Автор Л. Борисов   город Омск.

Измерение и анализ спектрального состава выходных сигналов ламповых усилителей без общей обратной связи, влияющих на их звучание

1) Схема измерений и реальные характеристики тестируемых усилителей

О результатах тестирования различных ламповых и транзисторных усилителей исписано очень много страниц в различных журналах. Разницу в звучании различных усилителей с одинаковыми техническими характеристиками можно услышать только на достаточно качественных (нейтральных, без окрашивания) акустических системах. В данной статье предлагается измерить и проанализировать спектральный состав выходных сигналов двух ламповых усилителей с одинаковыми техническими характеристиками.

Первый ламповый усилитель двухтактный, без общей ОС, работающий в классе А. Номинальная мощность 12 ватт (без ограничения выходного сигнала), АЧХ от 15 Гц до 35 кГц при -3 дБ, THD=0,56% измеренный на нагрузке Rн=4 ома, на f=1 кГц при мощности усилителя в -10 дБ от номинальной. (THD-Total Harmonic Distortion-суммарный коэффициент искажений).

Второй ламповый усилитель однотактный, без общей ОС, работающий в классе А. Номинальная мощность 12 ватт (без ограничения выходного сигнала), АЧХ от 15 Гц до 35 кГц при -3 дБ, THD=0,56% измеренный на нагрузке Rн=4 ома, на f = 1 кГц при мощности усилителя в -10 дБ от номинальной.

Анализ спектрального состава выходных сигналов ламповых усилителей производился с помощью компьютера по схеме представленной ниже.

Сопротивление (Делитель) в 4 ома  выбран с учетом наихудшего согласования нагрузки, с внутренним сопротивлением выходных ламп измеряемого усилителя. В данной схеме используется генератор низкочастотных сигналов ГЗ-118 с THD=0,002% на f = 1 кГц (согласно технической документации) и милливольтметр В3-38 с высоким входным внутренним сопротивлением. Перед тем, как начать измерения по выше приведённой схеме, необходимо откалибровать звуковую карту и измерить реальный THD генератора ГЗ-118, и его спектр выходного сигнала по схеме приведенной ниже.

Если используемая звуковая карта действительно высококачественная, в спектре выходного сигнала генератора Г3-118 должны отсутствовать какие-либо гармонические ряды. Смотри график приведенный в таблице А.  Данное измерение получено с помощью ПО SpectraLAB, при частоте дискретизации 48 кГц.

После измерения суммарных коэфициентов искажений генератора Г3-118 и звуковой карты THD=0,01047%, можно начать реальные измерения спектра выходного сигнала тестируемых усилителей.

Первым измеряем двухтактный ламповый усилитель без общей ОС.

На графике хорошо видно основную частоту f = 1042 Гц ~ 1 кГц при THD=0,57551%. 3-я гармоника преобладает над 5-ой гармоникой. 5-я гармоника преобладает над 21-й гармоникой. 21-я гармоника преобладает над 2-й гармоникой. 2-я преобладает над 7-ой. В этом спектральном ряду отсутствуют четные гармоники (кроме маленькой 2-й), что является ярко выраженным свойством двухтактного усилителя подавлять (компенсировать) четные гармоники в выходном сигнале. Хорошо это, или плохо? С технической точки зрения, уменьшение общих гармонических искажений - это хорошо, но как это в действительности отразится на звучании усилителя - это вопрос СПОРНЫЙ!

Теперь будем слушать этот усилитель. В нашем распоряжении есть две пары акустических систем. Первая акустическая система  трех полосная JAMO Classic 8 c чувствительностью 90дБ и АЧХ 35гц - 20кГц с тканевым твитером  IMPEDANS = 4 ома. Вторая акустическая система рупорная, трёх полосная, собственной конструкции (на базе кинотеатральных модернизированных динамиков НЧ 25ГДН4, 1А20, PT25-2), где СЧ и ВЧ динамики имеют шелковые диафрагмы собственной конструкции. Чувствительность этой рупорной акустики 102 дБ, АЧХ 50 Гц - 20 кГц, IMPEDANS = 16 Ом.

