Понятия. Вспомнить все.

Рубрика «понятия» - старейшая в «АвтоЗвуке» и, в отличие от многих других, ни разу не меняла названия, и, на мой личный взгляд – важнейшая. Тем не менее онлайновая версия журнала, как наиболее удобная форма ведения архива, услужливо и не без ехидства подсказала: самый свежий материал в этой рубрике заглянул в глаза читателю в 2002 году. Увы…

На то есть свои причины, о которых можно было бы и не говорить, однако можно и сказать, потому что резоны, оттеснившие хорошую (как мне кажется) рубрику, сами по себе тоже очень неплохи. Время изрядно поработало на отечественное car audio, если сравнивать, сколько техники, интересных установок, соревнований и прочего требовало внимания журнала три-четыре-пять лет назад и сколько сейчас, станет ясно: актуальные вещи вытеснили фундаментальные. Так всегда происходит, не только у нас.

Но дело даже не во времени, а в поколениях. Те, кто начинал читать «АвтоЗвук», например, студентом четвертого курса в 1999 году, сегодня может оказаться кандидатом наук, а если повезет – топ-менеджером или матерым предпринимателем. Некоторая, закономерно небольшая, но очень просвещенная часть этого народа сейчас имеет известность знатоков автозвука. Часть эта небольшая, знатоки – вообще не массовый товар. За отдельными сторонами жизни этих людей можно наблюдать по обсуждениям в сетевых конференциях, из наблюдений следует, что этим никакие «Понятия» больше не нужны, они сами все знают, забывать ничего не намерены, так что и вспоминать им нечего.

Так что если в вышележащих строках вы сейчас увидели определение себя самого, откажитесь сразу от намерения читать дальше, это не для вас, честное слово. Это для других.

Ведь одновременно (так устроено время: все происходит одновременно, в крайнем случае – одно за одним) сегодняшний старшекурсник или свежий выпускник вуза, горящими глазами всматривающийся в свое светлое будущее, в мелкий шрифт «Из рук в руки Авто» и, смею надеяться, в наши страницы, во время выхода первых статей в рубрике «Понятия» еще имел свободу выбора: идти в десятый класс или ну его. Вправе ли мы требовать от него, чтобы он тогда, на уроке географии, прочитал то, что ему, как оказалось, нужно знать сегодня? Не вправе, это и неразумно, и нелюбезно.

То, что читатель открываемой в этом номере серии есть, следует не только из теоретических соображений. Для примера в рубрике «из ящика» мы в этот раз привели письмо читателя по имени Роман с очень интересным перечнем волнующих его вопросов. Если пропустили, загляните сейчас на страницу 16, а потом возвращайтесь к этому месту. Писем такого рода немало, по большей части они остаются без ответа, но не без внимания. Это, признаюсь, одно из наиболее ярких, сильный получился бы план публикаций, не случись у нас к этому времени своего, не такого, признаюсь, радикального.

План таков: те, кому это надо, давайте, начиная с этого номера, шаг за шагом пройдемся по всем основным вопросам, понимание которых – необходимое условие понимания того, о чем мы пишем в регулярных рубриках. Пусть даже про это уже было, а сведения такого рода, например, обильно, но широко разбросаны во вводных разделах групповых тестов. По плану серия «Вспомнить все» будет именно серией в рубрике «Понятия», самое рубрику не вытесняя и не заменяя, поскольку есть еще группа читателей, которых я несколькими абзацами выше просил дальше не читать, но вам, оставшимся, скажу: для знатоков приготовлены другие материалы на знатоков.

А во «Вспомнить все» вопросы сами себе мы будем задавать предельно простые, а ответы постараемся давать предельно понятные, памятуя и о тех, кто в год открытия «Понятий» выбрал в отношении десятого класса не совсем то решение, которое нам по вкусу. С чего начнем? С того, о чем Роман в своем письме не спрашивает, полагая, что уж тут-то все ясно. На самом же деле у нас есть основания полагать, что нет в головах публики большей сумятицы, чем связанная с простым и вкусным словом «мощность».

МОЩНОСТЬ…КТО ЭТО?

