Звучание конденсаторов в фильтрах акустических систем

Современная аудиотехника класса Hi End усилиями рекламы, обслуживающей интересы соответствующих компаний, оказалась мифологизирована до такой степени, что кажется уже невозможно отличить правду от вымысла, а реальность от самовнушения.

Работа аудиотракта оценивается потребителем по личным слуховым ощущениям. Сложность и неоднозначность связи между объективными параметрами звукового сигнала и субъективными ощущениями слушателя и зависимость этой связи от множества посторонних факторов создает благоприятные условия для недобросовестного бизнеса. Потребителю «на слух» приходится оценивать, насколько свойства того, за что он заплатил иногда весьма солидную сумму, соответствуют обещанному рекламой. А разобраться в этом непросто. Как заметил в одном из интервью директор по экспорту компании МONITOR AUDIO Д. Хоббс: «Многие, купив кабели за 5000 долларов, уже подсознательно настроены на то, что система зазвучит лучше. Так ли это в реальности - большой вопрос. Более того, потратив столько денег, никто даже себе самому не признается, что остался в дураках» [1].

Довольно характерное высказывание профессионала, не занятого в «кабельном» бизнесе. Разумеется, многочисленные эксперты из аудиожурналов излагают совсем иную точку зрения.

Если у абсолютного большинства технически образованных людей сложилось вполне адекватное представление о «полезности» «суперкабелей», то в отношении других аудиофильских компонентов подобного единодушия нет. Вот уже много лет предметом острых споров остается целесообразность применения аудиофильских резисторов, дросселей и конденсаторов в кроссоверах акустических систем (АС). Здесь все не так очевидно. С одной стороны нельзя отрицать объективность различий некоторых технических характеристик аудифильских и обычных компонентов, а с другой, величина этих различий в большинстве случаев не дает оснований считать, что их можно зафиксировать «на слух».

Одни компании комплектуют кроссоверы АС аудиофильскими компонентами, не преминув, разумеется, сообщить об этом в рекламных проспектах. Другие не менее авторитетные производители аппаратуры, в том числе и профессиональной, применяют в своих АС электролитические конденсаторы и дроссели с ферромагнитными сердечниками, что по аудиофильским меркам считается абсолютно неприемлемым.

Еще радикальнее расходятся мнения радиолюбителей. Одни публикуют обширные отчеты о прослушивании конденсаторов, констатируя существенные отличия в их «звучании» [2]. Другие вообще отрицают какое-либо положительное влияние дорогих аудиофильских компонентов на звук.

«Дорогостоящие компоненты для кроссоверов - напрасная трата денег, не улучшающая звук» - категорично заявляет Дж. Крутке - известный не только среди любителей, но и среди профессионалов DIY-конструктор АС [3].

Какие элементы выбрать для кроссовера самодельной АС: обычные или аудиофильские - вопрос не простой. Пассивный кроссовер состоит из резисторов, конденсаторов и дросселей.

С резисторами - все просто. Чаще всего, доказывая необходимость применения специальных аудиофильских резисторов, ссылаются на наличие индуктивности у недорогих проволочных аналогов. При этом преднамеренно замалчивается тот факт, что величина этой паразитной индуктивности ничтожно мала, и ее влияние на полное сопротивление резистора начинает сказываться на частотах свыше 200 кГц. Этим исчерпываются технические аргументы, а остальные, вроде «плохого звучания высокоомного материала проволоки» - из области фантазий.

С катушками индуктивности ситуация не столь очевидна. Если наличие ферромагнитных сердечников действительно может повлиять на звук не лучшим образом, то применение проводов из сверхчистой меди или серебра с добавлением 1% золота «аргумент» того же ряда, что и «кабельный». Стоимость такой катушки может достигать нескольких тысяч долларов за штуку. Ленточные (фольговые) катушки индуктивности обладают некоторыми преимуществами, но стoят намного дороже обычных проволочных, поэтому имеют гораздо худшее соотношение цена/качество. Однако подробное их рассмотрение выходит за рамки настоящей статьи.

С выбором конденсаторов ситуация не проще. Их объективные характеристики зависят от конструкции и материала корпуса (металл, пластик, компаунд), обкладок (специальная фольга, обычная алюминиевая фольга, металлизация), от типа диэлектрика (полипропилен, лавсан, бумага, керамика, оксид) и, наконец, от качества изготовления (аудиофильские элементы могут иметь как лучшее качество изготовления, так и такое же, как у элементов общего применения).

