Wzmacniacze elektroakustyczne

Wypadkowy efekt nagłośnienia zależy głównie od jakości zestawów głośnikowych i właściwości przestrzeni odsłuchowej. Wzmacniacz współpracujący z zestawami głośnikowymi, mimo że jest bardzo ważnym członem zestawu muzycznego, zwykle nie ogranicza jakości odtwarzania, ponieważ jego osiągi zazwyczaj znacznie przewyższają osiągi zestawów głośnikowych. Widać to zwłaszcza na przykładzie zniekształceń. Przy małym wysterowaniu zniekształcenia harmoniczne i intermodulacyjne wzmacniaczy są na poziomie 0,1%, podczas gdy dla zestawów głośnikowych są średnio ponad dwadzieścia razy wyższe. Tym niemniej, przy słuchowej ocenie różnych wzmacniaczy można wychwycić różnice między nimi, zwłaszcza przy współpracy z różnymi zestawami głośnikowymi, w niektórych zakresach częstotliwości czy też przy pewnych poziomach mocy wyjściowej.


Moc wyjściowa wzmacniacza

Moc znamionowa wzmacniacza powinna być równa lub wyższa od mocy znamionowej zestawów głośnikowych (jednak niektórzy producenci kolumn głośnikowych zalecają, aby ich zestawy współpracowały ze wzmacniaczami o mocy niższej od mocy jaką mają dane zestawy). Warunek ten jest istotny ze względu na awaryjność zestawów głośnikowych i ewentualnie samego wzmacniacza mocy, ale nie jest miarodajny gdy w grę wchodzi jakość odtwarzania dźwięku.

Zniekształcenia wzmacniacza rosną bardzo szybko po przekroczeniu pewnego poziomu mocy, zwykle mocy maksymalnej (może nawet dojść do obcinania wierzchołków przebiegu). Zniekształcenia zestawów głośnikowych, choć początkowo większe, nie rosną jednak tak szybko po przekroczeniu górnego progu wysterowania. Oznacza to, że z porównywanych członów bardziej podatnym na przesterowanie jest wzmacniacz, a więc to on będzie ograniczał zdolność do wiernego odtwarzania impulsów, zwłaszcza przy wyższych poziomach. Z tego względu w praktyce należy dobierać wzmacniacz tak, aby był zdolny do oddawania w impulsie mocy kilkakrotnie większej od oddawanej przy przeciętnej głośności wymaganej w miejscu odsłuchu.


Filtry, regulacja barwy, korektor

Wzmacniacz jest zwykle wyposażony w szereg regulacji umożliwiających kształtowanie charakterystyki przenoszenia. Podobne zadanie spełnia korektor, który jest coraz częściej stosowany w zestawach muzycznych. W normalnych okolicznościach odkształcanie charakterystyki przenoszenia nie powinno być potrzebne. Dobre zestawy i właściwie zaaranżowane pomieszczenie powinno zapewnić dobrą jakość odsłuchu przy liniowej charakterystyce wzmacniacza. Odkształcenie charakterystyki jest źródłem niepożądanych zniekształceń fazowych, a ponadto może być przyczyną zniekształceń nieliniowych i przeciążenia zestawów, zwłaszcza przy wyższym poziomie wysterowania.

Szczególnie niebezpieczne dla zestawów jest często obserwowane uwypuklanie częstotliwości wysokich regulatorem barwy, korektorem, lub co gorsze, obiema regulacjami łącznie. Powoduje to doprowadzenie do głośnika wysoko- tonowego mocy przewyższającej nawet kilkunastokrotnie moc, którą otrzymuje on przy neutralnych położeniach regulatorów. Praktycznie żaden głośnik wysoko- tonowy nie będzie w stanie temu sprostać i w krótkim czasie nastąpi przepalenie jego cewki, a więc uszkodzenie zestawu głośnikowego.

