Физик объяснил любовь музыкантов к ламповым усилителям

Дэвид Кипортс из колледжа Миллса (США) экспериментально выяснил отличия звука перегруженных ламповых усилителей от звука полупроводниковых усилителей. Физик проверил устоявшееся мнение о том, что ламповые усилители вносят в основном четные гармоники в сигнал, а в полупроводниковых усилителях оказывается значимый вклад нечетных гармоник, вносящих диссонанс. Исследование опубликовано в журнале Physics Education.

Электронный усилитель — прибор, увеличивающий силу тока, попадающего в него. Это происходит благодаря использованию специальных устройств — например, транзисторов или вакуумных ламп. Они способны менять свою электропроводность под действием управляющего сигнала, в простейшем случае «включая» или «отключая» ток через себя. При этом управляющий сигнал может быть достаточно слабым, по сравнению с током через устройство. Таким образом можно из слабого сигнала с небольшими скачками напряжения получить переменный ток большой мощности, достаточный, например, для воспроизведения звука или срабатывания детектора. 

В случае звука, электронные усилители могут не только усиливать мощность входящего низкочастотного сигнала, но и добавлять к нему новые частоты — гармоники. Например, из сигнала частотой 200 герц после усиления может получиться набор сигналов с частотами 200, 400, 600 и 800 герц — добавляются вторая, третья и четвертая гармоники. Это происходит при «перегрузке» усилителя — использовании слишком мощного входного сигнала. Это влияет на качество получаемого звука. Среди музыкантов распространено мнение, что звук, получаемый усилителями на вакуумных лампах лучше, чем на полупроводниковых транзисторах. 

Кипортс проверил одно из предположений, связанное с тем, что в полупроводниковых транзисторах сильнее оказывается вклад нечетных гармоник. Для этого физик использовал коммерчески доступное оборудование — гибридный усилитель Bugera BC15, в котором есть ламповый предусилитель и транзисторный основной усилитель. Анализ звука ученый вел с помощью программы Logic Pro X. 

Оказалось, что перегруженный ламповый предусилитель добавлял в основном вторую и четвертую гармоники к входному сигналу. Ученый отмечает, что удваивание частоты нот в аккорде не добавляет к звучанию диссонанса — физик подробно разбирает в работе пример с аккордом Cmaj7. Утраивание частоты — в случае с третьими гармониками — наоборот, добавляет «диссонансную» ноту. Именно это и происходило при использовании перегруженного транзисторного усилителя, вклад третьей гармоники был больше, чем у четных гармоник. Физик отметил, что сильная перегрузка лампового усилителя также приводит к возникновению нечетных гармоник. 

Ранее мы сообщали и о других исследованиях музыки. Так, в 2015 году американские физики разработали алгоритм, позволяющий дорабатывать металлические предметы для звучания с заданной частотой и амплитудой — это позволило создать металлофон из фигурок в форме зверей. А коллектив математиков из Великобритании, проанализировав гармонию в американской музыке 1960-2010 годов, описал три «революции», произошедшие в ней.

Владимир Королёв