A nagy hangzáshűségű audio-berendezések tervezésének legmélyebb kihívása az igazság és a szépség, agyunk bal és jobb féltekéje közötti közös pont megtalálása, pontosabban a hallás belső élményének összeegyeztetése a mérések technikai világával. Amennyiben nem tudjuk összeegyeztetni a kettőt, vagy ragaszkodunk ahhoz, hogy csak az egyik létezik, akkor vakon repülünk.
Az emberi nagyagy – egymással szimmetrikus – jobb és bal féltekéi arról a koponyacsontról kapták nevüket, amely alatt elhelyezkednek. Az agy jobb féltekéje irányítja a test bal oldalát, a bal pedig a test jobb oldalát. A két agyfélteke nem azonos módon működik. A bal agyfélteke felelős a beszélt és az írott nyelv, a logika, a számolási képességekért és az elvont, tudományos fogalmakért. A jobb félteke felelős a mintázatok és formák felismeréséért, az arcvonásokra való emlékezésért, a művészetek értékeléséért, a humorért, a zenéért, a táncért, a képzelőerőért és a térbeli képességekért. A jobb és a bal agyfélteke közül az egyik dominánsabb a másiknál, ami meghatározó a viselkedési folyamatokban. (csak mellékesen, lásd: balkezesség. A férfi agy később fejlődik ki, mint a női, és bal agyfélteke később, mint a jobb. A tesztoszteron elfojtja a bal agyfélteke fejlődését, ezáltal a jobb agyfélteke erőteljesebben fejlődhet. Így a magzat nagyobb valószínűséggel válik balkezessé, mivel a jobb agyfélteke irányítja a test bal oldalát.)
A hangsugárzó-tervezői körökben számos különböző érv szól amellett, hogy melyik mérés a legfontosabb. Mivel egyetlen hangszóró sem képes mindent „megcsinálni” – a tervezők kénytelenek kiválasztani, hogy melyik mérések a legfontosabbak. A felhasznált anyagok és a technológia mellett ez az egyik legfőbb oka annak, hogy a hangsugárzók árfekvésben annyira eltérőek. A tervező különböző tulajdonságokra optimalizál, a marketingkampány pedig a pillanatnyilag legmenőbb filozófiára épül. Ma a nagy hatékonyság/érzékenység, tegnap a keresztváltó egyszerűsége, előtte a lineáris fázistartás, majd az alacsony elszíneződésé a főszerep, de ha mindet akarjuk egyszerre, akkor nagy pénzt kell letenni a hangsugárzóért. Viszont, sok esetben legfőképpen az üzleti siker játszik szerepet a tervezésben.
Az elektronika oldaláról más a helyzet. Ma már sokkal kevésbé kell aggódni a hangszórók visszahatása miatt, a tranziens válasz kiváló és szinte minden erősítő egyenletesebb és szélesebb frekvenciasáv erősítésére képes, mint a legjobb akusztikus átalakítók – mikrofonok, fejhallgatók vagy hangszórók. Csak mérjük meg a torzítást, és kész! Sajnos ez nem ilyen egyszerű. Az elektronikában a teljes harmonikus torzítás (THD) és a ténylegesen hallható szubjektív korreláció a nullához közelít. Végül is egy félvezetős sztereó erősítő mért THD-értéke sokkal alacsonyabb, mint a legjobbnak tartott elektroncsöves (pl.: triódás) erősítőé. Ez azt jelenti, hogy „minden erősítő ugyanúgy szól”? Nem, egészen biztosan nem. Akkor a mérések értelmetlenek? Nem, ez sem igaz.
A hiba nem a hallgató szubjektív észlelésében (nem az Ön „készülékében”) van, hanem magában a mérésben. Ebben semmi új, minden mérhető, de a tömegspektrométer nem fog sok különbséget találni a középiskolai étkezdében elfogyasztott ebéd és a legjobb vacsora között egy négycsillagos étteremben. Ostobaság azt állítani, hogy a tömegspektrométernek igaza van, és az éttermi látogatók valamiféle „placebo-effektussal” áltatják magukat, itt csak az egyszerű tudatlanság példája van, miszerint a meztelenséget a tudomány fügefa-levelével próbálja elfedni. Az étterem rajongónak, vagy az elhivatott audio-rajongónak szubjektív felfogásában igaza van. Az mindenképpen egy komoly tervezőn múlik, hogy kiderítse, mi történik a felszín alatt, és ne engedjen a homályos, áltudományos tételeknek „eufonikus torzításról” és a „placebo-effektusról”. Jelenleg csak annyit mondhatunk biztosan, hogy a THD-számok nem a megfelelő mérések az elektronikához!
