Как выбрать усилители для работы в биампинге?

Биампинг организован следующим образом: используется электронный кроссовер и по два усилителя мощности для каждого из стереоканалов, рис. 1.

На первый усилитель с кроссовера поступает высокочастотный сигнал (ВЧ = HF), и к этому усилителю подключают высокочастотный громкоговоритель – твитер (twitter). На второй усилитель с кроссовера поступает низко-среднечастотный сигнал (НЧ/СЧ = LF/MF). И к этому усилителю подключают низко-среднечастотный громкоговоритель (мидвуфер = midwoofer). На самом деле акустическая система может быть и трёхполосной, тогда НЧ и СЧ каналы разделяются пассивным кроссовером внутри неё. Но и в этом случае в системе усилителей ничего не изменяется.

Такая конструкция звуковоспроизводящей системы обладает рядом преимуществ, обеспечивая более высокое качество звучания по сравнению с традиционной. Разумеется, при сопоставимом качестве усилителей в каждом из частотных каналов.

Известно, что в звуковом сигнале мощность высокочастотных составляющих относительно невелика. Поэтому возникает желание сэкономить и использовать для воспроизведения высоких частот более простой и дешёвый усилитель, имеющий мощность меньше, чем используется для воспроизведения низких и средних частот.

Действительно, при суммарной выходной мощности обоих усилителей биампинга, равной 100 Вт, на высокочастотный громкоговоритель будет приходиться примерно 10 Вт. А остальные 90 Вт – это доля мидвуфера. Поэтому и появляется желание использовать для ВЧ канала усилитель с максимальной выходной мощностью 10 Вт, а для НЧ/СЧ канала использовать усилитель с максимальной выходной мощностью 90 Вт.

На первый взгляд всё логично. Но так ли это на самом деле?

Качество звучания простого и дешёвого усилителя ВЧ канала может оказаться ниже, чем у более сложного и мощного усилителя для НЧ/СЧ канала. Кроме того, пытаясь сэкономить на усилителе ВЧ канала, вы можете создать себе большие дополнительные проблемы.

На самом деле попытка сэкономить на усилителе для высокочастотного канала в биампинге – плохая идея.

Если вы хотите получить максимально высокое качество звука — усилители в обоих частотных каналах должны быть одинаковыми.

И для такого решения существует несколько причин.

Вот эти причины:

1. Если маломощный усилитель будет реализован на «других технических принципах», то звук всей системы может быть несколько неестественным.
2. Маломощный усилитель требует другое, более низкое напряжение питания.
3. Маломощный усилитель обычно имеет более простую конструкцию, вследствие этого у него нелинейные искажения (THD) гораздо больше, чем у «основного» усилителя.
4. Есть вероятность, что маломощный усилитель не обеспечит требуемую амплитуду выходного сигнала.

Рассмотрим все эти причины подробнее.

1. Разные «технические принципы» построения усилителей

Например, если для низко-среднечастотного канала используется усилитель Линсли Худа (Linsley-Hood) , а для высокочастотного канала – усилитель на микросхеме TDA2040. Или для низко-среднечастотного канала используется «цифровой» усилитель, работающий в классе D, а для высокочастотного канала – усилитель на микросхеме TDA7294.

В этом случае низко-среднечастотный и высокочастотный каналы имеют разный характер вносимых искажений и разный характер взаимодействия усилителя с громкоговорителем. И есть шанс, что эта разница будет заметна на слух. Она будет проявляться как несколько неестественное звучание – ведь в природе все составляющие звукового сигнала проявляются одинаково. Не бывает так, что у низких частот звука оркестра присутствует только вторая гармоника, а у высоких частот – только третья и пятая! Подсознание это вполне может заметить, и «картинка не сложится».

Эта проблема – самая маленькая из всех.

2. Маломощный усилитель требует другое, более низкое напряжение питания

Пример 1. Для низко-среднечастотного канала используется усилитель с выходными транзисторами MOSFET с напряжением питания ±42 вольта, а для высокочастотного канала – усилитель на микросхеме TDA7293 с напряжением питания ±24 вольта.

