Hi-Fi БАЗАР

banner myhifi ads

Анкета
Какъв формат е музиката, която слушате?
Какъв формат е музиката, която слушате?
Трябва да изберете поне един отговор!

Електроинженерство и High-End

myhifi roger scoff

Roger Scoff

The Absolute Sound

 

Въпреки че сме свикнали да мислим, че науката за електричеството има дълга история, е факт, че това което познаваме като електроника, всъщност не съществува до 1877 г., когато Александър Бел и неговите партньори основават първата телефонна компания.

Да, вероятно всеки знае, че повече от век преди това, през 1752 г. Бен Франклин е издигнал хвърчило в гърмотевична бъря, за да докаже (всъщност няколко седмици след изпреварилия го френски експериментатор Томас-Франсоа Далибар), че светкавицата и електричеството са едно и  също нещо. Дори има хора, които вярват, че има доказателства отпреди две хилядолетия, че месопотамците и древните египтяни може би са имали галванични клетки (батерии). И даже има един източник (http://www.bibliotecapleyades.net/ciencia/ciencia_hitech02a.htm), който удостоверява, че „Артефактът Косо”, намерен в планините Косо в Калифорния през 1961 г. (който някои геолози датират въз основа на заобикалящите го слоеве от около 250000 до 500000 години пр.н.е.), може да е бил праисторически (даже преди хората) опит за конструиране на суперпроводник.

Дали тези екстремни предположения имат основание или не, няма съмнение, че електрическите експерименти датират най-малко от 699 преди Христа, когато Талес от Милет е писал как на кехлибара може да бъде даден (тогава той не е знаел какво е това) електрически заряд чрез триене. Почти сигурно е, че през 1600 г. английският учен Уилям Гилбърт изковал термина „електричество” от гръцката дума за кехлибар; че през 1729 г. Стивън Грей открил електропроводимостта и че само няколко години по-късно французинът ДюФе открил това, което по-късно Бенджамин Франклин (и други) отново нарекъл положителни и отрицателни електрически заряди. Всички тези неща, заедно с още куп велики открития на Волта, Ампер, Ом, Максуел, Фарадей са били направени през вековете. Така че как мога да кажа, че електрониката я е нямало преди това време, а се е появила чак по-късно, когато иззвънял първият телефон?

Просто е: до тогава – с много малки изключения – всеки, който е работил или теоретизирал за електричеството, е бил експериментатор, учен или случаен откривател, но не техник и не се е опитвал всъщност да направи нищо с него.

До телеграфа (първото му комерсиални приложение е през 1837 г.),  дори такива важни открития като Бурканът на Лайден (от 1745 г.), електрическият генератор и електромоторът (от различни изобретатели през 30-те години на 19 в.), не са били мотивирани от печалбата, а от любопитство. Всъщност никой не е използвал електричеството за нищо. Независимо от скъпоструващите, но пропаднали опити (като електрическия локомотив през 1851  г.), другото освен електричеството в телеграфа било теория и експерименти, а не използване или комерсиална разработка. Даже телеграфът имал съвсем просто приложение – само изпращане на правотокови импулси по линията, които да задвижат селеноид (вид електромагнит), така че да наричаме това „електроника” е разтягане на понятието отвъд границите му.

Лампата с нажежаема жичка на Едисон, когато се появява малко по-късно през 1879г.,  била друго приложение, което, както телеграфа, било със сигурност електрическо, но трудно може да се нарече електроника. Първоначално тя използвала изправено ниско напрежение Въпреки това при разпространението в града за правия ток представлявали проблем загубите от съпротивлението на линиите и скоро бил заменен от разработената от Тесла система на променливия ток, който чрез използване на много високо напрежение със слаб ток  (накрая преди дестинацията преобразуван от трансформатори в 240 волта и силен ток в трифазна система) позволявал да се разпространява по много дълги линии с много по-малки загуби от съпротивлението на проводниците.

