Автозвук: Вспомнить всё 1

Вспомнить всё

Рубрика «Понятия» — старейшая в «АвтоЗвуке» и, в отличие от многих других, ни разу не меняла название. И, на мой личный взгляд — важнейшая. Тем не менее он-лайновая версия журнала, как наиболее удобная форма ведения архива, услужливо и не без ехидства подсказала: самый свежий материал в этой рубрике заглянул в глаза читателю в 2002 году. Увы...

НА ТО ЕСТЬ СВОИ ПРИЧИНЫ, О КОТОРЫХ МОЖНО было бы и не говорить, однако можно и сказать, потому что резоны, оттеснившие хорошую (как мне кажется) рубрику, сами по себе тоже очень неплохи. Время изрядно поработало на отечественное car audio, если сравнить, сколько техники, интересных установок, соревнований и прочего требовало внимания журнала три-четыре-пять лет назад и сколько сейчас, станет ясно: актуальные вещи вытеснили фундаментальные. Так всегда происходит, не только у нас.

Но дело даже не во времени, а в поколениях. Те, кто начинал читать «АвтоЗвук», например, студентом четвёртого курса в 1999 году, сегодня может оказаться кандидатом наук, а если повезёт — топ-менеджером или матёрым предпринимателем. Некоторая, закономерно небольшая, но очень просвещённая часть этого народа сейчас имеет известность знатоков автозвука. Часть эта небольшая, знатоки — вообще не массовый товар. За отдельными сторонами жизни этих людей можно наблюдать по обсуждениям в сетевых конференциях, из наблюдений следует, что этим никакие «Понятия» больше не нужны, они сами всё знают, забывать ничего не намерены, так что и вспоминать им нечего.

Так что если в вышележащих строках вы сейчас увидели определение себя самого, откажитесь сразу от намерения читать дальше, это не для вас, честное слово. Это для других.

Ведь одновременно (так устроено время: всё происходит одновременно, в крайнем случае — одно за одним) сегодняшний старшекурсник или свежий выпускник вуза, горящими глазами всматривающийся в своё светлое будущее, в мелкий шрифт «Из рук в руки Авто» и, смею надеяться, в наши страницы, во время выхода первых статей в рубрике «Понятия» ещё имел свободу выбора: идти в десятый класс или ну его. Вправе ли мы требовать от него, чтобы он тогда, на уроке географии, прочитал то, что ему, как оказалось, нужно знать сегодня? Не вправе, это и неразумно, и нелюбезно.

То, что читатель открываемой в этом номере серии есть, следует не только из теоретических соображений. Для примера в рубрике «Из ящика» мы в этот раз привели письмо читателя по имени Роман с очень интересным перечнем волнующих его вопросов. Если пропустили, загляните сейчас на страницу 16, а потом возвращайтесь к этому месту. Писем такого рода немало, по большей части они остаются без ответа, но не без внимания. Это, признаюсь, одно из наиболее ярких, сильный получился бы план публикаций, не случись у нас к этому времени своего, не такого, признаюсь, радикального.

План таков: те, кому это надо, давайте начиная с этого номера шаг за шагом пройдёмся по всем основным вопросам, понимание которых — необходимое условие понимания того, о чём мы пишем в регулярных рубриках. Пусть даже про это уже было, а сведения такого рода, например, обильно, но широко разбросаны во вводных разделах групповых тестов. По плану серия «Вспомнить всё» будет именно серией в рубрике «Понятия», самоё рубрику не вытесняя и не заменяя, поскольку есть ещё группа читателей, которых я несколькими абзацами выше просил дальше не читать, но вам, оставшимся, скажу: для знатоков приготовлены другие материалы на знатоков.

А во «Вспомнить всё» вопросы сами себе мы будем задавать предельно простые, а ответы постараемся давать предельно понятные, памятуя и о тех, кто в год открытия «Понятий» выбрал в отношении десятого класса не совсем то решение, которое нам по вкусу. С чего начнём? С того, о чём Роман в своём письме не спрашивает, полагая, что уж тут-то всё ясно. На самом же деле у нас есть основания полагать, что нет в головах публики большей сумятицы, чем связанная с простым и вкусным словом «мощность».

МОЩНОСТЬ... КТО ЭТО?

