Что такое демпинг-фактор? На что он влияет?

Предполагаемое время на прочтение: 11 минут(ы) Если начали читать эту статью, значит есть вопрос – “Что такое демпинг-фактор?” Это словосочетание частенько упоминается в литературе и на сайтах про аудиотехнику, при разговоре о колонках и усилителях и их взаимосвязи. Лично я мало обращал внимания на этот параметр. Знал о таком, но не придавал этим параметрам особого внимания.

Попробуем разобраться. Но учтите, не всегда можно объяснить всё своими словами, потому многие выражают свои мысли выдержками из научной литературы, где всё написано слишком заумным языком. Я таким языком практически не владею, ну может на начальном уровне, как и многие из вас, потому попробую выразить всё что знаю об этом – своими словами, что называется – “реально своими”.

Пролог

Все усилители мощности (УМЗЧ), через которые мы слушаем свои колонки, являются усилителями напряжения. Но бывают ещё и усилители тока, но они очень редко находят своё место в нашей “музыкальной жизни” и применение.

Идеальным усилителем можно считать такой, который выдаёт одинаковое напряжение на выходе не зависимо от подключенной к нему нагрузки (сопротивлению колонки). Такой усилитель должен иметь нулевое сопротивление на выходе. Но любой усилитель имеет какое-то своё сопротивление, а потому, выходное напряжение на нагрузке всегда будет зависеть от сопротивления самой нагрузки.

Так а при чем здесь демпинг-фактор?? Как раз подходим к этому ответу.

Что такое коэффициент демпфирования нагрузки

ВОПРОС

Собираюсь приобрести усилитель и в процессе выбора задался вопросом: что такое коэффициент демпфирования нагрузки? Его указывают в документации далеко не ко всем усилителям — он что, не важен?

На одном форуме читал, что демпинг-фактор на звук не влияет, поэтому нет смысла на него вообще смотреть. И указывают его, мол, только на старых моделях усилителей которые выпускают не один десяток лет с незначительными изменениями. Так ли это на самом деле?

Павел Зазыгин

ОТВЕТ

Под коэффициентом демпфирования (иногда его ещё называют демпинг-фактором) подразумевают отношение импеданса нагрузки (то есть акустики) к выходному сопротивлению усилителя. У идеального усилителя напряжение на выходе не должно зависеть от изменения нагрузки, но для этого он должен обладать собственным нулевым импедансом. На практике это, конечно, невозможно, хотя в своё время было разработано немало схем с отрицательным выходным сопротивлением. Речь идёт, естественно, о транзисторных усилителях, поскольку у ламповых моделей высокий импеданс обусловлен сопротивлением вторичной обмотки выходного трансформатора или внутренним сопротивлением выходной лампы, если схема бестрансформаторная.

Итак, чем ниже выходное сопротивление усилителя и, соответственно, больше демпинг-фактор, тем, по идее, меньше напряжение на выходных клеммах усилителя зависит от импеданса колонок. Это особенно важно, поскольку последний параметр в большинстве случаев зависит от частоты.

Ещё один важный момент: в громкоговорителе во время работы возникает противо-ЭДС, то есть катушка динамика не только движется в магнитном зазоре под воздействием переменного тока, но и в ней самой наводится электродвижущая сила. И хотя её амплитуда существенно меньше, чем у сигнала на входных клеммах акустики, она вызывает паразитные колебания диффузора, которые «размазывают» музыкальные импульсы. На слух в наибольшей степени это проявляется в нечёткости басов, гулкости и потере музыкального разрешения. Величина противо-ЭДС зависит от выходного сопротивления усилителя — чем оно меньше, тем слабее наведённый ток и тем менее заметно его влияние. При условии, конечно, что динамическая головка подключена предельно коротким проводом непосредственно к усилителю. Такое бывает — в активной акустике.

Естественно, это объяснение является предельно упрощённым, поскольку громкоговоритель — очень сложная электромеханическая резонансная система. Тем не менее даже из этой примитивной трактовки должно быть понятно, что высокое значение коэффициента демпфирования является благом. Вопрос только в том, как конструкторы добиваются его увеличения. Главным образом — за счёт увеличения глубины обратной связи. Одновременно снижается уровень искажений, выравнивается частотная характеристика, в общем, улучшаются все основные параметры усилителя. Однако в 70-х годах прошлого века инженеры обратили внимание, что глубокая отрицательная обратная связь увеличивает время реакции усилителя на быстрые импульсы в музыкальном сигнале, что пагубно сказывается на верности воспроизведения. Пришло понимание, что увеличение коэффициента демпфирования за счёт обратной связи приносит больше вреда, чем пользы. Более того, высчитанный по формулам или измеренный в лаборатории коэффициент на практике оказывается значительно меньше из-за кабелей и пассивных кроссоверов, имеющих собственное сопротивление — оно складывается с выходным импедансом усилителя, отчего реальный коэффициент демпфирования становится совсем небольшим. Вот почему производители и перестали бахвалиться высоким демпинг-фактором и указывать его в технических характеристиках усилителей.