…”A hangfrekvenciás erősítők torzítását jelenleg a szabványoknak megfelelően a harmonikus és az intermodulációs torzítási tényezővel jellemzik Ezen adatok az erősítők átvitelének linearitási egyenlőtlenségeire jellemzők. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy a zenei jelek nagy hanghűségű átvitele során hallható különbségek vannak olyan erősítők között is, amelyek említett torzítási tényezői extrém kis értékűek, s közel azonosak. E jelenség egyik okának felfedése, a dinamikus, illetve tranziens intermodulációs torzítási mechanizmus (DIM, ill. TIM) magyarázata Matti Otala nevéhez fűződik. A sok frekvenciás, dinamikus igénybevétel során — és a legtöbb zenei anyag ilyennek tekinthető — az erősítőkben, elsősorban teljesítmény-erősítőkben gyakran lép fel a tranziens intermodulációs torzítás”… – Dr. Pócza Attila (szakterülete az alkalmazástechnika, nagy hangzáshűségű erősítőktervezési kérdései és a dinamikai torzítások)
A kíváncsiság jogos, miért hangzanak úgy a különböző áramkörök, ahogyan? Az erősítőkben alkalmazott áramköri változtatások pontosan olyan hangzásbeli változásokat okoznak, mint egy hangsugárzóban az 1-2 dB-es keresztváltási eltérés, ennek ellenére az áramkör megváltoztatásának kevesebb a hatása az erősítő mért frekvenciamenetére! Fontos, hogy a fül, a másod-, harmad-, negyed- és ötödrendű felharmonikusok esetében az 1 000 – 5 000 Hz-es tartományban a legérzékenyebb a torzításra. A páros felharmonikusok mindegyike aszimmetrikus torzítási mechanizmusokkal, a páratlan felharmonikusok pedig szimmetrikus torzítási mechanizmusokkal jönnek létre. (Megjegyzés: Tudjuk, hogy nem mindenki rendelkezik egzotikus mérőműszerekkel, viszont a tesztek elvégezhetők egy egyszerű módszerrel, mint egy jó teszt-CD és egy PC-alapú FFT analizátor. A széles tartományú torzítás méréséhez hasznos egy passzív LC-szűrőt építeni, amely az 1 kHz-es fundamentumot eltávolítja a vizsgált áramkör kimenetéről.)
Az adott THD-értéket szinte teljes egészében a második felharmonikus uralja. A hagyományos THD-specifikációra való támaszkodás veszélye az, hogy figyelmen kívül hagyja a felharmonikusok összes összetett viselkedését, és azok mintáját. Talán ez az oka a különféle áramkörök szubjektív hangszín egyensúlyának, amely nem jelenik meg egyetlen frekvencia átviteli görbén sem. Amit a hallgató hallhat, az az áramkör zaj- és torzítási szintje, ami szubjektíven frekvenciamenet problémának tűnik – de nem az. A spektrális egyensúly szubjektív észlelésének valóban több köze lehet a zaj-padlóhoz és a felharmonikus mintázatokhoz, mint a tényleges frekvenciameneti eltérésekhez. A legtöbben hallottunk már gyenge hangzású tranzisztoros erősítőket, vagy tompa hangú „vintage” erősítőket – ezek frekvenciamenete biztosan lapos, de nem úgy szólnak!
A felharmonikusok zökkenőmentes átvitele különösen figyelemre méltó a transzformátor csatolású áramkörökben. A transzformátor csatolás hangzásra gyakorolt természetessége és „közvetlensége” a spektrum adatokat nézve nyilvánvaló. A felharmonikusok eloszlása szinte pontosan úgy néz ki, mint a tankönyvekben. A torzítás általános nagysága is lenyűgözően alacsony. (próbáljon meg olyan tranzisztoros áramkört találni, amely 50 V effektív feszültséget tud leadni 1%-nál kisebb torzítás mellett visszacsatolás nélkül!)
