Усилители и акустика: принуждение к сожительству

По материалам статьи Пэта Брауна,
Live Sound International
Перевод Федора Баоса

По-настоящему понять, как происходит генерация и потребление электричества в аудиосистемах, можно, если оторваться от школьных учебников по физике и извлечь некоторые уроки из повседневного опыта работы. В данной статье мы подробно рассмотрим роль комплексного импеданса, то есть суммы резистивного, индуктивного и емкостного реактивных сопротивлений в системах усиления.
В механических системах (к которым относятся и громкоговорители) движимый груз обладает не только сопротивлением трения, но и массой и инерцией — вполне реальными, но менее ощутимыми (по крайней мере для воображения). Тело в состоянии покоя стремится таким и остаться, и привести его в движение можно лишь после того, как приложенная сила преодолеет сопротивление массы. Тело движущееся желает оставаться в движении. Груз запасает часть приложенной энергии, так что удерживать массу в движении можно, прикладывая меньше силы. Масса движимого груза производит реактивное сопротивление — противодействие приложенной силе, обратно пропорциональное частоте.
В основном за эти выкладки принято благодарить сэра Исаака Ньютона. Электрический эквивалент описанных эффектов называется индукцией и является характеристикой любого динамика, именно с ней приходится иметь дело усилителю. Когда суммарное сопротивление нагрузки имеет и емкостную, и реактивную компоненту, говорят, что нагрузка обладает «комплексным импедансом».

Отраженная энергия

Реактивное сопротивление влияет на поток энергии из одной системы в другую. Чтобы глубже понять, что такое комплексный импеданс, заглянем в ближайший строймаркет и создадим похожую на динамик механическую систему. Берем тележку и ведем ее вдоль полок; супермаркетные тележки обладают низкой массой, так что ими легко управлять, пока они пусты. Подъезжаем к строительному отделу и грузим в телегу полдюжины мешков быстрорастворимого цемента. Из-за дополнительного веса тележку гораздо труднее толкать, так что мы упираемся и вкладываем значительную силу, чтобы стронуть ее с места. Однако придя в движение, тележка больше не требует такого давления.
Теперь наша тележка — движущееся тело и стремится оставаться в движении. Инерция несет ее вперед, и она становится опасной для беспечного покупателя, вышедшего нам наперерез. «Реактивность» ее массы запасла часть наших усилий по разгону и теперь отражается (возвращается к источнику), так что поддерживать движение проще. Теперь запасенную энергию нужно преодолеть, чтобы остановить тележку.
Так же, как движущаяся масса сопротивляется изменениям в скорости, электрическая индукция сопротивляется изменению силы проходящего сквозь нее тока. Это противодействие называют индуктивным реактивным сопротивлением. Динамик — электромеханическое устройство, так что в нем это свойство проявляется в обоих качествах.
Каким образом можно компенсировать инерцию тележки, существует ли ее «механическая противоположность»? Если соединить тележку и неподвижный объект большой пружиной (допустим для примера), пружина будет растягиваться при удалении тележки от опоры. Эта сила противодействует инерции тележки и полностью погасит ее, если правильно подобрать пружину.
Запасенная в растянутой пружине сила, как и инерция, отражается на источник силы — порой нам приходится на своей шкуре испытать это явление! «Пружинящие» тела имеют коэффициент упругости. Ее электрический эквивалент — емкость, а эффект называется емкостным реактивным сопротивлением. Это еще одна характеристика динамиков. Если натяжение пружины и инерция тележки полностью компенсируют друг друга, остается лишь сопротивление. Тогда говорят, что система (или электрическая цепь) находится в резонансе.

