Как добыть из транзистора ламповый звук. Эксперимент.

Цель эксперимента: получить «ламповое» звучание от серийно выпускаемой транзисторной аппаратуры. Итог и общие выводы.
Предельно простая методика получения «лампового звука», с полным наглядным обоснованием. Не требующая почти никаких затрат, но с мгновенным результатом.

Настоятельно рекомендую попытаться повторить это дома. ;)

Предупреждение.
Если для вас «ламповый звук» тождественно «ламповые гармоники» (и побольше, побольше!)- дальше можете уже не читать. Мне гармоники слушать совершенно не интересно, какого бы порядка они ни были, и абсолютно никаких гармоник в этой статье нету.
Для поклонников DSP и прочих любителей разного рода «цифровых затычек» (к месту и не к месту) тут тоже вряд ли найдется что-то любопытное. У меня чисто аналоговый тракт, начинающийся с виниловой вертушки- цифровых источников звука, а следовательно и цифровых «примочек», я не использую.
Если у вас «звучат» даже провода и разъемы (тем более резисторы), а «превосходство» лампы не подлежит сомнению настолько, что вы применяете ламповые диоды в выпрямителях для ЦАПов, а потом «слышите» разницу- лучше тоже не читайте.

Оборудование, использованное в эксперименте:
1. Усилитель полный Sherwood AX5505.
2. Акустические системы Focal Chorus 706.
3. Макет усилителя с выходным каскадом «класса А» на пентоде 6п6с в триодном включении.
4. Резисторы подстроечные проволочные ППБ-50Е.
5. Измерительный микрофон Dayton audio iMM-6C.
6. Внешняя звуковая карта на чипе CM6206.
7. ПО «Arta».

1. Наблюдение.
В прежних своих обзорах я неоднократно жаловался на плохой звук в хате. Главная причина- имхо комнатные моды, дающие совершенно невыносимый для уха гудеж. Пытаться давить это- бесполезно.

Попыткой улучшить этот самый «звук в хате» было приобретение китайских широкополосных динамиков Lii Song F6S. В целом- очень годные поделия. Однако, цель была достигнута совершенно неочевидным путем.
Во время исследования этих широкополосов я, по совершенно непонятной мне самому причине, решил воспользоваться рекомендацией производителя- и покачать их «ламповым усилителем в два ватта». Никогда в жизни я ламповых усилков не делал, но если даже пионеры в радиокружке могли- то мне сам бог велел. Усилитель был собран на 6ф3п «на скорую руку», никаких «двух ватт» и близко не выдавал, но, тем не менее, звучал в целом приятно- если абстрагироваться от «ламповых» искажений.

Когда я чисто из любопытства подключил к нему свои Фокалы, звук в хате стал внезапно приличным. Почти хорошим- по крайней мере уже не вызывающим желание выключить спустя пару песенок. Проявилась «серединка», которой мне не хватало, и куда-то исчез вечно раздражающий меня гудеж, а «басы» стали «упругими».

После того, как Аладдин отпустил джина на свободу, никаких чудес «из лампы» больше не бывает, и все имеет рациональное объяснение. Я его нашел практически сразу. Точнее- я его увидел, в буквальном смысле. Потому что у меня теперь есть пусть и дешевый, но очень неплохой измерительный микрофон. Он позволяет видеть то, о чем раньше можно было только догадываться. Уши обманут («человек хочет быть обманутым»), а своим глазам я привык верить.

Для того, чтобы демонстрация увиденного была более наглядной- я собрал другой макет лампового усилителя, посерьезнее.

По расчетам макет выдает в среднем около 2х ватт на канал, при искажениях около 1% на максимальной мощности. Приемлемо. Микрокаповские модели достаточно точные, в реальности если и будет хуже, то не сильно.
В конце концов это всего лишь макет.

Амплитудно-частотная характеристика макета (АЧХ)
Диапазон по неравномерности +-0.5 Дб: 200 — 18000 Гц.
Диапазон по неравномерности +-1.5 Дб: 108 — 19000 Гц.
Небольшая «волнистость» на ВЧ- скорее всего особенность работы выходного фильтра звуковой карточки.

