Теперь пришло время рассмотреть различные философии при проектировании ламповых устройств и некоторые феномены нелинейной работы их.
     

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ

      Фирма Audio Research Corp. (ARC) оказалась готовой возродить усилитель на пентодах, главным образом потому, что люди подзабыли о проблеме противостояния триода с пентодом. Выяснение отношений оказалось в кильватере ушедшей вперед п/проводниковой техники. В 1970 году ARC стала конкурировать не с другими ламповыми продуктами, а с современными, новыми транзисторными усилителями.
      Только к середине 80-х возникла новая волна спора между двухтактными усилителями на триодах и пентодных в ультралинейном включении. Противостояние касалось исключительно только РР схем; так что не будем обсуждать этот момент и скажем лишь одно - триоды вернулись, а наряду с ними вся орава усилителей с переключением триод/UL пентод. Вторая волна поднялась в начале 90-х, уже с знакомым нам конфликтом - двухтактные триоды против однотактных. Поскольку он так и не разрешен, им мы и займемся. Темы дебатов опять крутятся вокруг фазоинверторов, продуктов искажений, глубины ОС и вдруг всплывшего эффекта под названием "первый ватт". Я еще вернусь к этим вопросам позднее, после того, как утрамбую теоретический фундамент для них.
      На протяжении последних 25 лет утвердилась тенденция фокусировать внимание на анализе формы сигнала, как средстве обучения схемотехнике. Такой подход приемлем потому, что исходит из предположения гармонических составляющих звучания музыкальных инструментов. Вероятно, это и было посланием Харри Олсона (Н. Olsop) в его знаменитой монографии "Музыка, Физика и Инженерия", на обложке которой были изображены колеблющиеся струны (См. 44). Или быть может это синусоиды? С точки зрения Олсона - никакой разницы.

ГАРМОНИЧЕСКИЙ СОСТАВ

      В своем экспертном ревю об усилителе Сагу CAD-805, Дик Олшер (Dick Olsher - DO) пишет: "Нечетные гармоники (3-я. 5-я, 7-я и т.д.) не являются консонантными с музыкальными звуками инструментов и, следовательно, довольно трудно маскируются даже на очень низких уровнях". (45) Так как консонантные интервалы являются одним из концептуальных понятий данной статьи, следует дать им понятное определение, прежде чем двигаться дальше.
      Ощущение созвучности (связанности) и наоборот, разнобоя и несогласованности возникает тогда, когда два или больше чистых тонов звучат одновременно. Вдобавок к этому каждая пара тонов (или интервалов) имеет свой особенный характер и он (этот характер) эстетически действует на слушателя (46). Пифагор (около 550 лет до н.э.) полагал, что понятие консонанса или диссонанса, создаваемых каждым интервалом, определено числовым отношением между ними (тонами). Современная акустика полностью подтвердила его открытие (47, 48).

Западная система музыкальной гармонии основана именно на природном звукоряде. Частоты, которые издает тронутая струна, относятся друг к другу как 1 : 2 : 3 : 4 : 5 и т.д. Любое из этих отношений определяет расположение тонов в натуральном звукоряде. По Олсону, интервалы в унисон (1 : 1) и в октаву (1 : 2) наиболее созвучны, в соответствии с установленным критерием консонанса: "гладкость, чистота и слитность" (48). Чистая квинта (2 : 3) является следующим созвучным интервалом. А вот музыкальные интервалы-кварта (3 : 4) и большая терция (4 : 5) уже носят легкий оттенок диссонанса. Отметьте числовую прогрессию интервалов.
      Интервалы более сложных отношений, таких как большая септима (8 : 15), представляются чисто диссонансными, так как порождены несочетаемыми звуками (47). С другой стороны, унисон и октава слишком чисты и очевидны, чтобы ласкать слух. Ладнером (Ladner) в (49) было показано, что чистая квинта и большая терция добавляют каждая свой "характер", отсутствующий в звучании унисона или октавы. Именно этот характер, столь интересный для слуха, становится прогрессивно неблагозвучным по мере усложнения интервала.
      Заметьте, что каждый интервал содержит и четные и нечетные гармоники. Восприятие же четности или нечетности само по себе не имеет выраженный характер. Чтобы это стало очевидно, посмотрите на линию L1 Рис. 5. Это ведь основная гармоника и сама по себе она нечетная. Решающим фактором созвучности является простота отношений частот.

