Почему вакуумный триод звучит музыкально.
Вступление.
В предлагаемом материале я пытаюсь дать физическое объяснение музыкальности звучания вакуумных триодов. Я намеренно не рассматриваю вопросы электрических параметров различных ламп. Их влияние на качество звукопередачи рассмотрено в большом числе статей и мне нет необходимости их повторять. Так же я не рассматриваю влияние качества и направленности проводов, из которых собран усилитель, этому вопросу посвящены другие интересные исследования. Я не буду рассматривать конкретные модели ламп, а постараюсь использовать их общие характерные черты.
В среде аудиофилов все больше формируется убеждение, что только вакуумный триод - самый правильный прибор для усиления звуковых сигналов. Предполагая, что это вряд ли является массовым помешательством, попробую проанализировать технически, какие особенности триодов могут привести к такому результату.
Для начала, вспомним устройство триода: катод, сетка, анод. На анод подается высокое положительное напряжение. Катод нагревается и электроны, испущенные катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, начинают лететь к аноду под действием электрического поля. Сетка располагается ближе к катоду. Если на нее подать отрицательное запирающее напряжение, то поле в области катода изменится и электроны уже не будут так легко лететь к аноду. Меняя напряжение на сетке можно управлять током анода. Получить только изменение тока на выходе триода интереса нет, в цепи анода включается нагрузка и напряжение на аноде изменяется. В реальных конструкциях, особенно в оконечных каскадах усилителей, размах напряжения на аноде составляет от пары сотен вольт до полутора киловольт.
Итак, разность напряжений между сеткой и анодом изменяется в очень большом диапазоне. А теперь вспомним, что сила притяжения действует не только на электроны, но и на сетку. Сетка не обладает абсолютной жесткостью, она прогибается под действием электростатических сил. Обычно сетка намотана тонкой проволокой на более мощном каркасе. Каждая проволочка сетки может быть рассмотрена нами как струна. У струны есть моды колебаний, возбуждая на которых струну, она будет входить в резонанс и амплитуда колебаний будет возрастать. Однако, при таких колебаниях происходит изменение расстояние между катодом и сеткой. Сигнал с большими частотами получается промодулирован по амплитуде. Различные амплитуды и частоты модуляций воспринимаются слухом как окраски звучания. Если сигнал по частотам близок к частотам модуляции, то могут возникать биения. Но не будем торопиться и попробуем дать качественную оценку размерам ожидаемого эффекта. При производстве ламп большое внимание уделяется (точнее выразиться уделялось) вопросам микрофонного эффекта. По сути, это абсолютно тот же эффект, только возбуждение колебаний сетки происходит не под действием электростатических сил, а от внешнего воздействия. Микрофонный эффект весьма велик во многих лампах, достаточно постучать по ним ногтем, а в малошумящих даже нормируется. Для сравнения вспомним конструкцию электростатического громкоговорителя. Там звук излучается вследствие электростатических сил, действующих на пленку. Размеры зазоров и порядки напряжений в таком громкоговорителе примерно совпадают с этими же параметрами лампы. Значит сила, действующая на сетку достаточна, что бы излучать звук, была бы вместо не пленка, а вместо вакуума воздух. По-видимому, уровень сил от микрофонного возбуждения окажется выше, потому я оценю эффект электростатического возбуждения колебаний сетки вакуумного триода как несколько более слабым, чем микрофонный.
Подадим широкополосный сигнал на триод. Возбудились моды колебания сетки. Объем паразитного сигнала от такого возбуждения мал, по сравнению с самим сигналом, к тому же частоты колебаний резонансного контура совпадают с частотами возбуждающего сигнала. Значит, кроме как небольшой модуляцией ВЧ сигналов, такое возбуждение себя не проявит. Выключим сигнал. Сетка осталась сама по себе и продолжает колебаться, но уже с частотами своих резонансов. Эти колебания затухают и дают небольшое послезвучие после сигнала с большим уровнем. С чем можно сравнить такое послезвучие? Например, со звучанием деки музыкального инструмента. Именно наличие собственных мод колебаний у деки, той же гитары, дает богатство звучания. Триод добавил свои послезвучия, но нам неизвестно какие они были изначально и суммарный результат обогащает звучание инструментов, что порождает ощущение большей музыкальности звучания такого усилителя.
Почему разные триоды звучат по-разному?
Разные лампы имеют разную конструкцию. В результате моды колебаний у разных ламп оказываются разными. Далеко не всегда эти моды будут вызывать приятные амплитудные модуляции сигнала и музыкальные послезвучия. Выбирая из разных моделей триодов можно подобрать тот, чьи вибрационные параметры наиболее приятны для слуха. Триоды одной марки, но разных производителей так же могут звучать по разному. Каждый производитель накладывает на конструкцию лампы свои производственные возможности и использует разные материалы, применяет разное натяжение проволоки, составляющей сетку. Соответственно механические параметры конструкции оказываются несколько иными, что конечно выражается разным звучанием. Я уже не говорю о том, что разные материалы могут по разному звучать, а различные геометрические параметры приводят к различиям и электрических параметров ламп разных производителей. Однако, даже у ламп из одной партии, при изготовлении есть допуски и даже тут будут некоторые вариации в механических параметрах ламп.
