Sagittarius

Старовер
Аудиофильские заблуждения
Опубликовано автором

В статье рассказывается о наиболее распространенных заблуждениях, связанных со схемотехникой УМЗЧ, ЦАП и прочими элементами звуковоспроизводящего тракта.

К сожалению, при выборе схемотехники аудиоаппаратуры для покупки или самостоятельного конструирования большинство из нас находится под влиянием чужих «знаний», полученных из сфабрикованных статей, обильно снабжённых потрясающей красоты картинками, шестизначными ценниками и крайне субъективными словоизвержениями «экспертов».

А также реклама всяких дорогих аудиофильских штучек сильно действует на наше подсознание. Причем очень эффективно действует.

Мы становимся жертвами маркетинга, паствой профессиональных и хорошо оплачиваемых «гуру». Нам много рассказали о тонкостях звучания того или иного кабеля, о всевозможных влияниях помех из сети, об ошибках при чтении лазерных дисков, джиттере… о великом множестве процессов, которые якобы должны влиять на звук.

Разумеется, всё это мешает нам принять правильное решение и выбрать по-настоящему правильный аппарат, вместо этого мы выбираем что- то чрезмерно дорогое или громоздкое.

Некоторые, наиболее распространенные заблуждения из области звуковоспроизведения и будут рассмотрены в этой статье.

О «мёртвости» и «скучности» неокрашенного звучания
Существует расхожее мнение, что точная звуковая аппаратура (т.е. вносящая в звуковой сигнал самые минимальные искажения из возможных) быстро надоедает своим однообразным и идеализированным звучанием.

Это, безусловно, было бы так, если бы со студий звукозаписи выходил всегда одинаково «стерильный» и «стандартный» звук. Конечно, никакого стандартного звука не существует! Все без исключения музыканты стремятся придать звучанию «свой», желательно легко узнаваемый почерк и окраску, многие из них используют только любимые, затёртые до дыр примочки, положение ручек на которых хранят в строжайшем секрете и не показывают даже жёнам! Звукорежиссёры от них не отстают, ибо никому не хочется быть незаметным роботом.

Но, увы, всегда находятся желающие утверждать, что все потуги вышеперечисленных людей — пустая трата времени без их чудесного «тёплого» звука! Неясно только, с чего это они решили, что звук изначально был «холодный».

Не стоит обменивать великое разнообразие и индивидуальность возможных звучаний на единственный, пусть даже приятный для слуха звук!

Об «огрехах» звукорежиссуры
Часто пишут, что высокое разрешение аппаратуры позволяет услышать много того, чего слышать не стоит, например огрехи звукорежиссуры или скрип стульев в концертном зале; и что вместо музыки получается урок анатомии.

Как говорится, волков бояться — в лес не ходить. Конечно, слышать недостатки записи не очень приятно, однако не слышать её достоинств неприятно вдвойне!

Достоинства же случаются самые разные, кому-то, например, в некоторых моментах очень приятны сильнейшие искажения и другие фишки от того же Alana Parsonsa, хотя кто-то назовёт их отвратительными. А его ремастированные 24-битные записи — это вообще что-то, эти фишки образуют замечательнейшее звуковое полотно и начинают жить своей жизнью. Особенно важно, чтобы все эти фишки дошли до вашего слуха «как есть», как их задумал исполнитель, потому что у окрашенных ещё и в вашей аппаратуре у них есть шанс стать просто мусором.

То, что на не очень качественной аппаратуре слышится как мусор, на самом деле часто оказывается очень даже живыми, стильными и необычными звуковыми событиями.

Бесполезно спорить, действительно ли это огрехи или специально так записано, для красоты. Если нам всё это надоест, всегда можно послушать MP3 с битрейтом 64 кбит/с или net-радио, там-то уж точно никаких огрех звукорежиссёра не услышим, всё однозначно, ноль от единицы отличим!

Об «аудиофильских» компонентах
Современная «аудиофильская эстетика» оперирует совсем небольшим набором канонизированных правил.

Один из основных канонов — это правильный размер компонентов. Причём доходит до смешного!

Там, где производитель микросхемы строжайше рекомендует smd-компоненты,расположенные максимально близко к выводам микросхемы (счёт идёт на миллиметры, играет роль даже длина выводов), в Hi-End конструкциях часто можно увидеть расположенный в 5 см от ИМС «аудиофильский» конденсатор в палец толщиной.

Там, где нужны минимальные помехи от источника питания, ставится трансформатор в три раза больших габаритов, имеющий в несколько раз большее поле рассеяния. Маленькое выходное сопротивление такого «аудиофильского» трансформатора приводит к большим импульсным токам с более «жестким» спектром, что дополнительно усугубляет ситуацию.

Там, где жизненно необходима компактность дизайна, можно увидеть огромную плату, напичканную рядами этих самых конденсаторов. Ясно, что в таком применении вреда от них гораздо больше, чем пользы.

В жертву моде (а современная «аудиофильская эстетика» не более, чем просто мода), не задумываясь, приносится не только здравый смысл, но часто и качество изделия.
Производители «Hi-End компонентов» не останавливаются ни перед чем, лишь бы человек поверил в их магию, ибо вера эта — золотое дно. Массовая вера должна быть проста и понятна, поэтому строится на примитивных утверждениях типа: «Всё гениальное просто» или «Дорогие детали облагораживают звук».
Вдобавок:
  • Факт, согласно которому качество работы интегрального УМ, например, на 70…80% определяется его принципиальной схемой, и только на оставшиеся 20…30% элементной базой, благоразумно умалчивают.
  • Реалии этого мира подменяются подсознательно желанной красивой сказкой. А в сказках должны быть свои злодеи, например, Дешёвые Конденсаторы и свои герои, например, Аудиофильские Лампы.
Вера в эти сказки не даёт очнуться и вспомнить, что самые лучшие автомобили, например, очень и очень сложны, а их стоимость наполовину состоит из стоимости чертежей, над которыми годами трудились инженеры-разработчики.

То же самое можно сказать и о микросхемах, за квадратным миллиметром кристалла скрывающих труд поколений инженеров и космические технологии, и о высококлассных усилителях, самая дорогая «деталь» которых — это «бумажное» качество их принципиальной схемы.