Индукция и реакция

Так же, как механические тела обладают трением, инерцией и упругостью, электрическая нагрузка имеет сопротивление, индукцию и емкость. Акустические тела (например, воздух) имеют те же свойства. Импеданс — это собирательный термин для противодействия, которое нагрузка оказывает току. Часто в электросхемах индукция и реактивность несущественны и ими можно пренебречь. Для большей части аудиоэлектроники это справедливо (по крайней мере для слышимых частот).
Но в динамиках реактивность проявляет себя и требует учета. Здесь присутствуют все три явления, поэтому динамик обладает комплексным импедансом.
За единицу импеданса, активного сопротивления и реактивности принят Ом. Уравнение показывает, что реактивные сопротивления противоположны друг другу. На некоторых частотах преобладает какое-то одно; они также могут гасить друг друга, оставляя лишь активное сопротивление.
Также уравнение показывает, что импеданс — весьма сложный показатель; его приходится изображать на графике, так как реактивность зависит от частоты.
Пример с тележкой из супермаркета полностью повторяется, когда мы нагружаем реальный динамик на усилитель. Динамик — инерциально-пружинная система, которая и отражает, и поглощает подаваемую на нее мощность. На каких-то частотах будет преобладать эффект массы (нагрузка индуктивная), на других — эффект пружины (нагрузка емкостная), на третьих оба эффекта скомпенсируют друг друга и нагрузка будет оказывать только активное сопротивление. Теперь понятно, почему нельзя точно описать импеданс громкоговорителя одним числовым выражением.
Импеданс — сложная функция частоты. Изготовители в ТТХ обычно заявляют номинальный импеданс, например 8 Ом. В действительности импеданс окажется равным 8 Ом лишь на некоторых частотах — это может обескуражить тех, кто только что обзавелся собственным импедансметром и решил промерить каждую АС в магазине.
Сопротивление постоянному току у обмотки катушки — это наименьший показатель импеданса из возможных, так что его стоит учесть, рассчитывая максимальный ток для данного динамика. Для того, чтобы определить, сколько громкоговорителей можно «повесить» на усилитель, берите низшую точку на кривой импеданса.

Нагружаем усилитель

Источник энергии можно охарактеризовать по его «доступной мощности». Этим показателем можно охарактеризовать что угодно — автомобиль, реактивный двигатель, вас на велотренажере. «Доступную мощность» можно выразить в Вт или лошадиных силах. Если ввести фактор времени, ее выражают в Вт/ч, калориях или же в BTU (Британских единицах тепла). «Доступную мощность» можно описать как ту, которую источник может поставлять продолжительное время. Кроме того, нам нужно определить, насколько большую мощность мы можем получить от источника, а это определяется нагрузкой.
Нам не нужно знать ничего о нагрузке, чтобы выразить «доступную мощность» источника. Но для того, чтобы узнать, сколько реальной мощности мы можем получить, нужны детальные характеристики нагрузки. Теперь становится очевидным, что оценить мощность усилителя — непростая задача. У каждого динамика свой график импеданса, так с каким же тестировать наш усилитель? Один способ с этим разобраться — использовать чистое сопротивление (без реактивной составляющей). Это дает всем усилителям равные возможности.
Но в реальном мире динамиков и преобразователей на усилитель может возвращаться значительная отраженная мощность (помните пример с тележкой?). Справится ли усилитель с реактивной нагрузкой? Если нет, в царстве комплексных импедансов ему не жить. Не ищите в характеристиках усилителя того, чего там нет. ТТХ годятся, чтобы уяснить общую картину, но вряд ли расскажут главное.

Обмен мощностью

Лучший способ уяснить обмен мощностью усилителя и динамика — забыть на время о реактивном сопротивлении и превратить комплексный импеданс в чистое сопротивление. Нереалистично, но это шаг к пониманию того, как на самом деле все происходит. Используя эту модель, мы сможем не учитывать эффекты сохраненной и  отраженной мощности.
Допустим, вся сгенерированная усилителем мощность будет простонапросто нагревать резистор нагрузки. Допустим, она не станет возвращаться и бить усилитель ногой в лицо (что нередко происходит с незабываемым ароматом горелых резисторов и полупроводников и красивыми клубами дыма из рэка).
Обмен мощностью между источником и нагрузкой определяется отношением их импедансов — попросту импеданс нагрузки, поделенный на импеданс источника. Раз уж мы игнорируем реактивность, можно просто разделить сопротивления друг на друга.
Есть и сопротивление коммутации, но им мы тоже пренебрежем (волшебные провода). Сопротивление нагрузки — это противодействие току, подаваемому источником, которое превращает электричество в тепло. В динамике такое сопротивление можно снять непосредственно с катушки омметром. Чаще всего показатель низкий — меньше 8 Ом. Это будет одна часть отношения, определяющего у нас обмен мощностью между усилителем и динамиком.
Другая часть — исходящий импеданс на усилителе. У всех источников есть внутренний импеданс — противодействие току внутри устройства. Внутренняя проводка усилителя, дорожки на платах, транзисторы — все обладают собственным сопротивлением (как и любые проводники), так что электронам, пока они бегают по общей цепи, приходится пробиваться через это противодействие так же часто, как и сквозь нагрузку. Отношение импеданса источник/нагрузка определяет, где рассеивается больше мощности: в усилителе, в коммутации или на нагрузке.
Конечно, все эти элементы рассеивают энергию, но цель, как вы понимаете, донести ее до нагрузки в целости. Так как мощность равна напряжению, умноженному на силу тока, нужно в достатке того и другого, чтобы обеспечить хорошую мощность. Если сопротивление нагрузки слишком высокое, сила тока снижается (больше помех на пути), и мощность в цепи падает. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, сила тока становится больше, но снижается напряжение (как давление в трубопроводе), что уменьшает и мощность. Максимальный обмен мощностью происходит тогда, когда достигнут баланс между этими крайностями, так называемый согласованный импеданс (impedance match); удачное сочетание называют согласованным интерфейсом (matched interface).
Баланс достигается тогда, когда сопротивление источника и нагрузки равны. Согласование импедансов старо, как пространство и время — природа постоянно им занимается. Для электрических приборов его учитывают уже 150 лет.