Но тогда возникает вопрос: как гасить паразитные колебания, возникающие в динамике? Только за счёт механического демпфирования в акустике, чтобы паразитные колебания гасились и превращались в тепло внутри колонки. Естественно, это усложняет и удорожает конструкцию драйверов и акустического оформления. Вот почему мы всегда советуем брать колонки «на вырост» — более дорогие, чем вы можете, как вам кажется, себе позволить. Хотя и при выборе остальных компонентов системы следует действовать точно так же.

Демпинг-фактор

Представим работу динамика в колонке. Музыкальный фрагмент – игра одной палочкой на барабане… В момент удара палочки, катушка динамика вместе с диффузором перемещается в зазоре магнитной системы вперёд. А диффузор имеет свойство – возвращаться на своё место “покоя”. Вот как вы думаете – долго ли он будет возвращаться на “это место покоя” и что будет со звуковыми волнами, которые создает диффузор?

Диффузор возвращается назад до места “покоя” и даже дальше! Как мы понимаем, диффузор работает – как батут. Сначала сжимается, а потом пытается вернуться на своё место “равновесия”. Но в момент возврата диффузора и катушки, в последней наводится значительная ЭДС (электродвижущая сила). Через провод (который соединяет динамик и выход усилителя) происходит обратное движение этой ЭДС. Она не значительная, но как раз это, через сопротивление усилителя, и создаёт силу торможения диффузора (электрическое демпфирование). Но это не все силы и причины по которым диффузор останавливается.

Это одна из причин, а конкретно это явление, называется электрическим демпфированием громкоговорителя и в значительной степени определяет характер воспроизведения импульсных сигналов. Но кроме электрических, существуют и другие причины – механические и акустические. Об этом чуть позже, ниже по тексту.

И ещё вопрос. На какие частоты этот демпинг-фактор оказывает влияние? Сразу ответ – в основном, только на низкочастотный спектр. На ВЧ динамиках нет таких проблем, так как подвесы и диффузоры твиттеров не столь критичны к обратным ЭДС и ход самого динамика ничтожно мал, что бы это имело значение для демпфирования сигнала.

График демпфирования сигнала

Что такое демпфирование? По простому – это искусственное подавление колебаний.

На графике можно проследить, как затухает уровень сигнала от усилителя в зависимости от времени.

Вроде наглядно и понятно:

Желтая линия. Самая первая. Затухания диффузора вообще не наблюдается. Звук от динамика не прекращается, или очень медленно идет на спад. Тут можно представить теннисный шарик скачущий на столе. В идеальных условиях он может скакать несколько секунд. А для звука, эти секунды – порвут всю “картину” и мы будем слушать кучу эхо ударов барабана вместо отрывистого удара один раз. Или представить удар по одной чашке ударной установки – звон от неё будет слышен очень долго.
Зеленая линия. Здесь немного быстрее происходит затухание звуковой волны. Вероятно, что динамик немного справляется и самостоятельно гасит свои колебания. Но эффект “эхо” будет слышен.
Синяя линия. Удар по тарелочке уже будет звучать отрывисто. Как будто, после удара, саму тарелочку придерживают рукой.
Голубая линия. По тарелочке ударили в тот момент, когда её держали рукой. И звук получился даже не звонким, а скорее глухим и зажатым.
Красная линия – затухание практически идеальное. В звуке не будет ни каких призвуков от “ненужной” работы динамика при затухании колебаний. Колебаний практически нет или они на столько не значительны, что брать их во внимание – не имеет смысла. А на слух – они вообще ни как не будут заметны.

Из рассмотренной таблицы, лично я, могу сделать следующий вывод:

Чем выше показатель демпинг-фактора, тем меньше будет искажений и посторонних призвуков в звуковом тракте усилителя и акустики.

Усилители мощности

Усилители мощности звуковой частоты являются предпоследним звеном в цепи оборудования на пути от исполнителя до слушателя. Их качество работы в значительной степени определяет успех мероприятия, где используется звукоусиление. Современные требования к качеству звучания звукового материала весьма высоки, а звуковые мощности, используемые в музыкальной индустрии, — просто огромны.

