Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) ​

Ирина Алдошина​

Все электроакустические преобразователи (громкоговорители, микрофоны, телефоны и др.), а также каналы передачи вносят свои искажения в передаваемый звуковой сигнал, то есть воспринимаемый звуковой сигнал всегда не идентичен оригиналу. Идеология создания звуковой аппаратуры, получившая в 60-е годы название High-Fidelity, «высокой верности» живому звуку, в значительной степени не достигла своей цели. В те годы уровни искажений звукового сигнала в аппаратуре были еще очень высокими, и казалось, что достаточно их снизить - и звук, воспроизведенный через аппаратуру, будет практически неотличим от исходного.

Однако, несмотря на успехи в конструировании и развитии технологии, которые привели к значительному снижению уровней всех видов искажений в аудиоаппаратуре, по-прежнему не составляет особого труда отличить натуральный звук от воспроизведенного. Именно поэтому в настоящее время в различных странах в научно-исследовательских институтах, университетах и фирмах-производителях в большом объеме проводятся работы по изучению слухового восприятия и субъективной оценки различных видов искажений. По результатам этих исследований публикуется множество научных статей и докладов. Практически на всех конгрессах AES представляются доклады по этой теме. Некоторые современные результаты, полученные за последние два-три года, по проблемам субъективного восприятия и оценке нелинейных искажений звукового сигнала в аудиоаппаратуре и будут представлены в данной статье.

При записи, передаче и воспроизведении музыкальных и речевых сигналов через аудиоаппаратуру возникают искажения временной структуры сигнала, которые могут быть разделены на линейные и нелинейные.

Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами входного сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такого рода искажения субъективно воспринимаются, как искажения тембра сигнала, и поэтому проблемам их снижения и субъективным оценкам их уровня уделялось очень много внимания со стороны специалистов на протяжении всего периода развития звукотехники.

Требование к отсутствию линейных искажений сигнала в аудиоаппаратуре может быть записано в форме:

Y(t) = K·x(t - T), где x(t) - входной сигнал, y(t) - выходной сигнал.

Это условие допускает только изменение сигнала в масштабе с коэффициентом К и его сдвиг во времени на величину Т. Оно определяет линейную связь между входным и выходным сигналами и приводит к требованию, чтобы передаточная функция H(ω), под которой понимается частотно-зависимое отношение комплексных амплитуд сигнала на выходе и на входе системы при гармонических воздействиях, была постоянная по модулю и имела линейную зависимость аргумента (то есть фазы) от частоты | H(ω) | = К, φ(ω) = -T·ω. Поскольку функция 20·lg | H(ω) | называется амплитудно-частотной характеристикой системы (АЧХ), а φ(ω) - фазо-частотной характеристикой (ФЧХ), то обеспечение постоянного уровня АЧХ в воспроизводимом диапазоне частот (снижение ее неравномерности) в микрофонах, акустических системах и др. является главным требованием для улучшения их качества. Методы их измерений введены во все международные стандарты, например, IEC268-5. Пример АЧХ современного контрольного агрегата фирмы Marantz с неравномерностью 2 дБ показан на рисунке 1.

АЧХ контрольного монитора фирмы Marantz

Следует отметить, что такое снижение величины неравномерности АЧХ является огромным достижением в конструировании аудиоаппаратуры (например, контрольные мониторы, представленные на выставке в Брюсселе в 1956 году, имели неравномерность 15 дБ), которое стало возможным в результате применения новых технологий, материалов и методов проектирования.

Влияние неравномерностей АЧХ (и ФЧХ) на субъективно воспринимаемое искажение тембра звучания достаточно детально исследовано. Обзор основных полученных результатов постараемся сделать в дальнейшем.

Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре сигнала новых составляющих, отсутствующих в первоначальном сигнале, количество и амплитуды которых зависят от изменения входного уровня. Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, то есть нелинейностью передаточной функции. Примеры такой зависимости показаны на рисунке 2.

Различные типы нелинейных передаточных функций в аппаратуре

Причиной нелинейности могут являться конструктивные и технологические особенности электроакустических преобразователей.

Например, в электродинамических громкоговорителях (рисунок 3) к числу основных причин относятся:

Конструкция электродинамического громкоговорителя

Нелинейные упругие характеристики подвеса и центрирующей шайбы (пример зависимости гибкости подвесов в громкоговорителе от величины смещения звуковой катушки показан на рисунке 4);

Зависимость гибкости подвеса от величины смещения звуковой катушки

Нелинейная зависимость смещения звуковой катушки от величины приложенного напряжения из-за взаимодействия катушки с магнитным полем и из-за тепловых процессов в громкоговорителях;
- нелинейные колебания диафрагмы при большой величине воздействующей силы;
- колебания стенок корпуса;
- эффект Доплера при взаимодействии различных излучателей в акустической системе.
Нелинейные искажения возникают практически во всех элементах звукового тракта: микрофонах, усилителях, кроссоверах, процессорах эффектов и т. д.
Представленная на рисунке 2 зависимость между входным и выходным сигналами (например, между приложенным напряжением и звуковым давлением для громкоговорителя) может быть аппроксимирована в виде полинома:
y(t) = h1·x(t) + h2·x2(t) + h3·x3(t) + h4·x4(t) + … (1).
Если на такую нелинейную систему подать гармонический сигнал, т. е. x(t) = A·sin ωt, то в выходном сигнале будут присутствовать компоненты с частотами ω, 2ω, 3ω, …, nω и т. д. Например, если ограничиться только квадратичным членом, то появятся вторые гармоники, т. к.
y(t) = h1·A·sin ωt + h2·(A sin ωt)² = h1·A·sin ωt + 0,5·h2·А²·sin 2ωt + const.
В реальных преобразователях при подаче гармонического сигнала могут появиться гармоники второго, третьего и более высоких порядков, а также субгармоники (1/n)·ω (рисунок 5).

Для измерения такого вида искажений наиболее широкое распространение получили методы измерений уровня дополнительных гармоник в выходном сигнале (обычно только второй и третьей).
В соответствии с международными и отечественными стандартами производится запись АЧХ второй и третьей гармоники в заглушенных камерах и измеряется коэффициент гармонических искажений n-порядка:
KГn = pfn / pср·100%
где pfn-- среднеквадратичное значение звукового давления, соответствующее n-гармонической составляющей. По нему рассчитывается общий коэффициент гармонических искажений:
Кг = (KГ2² + KГ3² +KГ4² +KГ5² + ...)1/2
Например, в соответствии с требованиями МЭК 581-7, для акустических систем класса Hi-Fi полный коэффициент гармонических искажений не должен превышать 2% в диапазоне частот 250…1000 Гц и 1% в диапазоне свыше 2000 Гц. Пример зависимости коэффициента гармонических искажений для низкочастотного громкоговорителя диаметром 300 мм (12") от частоты для разных значений входного напряжения, меняющегося от 10 до 32 В, показан на рисунке 6.

Зависимость КНИ от частоты для разных значений входного напряжения

Следует отметить, что слуховая система чрезвычайно чувствительна к наличию нелинейных искажений в акустических преобразователях. «Заметность» гармонических составляющих зависит от их порядка, в частности, к нечетным составляющим слух наиболее чувствителен. При многократном прослушивании восприятие нелинейных искажений обостряется, особенно при прослушивании отдельных музыкальных инструментов. Частотная область максимальной чувствительности слуха к этим видам искажений находится в пределах 1…2 кГц, где порог чувствительности составляет 1…2%.
Однако такой метод оценки нелинейности не позволяет учесть все виды нелинейных продуктов, возникающих в процессе преобразования реального звукового сигнала. В результате может быть ситуация, когда акустическая система с КНИ в 10% может субъективно оцениваться выше по качеству звучания, чем система с КНИ в 1%, из-за влияния высших гармоник.
Поэтому поиски других способов оценки нелинейных искажений и их корреляции с субъективными оценками все время продолжаются. Особенно актуально это в настоящее время, когда уровни нелинейных искажений значительно снизились и для дальнейшего их снижения необходимо знание реальных порогов слышимости, поскольку уменьшение нелинейных искажений в аппаратуре требует значительных экономических затрат.
Наряду с измерениями гармонических составляющих в практике проектирования и оценки электроакустической аппаратуры используются методы измерений интермодуляционных искажений. Методика измерений представлена ГОСТ 16122-88 и МЭК 268-5 и основана на подведении к излучателю двух синусоидальных сигналов с частотами f1 и f2, где f1 < 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Суммарный коэффициент интермодуляционных искажений определяется в этом случае как:
Ким = (ΣnКимn²)1/2
где Ким = / pcp.
Причиной возникновения интермодуляционных искажений служит нелинейная связь между выходным и входным сигналами, т. е. нелинейная передаточная характеристика. Если на вход такой системы подать два гармонических сигнала, то в выходном сигнале будут содержаться гармоники высших порядков и суммарно-разностные тоны различных порядков.
Вид выходного сигнала с учетом нелинейностей более высоких порядков показан на рисунке 5.

Продукты нелинейных искажений в громкоговорителях

Характеристики зависимости коэффициента интермодуляционных искажений от частоты для низкочастотного громкоговорителя со звуковыми катушками различной длины показаны на рисунке 7 (а - для более длинной катушки, б - для более короткой).

