4. Виды искажения в Hi-Fi тракте

Смысл высокой верности воспроизведения по своей сути состоит в передаче сигнала от источника информации к его потребителю по возможности без каких бы то ни было искажений. Иными словами, слушатель в своей комнате в идеальном случае должен воспринимать звучание оркестра таким же, каким он воспринимал бы его непосредственно в концертном зале.

И вот именно в самой постановке этой задачи и кроется ответ на вопрос о сущности искажений. Дело в том, что если бы мы даже и сумели идеально воспроизвести акустический сигнал в среде "Б", слушатель сразу бы отличил этот сигнал от подлинного, потому что акустические свойства среды "Б" всегда будут иными, нежели свойства среды "А".

А это означает, что если мы все же хотим, чтобы субъективное восприятие слушателя в среде "Б" было таким же, как и в среде "А", необходимо, чтобы среда "Б" не вносила никаких изменений в воспроизводимый сигнал. Это возможно в двух случаях: либо среда "Б" является ничем не ограниченной, т. е. открытым пространством, либо преграды, ограничивающие среду "Б", идеально поглощают звук, т. е. не дают отражений. Для обеспечения высокой верности воспроизведения в реальных условиях совершенно необходимо сознательно и определенным образом изменять частотные характеристики звеньев тракта или, другими словами, сознательно вносить в тракт искажения.

Простейшим примером подтвердим сказанное. Пусть одно из звеньев тракта имеет частотную характеристику со спадом на высших частотах. Если в каком-либо другом звене ввести частотные искажения противоположного характера, то таким путем можно исправить сквозную частотную характеристику тракта.

Таким образом, далеко не всякие искажения следует считать искажениями в буквальном смысле слова. Поэтому, когда речь идет, о Hi-Fi системах, полезно договориться о том, что считать искажениями. Мы, в частности, предлагаем следующие определения:

1) вредные изменения параметров электрического и акустического сигналов, приводящие к нарушениям подлинности звучания в конце тракта, называются искажениями;

2) полезные, искусственно создаваемые или получающиеся непроизвольно отклонения параметров сигнала внутри тракта от исходных, приводящие к получению субъективно идеального звучания у слушателя в конце тракта, называются корректисами (т. е. корректирующими искажениями).

Разумеется, как предложенные названия, так и сама идея разделения искажений на "вредные" и "полезные" являются своего рода вольностью автора, поэтому их Надо рассматривать лишь как условно принятые исключительно в пределах данной книги и не претендующие на общее употребление. Если читателю не понравится слово "корректисы", он может заменить его на "полезные искажения" или любое другое по своему усмотрению, хотя, по мнению автора, выражение "полезные искажения" содержит в себе смысловое противоречие.

Таким образом, нелинейные искажения в тракте, приводящие к появлению в воспроизводимом сигнале гармоник и комбинационных частот, мы будем считать искажениями, а изменения частотной характеристики тракта схемой тонкомпенсации при регулировании громкости, приводящие к сохранению субъективно равной громкости звука на всех частотах, будем считать корректисами, а не искажениями.

Кроме того, предлагается ввести еще одно новое понятие, которое условно можно назвать значимость искажений. Дело в том, что далеко не все виды искажений одинаково существенны для достоверного воспроизведения звука, и, кроме того, одни и те же по абсолютной величине искажения оказывают на слух совсем не одинаковые воздействия в зависимости от содержания информации, ее спектра, абсолютного уровня сигнала, условий слушания и т. п.

Поэтому мы и предлагаем те или иные искажения оценивать не только по абсолютной величине, но и по их "значимости" в данных конкретных условиях.

После принятия всех этих условий и оговорок попробуем рассмотреть подробнее вопрос об искажениях в Hi-Fi тракте. Наиболее существенны нелинейные искажения и. искажения сигнала паразитными компонентами, отсутствующими в исходном сигнале (фон, наводки, микрофонный эффект, шумы ламп и транзисторов, самовозбуждение усилителя на инфразвуковых и ультразвуковых частотах и т. п.), частотные искажения, искажения динамического диапазона.

Частотные искажения неизбежны практически в любом звене тракта. Наиболее типичны три типа частотных искажений:

1) спад высших частотных составляющих спектра ввиду шунтирующего действия паразитной емкости монтажа, распределенной межвитковой емкости трансформаторов, емкостей сетка-катод и анод-катод ламп и спад составляющих низких частот ввиду увеличения реактивного сопротивления переходных конденсаторов и уменьшения индуктивного сопротивления обмоток трансформаторов на низших частотах;

2) спады и подъемы частотной характеристики коэффициента передачи на высших и низших частотах ввиду отрицательной и положительной паразитных обратных связей по монтажу и цепям питания, а также подъемы и спады частотной характеристики в узких частотных областях из-за резонансных явлений;

3) резкое увеличение неравномерности сквозной частотной характеристики тракта из-за большого числа пиков и провалов па частотной характеристике громкоговорителей.