Пример 2. Для низко-среднечастотного канала используется усилитель на микросхеме LM3886 с напряжением питания ±26 вольт, а для высокочастотного канала – усилитель на микросхеме TDA7265 с напряжением питания ±18 вольт.

В подобных случаях требуется два источника питания на разные напряжения и мощности. То есть, в дополнение к «основному» источнику питания для низко-среднечастотного канала, потребуется пусть и маломощный, но полноценный источник питания для высокочастотного канала. Этот источник должен содержать все необходимые узлы: трансформатор, выпрямитель, накопительные конденсаторы фильтра.

Возможен вариант, когда «основной» трансформатор имеет дополнительные выводы от вторичной обмотки на более низкое напряжение. В этом случае сторой трансформатор не понадобится. Но такие трансформаторы встречаются редко и имеют более высокую стоимость. И вы уверены, что второе, более низкое напряжение трансформатора — именно такое, как вам нужно? Хотя, возможно изготовление такого трансформатора на заказ. Но даже в этом случае для реализации низковольтного питания потребуется дополнительный диодный мост и дополнительные накопительные конденсаторы фильтра большой ёмкости.

Ещё один вариант получения второго более низковольтного напряжения питания – использовать стабилизатор. Например, в примере 2 стабилизатор понизит «основное» напряжение питания 26 вольт до значения 18 вольт. Этот стабилизатор должен обеспечить достаточную энергию, поступающую на усилитель ВЧ канала. Он будет достаточно сложным, не дешёвым и будет выделять значительную мощность в виде тепла.

То есть, если вы хотите использовать маломощный усилитель для ВЧ канала, вам для него потребуется либо полноценный отдельный блок питания, либо стабилизатор, формирующий необходимое напряжение питания. В любом случае система маломощный усилитель + дополнительный блок питания будет стоить дороже и занимать больше места, чем при использовании для обоих частотных каналов одинаковых усилителей.

Дополнительный блок питания – это серьёзные затраты. Экономии не будет.

3. Недорогой маломощный усилитель имеет более высокие нелинейные искажения (THD)

Простой и дешёвый маломощный усилитель обычно имеет более высокие нелинейные искажения, чем «основной» усилитель. Могут сказать: «Это не проблема, гармоники высокочастотного сигнала лежат выше звукового диапазона. Поэтому нелинейные искажения на высоких частотах менее заметны, чем на средних». Тут всё не так однозначно.

Во-первых. Гармоники высокочастотного сигнала вполне попадают в звуковой диапазон. Например, для частоты 3,5 кГц вторая гармоника равна 7 кГц, 3-я гармоника равна 10,5 кГц, 4-я гармоника равна 14 кГц, 5-я гармоника равна 17,5 кГц. То есть, первые пять гармоник вполне попадают в звуковой диапазон, причём вторая и третья гармоники находятся в диапазоне, где чувствительность слуха достаточно велика, чтобы их воспринимать.

Во-вторых. Поскольку в реальном звуковом сигнале содержится одновременно большое количество различных частот, то в результате нелинейных искажений образуются не только гармоники исходного сигнала (THD), но и комбинационные колебания (частоты). Искажения, вызванные появлением комбинационных колебаний, оцениваются величиной интермодуляционных искажений IMD.

Что представляют собой комбинационные колебания?

В линейной цепи различные сигналы действуют независимо, они никак не взаимодействуют между собой и друг на друга не влияют. Свойства нелинейной цепи зависят от величины сигнала, поэтому один из сигналов изменяет свойства цепи, а второй сигнал действует в цепи, свойства которой изменяются в такт с первым сигналом.