Даже, если оставить за скобками рекламную шелуху вроде «натуральности звучания благодаря применению натуральных материалов», то список требований к аудиофильскому конденсатору окажется довольно солидным:

• корпус - из металла или массивного пластика для обеспечения акустической развязки.
• обкладки из тяжелой фольги для исключения вибраций, причем желательно серебряной или с добавлением серебра для снижения сопротивления;
• «правильный» диэлектрик;
• высокое качество изготовления, гарантируемое принадлежностью аудиофильскому брэнду.

Такой конденсатор обойдется в $30-50 (конденсатор с серебрянными обкладками – несколько сотен, а из «натуральных материалов» - несколько тысяч долларов). Но, может, прав Дж. Крутке, и все это напрасная трата денег? И десятирублевый конденсатор К73-17 на самом деле «сыграет» не хуже? Настоящая статья - попытка разобраться в этом вопросе.

Наличие в конденсаторе обкладок из фольги, особенно медной, серебряной или с добавлением золота, обычно воспринимается аудиофилами как признак элитарности. С технической точки зрения использование фольги в конденсаторах для АС не дает существенных объективных преимуществ, но заметно сказывается на себестоимости. Поэтому в большинстве даже очень дорогих конденсаторов «для аудио», кроме фольговых масляно-бумажных, вместо фольги используют в действительности металлизированную полимерную пленку. При этом, некоторые производители в маркетинговых целях при описании конструкции конденсатора идут на некорректную подмену понятий, называя полипропиленовую пленку «полипропиленовой фольгой» ( polypropylene capacitor foil ), как, например, в описании конденсатора Mundorf МСар RXF.

Другой важнейший признак аудиофильского конденсатора - применение диэлектрика «правильного» типа. Самым каноническим диэлектриком считается полипропилен (ПП, англ. РР). Большинство современных специализированных конденсаторов «для аудио» (далее для краткости аудиоконденсаторы) использует именно его. По объективным характеристикам ПП почти идеальный материал, обладающий высокой стабильностью, малыми диэлектрическими потерями и абсорбцией. Другой канонический аудиофильский диэлектрик - пропитанная маслом бумага - полная противоположность ПП. Масляно-бумажные (МБ) конденсаторы по тангенсу угла потерь и, особенно, по диэлектрической абсорбции заметно проигрывают всем видам пленочных конденсаторов. По этой причине они сегодня применяются, в основном, только в низкочастотной силовой электротехнике и в небольших объемах в аудиофильской аппаратуре: ламповых усилителях и кроссоверах АС.

Оксидные неполярные конденсаторы - самые «не аудиофильские» из применяемых в кроссоверах. По тангенсу угла потерь и абсорбции они уступают даже МБ конденсаторам. С другой стороны, по величине удельной емкости оксидные конденсаторы вне конкуренции, и поэтому вопреки расхожему мнению используются не только в дешевых мультимедийных колонках, но и в профессиональных АС и в дорогих АС класса Hi-Fi - везде, где требуется высокая емкость.

Еще один часто применяемый в кроссоверах АС тип конденсаторов использует в качестве диэлектрика пленку из полиэтилентерефталата (ПЭТ, ПЭТФ, англ. PET). Коммерческие названия полимера: лавсан, полиэстер, майлар и др. Являясь дешевой и доступной альтернативой специализированным ПП и МБ аудиоконденсаторам, ПЭТ конденсаторы общего применения очень популярны как у профессионалов, так и у радиолюбителей из-за хорошего соотношения качество-цена. В то же время, ни один другой тип конденсаторов не вызывает таких резко негативных оценок со стороны аудиофилов за «плохое звучание». Подобное мнение укоренилось настолько прочно, что ПЭТ конденсаторы, в прайс-листах отечественных продавцов аудиокомплектующих называются полистирольными, хотя полистирол и полиэстер при некоторой схожести названий абсолютно разные полимеры. Все это послужило причиной особого внимания, уделенного этому типу конденсаторов в настоящей статье.

Результаты сравнительной субъективной экспертизы ПЭТ, ПП и МБ конденсаторов приведены в третьей части статьи, а здесь остановимся на технической стороне вопроса.

Первый из приводимых обычно аргументов в пользу отказа от применения ПЭТ конденсаторов в кроссоверах - повышенные тангенс угла потерь и коэффициент абсорбции. В табл.1 приведены характеристики некоторых типов конденсаторов (по материалам [4]), которые могут использоваться в АС.