Зависимость коэффициента интермодуляционных искажений (IMD) от частоты для громкоговорителя с длинной (а) и короткой (б) катушкой

Как сказано выше, в соответствии с международными стандартами в аппаратуре измеряются только коэффициенты интермодуляционных искажений второго и третьего порядков. Измерения интермодуляционных искажений могут быть информативнее, чем гармонические, поскольку являются более чувствительным критерием нелинейности. Однако, как показали эксперименты, выполненные в работах Р. Геддса (доклад на 115 конгрессе AES в Нью-Йорке), четкой корреляции между субъективными оценками качества акустических преобразователей и уровнем интермодуляционных искажений установить не удалось - слишком большой разброс в полученных результатах (как видно из рисунка 8).

Связь субъективных оценок с величиной коэффициента интермодуляционных искажений (IMD)

В качестве нового критерия для оценки нелинейных искажений в электроакустической аппаратуре был предложен многотоновый метод, история и способы применения которого детально исследованы в работах А. Г. Войшвилло и др. (имеются статьи в JAES и доклады на конгрессах AES). В этом случае в качестве входного сигнала используется набор гармоник от 2-й до 20-й с произвольным распределением амплитуд и логарифмическим распределением частот в диапазоне от 1 до 10 кГц. Распределение фаз гармоник оптимизируется с целью минимизации пик-фактора многотонового сигнала. Общий вид входного сигнала и его временная структура показаны на рисунках 9а и 9б.

Спектральный (а) и временной (б) вид многотонового сигнала

В выходном сигнале выделяются гармонические и интермодуляционные искажения всех порядков. Пример таких искажений для громкоговорителя показан на рисунке 10.

Общие продукты нелинейных искажений при применении многотонового сигнала

Многотоновый сигнал по своей структуре гораздо ближе к реальным музыкальным и речевым сигналам, он позволяет выделить значительно больше различных продуктов нелинейных искажений (в первую очередь интермодуляционных) и лучше коррелирует с субъективными оценками качества звучания акустических систем. С увеличением числа составляющих гармоник данный метод позволяет получить все более детальную информацию, но при этом увеличиваются вычислительные затраты. Применение этого метода требует дальнейших исследований, в частности разработки критериев и допустимых норм на выделенные продукты нелинейных искажений с позиций их субъективных оценок.
Для оценки нелинейных искажений в акустических преобразователях используются и другие методы, например ряды Вольтера.
Однако все они не обеспечивают четкой связи между оценкой качества звучания преобразователей (микрофонов, громкоговорителей, акустических систем и др.) и уровнем нелинейных искажений в них, измеренных любыми из известных объективных методов. Поэтому представляет значительный интерес новый психоакустический критерий, предложенный в докладе Р. Геддса на последнем конгрессе AES. Он исходил из соображений, что любой параметр можно оценивать в объективных единицах, а можно и по субъективным критериям, например, температуру можно измерить в градусах, а можно в ощущениях: холодно, тепло, жарко. Громкость звука можно оценить по уровню звукового давления в дБ, а можно - в субъективных единицах: фон, сон. Поиск аналогичных критериев для нелинейных искажений и был целью его работы.
Как известно из психоакустики, слуховой аппарат является принципиально нелинейной системой, причем его нелинейность проявляется как на больших, так и на малых уровнях сигнала. Причинами нелинейности служат гидродинамические процессы в улитке уха, а также нелинейная компрессия сигнала за счет специального механизма удлинения внешних волосковых клеток. Это приводит к появлению субъективных гармоник и комбинационных тонов при прослушивании гармонических или суммарных гармонических сигналов, уровень которых может достигать 15…20% от уровня входного сигнала. Поэтому анализ восприятия продуктов нелинейных искажений, создаваемых в электроакустических преобразователях и каналах передачи, в такой сложной нелинейной системе, как слуховой аппарат, является серьезной проблемой.
Другое принципиально важное свойство слуховой системы - это эффект маскировки, заключающийся в изменении порогов слуха к одному сигналу в присутствии другого (маскера). Это свойство слуховой системы широко используется в современных системах сжатия звуковой информации при ее передаче по различным каналам (стандарты MPEG). Успехи, достигнутые в уменьшении объемов передаваемой информации за счет сжатия с использованием свойств слуховой маскировки, заставляют предположить, что эти эффекты имеют огромное значение также для восприятия и оценки нелинейных искажений.
Установленные законы слуховой маскировки позволяют утверждать, что:
- маскировка высокочастотных составляющих (находящихся выше частоты сигнала-маскера) происходит значительно сильнее, чем в сторону низких частот;
- маскировка сильнее проявляется для ближайших частот (локальный эффект, рисунок 11);
- с увеличением уровня сигнала-маскера зона его воздействия расширяется, она становится все более асимметричной, происходит ее сдвиг в сторону высоких частот.

Отсюда можно предположить, что при анализе нелинейных искажений в слуховой системе соблюдаются следующие правила:
- продукты нелинейных искажений выше основной частоты менее важны для восприятия (они лучше маскируются), чем низкочастотные компоненты;
- чем ближе к основному тону располагаются продукты нелинейных искажений, тем больше вероятность, что они станут незаметными и не будут иметь субъективного значения;
- дополнительные нелинейные компоненты, возникающие за счет нелинейности, могут быть гораздо важнее для восприятия при низких уровнях сигнала, чем при высоких. Это показано на рисунке 11.

Эффекты маскировки

Действительно, с повышением уровня основного сигнала зона его маскировки расширяется, и все больше продуктов искажений (гармоник, суммарных и разностных искажений и др.) попадает в нее. При низких уровнях эта зона ограничена, поэтому продукты искажений высоких порядков будут более слышимы.
При измерениях нелинейных продуктов на чистом тоне в преобразователях возникают, в основном, гармоники с частотой выше основного сигнала n f. Однако в громкоговорителях могут возникать и низкие гармоники с частотами (1/n)·f. При измерениях интермодуляционных искажений (как с помощью двух сигналов, так и с помощью многотоновых сигналов) возникают продукты искажений суммарно-разностные - как выше, так и ниже основных сигналов m·f1 ± n·f2.
Учитывая перечисленные свойства слуховой маскировки, можно сделать следующие выводы: продукты нелинейных искажений более высоких порядков могут быть более слышимы, чем продукты более низких порядков. Например, практика проектирования громкоговорителей показывает, что гармоники с номерами выше пятой, воспринимаются на слух гораздо неприятнее, чем вторая и третья, даже если их уровни гораздо меньше, чем у первых двух гармоник. Обычно их появление воспринимается как дребезжание и приводит к отбраковке громкоговорителей в производстве. Появление субгармоник с половинной и ниже частотами также сразу замечается слуховой системой как призвук, даже на очень малых уровнях.
Если порядок нелинейности низкий, то с увеличением уровня входного сигнала дополнительные гармоники могут быть замаскированы в слуховой системе и не восприниматься как искажения, что подтверждается практикой проектирования электроакустических преобразователей. Акустические системы с уровнем нелинейных искажений 2% могут достаточно высоко оцениваться слушателями. В то же время хорошие усилители должны иметь уровень искажений 0,01% и ниже, что, по-видимому, связано с тем, что акустические системы создают продукты искажений низких порядков, а усилители - гораздо более высоких.
Продукты нелинейных искажений, которые возникают на низких уровнях сигнала, могут быть гораздо более слышимыми, чем на высоких уровнях. Это, казалось бы, парадоксальное утверждение также может иметь значение для практики, поскольку нелинейные искажения в электроакустических преобразователях и трактах могут возникать и при малых уровнях сигналов.
Исходя из вышесказанных соображений, Р. Геддс предложил новый психоакустический критерий для оценки нелинейных искажений, который должен был удовлетворять следующим требованиям: быть чувствительнее к искажениям более высокого порядка и иметь большее значение для низких уровней сигнала.
Проблема состояла в том, чтобы показать, что этот критерий больше соответствует субъективному восприятию нелинейных искажений, чем принятые в настоящее время методы оценок: коэффициент нелинейных искажений и коэффициент интермодуляционных искажений на двухтоновом или многотоновом сигналах.
С этой целью была проведена серия субъективных экспертиз, организованная следующим образом: тридцать четыре эксперта с проверенными порогами слуха (средний возраст 21 год) участвовали в большой серии экспериментов по оценке качества звучания музыкальных отрывков (например, мужской вокал с симфонической музыкой), в которые были введены различные виды нелинейных искажений. Выполнено это было путем «свертки» испытываемого сигнала с нелинейными передаточными функциями, свойственными преобразователям различных типов (громкоговорителям, микрофонам, стереотелефонам и др.).
Вначале в качестве стимулов были использованы синусоидальные сигналы, выполнена их «свертка» с различными передаточными функциями и определен коэффициент гармонических искажений. Затем были использованы два синусоидальных сигнала и рассчитаны коэффициенты интермодуляционных искажений. Наконец, прямо по заданным передаточным функциям был определен вновь предложенный коэффициент Gm. Расхождения оказались очень значительными: например, для одной и той же передаточной функции КНИ равен 1%, Ким - 2,1%, Gm - 10,4%. Такое различие физически объяснимо, так как Ким и Gm учитывают гораздо больше продуктов нелинейных искажений высоких порядков.
Слуховые эксперименты были выполнены на стереотелефонах с диапазоном 20 Гц…16 кГц, чувствительностью 108 дБ, макс. SPL 122 дБ. Субъективная оценка ставилась по семибальной шкале для каждого музыкального фрагмента, от «много лучше», чем опорный фрагмент (т. е. музыкальный отрывок, «свернутый» с линейной передаточной функцией), до «много хуже». Статистическая обработка результатов слуховой оценки позволила установить достаточно высокий коэффициент корреляции между средними значениями субъективных оценок и значением коэффициента Gm, который оказался равным 0,68. В тоже время для КНИ он составлял 0,42, а для Ким - 0,34 (для данной серии экспериментов).
Таким образом, связь предложенного критерия с субъективными оценками качества звучания оказалась существенно выше, чем у других коэффициентов (рисунок 12).