Выходные трансформаторы, конечно, «так себе», но за их цену вполне нормальные. Мне их вообще подарили… :) Приятно удивила идентичность характеристик в обоих каналах, хотя подбором деталей я не занимался.
Снимал на постоянном резисторе 8 Ом- традиционный «эквивалент нагрузки». Ниже покажу, что вот ни разу это не «эквивалент», и вообще эта картинка не имеет никакого практического смысла. ;)

Звучит в целом неплохо. Фона нет, вообще. Искажения если и есть, то я их не слышу. Вполне чистый звук. Мощности для моих колонок маловато, конечно- дубовые они, не для «лампы».
В остальном- гудеж отсутствует, будто колонки наконец вынули из бочки. Немного не хватает «сочности». Высоких частот тоже не хватает. Зато женские вокалы теперь красивые.
Нет, вообще- здорово, хотя и не совсем то, чего хотелось бы. Уже годится для длительного прослушивания, тем более как «образец». Мучался со сборкой не зря, «стоило того».

2. Предположение.
Если вам еще интересно что же я такого «увидел» и на кой все эти действия- очень рекомендую асилить многабукаф ниже. Поясняю суть «лампового звука» максимально «на пальцах»:

1. Все современные усилители (самодельную итун-экзотику в расчет не беру)- «источники напряжения, управляемые напряжением». Это неправильно, но так исторически сложилось. Задача усилителя- выдавать одинаковый уровень неискаженного напряжения на своем выходе независимо от частоты сигнала. Тогда считается, что усилитель обладает линейной АЧХ.
2. Все современные акустические системы строятся с таким расчетом, чтобы выдавать одинаковое звуковое давление при одинаковом приложенном напряжении на всех частотах. На самом деле это не всегда так- очень часто АЧХ сознательно делается «псевдоравногромкой», но условно будем считать что так. И это тоже неправильно- просто потому, что динамическая головка строится на принципе «проводник с током в магнитном поле». Но так исторически сложилось. Всякую экзотику (типа электростатов) в расчет пока опять не беру.

Итого: усилитель выдает напряжение, акустическая система преобразует его в звуковое давление. Одинаково на всех частотах- в идеальном случае. Но есть промежуточный этап, который всю малину портит- внутри самой головки приложенное напряжение преобразуется в ток. Который течет через катушку проводника, которая находится в магнитном поле постоянного магнита. Что порождает вокруг проводника магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. И катушечка вместе с диффузором, который к ней приклеен, куда-то двигается- что и создает звуковую волну.

«Преобразователь напряжения в ток»- это постоянный резистор. Если бы катушка обладала чисто омическим сопротивлением- преобразование было бы одинаковым на всех частотах. Но катушка обладает еще и индуктивностью. К активной составляющей сопротивления добавляется реактивная. Как минимум. Плюс на резонансе с сопротивлением динамика происходят крайне интересные вещи- потому что к электрике подключается еще и механика. ;)
Посему- надпись на динамике «8 Ом» на самом деле очень мало о чем говорит, и практически не имеет смысла. Зато смысл имеет "импеданс"- мера сопротивления динамика переменному току.

Больше импеданс- меньше ток в катушке. Меньше ток- ниже создаваемое звуковое давление. Это уже проблема. Например, у 4ГД-35 «высоких нет» именно из-за большой индуктивности, а с «итунами» они звучат «получше». Непостоянство импеданса производитель динамиков компенсирует всяческими ухищрениями- формой диффузора, и дополнительными конусочками, или пулеобразными наконечниками в центре… Задача «одинаковое звуковое давление при одинаковом приложенном напряжении на всех частотах» худо-бедно выполняется. Очень худо, и очень бедно- потому реально годных широкополосных динамиков практически не существует в природе, а производители акустики вынуждены строить многополосные АС- с набором динамиков, каждый из которых обеспечивает хоть как-то линейную АЧХ в своем узком диапазоне частот.