«У меня колонки мощностью 200 Вт, а магнитола 4 х 50. Будут ли они играть вместе?» Да будут, будут, не волнуйтесь вы так. Но ещё лучше будет, если всё же разобраться, что понимается и под мощностью, и под ваттами. «Мощность», по школьному определению — работа, произведенная за единицу времени, для наших целей определение почти бесполезное. Нам удобнее по-другому, пусть и непривычно: мощность — это количество энергии, преобразованной в нужную нам форму в ту же самую единицу времени. Речь всегда идёт о преобразовании, энергия никуда не девается, такая уж у неё привычка. Усилитель (пусть в магнитоле) получает готовую к употреблению электрическую энергию в форме постоянного тока от бортовой сети автомобиля и преобразует её в электрическую, но в форме переменного тока, изображающего звуковой сигнал. Всю? Нет, примерно половину, остальное идёт в тепло, отдаваемое воздуху небольшими радиаторами сзади на магнитоле или большими, «по всему телу» у отдельного, внешнего усилителя.

Динамик (пусть и притворившийся «колонкой») получает электрическую энергию в форме переменного тока и преобразует её в механическую, теперь уже в форме долгожданных звуковых колебаний. Всю? Да как сказать... Не совсем. Коэффициент полезного действия динамика (раз уж пошли по школьному пути: отношение произведенной звуковой мощности к полученной электрической) практически никогда не превышает 0,5%. Куда деваются остальные 99,5%? А туда же, в тепло, вообще, любое устройство, созданное человеческим разумом (а равно и волей всевышнего) производит тепло плюс ещё что-нибудь. С точки зрения преобразования энергии динамик на 99 процентов с копейками идентичен паяльнику. А в оставшейся половине процента — всё: и басы, и верха, и детальность, и гениальные музыканты. Обидно? Да, но ничего лучше как-то не придумали.

И вот она, главная разница между мощностью усилителя и мощностью динамика: усилитель её, можно считать, производит. А динамик — потребляет, не производя в обмен, как мы только что выяснили, почти ничего.

И когда мы говорим о мощности усилителя, то речь идёт о том, что ОН ДАЁТ. А когда о мощности динамика — то о том, что ОН БЕРЁТ. А сколько один даёт и сколько другой берёт? В порядке поступления:

СКОЛЬКО ДАЁТ?

Вот усилитель. Пусть тот, что в магнитоле, пока наплевать, потом почувствуете разницу. Какая у него мощность? Да какая угодно, всё зависит от того, какой уровень сигнала на входе, грубо говоря — в каком положении регулятор громкости. Мощность на выходе может оказаться 1 Вт, может — 10, может — 50, может... Подождите, должен же быть предел. Разумеется, но мы ведь не спрашивали какая МАКСИМАЛЬНАЯ мощность. А максимальная у каждого своя. Она определяется тем, какое наибольшее напряжение переменного тока сможет создать усилитель на своём выходе, когда к выходу присоединена нагрузка, в виде динамика, обладающего каким-то сопротивлением. Мощность на выходе определится просто: как величина этого напряжения, возведённая в квадрат и поделенная на сопротивление нагрузки. Присоединили к выходу вольтметр и нагрузку, на вход подали переменное напряжение, для удобства измерения мощности — на какой-нибудь одной частоте, и смотрим. На выходе 2 В, когда к нему присоединена нагрузка 4 Ом. При таких измерениях к выходу, разумеется, подключают не акустику, а её эквивалент в виде резистора, а то уши завянут. Возвели-поделили и получили: мощность на выходе ровно 1 Вт. Здесь есть небольшая засада, связанная с тем, что мы говорим о переменном напряжении, величину которого можно измерять по-разному. Чаще всего пользуются шкалой среднеквадратичных значений. В русском это слово длинное, поэтому привилось английское сокращение RMS (root mean square), означающее то же самое. Чтобы не вдаваться в детали, достаточно запомнить: для синусоиды значение напряжения RMS меньше амплитудного в 1,41 раза, то есть — в корень из двух. Мощность, указываемая в ваттах RMS — это та, что получена, когда напряжение при расчёте взяли RMS, что логично. А если взять амплитуду напряжения, то мощность, во-первых, будет называться пиковой, а во-вторых, станет ровно вдвое больше, чем RMS.