Связь коэффициента Gm с субъективными оценками

Результаты экспериментов показали также, что электроакустический преобразователь, у которого Gm меньше 1%, может считаться вполне удовлетворительным по качеству звучания в том смысле, что нелинейные искажения в нем практически неслышимы.
Разумеется, этих результатов еще недостаточно, чтобы заменить предложенным критерием имеющиеся в стандартах параметры, такие как коэффициент гармонических искажений и коэффициент интермодуляционных искажений, однако если результаты подтвердятся при дальнейших экспериментах, то, возможно, именно так и произойдет.
Поиски других новых критериев также активно продолжаются, поскольку несоответствие имеющихся параметров (особенно коэффициента гармонических искажений, оценивающего только две первые гармоники) субъективно воспринимаемому качеству звучания становится все более очевидным по мере улучшения общего качества аудиоаппаратуры.
По-видимому, дальнейшие пути решения этой проблемы пойдут в направлении создания компьютерных моделей слуховой системы, с учетом нелинейных процессов и эффектов маскировки в ней. В этой области работает Институт коммуникационной акустики в Германии под руководством Д. Блауэрта, о котором уже было написано в статье, посвященной 114 конгрессу AES. С помощью этих моделей можно будет оценивать слышимость различных видов нелинейных искажений в реальных музыкальных и речевых сигналах. Однако, пока они еще не созданы, оценки нелинейных искажений в аппаратуре будут производиться с помощью упрощенных методов, максимально приближенных к реальным слуховым процессам.

Все электроакустические преобразователи (громкоговорители, микрофоны, телефоны и др.), а также каналы передачи вносят свои искажения в передаваемый звуковой сигнал, то есть воспринимаемый звуковой сигнал всегда не идентичен оригиналу. Идеология создания звуковой аппаратуры, получившая в 60-е годы название High-Fidelity, «высокой верности» живому звуку, в значительной степени не достигла своей цели. В те годы уровни искажений звукового сигнала в аппаратуре были еще очень высокими, и казалось, что достаточно их снизить — и звук, воспроизведенный через аппаратуру, будет практически неотличим от исходного.

Однако, несмотря на успехи в конструировании и развитии технологии, которые привели к значительному снижению уровней всех видов искажений в аудиоаппаратуре, по-прежнему не составляет особого труда отличить натуральный звук от воспроизведенного. Именно поэтому в настоящее время в различных странах в научно-исследовательских институтах, университетах и фирмах-производителях в большом объеме проводятся работы по изучению слухового восприятия и субъективной оценки различных видов искажений. По результатам этих исследований публикуется множество научных статей и докладов. Практически на всех конгрессах AES представляются доклады по этой теме. Некоторые современные результаты, полученные за последние два-три года, по проблемам субъективного восприятия и оценке нелинейных искажений звукового сигнала в аудиоаппаратуре и будут представлены в данной статье.

При записи, передаче и воспроизведении музыкальных и речевых сигналов через аудиоаппаратуру возникают искажения временной структуры сигнала, которые могут быть разделены на линейные и нелинейные.

Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами входного сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такого рода искажения субъективно воспринимаются, как искажения тембра сигнала, и поэтому проблемам их снижения и субъективным оценкам их уровня уделялось очень много внимания со стороны специалистов на протяжении всего периода развития звукотехники.

Требование к отсутствию линейных искажений сигнала в аудиоаппаратуре может быть записано в форме:

y(t) = K·x(t - T), где x(t) — входной сигнал, y(t) — выходной сигнал.

Это условие допускает только изменение сигнала в масштабе с коэффициентом К и его сдвиг во времени на величину Т. Оно определяет линейную связь между входным и выходным сигналами и приводит к требованию, чтобы передаточная функция H(ω), под которой понимается частотно-зависимое отношение комплексных амплитуд сигнала на выходе и на входе системы при гармонических воздействиях, была постоянная по модулю и имела линейную зависимость аргумента (то есть фазы) от частоты | H(ω) | = К, φ(ω) = -T·ω. Поскольку функция 20·lg | H(ω) | называется амплитудно-частотной характеристикой системы (АЧХ), а φ(ω) — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ), то обеспечение постоянного уровня АЧХ в воспроизводимом диапазоне частот (снижение ее неравномерности) в микрофонах, акустических системах и др. является главным требованием для улучшения их качества. Методы их измерений введены во все международные стандарты, например, IEC268-5. Пример АЧХ современного контрольного монитора фирмы Marantz с неравномерностью 2 дБ показан на рисунке 1.

Рис. 1. АЧХ контрольного монитора фирмы Marantz

Следует отметить, что такое снижение величины неравномерности АЧХ является огромным достижением в конструировании аудиоаппаратуры (например, контрольные мониторы, представленные на выставке в Брюсселе в 1956 году, имели неравномерность 15 дБ), которое стало возможным в результате применения новых технологий, материалов и методов проектирования.

Влияние неравномерностей АЧХ (и ФЧХ) на субъективно воспринимаемое искажение тембра звучания достаточно детально исследовано. Обзор основных полученных результатов постараемся сделать в дальнейшем.

Рис. 2. Различные типы нелинейных передаточных функций в аппаратуре

Рис. 3. Конструкция электродинамического громкоговорителя

Рис. 4. Зависимость гибкости подвеса от величины смещения звуковой катушки

Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре сигнала новых составляющих, отсутствующих в первоначальном сигнале, количество и амплитуды которых зависят от изменения входного уровня. Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, то есть нелинейностью передаточной функции. Примеры такой зависимости показаны на рисунке 2. Причиной нелинейности могут являться конструктивные и технологические особенности электроакустических преобразователей.

Например, в электродинамических громкоговорителях (рисунок 3) к числу основных причин относятся:

• нелинейные упругие характеристики подвеса и центрирующей шайбы (пример зависимости гибкости подвесов в громкоговорителе от величины смещения звуковой катушки показан на рисунке 4);
• нелинейная зависимость смещения звуковой катушки от величины приложенного напряжения из-за взаимодействия катушки с магнитным полем и из-за тепловых процессов в громкоговорителях;
• нелинейные колебания диафрагмы при большой величине воздействующей силы;
• колебания стенок корпуса;
• эффект Доплера при взаимодействии различных излучателей в акустической системе.

Нелинейные искажения возникают практически во всех элементах звукового тракта: микрофонах, усилителях, кроссоверах, процессорах эффектов и т. д.

Представленная на рисунке 2 зависимость между входным и выходным сигналами (например, между приложенным напряжением и звуковым давлением для громкоговорителя) может быть аппроксимирована в виде полинома:

y(t) = h 1 ·x(t) + h 2 ·x 2 (t) + h 3 ·x 3 (t) + h 4 ·x 4 (t) + … (1).

Если на такую нелинейную систему подать гармонический сигнал, т. е. x(t) = A·sin ωt, то в выходном сигнале будут присутствовать компоненты с частотами ω, 2ω, 3ω, …, nω и т. д. Например, если ограничиться только квадратичным членом, то появятся вторые гармоники, т. к.

y(t) = h 1 ·A·sin ωt + h 2 ·(A sin ωt)² = h 1 ·A·sin ωt + 0,5·h 2 ·А²·sin 2ωt + const.

В реальных преобразователях при подаче гармонического сигнала могут появиться гармоники второго, третьего и более высоких порядков, а также субгармоники (1/n)·ω (рисунок 5). Для измерения такого вида искажений наиболее широкое распространение получили методы измерений уровня дополнительных гармоник в выходном сигнале (обычно только второй и третьей).

Рис. 5. Продукты нелинейных искажений в громкоговорителях

В соответствии с международными и отечественными стандартами производится запись АЧХ второй и третьей гармоники в заглушенных камерах и измеряется коэффициент гармонических искажений n-порядка:

K Гn = p fn / p ср ·100%

где p fn —- среднеквадратичное значение звукового давления, соответствующее n-гармонической составляющей. По нему рассчитывается общий коэффициент гармонических искажений:

К г = (K Г2 ² + K Г3 ² +K Г4 ² +K Г5 ² + ...) 1/2

Рис. 6. Зависимость КНИ от частоты для разных значений входного напряжения

Например, в соответствии с требованиями МЭК 581-7, для акустических систем класса Hi-Fi полный коэффициент гармонических искажений не должен превышать 2% в диапазоне частот 250…1000 Гц и 1% в диапазоне свыше 2000 Гц. Пример зависимости коэффициента гармонических искажений для низкочастотного громкоговорителя диаметром 300 мм (12") от частоты для разных значений входного напряжения, меняющегося от 10 до 32 В, показан на рисунке 6.

Следует отметить, что слуховая система чрезвычайно чувствительна к наличию нелинейных искажений в акустических преобразователях. «Заметность» гармонических составляющих зависит от их порядка, в частности, к нечетным составляющим слух наиболее чувствителен. При многократном прослушивании восприятие нелинейных искажений обостряется, особенно при прослушивании отдельных музыкальных инструментов. Частотная область максимальной чувствительности слуха к этим видам искажений находится в пределах 1…2 кГц, где порог чувствительности составляет 1…2%.