Почему старые триоды предпочтительнее?
По мере развития производства ламп, решались задачи по увеличению жесткости конструкции и снижению уровня резонансов, в том числе в конструкции сеток. Более новые лампы имеют меньший уровень паразитных колебаний сетки за счет большего совершенства их конструкции. В старых лампах частоты мод колебаний сетки были ниже, а добротность колебательных систем выше. В итоге, амплитудные модуляции распространялись на сигналы с меньшими частотами, а длительность послезвучий увеличивается.
Почему прямонакальные триоды так любят?
В прямонакальном триоде, кроме колебаний сетки, есть еще колебания нити катода. Жесткость катода прямого накала в разогретом состоянии сильно снижается и колебания легко распространяются по нему. Хотя уровень электростатических сил, действующих на катод, заметно ниже тех же сил, действующих на сетку, по причине значительно меньшей амплитуды разности напряжений между сеткой и катодом, зато моды колебаний катода прямого накала совсем низкие, что приближает характер амплитудных модуляций к натуральным.
Почему пентоды не звучат как триоды?
В пентоде или в тетроде присутствует дополнительная сетка, на которую подается постоянное напряжение. Она экранирует переменное электростатическое поле от управляющей сетки и ловит на себя электростатические силы возбуждения. Но чувствительность пентодов на колебания экранирующей сетки значительно ниже, чем чувствительность на колебания управляющей сетки, поскольку экранирующая сетка располагается далеко от катода. Получается, что возбужденные колебания экранирующей сетки мало отражаются на полезном сигнале.
Почему транзисторы звучат столь "мертво", по сравнению с триодами?
В конструкции транзистора практически отсутствуют механизмы резонансного возбуждения колебаний полезным сигналом, которые, к тому же, линейно влияли бы на передачу сигнала и давали послезвучия.
Почему ООС противопоказана вакуумному триоду?
Если мы замыкаем цепь ООС вокруг триода, то происходит его лианеризация, что, в том числе, выражается в подавлении паразитных модуляций и послезвучий (как помех) пропорционально глубине ООС. Если триод изначально не очень линеен, то ООС позволяет повысить его линейность, что выразится в более высоком разрешении в звучании. Однако, на столько же подавятся музыкальные добавления, вносимые триодом. Это полностью соответствует расхожему мнению, что ООС убивает музыкальность триода. Для таких триодов приходится искать баланс между разрешением и музыкальностью. Если триод изначально линеен, то введение ООС практически не повышает разрешения в звучании, но снижает музыкальность, что легко замечают многие, кто проделывал подобные эксперименты.
Чем этот эффект отличается от акустической обратной связи?
Если усилитель стоит в том же помещении, что и акустические системы, то звуковые колебания попадают на стеки через механическое возбуждение. Однако, вследствие низкой скорости распространения звуковых колебаний в воздухе, возбуждение происходит с задержкой, а фаза возбуждающего воздействия не синхронна полезному сигналу. В итоге такое возбуждение вносит кашу в звучание усилителя и потому с ним приходится бороться. При электростатическом возбуждении колебаний сетки, фаза возбуждающих сил синхронна с полезным сигналом во всем диапазоне частот, а временное отставание отсутствует. В итоге, послезвучия привязаны к звучанию инструмента и сливаются с ним, а не воспринимаются как посторонние призвуки в случае наличия временной задержки.
Обманывает или нет?
Проведем такой мысленный эксперимент. Возьмем очень хороший звуковой тракт, состоящий из высококачественного микрофона, линейного микрофонного усилителя, высококачественного транзисторного усилителя и высококачественных АС. Расположим микрофон в студии, а АС в отдельной комнате. Пусть в студии будут играть музыканты. Слушатель будет ходить между студией и комнатой прослушивания и сравнивать звучание. Отстроим систему так, что слушатель скажет, что разницы в звучании нет, система честно повторяет звук в студии. Теперь поставим еще один высококачественный усилитель мощности на триодах, а второго слушателя не пустим к музыкантам, он будет переключаться только между усилителями. Что он предпочтет? Скорее всего это будет триодный усилитель, Аргументы будут просты, он дает выше богатство тембров, в его звучании больше послезвучий, через него гораздо лучше слышна дека скрипки или гитары. Т.е. при отсутствии эталона, а только при относительном сравнении выбор окажется в пользу лампового триодного усилителя.
Заключение.
Для чего мы слушаем музыку? Для получения эстетического удовольствия. Мы не присутствовали на записи диска или на концерте, а даже если и присутствовали, то наша акустическая память уже давно заменила реально слышанный звук на некий внутренний канон, который мы в себе выработали. Соответственно, при прослушивании записи мы уже не можем сказать, что мы слышим именно так, как оно звучало тогда. Мы уже оцениваем звучание с точки зрения удовлетворения нашей эстетической потребности. В этом смысле, усилитель на вакуумных триодах дает гораздо большее наслаждение от прослушивания. А звук каждый выбирает для себя сам, потому и присутствуют в продаже все виды звуковой техники.
