HD Zvuk #3: Zesilovače potřetí (šum, odezva a zkreslení)

V tomto díle se budeme naposledy věnovat v teoretické rovině zesilovačům. Příští týden vám přineseme první z článků s konkrétními tipy pro výběr a nákup (nových i z druhé ruky) a zároveň otevřeme pro čtenáře HDmagu ještě zajímavější téma AV Receiverů.

Ve vašich reakcích k minulém dílu jsme postřehli, že vám přišel snad až příliš teoretický a nepraktický (zejména když jsme v závěru konstatovali, že při výběru zesilovače je důležitější poslech než třída a konstrukce). Dovolím si proto vysvětlit, proč jsme považovali za nutné věnovat celý díl právě třídám (a tento otázkám šumu, frekvenční odezvy a zkreslení).

Jsem přesvědčen, že když si zákazník kupuje nějaký výrobek nikoliv kvůli jeho formě (tedy proto, že je například modrý, kulatý nebo lesklý), ale funkci, měl by mít alespoň určité povědomí o tom, jak daná věc funguje, jaké jsou základní varianty vnitřní konstrukce, jejich výhody, nevýhody a typické vlastnosti. Když si budete vybírat auto, není určitě třeba, abyste uměli rozebrat a složit převodovku nebo chápali kódování a nastavování řídící jednotky, rozhodně je ale dobré chápat rozdíly mezi různými typy motorů a převodovek a možná mít alespoň základní povědomí o konstrukčních prvcích podvozku nebo bezpečnostní výbavě a hodnocení.

Dále čtěte:

• HD zvuk: Něco je špatně (prolog)
• HD zvuk #1: Zesilovače poprvé (o výkonu)
• HD zvuk #2: Zesilovače podruhé (o třídách)

Nicméně auto si nakonec nekoupíte jen proto, že má dieselový či benzínový motor nebo automatickou převodovku typu CVT, robotickou nebo klasickou, případně výkon přes 200 koní ale řešíte i to jak se vám řídí a líbí. Také zesilovač (nebo receiver) nekoupíte jen proto, že je ve třídě A, AB nebo D, nebo má 100W RMS na kanál, ale proto, že se vám libí jak hraje (nebo dáte na doporučení známého či recenzenta), vyhovuje vám počet vstupů, výkon a případně další vlastnosti. Přesto je dobré vědět, že dieselové motory mohou mít kratší servisní intervaly, benzínové motory s vysokotlakým přeplňováním kratší životnost a robotická převodovka bývá úspornější ale také méně „hladká“ než klasický automat. A podobně je to například s třídami zesilovačů jimž jsme se věnovali minule (a které víceméně platí i pro konstrukci zesilovací části AV receiverů) – podle hmotnosti lze posuzovat solidnost konstrukce zesilovačů ve stejné třídě, podle třídy lze očekávat provozní spotřebu a některé vlastnosti, a v případě výkonu či zkreslení je dobré vědět, že existují různé způsoby jejich měření a je třeba porovnávat porovnatelné.

Signál a šum: 40 dB není 2×20

Hlasitost (akustický tlak) je vyjadřována v decibelech proto, že lidské ucho má obrovský dynamický rozsah vnímání a logaritmická jednotka je tak praktičtější než pracovat s obrovskými čísly či mocninami. Jednotka dB (decibel, jedna desetina belu) vyjadřuje poměr výkonu či síly (v našem případě signálu) proti základní referenční úrovni. Pokud hodnota 0 dB představuje amplitudu a sílu o hodnotě 1, pak 10 dB odpovídá amplitudě 3.16 a síle 10, ale 40 dB už odpovídá amplitudě 100 a síle 10 000 (tedy třiceti, respektive tisícinásobku).

Jak moc nahlas? Hlasitost různých zvuků v decibelech a odpovídajícím násobku hlasitosti. (University of British Columbia)

Rozdíl mezi intenzitou zvuku, která způsobí trvalé poškození sluchu při krátkém působení v jinak tichém prostředí je větší než 1 trilion, tedy 120 dB. Ucho ale není citlivé v celém frekvenčním spektru stejně (nemá plochou poslechovou frekvenční odezvu) a průběh citlivosti se mění i se samotným akustickým tlakem (hlasitostí). Nejvyšší citlivost je každopádně v oblastech mezi 2 a 4 kHz – to je také důvod proč se do zesilovačů a receiverů dříve přidávala funkce loudness (některé ji mají dodnes). Jejím úkolem bylo zdůraznit při tichém poslechu frekvence, které lidské ucho “méně” vnímá a nabídnout tak “vyrovnaný” (či spíše líbivý) přednes i při tiché reprodukci.