Возвращаемся к усилителю. Один ватт — это несерьёзно, прибавляем на входе. До каких пор будет расти напряжение на выходе и что его остановит? Остановит его ограничение сигнала. Усилитель питается постоянным напряжением, и то, что появляется как переменное на его выходе, не может быть больше напряжения питания по амплитуде. Нету там больше. И если мы будем наблюдать за сигналом на выходе, то в какой-то момент верхушки прежде изящной волны окажутся срезаны, там полуволна хотела перейти через верхний предел, напряжение питания. И обломилась. Откатываем сигнал на входе назад, пока ограничение не пропадёт, и смотрим на размах сигнала. Он чуть меньше полного напряжения питания, потому что что-то теряется в выходных каскадах усилителя. Если усилитель питается (как в пресловутой «магнитоле») от бортовой сети автомобиля, то нижняя полуволна подойдёт вплотную к нулевой отметке, а верхняя — к уровню 12 В. Что получается? Амплитуда, будем считать, 6 В в каждую сторону, возводим-делим и получаем сказочную цифру 4,5 Вт. Проверьте, если не лень. Выходит, что по всей науке это — максимальное значение мощности на выходе магнитолы, питаемой от 12 В? А так и было лет двадцать назад. И так есть сейчас, если купить какой-нибудь Vitek или Eurotec за 400 рублей, наши коллеги из киевского журнала «FOR Z» провели не так давно серию таких экспериментов, избавив нас от этой печальной необходимости. К счастью, уже недавно было найдено решение, позволившее если не выйти на грозные 4 х 50, то во всяком случае, уйти от скорбных 2 х 4,5. Это — мостовое включение усилителей, применяемое ныне во всех автомобильных головных аппаратах, за изъятием беспробудного отстоя наподобие упомянутого (для примера, ничего личного).

При мостовом включении на одну нагрузку работают два усилителя, включённые так, что размах синусоиды на выходе удваивается. По уже сообщённому вам способу посчитать выходную мощность это будет в четыре раза больше, чем 4,5 Вт, потому что напряжение возводится в квадрат, стало быть — 18. Примерно это значение имеет максимальная выходная мощность всех когда-либо испытанных нами головных аппаратов (в каждом из четырёх каналов, разумеется).

Откуда берутся знаменитые 4 х 40 Вт, потом превратившиеся в 4 х 45, 4 х 50 и так далее? Что это, чистое враньё? Как-то не вяжется с образом именитых и более чем респектабельных производителей техники, а ведь эти цифры украшают лицевые панели всех марок: Alpine, Blaupunkt, Clarion и далее в порядке латинского алфавита. Ведь когда речь заходит об отдельных усилителях тех же фирм, всё становится честно и правильно, возможностей убедиться за эти годы было достаточно. Здесь две уловки, первая —техническая, и только вторая — маркетинговая. Техническая уловка заключается в том, что в современных «головах» применены усилители так называемого «класса Н», там есть специальная цепь, способная на короткое время дать выходным каскадам увеличенное напряжение питания. Стоит конденсатор и, пока всё тихо, заряжается. А в пиках громкости он оказывается подключён последовательно с питанием выходного каскада, и пик проскакивает без искажений, не касаясь макушкой потолка 12 В. Но это если пик уровня сигнала совсем короткий, например — первый момент удара в барабан. Дальше, конечно, запас энергии иссякает, но дело уже сделано, даже два дела: действительно, на краткий миг максимальная мощность стала намного больше возможной при непрерывной работе, а во-вторых, появилась возможность об этом упомянуть. Не слишком акцентируя внимание на том, при каких условиях максимум выходной мощности стал таким. К чести респектабельных компаний (см. алфавитный список выше) надо сказать: часто в таблице технических характеристик на последней странице инструкции приводится и непрерывная мощность, с указанием, что это в ваттах RMS, и с указанием, какое было при этом напряжение питания, как правило, 14,4 В, потому что при этом «потолок» для выходной синусоиды приподнимается, и тогда в этой строке фигурируют именно 18 — 20 Вт на канал, случаи захода в третий десяток единичны.

Почему не их пишут на лицевой панели? Считайте это традицией, как цены на нефть в долларах за баррель, а на золото — за тройскую унцию. Тем более, как мы выяснили, формально — имеют право. А теперь быстро ответьте на контрольный вопрос: когда вы в последний раз видели автомобильные динамики, на которых была бы указана мощность МЕНЬШЕ 18 Вт? Поэтому всякие разговоры о «подборе» акустики к магнитоле или CD-ресиверу по мощности путём сравнения написанного на коробках с одним и другим смысла не имеют никакого. «А как же, — можете спросить вы, — у моего соседа по гаражу 100-ваттные «лопухи» захрипели и сгорели?» А это, милые вы мои, произошло не оттого, что мощности головного устройства было много, а оттого, что было мало МАКСИМАЛЬНОЙ мощности.