Однако такой метод оценки нелинейности не позволяет учесть все виды нелинейных продуктов, возникающих в процессе преобразования реального звукового сигнала. В результате может быть ситуация, когда акустическая система с КНИ в 10% может субъективно оцениваться выше по качеству звучания, чем система с КНИ в 1%, из-за влияния высших гармоник.

Поэтому поиски других способов оценки нелинейных искажений и их корреляции с субъективными оценками все время продолжаются. Особенно актуально это в настоящее время, когда уровни нелинейных искажений значительно снизились и для дальнейшего их снижения необходимо знание реальных порогов слышимости, поскольку уменьшение нелинейных искажений в аппаратуре требует значительных экономических затрат.

Наряду с измерениями гармонических составляющих в практике проектирования и оценки электроакустической аппаратуры используются методы измерений интермодуляционных искажений. Методика измерений представлена ГОСТ 16122-88 и МЭК 268-5 и основана на подведении к излучателю двух синусоидальных сигналов с частотами f 1 и f 2 , где f 1 < 1/8·f 2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f 2 ± (n - 1)·f 1 , где n = 2, 3.

Суммарный коэффициент интермодуляционных искажений определяется в этом случае как:

Рис. 7. Зависимость коэффициента интермодуляционных искажений (IMD) от частоты для громкоговорителя с длинной (а) и короткой (б) катушкой

Рис. 8. Связь субъективных оценок с величиной коэффициента интермодуляционных искажений (IMD)

К им = (Σ n К имn ²) 1/2

где К им = / p cp .

Причиной возникновения интермодуляционных искажений служит нелинейная связь между выходным и входным сигналами, т. е. нелинейная передаточная характеристика. Если на вход такой системы подать два гармонических сигнала, то в выходном сигнале будут содержаться гармоники высших порядков и суммарно-разностные тоны различных порядков.

Вид выходного сигнала с учетом нелинейностей более высоких порядков показан на рисунке 5. Характеристики зависимости коэффициента интермодуляционных искажений от частоты для низкочастотного громкоговорителя со звуковыми катушками различной длины показаны на рисунке 7 (а — для более длинной катушки, б — для более короткой).

Как сказано выше, в соответствии с международными стандартами в аппаратуре измеряются только коэффициенты интермодуляционных искажений второго и третьего порядков. Измерения интермодуляционных искажений могут быть информативнее, чем гармонические, поскольку являются более чувствительным критерием нелинейности. Однако, как показали эксперименты, выполненные в работах Р. Геддса, четкой корреляции между субъективными оценками качества акустических преобразователей и уровнем интермодуляционных искажений установить не удалось — слишком большой разброс в полученных результатах (как видно из рисунка 8).

Рис. 9. Спектральный (а) и временной (б) вид многотонового сигнала

Рис. 10. Общие продукты нелинейных искажений при применении многотонового сигнала

В качестве нового критерия для оценки нелинейных искажений в электроакустической аппаратуре был предложен многотоновый метод, история и способы применения которого детально исследованы в работах А. Г. Войшвилло и др. (имеются статьи в JAES и доклады на конгрессах AES). В этом случае в качестве входного сигнала используется набор гармоник от 2-й до 20-й с произвольным распределением амплитуд и логарифмическим распределением частот в диапазоне от 1 до 10 кГц. Распределение фаз гармоник оптимизируется с целью минимизации пик-фактора многотонового сигнала. Общий вид входного сигнала и его временная структура показаны на рисунках 9а и 9б.

В выходном сигнале выделяются гармонические и интермодуляционные искажения всех порядков. Пример таких искажений для громкоговорителя показан на рисунке 10. Многотоновый сигнал по своей структуре гораздо ближе к реальным музыкальным и речевым сигналам, он позволяет выделить значительно больше различных продуктов нелинейных искажений (в первую очередь интермодуляционных) и лучше коррелирует с субъективными оценками качества звучания акустических систем. С увеличением числа составляющих гармоник данный метод позволяет получить все более детальную информацию, но при этом увеличиваются вычислительные затраты. Применение этого метода требует дальнейших исследований, в частности разработки критериев и допустимых норм на выделенные продукты нелинейных искажений с позиций их субъективных оценок.

Для оценки нелинейных искажений в акустических преобразователях используются и другие методы, например ряды Вольтера.

Однако все они не обеспечивают четкой связи между оценкой качества звучания преобразователей (микрофонов, громкоговорителей, акустических систем и др.) и уровнем нелинейных искажений в них, измеренных любыми из известных объективных методов. Поэтому представляет значительный интерес новый психоакустический критерий, предложенный в докладе Р. Геддса на последнем конгрессе AES. Он исходил из соображений, что любой параметр можно оценивать в объективных единицах, а можно и по субъективным критериям, например, температуру можно измерить в градусах, а можно в ощущениях: холодно, тепло, жарко. Громкость звука можно оценить по уровню звукового давления в дБ, а можно — в субъективных единицах: фон, сон. Поиск аналогичных критериев для нелинейных искажений и был целью его работы.

Как известно из психоакустики, слуховой аппарат является принципиально нелинейной системой, причем его нелинейность проявляется как на больших, так и на малых уровнях сигнала. Причинами нелинейности служат гидродинамические процессы в улитке уха, а также нелинейная компрессия сигнала за счет специального механизма удлинения внешних волосковых клеток. Это приводит к появлению субъективных гармоник и комбинационных тонов при прослушивании гармонических или суммарных гармонических сигналов, уровень которых может достигать 15…20% от уровня входного сигнала. Поэтому анализ восприятия продуктов нелинейных искажений, создаваемых в электроакустических преобразователях и каналах передачи, в такой сложной нелинейной системе, как слуховой аппарат, является серьезной проблемой.

Другое принципиально важное свойство слуховой системы — это эффект маскировки, заключающийся в изменении порогов слуха к одному сигналу в присутствии другого (маскера). Это свойство слуховой системы широко используется в современных системах сжатия звуковой информации при ее передаче по различным каналам (стандарты MPEG). Успехи, достигнутые в уменьшении объемов передаваемой информации за счет сжатия с использованием свойств слуховой маскировки, заставляют предположить, что эти эффекты имеют огромное значение также для восприятия и оценки нелинейных искажений.

Установленные законы слуховой маскировки позволяют утверждать, что:

• маскировка высокочастотных составляющих (находящихся выше частоты сигнала-маскера) происходит значительно сильнее, чем в сторону низких частот;
• маскировка сильнее проявляется для ближайших частот (локальный эффект, рисунок 11);
• с увеличением уровня сигнала-маскера зона его воздействия расширяется, она становится все более асимметричной, происходит ее сдвиг в сторону высоких частот.

Отсюда можно предположить, что при анализе нелинейных искажений в слуховой системе соблюдаются следующие правила:

Рис. 11. Эффекты маскировки

• продукты нелинейных искажений выше основной частоты менее важны для восприятия (они лучше маскируются), чем низкочастотные компоненты;
• чем ближе к основному тону располагаются продукты нелинейных искажений, тем больше вероятность, что они станут незаметными и не будут иметь субъективного значения;
• дополнительные нелинейные компоненты, возникающие за счет нелинейности, могут быть гораздо важнее для восприятия при низких уровнях сигнала, чем при высоких. Это показано на рисунке 11.

Действительно, с повышением уровня основного сигнала зона его маскировки расширяется, и все больше продуктов искажений (гармоник, суммарных и разностных искажений и др.) попадает в нее. При низких уровнях эта зона ограничена, поэтому продукты искажений высоких порядков будут более слышимы.

При измерениях нелинейных продуктов на чистом тоне в преобразователях возникают, в основном, гармоники с частотой выше основного сигнала n f. Однако в громкоговорителях могут возникать и низкие гармоники с частотами (1/n)·f. При измерениях интермодуляционных искажений (как с помощью двух сигналов, так и с помощью многотоновых сигналов) возникают продукты искажений суммарно-разностные — как выше, так и ниже основных сигналов m·f 1 ± n·f 2 .

Учитывая перечисленные свойства слуховой маскировки, можно сделать следующие выводы: продукты нелинейных искажений более высоких порядков могут быть более слышимы, чем продукты более низких порядков. Например, практика проектирования громкоговорителей показывает, что гармоники с номерами выше пятой, воспринимаются на слух гораздо неприятнее, чем вторая и третья, даже если их уровни гораздо меньше, чем у первых двух гармоник. Обычно их появление воспринимается как дребезжание и приводит к отбраковке громкоговорителей в производстве. Появление субгармоник с половинной и ниже частотами также сразу замечается слуховой системой как призвук, даже на очень малых уровнях.

Если порядок нелинейности низкий, то с увеличением уровня входного сигнала дополнительные гармоники могут быть замаскированы в слуховой системе и не восприниматься как искажения, что подтверждается практикой проектирования электроакустических преобразователей. Акустические системы с уровнем нелинейных искажений 2% могут достаточно высоко оцениваться слушателями. В то же время хорошие усилители должны иметь уровень искажений 0,01% и ниже, что, по-видимому, связано с тем, что акустические системы создают продукты искажений низких порядков, а усилители — гораздо более высоких.

Продукты нелинейных искажений, которые возникают на низких уровнях сигнала, могут быть гораздо более слышимыми, чем на высоких уровнях. Это, казалось бы, парадоксальное утверждение также может иметь значение для практики, поскольку нелинейные искажения в электроакустических преобразователях и трактах могут возникать и при малых уровнях сигналов.

