
резонанса. Авт. свид.
СССР
№ 1504670, G 11 В 3/10, 30.08.89, бюл. 32.
26. J. Waltоп.
Stylus Mass and Elliptical Points. - JAES, 1966, vо1.14, № 2, р.
153-159.