Это я все к тому, что «импеданс» очень частотно-нелинейный по своей природе, и лучше его все-таки не игнорировать (хотя именно это все и делают). В некоторых случаях он играет решающую роль.
Ну вот для примера график импеданса 15ГД-11 (из интернета):
Покажите мне где тут «8 ом». Ну да, где-то есть… По факту сопротивление динамика «пляшет» от 8 аж до 50 Ом- в зависимости от частоты.
Теперь прикиньте в каких пределах меняется «приведенное сопротивление» нагрузки в аноде лампы с таким динамиком. ;)

Вот- реальная нагрузка, на которую работают усилители.
Очень печально, что проиводители акустических систем никаких импедансных характеристик (ИХ) не приводят, а если приведут хотя бы сильно сглаженную АЧХ- то считай уже праздник. Традиционные параметры АС, указаные в паспорте изделия (8 Ом, 100 Ватт, 20-20000 Гц) по факту не говорят практически ни о чем. :(

Почему это может оказаться важно- картинкой.
Rгд- сопротивление динамической головки, на которое работает усилитель, это ее импеданс.
Но сам по себе усилитель- в общем не «идеальный» источник напряжения. Он обладает некоторым внутренним (выходным) сопротивлением Rвых.

У транзисторных усилителей это самое Rвых. практически равно нулю. А бывает даже отрицательным в экзотических случаях- это делается для лучшего демпфирования НЧ-головок на резонансе, абы не было «бубнежу». Транзисторные усилители наиболее подобны идеальным «источникам напряжения, управляемым напряжением». Им почти без разницы какой там у головки импеданс, Rвых. во всех случаях будет много меньше него.

А вот в случае лампы- совершенно другая картина. Ламповые усилители обладают сравнительно высоким выходным сопротивлением, о чем все старательно забывают. Rвых и Rгд образуют делитель- и падающее на динамике напряжение уже зависит от его импеданса. Чем меньше импеданс- тем меньше это напряжение, а значит и звуковое давление тоже меньше. И наоборот. Результирующая АЧХ по звуковому давлению уже не будет линейной, даже если с транзисторным усилителем она таковой и была.
А ухо чувствительнее всего именно к амплитуде! Даже самое дубовое ухо (как у меня) спокойно слышит разницу всего лишь в 1Дб.

Итого: ламповый усилитель просто искажает АЧХ в соответствии с собственным выходным сопротивлением и импедансом АС — и получается тот самый «ламповый звук». Может и не весь, но бОльшая его часть. Тембральная окраска меняется, а «вкусные ламповые гармоники» тут особо и не при чем…

Вот если я свои лампы включу пентодами- добавится общая отрицательная обратная связь, бо иначе не работает. Следовательно, АЧХ «по напряжению на клеммах АС» станет более ровной. И это объясняет, почему одни и те же лампы в «триодном» и «пентодном» включениях «звучат» по-разному.

Ладно, с теорией покончили, теперь будут пруфы.

3. Проверка предположения.
Буквально одной картинкой. Две АЧХ, снятые измерительным микрофоном, в одной и той же точке, с одним и тем же уровнем звукового давления на частоте 1 КГц.
Более чем наглядно. ;)
Красная линия- ламповый усилитель.
Черная линия- транзисторный.

Все, что ниже 80 Гц, можно смело считать «шумом» и игнорировать, с этого места и далее. Мои колонки на этих частотах уже не работают. :(

Первая комнатная мода- на частоте 120 герц, вторая- 215, третья- 380. Ну, либо это «особенность» АЧХ моих колонок- я не обладаю безэховой камерой чтоб точно выяснить. :( Да и не нужно. Вот откуда мне «гудит».
Ламповый усилитель очень сильно «придавил» вторую и третью моды, и вообще весь диапазон частот от 100 до 500 герц- что начисто убрало раздражающий меня гудеж! Это не объяснить «плохими трансформаторами», бо выше 200 герц АЧХ усилителя на «эквиваленте» практически ровная (+-0.5 Дб), а по звуковому давлению просадка аж 4 Дб! Да при том, что на 100 герцах линии вообще совпадают. ;)
Первая мода «придавлена» меньше- что воспринимается как «упругий бас».
Зато усилитель немного «поднял» диапазон от 1000 до 5000 Гц, особенно область 1200 — 2400 Гц- вот мне «появилась середина».
«Высоких» объективно стало меньше- не зря мне их не хватило!