Ahogy fentebb említettük, a páratlan és páros felharmonikusok aszimmetrikus és szimmetrikus torzításként jelentkeznek. A zenét nagyon sok egymáshoz közel elhelyezkedő hang uralja – egy kórus vagy több hegedű a legsűrűbb spektrummal rendelkeznek. Az olvasó fantáziájára bízom, hogy kitalálja, hány egyidejű hang van jelen a zenében – sokkal több, mint három! A THD hatása további következményekkel jár a hallgatott zene típusára nézve. A jazz és a népzene gyér spektrummal rendelkezik, így a THD nagyobb szerepet kap a szubjektív elszíneződésben. Ezzel szemben az acapella énekesek, a nagy kórusok és a hegedűk tömege nagyon sűrű spektrummal rendelkeznek, sok az egymáshoz közel elhelyezkedő hang. (A zenészek néhány másodpercig képesek tartani a fázist, annak ellenére, hogy ez lehetetlennek tűnik.) Az ilyen típusú zene élvezetét még a kis mennyiségű intermodulációs torzítás is erősen lerontja, de nem annyira érzékeny a viszonylag kis mennyiségű, alacsony rendű harmonikus torzításra. Így erednek a végtelen audiofil viták, amelyek valójában azon alapulnak, hogy a hallgató milyen típusú zenét szeret. Tehát a hallgatott zene típusától függően a spektrális eloszlás és a torzítás befolyásolja a szubjektív érzetet, élvezeti értéket. A dolog sokkal összetettebb, mint a sajtóban leegyszerűsített „2nd Harmonic is Always Better”. A spektrális eloszlás nagy szerepet játszik az egyébként egyenletes frekvencia-menetű erősítő hang-tónusának színében.
Az 1947-es Williamson erősítő volt az a terv, amely a legtöbbet tette a „visszacsatolás minden bajt gyógyít” filozófia népszerűsítésére. Érdekes, hogy az 1948 és 1956 közötti időszakban szinte minden kereskedelmi forgalomban lévő hifi-erősítő Williamson topológiájú volt (kisebb kivételekkel a Quad II, a McIntosh és az EV Circlotron esetében). Ebben az időszakban a „több teljesítmény, alacsonyabb THD” mantra vált az iparág hajtó erejévé. 1960-ra az ultraszéles sávszélesség, a nagy visszacsatolás, valamint az „A-B” osztályú EL34 és 6550 UL áramkörök uralták az iparágat. Tizenkét év leforgása alatt a hagyományos mérnöki előítélet a nagy torzítású eszközökkel szemben elhalványult, megnyitva a kaput a nagy teljesítményű pentódák és az „A-B” osztályú működés előtt. Minden egyes „fejlesztést” a torzítás növekedése jellemez, amit aztán egyre több visszacsatolás „korrigált”. A következő nyilvánvaló lépés a még nagyobb visszacsatolási arányú tranzisztoros áramkörök megjelenése – elvégre nagyobb volt a teljesítményük, alacsonyabb a THD-jük, nagyobb a sávszélességük, és ami a legfontosabb, olcsóbb volt az építésük.
A visszacsatolás többnyire csökkenti a 2. és 3. felharmonikusok tömegét. Ez megtévesztheti az egyszerű THD-mérőt, de a spektrumanalizátor átlát a szitán. Kár, hogy több mint 50 éven keresztül a nyers teljesítmény és a szinte haszontalan THD-mérések lettek a fontosak. Ha több mérnök és lektor férhet hozzá a spektrum-analizátorokhoz, akkor a nyers THD mérések félrevezető jellege korábban kiderült volna, és az erősítő tervezés más irányba halad. Ha a linearitás a cél, akkor a közvetlen fűtésű triódák az egyetlen járható út – ezeknek torzítása körülbelül 1/3-a a triódákkal összekapcsolt pentódák és sugártetódák torzításának. A spektrális eloszlás is jobb. Nagyon kevés erősítő rendelkezik olyan meghajtó egységekkel, amelyek torzítása a kimeneti fokozat 1/3-a, és 5 dB vagy több – ez igaz a trióda, pentóda vagy tranzisztoros erősítőkre is! Ennek eredményeként a 2A3 és 300B elektroncsöves erősítők mindegyike, a meghajtó áramkör linearitásától és áram-ellátásától függően, eltérő hangzású. (Fentiek mindegyike vonatkozik a triódákra – hagyományos RC csatolású, transzformátoros, fojtótekerccsel ellátott, SRPP és aktív terhelésű áramkörökre, például MU-követőkre. Nem vonatkozik a kaszkád triódákra, pentódákra, bipoláris tranzisztorokra vagy MOSFET-ekre.)
Az „A”-osztályú tranzisztoros erősítők megjelenésével, majd a nyolcvanas évek végén az elektroncsöves elektronikák újjáéledésével, az erősítők linearitása ismét fontosnak tűnik. A triódás, pentódás és tranzisztoros áramkörök nagyon eltérően reagálnak a megnövekedett terhelési impedanciákra. A triódák esetében az erősítés mérsékelten növekszik, a torzítás nagymértékben csökken, és a felharmonikus torzítás még nagyobb csökkenése lehetséges. A pentódás és tranzisztoros erősítők esetében a terhelési impedancia növelése nagyon nagy erősítést, a torzítás esetleges növekedését és a felharmonikus tartalom esetleges növekedését eredményezi. Viszont ha az erősítőnek van visszacsatolása, akkor a visszacsatolás növekedése nagymértékben csökkenti az alsó harmonikusokat (2. és 3.), de semmi sem csökkenti a felső harmonikusokat. A megnövekedett visszacsatolás élesebb vágáshoz is vezet, ami csökkenti a dinamikatartomány szubjektív érzetét.