Исходя из вышесказанных соображений, Р. Геддс предложил новый психоакустический критерий для оценки нелинейных искажений, который должен был удовлетворять следующим требованиям: быть чувствительнее к искажениям более высокого порядка и иметь большее значение для низких уровней сигнала.

Проблема состояла в том, чтобы показать, что этот критерий больше соответствует субъективному восприятию нелинейных искажений, чем принятые в настоящее время методы оценок: коэффициент нелинейных искажений и коэффициент интермодуляционных искажений на двухтоновом или многотоновом сигналах.

С этой целью была проведена серия субъективных экспертиз, организованная следующим образом: тридцать четыре эксперта с проверенными порогами слуха (средний возраст 21 год) участвовали в большой серии экспериментов по оценке качества звучания музыкальных отрывков (например, мужской вокал с симфонической музыкой), в которые были введены различные виды нелинейных искажений. Выполнено это было путем «свертки» испытываемого сигнала с нелинейными передаточными функциями, свойственными преобразователям различных типов (громкоговорителям, микрофонам, стереотелефонам и др.).

Вначале в качестве стимулов были использованы синусоидальные сигналы, выполнена их «свертка» с различными передаточными функциями и определен коэффициент гармонических искажений. Затем были использованы два синусоидальных сигнала и рассчитаны коэффициенты интермодуляционных искажений. Наконец, прямо по заданным передаточным функциям был определен вновь предложенный коэффициент G m . Расхождения оказались очень значительными: например, для одной и той же передаточной функции КНИ равен 1%, К им — 2,1%, G m — 10,4%. Такое различие физически объяснимо, так как Ким и Gm учитывают гораздо больше продуктов нелинейных искажений высоких порядков.

Слуховые эксперименты были выполнены на стереотелефонах с диапазоном 20 Гц…16 кГц, чувствительностью 108 дБ, макс. SPL 122 дБ. Субъективная оценка ставилась по семибальной шкале для каждого музыкального фрагмента, от «много лучше», чем опорный фрагмент (т. е. музыкальный отрывок, «свернутый» с линейной передаточной функцией), до «много хуже». Статистическая обработка результатов слуховой оценки позволила установить достаточно высокий коэффициент корреляции между средними значениями субъективных оценок и значением коэффициента G m , который оказался равным 0,68. В тоже время для КНИ он составлял 0,42, а для К им — 0,34 (для данной серии экспериментов).

Рис. 12. Связь коэффициента G m с субъективными оценками

Таким образом, связь предложенного критерия с субъективными оценками качества звучания оказалась существенно выше, чем у других коэффициентов (рисунок 12). Результаты экспериментов показали также, что электроакустический преобразователь, у которого Gm меньше 1%, может считаться вполне удовлетворительным по качеству звучания в том смысле, что нелинейные искажения в нем практически неслышимы.

Разумеется, этих результатов еще недостаточно, чтобы заменить предложенным критерием имеющиеся в стандартах параметры, такие как коэффициент гармонических искажений и коэффициент интермодуляционных искажений, однако если результаты подтвердятся при дальнейших экспериментах, то, возможно, именно так и произойдет.

Поиски других новых критериев также активно продолжаются, поскольку несоответствие имеющихся параметров (особенно коэффициента гармонических искажений, оценивающего только две первые гармоники) субъективно воспринимаемому качеству звучания становится все более очевидным по мере улучшения общего качества аудиоаппаратуры.

По-видимому, дальнейшие пути решения этой проблемы пойдут в направлении создания компьютерных моделей слуховой системы, с учетом нелинейных процессов и эффектов маскировки в ней. В этой области работает Институт коммуникационной акустики в Германии под руководством Д. Блауэрта. С помощью этих моделей можно будет оценивать слышимость различных видов нелинейных искажений в реальных музыкальных и речевых сигналах. Однако, пока они еще не созданы, оценки нелинейных искажений в аппаратуре будут производиться с помощью упрощенных методов, максимально приближенных к реальным слуховым процессам.

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

дек 2007

Нелинейные искажения. Мощность. Импеданс. Электромеханические параметры.

Как уже было сказано в , во всех видах электроакустических преобразователей (громкоговорителях, микрофонах, стереотелефонах и др.) имеют место как линейные, так и нелинейные искажения сигнала. Последние характеризуются появлением новых составляющих в спектре. Громкоговорители имеют наибольший уровень нелинейных искажений среди всех остальных звеньев тракта, именно поэтому методам оценки и измерениям этих искажений уделяется много внимания в современной аудиотехнике.

Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейностью передаточной функции, то есть нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного (в случае громкоговорителя - зависимостью уровня звукового давления от подводимого напряжения). Причиной нелинейности могут являться конструктивные и технологические особенности электроакустических преобразователей. Например, в электродинамических громкоговорителях (конструкция которых будет представлена в следующих статьях) к числу таких особенностей можно отнести:
- нелинейные упругие характеристики подвеса и центрирующей шайбы;
- нелинейную зависимость смещения звуковой катушки от величины приложенного напряжения из-за взаимодействия катушки с магнитным полем и тепловых процессов в громкоговорителях;
- нелинейные колебания диафрагмы при большой величине воздействующей силы и др.

Гармонические искажения
Представленная на рис. 1 зависимость между входным и выходным сигналами может быть аппроксимирована в виде полинома:
y(t) = а1 x(t) + а2 x2 (t) + а3 x3 (t) + а4 x4 (t) + ......

Если на такую нелинейную систему подать гармонический сигнал, то есть x(t) = A sin ωt , то в выходном сигнале будут присутствовать компоненты с частотами ω , 2ω , 3ω … nω и т. д. Например, если ограничиться только квадратичным членом, то появятся вторые гармоники, так как y(t) = а1 A sin ωt + а2 (A sin ωt)2 = а1 A sin ωt + 1/2 а2 А2 sin 2 ωt + const .

В реальных преобразователях при подаче гармонического сигнала могут появиться гармоники второго, третьего и более высоких порядков, а также субгармоники (1/n)ω , рис. 2.

Для оценки такого вида искажений чаще всего используются методы измерений на синусоидальных сигналах уровней дополнительных гармоник в выходном сигнале (обычно только второй и третьей). В соответствии с международными стандартами (IEC 268-5) производится запись АЧХ второй и третьей гармоники в заглушенных камерах и измеряется коэффициент гармонических искажений n-порядка:

где pfn - среднеквадратичное значение звукового давления, соответствующее n - гармонической составляющей.

По нему рассчитывается общий коэффициент гармонических искажений (рис. 3):

Например, в соответствии с требованиями IEC 581-7 для акустических систем категории Hi-Fi полный коэффициент гармонических искажений (THD - Total Harmonic Distortion) не должен превышать 2% в диапазоне частот 250-1000 Гц и 1% в диапазоне свыше 2000 Гц.

Следует отметить, что слуховая система чрезвычайно чувствительна к наличию нелинейных искажений в акустических преобразователях. "Заметность" гармонических составляющих зависит от их порядка. В частности, к нечетным составляющим слух более чувствителен. При многократном прослушивании восприятие нелинейных искажений обостряется, особенно при прослушивании отдельных музыкальных инструментов. Частотная область максимальной чувствительности слуха к этим видам искажений находится в пределах 1...2 кГц, где порог чувствительности составляет ~1%.

Однако такой метод оценки нелинейности не позволяет учесть все виды нелинейных продуктов, возникающих в процессе преобразования реального музыкального и речевого сигнала. Поэтому поиски других способов оценки нелинейных искажений и их корреляции с субъективными оценками все время продолжаются. Особенно актуально это в настоящее время, когда уровни нелинейных искажений значительно уменьшились и дальнейшее их снижение требует значительных экономических затрат, так что необходимы знания реальных порогов слышимости.

Интермодуляционные искажения
Наряду с измерениями гармонических составляющих в практике проектирования и оценки электроакустической аппаратуры используются методы измерений интермодуляционных искажений .

Методика измерений представлена в IEC 268-5 и основана на подведении к излучателю двух синусоидальных сигналов с частотами f1 и f2 (где f1 < 1/8 f2 , при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 +/- (n - 1)f1 , где n = 2, 3 (рис. 2). Например, если подвести к громкоговорителю частоты 200 Гц и 1000 Гц, то при наличии интермодуляционных искажений (а они в громкоговорителях есть всегда) в спектре появятся разностные тоны: 1000 - 200 = 800 Гц, 1000 - 2 x 200 = 600 Гц, 1000 - 3 x 200 = 400 Гц и т. д.; а также суммарные тоны: 1000 + 200 = 1200 Гц, 1000 + 2 x 200 = 1400 Гц, 1000 + 3 x 200 = 1600 Гц и т. д.

Суммарный коэффициент интермодуляционных искажений определяется в этом случае как:

где Кимn = /pср.

Причиной возникновения интермодуляционных искажений служат те же физические причины, а именно - нелинейная связь между выходным и входным сигналами, то есть нелинейная передаточная характеристика.

Как сказано ранее, в соответствии с международными стандартами в аппаратуре измеряются только коэффициенты интермодуляционных искажений второго и третьего порядков. Измерения интермодуляционных искажений могут быть более информативны, чем гармонические, поскольку служат более чувствительным критерием нелинейности. Однако, как показали эксперименты, выполненные в работах R. Geddes (доклад на 115 конгрессе AES в Нью-Йорке - пр. 5891), четкой корреляции между субъективными оценками качества акустических преобразователей и уровнем интермодуляционных искажений в них установить не удалось, оказался слишком большой разброс в оценках.