Напоказ такие штуки не выставишь (слишком уж это непонятно для большинства), и ходовая часть всегда скромно скрывается «под капотом».

Курьёзных примеров много, но до верующих в чудесные компоненты эти примеры просто не доходят, так как блокируются подсознанием.

Другое дело, например, красота и мощь лампового усилителя! Огромный котёл (трансформатор питания), невероятного размера раскалённые цилиндры (лампы или радиаторы размером с голову человека) и тонна железа никого не оставят равнодушными! Тут уж всякому ясно — это вещь!
Отсутствие поршневых колец никого не смущает, только добавляет антураж!

О том, что высокая степень интеграции отрицательно сказывается на звучании
Производители аппаратуры навязывают мысль о том, что для достижения хорошего результата категорически необходимо иметь отдельные компоненты, соединенные мудрёными дорогими шнурами. Соглашусь, это хорошо для человека с толстым кошельком и совершенно здорово для самого производителя.

Однако можно привести пример, когда даже в очень хорошей аппаратуре отлично уживаются и импульсный блок питания, и развесистая цифровая часть, и высококлассные ЦАП и АЦП, и даже микрофонные предусилители. Речь сейчас идёт о профессиональном микшерном пульте.

Просто инженер-разработчик хорошо знал, что и как можно делать, а чего и почему нельзя.

Качество питания, необходимость суперстабилизаторов с брэндовыми конденсаторами
Надувательство в этом вопросе достигло невероятного размера. Любой грамотный электронщик вам скажет, что, например, для операционного усилителя необходимо и вполне достаточно соблюсти требования даташит. А в нём можно увидеть только 10 мкФ танталового конденсатора плюс 0,1 мкФ керамического плюс иногда 1…10 нФ конденсатор NP0 (многослойный керамический чип конденсатор). И это всё!

Гораздо более важно грамотно и аккуратно трассировать «землю» и питание.
Для примера, подавление помех по питанию современного операционного усилителя на частоте 20 кГц минимум раз 300, а у хорош их 3000 и выше. На рис.1, а показаны графики для OPA604, подавление пульсаций 1000 раз, а на рис. 1, б — хорошего ОУ, подавление пульсаций 20000 раз на частоте 20 кГц.


Рис. 1
Подавление пульсаций в обычном выходном каскаде усилителя мощности составляет минимум раз 50.

О питании усилителей мощности
Блок питания состоит из диодного выпрямителя и сглаживающих пульсации конденсаторов. Для усилителя с глубокой отрицательной обратной связью (ООС) необходима и достаточна ёмкость около 15.000 мкФ на канал на 4 Ом. При этом пульсации составят около 10%. Шесть 8-омных каналов потребуют 50000 мкФ. Все, что больше, — это маркетинг.

Качество самых распрекрасных электролитических конденсаторов на высоких частотах всё равно абсолютно недостаточное, и их необходимо шунтировать керамическими (до них маркетологи пока что не добрались). Чтобы улучшить подавление пульсаций в 2-5 раз, можно, конечно, поставить намного больше самых хороших конденсаторов.
А что делать, если нужно улучшить в 1000 раз, как это, по-хорошему, и требуется?! Таких больших конденсаторов ещё не придумали! Вот тут-то на помощь и приходит схемотехника. Можно очень долго махать над больным дохлой курицей, извините, рекламным проспектом с суперконденсаторами, а можно просто дать ему нужную таблетку. А лучше две.

Имя первой — отдельный фильтр для питания входных каскадов (с конденсаторами отнюдь не гигантскими).
Имя второй — отрицательная обратная связь. Для неё, при выполнении потребных условий устойчивости, легко получить что 5 раз, что 50000…
При глубине ООС на низких частотах порядка 5000 раз уже совершенно безразлично, какие конденсаторы у вас в фильтре питания.

Об электромагнитной атмосфере
В пространственно-разнесенных системах с уймой межблочных соединительных кабелей проблема питания действительно встаёт довольно остро, и требуется хорошее качество первичного питания (помехи бытовой электросети, ВЧ помехи от СВЧ печек, мобильных телефонов, УКВ радиостанций).

Чем развесистее ваша система, тем хуже с её питанием. И с чувствительностью к «внутренним» электромагнитным помехам, кстати, тоже. Например, обычный (не свитый) межблочный кабель способен «наловить» до -80 дБ гармоник сети от поля рассеивания мощного тороидального трансформатора усилителя мощности. Причем этот фон может не зависеть от положения регулятора громкости! И уж точно не будет зависеть от наличия или отсутствия сетевого суперстабилизатора.

Вообще, когда вам говорят про то, что что-то лучше, что-то хуже, неплохо бы поинтересоваться, насколько в процентах это «хуже» хуже того, что «лучше». И заодно спросить красиво говорящего, действительно ли только в цене заметно это «улучшение».

О вреде отрицательной обратной связи (ООС)

Очень часто потребителя заочно считают чайником, а производитель пафосно сообщает: «наш усилитель без обратной связи». Любой инженер знает, что это ложь.
Не бывает усилителей без обратной связи вообще! Она есть всегда, в частности, внутри отдельно взятого транзистора или лампы. Это научный факт. В этом случае она является местной.

Принцип, на котором базируется ООС, в высшей степени универсален и существовал задолго до появления электроники и нас с вами. На нём основана работа всего сущего — от клеток до экосистем — для поддержания гомеостаза. Вы лично пользуетесь им каждую миллисекунду, чтобы, например, ходить, да что там, чтобы просто не пронести ложку мимо рта!

Проиллюстрирую как работает ООС в простом 2-каскадном усилителе (рис.2).

Рис. 2

Основной параметр ООС — её глубина. Под глубиной понимают «запас» усиления.
Для схемы рис.2 коэффициент усиления К=9,90099, а «запас» усиления (глубина ООС) около 100 раз. В эти 100 раз ООС и улучшает параметры «нелинейного усилителя».
Применимость принципа ООС и максимальная её глубина ограничиваются только устойчивостью, не существует никакой «оптимальной» глубины ООС.