ГАРМОНИЧЕСКИЙ СОСТАВ

      Симметрия сигнала дает нам ключ в поисках души у "однотактного звука". Чтоб уяснить себе важность темы, обратимся к вопросу, каким образом гармонические искажения воздействуют на тембр звучания.

      При тестировании уже упомянутого CAD-805 T.J. Norton обратил внимание на продукт искажений Рис. 6 и особенно на "зарубки", возникающие через период: "Эти зарубки соответствуют отрицательной полуволне сигнала и обязаны некоторой особенности работы схемы, возможно применению выходной лампы в одноактном включении". Как T.J.N. выяснил ранее, что подобные искажения возникают, когда усилитель CAD-805 работает на 2-х Омную нагрузку с 4-х Омного отвода трансформатора.
      Засечки появляются через раз, что стараниями Norton'a можно увидеть из осциллограмм (сравните строгое соответствие засечки с нижней полуволной выходного сигнала, верхняя синусоида). Отметьте также "зубцы" на нижней кривой, что соответствует верхней полуволне, когда лампа открывается.
      Давайте глянем сначала на большую засечку. Так как она появляется только на одной половине сигнала (отрицательной), то следовательно, искажения выходного сигнала не симметричны относительно оси. Это указывает на присутствие продуктов четного порядка (50). Очертания и амплитуда засечки говорят, что это четвертая гармоника. Она выглядит будто чистая синусоида помножена со второй гармоникой!

      На Рис. 7 показан подобный эффект при менее жестких условиях. Здесь мы видим, что продукты искажений имеют сглаженный выброс также на отрицательной полуволне.

      Анодный ток (синусоида на Рис.8) качается относительно рабочей точки Q. При положительной полуволне по входу, сигнал идет вверх по линии нагрузки и протекает больший анодный ток через лампу. Наоборот, при отрицательной полуволне сигнал следует вниз по нагрузке и ток уменьшается (где еg - мгновенное значение входного сигнала, еp - выходного, ip - мгновенное значение анодного тока). В Саrу CAD-805 четные искажения появляются на отрицательной полуволне, так как в SE существует выраженная кривизна анодных характеристик вблизи отсечки анодного тока. (По мере роста анодного тока, характеристика близка к прямой линии). Так как кривизна характеристик влияет только на отрицательную полуволну, то и выходной сигнал должен быть асимметричен и, следовательно, искажения будут четного порядка.

      Рис. 9 и 10 иллюстрируют существенную разницу между искажениями четных и нечетных порядков. На Рис. 9 изображен результат суммирования чистого синуса со второй гармоникой.

      А на Рис. 10 - с третьей гармоникой. Во втором случае очевидно, что 3-я гармоника изменяет основной сигнал таким образом, что, если мы перевернем верхнюю половину относительно оси на 180°, то она окажется зеркальным подобием нижней. Следовательно, нечетные искажения симметричны. В тех же условиях, то есть при повороте на 180°, четные искажения вызывают асимметрию.
      Когда импеданс нагрузки падает, линия нагрузки испытывает наклон (вроде вращения по часовой стрелке относительно рабочей точки). В этом случае искажения увеличиваются, так как линия нагрузки нижним своим концом упирается в место, где анодные характеристики толпятся (51, 52). Что и подтверждается поведением кривых искажений на Рис. 11. (Верхняя - 2 Омная нагрузка, нижняя - 8 Омная, середина - 4 Ома).