Прослушивались сразу два испытуемых ламповых усилителей, первый двухтактный без общей ОС, второй однотактный без общей ОС. Музыкальный материал состоял из разнообразных CD дисков (рок, джаз, классика, электронная музыка, и т.д.). Большинство присутствующих, при контрольных прослушиваниях сошлись в едином мнении, что разница в звучании двухтактного и однотактного усилителей при прослушивании их на акустические системы JAMO Classic 8 незначительна. Звучание было яркое, с хорошими высокими, с хорошим басом (немного савбуферным).

Всё изменилось, когда были подключены рупорные акустические системы. Двухтактный и однотактный усилители, на одних и тех  же звуковых фрагментах зазвучали абсолютно по разному. Двухтактный усилитель воспроизводил быстрый динамичный бас, но его среднечастотное звучание деревянных духовых и струнных инструментов было похоже на их электронные аналоги. Женский вокал отличался сухостью голоса. Верхний диапазон был быстрый, но жесткий.

Однотактный усилитель напротив, очень естественно отыграл на средних частотах.  Деревянные духовых и струнные инструменты звучали натурально, женский вокал был очень выразительным. Бас звучал более мощно, но и более смазанным. Верх был звонким, с высокочастотным эхом. При одинаковых технических характеристиках, два усилителя звучали по разному.

При внимательном изучении таблицы №1 (смотри ниже), где измерен гармонический ряд выходного сигнала лампового однотактного усилителя без общей ОС. Не трудно заметить присутствие четных и не четных гармоник, которые характеризуются плавным спадом гармонического ряда по определённому математическому закону, что и позволяет нашему мозгу подсознательно оценить правильное звуковоспроизведение и построить из двухмерного стереофонического звука ГЛУБИНУ СЦЕНЫ. Этот механизм восстановления трехмерного звукового пространства, аналогичен нашему цветовому восприятию живописи. Все знают, что человеческий мозг может воспринимать плоское изображение на картине, как объёмное, при условии правильной передачи теней, полутонов и перспективы. Это объёмное восприятие не зависит от ширины мазка кисти, достаточно отступить от такой картины немного назад и наш мозг дорисует недостающие контуры и даст нам возможность увидеть эту плоскую картину в трехмерном изображении. Так и в музыке, правильные гармонические ряды увеличивают общие искажения, не ухудшая субьективное восприятие музыки, а не правильные гармонические ряды (как в живописи не правильные полутона и тени) разрушают обьем в музыкальном восприятии и перегружают наш мозг, вызывая субъективное отвращение к любой музыке. Вы зададите вопрос, почему духтактный усилитель с неправильным гармоническим рядом очень даже не плохо играл с акустической системой JAMO Classic 8? Да потому, что акустика JAMO Classic 8 гармонизировала своими гармониками (приукрашивала), выходной сигнал двухтактного усилителя.

2) Влияние общей обратной связи на спектральный состав выходного напряжения лампового усилителя мощности.

Значит, существуют другие электрические параметры, существенно влияющие на характер звучания усилителя. Один из этих параметров - гармонические ряды в выходном сигнале усилителя без общей ОС. Почему  везде упоминаю об отсутствии общей ОС в тестируемых усилителях? Дело в том, что в последующих измерениях спектрального состава выходного напряжения уже однотактного усилителя без ОС, будет добавлена неглубокая общая ОС в -7 дБ, -3дБ, -2дБ. Сделаем попытку анализа влияния общей ОС на качество звуковоспроизведения. Рассмотрим спектр выходного сигнала нашего однотактного усилителя (табл №1), причём входная лампа у него наша отечестенная 6Н2П.

На данном графике приведены измеренные гармонические ряды одного и того же однотактного усилителя без общей ОС (спектр   выделен зелёным цветом) и с введенной в усилитель неглубокой общей ОС в - 7 дБ (спектр выделен красным цветом). Очень хорошо видно, что при отсутствии общей ОС общие нелинейные искажения равны THD=0,56 %, а при введении в усилитель общей ОС в -7 дБ, изменяется и гармонический ряд в выходном сигнале усилителя, то есть общие нелинейные искажения становятся меньше и равны THD=0,21 %.