Из теории устойчивости известно, что чем большей глубины ООС мы хотим достичь, тем большего быстродействия мы обязаны добиться. Разработка устойчивых широкополосных схем с большим усилением — это технически весьма и весьма сложная задача. Видимо поэтому разработчики, которые не в состоянии преодолеть такую техническую проблему коммерчески целесообразным способом, и объявляют общую ООС злом. В первую очередь, отсюда желание «отделаться» местными ООС и ограничить глубину общей.

Вокруг общей ООС всегда очень много разговоров. Но даже технически грамотные спорящие, обычно, не могут признаться друг другу в том, что же является их конечной целью.

На мой взгляд, если человеку надо максимально достоверно передать сигнал, то у него просто не остаётся другого выхода, как применить ОС, обычно общую, и, возможно, большей глубины. Если же хочется чего-то додумать, исказить, приукрасить, то от ООС придется отказаться или сильно ограничить её глубину, применить дорогостоящие суперконденсаторы, слава Hi-End, простор для творчества широк.

Для слуха обычного человека, не технаря, действительно, разговор грамотных людей об ООС может показаться полной профанацией. Применяются термины вроде «частота единичного усиления», «запас по фазе», «петлевое усиление», «корректирующее звено», «сигнал ошибки» и т.п. Попахивает какой-то наукой, от которой хай-ендщики (а большинство из них не обременены глубокими техническими знаниями, т.е. являются в техническом смысле обычными людьми) бегут, как от чумы.

Об «уникальности» качества работы усилителей без общей обратной связи

Повторюсь, не бывает усилителей вообще без обратной связи; например, в схеме эмиттерного (истокового, катодного) повторителя, по которой собрано 99,5% всех выходных каскадов, присутствует ЮО-% местная ООС по напряжению. Проще говоря, местная ОС является неотъемлемым свойством любого усилительного каскада, и говорить о её вредности просто глупо.

Самое время разобраться, чем же общая ОС отличается от местной.
  1. И в том, и в другом случае часть напряжения (тока) с выхода усилителя подаётся в противофазе на его вход.
  2. И в том, и в другом случае используются схожие схемотехнические решения, обычно, разница только в номиналах резисторов, которые и определяют глубину местных ОС.
  3. Местная ОС линеаризует каскад усиления, но лишь до определённого предела, около 0,05…0,2% общих гармонических искажений. Ограничения накладывают физические свойства активных элементов. Общая ООС (ОООС) свободна от этого принципиального ограничения.
  4. Сдвиг фазы в схеме без ОООС совершенно не опасен, поскольку не может превышать 90° для каждого каскада, и условие устойчивости соблюдается автоматически. В схеме с ОООС, состоящей из нескольких каскадов, этот фазовый сдвиг «накапливается» и может привести к самовозбуждению УМЗЧ, например, на ультразвуковой частоте, и это является единственным ограничением на глубину ОООС.
Если верить эзотерикам, звук «убивает» только общая ОС, но никак не местная, что позволяет локализовать проблему именно в сдвиге фазы.

Интересно, что фазовый сдвиг в усилителе — понятие в некотором смысле виртуальное и для звуковых частот никак не связано с задержкой распространения сигнала во времени, от которой на самом деле очень зависит качество работы ОООС. Задержка, эквивалентная сдвигу фазы 90° на частоте 20 кГц — примерно 12 мкс, и никакой, даже самый медленный усилитель такой задержкой не обладает.

Для сравнения, в УМЗЧ типа ES6.2 задержка от входа до выхода составляет 60 нс, т.е. в 200 раз меньше. Соответственно, общая ООС в нём работает совершенно также, как и любая местная.


Внешний вид печатной платы ES6.2

Итак, общая ООС ничем принципиальным от местной не отличается, за исключением количества охватываемых каскадов, и фазового сдвига, который «накапливается». Различие и вовсе исчезает, если построить усилитель так, чтобы сдвиг фазы от входа до выхода в звуковой полосе частот был невелик.
Вернёмся к качеству работы усилителей без ООС.

Со входным каскадом всё хорошо, вносимые им нелинейности малы, поскольку мала амплитуда входного и выходного сигнала.

С каскадом усиления напряжения всё уже совсем не так здорово, его усиление, обычно, достаточно велико, а амплитуда на выходе сравнима с напряжением питания, и в полной мере сказываются нелинейные ёмкости и нелинейная зависимость усиления и выходного сопротивления от напряжения. Искажения, вносимые этим каскадом, составляют 0,05…0,5%, и вопреки широко распространённому мнению, не очень сильно зависят от архитектуры усилителя.

Полностью (якобы) симметричные усилители показывают почти такие же результаты, как и любые другие. Происходит это по той причине, что основной вклад вносят всего два транзистора (на схеме рис.3 это Q4 и Q7), но в хороших усилителях их всегда два, независимо от того, «симметричный» усилитель или нет.

К тому же полностью комплементарных транзисторов попросту не существует, ёмкости и крутизна характеристик транзисторов разной структуры в силу технологических причин существенно отличаются.


Рис. 3
На рис.4 показаны результаты моделирования «симметричного» и нашумевшего когда-то усилителя без ООС «The end Millennium». Из результатов моделирования нетрудно видеть, что искажения этого УМЗЧ без нагрузки (и даже без выходного каскада) примерно 0,07% THD (коэффициент гармоник — Кг) и 0,1% IMD (коэффициент интермодуляционных искажений). Выходной каскад, даже тщательно отстроенный, добавит (как будет показано ниже) ещё примерно столько же, но фокус в том, что в результате перемножения спектров искажений итоговый спектр будет содержать массу гармоник и интермодуляций высокого порядка. Видимо, этот самый мусор и объявлен «неповторимым» качеством работы данного УМЗЧ.