      Если разработчик задал нагрузочной линии сильный наклон (как часто делается, чтобы форсировать мощность при данном импедансе нагрузки), усилитель станет "нервно" реагировать на падения импеданса. (Это происходит в моменты, когда импеданс громкоговорителя проваливается на определенных частотах). Не скажу, что Саrу спроектирован именно подобным образом, очевидно, что не так, и характер искажений на 4-х Омах очень близок тому, что на 8 Омах нагрузки.
      На положительной полуволне (см. Рис. 6) видны мелкие засечки. С чисто иллюстративной целью (без анализа), полагаю, что это вызвано искажениями, а не шумом. Так как они асимметричны, то налицо опять четные искажения, а в силу их остроты - искажения высоких порядков, хотя и ничтожны по амплитуде. И, наконец, на графике заметны отклонения как верхней, так и нижней половин сигнала. Это говорит о присутствии нечетных искажений.

      Рис. 12 демонстрирует более наглядную форму нечетных искажений. Очевидно, что искажения влияли на обе половины сигнала. Острые выбросы говорят за присутствие искажений высоких порядков.

РИСУНОК СПЕКТРА ИСКАЖЕНИЙ

      Спектр искажений своеобразен для каждого усилителя и может быть подобен египетской клинописи. Оба они совершенно непостижимы, пока не был найден камень Розетты, открывший таинство начертаний. И мы приступим к поиску такого камня.

      На Рис. 13 показан типичный спектр SE усилителя. Ясно видим гладкое спадение по амплитуде продуктов искжений (так что а2>а3>а4>аn). Если передаточная характеристика проанализирована графически (53), то подобный же вид будет иметь и огибающая спектра. Если мы по известной технологии (о ней нетрудно догадаться из Рис. 8) построим передаточную характеристику, то при данных сеточных и анодных кривых, она будет всегда слегка искривлена (см. Рис. 8), приводя тем самым к диспропорции между входным и выходным сигналами. Таким образом, чтобы получить линейную характеристику передачи, характеристики лампы также должны быть линейны, параллельны и отстоять друг от друга на одинаковом расстоянии.
      В отличие от спектра SE усилителей, спектр усилителей РР представляет собой подобие гребенчатого фильтра, где идет подавление продуктов четных. Однако, на практике суммарный спектр ]состоит из двух независимых последовательностей - одна из нечетных гармоник, другая из четных.

      На Рис. 14 представлен типичный образец спектра РР усилителя с эффектом гребенчатого фильтра. Теоретически, подавление нечетных гармоник в двухтактной схеме возможно путем применения полностью идентичных элементов с верхнем и нижнем плечах (54).

      Спектр на Рис. 15 имеет почти одинаковые по величине гармоники 2-го и 3-го порядка. При более тщательном подгоне половин выходного каскада, возможно снижение второй гармоники, но тогда 3-я гармоника, менее созвучная, станет доминировать. (В этом тоже состоит искусство настройки - Ред.). До тех пор, пока 3-я гармоника не подавлена полностью, есть смысл оставлять и 2-ю, так как она дает положительный маскирующий эффект, тем самым "затеняя" продукты искажений более высокого порядка (55, 56).
      Наиболее важный момент - подавление высших гармоник. Они ощутимы главным образом не из-за того, что создают диссонирующие интервалы с основным тоном, но с ростом их порядка (гармоник) катастрофически, с более быстрой скоростью растут интермодуляции (57). Когда две или более гармоники взаимодействуют между собой, появляются суммарные, либо разностные тоны, что собственно и есть продукты интермодуляции (IM) (58,59,60). К примеру, 18-я гармоника будет "взаимномодулировать" со всякой, существующей в интервале от 2-й (включительно) до 17-й. То же самое произойдет с 17-й, с 16-й и т.п.
      Амплитуды IM продуктов пропорциональны амплитудам взаимодействующих между собой гармоник. Этот факт проиллюстрирован на Рис. 16, 17, одновременно можно сравнить и спектры обмеряемых устройств. Однотактный Сагу CAD-805 имеет более "грязный" IM спектр, поскольку его гармонический спектр более обогащен (Рис. 18).