ГДЕ КОНЧАЕТСЯ МОЩНОСТЬ

Все видят, но мало кто обращает внимание: там, где всерьёз, а не для красоты, в тройских унциях, указывается максимальная выходная мощность (например, на последней странице инструкции), рядом стоит и величина коэффициента нелинейных искажений, соответствующая приведенному значению. У нас это сокращается в к.н.и., а в англоязычной инструкции будет выглядеть как THD и какое-то число со знаком процентов. Вспоминаем (или узнаём), что такое нелинейные искажения. Их иногда называют гармоническими (THD и означает Total Harmonic Distortion — общие гармонические искажения), что более правильно. Суть дела: когда усилитель работает идеально, сигнал на выходе будет отличаться от сигнала на входе только амплитудой, причём прямо пропорциоДобавим коксу. Напряжение на выходе возросло на вольт с небольшим, как вдруг на спектрограмме вырос целый забор из гармоник, значит, выходной сигнал опасно близко подошёл к предельно возможной амплитуде. По амплитуде гармоники вроде небольшие (верхняя шкала сильно растянута по вертикали), и в сумме они складываются в невеликий итог: меньше полпроцента. Но: вот этого забора раньше в звуке не было, а теперь он есть. Добавим ещё — и вот, приплыли: на синусоиде стали отчётливо видны искажения формы, именно те, которых мы ожидали — выше питания не прыгнешь. А сигнал на выходе стал чудовищным, в реальной жизни мы услышим, помимо чистого тона 250 Гц, массу нового: и 500, и (особенно) 750 Гц, и далее до самых невозможных частот, утешение, что все они кратны 250 Гц довольно слабое, для слуха это или скрип, или хрип, в зависимости от основной частоты. Теперь вопрос из древнего анекдота: где талию делать будем? Что принять за максимальную выходную мощность? Если там, где искажений было ещё совсем мало, то окажется 13,5 Вт. RMS, как вы теперь понимаете, увидев, в чём указано выходное напряжение. Если там, где под полпроцента, то будет уже почти 19 Вт. А если согласиться с 10%, то получим сказочную для таких усилителей величину 23 Вт. Но только лучше не соглашаться: видите, что кроется за этой неприметной цифрой?

Итог нашего анализа на первый взгляд парадоксален: с одной стороны, у усилителя есть только одна максимально достижимая выходная мощность, зависящая от напряжения питания и сопротивления нагрузки. Но при этому указать её можно как угодно, вопрос в том, какой уровень искажений считать допустимым. Традиционно для действительно мощных, внешних усилителей, значение максимальной мощности указывают при к.н.и., равном 1%. Для головных устройств изготовители предпочитают 10%, по причинам, уже не нуждающимся в комментариях.

И ВСЁ ЖЕ, ПОЧЕМУ?

Почему при таких, в общем-то, жалких значениях максимальной мощности усилителей головных устройств прицепленные к ним «200-ваттные» 6 х 9 начинают хрипеть, а то и гореть? Почему хрипеть, вы уже видели: хрип — это гармоники, появившиеся на выходе усилителя при его перегрузке. Человек думает, что его могучая магнитола перегрузила динамик, а на деле «лопуху» что дали, то и играет, думая своими лопушиными мозгами, что так и надо. А почему же горят, если им такая мощность — как слону дробина? А давайте ещё раз взглянем на результаты предыдущих опытов с искажениями, а потом их даже продолжим. Я там кое-что дорисовал: условные кривые, показывающие, какая часть частотного спектра попадает на низкочастотную головку (собственно «лопух»), а какая — на блок ВЧ-головок в его центре. Естественно, это относится в полной мере и к любой многополосной акустике, а у нас другой и не бывает. Вот играет что-то, и там есть мощная составляющая с частотой 250 Гц. Пищалка пока в отпуске: на голубом поле, изображающем её рабочий диапазон, сигнала почти нет, и правильно, не её это частота. Когда искажений становится полпроцента, что-то уже появляется, но пока ничего страшного, амплитуды невелики, а большая их часть попадает в область, где фильтр пищалки уже начинает отрезать ненужное. При 10% уже нехорошо: пищалке положен полный покой, а на неё валится куча гармоник, да ещё с уровнем выше, чем содержание верхних частот в нормальной фонограмме. Пойдём дальше, до предела: выкрутим входной сигнал так, что после отрезания верхушек полуволн смирная синусоида превратится в сигнал почти прямоугольной формы, в котором гармоник за сорок процентов от основного сигнала. Вот здесь пищалке, скорее всего, хана. А ведь и усилитель у нас тот же, и частота по-прежнему «непищалочья». При некотором природном даре таким сигналом можно подпортить и мидбас. Прямоугольные импульсы несут на выход намного больше энергии, чем синусоида, и электрическая мощность, которая при этом поступает на динамик, составит больше 50 Вт. Представим себе 50-ваттный паяльник, потом вспомним, что динамик — это паяльник на 99,5%, и судьба звуковой катушки, сделанной, в отличие от обмотки паяльника, не из нихрома, слюды и асбеста, а из гораздо более нежных материалов, перестанет выглядеть безоблачной.

Значит ли всё это, что на мощность акустики можно вообще не смотреть? Не совсем. Надо просто смотреть несколько по-другому.

Журнал "Автозвук"