Рассмотрим некоторые типы усилительных каскадов.

Класс А

Самым простым и качественным является усилитель, реализованный по схеме эмиттерного повторителя. Такие схемы называют усилителями класса А. Их особенностью является то, что ток покоя (ток при отсутствии входного сигнала) должен быть, по крайней мере, таким же большим, как максимальный выходной ток при пиковых значениях сигнала. В результате, схема в состоянии покоя рассеивает значительную мощность.

На Рис. 1 показана схема повторителя мощностью 10 Вт, который работает на нагрузку с сопротивлением 8 Ом.

Рис 1

Входной сигнал схемы может изменяться в диапазоне ± 15 В (пиковые значения) и отдавать в нагрузку мощность 10 Вт (эффективное значение 9 В на сопротивлении 8 Ом). В отсутствие сигнала выходной транзистор рассеивает мощность 55 Вт, а эмиттерный резистор — еще 110 Вт!

Несмотря на такие потери мощности, схема все же находит применение из-за низкого уровня нелинейных искажений. Однако эта схема из-за своей маломощности не используется в концертных системах.

Класс В

На Рис. 2 показана схема двухтактного повторителя.

Рис 2

Транзистор Т1 открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор Т2 — при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторного тока нет, и мощность не рассеивается. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт.

Переходные искажения в двухтактных каскадах

Схеме на Рис. 2 присуще следующее свойство: выходной сигнал отслеживает входной сигнал с разницей падения напряжения UБЭ; при положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, а на отрицательном интервале — больше. Для синусоидального входного сигнала выходной сигнал будет таким, как показано на Рис. 3.

Рис 3

Такое искажение называется переходным или типа «ступенька».

Для снижения переходного искажения двухтактный каскад смещают в состояние проводимости. На Рис. 4. показана самая простая схема смещения.

Рис 4

Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря этому напряжение на базе Т1 превышает входное напряжение на величину падения напряжения на диоде. Аналогично и для Т2. Теперь, когда входной сигнал проходит через нуль, проводящим транзистором вместо Т1 становится Т2; один из выходных транзисторов всегда открыт.

Такие схемы называют усилителями класса В. Они имеют один серьезный недостаток — не обладают температурной стабильностью. По мере того, как выходные транзисторы нагреваются, ток коллектора возрастает. Это вызывает выделение дополнительного тепла и возникает вероятность возникновения неконтролируемой положительной тепловой обратной связи (саморазогрев), что ведет к выходу транзисторов из строя. Даже если этого не произойдет, необходимо обеспечить более надежную работу схемы.

Класс АВ

Среди разных схемотехнических решений в сфере профессионального театрально-концертного звукоусиления наибольшей популярностью пользуются усилители класса АВ, выполненные на биполярных транзисторах, из-за их экономичности, достаточно малого уровня нелинейных искажений и относительной простоты схемотехники.

В этих двухтактных усилителях смещение используется для получения достаточно большого тока покоя в момент перехода сигнала через нуль. Подразумевается, что в течение некоторого интервала времени оба транзистора находятся в состоянии проводимости. При выборе тока покоя ищется компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя. Для повышения температурной стабильности используются порой весьма изощренные схемы смещения. Почти всегда для ослабления переходного искажения используется глубокая отрицательная обратная связь.

Класс D

Их также называют ШИМ-усилителями, и это правильно, а вот называть их «цифровыми», как иногда случается, совершенно неправильно. В этих усилителях выходные транзисторы работают в ключевом режиме. Сигнал, усиливаемый выходными транзисторами, представляет собой широтно-модулируемые высокочастотные импульсы (сотни МГц). Теоретически КПД такого усилителя может приближаться к 100%, т.к. выходные транзисторы или закрыты и тока через них нет, или полностью открыты, и ток течёт в нагрузку, практически не вызывая падения напряжения на транзисторах. Потери возникают в транзисторах в моменты их переключения (кратковременный режим класса А) и, очевидно, зависят от быстродействия транзисторов и частоты следования импульсов. При этом увеличение частоты импульсов улучшает качество звучания усилителя. Это только один из компромиссов, которые возникают при разработке широтно-импульсных усилителей. Кроме того, этим усилителям свойственен большой уровень электромагнитного излучения, сложность схем и низкая ремонтопригодность — касание щупом осцилографа некоторых точек может привести к выходу из строя большей части схемы. Впрочем, ремонт этих усилителей обычно сводится к замене модулей или плат, и производители выпускают достаточный ассортимент ремкомплектов.