Основните проблеми на електрическите мрежи и на телеграфа идвали от разстоянията, които електричеството трябва да измине, за да си функционира апаратурата. Очевидно те можели да достигнат – при междуконтиненталните телеграфни системи – хиляди километри и това можело да значи, независимо от дебелината на проводника, който се използва, твърде голямо съпротивление и съответно твърде големи загуби. За да работи електропреносната мрежа или телеграфът, докато електрическата система оставала с променлив ток, съпротивлението – плюс инцидентите с къси съединения, токови удари, отворени вериги или други повреди – били единствените електрически проблеми, които трябвало да се имат предвид и нито капацитивният, нито индуктивният реактивен импеданс били фактор.

В общи линии такъв бил случаят дори когато след конверсията на електрическата мрежа от променлив в прав ток заради много ниските работни  честоти (50 до 60Hz в зависимост от държавата), реактивният импеданс на елементите пак оставал без значение при много дълги разстояния.

При телеграфа всичко, което било пренасяно, били серии от импулси и прекъсвания (подобно на единиците и нулите в цифровия сигнал, но в напълно различен вид и контекст), за електропреносната мрежа (след преобразуване), това била просто постоянна нискочестотна синусоида, но с телефона всичко това се променило. За първи път от проводник с определена дължина се очаквало да пренася не само насечени сигнали или сравнително постоянно ниво от прав ток с постоянна честота, а глас или музика, които постоянно варират в амплитудите и покриват повече от три пълни октави от честотната лента!

Честотният обхват на тези първи телефони (грубо от 300Hz до 3.5kHz) бил огромно постижение за своето време (наистина фонографът, който се появил най-общо по същото време, имал подобна честотна лента, но помнете, че до 20-те години на ХХ век той въобще не е бил електрически, а разчитал на напълно механична енергия и за запис, и за възпроизвеждане).

Ако погледнем в перспектива, за да увеличим днес обхвата на модерен електронен продукт със същия брой октави, както телефонните компании го направили през XIX век, ще трябва да увеличим горния честотен обхват от 20kHz до 224kHz – повече, отколкото целия сегашен обхват и почти четвърт милион цикъла в секунда.

Увеличеният честотен обхват и другите подобрения донесли със себе си нов проблем: характеристичното съпротивление, например, което било едновременно непознато и напълно без значение преди телефонните компании да поемат комуникациите между съседите. Внезапно с новите по-високи честоти и факта, че сега дори най-късата телефонна линия вече била дълга километри, станало реален проблем, който (заради импедансните разминавания и сигналните отражения от дължините на вълните на сигнала и ограничената дължина на проводника) можел да причини прекъсвания, стоящи вълни и други значителни трансмисионни проблеми.

Резултатът бил, че телефонната компания – и по-специално лабораториите на Бел и тяхното производствено подразделение Western Electric – била принудена, заради собственото си оцеляване и за да продължи разрастването на националната телефонна мрежа, да изобрети това, което сега наричаме електроинженерство. Разчитайки на целия експериментален опит от миналото, въоръжено с нови знания на базата на съвременни проблеми и решения, върху които работели „телефонните” учени, електроинженерството било бързо прието от университетите и предлагано на будните студенти като възможност за бъдеща кариера – особено в онова бурно време на новоекипирани с ток и телефони домове и публика, дълбоко впечатлена от плодовете на науката и искаща да купува още такива неща.

Това, което университетите не споменавали, било, че новата „наука” не била някакво общо инженерно знание, придобито чрез божествено откровение или дошло от нищото, а родено от практиката на телефонните компании и доразвито, за да решава проблемите им.

Това означава следното: когато се говорило за проводници, ставало въпрос за дълги проводници.