Многотоновый метод оценки нелинейных искажений
Поиски новых критериев для оценки нелинейных искажений в электроакустической аппаратуре все время продолжаются. В частности, был предложен многотоновый метод для оценки нелинейных искажений (история и методы применения которого детально исследованы в работах Войшвилло А. Г. и др.). Многотоновый сигнал представляет собой сумму синусоидальных компонент следующего вида:

распределение частот в нем подчиняется логарифмическому закону, а распределение фаз подбирается из условия минимизации пик-фактора (отношения максимального значения сигнала к среднему). Общий вид спектра и осциллограмма такого сигнала показаны на рис. 4.

При применении такого сигнала к нелинейному устройству в выходном сигнале образуются продукты гармонических и интермодуляционных искажений, которые с помощью последующей процессорной обработки могут быть разделены и оценены отдельно. Пример общих гармонических и интермодуляционных искажений показан на рис. 5.

Метод измерения с помощью многотонового сигнала обладает рядом преимуществ перед другими методами: он довольно быстрый и дает детальное графическое представление продуктов искажений. Если используется многотоновый сигнал, то в спектре выходного сигнала присутствует значительно больше продуктов интермодуляционных искажений, чем гармонических (что значительно ближе к реальному воспроизведению музыки и речи). Следует отметить, что, несмотря на оптимизацию, в многотоновом сигнале получается более высокий пик-фактор, чем в шумовом сигнале. Поэтому данный метод измерений дает большее значение для искажений, чем при измерениях на шумовом сигнале, но, возможно, этот запас и полезен при оценке аппаратуры.

Функция корреляции
Как уже было сказано, в настоящее время активно продолжаются поиски методов измерения нелинейных искажений на реальных шумовых и музыкальных сигналах, лучше коррелирующих с процессами субъективного восприятия. К числу таких методов можно отнести измерения нелинейных искажений с помощью рядов Вольтерра и функции корреляции.

Функция корреляции γ(fi ) выражается как отношение квадрата кросспектра (взаимного энергетического спектра) между входным и выходным сигналом Gxy (fi ) к квадратам автоспектров (энергетических спектров) входного Gxx (fi ) и выходного сигналов Gyy (fi ) :

Если акустический преобразователь - строго линейная система, то эта функция равна единице. Если входные и выходные сигналы вообще не связаны друг с другом, то функция равна нулю. Если акустическая система производит нелинейное преобразование входного сигнала или вносит шумы, то функция корреляции имеет значения между нулем и единицей, то есть значение функции корреляции дает общее описание всех нелинейных продуктов в выходном сигнале, она характеризует степень "подобия" сигналов.

Результаты применения ее для оценки нелинейности в громкоговорителях показаны на рис. 6, где по оси абсцисс отложена следующая величина:

На рисунке видна зависимость функции корреляции от частоты и уровня сигнала (нижняя кривая соответствует подводимой мощности, обеспечивающей смещение катушки 4 мм, верхняя - 10 мм). Удобство применения этого критерия к оценке нелинейных искажений - четкое графическое представление, недостаток - невозможность выделения отдельных продуктов искажений. Преимущества применения этого критерия для оценки нелинейных искажений в акустических системах сейчас интенсивно изучаются.

Кроме этого, для оценки искажений в громкоговорителях имеются работы по применению так называемых перцепционных методов (учитывающих свойства слуховой системы). В частности, предлагается методы, разработанные для оценки искажений музыкальных и речевых сигналов в кодеках (PEAG, PESQ), распространить на электроакустические преобразователи, а также применить теорию нейронных сетей (типа NARMAX) и другие способы, учитывающие специфику обработки сигналов в слуховой системе.

Оценка нелинейных искажений: ближайшие перспективы
Анализ всех имеющихся методов измерения нелинейных искажений позволяет предположить, что дальнейшее развитие работ в этом направлении пойдет следующими путями.

С помощью одного (или нескольких) вышеуказанных методов строится нелинейная динамическая компьютерная модель акустической системы. Затем на нее подается реальный музыкальный сигнал. Выходной сигнал с этой модели расщепляется на линейные и нелинейные компоненты. Затем нелинейные искажения вводятся в компьютерную модель слухового тракта, учитывающую эффекты маскировки и другие процессы обработки, после чего анализируется, к каким видам искажений слуховая система наиболее чувствительна и каковы их пороги. Параллельно оценка продуктов искажений производится с помощью субъективного тестирования, на основе чего и принимаются решения об установлении допустимых норм на акустическую аппаратуру.

Весь этот комплекс работ, несомненно, позволит в ближайшее время перейти на новый уровень оценки нелинейных искажений в акустической аппаратуре, значительно лучше коррелирующий со слуховым восприятием.

Уровни звукового давления
Одно из главных требований, предъявляемых к электроакустической аппаратуре, состоит в обеспечении неискаженной передачи динамического диапазона музыкальных и речевых сигналов. Любой музыкальный и речевой сигнал можно представить в виде уровнеграммы (рис. 7). Уровнеграмма - это зависимость уровня звукового давления (создаваемого, например, оркестром, голосом или любым инструментом) от времени.

Разность между максимальным и минимальным уровнем звукового давления определяет динамический диапазон сигнала, а разность между максимальным и средним уровнем - его пик-фактор . Под максимальным уровнем понимается уровень звукового давления, выше которого значения сигнала могут находиться не более 2% времени для музыки и 1% для речи. Максимальные уровни звуковых давлений реальных источников могут достигать следующих значений: у рояля - 103 дБ; у симфонического оркестра - 112 дБ; у рок-группы - 128 дБ. Чтобы акустическая система (громкоговоритель) могла воспроизводить такие уровни звуковых давлений, ее конструкция должна позволять подводить большие значения электрической мощности от усилителя.

Для характеристики способности акустической системы к неискаженной передаче динамического диапазона звука в каталогах и проспектах используется такой параметр, как max SPL (Sound Pressure Level) - максимальный уровень звукового давления. В большинстве акустических систем значения этого параметра лежат в пределах 102...105 дБ, однако для работы с цифровыми трактами разработаны студийные агрегаты с максимальным уровнем звукового давления до 110 дБ и более, а в портальных концертных акустических системах эти значения могут быть 125 дБ и выше.

Мощность
Чтобы обеспечить такие уровни давлений, к акустическим системам должны подводиться большие мощности от усилителя низкой частоты: 100-200 Вт для бытовой аппаратуры, 300-1000 Вт и более для профессиональной. Обычно в каталогах на акустические системы указывается рекомендуемая мощность усилителя низкой частоты. Часто изготовитель указывает даже две мощности: минимальную, при которой АС еще достаточно натурально воспроизводит программу, и максимальную, при которой АС еще продолжает работать без значительных искажений.

Согласование по мощности усилителей и акустических систем настолько важно для обеспечения хорошего качества звучания, что по этому вопросу разработаны специальные международные рекомендации IEC 268-5,581-7. В соответствии с ними в каталогах, рекламах и технической литературе для акустических систем и других видов акустической аппаратуры указываются следующие виды мощностей:
- характеристическая , при которой акустическая система обеспечивает заданный уровень звукового давления (в международных рекомендациях на аппаратуру Hi-Fi он должен быть не менее 94 дБ на 1 м);
- паспортная (PHC, Power Handling Capacity), при которой акустическая система может работать на специальном шумовом сигнале длительное время (обычно 100 часов) без механических и тепловых повреждений (это самый распространенный вид мощности, указываемый в технической литературе);
- максимальная синусоидальная , обеспечивающая возможность проведения измерений на синусоидальном сигнале в течение 1 часа.

Специально для согласования с усилителями введены еще два вида мощностей: долговременная и кратковременная максимальная мощность (в немецком стандарте DIN 45500 введена близкая к последней по определению мощность - "музыкальная"). Для испытаний используется шумовой сигнал, но испытания продолжаются по одной минуте десять раз с интервалом в две минуты и по одной секунде 60 раз с интервалом в одну минуту, соответственно.

Значения этих мощностей могут для одной и той же акустической системы отличаться в несколько раз. Например, характеристическая мощность - 35 Вт, максимальная синусоидальная - 50 Вт, паспортная - 90 Вт, долговременная - 100 Вт, кратковременная - 150 Вт.

В предыдущие годы в технической документации на отечественную аппаратуру указывалась номинальная мощность , которая определялась заданным уровнем нелинейных искажений. Она обычно и входила в название акустической системы, например, 35АС-01. Затем, после того как в международных стандартах перешли на другие виды мощностей, в названии начали указывать паспортную мощность, например, S-90. Через некоторое время в названиях фигурировала уже долговременная (или даже кратковременная) мощность, например, 150АС. Создается впечатление, что мощности все время растут, хотя в конструкции ничего не меняется. Дело только в различном определении мощностей, и многие фирмы пользуются этим в рекламных целях (поэтому требуется хорошая осведомленность пользователей в этих тонкостях).

Импеданс
Для согласования акустических систем с усилителями мощности очень большое значение имеет характер полного входного электрического сопротивления (импеданса) . Электрическое сопротивление реальных многополосных акустических систем и отдельных громкоговорителей имеет комплексный характер, зависящий от частоты, что показано на рис. 8.

Обычно в национальных и международных стандартах предусматривается запись частотной зависимости модуля электрического сопротивления, хотя запись фазовых характеристик импеданса также очень полезна и часто приводится в современных каталогах. Схема измерений показана на рис. 9. В современных цифровых компьютерных станциях измеряются комплексные частотные характеристики (амплитудные и фазовые) входного электрического сопротивления.