A kondenzátor-hidas és pi-szűrős tápegységek által keltett elektromágneses interferencia (EMI) jelentős mértékben felelős a tónusszínezésért, valamint a fátyolos hangzásért. A legtöbben ezt nem veszik észre, pedig egy rövid áramcsúcs impulzus-szélességét az erősítő pillanatnyi áramfelvétele módosítja. A szélesebb tüske-impulzus erősebb alacsony frekvenciájú komponensekkel, a keskenyebb pedig több nagyfrekvenciás komponenssel rendelkezik. Mindkét tüske legalább 100 kHz-es vagy annál nagyobb fésű spektrumot ad. Valójában a transzformátor zaj-spektrumát a teljes erősítő áramfelvétele modulálja. Ez azt jelenti, hogy a tápegység zaj-spektruma (amely az RFI-frekvenciákig terjed) a zenével együtt mindig változik. Az AES-iskola mainstream mérnökei sok éven át kinevették az „audiofil” tápkábeleket, de a félvezető-egyenirányítós tápegységek EMI-kibocsátása nem vicc. A szélessávú zaj minden irányba sugárzik: az áramköri lapokba, a földelésbe, a készülékház belsejébe és a tápkábelbe. A tápegység zaja kereszt-modulálódik amint az első nemlineáris áramköri elemet megtalálja. Mennyire lineáris a legtöbb műveleti erősítő 1 MHz-en? Nem nagyon. A „díszes” tápkábelek azzal érhetik a legnagyobb hasznukat, hogy részben árnyékolják vagy elkülönítik a tápegységeket a félvezetős-berendezésektől és a CD-lejátszóktól, mert a keresztmoduláció még a legdrágább DAC-ban és CD-lejátszóban is előfordul.
Minden alkalommal, amikor transzformátort látunk, zajprobléma van, a rendkívül gyors töltőáram impulzus problémája továbbra is fennáll, amit az „A-B” osztályú működés tovább ront. Tekercsek, árnyékolt házak és rádiófrekvenciás zajcsökkentési technikák alkalmazása az audio-berendezésekben már évtizedek óta esedékes. Az egyetlen ok, amiért a feljesztések ilyen sokáig tartottak, az az, hogy kevés mérnök (digitális mérnökök között még kevesebb) ismeri a rádiófrekvenciás technológiát, beleértve a szélessávú spektrumelemzők rutinszerű használatát az áramkörök hamis sugárzásainak megszüntetésére.
Ismertető írásunk célja az volt, hogy rámutasson, az erősítők tervezése során a hagyományos mérések hogyan eredményeznek bölcs döntéseket. Az alsó harmonikusok szinte halhatatlanok a felső harmonikusokhoz képest, mégis szinte minden THD mérést uralnak! A mérő a tervezőt, az értékelőt, a kereskedőt és a fogyasztót sajnos távol tartja a jó hangzástól. Eszünkbe jut a klasszikus mese egy részegről, aki az utcai lámpa alatt keresi a kocsikulcsát, pedig azt gyanítja, hogy teljesen más helyen vesztette el. – Itt jobb a fény(!) mondják a tömeggyártásra dolgozó mérnökök és tömeg-marketingesek, de a jó hangzás kulcsa nem ott van, ahol az audio-ipar keresi. Miért szólnak sokkal jobban a 40 – 50 évvel ezelőtt készült sztereó hanglemezek, amelyeket 65 éves direkt fűtésű triódákkal erősítettek, mint a mai digitális hangzás, amelyet 0,001%-os THD berendezéseken játszanak le? Jó kérdés. Viszont a tömeg-hifi és az audiofil közötti különbség egy (nyitott gondolkodású) hallgató számára olyan egyértelmű, mint a nap.
Nincs okunk azt hinni, hogy a hangsugárzók nem fognak egyre jobbá válni, mivel az anyagtudomány mindenféle újítása a küszöbön van, és a számítógépes modellezési technikák terén minden évben jelentős előrelépések vannak. Itt az ideje, hogy egyszer s mindenkorra megdöntsük az „eufonikus torzítás” mítoszát, és felfedezzük az erősítőtorzítás valódi forrásait, amelyeket az emberek valójában hallanak. Ha találunk olyan méréseket, amelyek valóban segíthetnek, nem pedig akadályoznak, könnyebb lesz olyan elektronikát építeni, amely barátságos a hallgató számára.