Когато телефонната компания мисли за проводници, водещият факт е, че тя мисли най-малко за стотици метри, ако не и за стотици километри. Хай-енд аудио дизайнерите от друга страна – и аз искам да наблегна на думата „аудио” и да напомня на читателите, че става въпрос за честоти под радио честотите – мислят по-скоро за дължини от няколко сантиметра до няколко метра. За тях няколкостотин метра е толкова голямо количество, колкото било минимално за хората от телефонната компания в онези дни, когато електроинженерството още било в процес на формулиране. И може би това е източникът на проблемите.

Независимо какво може да сте чули, поне за някои неща размерът има значение. Това е защото при тези неща повече или по-малко от тях не е просто „повече или по-малко от същите неща”, а всъщност се получават качествено различни неща!

Диамантите например са добри за бижута или за рязане на стъкло, а в индустриални приложения – за рязане на почти всичко друго. Но когато диамантът не е камък, а тънко покритите, всъщност променя природата си в поне два важни аспекта: докато нормалният диамант е изключително твърд, както се вижда, при използването му от Dynavector като материал при някои от техните грамофонни дози, тънкият слой диамант е точно противоположното и демонстрира чудесна степен на гъвкавост. Също така докато нормално диамантите са добър (макар и скъп) електрически изолатор, тънък слой диамант може да бъде отличен електрически проводник и електроди, покрити с тънък слой диамант, стават все по-важни в много индустриални и медицински области.

Друг материал, който променя съществено характеристиките с размера си, е медният оксид (CuO). Ако някога сте виждали медна монета, която е намокрена и става зелена от окисляването, това, което се е случило е, че медта в тази монета, която нормално е най-добрият проводник след среброто, е образувала твърде ефективен изолиращ слой. Дебелият слой меден оксид е непроводящ и зеленясалите монети са добър изолатор. От друга страна, много тънки слоеве меден оксид, такива, каквито покриват всяка незащитена мед, която е изложена дори за кратко на атмосферата и които могат да бъдат намерени в съединенията между кристалите на медния проводник, не са изолатори, а полупроводници, цели  групи от малки диоди, които влияят на преминаването на сигнала по проводника (особено многожичните проводници, където електроните, търсещи винаги най-правия път, прескачат от жица в жица в снопа, преминавайки през два съвсем малки диода при всеки скок – а помните ли какво са диодите? Те вършат точно същият вид филтрация в жицата, както и в захранването на всеки електронен компонент). За жиците в хай-фай системата резултатът може да бъде чувствителна загуба на детайл.

Както всяко нещо проводниците (или кабелите, ако мислим не само за отделни проводници, а за интегрирани системи за пренасяне на сигнал) се различават значително при дълги и къси разстояния. Естествено с увеличаването на дължината се увеличават пропорционално тяхното съпротивление (R), капацитет (С), индуктивност (L), но същото прави (ето отново) проблемът с характеристичния импеданс. Това не е защото различните дължини на един и същ проводник имат различен характеристичен импеданс — всички дължини на един проводник имат абсолютно еднакъв характеристичен импеданс (за това се нарича характеристичен). Това е защото проблемните ефекти на характеристичния импеданс зависят от честотите, ставайки все по-важни, когато дължината на вълната на честотата достига, изравнява се и евентуално става по-малка от дължината на кабела.

Един пример, номиналната дължина на вълната на електрически сигнал от 20kHz, която за по-удобно да предположим, че ще бъде разпространяван в кабел със 100% от скоростта на светлината (300000 м/с) е 15000 м (300000 ÷ 20000 = 15000). Очевидно нито един аудио кабел не е даже близо до тази дължина в една хай-фай система, но 15000 метра (15 км) не е голяма работа за една телефонна линия. За честотните ограничения на най-ранните телефони (около 3.5 kHz) дължината е била 85.8 км, така че е лесно да видим защо когато системата се разраства, характеристичният импеданс става убийствен проблем за телефонните компании и критична задача за електроинженерите.