Искажения первого рода наиболее легко устранимы с помощью корректис, создаваемых реактивными частотно-зависимыми делителями RC (реже LC), поскольку эти искажения монотонно возрастают от середины звукового диапазона к обоим его краям.

Правда, такое "исправление" характеристики всегда достигается ценой потери усиления на величину, равную приблизительно удвоенному (в дб) значению спада характеристики в наихудшей точке. На рис. 4 приведены типичные схемы ячеек и звеньев для формирования корректис такого рода и соответствующие частотные характеристики.

Рис. 4. Простейшие корректирующие цепочки. а - для подъема коэффициента передачи на высших частотах; б - для подъема коэффициента передачи на низших частотах; в - для одновременного подъема коэффициента передачи на высших и низших частотах; г - для избирательного подъема частотной характеристики коэффициента передачи

Искажения второго рода легче предотвратить, чем устранить. Для этого прежде всего требуются продуманная конструкция усилителя и коммутирующих устройств, рациональный монтаж, тщательное экранирование узлов и деталей, между которыми возможны индуктивные и емкостные связи, устройство хороших фильтров в цепях питания.

Кроме того, не следует злоупотреблять в усилителе цепями обратной связи, особенно если при этом какой-либо каскад оказывается охвачен двумя или более самостоятельными цепями обратной связи.

Наконец, пики и провалы резонансного типа устраняются либо путем шунтирования резонасных систем, либо сдвигом частоты резонанса в ту или другую сторону. В последнем случае резонансные пики на характеристике используются как корректисы для компенсации провалов характеристики в другом месте путем соответствующей перестройки резонансной системы.

Возникновение в усилителе положительной обратной связи приводит в отдельных случаях к самовозбуждению усилителя на инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частотах.

Неравномерность сквозной частотной характеристики тракта, вызываемую "многопиковым" характером излучения громкоговорителей, к сожалению, нельзя устранить полностью никакими способами, в том числе и корректисами, однако общая неравномерность характеристики акустической системы уменьшается с увеличением количества громкоговорителей в системе.

Частотные искажения наиболее заметны при прослушивании звучаний с широким спектром (симфонические и большие эстрадные оркестры, джазовые ансамбли), меньше - при речевых передачах, сольном мужском пении под гитару, при воспроизведении электромузыки, не имитирующей какие-либо музыкальные инструменты.

Нелинейные искажения практически всегда ухудшают качество звучания, и к тому же музыкально тренированное ухо в состоянии фиксировать нелинейные искажения при к.н.и. порядка 2-3%, а на чистом тоне - и того меньше. Поэтому даже для аппаратуры стандартного Hi-Fi класса к.н.и. должен быть ограничен величиной порядка 2%.

Нелинейные искажения возникают в основном в следующих звеньях тракта (в порядке убывания их значимости): громкоговорители, мощные оконечные каскады УНЧ, фазоинверторы и предоконечные или предмощные каскады (драйверы).

Каскады предварительного усиления и трансформаторы (в том числе и выходные) при грамотном конструировании и тщательном выполнении создают незначительные нелинейные искажения.

Возникшие нелинейные искажения практически уже неустранимы, поэтому ни в коем случае не следует допускать их возникновения. Для снижения нелинейных искажений применяют неполное использование оконечного каскада по мощности и отрицательную обратную связь, однако мы рекомендуем радиолюбителям во всех случаях, независимо от других способов и параллельно с ними, метод, окончательной электрической регулировки тракта в целом по минимуму нелинейных искажений на его выходе.

Сущность метода состоит в том, что полностью собранный и отрегулированный по всем параметрам тракт включают на воспроизведение чистого тона от звукового генератора, имеющего коэффициент нелинейных искажений на один порядок ниже предусмотренного для данного тракта, устанавливают уровень сигнала, при котором выходная мощность несколько больше номинальной, например 1,2 Р_ном, и измеряют коэффициент нелинейных искажений на выходе тракта. Далее, не выключая усилителя, заменяют поочередно резисторы автоматического смещения, анодных и коллекторных нагрузок, питания экранирующих сеток, базовых делителей регулировочными переменными резисторами и, изменяя их сопротивление на ±5-15% от первоначального, наблюдают за показаниями измерителя нелинейных искажений, поддерживая неизменной выходную мощность.