      Звучит ли Krell более "чисто", чем Саrу, как это показывают измерения? Продукты интермодуляций, как правило, никак не соотносятся с основным тоном. Распределение их в спектре псевдослучайно, подобно шуму, это нечто среднее между розовым шумом и шумом дождя. Эффект ясно слышен на LP Warner Bros. BSK 3109 - Seals and Croft's Greatest Hits. Послушайте вспышку аплодисментов в начале "I'll Play for You". Они "болтаются" по громкости, подобно промодулированному шуму. Что это - редкие хлопки, или прекращение дождя?
      Подобные разновидности шумов весьма эффективно используются психоакустиками, например, James T. Johnston из AT&T. В своих экспериментах по восприятию человеком различных слуховых иллюзий, ученые вводят шум, чтобы маскировать музыкальные звуки. Было выяснено, к примеру, что определенные разновидности аддитивного шума могут сделать голоса в хоре более выпуклыми или выделить скрипки в секции смычковых! С другой стороны, некоторые шумы могут уничтожить пространство сцены и до неузнаваемости разрушить разборчивость речи, сказанной с экрана. Эти эффекты имеют место в зависимости от того, какой тип шумов замешан в звуковой сигнал.
      Очевидно, что спектр искажений, изображенный на Рис. 18, не имеет точной корреляции с субъективным восприятием DO, слушавшего CAD-805. Как же нам быть при подобном несоответствии?

      Из Рис. 19 можно сделать вывод, что на низких уровнях мощности, триоды имеют спектр гораздо чище, чем пентоды. На полуватте триод 2АЗ имеет только вторую гармонику, тогда как у пентода 6F6 гармонический хвост тянется аж до 9-й гармоники!
      "Маломощный спектр", таким образом, разъясняет суть явления,называемого "первым ваттом". В этой связи более важно рассматривать моменты перехода от низкого уровня к более высокому, с точки зрения обогащения спектра, когда динамик с достаточно высокой чувствительностью не станет "вытягивать" лишние, искаженные ватты из усилителя.
      Из того же Рис. 19 видно, что с повышением отдаваемой мощности, растет хвост из третьей и четвертой гармоник, а измерения на Рис. 18 лишний раз это подтверждают. Если категорично это интерпретировать, то следует заявить, что однотактники при высоких мощностях должны иметь очень диссонансный голос. Но действительность опрокидывает такое предположение. Как с этим быть?

ОБЩАЯ СОЗВУЧНОСТЬ

      Простое отношение второй гармоники к основной, вроде бы не должно нарушать общей картины созвучия (т.к. отношение 1 : 2 является простейшим из всех интервалов, кроме собственно унисона). Тем не менее, гармонические искажения, хотя бы и второго порядка, добавляют постороннюю энергию к обертонам музыкальных инструментов. К примеру, спектр на Рис. 13 всеми своими гармониками должен "прилипнуть" к спектру на Рис. 20 (отметьте их подобие). Такое вот уникальное соответствие явно усилит спектр флейты. А если так, то все язычковые инструменты должны приобрести "флейтовый" голос.

      Опять же спектр Рис. 14 должен усилить спектр кларнета на Рис. 21 и в звучание флейты проникнет его тембр. Известно, что подобные эффекты также приложимы и к балансным схемам, которые, как правило, двухтактные(*22)(61). Однако, не забудьте, что суммарные гармонические искажения балансных схем гораздо ниже, чем у однотактных. И это может сделать их менее заметными в тракте, с точки зрения вносимых искажений, а может и не сделать. Это определит характер музыки или речи.

      Понятное дело, что для оценки искажений требуется какойто универсальный и лучший метод. И их все время предлагали (62, 63, 64), но ни один из них не выдержал проверки на прочность.(*23) Проблема достоверности этих методов заключается в том, что существует понятие, по определению Олсона, как blending - слитность, гармония (48). Тембр определенного инструмента содержит столь много гармонических составляющих, что мы не способны произвести простую оценку его (инструмента) индивидуальности.

1 = основная или унисон (1:1)
2 = 1-я октава (1:2)
3 = чистая квинта (2:3)
4 = 2-я октава (2 : 4), чистая кворта (3 : 4)
5 = большая секста (3 : 5), большая терция (4 : 5)
6 = чистая квинта (4 : 6), малая терция (5 : 6)
7 = гармонически малая септима (4:7)
8 = 3-я октава (4 : 8), иояая секста (5 : 8); чистая кварта (6 : 8)

Рис. 22 Таблица стандартных интервалов для первых восьми гармоник.