Зато, как сказано, эти усилители имеют невероятно высокий КПД, более 90%, т.е. почти вся потребленная энергия превращается в звуковой сигнал, в том время как у традиционных усилителей КПД находится в районе 50%. Кроме того, ШИМ-усилители часто оснащаются корректорами фактора мощности, т.е. при падении напряжения в сети они не снижают уровня выходного сигнала, что является очень важным преимуществом для наших условий.

Параметры усилителей

Мощность. Нормируется при определенном уровне гармонических искажений. Иногда публикуется два значения мощности для двух разных уровней гармонических искажений.
Уровень нелинейных искажений (THD). Оценивается, в первую очередь по коэффициенту гармоник — отношению среднеквадратической суммы напряжения (или тока) высших гармоник сигнала, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (или току) основной частоты.
Уровень интермодуляционных искажений (IMD). Искажения проявляются в виде появления суммарно-разностных (комбинационных) гармоник, возникающих в результате нелинейности при подаче двух гармонических сигналов. Обладают достаточно большой заметностью на слух.
Демпинг-фактор (коэффициент демпфирования) — отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. Большее значение демпинг-фактора способствует лучшему воспроизведению атаки звукового сигнала и меньшему проявлению резонансных свойств акустических систем.
Частотный диапазон — частоты, воспроизводимые усилителем при нормированном уровне спада и подъема (неравномерности), обычно при ± 0,5 дБ для диапазона 20 Гц…20 кГц, или +1/-3 дБ при диапазоне 5 Гц…100 кГц.
Отношение сигнал/шум (дБ) — это отношение максимального уровня сигнала при допустимых искажениях к уровню внутреннего теплового шума элементов усилителя в отсутствие входного сигнала.
Перекрестные помехи (дБ). Степень проникновения сигнала из канала в канал.

Экономичность усилителей

КПД двухтактных усилителей без учета тока покоя и прочих тепловых потерь (как правило, незначительных) составляет 0,5. Для повышения КПД в усилителях большой мощности (более 0,5 кВт) иногда применяют хитроумные схемы со ступенчатыми источниками питания. То есть, при работе на малых сигналах усилитель питается от низковольтного источника, на больших — от высоковольтного.

«Транзисторное» звучание

Несмотря на все ухищрения, такие, как введение глубокой отрицательной обратной связи, использование изощренных схем смещения двухтактных усилителей и т.д., усилители на биполярных транзисторах обладают жестким или «транзисторным» звучанием. Это отражается не столько в технических параметрах, которые у современных усилителей превосходны, сколько в результатах экспертных оценок усилителей. Обусловливается это свойствами биполярного транзистора резко входить в состояние проводимости и давать глубокое насыщение при максимальных сигналах. В результате спектр гармонических искажений усилителей на биполярных транзисторах весьма широк (вплоть до 11-й…15-й гармоник), богат «неприятными» нечетными гармониками, что и порождает характерное звучание даже при небольшом общем уровне гармонических искажений. Лучшие показатели в этом смысле имеют полевые транзисторы (MOSFET) и электронные лампы (Рис 5). Поэтому, усилители, выполненные на этих приборах, занимают свою достойную нишу в общей массе звукотехнического оборудования.

Рис 5

Устойчивость усилителей

В некоторых усилителях при определенных условиях эксплуатации возможно возникновение самовозбуждения, т.е. генерации на высокой (ультразвуковой) частоте. Этому способствует большая глубина обратной связи схемы усилителя и комплексный характер импеданса акустических систем. Естественно, больше всего при этом достается высокочастотным компонентам акустических систем. Для предотвращения самовозбуждения в схемы усилителей вводят специальные цепи и применяют более высокочастотные компоненты.

Комплектующие усилителей

Пожалуй, наиболее сильно общие показатели усилителя определяют параметры выходных транзисторов. Кроме предельно допустимых (максимальные напряжение, ток, мощность, температура) важны и такие параметры, как тепловое сопротивление корпуса, напряжение насыщения и т. д. Весьма большое значение имеют динамические (скоростные) параметры. Чем «шустрее» транзисторы, тем возможна большая глубина обратной связи без опасности возникновения самовозбуждения. В технологии производства транзисторов ряд параметров являются компромиссными. Поэтому, для достижения большой мощности включают необходимое количество транзисторов параллельно, но тогда становится важным еще один параметр — разброс параметров.

Требование сочетания параметров выходных транзисторов всегда заставляло производителей искать транзисторы, изготовленные по самым совершенным для своего времени технологиям.