Рис. 4
О каких 0,0017% THD заявляли авторы УМЗЧ «The end Millennium», неясно. Ведь это достаточно высокий показатель даже для хорошего усилителя с ОООС. Ошибочка почти в 50 раз!
Выходной каскад. Самый лучший и тщательно отстроенный (в том числе в классе «А») обладает выходным сопротивлением 0,05…0,2 Ом и искажениями порядка 0,05…0,2%. Результирующие искажения (в особенности на большом и сложном сигнале, где они будут хаотично меняться в зависимости от частоты, поскольку импеданс нагрузки непостоянен и на резистор не очень похож) могут быть до 0,5%.
Итак, то, на что вы можете рассчитывать, становясь владельцем усилителя с гордой надписью «Усилитель без ОООС», показано в таблице.


Посмотреть вложение 27372 Посмотреть вложение 27373 Посмотреть вложение 27374

О необходимости длительного «прогрева» аппаратуры

Я не вижу практического смысла в длительном (более получаса) прогреве устройств, не содержащих движущихся частей или частей с очень большой теплоёмкостью. Не верю я в возможность сверхтонких состояний вещества в обыкновенном транзисторе или конденсаторе!

Другое делослуховой аппарат человека! Его можно и нужно прогревать годами, в особенности, когда он начинает слышать новые синтетические звуки. На то, чтобы убедить себя, что что-либо «есть хорошо», требуется время.

К тому же, если изделие неделю «прогревается», то есть имеет место быстрый дрейф параметров, то за месяц оно может и «состариться», а за два месяца — умереть.

О «неважности» гармонических искажений

Гармонические искажения всегда считались одной из основныххаракгеристик аудиотракта. Но, как и всё в этом мире, их правильное понимание имеет свои тонкости. Одна тонкость — при численно равных Кг усилители могут звучать совершенно по-разному из-за разного спектрального состава гармоник. Вторая тонкость — неодинаковость Кг на разных частотах. Ниже показано, что неверно рассуждать об искажениях, рассматривая только гармонические, безотносительно интермодуляционных.

Дело в том, что те же нелинейности в усилительном тракте, которые порождают гармоники, с абсолютной неизбежностью порождают и интермодуляции. И это не предмет для обсуждения, это математически доказанный факт.

На самом деле гармонические искажения — это всего лишь частный случай интермодуляционных, когда одна из тестовых частот отсутствует.

Интермодуляции высокочастотных составляющих по частоте попадают, в том числе, на средние частоты, в зону наибольшей чувствительности слуха, и не маскируются ВЧ составляющими. Порог слышимости для человека на средних частотах составляет около 0 дБ, и важно, чтобы интермодуляции были ниже этого порога.

Интермодуляции первого порядка в лучшем случае равны гармоникам по амплитуде, отсюда однозначное требование: уровень гармонических искажений на высоких частотах всего тракта (в особенности этого трудно добиться в УМЗЧ) не должен превышать порог слышимости на средних частотах. Таким образом, для звукового давления, например, 96 дБ уровень гармонических искажений на ВЧ не должен быть более 0,0016%. Усилитель с настолько малыми искажениями на ВЧ демонстрирует необыкновенно тонкое, воздушно-невесомое звучание.

Это довод за малость искажений.

Довод против очень малых искажений состоит в том, что якобы искажения более тихие, чем шумовой фон помещения, не слышны.

Рассмотрим его подробнее. Предположение, что искажения менее уровня шума не будут замечены, являются непростительным и некорректным упрощением. Для примера, мы можем прекрасно слышать тихое пение птиц за окном. Но если мы возьмем микрофон, запишем, взвесим с помощью эквалайзера по кривой чувствительности слуха и на полученной, адекватной с точки зрения слуха шумовой картине помещения попытаемся найти пики сигнала, отвечающие пению, то ничего не увидим! Так произошло потому, что измеренный уровень шумовой дорожки несет в себе информацию об интегральном значении сигнала, грубо говоря, это корень квадратный из суммы квадратов всех частот, каждая из которых значительно меньше по амплитуде. На спектрограмме мы бы увидели его с лёгкостью, потому что пение птиц — это узкополосный сигнал, превышающий шум на наблюдаемом частотном интервале.

Существуют ещё как минимум две особенности человеческого слуха, которые не стоит игнорировать и «упрощать», которые помогли нам услышать пение птиц на фоне урчания холодильника и храпа соседа по квартире. Это избирательность по направлению и способность «накапливать» информацию о повторяющемся сигнале, достаточно продолжительном во времени. Согласно мнению некоторых исследователей, первая из них составляет 12…15 дБ. Информации по второй, к сожалению, найти не удалось. Переоценивать её не хочется, так же как игнорировать, поэтому возьмём какую-нибудь среднюю цифру, например, 6 дБ.

В сумме получается примерно 20 дБ.

В итоге, если мы слушаем музыку в тихом помещении (20…30 дБА), мы приходим приблизительно к тем же цифрам: интермодуляционные и гармонические искажения усилительного тракта во всей полосе частот должны быть менее порога слышимости, около 0,003% и 0,002% соответственно. Естественно, предпочтительно иметь запас, просто для гарантии.

О категорической недостаточности оцифровки с параметрами 16 бит 44,1 кГц

Первый и самый значимый довод состоит в том, что для 24-битных записей динамический диапазон может быть увеличен многократно, благодаря гораздо большей разрядности.

Здесь сразу надо определиться, что же на самом деле представляет собой динамический диапазон.

Когда говорится о динамическом диапазоне, скажем, симфонического оркестра (по мнению разных авторов, он составляет от 60 до 75 дБ), имеют в виду отношение амплитуды самого громкого Форте-фортиссимо к самому тихому Пиано- пианиссимо. Вроде бы всё верно, и к этой информации апеллирует буквально каждый, кто хочет рассчитать динамический диапазон. Но можем ли мы говорить, что Пиано-пианиссимо — это тот самый минимальный квант, тише которого уже не бывает? Конечно, это никакой не минимальный квант, а всего лишь тихая музыка, со своим тембром и со своей динамикой, про которую все как-то «забыли». Сколько отвести ещё динамического диапазона на тихонько звучащий инструмент, я сказать не берусь, знаю только, что 8-битный звук на малой громкости звучит нормально. На сверхмалой, может быть, хватит 4…5 бит, т.е. это 18…24 дБ.

То есть динамический диапазон звучания симфонического оркестра на самом деле составляет 75+24-99дБ и приблизительно равен динамическому диапазону CD.