Характер зависимости импеданса акустической системы от частоты определяется видом низкочастотного оформления (закрытый, с фазоинвертором, с пассивным излучателем и др.), параметрами головок громкоговорителей, свойствами фильтрующе-корректирующих цепей, используемых в системе, и др.

В каталогах на аппаратуру задается обычно значение импеданса на частоте, соответствующей минимуму кривой (рис. 8) с допустимым отклонением 20%. Например, если в технической документации задано номинальное значение 8 Ом, то значение модуля импеданса на частоте электромеханического резонанса не должно быть ниже 6,3 Ом.

Электромеханические параметры и их измерение
Созданные за последние годы методы компьютерного расчета характеристик акустических систем в области низких частот требуют измерения у громкоговорителей, входящих в их состав, целого ряда "электромеханических" параметров, называемых "параметры Small-Thiele " (по фамилиям ученых, разработавших эти методы):
- активного сопротивления звуковой катушки Rе ;
- частоты основного резонанса fs ;
- добротностей: Qts (полной), Qes (электрической), Qms (механической);
- эквивалентного объема Vas ;
- эффективной площади излучения Sd ;
- максимального смещения звуковой катушки Xd и др.

Некоторые из этих параметров можно определить из записанной частотной характеристики входного электрического сопротивления.

Частота основного резонанса fs определяется как частота, при которой значение модуля полного электрического сопротивления имеет первый главный максимум (рис. 8). Частота может измеряться непосредственно или определяться из записанной частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления. В некоторых случаях, особенно при измерениях высокочастотных громкоговорителей, более точным методом является определение резонансной частоты из фазочастотной характеристики (как частоты, при которой ФЧХ проходит через ноль).

Добротность - полная Qts , механическая Qms и электрическая Qes в электроакустических преобразователях связаны между собой соотношением:
1/Qts = 1/Qms + 1/Qes .

Добротность характеризует затухание в системе (которое зависит от поглощения звука в подвижной системе, в корпусе АС и т. д.). Чем больше затухание, тем меньше добротность, и наоборот. Если на резонансной кривой импеданса пик узкий и высокий, значит добротность большая, а затухание малое. В хороших акустических системах добротность должна быть малая, в пределах 0,7-1,1.

Наибольшее распространение получили методы определения добротности, использующие измерения частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления на синусоидальном сигнале или измерения параметров переходного процесса в электрической цепи излучателя.

Измерения проводятся по схеме, изображенной на рис. 9: при плавном изменении частоты определяется частота f0 , при которой показания вольтметра будут максимальными (Umах ); затем определяется частота fэм , соответствующая минимальным показаниям (Umin); а также отмечаются две частоты f1 и f2 , расположенные в области f1 < f0 < f2 , на которых напряжения равны U1 = U2 .

Величина этих напряжений определяется как

где R0 - сопротивление громкоговорителя на постоянном токе, а /Z/max - максимальное значение модуля. В этом случае механическая добротность равна:

Полная добротность определяется как:

Электрическая добротность вычисляется по уже приводившейся формуле 1/Qts = 1/Qms + 1/Qes .

Эквивалентный объем Vas определяется как закрытый объем воздуха, имеющий акустическую гибкость, равную гибкости подвижной системы громкоговорителя:
Vas = Vв [(fc/fs)2 - 1] ,
где fs - резонансная частота громкоговорителя без оформления, fc - резонансная частота громкоговорителя, помещенного в закрытый корпус объемом Vв с хорошей герметизацией. Объем ящика выбирается из условия:

Кроме того, необходимо знать максимально допустимое смещение звуковой катушки. Эти параметры в настоящее время обязательно указываются в каталогах на низкочастотные громкоговорители.

Современная цифровая техника позволяет использовать быстрые и точные методы определения всей совокупности электромеханических параметров. Сначала записывается переходная характеристика громкоговорителя (в соответствующем корпусе) по напряжению в звуковой катушке. Затем численными методами идентифицируются коэффициенты электрической цепи, переходная характеристика которой совпадает с измеренной, и из полученных таким образом характеристик вычисляются указанные выше параметры. Этот метод реализован в современных компьютерных метрологических станциях.

В целом, в компьютерных станциях и программах (MLSSA, CLIO и др.) заложена возможность измерения более тридцати электроакустических характеристик. Некоторые фирмы дают подробнейшие данные на свою аппаратуру, в то же время другие приводят два-три параметра. Однако в настоящее время имеются международные стандарты (например, IEC 581-7), которые определяют минимальные требования на бытовую и профессиональную аппаратуру, и которые являются обязательными для представления в технической документации на все виды аппаратуры.

Еще один очень важный момент при оценке параметров электроакустической аппаратуры, особенно для нашей страны - это устойчивость и надежность характеристик при эксплуатации в различных климатических и механических условиях. В соответствии с ними образцы аппаратуры, предварительно измеренные по всем параметрам, помещаются на определенное время в соответствующие условия (камеры тепла, холода, влажности и т. д.). Затем, после выдержки, снова проверяется их работоспособность и параметры. В каталогах на аппаратуру обязательно должны указываться допустимые условия эксплуатации по температуре, влажности и др.

Параметры, указываемые в современных каталогах на акустические системы, можно показать на примере АС фирмы Tannoy 215 DMT II: амплитудно-частотная характеристика (frequency response) - от 35 Гц до 35 кГц (+/-3 дБ); чувствительность (sensitivity) - 104 дБ/Вт/м; нелинейные гармонические искажения (THD) < 0,5%; паспортная мощность (PHC) - 200 Вт; пиковая мощность (peak) - 500 Вт; угол излучения - 90 град (-6 дБ).

Субъективные экспертизы
Все виды электроакустической аппаратуры, кроме измерения объективных параметров, должны подвергаться обязательной процедуре субъективной оценки качества звучания (что принципиально отличает электроакустическую аппаратуру от других электронных приборов). Вызвано это тем, что, поскольку до настоящего времени не завершено решение проблемы расшифровки слухового образа, нет уверенности, что даже измерение тридцати и более параметров гарантирует необходимое качество звучания.

В практике конструирования акустической аппаратуры можно привести немало примеров, когда, например, два акустических агрегата с примерно одинаковыми объективными параметрами получают разные оценки при субъективном прослушивании. Чтобы обеспечить максимальную повторяемость и стабильность оценок при субъективной экспертизе, в международных стандартах (которые в настоящее время подвергаются существенной доработке в связи с переходом на системы пространственного звука) четко оговариваются условия проведения испытаний, требования к выбору помещения, программного материала, выбору экспертов, методов оценок и статистической обработке материалов.

В следующих статьях будут рассмотрены конструкции акустических систем (громкоговорителей) и их основных элементов с использованием приведенных выше параметров.

Нелинейные искажения.

Если на вход усилителя подано синусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выходе будет не синусоидальным, а более сложным. Оно состоит из ряда простых синусоидальных колебаний - основного и высших гармоник. Таким образом, усилитель добавляет лишние гармоники, которых не было на входе усилителя.

Рис.2 - Нелинейные искажения

На рис.2 показано синусоидальное напряжение на входе усилителя Uвx и искаженное несинусоидальное напряжение на выходе Uвых. В данном случае усилитель вносит вторую гармонику. На графике напряжения Uвых штрихом показаны полезная первая гармоника (основное колебание), имеющая одинаковую частоту со входным напряжением, и вредная вторая гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение является суммой этих двух гармоник.
Искажения формы усиливаемых колебаний, т.е. добавление лишних гармоник к основному колебанию, называют нелинейными искажениями. Они проявляют себя в том, что звук становится хриплым, дребезжащим. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений kH, который показывает, какой процент составляют все лишние гармоники, созданные самим усилителем, по отношению к основному колебанию 1
Если kn меньше 5%, т. е. если добавленные усилителем гармоники в сумме составляют не более 5% первой гармоники, то ухо не замечает искажения. При коэффициенте нелинейных искажений больше 10% хриплость звука и дребезжание уже портят впечатление от художественных передач. При kH более 20% искажения недопустимы и даже речь становится неразборчивой.
Нелинейные искажения возникают и при усилении колебаний сложной формы при передаче речи и музыки. В этом случае также искажается форма усиливаемых колебаний и добавляются лишние гармоники. Сложные колебания сами состоят из гармоник, которые должны быть правильно воспроизведены усилителем. Их не следует путать с добавочными гармониками, которые создает сам усилитель. Гармоники входного напряжения являются полезными, так как они определяют тембр звука, а гармоники, внесенные усилителем,- 1 вредны. Они создают нелинейные искажения.
Причинами нелинейных искажений в усилителях являются: непрямолинейность характеристик ламп и транзисторов, наличие тока управляющей сетки в лампах и магнитное насыщение сердечников трансформаторов или дросселей низкой частоты. Значительные нелинейные искажения создаются также в громкоговорителях, телефонах, микрофонах, звукоснимателях.
3. Другие виды искажений . Наличие в усилительном устройстве реактивных сопротивлений приводит к появлению фазовых искажений. Фазовые сдвиги между различными колебаниями на выходе усилителя получаются не такими, как на входе. При воспроизведении звуков эти искажения не играют роли, так как органы слуха человека не ощущают их, но в ряде случаев, например в телевидении, они оказывают вредное влияние.
Каждый усилитель создает искажения динамического диапазона. Происходит его сжатие, т. е. отношение самого сильного колебания к самому слабому на выходе усилителя получается меньше, чем на входе. Это нарушает естественность звучания. С целью уменьшения таких искажений иногда вводят специальное устройство для расширения динамического диапазона, называемое расширителем (экспандером). Сжатие динамического диапазона происходит также и в электроакустических приборах.