Конструкция

Усилители, предназначенные для концертной работы, должны иметь прочное рэковое исполнение. Для принудительного охлаждения используются вентиляторы. В «продвинутых» моделях частоту вращения вентилятора делают зависимой от температуры выходных транзисторов. Это способствует меньшему накоплению пыли внутри корпуса усилителей. Важна также и организация потока охлаждающего воздуха. Лучше, когда основной поток проходит по специальным тоннелям, охлаждая выходные транзисторы и меньше охватывая остальные схемы. Приветствуется также и наличие воздушного фильтра, который можно легко почистить.

Схемные соединения тоже должны быть весьма надежными. Следует иметь в виду, что ненадежные контакты (как обрывы, так и замыкания) зачастую ведут к выходу из строя усилителя, а иногда и всей акустической системы.

Вообще следует заметить, что в концертных звукотехнических системах усилители — это самое ранимое место. Действительно, компоненты схем, работая при весьма больших напряжения и токах, подвергаются всевозможным, порой суровым, внешним воздействиям, таким как высокая температура, влажность, вибрация, агрессивные среды (ветер и брызги с моря, пепел от салюта и т.д.). Не говоря уже о таких повседневно встречающихся вещах, как перегрузки по мощности и нестабильность напряжения электрической сети. Поэтому, высокая надежность усилителей — одно из самых важных условий успешного проведения концертных мероприятий.

Особенности схемотехники концертных усилителей

Стандартными являются двухканальность (два усилителя в одном корпусе), наличие симметричных (балансных) входов и возможность мостового (BRIDGE) включения.

При мостовом включении входной сигнал подается на один канал усилителя непосредственно, а на второй — через инвертор. Нагрузка включается между выходами каналов. При этом напряжение на нагрузке и, соответственно, ток в два раза больше, чем при обычном включении. Поэтому импеданс нагрузки при мостовом включении должен быть в два раза больше. То есть, если для каждого канала усилителя нормирован минимальный импеданс нагрузки как 4 Ом, то для мостового включения он нормируется значением 8 Ом. (Рис 6).

Рис. 6

В качестве аксессуаров некоторые производители предлагают набор встроенных, встраиваемых или включаемых в заднюю панель модулей, в качестве которых могут выступать лимитеры, кроссоверы, балансные трансформаторы и т. д.

Защита усилителей

В музыкальной индустрии эксплуатация звукотехнического оборудования происходит порой в весьма тяжелых условиях. Поэтому, производители мощных усилителей принимают все возможные виды защиты. К ним относятся защиты:

от превышения максимального уровня сигнала (как правило, применяется RMS-лимитер, иногда отключаемый);
от превышения максимального выходного тока;
от перегрева;
от появления постоянного напряжения;
от пропадания одного из питающих напряжений;
от щелчка при включении акустических систем (задержка).

В отдельных моделях предусмотрена встроенная защита акустических систем. Это обычно симистор, закорачивающий выход усилителя в аварийных ситуациях и тем самым спасающий акустические системы.

15 сентября 2015

Станислав Баранов

О демпфировании

Сам динамик является достаточно сложной колебательной системой, которая может иметь несколько частот резонанса (механический резонанс, резонансы подвеса, диффузора..). И при воспроизведении какого либо сигнала, возникают колебания на резонансных частотах. И если демпфирование слабое, то даже после того, как пропадает этот сигнал, затухающие колебания могут продолжаться. Это, в свою очередь, будет сопровождать воспроизведение звуков дополнительными призвуками, окрашивающими звучание.

При проектировании и изготовлении акустики важно правильно учитывать этот фактор и задемпфировать громкоговоритель так, чтобы собственные колебания затухали как можно быстрее. Для демпфирования динамика имеется всего три средства, о которых чуть выше упоминалось:

Механическое демпфирование. Здесь определяются потери на внутреннее трение в подвесе.
Акустическое демпфирование. Акустическое оформление имеет свои особенности, о которых нужно знать, понимать и не забывать.
Электрическое демпфирование. Это средство определяется выходным сопротивлением усилителя. Часто, в параметрах усилителя, указывается и такой параметр как “демпинг-фактор”.

Немного развернуто.

Механическое демпфирование головки закладывается ещё на стадии проектирования. Определяется конструктивная особенность динамической головки и потом, позже, изменить каким либо способом этот параметр практически невозможно. Тут мы безсильны.