Если в нелинейную цепь подать одновременно два синусоидальных сигнала с разными частотами f1 и f2, то в нелинейной цепи третьего порядка, создающей только лишь вторую и третью гармонику, появятся синусоиды с частотами:

• 0∙f1 + 1∙f2 – вторая частота
• 0∙f1 + 2∙f2 – вторая гармоника второй частоты
• 0∙f1 + 3∙f2 – третья гармоника второй частоты
• 1∙f1 + 0∙f2 – первая частота
• 2∙f1 + 0∙f2 – вторая гармоника первой частоты
• 3∙f1 + 0∙f2 – третья гармоника первой частоты
• 1∙f1 + 1∙f2
• 1∙f1 — 1∙f2 – разность частот всегда берётся по модулю, то есть, частота будет положительная – «нормальная» синусоида
• 1∙f1 + 2∙f2
• 2∙f1 + 1∙f2
• 1∙f1 — 2∙f2
• 2∙f1 — 1∙f2

В результате даже в таком о «простом» случае при нелинейности небольшого порядка в сигнале появится десять (!) новых составляющих спектра. Причём частоты этих новых составляющих могут быть как очень высокими (1∙f1 + 2∙f2), так и очень низкими (разностные частоты). В реальной ситуации порядок нелинейности усилителя может быть больше.  А количество частот, действующих одновременно, в звуковой сигнале очень большое. И интермодуляционные искажения могут быть просто ужасными! Именно поэтому грамотные разработчики стремятся снизить нелинейность усилителей – они борются не столько с гармониками сигнала (THD), они стремятся уменьшить уровень интермодуляционных искажений (IMD), которые образуют негармонический спектр и всегда неприятны на слух.

Для примера на рисунке 2 показаны гармоники (THD) и интермодуляционные искажения (IMD), возникающие в одиночном транзисторном каскаде подобном драйверу в усилителе Линсли Худа (John Linsley-Hood). Но в отличие от усилителя Линсли Худа, в этом транзисторном каскаде полностью отсутствует какая-либо отрицательная обратная связь (ООС, NFB) – я преднамеренно её устранил. На вход подаётся сигнал, содержащий 5 синусоид с частотами, лежащими в диапазоне примерно 7…8 кГц.

Я преднамеренно использую такой заведомо нелинейный усилительный каскад для демонстрации того, как «некачественный, но зато дешёвый» усилитель высокочастотного канала биампинга может повлиять на работу всей системы. А следовательно, и на её звучание.

Важно, что электронный кроссовер на входе системы биампинга никак не повлияет на появление этих дополнительных составляющих в спектре сигнала. Эти составляющие появляются уже в усилителе высокочастотного канала и непосредственно поступают в высокочастотный громкоговоритель (твитер).

Рассмотрим спектр искажений, возникающих в усилительном каскаде. На рисунке 2 цифрами обозначены:

1. Пять частот, составляющих исходный сигнал.

2. IMD искажения. Это разностные комбинационные частоты и они лежат в среднечастотном диапазоне. Эти частоты возникают в усилителе ВЧ канала, поэтому поступают на твитер. Любой громкоговоритель воспроизводит частоты, лежащие выше его собственной резонансной частоты. Высококачественный твитер имеет резонансную частоту порядка 600…800 Гц, поэтому комбинационные частоты выше примерно 700 Гц и выше он будет воспроизводить. Это частоты, не являющиеся обертонами воспроизводимого звука. Следовательно, они будут «противоестественными». Твитер низкого качества эти составляющие воспроизведёт гораздо тише, но может внести в них ещё и свои собственные искажения. Обратите внимание на величину этих «противоестественных» искажений. Их уровень превышает 1%, и они хорошо заметны на слух.

Аудиофилы утверждают, что отрицательная обратная связь – зло. На самом деле зло – это отсутствие отрицательной обратной связи, из-за чего вот такие огромные искажения и возникают. В усилителе с глубокой отрицательной обратной связью все эти искажения уменьшаются во много раз. Чтобы получить такие большие и наглядные искажения, мне пришлось избавиться от отрицательной обратной связи.

