Подключение колонок к усилителю, частотная характеристика, акустические кабели


В прессе и прочих изданиях часто говорят, что для достижения максимального качества звука обязательно нужно подбирать компоненты системы усилитель - акустический кабель - колонки. В этой статье мы попытаемся рассмотреть физический смысл этого процесса.

Что же требуется от звуковоспроизводящей аппаратуры?
Мы используем эту аппаратуру для следующих целей.
1) Слушать музыку
2) Смотреть кино
3) Для создания музыки (мониторинг, сведение)

От звуковой аппаратуры для создания музыки главное, что требуется - вносить минимум искажений в воспроизводимую фонограмму. Для бытовой акустики более позволительно вносить некоторые искажения, которые могут даже приукрашивать звук. На этом высказывании и базируется мнение, что одна система больше подходит для тяжелого металла, другая - для электронной музыки, третья - для джаза, четвертая - классики. Для качественных студийных мониторов (колонки, используемые звукорежиссером при создании фонограммы) вообще не должен вставать такой вопрос: для какого стиля более подходят данные мониторы? Да, для любого!
Итак, в идеале система усилитель - провода - колонки не должна вносить никаких искажений в звучание фонограммы, которую записали на студии основываясь на звучании качественных мониторов. Музыканты и звукорежиссер настроили звучание музыкального произведения таким образом, чтобы повторить его эмоциональное воздействие на бытовой акустике.
Уши слушателя воспринимают звуковое давление воздуха. Акустические системы это звуковое давление создают. Акустические системы в свою очередь преобразуют электрический сигнал фонограммы (музыкальной записи) в звуковое давление воздуха. Зависимость звукового давления на уши (громкости) от частоты звука (высоты ноты) - назовем условно частотной характеристикой звукового давления колонок (или частотной характеристикой чувствительности колонок).
Если мы подаем на вход колонок сигнал с одинаковым напряжением (пусть это будет 5 Вольт) на разных частотах (играем ноты разной высоты), то громкость звучания разных нот будет разной, т.к. Ми 1-й октавы будет создавать, к примеру, давление 1, Ми 3-й октавы - 2, а Ми 6-октавы - 0,5. Значения давлений условные.


ВЫВОД 1:
Даже если мы имеем идеальный усилитель, выдающий во всем звуковом диапазоне (для любой музыкальной ноты), идеально одинаковое напряжение электрического сигнала, то звуковое давление (громкость звука) реальных колонок, подключенных к этому усилителю, все равно будет разным для различных частот (нот).




Но это еще не все :) Чтобы понять вопрос электрического согласования (подбора) пары усилитель - колонки нам нужно обратиться к основам электротехники, в которые я постараюсь глубоко не нырять. Пусть меня строго осудят знатоки электротехники (а заодно и гидродинамики с сантехникой) за грубые допущения и неправильные термины, но постараюсь объяснить так, чтобы было понятно даже людям далеким от техники.

1) Усилитель имеет выходное сопротивление. Это значит, что если выход усилителя перемкнуть проволокой (крайне не рекомендуется :) ), то через эту проволоку потечет ток. От величины выходного сопротивления усилителя зависит величина тока. Этот процесс можно сравнить с замкнутой кольцевой водопроводной трубой, воду через которую гонит насос. Сопротивление - это краник врезанный в эту трубу. Откроем его полностью - сопротивление равно 0, ток максимальный. Полностью перекроем - сопротивление равно бесконечности,ток прекратился (ток равен 0).
2) Колонки имеют входное сопротивление. Теперь к выходу усилителя мы подключаем колонки. Это будет, как если бы в нашу водопроводную трубу врезать еще один краник (сопротивление колонок). Чем больше прикрыт этот вентиль, тем больше сопротивление колонок, тем меньше поток воды в трубе.
3) Ах, да, мы же забыли самое важное, предмет дискусий hi-fi журналов и холливаров интернет-форумов - акустические кабели, соединяющие колонки с усилителем. Они тоже имеют электрическое сопротивление. Врезаем в нашу кольцевую трубу еще по кранику с каждой стороны (1 провод - 1 кран) от краника колонки. Эти краники также влияют на поток воды в трубе.
4) Что такое сопротивление мы примерно поняли. А теперь забудем о водопроводных трубах. Иначе мы совсем запутаемся.
Усилитель отдает свою электрическую энергию колонкам. Колонки преобразуют электрическую энергию усилителя в энергию звукового давления. По законам электротехники, чтобы усилитель отдал 100% своей энергии колонкам его выходное сопротивление должно равняться входному сопротивлению колонок. Если выходное сопротивление усилителя отличается от сопротивления колонок, то усилитель отдает колонкам только часть своей энергии.
На разных частотах (для разных нот) сопротивления усилителя и колонок меняются. И они меняются по-разному. Таким образом, усилитель на разных частотах отдает в колонки то больше энергии, то меньше. Чем меньше энергии попадает в колонки, тем ниже громкость звука.
Для примера (вымышленного, но наглядного :) ) возьмем следующие частоты:
20, 1000, 20000 Гц.
Допустим усилитель на этих частотах имеет сопротивление:
2, 4, 3 Ом.
Колонки на этих частотах имеют сопротивление:
8, 10, 6 Ом.
Соответственно на разных частотах в колонки попадет различное количество энергии:
10, 12, 11 %.