Niektóre zestawy można dość łatwo przesterować w obszarze basów, zwłaszcza gdy uwypuklać będzie się pasmo w pobliżu, lub poniżej dolnej częstotliwości granicznej. Przypadek taki występuje zazwyczaj przy stosowaniu tańszych zestawów o mniejszych gabarytach, ze względu na z natury dość szerokopasmową regulację barwy we wzmacniaczu. Już przy średnim poziomie wysterowania mogą znacznie wzrosnąć zniekształcenia nie tylko w obszarze basów ale także, co jest już bardziej uciążliwe, również i w paśmie średnio- tonowym. Jeśli więc nie mamy odpowiedniego subwoofera, to uwypuklanie basów może mijać się z celem gdyż uwypuklenie będzie minimalne, może wystąpić kompresja dynamiki, wzrosną zniekształcenia i zmniejszy się rezerwa mocy wymagana przy odtwarzaniu impulsów. Nadmierne uwypuklenie basów przy wyższych poziomach głośności może doprowadzić do obcinania wierzchołków przebiegu w samym wzmacniaczu, ponieważ jest on w tym zakresie częstotliwości szczególnie na to podatny.

Reasumując, pożądane właściwości odtwarzania lepiej jest uzyskać przez staranne rozmieszczenie zestawów w pomieszczeniu, właściwy dobór miejsca odsłuchu, oraz dodatkowe uzupełnienia pomieszczenia niż przez korygowanie charakterystyki przenoszenia wzmacniacza lub użycie korektora. Ewentualne niewielkie korygowanie charakterystyki może być wprowadzone w celu skompensowania szerszych nierównomierności w charakterystyce odtwarzania zestawów głośnikowych. Podnoszenie odtwarzania wyższych częstotliwości pasma akustycznego może być niekiedy uzasadnione nadmiernym wytłumieniem pomieszczenia, które w pierwszej kolejności degraduje zakres wysoko- tonowy.

Zwykle uwypuklanie basów i sopranów poprawia subiektywną jakość dźwięku przy niskich poziomach głośności. Właściwie efekt ten powinien być uzyskany dzięki tak zwanej fizjologicznej regulacji głośności, która ma zapewnić właściwe dla danej głośności odkształcenie charakterystyki przenoszenia wzmacniacza. Niektóre wzmacniacze wyposażone są w specjalne filtry (loudness, kontur, itp.), którymi włączać i wyłączać można stosowne odkształcenia korygujące postrzeganie głośności.


Obciążenie wzmacniacza

Wzmacniacze projektowane są na określoną impedancję obciążenia, zwykle 4 Ohm, 6 Ohm lub 8 Ohm. Oznacza to, że zarówno parametry trwałościowe jak i jakościowe wzmacniaczy optymalizowane są na właściwą dla niego impedancję. W rzeczywistości impedancja wejściowa zestawu ma charakter zespolony i w różnych przedziałach częstotliwości ma różny charakter: rzeczywisty, indukcyjny, lub pojemnościowy. Występują więc z tego powodu przesunięcia fazowe pomiędzy napięciem, a prądem wyjściowym. Także moduł tej impedancji nie jest stały i zmienia się w stosunkowo dużym przedziale.

Wzmacniacze o tak zwanych sztywnych zasilaczach mają stały poziom maksymalnego napięcia wyjściowego, a więc w przedziałach częstotliwości, w których impedancja wejściowa zestawu jest duża, dostarczą do zestawu mniejszą moc. Należy tu też mieć na uwadze, że przy maksimach impedancji obcinanie wystąpi przy niższym wysterowaniu. Ponieważ najczęściej najsilniejsze sygnały występują w obszarze basów, a tam też występuje maksimum impedancji związane z częstotliwością rezonansową, więc też w tym obszarze najłatwiej może dojść do obcinania. Zwykle zestawy z otworem mają niższe maksima rezonansowe więc też lepiej nadają się do współpracy ze wzmacniaczami o sztywnym zasilaczu.

W drugim skrajnym przypadku, to znaczy przy minimach impedancyjnych zestawu głośnikowego, wzmacniacze mocy są przeciążane prądowo, co przy większym poziomie wysterowania prowadzi do wzrostu zniekształceń intermodulacyjnych, a nawet do uszkodzenia wzmacniacza i/lub zestawów głośnikowych.


Znaczenie impedancji i częstotliwości rezonansowej zestawu głośnikowego

Impedancja zestawu głośnikowego nie może być wartością dowolną, ale musi być równa wartości odpowiadającej współpracującemu wzmacniaczowi. W praktyce najczęściej spotyka się zestawy o impedancji znamionowej 4 Ohm i 8 Ohm, rzadko o innych wartościach, na przykład 6 Ohm. Pożądanym jest, aby impedancja zestawu była stała w całym zakresie częstotliwości, które wzmacniacz przenosi do wejścia zestawu. Ponieważ współpracujący wzmacniacz przenosi pasmo szersze od zestawu, zwykle od kilku Hz do 100 i więcej kHz, to w całym tym paśmie zestaw powinien go obciążać jednakowo. Niestety, impedancja wejściowa zestawu zmienia się w funkcji częstotliwości.