Как это уменьшение искажений повлияет на звучание усилителя? С технической точки зрения искажения уменьшились почти в 2,6 раза, что должно благотворно отразиться и на характере звучания однотактного усилителя - это не всегда так! Звучание однотактного усилителя с общей ОС в - 7дБ стало хуже, ПРОПАЛА ДЕТАЛИЗАЦИЯ И ОБЪЁМ (глубина сцены)!  Напротив, при отключении общей ОС увеличились общие нелинейные искажения фиксируемые измерительными приборами, но не фиксируемые экспертами при прослушивании, зато ПОЯВИЛАСЬ ДЕТАЛИЗАЦИЯ в звуке и ОБЪЁМ (глубина сцены)! Гармонический ряд входной лампы 6Н2П из Табл №1 (1 кГц - 0 дБ, 2-я гармоника = -48 дБ, 3-я гармоника = -58 дБ,  4-я гармоника отсутствует, 5-я гармоника = -72 дБ), без общей ОС создаёт самое естественное звучание деревянных духовых и струнных инструментов, женского и имужского вокала, а также разнообразных ударных инструментов,   порождает высокочастотное эхо от ксилофона и треугольника.  Одним словом звук есть! Изменения в звучании усилителя с общей ОС и без неё, хорошо прослушивается как на рупорную акустическую систему собственной конструкции, так и на JAMO Classic 8.

Теперь проделаем те же самые измерения, но с другими лампами  во входном каскаде тестируемого однотактного усилителя, подобрав рабочие электрические режимы, соответственно для каждой из ламп  (6Н2П-ЕВ, 6Н23П, 6Н1П, 6Н6П). Полученные данные для двойного триода 6Н2П-ЕВ отражены в табл. №2.

Полученные данные для двойного триода 6Н23П отражены в табл. №3.

Полученные данные для двойного триода 6Н1П отражены в табл. №4.

Полученные данные для двойного триода 6Н6П отражены в табл. №5.

Из всех тестируемых ламп, самое естественное звучание получилось у лампы 6Н2П без общей ОС. Лампы 6Н2П-ЕВ (табл. №2), 6Н1П (табл. №3), 6Н23П (табл. №4), 6Н6П (табл. №5), установленные во входном каскаде тестируемого усилителя, звучали хуже. Гармонический ряд входной лампы 6Н2П из табл. №1 (1 кГц - 0 дБ, 2-я гармоника = -48 дБ, 3-я гармоника = -58 дБ,  4-я гармоника отсутствует, 5-я гармоника = -72 дБ), без общей ОС создаёт самое естественное звучание деревянных духовых и струнных инструментов, женского и мужского вокала, а также разнообразных ударных инструментов,   порождает высокочастотное эхо от ксилофона и треугольника.  Одним словом звук есть!

Теперь о замечательных  лампах  6Н2П-ЕВ, 6Н1П, 6Н23П, 6Н6П. Эти лампы прозвучали хуже, чем обычная 6Н2П, только потому, что их гармонические ряды отличаются от лучшего гармонического ряда из таблицы №1. Лампы 6Н2П-ЕВ, 6Н1П, 6Н23П, 6Н6П могут очень хорошо звучать во входных каскадах других усилителей, другой конструкции, с другими режимами, при условии  получения с выхода   усилителя совместно с акустической системой спадающего гармонического ряда как в таблице №1.

Вывод:

1) Совсем незначительная общая обратная связь в -2 дБ ухудшает звучание тестируемого усилителя, делая его звук менее детальным, а звуковую сцену более размытой.

2) Для естественного и натурального звуковоспроизведения, тестируемые усилители должны иметь в выходном сигнале гармонические ряды, спадающие по математическому закону, как в таблице №1.

3) Для качественной оценки усилителей, уровень гармонических искажений должен иметь второстепенную роль и не должен превышать 0,7 %, а на первый план выходят гармонические ряды в выходном сигнале, измеренные на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 5 кГц, 10 кГц.

4) Для качественного звуковоспроизведения, усилителю необходимо подобрать  акустическую систему. Гармонические ряды, измеренные микрофоном на выходе этой акустики, должны изменятся по математическому закону, как в Таблице №1.

5) Правильный ламповый усилитель совместно с акустической системой, является гармонизирующим (окрашивающим)  и восполняющим собственными гармониками, недостающие гармонические ряды  звуковых CD носителей. К сожалению, современные цифровые носители  (CD диски) не являются  идеальными источниками звука. Ещё при записи и оцифровке звука, цифровой формат не в состоянии оцифровать длинные звуковые гармонические ряды, которые реально присутствуют при звучании живых инструментов.

С вопросами можно обратиться по адресу E-mail: leohornus@yahoo.com    

На главную

При использовании материалов статьи, ссылка обязательна.