ВЫВОД 2:
В связке реальный усилитель - реальные колонки на разных частотах, в колонки отдается различное количество энергии усилителя. Это происходит из-за того, что выходное сопротивления усилителя и входное сопротивление колонок изменяются по-разному на различных частотах.
На эту неравномерность накладывается неравномерность звукового давления на разных частотах (см. вывод 1). Что делает настройку этой связки уши человека - колонки - усилитель еще сложнее.






Но вернемся к акустическим кабелям, соединяющим усилитель и колонки. Если они слишком тонкие (сечение менее 0,5 квадратных миллиметров) и/или слишком длинные они могут уже иметь сопротивление, сравнимое с выходным сопротивлением усилителя и входным колонок.
В звуковом диапазоне сопротивление акустического кабеля остается практически неизменным, а в сравнении с сопротивлениями усилителя и колонок, можно сказать, что и неизменным.
НО, это не значит, что на разных частотах оно одинаково влияет на долю энергии, попадающей из усилителя в колонки.
Усилитель работает теперь на двойную нагрузку: к сопротивлению колонок добавляется сопротивление проводов. Часть мощности усилителя теперь рассеивается на проводах (нагревает провода, не доходя до колонок). Это приводит к уменьшению громкости звука (звукового давления). Если, например, сопротивление колонок равно 8 Ом, а сопротивление 10 метровых тонких проводов 0,6 Ом.

Кому интересен расчет, вот он:
Удельное сопротивление меди 0,0167 Ом*мм2/м (провод сечением 1 кв.мм длиной 1 метр).
0,5 мм2 = 0,0167/0,5 = 0,03 Ом*мм2/м (провод сечением 0,5 кв.мм длиной 1 метр)
10 м x 2 = 0,6 Ом (2 провода сечением 0,5 кв.мм длиной 10 м)


По законам электротехники мощность рассеиваемая (выделяемая) на проводах изменяется в зависимости от соотношения сопротивлений усилителя и колонок. А это соотношение (разница между сопротивлением усилителя и колонок) меняется на разных частотах (для разных нот).


ВЫВОД 3:
Если бы провода не имели сопротивления, то громкость нот менялась бы по одному закону. А при наличии постоянного сопротивления проводов - по другому. Причем провода влияют таким образом, что на одних частотах колонки звучат громче (чем если бы провода не имели сопротивления), на других - тише.




Поэтому-то в колонках hi-fi и предпочтительнее сопротивление 8 Ом, чтобы снизить влияние проводов и выходного сопротивления усилителя.
Однако, если длина кабеля 3 м, а сечение 2,5 кв.мм, то можно считать, что его сопротивление равно 0. Дорогие и не очень дешевые фирменные кабели из качественной меди не столь склонны к окислению, чем обычный сетевой кабель для электропроводки. Поэтому лучше использовать специальный аудиокабель для подключения колонок, т.к. зачищенный от изоляции его конец со временем не сильно помутнеет и позеленеет по сравнению с кабелем для электропроводки.

Что же у нас получается в итоге?
1) Неравномерное по частоте преобразование электрической энергии в звуковую.
2) Неравномерная по частоте доля передаваемой энергии от усилителя к колонкам.
3) Эти эффекты накладываются друг на друга.

Можно ли с этим бороться? Можно.
Покупатели звуковой техники подбирают пассивную акустику, провода, усилитель на слух. Но это скорее искусство, чем точный метод. Да и результатом такого подбора является не ровная громкость по всем частотам, а приемлемое (приятное слуху) звучание.
Для музыкальной техники - студийных мониторов преимущественно применяется другой метод. Используется преимущественно активная (со встроенным усилителем) акустика. Это позволяет полностью избавиться от акустических кабелей и в заводских условиях максимально выровнять частотную характеристику акустической системы (акустика + усилитель).
Методика примерно следующая:
В безэховой звукоизолированной комнате с помощью поверенных (проверенного и сертифицированного соответствующими уполномоченными органами) измерителя звукового давления и генератора сигналов измеряется частотная характеристика давления. На разных звуковых частотах измеряется звуковое давление при неизменном уровне сигнала на входе усилителя. Подбором радиоэлементов схемы усилителя и частотных фильтров активной акустической системы, а также регулировкой настроек добиваются возможно одинакового звукового давления на разных частотах.


ВЫВОДЫ:
В домашних условиях (да и в лабораторных тоже) нам никогда не добиться идеальных технических характеристик звуковой аппаратуры.
Подбор на слух аппаратуры для домашнего кинотеатра и прослушивания музыки путем перебора усилителей, кабелей и колонок - весьма трудоемкое занятие с субъективным (в данном случае достаточным) результатом.
Для музыкального применения: сведения (подбор уровней громкости, наложение эффектов и пр.) и мастеринга (подготовка окончательной фонограммы для записи на носитель) требуется более объективно (по измерительным приборам) настроенная аппаратура. Таковой для домашних условий могут являться только активные мониторы.
Что касается акустических свойств помещения, то не так страшен волк, как его малюют. В другой своей статье я рассматривал приемы подстройки звука в разных помещениях.
Тут надо учесть тот фактор, что если звукорежиссер знает на слух недостатки своей мониторной системы (на которой он изготавливает фонограмму), то он их может откорректировать вручную. Но это - тонкое искусство :)