Dla współpracującego wzmacniacza szczególnie groźne są tak zwane dziury impedancyjne, czyli takie zakresy częstotliwości, w których impedancja wejściowa zestawu spada poniżej dopuszczalnej wartości, a wiec poniżej 80% wartości impedancji znamionowej. Wzrost impedancji zestawu głośnikowego powyżej wartości znamionowej grozi spadkiem mocy i wzrostem zniekształceń. Obniżenie impedancji zestawu głośnikowego poniżej wartości minimalnej może również powodować wzrost zniekształceń, a ponadto prowadzi do przeciążenia wzmacniacza. Szczególnie wrażliwe wzmacniacze mogą nawet zostać uszkodzone, zwłaszcza przy eksploatacji z większymi mocami, przy impulsowym wysterowaniu i różnych stanach przejściowych.

Z reguły do wyjścia wzmacniacza o określonej impedancji można przyłączyć zestawy o większej impedancji bez obawy przeciążenia wzmacniacza. Oczywiście, wzmacniacz nie będzie mógł wówczas dostarczyć do zestawów pełnej mocy na którą został zaprojektowany. Jeżeli na przykład wzmacniacz o mocy znamionowej 100W i impedancji znamionowej obciążenia 4 Ohm obciążymy zestawem o impedancji 8 Ohm, to wzmacniacz ten będzie w stanie dostarczyć do zestawu (w zależności od swoich cech konstrukcyjnych) niewiele ponad 50W. Zwiększenie wysterowania wzmacniacza nie spowoduje wzrostu głośności, a jedynie może spowodować jego przesterowanie.

W przypadku konieczności nagłaśniania na przykład dwóch pomieszczeń przy użyciu jednego wzmacniacza korzystnym jest zastosowanie w jednym kanale dwu zestawów połączonych równolegle. W takim przypadku impedancja każdego z zestawów powinna być dwa razy większa od impedancji obciążenia wzmacniacza, na przykład dla wzmacniacza 4 Ohm właściwe będą zestawy o impedancji 8 Ohm, gdyż przy połączeniu równoległym otrzyma się wymagane 4 Ohm. Przy omawianym połączeniu moc znamionowa każdego z zestawów może być dwukrotnie mniejsza, może więc wynosić 50W dla wzmacniacza o mocy wyjściowej 100W.

Charakterystyka impedancji zestawu wykazuje zazwyczaj na początku zakresu dość ostre maksimum. Częstotliwość przy której to maksimum występuje nazywa się częstotliwością rezonansową zestawu. Jest to częstotliwość przy której amplituda drgań głośnika nisko- tonowego jest szczególnie duża, a wartość impedancji przy tej częstotliwości może osiągać znaczne wartości. Niewielkie wysterowanie zestawu przy częstotliwości rezonansowej może spowodować wychodzenie cewki z obszaru liniowego pola magnetycznego szczeliny, a więc spowodować wzrost zniekształceń i ewentualnie nawet przeciążenie zestawu głośnikowego.

Jeśli zestaw głośnikowy jest słabo tłumiony akustycznie, głośnik nisko- tonowy ma słaby magnes, a oporność przewodów połączeniowych, lub oporność wewnętrzna wzmacniacza są duże, to drgania pobudzonej membrany będą wolno zanikać po ustaniu pobudzenia. W efekcie pogorszy to jakość brzmienia, a dźwięk może stać się nieprzyjemnie dudniący. Z tego względu należy unikać pobudzania zestawu głośnikowego w okolicy jego częstotliwości rezonansowej, co w praktyce oznacza, że należy wybierać takie zestawy głośnikowe, których częstotliwość rezonansowa leży poniżej wymaganej przez użytkownika dolnej częstotliwości granicznej odtwarzanego pasma. W praktyce zestawy głośnikowe o dużych gabarytach i dużym głośniku nisko- tonowym mają z reguły niższą częstotliwość rezonansową.