      На Рис. 22 показаны наиболее важные интервалы, которые существуют между первыми восемью гармониками. И то, как мы воспринимаем звучание инструмента, есть результат слияния гармонических интервалов, ему присущих. То, что мы называем "голосом" инструмента.
      Если, скажем, два чистых тона, звучащих одновременно, вызывают зубную боль, то добавлением третьего возможно добиться абсолютного созвучия или, по крайней мере, сглаживания. Вот этот тройной (четвертной и т.д.) звук и выражает собой суммарный эффект гармонизации. D.E.I. Shorter еще в 50-х заметил: "Искажения должны рассматриваться не как просто величины отдельных гармоник, а как законченная последовательность их, или суммарная форма волны, в которую они складываются (65)".
      Эффект гармонизации может быть легко продемонстрирован с гитарой.(*24) К примеру, взяв F (ниже открытой Е) вместе с Е, даст определенное несозвучие. Но если тут же добавить А, то мы услышим явное сглаживание первого диссонанса. Интервал от F (фа) одной октавы до Е (ми) другой октавы есть большая септима (8 : 15). Добавляя же ноту А (ля), мы получаем два новых интервала: большую терцию (4 : 5) и чистую квинту (2 : 3). Два вновь образованных созвучных интервала "развалили" один диссонансный, создав, таким образом, приятное трезвучие. Определяющим, критическим параметром конечного созвучия, стало не маскирование, а слитность, гармоничность. Маскирование имеет место в том случае, когда маскирующий тон достаточно велик, чтобы "заглушить" наш слуховой механизм (48, 56). К примеру, если постоянно повышать громкость чистого тона в 1 кГц, то наше ухо, в дополнение к килогерцу, создаст затухающую серию гармоник (так, что 2 кГц>3 кГц>4 кГц...). Тогда любой чистый тон с частотой какой либо гармоники должен превышать ее по уровню, чтобы быть услышанным отдельно нашим ухом (Рис. 23).

      Согласно труду Parker'a и Sybil'a, гармоники возникают из-за того, что обратная связь от высшего нервного центра как бы сдерживает амплитуду колебаний среднего уха, способную оглушить наш орган слуха. Тогда, в момент защиты ухом самого себя, входная амплитуда давления испытывает компрессию на среднем ухе. Как результат, форма сигнала изменяется и возникают несуществующие в оригинальном сигнале гармоники (Рис. 24). Впрочем, так это и происходит в усилителях или других устройствах, где связь in/out не абсолютно линейна. Очевидно, наш мозг адаптирован к подобному плавно спадающему спектру гармоник. Сравните спектр однотактника (Рис. 13) со спектром на Рис. 24.

      Такое, почти точное соответствие спектров, никак не может оправдать присутствие искажений в системе воспроизведения. Интерауральные тоны сами по себе не являются желательными, так как возникают при защите органа слуха. Интерферируя с входным сигналом, они могут изменять пространственную локализацию, и будут маскировать внешние гармоники до тех пор, пока те не превысят их. В момент такого динамического перевеса звучащий образ смещается в пространстве!
      В то же время гармонизация не зависит от уровня сигнала. Как можно видеть из Рис. 5, что вибрации частей струны будут интерферировать с другими. А их частные амплитуды и фазы сложатся таким образом, который и определит суммарное, сложное колебание. Оното и даст уникальную форму сигнала (и характерную окраску), столь присущую инструменту. Это правило действует для музыкальных инструментов, звучащих отдельно или в ансамбле.
      Из всего сказанного следует, что количество гармонических продуктов не является определяющим (критическим) фактором музыкальности усилителя. Наибольшее значение имеет общая созвучность внутренних интервалов между гармониками.
      (На этом можно и остановиться. Вторая часть статьи С.Франкланда не закончена. Так как объем ее велик, мы не стали испытывать ваше пристальное внимание к тексту в этой книжке, но дадим окончание всей (1/2 второй + третья) статьи в следующем номере. - Ред.)