Акустическое демпфирование вполне реально провести. Именно этот параметр проще всего изменить, улучшить показатель. Изменить как? Проклеить внутреннюю часть корпуса акустики вибро и звукопоглащающим материалом (об этом мы много раз говорили и приводили примеры даже на своём опыте, при доработке акустики). Так же, можно изменить конструктивное оформление среднечастотных и ВЧ динамиков. Здесь можно внести значительное улучшение в этот фактор, если не слишком перестараться.

Но более значительный вклад в демпфирование вносит другой фактор – электрическое демпфирование. Это основной инструмент воздействия на переходные процессы между динамиком и усилителем. И тут мы не можем что-то изменить, ведь усилители выпускают огромные заводы, где трудится большое количество специалистов, инженеров – они то знают, что делать. Но здесь не стоит расстраиваться – производители усилителей об этом параметре знают и заботятся о соблюдении необходимых технических характеристик.

Очень часто, производители не указывают этот параметр (демпинг-фактор) в документах на усилитель, но это и не беда. На сегодня, практически все усилители соответствуют предъявляемым требованиям по этому вопросу.

Главная страница
Усилители
Характеристики усилителей

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 – все 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.
Демпинг-фактор (или коэффициент демпфирования).

Дополнительно могут указываться:

Коэффициент интермодуляционных искажений.
Скорость нарастания выходного напряжения.
Перекрестные помехи.

Разумеется, в паспорте присутствуют и немаловажные эксплуатационные характеристики:

Напряжение питания.
Максимальная потребляемая мощность.
Масса.
Габаритные размеры.

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 2х1000W 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 определенную 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 1Вт, 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 советские усилители заметно проигрывали на слух западным, 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 еще 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 RMS, PMPO и DIN POWER:

RMS (Root Mean Squared) – среднеквадратичное значение мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Как правило, измерение проводится на 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, усредненное значение будет мало о чем говорить. Стандарт RMS был одной из неудачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры и имеет весьма ограниченное применение — усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности нужно еще поискать. До достижения максимальной мощности, искажения не превышают зачастую сотых долей процента, а потом резко возрастают.

PMPO (Peak Music Power Output) — максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS). Как следует из описания, параметр PMPO — виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях на усилители, 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% КНИ.

DIN POWER — значение выдаваемой на реальной нагрузке мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Измерения проводятся в течении 10 минут с помощью сигнала частотой 1 кГц при достижении 1 % КНИ.

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% КНИ.

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 W (8 Ω, 20 – 20000 Hz, 0,1% THD) 750 W (8 Ω, 1000 Hz, 0,1% THD)

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.

Можно добавить, что каждый усилитель рассчитан на определенное 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, далек 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 удается, да и акустическая система имеет АЧХ с более существенными провалами и подъемами.

Частотный диапазон

указывается при нормированной неравномерности амплитудно-частотной характеристике, выраженной в относительных величинах. Самые удачные модели усилителей имеют неравномерность АЧХ +/-0,1 дБ в диапазоне от 20 до 20000 Гц. Если при измерении принять стандартную неравномерность амплитудно-частотной характеристики 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, искаженному 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 (четная/нечетная), а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.

Типовое значение THD для Hi-Fi усилителя составляет 0,1%. Однако, уже не раз отмечалось: усилитель с THD 0,001% может оказаться хуже по звуку, чем другой, с THD 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 100дБ. 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 ОСШ 95 и 100 дБ?!

Демпинг-фактор (коэффициент демпфирования)

Коэффициент демпфирования определяется как отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя и характеризует способность 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 и от сопротивления разъемов 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 (THD). Измерения проводятся с помощью гармонического сигнала. При подобном тестировании на выходе усилительного тракта появляются высшие гармоники, частота которых кратна частоте основного тона. Однако, как уже упоминалось, музыкальный сигнал далек от гармонического. Более того, любой музыкальный инструмент воспроизводит не только основной тон, но «обертона», которые являются ярким примером гармонических искажений. Известно, что наличие в музыкальном сигнале «обертонов» вовсе не портят, а обогащают звук. Поэтому очень важно указывать не коэффициент гармонических искажений, а весь спектр выходного сигнала, из которого можно определить тип (четные или нечетные) паразитных гармоник и их уровень относительно полезного сигнала. С точки зрения психоакустики, например, наличие в выходном сигнале ощутимых по уровню четных гармоник воспринимается на слух лучше, чем наличие малых нечетных.

Наибольший вред музыкальному сигналу приносят интермодуляционные искажения (Inter Modulation Distortion), которые возникают при подаче на вход нелинейной системы мультитонового 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 возвращенных 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, 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 обратной связью. 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.