Окей, если моя гипотеза верна, импедансная характеристика АС должна быть примерно такая:
Резонанс близко 90 Гц, где на АЧХ маленький горбик. Да, у этих колонок «басов нет», что отмечают многие послушавшие. От 100 до 700 Гц импеданс АС минимальный, от 1000 до 5000 Гц — максимальный, потом снижается.

Давайте проверим.
Ну, почти попал. :) Резонанс оказался на 80 герцах…
Провал АЧХ на 3000 Гц с импедансом никак не связан- это частота раздела кроссовера АС. На ИХ там небольшая «полочка»- именно поэтому.

Вот- реальная нагрузка. Обратите внимание- импеданс меняется от примерно 3.5 до 17 Ом, хотя колонка заявлена как «8-омная». Где тут 8 ом? В шести точках! Потому снимать АЧХ ламповых усилителей на постоянных «эквивалентах»- нет смысла. И лучше заранее знать как меняется импеданс колонки- для более грамотного подбора выходного трансформатора, поскольку надпись «8 Ом» только вводит в заблуждение.
Это еще не самая плохая ИХ (в сравнении с ранее упомянутой 15ГД-11), и у ваших колонок будет ничуть не лучше.

4. Эксперимент.
Ну, фрик-шоу я вам показал, а теперь по программе вечера идут, конечно, фокусы.
Теперь попробуем сделать все то же самое, только без лампы. ;)

Ради этого на авито по неприлично низкой цене были приобретены подстроечные резисторы типа ППБ. Я взял 50-ваттные, чтоб наверняка. На 22 ома- с запасом. Тип Е- у них есть цанговая фиксация оси гайкой. Они до сих пор производятся и продаются. Цены в магазинах тоже неприличные, но в другую сторону.
Резисторы проволочные. Поскольку сопротивление подстроечников у меня низкое- автоматически получаем низкую индуктивность, которой спокойно можно пренебречь. Но с другой стороны- количество витков провода в резисторе «маловато будет», так что выходит почти «дискретник». Не страшно.

Я включил резисторы последовательно с колонками- практически по приведенной выше схеме, просто Rвых. вместо «внутреннего» стал внешним. Потом коснулся их волшебной палочкой, подозрительно похожей на отвертку, сказал «ахалай-махалай»- и вот что вышло:
Красная линия- ламповый усилитель.
Черная линия- транзисторный, с резистором в цепи АС.
Хотите без сглаживания? Извольте.
Разницы- никакой! После 12500 Гц начинается небольшое расхождение- поскольку выходной трансформатор, как я уже говорил, «так себе». И то- отличие буквально на какие-то доли Дб.
Какая разница «на слух»? Да тоже никакой. Откуда б ей взяться… Хотя… Транзисторный усилок звучит почище, что ли. Гармоник-то нема. В общем, если разница и есть- то точно не в пользу лампы.

Значение сопротивления подстроечников, которое получилось: почти ровно 4 Ома (3.96 и 4.06 для одного и второго подстроечника соответственно). Вот это и есть выходное сопротивление моего макета. Имхо великовато- макет вообще в целом «так себе», но суть «лампового звука» показал отлично.
Для других ламповых усилителей будут другие значения.