«У меня колонки мощностью 200 Вт, а магнитола 4 х 50. Будут ли они играть вместе?» Да будут, будут, не волнуйтесь вы так. Но еще лучше будет, если все же разобраться, что понимается и под мощностью, и под ваттами. «Мощность», по школьному определению – работа, произведенная за единицу времени, для наших целей определение почти бесполезное. Нам удобнее по-другому, пусть и непривычно: мощность – это количество энергии, преобразованной в нужную нам форму в ту же самую единицу времени. Речь всегда идет о преобразовании, энергия никуда не девается, такая уж у нее привычка. Усилитель (пусть в магнитоле) получает готовую к употреблению электрическую энергию в форме постоянного тока от бортовой сети автомобиля и преобразует ее в электрическую, но в форме переменного тока, изображающего звуковой сигнал. Всю? Нет, примерно половину, остальное идет в тепло, отдаваемое воздуху небольшими радиаторами сзади на магнитоле или большими, «по всему телу» у отдельного, внешнего усилителя.

Динамик (пусть и притворившийся «колонкой») получает электрическую энергию в форме переменного тока и преобразует ее в механическую, теперь уже в форме долгожданных звуковых колебаний. Всю? Да как сказать…Не совсем. Коэффициент полезного действия динамика (раз уж пошли по школьному пути: отношение произведенной звуковой мощности к полученной электрической) практически никогда не превышает 0,5%. Куда деваются остальные 99,5%? А туда же, в тепло, вообще, любое устройство, созданное человеческим разумом (а равно и волей всевышнего) производит тепло плюс еще что-нибудь. С точки зрения преобразования энергии динамик на 99 процентов с копейками идентичен паяльнику. А в оставшейся половине процента – все: и басы, и верха, и детальность, и гениальные музыканты. Обидно? Да, но ничего лучше как-то не придумали.

И вот она, главная разница между мощностью усилителя и мощностью динамика: усилитель ее, можно считать, производит. А динамик – потребляет, не производя в обмен, как мы только что выяснили, почти ничего.

И когда мы говорим о мощности усилителя, то речь идет о том, что ОН ДАЕТ. А когда о мощности динамика – то о том, что ОН БЕРЕТ. А сколько один дает и сколько другой берет? В порядке поступления:

СКОЛЬКО ДАЕТ?

Вот усилитель. Пусть тот, что в магнитоле, пока наплевать, потом почувствуете разницу. Какая у него мощность? Да какая угодно, все зависит от того, какой уровень сигнала на входе, грубо говоря – в каком положении регулятор громкости. Мощность на выходе может оказаться 1 Вт, может – 10, может – 50, может…Подождите, должен же быть предел. Разумеется, но мы ведь не спрашивали, какая МАКСИМАЛЬНАЯ мощность. А максимальная у каждого своя. Она определяется тем, какое наибольшее напряжение переменного тока сможет создать усилитель на своем выходе, когда к выходу присоединена нагрузка, в виде динамика, обладающего каким-то сопротивлением. Мощность на выходе определится просто: как величина этого напряжения, возведенная в квадрат и поделенная на сопротивление нагрузки. Присоединили к выходу вольтметр и нагрузку, на вход подали переменное напряжение, для удобства измерения мощности – на какой-нибудь одной частоте, и смотрим. На выходе 2 В, когда к нему присоединена нагрузка 4 Ом. При таких измерениях к выходу, разумеется, подключают не акустику, а ее эквивалент в виде резистора, а то уши завянут. Возвели-поделили и получили: мощность на выходе ровно 1 Вт. Здесь есть небольшая засада, связанная с тем, что мы говорим о переменном напряжении, величину которого можно измерять по-разному. Чаще всего пользуются шкалой среднеквадратичных значений. В русском это слово длинное, поэтому привилось английское сокращение RMS (root mean square), означающее то же самое. Чтобы не вдаваться в детали, достаточно запомнить: для синусоиды значение напряжения RMS меньше амплитудного в 1,41 раза, то есть – в корень из двух. Мощность, указываемая в ваттах RMS – это та, что получена, когда напряжение при расчете взяли RMS, что логично. А если взять амплитуду напряжения, то мощность, во-первых, будет называться пиковой, а во-вторых, станет ровно вдвое больше, чем RMS.