Такой диапазон, к сожалению, не встречается ни на одной из записей! Для удобства прослушивания всегда применяется компрессия минимум 1,2:1, что превратит исходные 99 дБ в 83 дБ, но это уже совсем другая история.

А какие у нас возможности?

Теперь попробуем посчитать динамический диапазон, исходя не из потребностей, а из возможностей современной аппаратуры. Зададимся максимально возможным уровнем звука, развиваемым нашими АС, 115 дБ, — это приблизительно 2×150 Вт при чувствительности АС 92 дБ и расстоянии от них 2 м (это очень громко). Посидев несколько минут при звуковом давлении 115 дБ, вы на первое время утратите способность ясно слышать свой собственный голос. Чтобы не доводить до этого и сохранить свой слух лучше ограничиться средним звуковым давлением 96 дБ.

Для обычной записи со средним уровнем -15 дБ имеем максимальную громкость 111 дБ. Если, как и в примере с птичками, задаться чувствительностью слуха -20 дБ относительно шума помещения (около 30 дБ для обычной жилой комнаты), имеем динамический диапазон 111-30+20=101 дБ.

Получается, что наши возможности (101 дБ, мощная звуковая аппаратура в обычной комнате) совпадают и с нашими потребностями (99 дБ, симфонический оркестр без компрессии), и с возможностями стандарта audio-CD!

Есть ли преимущество у 24-битных записей?

Однако вернёмся к вопросу о том, какие преимущества имеют 24-битные записи. В динамическом диапазоне преимущество очень хорошее, но выясняется, что воспользоваться им не очень получается. Может быть, есть шанс получить преимущество по искажениям? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Для синусоидального сигнала 20 кГц максимальной амплитуды точность даже самых лучших ЦАПов (в том числе современных 32-битных) не выходит за пределы 18… 19 бит при частоте квантования 44,1 кГц. Это соответствует IMD порядка 0,0004%. С уменьшением сигнала уровень искажений хороших 24-битных систем нарастает довольно медленно, что показано на рис.5 для 24-битного ЦАП типа РСМ1794.


Рис. 5
Для реальных музыкальных произведений обычный уровень сигнала составляет -10.. .-15 дБ, однако и для этого уровня IMD находится в пределах 0,0005%, что надо признать очень хорошим результатом.

Для CD при максимальной амплитуде этот параметр составляет около 0,003%, совпадая с чувствительностью слуха (порядка 0,003%, для звукового давления 90 дБ, по широко распространённому мнению).

Из графика на рис.6 видно, что для хорошего ЦАПа (РСМ1704) в 16-битном режиме Кг при уровне -15 дБ составляет уже 0,007%, IMD тоже будет около 0,007%, что в три раза хуже «слуховых потребностей».


Рис. 6
Таким образом, можно говорить о действительно серьёзном превосходстве (до 10 раз по искажениям) 24-битных систем, особенно для воспроизведения «неплотных» и «тихих» записей с большим динамическим диапазоном. То же самое можно сказать и о 20-битном формате HDCD, необыкновенно красиво решившем проблему нехватки разрешающей способности CD. Но только теоретически.

Практически же, если взять запись среднего качества 24 бит / 96 кГц и конвертировать в 16 бит / 44,1 кГц, то никаких изменений можно и не услышать по причине низкого качества оригинала.

По поводу полосы воспроизводимых частот написано много, добавлю только что в техническом плане увеличение частоты квантования с 96 до 192 кГц, обычно, ведёт к увеличению искажений, но по мнению многих экспертов не ведёт к слышимому выигрышу в звучании. На рис.7 (для ЦАП РСМ1794) видно как деградирует THD при увеличении частоты квантования до 192 кГц.


Рис. 7
В свете этого 96 кГц, видимо, вполне достаточно.



Кстати говоря, с помощью осциллографа можно обнаружить, что многие 24-битные записи на самом деле содержат всего 16 бит. Тем не менее, некоторые из них звучат потрясающе динамично, детально и натуралистично!

Кроме того, подавляющее большинство записей, в том числе и некоторые тестовые, не используют в полной мере даже ресурсы 16/44,1. Вспомните, наверняка и в вашей практике были обычные CD, звучавшие намного живее, динамичнее и натуральнее, чем такие же другие. В условиях современной гонки RMSob даже ремастированные старые записи зачастую грешат зажатостью динамического диапазона.

Но записаны они почему-то 24/96 или 24/192! Мне не жалко, современные носители позволяют, но 100% людей никогда не услышат этих 24-х бит,

и не потому, что туги на ухо… Просто, кроме декларирования 24/192 на обложке нужно ещё много чего. Например, таланты звукорежиссёра, неединственной целью которого будет являться «чтобы играло на всём». А также нужны акустика и усилитель, имеющие соответствующий динамический диапазон. Нужен lossless стандарт (т.е. передающий звук без потерь и сжатия) в кино (сейчас он есть только в DTS-HD Master Audio и Dolby TrueHD).

Сама по себе студийная и наша с вами аппаратура — это всего-навсего железки. Понятно, что высочайшего качества записи требуют тщательного и профессионального подхода при записи и сведении. Неудивительно, что их так немного.

Уже не будем говорить о том, что аппаратура, на которой звучание DVD-audio хотя бы немного

отличается от звучания audio-CD, есть пока у очень немногих, и, скорее всего, ситуация не изменится в ближайшие годы.

О безусловной пользе Up-сэмплинга

В некоторых аппаратах с фишкой Up-сэмплинга используются обычные сигма-дельта ЦАПы.

Разберём, для примера, как устроен сигма- дельта ЦАП на примере сильно нашумевшего когда-то ЦАП типа AD1853 (рис.8).


Рис. 8
Состоит он из 2-х цифровых фильтров и непосредственно ЦАПа. Первым цифровым фильтром служит интерполятор, умножающий входную частоту дискретизации на 2 в случае 192 кГц, на 4 в случае 96 кГц и на 8 в случае 48 кГц. Таким образом, на вход второго цифрового фильтра (сигма-дельта модулятора) поступают данные с частотой 384 кГц. Вам эта цифра ничего не напоминает?! Оказывается, этот самый суперсовременный Up-сэмплинг уже находится внутри ЦАПа!