Перекрестные помехи

Данный параметр определяет степень проникновения сигнала из одного канала в другой. Высокий уровень перекрестных помех приводит к незначительному ухудшению четкости восприятия стереобазы. Однако чуткий слушатель сразу ощутит, что звук не дает представления о взаимном расположении и размерах музыкальных инструментов, т.е. отсутствие или нечеткость звуковой 3D картинки.

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 звездочек в многочисленных рейтингах и наклеек типа «Gold Design» на корпусе устройства. Вне сомнений, это также является характеристикой усилителя мощности.

Немного цифр, но без формул

Сейчас немного науки. Есть такой стандарт прошлого века, употребляемый в Hi-Fi технике – DIN45500. В соответствии с ним, минимальная величина демпинг-фактора должна составлять не менее 20 единиц. Как к этому пришли? Есть история, как опытным путем выявили эту зависимость. В 20-м веке, на заре поисков высококачественного звука, использовались ламповые усилители, которые имели высокое выходное сопротивление. В результате экспериментов было выведено, что минимальная величина коэффициента демпфирования должна быть от 5 до 8 единиц, не меньше.

Но после появления транзисторных усилителей, этот параметр удалось без особых трудностей улучшить, и был принят тот стандарт – не менее 20 единиц.

Как это понять, что это за единицы? Если не по научному, а из практики, как и в чём это выражается? Это значит, что сопротивление выхода усилителя при работе с акустикой 4 Ом, не должно быть выше 0,2 Ом. Но каждый проводник (провод) имеет своё сопротивление. Как мы уже измеряли здесь (Каким проводом лучше подключать акустику?, провод по любому имеет сопротивление. И получается, что провод (кабель) который соединяет усилитель и акустику вносит свою лепту в этот демпинг-фактор.

Сегодня, любая уважающая себя компания по производству радиоаппаратуры, доводит цифру демпинг-фактора до идеала. Не часто можно найти в характеристиках показания этого параметра ниже 50-70 единиц. А при использовании усилителей класса D параметр выглядит совсем фантастическим – 2000 и выше. И этот параметр пытаются выставить, как самый важный из всех, хотя на самом деле – это не так важно. Но об этом чуть ниже.

Немного теории

В реальности, усилители обладают некоторым выходным импедансом. В хорошей конструкции он очень мал, порядка сотых долей ома. ДФ выражает его в виде отношения с импедансом нагрузки, так что усилитель с выходным импедансом 80 миллиом, нагруженный на 8-омный динамик, будет иметь ДФ 8/0.08=100. Усилитель с выходным импедансом 8 миллиом будет иметь ДФ 8/0.008=1000. Коэффициенты демпфирования отличаются сильно, но разница в работе усилителя составляет лишь малую часть ома.

Не всегда понимают, что ДФ меняется в зависимости от частоты, оставаясь постоянным на низких частотах (скажем до 1 кГц) и падая в высокочастотной части диапазона. В паспортных данных всегда приводится значение на низких частотах.

Проблема с термином «Коэффициент демпфирования» в том, что название подразумевает, будто он сильно влияет на демпфирование громкоговорителя, но это не так. Конечно, на резонанс НЧ головки громкоговорителя влияет последовательное сопротивление ее электрической цепи, но почти все оно состоит из сопротивления катушки динамика, которое обычно находится в пределах 5-7 ом. Кроссовер (фильтр) добавляет еще порядка 1 ома, да еще соединительный кабель вносит порядка 1/4 ома. Ясно, что выходное сопротивление хорошего усилителя составляет совсем незначительную долю в этом сопротивлении, и таким образом, разница между ДФ 100 и 1000 с точки зрения демпфирования громкоговорителя пренебрежимо мала. (К тому же низкочастотный резонанс громкоговорителя тщательно выбирается его разработчиком и его произвольное изменение вряд ли улучшит звучание.)

Это не значит, что выходной импеданс усилителя не имеет значения. Нагрузка, которую громкоговоритель представляет для усилителя, сильно зависит от частоты, так что если выходной импеданс велик, уровень выходного сигнала будет изменяться с изменением частоты, внося нежелательные изменения в частотную характеристику системы. Чем ниже выходной импеданс, тем лучше.

Акустический кабель, как составляющая демпинг-фактора

Как профессионалы говорят: “лучший кабель – это его отсутствие!” Что это значит? Что бы подключить акустику к усилителю безспорно, нужен провод. И много споров по поводу его длины, качества и сечения. Но одно здесь одно верно – чем короче, тем лучше! Не будем сильно тут углубляться, но немного разберем влияние длины кабеля на демпинг-фактор.