Возвращаемся к усилителю. Один ватт – это несерьезно, прибавляем на входе. До каких пор будет расти напряжение на выходе и что его остановит? Остановит его ограничение сигнала. Усилитель питается постоянным напряжением, и то, что появляется как переменное на его выходе, не может быть больше напряжения питания на амплитуде. Нету там больше. И если мы будем наблюдать за сигналом на выходе, то в какой-то момент верхушки прежде изящной волны окажутся срезаны, там полуволна хотела перейти через верхний предел, напряжение питания. И обломилась. Откатываем сигнал на входе назад, пока ограничение не пропадет, и смотрим на размах сигнала. Он чуть меньше полного напряжения питания, потому что что-то теряется в выходных каскадах усилителя. Если усилитель питается (как в пресловутой «магнитоле») от бортовой сети автомобиля, то нижняя полуволна подойдет вплотную  к нулевой отметке, а верхняя – к уровню 12 В. Что получается? Амплитуда, будем считать, 6 В в каждую сторону, возводим-делим и получаем сказочную цифру 4,5 Вт. Проверьте, если не лень. Выходит, что по всей науке это – максимальное значение мощности на выходе магнитолы, питаемой от 12 В? А так и было лет двадцать назад. И так есть сейчас, если купить какой-нибудь Vitek или Eurotec за 400 рублей, наши коллеги из киевского журнала «FOR Z» провели не так давно серию таких экспериментов, избавив нас от этой печальной необходимости. К счастью, уже давно было найдено решение, позволившее если не выйти на грозные 4 х 50, то во всяком случае, уйти от скорбных 2 х 4,5. Это – мостовое включение усилителей, применяемое ныне во всех автомобильных головных аппаратах, за изъятием беспробудного отстоя наподобие упомянутого (для примера, ничего личного).

При мостовом включении на одну нагрузку работают два усилителя, включенные так, что размах синусоиды на выходе удваивается. По уже сообщенному нам способу посчитать выходную мощность это будет в четыре раза больше, чем 4,5 Вт, потому что напряжение возводится в квадрат, стало быть – 18. Примерно это значение имеет максимальная выходная мощность всех когда-либо испытанных нами головных аппаратов (в каждом из четырех каналов, разумеется).

Откуда берутся знаменитые 4 х 40 Вт, потом превратившиеся в 4 х 45, 4 х 50 и так далее? Что это, чистое вранье? Как-то не вяжется с образом именитых и более чем респектабельных производителей техники, а ведь эти цифры украшают лицевые панели всех марок: Alpine, Blaupunkt, Clarion и далее в порядке латинского алфавита Ведь когда речь заходит об отдельных усилителях тех же фирм, все становится честно и правильно, возможностей убедиться за эти годы было достаточно. Здесь две уловки, первая – техническая, и только вторая – маркетинговая. Техническая уловка заключается в том, что в современных «головах» применены усилители так называемого «класса Н», там есть специальная цепь, способная на короткое время дать выходным каскадам увеличенное напряжение питания. Стоит конденсатор, и пока все тихо, заряжается. А в  пиках громкости он оказывается подключен последовательно с питанием выходного каскада, и пик проскакивает без искажений, не касаясь макушкой потолка 12В. Но это если пик уровня сигнала совсем короткий, например – первый момент удара в барабан. Дальше, конечно, запас энергии иссякает, но дело уже сделано, даже два дела: действительно, на краткий миг максимальная мощность стала намного больше возможной при непрерывной работе, а во-вторых, появилась возможность об этом упомянуть. Не слишком акцентируя внимание на том, при каких условиях максимум выходной мощности стал таким. К чести респектабельных компаний (см. алфавитный список выше) надо сказать: часто в таблице технических характеристик на последней странице инструкции приводится и непрерывная мощность, с указанием, что это в ваттах RMS, и с указанием, какое было при этом напряжение питания, как правило, 14,4 В, потому что при этом «потолок» для выходной синусоиды приподнимается, и тогда в этой строке фигурируют именно 18-20 Вт на канал, случаи захода в третий десяток единичны.

Почему не их пишут на лицевой панели? Считайте это традицией, как цены на нефть в долларах за баррель, а на золото – за тройскую унцию. Тем более, как мы выяснили, формально – имеют право. А теперь быстро ответьте на контрольный вопрос: когда вы в последний раз видели автомобильные динамики, на которых была бы указана мощность МЕНЬШЕ 18 Вт? Поэтому всякие разговоры о «подборе» акустики к магнитоле или CD-ресиверу по мощности путем сравнения написанного на коробках с одним и другим смысла не имеют никакого. «А как же, - можете спросить вы, - у моего соседа по гаражу 100-ваттные «лопухи» захрипели и сгорели?»  А это, милые вы мои, произошло не от того, что мощности головного устройства было много, а оттого, что было мало МАКСИМАЛЬНОЙ мощности.