Во втором цифровом фильтре (в сигма-дельта модуляторе) происходит повторное повышение частоты дискретизации до 11… 17 МГц с одновременным понижением разрядности. Непосредственно же выходной ЦАП (как и сигма-дельта модулятор) постоянно работает на одной и той же частоте независимо от входной частоты дискретизации и имеет разрядность всего 6…7 бит. Нравится это нашим стереотипам или нет.

Строение ЦАПов Burr-Brown немного иное (рис.9), но и в них используется интерполятор х8 и цифровой фильтр, работающий на частоте около 12 МГц и специально оптимизированный именно под эту частоту. Поверьте, производитель микросхем хочет выпускать хорошие изделия и трудится над ними годами, нам же с вами не следует изобретать велосипед.


Рис. 9
Добавлю, что из спецификаций всех без исключения ЦАПов видно, что с увеличением входной частоты дискретизации их точность и шум ухудшаются пропорционально корню квадратному из кратности увеличения частоты.

Так что если в рекламе гордо написано «Up-сэмплинг» применительно

к сигма-дельте
, то это явный обман.

Другое дело «честные» ЦАПы (мультибитные). В них процедура Up-сэмплинга может оказаться полезной (в том случае, если он способен работать без деградации точности на большой частоте). Конечно, Up-sampling весьма полезен для выходного аналогового фильтра, с целью его упрощения (рис. 10).


Рис. 10
Для последнего «честного», т.е. мультибитного РСМ1702/1704 (выпущен в 1999 г., но до сих пор производится), рекомендована частота х8 для входных 96 кГц. Для выходного ЦАПа это составит 768 кГц. Данные по искажениям, шумам и помехам приведены именно для этой частоты, то есть всё корректно. По каким-то причинам (возможно, для совместимости с зародившимся в то же время стандартом SACD) цифровой фильтр, умножающий входную частоту, не был размещён внутри РСМ1702/1704, но в обязательном порядке рекомендован производителем для стандартной схемы включения.

Таким образом, уже в 1999 г. имеем суперсовременный Up-сэмплинг!

На примере Up-сэмплинга можно изучать, как старые, как мир, технические решения берутся на вооружение маркетологами. Нужны же им хоть какие-нибудь слова, пусть даже дублёры технических терминов, а лучше совсем лишённые смысла, тогда можно вообще ни за что не отвечать.

О джиттере

Ни в одной мурзилке, ни на одном форуме вы не прочитаете, сколько же допустимо этого самого джиттера (и с каким спектром) для разрешения,

например, 16 бит. Безграмотность рулит! В даташите на измерительный сигма-дельта АЦП типа AD7762 удалось-таки выяснить, что:

Требования по MCLK джиттеру зависят от ряда факторов и задаются в виде:

Tj(RMS)= √OSR/(2p·fin·10SNR/20),

где

OSR — Oversampling ratio, или кратность передискретизации;

fin — максимальная частота входного сигнала;

SNR — заданное отношение сигнал/шум в дБ. Нетрудно видеть, что в правой части уравнения в знаменателе получается время, за которое сигнал частоты Fnизменится на 1 младшего разряда.

Зададим:

OSR — Oversampling ratio, или кратность передискретизации, для типового случая с сигма- дельта АЦП (ЦАП) принимаем 256;

Fn — максимальная звуковая частота, принимаем 20 кГц;

SNR — отношение сигнал/шум, для 16 бит, как известно, 96 дБ.

Подставив значения, получим:

Tj(RMS)= √(256)/(6?28·20000·1096/20) = 1940 ps,

Т.е. для точности в 16 бит на частоте 20 кГц, на частоте квантования 44,1 кГц, оказывается, достаточна «малость» джиттера 1940 ps RMS!

Для сравнения, ругаемый всеми и всюду интерфейс SPDIF с помощью приёмника WM8804 обеспечивает RMS джиттера менее 50 ps. Означает ли это, что интерфейс действительно хорош?

У этого вопроса два противоположных ответа, которые и породили путаницу в данном вопросе.

Всё зависит от спектра этого злосчастного джиттера, а также от типа применённого ЦАПа.

Ответ № 1

Если мы имеем дело с сигма-дельта ЦАПом и со значительным джиттером, спектр которого чист в звуковой полосе частот, мы можем рассчитывать на то, что он хорошо проинтегрируется сигма-дельта ЦАПом в строгом соответствии с законами математики.

Ответ №2

Если мы имеем дело с сигма-дельта ЦАПом и интерфейсом SPDIF, мы должны очень внимательно отнестись к проблеме джиттера, поскольку в приёмнике работает ФАПЧ не всегда хорошего качества, и спектр джиттера гарантированно попадает в звуковую полосу частот.

Ответ №3

Мультибитный ЦАП, работающий на низкой частоте дискретизации, очень чувствителен к джиттеру любого спектра, который он «выхватывает» из массива информации в тот момент, когда ему «приспичило», и этот джиттер «в чистом виде» входит в выходной аналоговый сигнал.

Если мы подставим в формулу выше джиттер амплитудой 50 ps для случая с мультибитником, работающем на частоте 44,1 кГц, получим разрешение всего 17,3 бит. Причём это тоже «усреднённое» значение, мгновенные расхождения составят около 15 бит, что и нужно признать практически значимым результатом.

В итоге, большой джиттер не всегда опасен для сигма-дельта ЦАПа, но для мультибитных ЦАПов мы обязаны обеспечить джиттер менее 20 ps rms.

Об избыточности большого быстродействия

Требуемая скорость нарастания напряжения на выходе усилителя составляет (Vp·2Pi)/Т Для выходной мощности 100 Вт, нагрузки 8 Ом и частоты 20 кГц это примерно 5 В/мкс. На первый взгляд всё верно, кроме одного. Такая низкая скорость нарастания неминуемо сопровождается большой задержкой прохождения сигналом с входа на выход УМЗЧ. Поэтому для устойчивости устройств с ООС придётся уменьшать коэффициент усиления, и ООС на высоких частотах просто перестанет работать! А вот чтобы она работала, да ещё все каскады работали в малосигнальном по своим меркам режиме, и нужен хороший запас по скорости нарастания выходного напряжения. Раз пятьдесят — минимум! Это позволяет усилителю «дышать спокойно». Получающиеся при этом полоса пропускания мегагерцы и скорость нарастания сотни вольт/микросекунду — это всего лишь следствия.