Lidské ucho vnímá různé frekvence s odlišnou citlivostí – spodní křivka představuje úroveň slyšitelnosti, další pak průběh vnímání při vyšších úrovních hlasitosti. (Wikipedia)

Měření akustického tlaku je ale v případě zesilovačů důležité ještě pro jinou oblast – úroveň šumu, respektive odstupu signálu a šumu (SNR). Poměr signálu a šumu (či odstup signálu od šumu) se pochopitelně používá i v jiných oblastech – vždy ale vyjadřuje úroveň požadovaného signálu k šumu pozadí. Jedná se ale pochopitelně o šum, který do signálu “přidává” dané zařízení, tedy zesilovač nebo předzesilovač. Je-li úroveň šumu (respektive SNR) v poslouchané nahrávce vyšší, pak bude šum slyšitelný dříve.

V dávné minulosti dosahovaly levnější zesilovače často poměrně nízkých hodnot SNR (typicky 50–80 dB – bylo to dáno mimo jiné i tím, že běžné zdroje zvuku, magnetofonové pásky či kazety a desky, nenabízely výrazně lepší hodnoty). Situace se ale zásadně změnila s příchodem formátů jako bylo CD, Mini disk a DCC. Ty nabídly maximální teoretické SNR na úrovni 96 dB a současné zesilovače jsou tak obvykle konstruovány aby dosahovaly vlastní odstup signálu od šumu v rozsahu 90–100 dB. Ještě větší význam hraje nízká úroveň šumu pokud posloucháte digitální zdroje s vyšším rozlišením než je tradičních 16 bitů (například FLAC HD nebo SACD). Způsob měření SNR není bohužel jednotný – existují pravidla pro měření profesionálních nahrávacích zařízení, ale i ta se mírně liší pro Evropu a USA.

Vedle odstupu signálu od šumu je důležité i nakolik jsou odděleny v konstrukci zesilovače (zejména jeho výkonové části) levý a pravý kanál – separace kanálů (opět v dB) udává vlastně odstup levého a pravého kanálu – tedy kdy začne docházet k přeslechům (signál pro levý kanál začne být slyšitelný v pravém a naopak). Tady může hrát zásadní roli konstrukce zesilovače – například vnitřní konstrukce dual mono nabízí obvykle lepší separaci, podobně jako použití dvou samostatných koncových “monobloků” v kombinaci s předzesilovačem. V minulosti se nejednalo o důležitou hodnotu (u LP desek je stereo separace cca 30 dB a ani u magnetofonu není ideální), digitální zdroje zvuku ale mají ze své podstaty špičkovou úroveň oddělení kanálů. Bohužel se jedná o hodnotu, kterou uvádějí jen někteří výrobci.

Frekvenční odezva: plochá, ale jak moc?

Zatímco hlasitost, tedy akustický tlak, je vyjádřen v decibelech (dB), frekvence tedy počet opakování akustických vln za (zjednodušeně výška tónu) je vyjádřena v hertzích (Hz) – počtech cyklů akustické vlny za vteřinu. Běžný člověk dokáže slyšet frekvence v rozsahu 20 až 20 000 Hz – nicméně individuální schopnosti (zejména horní hranice) se individuálně liší a s věkem často snižují.

To že lidské ucho nemá plochou poslechovou frekvenční odezvu rozhodně neznamená, že by bylo jedno, zda zesilovač produkuje zvuky s různou frekvencí ve správné hlasitosti  – právě naopak. Má-li být zesílený zvuk co nejblíže původnímu zvuku živého koncertu nebo studiové nahrávce, je třeba aby zesilovač v celém rozsahu reprodukčního spektra (tedy minimálně 20 Hz – 20 KHz) zesiloval zvuk s minimální odchylkou v akustickém tlaku. Tato schopnost je udávána jako frekvenční odezva s určitou tolerancí (běžně až 3 dB, nicméně kvalitnějších zesilovačů je často odchylka menší – například 1 dB). Pochopitelně odchylky ve frekvenční odezvě mohou být i v zařízení, které používáte jako zdroj zvuku (CD přehrávač, gramofon, síťový přehrávač, zvuková karta apod.) – nicméně tradiční digitální formát se vzorkovací frekvencí 44 kHz nabízí horní limit 22 kHz (špičkové gramofonové přenosky pak až 20 kHz). Konečně hlavní vliv na frekvenční odezvu při reprodukci mají obvykle reproduktory – této problematice se ale budeme věnovat v budoucnu samostatně.