ГДЕ КОНЧАЕТСЯ МОЩНОСТЬ

Все видят, но мало кто обращает внимание: там, где всерьез, а не для красоты, в тройских унциях, указывается максимальная выходная мощность (например, на последней странице инструкции), рядом стоит и величина коэффициента нелинейных искажений, соответствующая приведенному  значению. У нас это сокращается в к.н.и., а в англоязычной инструкции будет выглядеть как THD и какое-то число со знаком процентов. Вспоминаем (или узнаем), что такое нелинейные искажения. Их иногда называют гармоническими (THD и означает Total Harmonic Distortion – общие гармонические искажения), что более правильно. Суть дела: когда усилитель работает идеально, сигнал на выходе будет отличаться от сигнала на входе только амплитудой, причем прямо пропорционально. Добавим коксу. Напряжение на выходе возросло на вольт с небольшим, как вдруг на спектрограмме вырос целый забор из гармоник, значит, выходной сигнал опасно близко подошел к предельно возможной амплитуде. По амплитуде гармоники вроде небольшие (верхняя шкала сильно растянута по вертикали), и в сумме они складываются в невеликий итог: меньше полпроцента. Но: вот этого забора раньше в звуке не было, а теперь он есть. Добавим еще – и вот, приплыли: на синусоиде стали отчетливо видны искажения формы, именно те, которых мы ожидали – выше питания не прыгнешь. А сигнал на выходе стал чудовищным, в реальной жизни мы услышим, помимо чистого тона 250 Гц, и далее до самых невозможных частот, утешение, что все они кратны 250 Гц довольно слабое, для слуха это или скрип, или хрип, в зависимости от основной частоты. Теперь вопрос из древнего анекдота: где талию делать будем? Что принять за максимальную выходную мощность? Если там, где искажений было еще совсем мало, то окажется 13,5 Вт RMS, как вы теперь понимаете, увидев, в чем указано выходное напряжение. Если там, где под полпроцента, то будет уже почти 19 Вт. А если согласиться с 10%, то получим сказочную для таких усилителей величину 23 Вт. но только лучше не соглашаться: видите, что кроется за этой неприметной цифрой?

Итог нашего анализа на первый взгляд парадоксален: с одной стороны, у усилителя есть только одна максимально достижимая выходная мощность, зависящая от напряжения питания и сопротивления нагрузки. Но при этом указать ее можно как угодно, вопрос в том, какой уровень искажений считать допустимым, традиционно для действительно мощных, внешних усилителей. значение максимальной мощности указывают при к.н.и., равном 1%. Для головных устройств изготовители предпочитают 10%, по причинам, уже не нуждающимся в комментариях.

И ВСЕ ЖЕ, ПОЧЕМУ?

Почему при таких, в общем-то, жалких значениях максимальной мощности усилителей головных устройств прицепленные к ним «200-ваттные» 6 х 9 начинают хрипеть, а то и гореть? почему хрипеть, вы уже видели: хрип – это гармоники, появившиеся на выходе усилителя при его перегрузке. Человек думает, что его могучая магнитола перегрузила динамик, а на деле «лопуху» что дали, то и играет, думая своими лопушиными мозгами, что так и надо. А почему же горят, если им такая мощность – как слону дробина? А давайте еще раз взглянем на результаты предыдущих опытов с искажениями, а потом их даже продолжим. Я там кое-что дорисовал: условные кривые, показывающие, какая часть частотного спектра попадает на низкочастотную головку (собственно «лопух»), а какая – на блок ВЧ-головок в его центре. Естественно, это относится в полной мере и к любой многополосной акустике, а у нас другой и не бывает. Вот играет что-то, и там есть мощная составляющая с частотой 250 Гц. Пищалка пока в отпуске: на голубом поле, изображающем ее рабочий диапазон, сигнала почти нет, и правильно, не ее это частота. Когда искажений становится полпроцента, что-то уже появляется, но пока ничего страшного, амплитуды невелики, а большая их часть попадает в область, где фильтр пищалки уже начинает отрезать ненужное. При 10% уже нехорошо: пищалке положен полный покой, а на нее валится куча гармоник, да еще с уровнем выше, чем содержание верхних частот в нормальной фонограмме. Пойдем дальше, до предела: выкрутим входной сигнал так, что после отрезания верхушек полуволн смирная синусоида превратится в сигнал почти прямоугольной формы, в котором гармоник за сорок процентов от основного сигнала. Вот здесь пищалке, скорее всего, хана. А ведь и усилитель у нас тот же, и частота по-прежнему «непищалочья». При некотором природном даре таким сигналом можно подпортить и мидбас. прямоугольные импульсы несут на выход намного больше энергии, чем синусоида, и электрическая мощность, которая при этом поступает на динамик, составит больше 50 Вт. Представим себе 50-ваттный паяльник, потом вспомним, что динамик – это паяльник на 99,5%, и судьба звуковой катушки, сделанной, в отличие от обмотки паяльника, не из нихрома, слюды и асбеста, а из гораздо более нежных материалов, перестанет выглядеть безоблачной.