О необязательности низкого выходного сопротивления УМЗЧ

Если рассмотреть импеданс типовой многополосной АС, можно увидеть примерно следующее (рис.11).


Рис. 11
Совершенно очевидно, что разработчики АС стремятся получить максимально ровную АЧХ и ФЧХ по звуковому давлению, а не по электрическому импедансу, который на некоторых частотах возрастает в 4 раза от номинального, на других же в 1,5 раза уменьшается. Если, к примеру, подключить такую АС к ламповому усилителю с выходнымСверху

сопротивлением 1 Ом (характерная величина для подобных устройств), получим очень хорошо заметные на слух выбросы на АЧХ порядка 2 дБ с неравномерностью ФЧХ около 15º!

Причём на реальном звуковом сигнале разделительные фильтры АС высокого порядка (которые и порождают горбы импеданса) будут ещё и «подзванивать», отдавая энергию обратно в усилитель. Точно так же поступает и находящаяся в тесном взаимодействии система: разделительный фильтр НЧ — драйвер — воздух внутри корпуса — фазоинвертор.

Какие явления это породит внутри усилителя с неглубокой ООС и высоким выходным сопротивлением, в общем не очень понятно. Ясно только, что результирующая АЧХ такого УМЗЧ и АС, по звуковому давлению. будет очень нелинейной.

О качестве усилителей класса D

Часто утверждается, что цифровой (класса D) усилитель позволяет избежать «лишнего» преобразования сигнала из цифры в аналог перед непосредственно усилением. По смыслу этого утверждения получается, что можно избежать цифроаналогового преобразования как такового! О чудо! Как в кинофильме, из матрицы прямо в мозг! Конечно, это полный абсурд.

На самом деле любой цифровой усилитель работает так же, как сигма-дельта модулятор с однобитным выходом, по сути, это однобитный ЦАП. Только в отличие от однобитного ЦАПа усилитель класса D имеет далеко неидеальные выходные ключи, параметры которых очень сильно зависят от температуры и нагрузки. Чтобы хоть как-то скомпенсировать неидеальность ключей, усилитель иногда охватывают неглубокой аналоговой ООС. Ограничения на глубину ООС накладывают небольшая частота работы ключевых схем и дискретность их временных интервалов. Частота работы большинства усилителей класса D не превышает 500 кГц (для сигма-дельта ЦАПов эта частота составляет обычно 2,8 МГц), а разрядность по определению составляет один бит (6…7 бит для хороших сигма-дельта ЦАПов). Несмотря на все попытки, пока не удалось получить хоть сколько-нибудь приличного по современным меркам качества. На рис. 12 можно посмотреть типовые цифры для самого распрекрасного усилителя TAS5111 от Texas Instruments 2005 года выпуска.


Рис. 12
Зато у такого УМЗЧ сразу куча преимуществ. Очень высокий КПД, небольшие габариты, вес и простота реализации. Короче, горячо любимая халява.

О том, что покупателя не надо информировать о цифрах, или о Магии в звуке

Не нужно всех принудительно строем в одно стойло. Если человек даёт себе труд во всём разобраться, так и хорошо. Добросовестному производителю легче будет, а недобросовестный легко найдёт массу других людей, готовых к тому, чтобы их обманули.

Современный обман аудиофилов основывается на позициях крайне субъективной оценки качества, безотносительно реальных технических показателей. Утверждается, что якобы, «технические параметры не имеют никакого отношения к качеству звучания», или, ещё интереснее, «хорошие технические характеристики гарантируют бесцветность, стерильность и мёртвость звука». В жизни же всё обстоит с точностью до наоборот: лучшие, по результатам слепого тестирования, аппараты имеют лучшие технические характеристики.

Целью этих безответственных заявлений является «призвать» покупателя в своё сообщество «золотоухих», где преимущественно действуют законы больших денег, золочёных ручек-ножек. Даже сама идея того, что мощный современный инструментарий в состоянии очень много чего измерить, формализовать и затем на основании статистики провести параллели с теми или иными субъективными ощущениями от прослушивания отвергается адаптами Hi-End в принципе.

Производителем ныне декларируются только совершенно очевидные параметры, вроде разрядности ЦАПа или выходной мощности усилителя. Или лучшие из достигнутых параметров, измеренные в непонятных условиях, например коэффициент гармоник, измеренный на непонятно какой частоте (а ведь это уже явный обман, ненаказуемый, к сожалению). Чего стоит только популярный ныне приём с гордостью сообщать потребителю, что в нашем усилителе установлены выходные транзисторы с максимальной рабочей частотой, например, 60 МГц. Воздух сотрясает отменно и ровным счетом ни к чему не обязывает! У высокочастотных транзисторов вовсе необязательно малые паразитные ёмкости (зато точно малое усиление), и включить такой транзистор в выходном каскаде так, чтобы получить полосу пропускания хотя бы 5 МГц, — это очень серьёзная задача.

Лучше написали бы полносигнальную полосу пропускания усилителя в целом. Вот это уже Ходовой Параметр. Сокрытие ходовых параметров сначала производителем, а потом ещё и продавцом части того, что показал производитель, стало нормой нашего бытия. Маркетологи быстро сообразили, что даже технически совершенно необразованный человек вполне себе в состоянии, если не досконально понять, чего эти циферки означают, то уж точно их сравнить.

Получив первое приближение, становится ясно из чего выбирать. А ушами это сделать долго и трудно. А продавать надо часто и много.

О том, что все аппараты разные

Недолгий просмотр технической документации покажет вам, насколько потрясающе схожи схемотехнические решения и элементная база даже у «концептуально антагонистичных» брэндов.

