Усилители звуковых частот
Сигнал от микрофона очень мал (обычно тысячные ватта), тогда как подаваемая на громкоговорители мощность составляет десятки и сотни ватт. Таким образом, возникает необходимость в усилении звуковых сигналов. Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности (напряжения или тока) электрических сигналов. Основные активные элементы современных усилительных устройств – биполярные или полевые транзисторы. Ко входу усилителя подключается источник сигнала, например, микрофон, к выходу усилителя подключается нагрузка.
Усилители выпускаются как самостоятельные, вполне законченные устройства, так и выполненные в составе различных устройств, например музыкальных центров (см. рис. 5.3 в центре). Усилители имеют выключатель питания и регулятор громкости. Некоторые усилители имеют регуляторы тембра по низким и высоким частотам и даже «графичесские» регуляторы тембра - эквалайзеры.
Важнейшими параметрами усилителя являются выходная мощность, номинальный диапазон частот, линейность характеристики «вход - выход». Рассмотрим эти характеристики и связанные с ними понятия.
Частотные искажения.
Человек слышит звуки в полосе частот примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. И если мы хотим услышать из громкоговорителя звук во всем его частотном богатстве, то нужно провести этот звук (точнее, его электрическую копию) от микрофона до громкоговорителя без каких-либо частотных искажений. То есть на всем пути, пролегающем, например, через микрофон, усилители, устройства звукозаписи и считывания, громкоговорители, нужно сохранить изначальное соотношение между всеми частотными компонентами сложнейшего звукового аккорда, между составляющими звука во всей полосе от 20 Гц до 20 кГц. Задача непростая, если решать ее в полном объеме, аппаратура получится сложной, дорогой. Поэтому в аппаратах средней и невысокой стоимости воспроизводят более узкую полосу частот, скажем, 20 Гц — 12 кГц или 200 Гц — 6 кГц, и мирятся с тем, что звучание получается не отличным, а хорошим или даже всего лишь удовлетворительным.
Рис.5.11. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя
Коэффициент нелинейных искажений. Если подать на вход идеального усилителя синусоидальный сигнал, то сигнал на выходе также будет синусоидальным. Однако если усилитель имеет нелинейность, то сигнал на выходе будет отличен от синусоидального, и на его выходе появятся дополнительные составляющие - гармоники. В результате на выходе всей системы, то есть в громкоговорителе, появляются компоненты звука, которых не было на входе, слышатся посторонние призвуки и хрипы.
Эти искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений - отношением среднеквадратического значения напряжения (или тока) высших гармоник к напряжению (или току) первой гармоники. Часто эта величина задается в процентах. Считается, что нелинейные искажения в 2—3 процента незаметны на слух, но все же в высококлассной аппаратуре стараются, и не без оснований, сделать их менее одного процента, а порой и гораздо меньше.
Выходная мощность усилителя. Вообще говоря, существует множество определений мощности усилителя - номинальная, максимальная, пиковая и т.д. Ограничимся приведением определения номинальной мощности - эта мощность на выходе усилителя при заданном значении коэффициента нелинейных искажений.
Уровень собственных шумов. Даже когда на входе усилителя отсутствует сигнал, на его выходе существует напряжение шумов, и эти шумы слышны в громкоговорителе. Шумят ламповые и транзисторные усилители из-за ничтожных флюктуаций тока. По той же причине в какой-то мере шумят все элементы электронных схем, даже обычные проводники.
Шумы - вещь неприятная, и не только потому, что слышны в паузах.
Шумы забивают слабый сигнал, приходится искусственно поднимать его уровень и при этом жертвовать реальным динамическим диапазоном - соотношением самого громкого «форте» и самого тихого «пиано».
Уровень шума измеряется отношением напряжения шумов на выходе усилителя Uш к максимальному напряжению Uм сигнала. Это отношение обычно измеряется в децибелах как 20×log(Uш/Uм). В хорошей аппаратуре уровень собственных шумов обычно меньше –60 дБ, т.е. шумы по напряжению в 1000 раз меньше, чем сигнал.
При использовании микрофона в системе звуковоспроизведения возможно самовозбуждение системы, проявляющееся в появлении сильного звука некоторой частоты. Это происходит, если звук от громкоговорителя попадает в микрофон, затем сигнал усиливается, достигает громкоговорителя и т.д. Это явление называют акустической обратной связью. Для устранения самовозбуждения следует располагать микрофон так, чтобы звуковые колебания, излучаемые громкоговорителем, не попадали в микрофон, можно также уменьшить громкость.