Значит ли все это, что на мощность акустики можно вообще не смотреть? Не совсем. Надо просто смотреть несколько «по-другому». Этот взгляд на мощность «с другого конца» станет темой второго выпуска «Вспомнить все». Через месяц.

Сигнал на выходе обычного усилителя с 12-вольтовым питанием, как он выглядит на экране осциллографа. По горизонтальной оси – время, по вертикальной – напряжение. Ни при каких обстоятельствах синусоида, изображающая чистый тон одной-единственной частоты, не может упасть ниже нуля или перевалить через границу, установленную напряжением питания. Вообще-то это выходной сигнал обычного домашнего усилителя, амплитуду которого выставили на нужном уровне, для примера.

А вот это – реальный усилитель, аналогичный тем, что применяются в головных устройствах. С точки зрения величины сигнала на выходе такие усилители, собранные по мостовой схеме, равносильны усилителю с двухполярным питанием, в нашем случае ±15 В. Верхняя часть экрана принадлежит анализатору спектра. Трактовать его показания несложно, даже бывает увлекательно. По горизонтальной оси теперь частота, а по вертикальной – уровень сигнала на выходе на этой частоте. Как видим, главное, что есть на выходе – это усиленный сигнал частотой 250 Гц, поданный на вход. Но не только. Каждая «шпилька» - это гармоника основной частоты. Вторая гармоника – на частоте 500 Гц, третья – на 750 и так далее. Здесь «и так далее» не так много – уровень искажений очень низкий. Анализатор спектра – вещь крайне чувствительная, можно разглядеть, например, небольшой выступ на частоте 50 Гц: это наводки сети. А «трава» между столбиками гармоник – собственные шумы усилителя. Помимо суммарного уровня искажений (это то, что выражается в процентах), кое-какая информация содержится в уровне отдельных гармоник. Четные (с частотой вдвое, вчетверо, вшестеро и т.д. выше, чем основной тон) – признаки несимметричного искажения сигнала, нечетные, начиная с третьей – симметричного.

Амплитуда сигнала выросла на вольт с копейками, форма на глаз вроде бы не изменилась, но анализатор спектра не проведешь: сколько сразу всякой гадости появилось в выходном сигнале. И хотя гадости всего 0,4 %, это уже будет слышно, ухо по чувствительности превосходит лучшие приборы. Здесь можно разглядеть, что стала расти третья гармоника (на 750 Гц), то есть появились ранние признаки симметричного, сверху и снизу, ограничения сигнала.

Здесь уже нельзя не разглядеть, что сигнал стал ограничен, пытаясь перепрыгнуть через пределы, поставленные источником питания. Гармоник на выходе много, и преобладают нечетные (3-я, 5-я и т.д.), которые славятся тем, что наиболее неприятны для слуха.

Из предыдущего примера работы усилителя на мощности, далекой от максимальной. Наш тестовый сигнал в реальных условиях предназначен исключительно для мидбасового динамика, на пищалку его не пускает разделительный фильтр (синяя кривая, довольно условно). Пока все хорошо: на пищалке, кроме шумов, ничего и нет.

При искажениях 10% пищалка работает уже всерьез, и это при основной частоте 250 Гц. А ведь этом могло бы быть и 1 кГц, и 2 кГц, тоже частоты не для пищалки, и тогда уже вторая гармоника долбила бы по нежной майларовой диафрагме. Добро бы это было в записи, но ведь не было: пищалка работает «на износ» исключительно благодаря нечистоплотности усилителя.

Предел падения: усилитель перегружен настолько, что синусоида превратилась в череду прямоугольных импульсов. Это уже опасно не только для пищалки: мощность, заключенная в таком сигнале, намного больше, чем в синусоиде равной амплитуды, потому что прямоугольные волны «толще». Сейчас мощность на выходе составляет около 50 Вт, которые (за вычетом 0,4-0,5%) звуковая катушка должна переработать в тепло. Ей сейчас не стоит завидовать.

  Источник: журнал "АвтоЗвук", №1/2005,  рубрика "Понятия". Автор: Андрей Елютин