По стандартите на потребителска електроника за много високи честоти, като цифровия и видео сигнал, това може да бъде важно също. Даже къс кабел (един или два метра) може да бъде достатъчно дълъг относно дължината на вълната на сигнала, да предоставя условия за създаване на възли и анти-възли и така характеристичният импеданс да стане фактор. За аудио честотите, той не само не е фактор, но даже не служи за нищо. Говорителите например с много малко изключения (като определени планарно-магнитни колони, например тези на Magnepan) представляват много сложен товар за един усилвател с – независимо какъв номинален импеданс може да е посочен – импеданс, който се променя с честотите и обикновено силен импедансен пик във в резонансната честота на всеки говорител. Въпреки че някои компании рекламират колонни кабели, които съгласуват импедансите, такова нещо просто е невъзможно. Колоната няма импеданс, който може да се съгласува, а дори и да го имаше, изходният импеданс на усилвателя (който, за да се получи трансмисионна линия без загуби, също трябва да бъде съгласуван) все още ще бъде различен (и обикновено много по-нисък) от този на говорителя и съгласуването ще бъде невъзможно.

Относно интерконектите също, ако се използват с небалансирани линии (RCA конектори), съгласуването на аудиочестотония импеданс също не е възможно. Небалансираните аудио вериги обикновено са натоварени, което означава че ниския импеданс на източника (обикнковено в рамките на 50 до 250 ома) е свързан с висок импеданс (обикновено 7-10 килоома за стандартните стъпала и 47-100 килоома за фоно усилвателите), така че няма нищо за съгласуване.

Там, където се използва съгласуване на импеданса на аудио честотите, са балансираните линии (XLR конекторите), които се използват за микрофони, професионални системи или хай-енд оборудване. Оригиналният 600-омов стандарт е дошъл (изненада!) от телефонните компании, но когато се появило радиото и започнало (защото само това било налично) с оборудването на телефонните компании, той станал също и радио стандарт. Същото нещо станало, когато с настъпването на аудио записите, записващите студия използвали оборудването на радиостанциите (пак единственото, което било на разположение) и 600-омовите им балансирани връзки. Радиото имало радиочестоти, за да оправдае съгласуването на импеданса, но за звукозаписната индустрия и хай-енд аудиото изборът на балансирани (диференциални) връзки не бил направен заради загриженост за характеристичния импеданс, а за подобрено съотношение сигнал/шум. Поради това, че двете страни на една балансирана или диференциална система работят противофазно една спрямо друга (няма определна фаза и нула, двете страни сменят поляритета си със сигнала, всяка изпълнявайки ролята на нула за другата) има два пъти повече ток и два пъти повече напрежение. Това резултира в 6db подобрение на съотношението сигнал/шум, което може да бъде увеличено в среда с високо (електрическо) замърсяване от вродената способност на балансираните вериги да елиминират външния шум. Това прави балансираните връзки идеален избор за хай-енд аудио.

Когато проблемите на много дългите разстояния и характеристичния импеданс нямат смисъл, други аспекти на проводниците и кабелите добиват значение, каквото телефонните компании никога не са имали предвид. Късите (относително) кабели, използвани в хай-енд аудиото отиват по-далеч от капацитета, съпротивлението и индуктивността си. Трябва да се вгледаме по-отблизо в чистотата на метала (със специално внимание върху мини-диодите на медния оксид), реалната дължина на  отделните метални кристали на проводника (по-дългите са по-добри), масата и покритието на конекторите (по-малката маса е по-добра, златото е по-добро от среброто за аудио, но среброто е по-добро от златото за радиочестоти и по-нагоре, всички аспекти на диелектрика на кабела може да допринесат за деградацията на предавания сигнал заради капацитивното разреждане и други ефекти, и всякакви други неща, които телефонните компании никога не са имали предвид в миналото, но сега, вероятно парадоксално, модерните електроинженери са били принудени да научат, когато сигналните честоти – сега в гигахерцовия обхват за някои военни, комуникационни и компютърни приложения – ги карат да изучават неща, които дизайнерите на хай-фай кабели знаят от години.