Тотальный девиз современного подхода конструирования удиоаппаратуры — это предельная простота и минимум деталей (т.е. экономия).

О том, что проще, значит, лучше (всё гениальное просто)

Но всё ли простое гениально?! Гениальность в том, чтобы сделать очень хорошее, но просто.

Попробуйте назвать автомобиль, соединяющий в себе простоту и хорошие качества. Не очень-то они просты изнутри, хорошие автомобили!

Если устройство сделано простым исключительно для «понимания» его потребителем или из других маркетинговых соображений, это вовсе не означает, что оно хорошо работает!

Простые инженерные решения обладают массой «побочных эффектов». Преодоление этих побочных эффектов неминуемо делает простое решение сложным.

О том, что дороже, наверняка лучше

Только до определённого предела и только в рамках одного брэнда. Пожалуй, только в технике Hi-End наблюдается такое редкое несоответствие цены и качества.

О начинке (главной её части), как правило, умалчивают, и неудивительно, ибо производителю стыдно признаться, что за аппарат, содержащий 5-долларовый ЦАП, 1-долларовый операционный усилитель и горстку транзисторов, ему хочется получить 1000 USD или даже 10000 USD.

О том, что что-то бывает сотворено из ничего

Производители пытаются нам всячески внушить, что горшки обжигают боги… Не верьте. Я знаю одного профессионального конструктора АС, незнакомого с понятием «импульсная характеристика»… Метод «тыка» считается подобными конструкторами гораздо более продуктивным сравнительно даже с методом «научного тыка».

Если в спецификации не указали тип использованного ЦАПа, не стоит свято верить, что аппарат сотворён из света, огня и ветра, а функционирует магическим образом! Ведь внутри у него такие же микросхемы.

О «неизмеримости» искажений

Бытует всячески культивируемое аудиошарлатанами мнение, что в звуковом сигнале присутствуют некие неизмеримые составляющие, которые нельзя даже зафиксировать, но которые, тем не менее, сильнее всех страдают при прохождении через каскады усиления.

Параметры же, легко измеримые, не имеют якобы никакой важности.

Соглашусь здесь только с одним: действительно, отменные технические параметры отнюдь не гарантируют отменного же качества звучания.

К великому сожалению, общераспространённые параметры не в состоянии раскрыть главную особенность звучания — его ясность и натуральность. Примеров тому много: взять хотя бы сигма-дельта ЦАПы, наводнившие рынок взамен «устаревших», но честных мультибитников. Циферки — лучше не бывает, а звук — мутный и пластмассовый. Но это совершенно не означает бесполезность приведённых циферок, поскольку абсолютно бесполезно искать качества там, где нет отменных технических параметров.

Цитата из книги Ирины Алдошиной «Основы психоакустики»:

«…Как уже было рассмотрено в предыдущих статьях по психоакустике, только два физических параметра сигнала воспринимаются нашей слуховой системой:

  • интенсивность (т.е. энергия или звуковое давление);
  • время — начало и конец сигнала; и его повторяемость во времени (периодичность или частота).
Человек «слышит» звук, воспринимая изменения величины звукового давления, воздействующие на его барабанную перепонку, во времени. Вся информация, которую мы получаем о звуке, содержится в звуковых волнах, являющихся сжатием-разрежением воздуха. Все остальное, что мы оцениваем в звуке: его громкость, высота, тембр, звуковое пространство, тонкие музыкальные нюансы и др. — это результат обработки его нашим слуховым аппаратом и мозгом».

Ясно, что как только мы научимся очень-очень точно передавать амплитуду (обеспечим линейность амплитудной характеристики), время(обеспечим линейность фазовой характеристики и, если говорить о цифровых системах, избавимся от цифровой фильтрации, джиттера и прочего цифрового мусора), так сразу и наступит счастье.

О том, что со звуком вот-вот всё станет совсем хорошо

Фрагментарные тенденции есть, однако в массах уже перевёлся слушатель, которого раздражал бы звукоподобный хрип из мобильника или из всякого Интернет-радио… Такое повседневное звуковое окружение уже не вызывает у всех у нас аллергии, и дальше — больше. Нужно понимать, что качество, которое вскоре станет элитным (или уже ставшее, ведь будущее — уже наступило), вам не продадут дёшево.

О влиянии на звук межблочных кабелей

Жаркие споры вокруг этой темы не утихают ни на секунду, но в спорах этих истина не рождается, увы. Когда-то я, как человек технического склада ума, не придавал этому вопросу значения, полагая, что если разница и есть, то крайне незначительная, и пользовался кабелями, сделанными из РК-75 с полиэтиленовой изоляцией. Аппаратура моя тогда была, мягко говоря, не очень (CD-проигрыватель NAD 521 и мини-мониторы NAD 801, наушники KOSS 100). Однако когда в руки попался некий самодельный шнурок, изготовленный из кабеля РК50-44 (фторопласт, серебро), мне он как-то не понравился, что означало, что разница всё-таки есть и не малая, если я её на такой посредственной аппаратуре всё же услышал. Происходящее в звуковом мире меня тогда не очень интересовало, и многочисленную лапшу, щедро развешиваемую на уши потребителей производителями дорогих кабелей, я отбрасывал.

Спустя некоторое время, при использовании с более качественной, чем описано выше, аппаратурой дорогих межблочных кабелей оказалось, что один из них (самый дорогой) обладал очень характерным и даже узнаваемым звучанием. Звук из лёгкого и детально-прозрачного (с обычным кабелем из провода ценой 0,5 USD за метр экранированного провода) превращался в откровенно пластмассовый, даже его громкость уменьшалась!

Если вы разницу в звуке при использовании различных межблочных кабелей слышите, то она, безусловно, есть, т.е. зачатую нам пытаются продать за гораздо большие деньги гораздо менее ценный мех… Иными словами, для неискажённой передачи звука необходимо и достаточно обладать недорогим, но предсказуемым кабелем; главное, чтобы он не был от именитых брэндов, так и норовящих «дать нам почувствовать разницу».

Автор: Анатолий Сергеев, г. Киев
Источник: журнал Радиоаматор №7-8, №9, №10, №11-12, 2015


 
Сверху Снизу