3. Гармоники входного сигнала высоких порядков (третья и выше), а также суммарные комбинационные частоты высоких порядков (2∙f1 + 1∙f2; 2∙f1 + 2∙f2 и тому подобное). Все эти составляющие лежат в ультразвуковом диапазоне, и в принципе ими можно пренебречь. Хотя всё равно хочется, чтобы они вообще не появлялись.

4. Вторые гармоники входного сигнала, а также суммарные комбинационные частоты вида f1 + f2. Эти частоты попадают в звуковой диапазон и эффективно излучаются громкоговорителем. И если гармоники совпадают с обертонами звука и, как говорят в этом случае аудиофилы: «просто немного изменяют тембр сигнала», то комбинационные частоты имеют негармонический характер, и «звучат противоестественно». И амплитуда этих искажений тоже велика. Измерения, результаты которых приведены на рисунке 1, сделаны с недостаточным разрешением по частоте. Поэтому на рисунке все эти частоты сливаются в одно целое.

5. Комбинационные частоты вида 2∙f1 — 1∙f2 или 2∙f2 — 1∙f1. На самом деле в этот диапазон могут попасть частоты и вида 5∙f1 — 4∙f2 или 4∙f1 — 5∙f2, но их амплитуда намного меньше. Эти искажения существенно меньше по величине, на рисунке их величина порядка 0,3%. Но именно эти искажения практически совпадают с частотами исходного сигнала, и «дополняют» исходный сигнал. Как будто исходный сигнал «грязный», и кроме нужных «правильных» частот содержит ещё непонятно какие негармонические составляющие.

Все эти искажения в совокупности могут придавать звуку характер «тяжелого», «не воздушного», «слегка неестественного». Я специально значительно преувеличил искажения усилителя, чтобы получить наглядность. Но всегда есть шанс, что «простой и дешёвый» усилитель высокочастотного канала такие искажения создаст. По крайней мере, один из моих корреспондентов реально планировал в высокочастотный канал усилителя в биампинге использовать микросхему TDA2030 с высоким уровнем нелинейных искажений, особенно на высоких частотах.

Попытка сэкономить на усилители высокочастотного канала биампинга может привести к ухудшению звучания.

4. Маломощный усилитель не обеспечит требуемую амплитуду выходного сигнала

Тот факт, что мощность высокочастотных составляющих звукового сигнала намного меньше, чем низко- и среднечастотных, не означает, что и амплитуда высокочастотного сигнала также будет очень маленькой. Дело в том, что мощность – это энергетическая характеристика, и она зависит не только от величины тока, но и от продолжительности его протекания. Поэтому короткие импульсы большой амплитуды могут иметь такую же мощность, как и длинные импульсы небольшой амплитуды.

На рисунке 3 показаны два сигнала. Амплитуда у них различная, а мощность одинаковая. И, кстати, форма реального высокочастотного сигнала больше похожа на правый график рисунка 3, чем на левый.

Кроме того, не следует забывать о существовании регуляторов тембра…

Аудиофилы утверждают, что регулятор тембра не имеет права на существование, так как изменяет звучание усилителя. При регулировке тембра звучание становится не таким, каким оно было при записи музыки. При этом аудиофилы вполне соглашаются с тем, что усилитель сам по себе может как угодно изменять звук, поскольку «обладает своим собственным звучанием». То есть, изменение звука усилителем, аудиофилы допускают, и даже приветствуют. Это такое изменение звука, свойства которого неизвестны, и его невозможно ни отрегулировать, ни отключить. А изменение звука при помощи темброблока аудиофилы отрицают. Несмотря на то, что всем хорошо известно, что именно происходит при таком изменении звука. И это изменение звука темброблоком можно отрегулировать по вкусу, или вообще отключить. Аудиофильские мифы противоречивы и лишены логики. И не стоит на них обращать внимание.

