Доброе слово и лампе приятно
Представление о "теплом ламповом звуке" сформировалось под влиянием основной схемы ламповых усилителей
<- Вот эта лампа в одиночку обеспечивает всю мощность на выходе. Чем ниже уровень сигнала - тем линейнее усиление, чище звук. Такая зависимость между искажениями и громкостью звука соответствует общему стереотипу восприятия: грязный звук (много гармоник) свидетельствует о каких-то предельных режимах в любой механической системе, не только в муз.инструментах. Даже субъективно - если инструмент или исполнитель хрипят, звук кажется громким; чистый тон - приглушенным.
Транзисторные усилители хрипят с самого их появления были премущественно т.н. двухтактными для повышения К.П.Д. ->
Один транзистор усиливает одну полуволну, другой - другую. К сожалению транзистор нечувствителен к сигналу напряжением меньше примерно 1 В. Поэтому в интервале от -1 до 1 В, на стыке двух полуволн возникает показанная на рисунке "ступенька". Это искажает сигнал, например к чистой синусоиде добавляются "гармоники" (т.е. составляющие с кратной частотой - 2f, 3f и далее). В Таблице 1 показаны амплитуды гармоник бывшей синусоиды с амплитудой 30 Вольт и ступенькой 1 В.
Почему 30 Вольт ? На нагрузке 4 Ом это примерно примерно 100 Вт - довольно типичная макс.вых.мощность стационарных усилителей. Считается, что чем больше сигнал, тем больше искажения (старые ламповые предрассудки), поэтому в характеристиках усилителей указаны искажения при максимальной мощности. Видно, что амплитуда третьей гармоники около 1.5%, сумма амплитуд 6%. Да, не айс, разборчиво и только.
Но вообще-то музыкальный сигнал более сложен, чем пошлая синусоида. Максимум там только в пиках, да и редко у кого ручка громкости выкручена на полную. Так что обычная амплитуда на 4-хомном громкоговорителе - скорее 3 Вольта, чем 30. Тут третья гармоника составляла бы аж 20%, сумма - 37 %. Поэтому с искажениями борются, например с помощью обратной связи. Предположим удалось снизить величину ступеньки до 0.1 В. На максимальной мощности результат восхитителен (Таблица 2) 0.15 и 0.6%. Когда-то это называлось Hi-Fi (сокр. от "высокая верность"), искажения меньше 1%.
А вот из синусоиды с амплитудой 3 Вольта получим то же, что указано в Таблице 1. То есть маркетинговый хай-фай на обычной громкости получился очень даже фиговый и чем ниже уровень, тем грязнее. Поэтому неудивительно, что у реально высококлассных усилителей в характеристиках бывает коэффициент нелинейных искажений 0.01 % и меньше - чтобы терпимо было когда негромко. У ламп же легко и непринужденно - чем меньше уровень, тем чище, хотя формально никакого хайфая, при максимальных мощностях искажения достигают нескольких процентов.
Ступенька обрезает "хвосты". Звук не затихает по экспоненте, становясь все более приглушенным, а линейно упирается в 0, причем уровень искажений нарастает вопреки всем слуховым стереотипам. Еще плохо, что гармоники НЧ звуков попадают в СЧ и ВЧ полосы и сравнимы по мощности с основным СЧ-ВЧ сигналом. Скажем ударник бумкнул в бочку, наша "хайфайная" система не только бумкнет в НЧ динамик, но и сгенерит изрядно "левых" гармоник, которые будут слышны как треск. В общем слушатель наслаждается не нюансами исполнения, а спецэффектами усиления.
Это и обеспечило плохую славу "транзисторному звуку".
Таблица 1.
30 вольт, ступенька 1 вольт
3 вольта, ступенька 0.1 вольт
номер
гармоники
относительная
амплитуда
сумма
амплитуд
1 1.000
3 0.01475 0.01475
5 0.00882 0.02357
7 0.00627 0.02985
9 0.00485 0.03470
11 0.00394 0.03864
13 0.00330 0.04194
15 0.00283 0.04477
17 0.00247 0.04724
19 0.00218 0.04942
21 0.00194 0.05136
23 0.00174 0.05311
25 0.00157 0.05468
27 0.00143 0.05611
29 0.00130 0.05741
31 0.00119 0.05860
33 0.00109 0.05968
35 0.00100 0.06068
37 0.00092 0.06160
39 0.00084 0.06244
Таблица 2.
30 вольт, ступенька 0.1 вольт
номер
гармоники
относительная
амплитуда
сумма
амплитуд
1 1.000
3 0.00142 0.00142
5 0.00085 0.00227
7 0.00061 0.00288
9 0.00047 0.00336
11 0.00039 0.00374
13 0.00033 0.00407
15 0.00028 0.00435
17 0.00025 0.00460
19 0.00022 0.00483
21 0.00020 0.00503
23 0.00018 0.00522
25 0.00017 0.00539
27 0.00016 0.00554
29 0.00015 0.00569
31 0.00014 0.00583
33 0.00013 0.00595
35 0.00012 0.00608
37 0.00011 0.00619
39 0.00011 0.00630
Таблицы посчитаны в лоб преобразованием Фурье
Для наглядности cтупенька на синусоиде, 1/3 амплитуды
<- Вот эта лампа в одиночку обеспечивает всю мощность на выходе. Чем ниже уровень сигнала - тем линейнее усиление, чище звук. Такая зависимость между искажениями и громкостью звука соответствует общему стереотипу восприятия: грязный звук (много гармоник) свидетельствует о каких-то предельных режимах в любой механической системе, не только в муз.инструментах. Даже субъективно - если инструмент или исполнитель хрипят, звук кажется громким; чистый тон - приглушенным.