Собственно, на этом можно было бы и закончить, но…

Мне же «высоких» не хватало! Попробуем исправить этот недостаток.
Разница между изначальными АЧХ «лампы» и «транзистора» на частотах выше 5000 Гц составляла примерно 2 дБ.
Я делаю самое простое и очевидное: шунтирую подстроечник небольшим пленочным конденсатором (4.7 мкФ)- и вот:
Микрофон я немного передвинул, чтоб был максимально на оси пищалки.
Красная линия- АЧХ лампового макета.
Черная линия- АЧХ транзисторного усилителя с подстроечным резистором, зашунтированым конденсатором, в цепи АС.

Всего две пассивных детали на канал- и транзисторный усилитель «звучит» уже лучше лампового. Хотя все еще не идеально- и предстоит мне настройка всего этого хозяйства под личные вкусы. Добавлю «сочности», и так далее… Это уже не имеет отношения к эксперименту.

Что ж, макет отправляется на место своего последнего пристанища- в ящик. Он сослужил отличную службу- нехай покоится с миром. Разбирать не буду- мало ли пригодится куда…
Подстроечники я, скорее всего, на постоянные резисторы менять тоже не буду, а просто сделаю «коробочку-ламповизатор», с возможностью перенастройки.

Буду ли я еще когда-нибудь делать ламповые усилители? Это вряд ли. На кой они теперь нужны… Не слушать же гармоники, в самом деле, да еще за большие деньги. А вот полученный в ходе эксперимента опыт «коррекции АЧХ выходным сопротивлением» использую всенепременно.

5. Выводы.
1. Серийные акустические системы разрабатываются без учета реальных условий- поскольку «учесть» реальную комнату невозможно. При том всякие «экспертные оценки», полученные в специально подготовленных комнатах прослушивания- в основном «пустой звук».
2. Звучание даже самой лучшей акустической системы очень легко испортить плохой комнатой, где эта АС работает. А «хороших» комнат, считайте, и вовсе не бывает. Большинство слушателей живет в типовых бетонных коробках с соответствующей акустикой.
3. Борьба со стоячими волнами и всякими переотражениями от стен при помощи ковров и ловушек неэффективна на низких частотах.
4. Когда вы строите (покупаете) усилитель на лампах- на самом деле вы строите (покупаете) усилитель с высоким выходным сопротивлением.
5. При работе АС с ламповым усилителем за счет образования делителя напряжения (Rвых+Rгд) происходит искажение АЧХ по звуковому давлению, что часто воспринимается слушателем как «улучшение» звука. Но не всегда. ;) «Подбор» АС под ламповый усилитель- частое явление.
6. Аналогичный эффект от транзисторного усилителя можно достичь простым подключением постоянного резистора небольшого номинала в цепь АС. Таким способом можно скопировать «звучание» любого лампового усилителя.
Недостатки: часть мощности будет впустую рассеиваться на этом резисторе, но добыть транзисторный усилитель повышенной мощности- в наше время не проблема.
Достоинства: общий уровень искажений в такой системе никогда не превысит максимальный для выбраного усилителя (до десятых долей процента по сути). Скорее всего вы их просто не услышите, и уже не важно какого они будут порядка.

Если у вас уже есть ламповый усилитель- прежде чем говорить «у тя просто макет фуфло, а вот у меня!...» — возьмите транзисторный (да хоть китайский модуль на TDA2030), возьмите переменный резистор небольшого номинала (до 10 Ом), возьмите любой приличный микрофон (хоть клон капсюля WM-61a)- и повторите этот занимательный опыт.
Если лампового усилителя нет, но звук в хате «плохой»- теперь вы знаете как это можно легко, быстро, а главное- дешево исправить. При том без всяких сложных и дорогостоящих DSP.

6. Историческая справка.
Я далеко не первый, кто связал «приятное уху звучание» с высоким выходным сопротивлением усилителя. Очень рекомендую нагуглить следующие статьи:
1. С. Агеев — «Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?»
2. А. Любимов — "«Сладкая парочка»: громкоговоритель + УЗЧ"
Там многое вышеизложенное объяснено грамотно, с формулами, и вообще сделано это умными людьми. ;)