Zalety dodatkowego filtra subsonicznego

Szczególnie niekorzystna jest współpraca wzmacniacza z zestawami w zakresie najniższych częstotliwości. Wzmacniacze dość dobrze przenoszą ten zakres częstotliwości podczas gdy zestawy mogą być już krytycznie przeciążone, a ich użytkownik nie będzie o tym nawet wiedział. Przypadek taki może zaistnieć na przykład przy współpracy wzmacniacza z gramofonem. Ramię gramofonu położone na płycie ujawnia rezonans igły w zakresie częstotliwości od 5Hz do 15Hz. Niewielkie oddziaływanie z otoczenia wzbudzi sygnał elektryczny o częstotliwości rezonansowej, który doprowadzony do wzmacniacza zostanie wzmocniony i z dużym poziomem sterować będzie dołączone zestawy głośnikowe. Głośniki nisko- tonowe zestawów zostaną pobudzone w zakresie podakustycznym, a ich układy drgające zmuszone zostaną do ekstremalnie dużych wychyleń. Ponieważ jednak użytkownik nie będzie niczego słyszał to stan taki może się utrzymywać dłuższy czas prowadząc do degradacji, a nawet uszkodzenia zestawów. W przypadku wystąpienia opisanego zjawiska, przy odtwarzaniu innych częstotliwości wystąpić mogą silne zniekształcenia intermodulacyjne odtwarzanych częstotliwości akustycznych.

Aby wyeliminować wpływ opisanego zakłócenia i nie dopuścić do degradacji zestawów, niektóre wzmacniacze wyposażane są w tak zwany filtr subsoniczny, który ma za zadanie stłumić częstotliwości poniżej 20Hz. Jednak nie wszystkie wzmacniacze wyposażone są w taki filtr. Przy braku filtru subsonicznego, w razie potrzeby w tor sygnału ze źródła, w którym występują zakłócenia podakustyczne (wejście gramofonowe lub inne) można włączyć szeregowy kondensator o odpowiednio dobranej pojemności.


Inne funkcje i zabezpieczenia wzmacniaczy

Wzmacniacze wyposażone są zwykle w skale wokół pokrętła regulatora głośności, a niektóre wzmacniacze nawet we wskaźniki wysterowania. W skale wyposażone są też niektóre inne regulatory. Niestety, ani skale ani wskaźniki nie są dostatecznie dokładne i raczej nie nadają się do precyzyjnego utrzymywania bezpiecznego, maksymalnego wysterowania, zgodnie z wcześniej omówionymi uwarunkowaniami. Wydaje się, że funkcję taką mógłby spełnić szybko reagujący świetlny wskaźnik obcinania (clippingu), który sygnalizowałby użytkownikowi potrzebę zmiany nastaw.

Wzmacniacze dużych mocy wyposażone są często w zabezpieczenia od przeciążeń termicznych i w zabezpieczenia przed wpływem zwarć na wyjściu. Zabezpieczenia te mają zapobiec zniszczeniu kosztownych stopni wyjściowych wzmacniacza mocy w przypadku wystąpienia przeciążeń spowodowanych również przez zestawy, na przykład w przypadku ich częściowego, lub pełnego uszkodzenia. Zabezpieczenie przed zwarciem może niekiedy wyłączyć sterowanie w przypadku, gdy zestawy mają głębsze i szersze minima impedancyjne.

Bardziej wyrafinowane wzmacniacze wyposażone są niekiedy w zabezpieczenia chroniące zestawy głośnikowe przed zniszczeniem w przypadku uszkodzenia się stopni wyjściowych wzmacniacza. Jest to bardzo użyteczna funkcja gdyż dobre zestawy kosztują nieraz kilka razy więcej niż wzmacniacze i niewielki wydatek na nią poniesiony może się bardzo opłacić.

Przy okazji można postawić pytanie, w który człon - wzmacniacz czy zestawy głośnikowe - opłaca się więcej zainwestować? Sądzę, że w przypadku posiadania w miarę dobrego pomieszczenia odsłuchowego warto nabyć zestawy dobrej jakości za stosownie wyższą cenę, zadawalając się nawet mniej wyrafinowanym wzmacniaczem, gdyż w obecnym stanie rzeczy uzyska się w ten sposób lepszy efekt niż przy opcji przeciwnej.