Транзисторные усилители хрипят с самого их появления были премущественно т.н. двухтактными для повышения К.П.Д. ->
Один транзистор усиливает одну полуволну, другой - другую. К сожалению транзистор нечувствителен к сигналу напряжением меньше примерно 1 В. Поэтому в интервале от -1 до 1 В, на стыке двух полуволн возникает показанная на рисунке "ступенька". Это искажает сигнал, например к чистой синусоиде добавляются "гармоники" (т.е. составляющие с кратной частотой - 2f, 3f и далее). В Таблице 1 показаны амплитуды гармоник бывшей синусоиды с амплитудой 30 Вольт и ступенькой 1 В.
Почему 30 Вольт ? На нагрузке 4 Ом это примерно примерно 100 Вт - довольно типичная макс.вых.мощность стационарных усилителей. Считается, что чем больше сигнал, тем больше искажения (старые ламповые предрассудки), поэтому в характеристиках усилителей указаны искажения при максимальной мощности. Видно, что амплитуда третьей гармоники около 1.5%, сумма амплитуд 6%. Да, не айс, разборчиво и только.
Но вообще-то музыкальный сигнал более сложен, чем пошлая синусоида. Максимум там только в пиках, да и редко у кого ручка громкости выкручена на полную. Так что обычная амплитуда на 4-хомном громкоговорителе - скорее 3 Вольта, чем 30. Тут третья гармоника составляла бы аж 20%, сумма - 37 %. Поэтому с искажениями борются, например с помощью обратной связи. Предположим удалось снизить величину ступеньки до 0.1 В. На максимальной мощности результат восхитителен (Таблица 2) 0.15 и 0.6%. Когда-то это называлось Hi-Fi (сокр. от "высокая верность"), искажения меньше 1%.
А вот из синусоиды с амплитудой 3 Вольта получим то же, что указано в Таблице 1. То есть маркетинговый хай-фай на обычной громкости получился очень даже фиговый и чем ниже уровень, тем грязнее. Поэтому неудивительно, что у реально высококлассных усилителей в характеристиках бывает коэффициент нелинейных искажений 0.01 % и меньше - чтобы терпимо было когда негромко. У ламп же легко и непринужденно - чем меньше уровень, тем чище, хотя формально никакого хайфая, при максимальных мощностях искажения достигают нескольких процентов.
Ступенька обрезает "хвосты". Звук не затихает по экспоненте, становясь все более приглушенным, а линейно упирается в 0, причем уровень искажений нарастает вопреки всем слуховым стереотипам. Еще плохо, что гармоники НЧ звуков попадают в СЧ и ВЧ полосы и сравнимы по мощности с основным СЧ-ВЧ сигналом. Скажем ударник бумкнул в бочку, наша "хайфайная" система не только бумкнет в НЧ динамик, но и сгенерит изрядно "левых" гармоник, которые будут слышны как треск. В общем слушатель наслаждается не нюансами исполнения, а спецэффектами усиления.
Это и обеспечило плохую славу "транзисторному звуку".
Таблица 1.
30 вольт, ступенька 1 вольт
3 вольта, ступенька 0.1 вольт
номер
гармоники
относительная
амплитуда
сумма
амплитуд
1 1.000
3 0.01475 0.01475
5 0.00882 0.02357
7 0.00627 0.02985
9 0.00485 0.03470
11 0.00394 0.03864
13 0.00330 0.04194
15 0.00283 0.04477
17 0.00247 0.04724
19 0.00218 0.04942
21 0.00194 0.05136
23 0.00174 0.05311
25 0.00157 0.05468
27 0.00143 0.05611
29 0.00130 0.05741
31 0.00119 0.05860
33 0.00109 0.05968
35 0.00100 0.06068
37 0.00092 0.06160
39 0.00084 0.06244
Таблица 2.
30 вольт, ступенька 0.1 вольт
номер
гармоники
относительная
амплитуда
сумма
амплитуд
1 1.000
3 0.00142 0.00142
5 0.00085 0.00227
7 0.00061 0.00288
9 0.00047 0.00336
11 0.00039 0.00374
13 0.00033 0.00407
15 0.00028 0.00435
17 0.00025 0.00460
19 0.00022 0.00483
21 0.00020 0.00503
23 0.00018 0.00522
25 0.00017 0.00539
27 0.00016 0.00554
29 0.00015 0.00569
31 0.00014 0.00583
33 0.00013 0.00595
35 0.00012 0.00608
37 0.00011 0.00619
39 0.00011 0.00630
Таблицы посчитаны в лоб преобразованием Фурье
Для наглядности cтупенька на синусоиде, 1/3 амплитуды