Неизменное напряжение

Не прекращайте читать на этом месте! Если это случится, вы закроете журнал, уверенные, что согласование импедансов — лучший способ сочетать усилитель и акустику. На самом деле этот способ ужасен по целому ряду причин.
Во-первых, в согласованном интерфейсе половина доступного напряжения теряется через выходной импеданс источника и нагрузка получает лишь вторую половину. У согласованного интерфейса хорошие показатели обмена мощностью, но обмен напряжением у него не так хорош. Достичь более высокого напряжения на нагрузке, т. е. на динамике, можно, если сделать ее импеданс большим, нежели у источника.
Это похоже на затыкание поливального шланга пальцем. Из-за сниженного тока давление растет. Однако из-за того, что сопротивление нагрузки выросло и сильнее мешает току (или воде) проходить, обмен мощностью менее эффективен. Мы жертвуем количеством переданной мощности, чтобы добиться лучшего переноса напряжения. Это кажется неконструктивным, но такое решение оставляет достаточно мощности (хоть и меньше, чем потенциально возможно).
Готовы к еще одному парадоксу? Если сделать сопротивление нагрузки минумум в десять раз выше, чем у источника, напряжение в нагрузке уже не будет зависеть от ее сопротивления. Возвращаясь к шлангу: отверстие можно заткнуть так плотно, что вода перестанет течь — мы получили самое высокое давление, доступное от источника. С этого момента давление (напряжение) повысить нельзя, даже добавляя сопротивления. Мы создали интерфейс с постоянным давлением.
Аналоговое электрическое подключение и есть интерфейс с неизменным напряжением. Такой подход практически всегда используется в аудиотехнике. Выходной импеданс низок по сравнению с входным импедансом, к которому подключен.

Жертвуем обменом

Зачем сознательно понижать обмен мощностью между усилителем и динамиком, применяя подключение с неизменным напряжением? Почему бы ни согласовать импедансы и получить максимум мощности? Есть несколько серьезных причин.
Первая: интерфейс с неизменным напряжением позволяет параллельно подключать несколько громкоговорителей. Если бы импеданс между усилителем и динамиком был согласован, подключение второго (параллельно или последовательно) уменьшило бы мощность, получаемую первым. Так что каждый раз при подключении дополнительной акустики менялась бы громкость уже включенных. Наступил бы хаос. Интерфейс с неизменным напряжением поддерживает одинаковое напряжение (и соответствующую мощность) для всех громкоговорителей, сколько бы их ни подключили.
Но не увлекайтесь. Если подключить слишком много динамиков, будут нарушены условия собственно неизменного напряжения. Однако в реальности чаще всего можно подключить один, два и даже три кабинета к усилителю мощности и сохранить при этом состояние неизменного напряжения. Нужно лишь убедиться, что сочетание всех  динамиков не понизило импеданс настолько, что напряжение в усилителе упало. Поэтому производители обычно указывают минимальный импеданс, который усилитель может без опаски нагружать. Дело в том, что каждый дополнительный динамик в параллельном подключении снижает суммарное сопротивление с точки зрения усилителя, поэтому повышается напряжение.
Это неочевидно, но представьте себе ведро с водой, где проделали не одну, а две дыры. Из ведра за данный отрезок времени будет вытекать больше воды. Дополнительные дыры дадут еще больший ток воды. Если вы подключаете дополнительную акустику к усилителю, вы проделываете еще одну дыру в ведре! Если импеданс нагрузки с точки зрения усилителя снижается, может проявиться целый букет неприятностей: упасть напряжение на усилителе, упасть его мощность, а до этого пренебрежимое сопротивление в проводах и штекерах становится проблемой. Проработав в таком режиме какое-то время, усилитель может просто выключиться, а то и сгореть.