Таблица 1

Из таблицы видно, что параметры ПЭТ конденсаторов действительно заметно хуже, чем у ПП, но несколько лучше, чем у МБ. Кроме того, емкость ПЭТ конденсаторов не постоянна и снижается примерно на 1,5-2% на самых верхних частотах звукового диапазона. Однако у МБ конденсаторов изменение емкости в диапазоне звуковых частот больше 2%.

На рис. 1 приведены зависимости тангенса угла потерь от частоты для ПП (КР, МКР), ПЭТ (КТ, МКТ) и МБ конденсаторов (для ПП и ПЭТ - по материалам [5], для МБ конденсаторов измерено).

Рис.1.

Выбирая тот или иной компонент для кроссовера, нужно четко понимать, что цифры технических параметров важны не сами по себе, а лишь как факторы, которые могут повлиять или не повлиять на качество звучания АС. При установке ПЭТ или МБ конденсаторов в ФВЧ второго порядка, изменение величины их емкости и тангенса угла потерь в полосе пропускания фильтра может привести к отклонению реальной АЧХ кроссовера от расчетной на величину до 0,3 дБ. Это означает, что установка в один и тот же кроссовер конденсаторов формально одинаковой емкости, но разного типа, действительно может создавать некоторые отличия в тональном балансе АС, однако эти отличия будут не более тех, что возникают из-за разброса параметров динамических головок одного типа или разброса характеристик других компонентов кроссовера, имеющих пяти- или десятипроцентный допуск на номинал. И даже если искушенному слушателю удастся уловить эту микроскопическую разницу в тональном балансе, то совсем не обязательно, что он предпочтет звучание дорогих ПП или МБ аудиоконденсаторов, а не дешевого ПЭТ, если не будет знать заранее, какой конденсатор установлен в кроссовере.

Влияние эффекта абсорбции заряда в конденсаторах на сигналы звуковых частот обычно сильно преувеличивают. Согласно отечественному стандарту измерение диэлектрической абсорбции производится после трехминутного пребывания конденсатора под напряжением неизменной величины и полярности, - в режиме, не имеющем ничего общего с работой конденсатора в кроссовере АС. При знакопеременном напряжении звуковой частоты абсорбция оказывается во много раз меньше величин, приводимых в соответствующих справочниках и указанных выше в табл.1. В частности, для ПЭТ конденсаторов диэлектрическая абсорбция за время равное 20мс составляет всего 0,1% [6], [7]. Согласно данным компании National Semiconductor [7], влияние абсорбции можно учесть введением в схему замещения конденсатора высокоомных RC -цепей. На рис. 2 показан пример такой эквивалентной схемы для ПЭТ конденсатора емкостью 1мкФ [7]. Эта схема замещения пригодна не только для широкого диапазона частот, но и в интеграторах и устройствах выборки-хранения АЦП – там, где важна задержка сигнала. Даже беглого взгляда на нее достаточно, чтобы понять, что влияние абсорбции в пленочных конденсаторах на АЧХ и ФЧХ кроссовера АС всегда пренебрежимо мало, а распространенное среди аудиофилов мнение о том, что будто бы повышенная (в сравнении с ПП) абсорбция ПЭТ конденсаторов ухудшает звук – аудиомиф.

Рис.2.

Вот и все объективные причины, по которым конденсаторы теоретически могли бы вносить дополнительные (т.е. не учитываемые при расчете) линейные искажения в звуковой сигнал. Их величина при использовании ПЭТ и МБ конденсаторов, не выходит за рамки отклонений из-за технологического разброса номиналов конденсаторов и других компонентов кроссовера. Следует особо подчеркнуть, что по уровню вносимых линейных искажений ПЭТ конденсаторы ничем не выделяются на фоне аудиоконденсаторов, занимая промежуточное положение между ПП и МБ.

Литература

1. http://www.salonav.com/arch/2006/11/088-089.html

2. http://www.humblehomemadehifi.com/Cap.html

3. http://www.zaphaudio.com/aboutme.html

4. Конденсаторы. Руководство по применению. ОСТ 11 0518-87.

5. Каталог компании Vishay «Film capacitors».

6. J. Curl, W. Jung «A real-time signal test for capacitor quality» The Audio Amateur 4/85, p.22-24

05.10.2008 - 24.11.2009