Усилитель к магнитоле, зачем он нужен?

Автоэлектрик для всех

В своей первой статье я рассказал о магнитоле и немного про акустику. Достиг ли я своей цели? Понятно ли стало обычному автолюбителю? Не знаю. Но почему-то захотелось продолжить, копнуть поглубже. Обращаю ваше внимание на то что обе мои статьи не претендуют на научный труд. Моя цель объяснить все простым доступным языком.
Сегодняшняя тема - усилитель. О смысле этого устройства вроде бы говорит его название. Т.е. на входе этого «черного ящика» есть какой то исходный сигнал взятый, например, с магнитолы (если оная оборудована соответствующим выходом), в усилителе этот сигнал усиливается и на выходе мы получаем тот же сигнал, но увеличенным по амплитуде. Грубо говоря, на вход мы подаем сигнал амплитудой скажем 50 мВ а на выходе получаем тот же сигнал, но с амплитудой скажем 6 В. Почему 6 В, это же, как мы уже выяснили из первой статьи, мало...

(6 / 1,41)² / 4 = 4,5 Вт

Давайте  возьмем 12 В, но тоже как-то не очень много...

(12 / 1,41)² / 4 = 18 Вт(1)

да, маловато. А давайте возмем 24 В 

(24 / 1,41)² / 4 = 72 Вт(2) 

А вот это уже хорошо, эта цифра нам кажется вкуснее предыдущих. Стоп, стоп, стоп…а откуда же мы получим 24 В? У нас же в автомобиле всего 12 В! В первой статье мы доказали, что при напряжении питания 12В мы никак не можем выйти за пределы 18 Вт, даже если включим усилитель мостом см.(1). Вот тут-то мы и подошли к главной тайне нашего «черного ящика». В этом устройстве помимо самого усилителя находится еще и преобразователь питающего напряжения. Вообще-то это не тайна, специалисты об этом знают, а рядовому потребителю вроде бы и ни к чему. Но нам с вами интересно.

 И так преобразователь. Главная его задача - взять пресловутые 12В, преобразовать это напряжение в переменное, переменное же поднять при помощи банального трансформатора, потом снова его выпрямить и подать на вторую часть устройства - собственно сам усилитель. Так какое же напряжение питания мы должны подвести к усилителю, что бы получить так понравившуюся нам цифру  72 Вт? Давайте порассуждаем. У нас на выходе амплитуда 24В - значит, полный размах на выходе будет 48В. Это и есть наше напряжение питания. На самом деле в усилителях применяют двуполярный источник питания, т.е. 48 превращается +24 и -24 со средней точкой. Нужно учесть, что здесь мы приводили расчет мощности некоего абстрактного усилителя, не имеющего потерь на переходах и каскадах. Реальная цифра мощности будет немного меньше нашей расчетной, а напряжение питания соответственно немного выше.

Как работает усилитель разобрались. Теперь зададимся вопросом: "зачем он нам?" Как зачем, вы спросите, чтобы было громче, и ... будете не совсем правы. Усилитель нужен для того чтобы звук был качественнее. Конечно, понятие "качество" субъективно, его трудно выразить в процентах, вольтах и децибелах. Но попробую разъяснить на пальцах как его понимаю я.

 Во-первых, что такое "громче"? Тут мы сделаем небольшое отступление от электричества, где почти все подчинено и вытекает из закона Ома. И перейдем к другой науке – акустике. Мы имеем пару динамик–ухо, между ними воздух, чем сильнее динамик давит на воздух, а воздух давит на человеческое ухо, тем громче. Что бы как-то выразить это звуковое давление в цифрах существует  единица измерения – децибел (дБ). Человеческий слух по своей природе логарифмический, т.е. он не умеет прибавлять и отнимать, но зато он умеет умножать и делить.  Если мы увеличили громкость на 1 дБ, значит мы увеличили звуковое давление в 1,25 раза. А если на 3 дБ, то в целых 2 раза. Теперь нам надо привязать эти децибелы к выходной мощности усилителя. А не надо ничего привязывать, уже все давно привязали за нас. Вот типовая таблица.

Если мы внимательно посмотрим на таблицу, то заметим, что два средних столбца имеют одинаковые цифры, отсюда можно сделать вывод что выходная мощность усилителя и звуковое давление привязаны друг к другу железно. Не верите, давайте посчитаем. Возьмем нашу формулу (2). Допустим мы слушаем какой-то сигнал через наш абстрактный усилитель с такой громкостью при которой на выходе имеем 72 Вт, с амплитудой 24 В. А теперь уменьшим уровень громкости скажем на 6 дБ, ( это шесть щелчков на минус регулятора громкости, поскольку большинство магнитол имеют шаг регулятора громкости 1 дБ). Смотрим на правый столбец, напряжение у нас упало в два раза, значит:

(12 / 1,41)² / 4 = 18 Вт.

Что и требовалось доказать.

Но у всякой палки два конца. Попробуем разобраться, каким образом децибелы могут испортить нам настроение. Рассмотрим, так сказать, второй конец палки. Допустим, слушаем мы на выходе усилителя некий сигнал, амплитуда на выходе которого равно 2В, соответственно выходная мощность 1 Вт. Но громкость этого сигнала нас не устраивает, добавляем 1, а лучше 3 дБ и смотрим в таблицу - мощность увеличилась в два раза и стала равной 2 Вт, но все равно тихо. Добавляем еще 3 дБ смотрим в таблицу мощность увеличилась в 2 раза (4 Вт), но все равно громкость не намного выше исходного сигнала. Мы можем много раз добавлять по 3 дБ и в конце концов добьемся нужной громкости. Но я хочу, чтобы вы поняли, что каждое пусть небольшое повышение уровня требует увеличение выходной мощности в разы. А мощность-то у нас ограниченная. Вот это и есть первая причина, почему для нас мало магнитолы и нужен усилитель.

Теперь вернемся к качественному звуку. Помните в первой статье я упоминал о нелинейных искажениях, которые выражаются в процентах. Так вот, эти самые искажения являются главным врагом качественного звука. Суть в чем, на усилитель мы подаем не идеальный сигнал, в нем содержатся паразитные гармоники частот. Только вот при небольшом уровне громкости КНИ меньше 0.1%, они находятся за порогом слышимости, и мы их не слышим. Но мы хотим громче, добавляем мощности, КНИ чуть больше 0,5%, и усилитель вместе с полезным сигналом усиливает нашу бяку. На усилителе магнитолы, если бы мы смотрели осциллографом, увидим что амплитуда выходного сигнала на низких частотах вышла за пределы 12В и произошло ограничение сигнала, наша синусоида начала превращаться в прямоугольные импульсы, значит паразитные гармоники поперли, в динамике мы услышим искажения. Теперь вместо магнитолы подключаем внешний усилитель с тем же сигналом и уровнем, но теперь верхний предел амплитуды на выходе не 12В, а 24В, ограничение сигнала не происходит, прямоугольных импульсов нет, значит паразитные гармоники стали меньше. Т.е искажения  в динамиках нет. А звуковое давление осталось прежнее, так как выходная мощность и в случае магнитолы и в случае усилителя осталось прежней. Вывод: при одном и том же звуковом давлении (одинаковой громкости) при прослушивании сигнала через усилитель искажений на динамиках меньше, чем при прослушивании через магнитолу.

На этом все. Еще раз скажу, что все, что я здесь написал не истина в последней инстанции, наверняка есть люди, которые понимают эту проблему шире. Но видит бог я старался.

 Александр Мананников (на форуме alarm), установщик дополнительного оборудования из Тамбова.