Obecně platí, že je žádoucí co nejmenší odchylka frekvenční odezvy v poslechovém, nebo raději ještě širším pásmu (pro HD audio může být horní strop až kolem 50 kHz). Proč má smysl uvažovat o hodnotách mimo slyšitelný rozsah rozebereme v díle věnovaném HD zvukovým formátům – už nyní vám ale můžeme prozradit že to souvisí i s problematikou harmonických zkreslení.

Zkreslení harmonická a jiná

Harmonické zkreslení je nezbytnou součástí hudby. Nástroje a koneckonců i lidský hlas by bez něj nezněly správně. Každý tón hudebního nástroje (až na některé výjimky jako jsou bicí) je tvořen základní frekvencí a harmonickými frekvencemi – to jsou násobky základní frekvence s výrazně menší intenzitou. Právě kombinace základní a harmonických frekvencí vytváří unikátní zvuk nástroje či hlasu a je tedy žádoucí, aby zesilovač správně reprodukoval nejen základní, ale i harmonické frekvence – nezkresloval je. (Mimochodem jsou to právě vyšší harmonické frekvence nad 22 KHz, o nichž se často hovoří jako o jednom z důvodů, proč někteří posluchači vnímají velký rozdíl mezi klasickým digitálním rozlišením CD a HD zvukovými formáty nebo SACD).

Zatímco v případě harmonického zkreslení je důležitá jeho správná reprodukce, mohou v zesilovači vznikat další nežádoucí zkreslení – například intermodulace, způsobená nelineárním chováním zesilovače. A zde se dostáváme k minulému dílu a třídám zesilovačů – zcela lineárně se chovají zesilovače třídy A, v případě tříd AB a D záleží na kvalitě konstrukce (a komponent).

Pro jednoduchost se celkové zkreslení zesilovače vyjadřuje hodnotou THD+N (celkové harmonické zkreslení plus šum). Ta, zjednodušeně řečeno, vyjadřuje poměr zkreslení mezi vstupním a výstupním signálem a zahrnuje tak různé druhy zkreslení, včetně šumu v určeném frekvenčním (poslechovém) pásmu. Metodika měření se ale mezi Evropou a zbytkem světa opět liší (v Evropě jsou výrobci povinni vzít v úvahu rozdíly v citlivosti lidského u některých frekvencí a měření je tak vlastně přísnější.) – to je další z důvodů, proč se čísla udávaná v manuálech a produktových listech zesilovačů pro Evropský, Americký a Asijský trh liší (podobně jako například u výkonu). Není to tím, že by výrobce dodával různě “kvalitní” přístroje, odlišná je jen metodika měření. U Hi-Fi by obecně měla být hodnota THD+N nižší než jedno procento – současné zesilovače a kvalitní AV Receivery nabízí často hodnoty v rozpětí 0.01 až 0.1 procenta. THD+N lze měřit navíc buď vůči frekvenci při určitém odporu, amplitudě, nebo vůči výkonu – v posledním případě v podstatě každý zesilovač, který „poženete za limit“ dosáhne nadměrného zkreslení (tzv. clipping) – levnější přístroje (zejména receivery), ale mohou tohoto zkreslení dosáhnout poměrně brzy, zejména při provozu všech pěti či sedmi kanálů.

Některé AV receivery nabízejí sice bohatou funkční výbavu a skvělý design, konstrukce napájecí části a výkonového zesilovače ale omezuje skutečný výstupní výkon a znamená vyšší celkové zkreslení, zejména při hlasitější reprodukci.

Ne každé zkreslení musí být nutně nežádoucí. Například elektronkové (lampové) zesilovače mají specifické zkreslení, které dělá zvuk “měkčím” a příjemnějším (na druhou stranu ale zřídka dokáží nabídnout takovou čistotu reprodukce vysokých frekvencí jako tranzistorové zesilovače). Zkreslení se tradičně také používalo u efektových či kytarových zesilovačů.

Za týden se blíže podíváme na výbavu předzesilovače (vstupy a jejich přepínání, regulace basů a výšek) a pokusíme se shrnout základní pravidla pro výběr vhodných zesilovačů ať už nových nebo z druhé ruky. Ještě před tím vám ale přineseme první díl o AV receiverech, což je pro řadu z vás možná zajímavější téma.