Если изменение сопротивления регулировочного переменного резистора приводит к уменьшению искажений, нужно найти положение его движка, которое соответствует минимальным искажениям. После этого надо измерить получившееся сопротивление и заменить переменный резистор постоянным. Заменяя поочередно перечисленные резисторы переменными и подбирая их оптимальные сопротивления, в динамическом режиме добиваются минимально возможных нелинейных искажений тракта в целом.

Если при указанной выходной мощности нелинейные искажения окажутся в начале или в конце регулировки исчезающе малыми, нужно увеличить выходную мощность (т. е. увеличить напряжение сигнала на входе усилителя) до полученных заметных по прибору искажений. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в гл. 3.

Нелинейные искажения громкоговорителей нельзя снизить никакой регулировкой, поэтому для Hi-Fi трактов громкоговорители необходимо подбирать индивидуально и не использовать их на полную мощность. Как это делается, мы расскажем в разделе "Акустические системы".

Искажения динамического диапазона существуют во всех системах передачи звука (исключение составляют системы звукоусиления крупных залов, например зала Дворца съездов в Москве, зала "Октябрьский" в Ленинграде).

По ряду причин (прежде всего экономических) естественный динамический диапазон, достигающий 60-70 дб, при радиовещании или звукозаписи сужают до 35-40 дб (отношение напряжений 56-100 раз).

Искажения этого рода таковы, что если в системе полностью отсутствуют иные искажения, то слушатель затрудняется ответить, чем воспроизводимый звук отличается от естественного, хотя всегда обнаружит такое отличие. Чаще всего говорят, что воспроизводимый звук представляет собой "типичный радиозвук".

Наряду с рассмотренным искажением передачи громкости звукового сигнала, характеризуемым как сжатие динамического диапазона, существует иное искажение. В силу недостаточной звукоизоляции наших квартир мы в домашних условиях не можем воспроизводить музыкальные записи с громкостью, соответствующей естественной громкости их исполнения в студии, концертном зале или зале оперного театра. В домашних условиях мы воспроизводим музыкальные записи с заниженной против естественной громкостью. Происходит так называемое смещение уровней вниз. Вследствие особенностей нашего слуха это приводит к относительной потере "низов" и "верхов", т. е. к частотным искажениям. Поэтому при воспроизведении с пониженной громкостью необходимо поднимать частотную характеристику коэффициента передачи тракта на низших и высших частотах и тем больше, чем тише воспроизводится звук.

В начале книги было оговорено, что название Hi-Fi предполагает высокую верность воспроизведения звука, т. е., иными словами, звук, воспроизводимый в среде "Б", в идеальном случае ничем не должен отличаться для слушателя от звука в среде "А" (в студии, концертном зале).

Для этого прежде всего необходимо, чтобы в тракте отсутствовали искажения динамического диапазона. Если отбросить передающую сторону тракта (а именно так мы договорились в самом начале книги), то оказывается, что уже сейчас возможно создавать звуковоспроизводящие системы с динамическим диапазоном порядка 60-70 дб, что позволяет точно воспроизводить соотношения громкостей тех музыкальных программ, естественный динамический диапазон которых не превосходит соответственно 50-60 дб.

К сожалению, на сегодня подавляющее большинство самих источников сигнала, которыми может воспользоваться радиолюбитель, имеет ограниченный динамический диапазон (порядка 40-50 дб), поэтому для воссоздания естественного звучания приходится прибегать к расширению динамического диапазона.

Введение в тракт таких корректно хотя и искажает информацию, заложенную в источнике сигнала, но зато приближает воспроизводимый звук к естественному, т. е. учитывает и компенсирует те искажения динамического диапазона, которые возникли в процессе записи натурального сигнала на носитель в силу несовершенства записывающей аппаратуры.

Значимость искажений динамического диапазона в воспроизводящем тракте тем выше, чем больше динамический диапазон звучания подлинного источника - оркестра, хора и т. п.

Расширение динамического диапазона требует уменьшения уровня фона и шумов усилителя и создания значительного запаса по мощности.

В этом свете становится понятным стремление ведущих зарубежных фирм выпускать бытовые Hi-Fi стереоустановки с УНЧ, имеющими выходную мощность 2×30, 2×60 и даже 2×120 вт. По этой же причине в Hi-Fi усилителях (и особенно в экстра-усилителях) приходится идти на значительные усложнения схемы, чтобы снизить уровень фона и собственных шумов усилителя до величины -70÷-80 дб (по отношению к максимальному уровню сигнала).