На самом деле регуляторы тембра могут быть полезны, по крайней мере, в двух случаях:

• Если есть какие-то проблемы с акустикой помещения. Например, помещение излишне заглушено. Тогда рекомендуется немного увеличить количество высоких частот в сигнале. Либо помещение излишне гулкое, тогда есть смысл уменьшить количество низких частот.
• Если есть проблемы со слухом. С возрастом восприятие высоких частот ухудшается. Поэтому нет ничего зазорного в том, чтобы усилить высокие частоты при помощи темброблока. Именно в такой ситуации я сейчас нахожусь, поэтому для получения полноценного звучания мне приходится поднимать высокие частоты примерно на 6…8 дБ. А если я слушаю музыку на компьютерной акустике, то даже на 10…12 дБ – такова акустическая обстановка.

5. Влияние регулировки тембра на амплитуду сигнала высоких частот

Я провёл такой эксперимент. Я подключил осциллограф к своей компьютерной звуковой системе. Это вполне хорошая система: усилитель плюс колонки в биампинге. Частота раздела 3 кГц осуществляется активным кроссовером, содержащим фильтры третьего порядка. Подключив осциллограф к клеммам акустической системы, я могу видеть, какой реальный сигнал поступает непосредственно на ВЧ и НЧ/СЧ громкоговорители. Пример такого сигнала показан на рис. 4. Здесь был выбран наиболее показательный участок фонограммы. При отключённом регуляторе тембра (левый график) амплитуда высоких частот примерно в три раза меньше, чем НЧ/СЧ сигнала. Но если, используя регулятор тембра, увеличить уровень высоких частот, то их амплитуда увеличивается и становится равной амплитуде НЧ/СЧ сигнала (правый график на  рис. 4).

Измерение реальной амплитуды высокочастотной составляющей звукового сигнала в биампинге

Чтобы проверить, насколько в реальности возрастает амплитуда ВЧ сигнала при регулировке тембра, я выбрал пару фонограмм диско музыки, где «много высоких частот». Но потом, подумав, я добавил фонограммы рок музыки – в рок инструментах много высокочастотных составляющих. И ещё в таких фонограммах бывают высокочастотные спецэффекты, например в песне Money группы Pink Floyd звон монет имеет богатый высокочастотный спектр (именно этот момент и «сфотографирован» на рис. 4).

Фонограммы, которые я изучал:

• Donna Summer – Hot Stuff
• Arabesque – Hello Mr. Monkey
• Electric Light Orchestra — There is a News
• Deep Purple – Highway Star
• Scorpions – Send Me an Angel
• Pink Floyd – Money
• Uriah Heep – July Morning

Во всех этих фонограммах я постарался выбрать момент с максимумом высоких частот. И для каждой из фонограмм сделал четыре измерения в разных вариантах работы темброблока:

• 1. Все регуляторы тембра отключены.
• 2. Высокие частоты подняты регулятором тембра усилителя примерно на 6 дБ.
• 3. Высокие частоты подняты регулятором тембра проигрывателя Windows (я использовал foobar2000) примерно на 6…10 дБ.
• 4. Высокие частоты подняты регулятором тембра как усилителя, так и проигрывателя Windows каждым примерно на 6 дБ. Это «слишком сильный» вариант, он больше является демонстрационным, чем реальным. Но если слушать издалека или из другой комнаты, то звук получается вполне приемлемым – многочисленные переотражения вызывают сильное затухание высоких частот.

Для большего удобства измерений я изготовил пиковый детектор, показывающий амплитуду сигнала и затягивающий демонстрацию этой амплитуды на достаточное время, чтобы её было удобно наблюдать. В результате на осциллограммах, приведённых на рисунках 5, 6 и 7, показана правильная амплитуда коротких импульсов, несмотря на то, что масштаб по оси времени составляет 500 миллисекунд на деление (клетку). Для измерений я постарался выбрать такие участки фонограмм, где амплитуда высоких частот максимальна. Этот выбор я делал с отключенными регуляторами тембра, чтобы потом наблюдать, как эта амплитуда увеличивается при помощи темброблоков.