Акустический кабель может значительно испортить качество звучания акустики. Сопротивление самого усилителя суммируется с сопротивлением кабеля и всё это становится составляющей показателя демпинг-фактора. К примеру, кабель длиной примерно 2 метра имеющий сопротивление 0,04 Ом – это очень даже достойный показатель. Но, если усилитель имеет выходное сопротивление 0,01 Ом, то на нагрузке 4 Ома с таким кабелем показатель демпинг-фактора снизится с 400 до 80. Здесь нет повода – особо переживать, существенного снижения качества воспроизводимого звука не будет.

Но как мы уже здесь (Как выбрать сечение для акустического кабеля?) разбирали, если использовать тоненький проводок, который часто идет в комплекте с акустикой, или использовать провода, которые имеют скрутки, с общим сопротивлением 0,3…0,4 Ома, то демпинг-фактор может упасть до 10. И тут уже ни какие “навороченные” показатели усилителя и акустики не “вытянут” этот фактор до приемлемого.

Часто можно услышать, прочитать в отзывах, что после замены “штатных” акустических проводов на “нормальные” – появляется “правильный басс”, и звук становится более разборчивым, акустика как-бы начинает звучать по другому. А всё потому, что при использовании нормального провода, динамики колонок лучше контролируются усилителем, резко увеличивается показатель электрического демпфирования. Получаем точную, сочную звуковую картинку, без лишних призвуков.

Потому, при выборе акустического провода, важно учитывать момент – сопротивление получаемой цепи. В расчет не берем сам усилитель. Мы “подразумеваем”, что он изначально соответствует требуемым параметрам по сопротивлению на выходе.

Пример расчета демпинг-фактора

К примеру, имеется акустика сопротивлением 6 Ом. Делим это значение на минимальный желаемый показатель ДФ, к примеру на 30. Получается 0,2 Ома.

Потом считаем длину провода, точнее сопротивление по всей длине. К примеру, провода, сечением 1,5 мм2, проложены по плинтусу и общая длина получается 7 метров в одну сторону и плюс ещё 7 – обратно, итого – 14. Сопротивление посчитали – 0,6 Ом. Такой провод не подходит. Под этот провод нужна акустика с сопротивлением 16-18 Ом.

Рассчитаем быстро для 16-омной акустики демпинг-фактор. 16 Ом / 30 = 0,53 Ом. А для 6-омной должно быть 0,2 ома. Разница однако значительная.

Тут есть выход – использовать акустический провод сечением 2,5 мм2. У него сопротивление будет значительно меньше и показатель демпинг-фактора будет в норме.

Можно ли этот демпинг-фактор услышать?

Этот показатель может сразу услышать и понять, что что-то не так, только профессионал с натренированным ухом (слухом). Он много чего слышал и поймет, что не так со звуком. А вот простым любителям музыки – эта заморочка с демпинг-фактором, по моему,- “до лампочки”.

При расчете длинны провода, нужно просто банально учесть его сечение. Не использовать скрутки. И тогда можно получить ощутимый “плюс” от акустики и усилителя, прослушивая свои любимые композиции. А по поводу позолоченных клемм и посеребрённых проводов, “лыжной мази” – дело сугубо личное, но это уже другая история.

Выводы

Подводя итоги всему сказанному, попробую коротко сформулировать свои выводы, связанные с понятием демпинг-фактора:

Вопросы к коэффициенту демпфирования имеют значение только в низкочастотном спектре, где влияние комплексного импеданса акустики достаточно велико;
Короткие акустические кабели (до 4-6 метров), сечением не менее 1,5 мм², не оказывают значительного влияния на демпинг-фактор современного усилителя и на всю получаемую звуковую картину;
Акустические системы с высокой выходной мощностью, которые подключены длинными проводами, требуют значительных затрат на акустический кабель (его сечение). Это важный момент;
Если пробовать самостоятельно рассчитывать требуемые параметры акустического кабеля, то за основу можно взять величину удельного сопротивления кабеля сечением 2,5 мм² в 0,006 Ом на 1 метр. Это будет правильно.
Штатные провода и тонкие кабели для акустики (к примеру в акустике 5.1), почти у всех производителей, подлежат обязательной замене на акустические провода сечением равным минимум в 1,5 мм2, лучше – 2,5 мм2. Это еще один полезный вывод.
Особо не парится по поводу этого демпинг-фактора, так как технологии и разработка схем усилителей уже “устаканеный” момент, а потому, не требует особого внимания изучение характеристик приобретаемого усилителя именно по этому параметру.