Напоминаю, что это сигнал, идущий с усилителей непосредственно на громкоговорители. То есть, тот сигнал, который усилитель должен обеспечить, сохранив при этом максимальное качество звучания.

Итак, три фонограммы из семи на мой выбор показаны на рисунках 5…7. Остальные я не показал для экономии места в интернете.   Ось времени совпадает с нижним краем осциллограммы. Максимальная амплитуда ВЧ сигнала выделена красной окружностью. Вариант включения регуляторов тембра написан на каждом графике. Отдельные графики, например графики номер 2 и номер 4 на рис. 6, имеют различный масштаб по вертикали. Масштаб ВЧ и НЧ/СЧ каналов везде одинаков.

Результаты применения темброблока при работе усилителей в биампинге

Результаты ожидаемы. Всё как я и предполагал. Без регулятора тембра высокие частоты имеют и маленькую амплитуду, и маленькую мощность. При увеличении уровня высоких частот регулятором тембра, их амплитуда растёт. Мощность тоже растёт, но остаётся сравнительно небольшой из-за малой длительности высокочастотных «импульсов» (мощность примерно пропорциональна площади под линией осциллограммы). Но при использовании темброблока амплитуда высокочастотного сигнала становится вполне соизмеримой с амплитудой сигнала низких и средних частот. А если с тембром перестараться, то амплитуда сигнала на ВЧ становится больше, чем на НЧ/СЧ!

Для удобства сравнения, я построил относительные амплитуды сигналов высоких частот на графике, рис. 8. График показывает, сколько процентов составляет максимальная амплитуда  высоких частот относительно максимальной амплитуды низких и средних частот. Измерения максимальных уровней сигнала производились только в том интервале времени, который показан на рис. 5…7.

Итак, без использования регулятора тембра максимальная амплитуда высоких частот составляет менее 40% от максимальной амплитуды средних и низких частот. Если поднять высокие частоты при помощи регулятора тембра, то в зависимости от того, какой регулятор тембра использован – аппаратный или программный, максимальный уровень высоких частот составляет 60% или 80% от уровня средних и низких частот. Надо сказать, что аппаратный регулятор тембра, который я использовал (зелёные столбики на рис. 8), создаёт небольшой подъём АЧХ – так заложено в его конструкцию. Более «сильный» темброблок может увеличить амплитуду высокочастотного сигнала в большей степени. «Грандиозное» повышение высоких частот двумя темброблоками одновременно, приводит к тому, что максимальная амплитуда высоких частот превышает максимальную амплитуду низких и средних частот.

Маломощный низковольтный усилитель ВЧ не справится с сигналом, прошедшим через темброблок!

Надеюсь, что проведённое исследование –достаточно убедительный аргумент?

В проведённых измерениях есть один нюанс. На осциллограммах (рис. 5…7) показан фрагмент фонограммы длительностью 7 секунд. Это специально выбранный фрагмент фонограммы, на котором уровень высоких частот достигает максимального значения. Таких фрагментов в фонограмме может быть и больше, я выбрал первый попавшийся. И для построения графика на рис.8 использовалась максимальная амплитуда сигнала средних и низких частот, попавшая в этот же фрагмент фонограммы. Возможно, где-то в другом месте фонограммы уровень х низких и средних частот гораздо больше, чем я измерил. И тогда относительные амплитуды ВЧ сигнала будут меньше, чем показаны на рис. 8. А может и наоборот, есть участки фонограммы с ещё большей амплитудой на ВЧ.

Это не важно. Главное – принцип. Главное в том, что при использовании регулятора тембра амплитуда ВЧ сигнала заметно возрастает, и для её корректного воспроизведения требуется усилитель с такими же амплитудными возможностями, как и усилитель, воспроизводящий средние и низкие частоты музыкального сигнала.

Заключение

Надеюсь, я был достаточно убедительным и смог показать, что нет никакой выгоды в том, чтобы использовать маломощный и низковольтный усилитель для работы в качестве высокочастотного канала в биампинге.

17.04.2025