Основные параметры усилителей

Любой усилитель, предназначенный для обработки медико-биолгических сигналов, может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис.1.1). Источник сигнала с ЭДС Евх и внутренним сопротивлением Ri подключается ко входу усилителя. Во входной цепи протекает входной ток Iвх, величина которого зависит от входного сопротивления усилителя Rвх и внутреннего сопротивления источника сигнала. За счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала напряжение на входе, которое собственно и усиливается усилителем, отличается от ЭДС источника сигнала:

Рисунок 1.1 - Эквивалентная схема усилителя

Выходным током усилителя является ток нагрузки Rн. Величина этого тока зависит от выходного напряжения, которое отличается от напряжения холостого хода kUвх за счет выходного сопротивления усилителя

Для оценки свойств усилителя вводится ряд параметров.
- Коэффициенты усиления по напряжению и току

Эти коэффициенты показывают во сколько раз изменяются значения напряжения и тока на выходе по сравнению с входными значениями. Коэффициент усиления по мощности может быть найден как

У любого усилителя K P >>1, в то время как коэффициенты усиления по току и напряжению могут быть меньше единицы. Однако если одновременно K I <1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Необходимо отметить, что большинство схем усилителей содержат в своем составе реактивные элементы (емкости и индуктивности) , поэтому в общем случае коэффициент усиления усилителя будет комплексным

Где угол определяет величину сдвига фазы сигнала при его прохождении со входа на выход.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя определяет зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид АЧХ усилителя показан на рис.1.2. За коэффициент усиления К 0 принимают максимальное значение коэффициента на так называемой "средней" частоте. Две характерные точки на АЧХ определяют понятие "полоса пропускания" усилителя. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в раз (или на 3дб) называются граничными частотами. На рис. 1.2 f 1 является нижней граничной частотой f Н, а f 2 – верхней граничной частотой усиления (f В). Разность:

F = f В – f Н

называется полосой пропускания усилителя, которая определяет рабочий частотный диапазон усилителя.
В общем АЧХ показывает, как изменяется амплитуда выходного сигнала при неизменной амплитуде входного сигнала в частотном диапазоне, при этом считается, что форма сигнала не изменяется. Для оценки изменения коэффициента усиления с изменением частоты вводится понятие частотных искажений

М Н = М В = . Частотные искажения относятся к разряду линейных, т.е. появление которых не приводит к искажению формы исходного сигнала.
По виду АЧХ усилители можно разделить на несколько классов.
Усилители постоянного тока: f Н = 0Гц, f В = (103 3 - 108 8) Гц;
Усилители звуковой частоты: f Н = 20 Гц, f В = (15 - 20) · 10Гц;
Усилители высокой частоты: f Н = 20*103 Гц, f В = (200 - 300) · 103 3 Гц.
Узкополосные (избирательные) усилители. Отличительной особенностью последних является то, что они, практически, усиливают одну гармонику из всего спектра частот сигнала и у них отношение верхней и нижней граничных частот составляет:

Рисунок 1. 2- АЧХ усилителя

Амплитудная характеристика усилителя отражает особенности изменения величины выходного сигнала при изменении входного. Как видно из рис. 1.3 выходное напряжение не равно нулю (UВЫХmin) при отсутствии входного напряжения. Это обусловлено внутренними шумами усилителя, за счет чего ограничивается минимальное значение входного напряжения, которое может быть подано на вход усилителя и определяет его чувствительность:

Значительное увеличение входного напряжения(точка 3) приводит к тому, что амплитудная характеристика становится нелинейной и дальнейшее нарастание выходного напряжения прекращается (точка 5). Это связано с насыщением каскадов усилителя. Допустимым считается такое значение входного напряжения, при котором выходное напряжение не превышает UВЫХmax , которое, как видно из рис.1.3, располагается на границе линейного участка амплитудной характеристики. Амплитудная характеристика определяет динамический диапазон усилителя:

Иногда для удобства динамический диапазон вычисляют в децибеллах, как:

Рисунок 1. 3 - Амплитудная характеристика усилителя

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) усилителя определяет степень искажения формы синусоидального сигнала в процессе усиления. Искажения сигнала означают, что в его спектре наряду с основной (первой) гармоникой появляются гармоники более высоких порядков. Исходя из этого, коэффициент нелинейных искажений может быть найден, как:

где U i – напряжение гармоники с номером i>1. Нетрудно увидеть, что при отсутствии в выходном сигнале высших гармоник, К Г = 0, т.е. синусоидальный сигнал со входа на выход передается без искажений. Входное и выходное сопротивление оказывают довольно ощутимое влияние на работу усилителя. При усилении изменяющихся или переменных сигналов сопротивления могут быть найдены как:

На постоянном токе эти параметры могут быть определены по упрощенным формулам

При определении входного и выходного сопротивлений необходимо помнить, что в ряде случаев они могут иметь комплексный характер за счет реактивных элементов схемы. В этом случае могут возникнуть значительные частотные искажения сигнала, особенно в диапазоне высоких частот. Усиление сотовой связи: усилитель сотового сигнала gsm.

Рассмотрим основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 9.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2–3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных

искажений (или коэффициентом гармоник):

,

где U1m, U2m, U3m, Unm – амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина характеризует динамический диапазон усилителя.

Рис. 9.2. Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рис. 9.3). Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность

(fн–fв) – полосой пропускания усилителя.

Рис. 9.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

Где Кf – модуль коэффициента усиления на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений

И называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 9.4), коэффициент усиления усилителя выражается в децибелах, а по оси абсцисс откладываются частоты через декаду (интервал частот между 10f и f).

Рис. 9.4. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

усилителя (ЛАЧХ)

Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f=10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя – это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая ФЧХ приведена на рис. 9.5. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе.

В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Рис. 9.5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 9.6, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Рис. 9.6. Фазовые искажения в усилителе

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 9.7). Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом.

Рис. 9.7. Переходная характеристика усилителя

Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот – переходная характеристика в области больших времен.

По характеру усиливаемых сигналов различают:

o Усилители непрерывных сигналов. Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика – частотная передаточная.

o Усилители импульсных сигналов. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя.

По назначению усилителя делятся на:

o усилители напряжения,

o усилители тока,

o усилители мощности.

Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.

1. Составить фрагменты программ в мнемокодах и машинных кодах для следующих операций:

Измерение нелинейных искажений на шумовом сигнале

В статье автор обращает внимание читателей на один практически не используемый метод измерения нелинейности усилителей. Результаты объективных измерений нелинейных искажений УМЗЧ по этому методу удивительно совпадают с результатами их субъективных оценок при экспертном прослушивании.

Известные методы измерения нелинейных искажений в трактах звукопередачи отличаются большим разнообразием . Широкое распространение получил метод гармоник как наиболее простой при экспериментах и удобный для расчетов. Менее распространены другие методы: разностного тона, модулированного тона, взаимной модуляции (интермодуляции). Измеряют и переходные интермодуляционные искажения.

Для перечисленных методов существуют свои области применения. При этом каждый из них использует специальные сигналы, обеспечивающие наибольшую эффективность обнаружения продуктов искажений. Однако именно это и является причиной их малой информативности относительно интегральной оценки искажений, вносимых в звуковой тракт и значительно влияющих на субъективную (экспертную) оценку качества передачи реальных звуковых сигналов.

Заметность нелинейных искажений реального сигнала связана с тем, насколько часто, если рассматривать процесс во времени, или с какой вероятностью, если применить к нему статистическую меру, его мгновенные значения попадают в область существенной нелинейности тракта звукопередачи. Многим, наверное, приходилось наблюдать, как при уменьшении уровня сигнала в перегруженном канале исчезает хриплость звучания. Она тем меньше, чем реже выбросы сигнала попадают в область перегрузки.

Типичная характеристика функции передачи сигнала s в тракте звукопередачи представлена на рис. 1,а. Здесь: sвх, sвых - входной и выходной нормированные по мощности сигналы; W(s) - плотность вероятности мгновенных значений сигнала sвх. Участок А соответствует относительно малой нелинейности, а участки Б - большой. Для удобства анализа на рис. 1,б изображены графики распределения плотности вероятности W(s) мгновенных значений двух сигналов одинаковой мощности: белого (гауссовского) шума (кривая 2) и гармонического (кривая 1). Как следует из рис. 1,а, все значения входного сигнала, ограниченные функцией W(s) для синусоиды, приходятся на участок характеристики передачи с меньшей нелинейностью, в то время как для шумового сигнала 16 % времени его значения находятся на участках характеристики передачи с большой нелинейностью. Понятно, что шумовой сигнал подвергается значительно большим искажениям, чем синусоидальный.

В приведены результаты исследований плотности вероятности мгновенных значений сигналов натуральных звучаний (речевых и музыкальных). Они оказались по своему распределению уровней гораздо ближе к шумовому сигналу, чем к гармоническому. Следовательно, оценка нелинейных искажений, основанная на перечисленных выше методах, дает неверные представления о действительных нелинейных искажениях реальных сигналов.

Значительно большей информативностью обладают менее известные методы измерений, использующие шумовые сигналы .

Один из методов применяется в кинематографии и телевидении для измерения нелинейных искажений фотографической фонограммы . Структурная схема измерения и спектральные диаграммы для этого метода приведены на рис.2.

Измерительный сигнал создается генератором белого шума ГБШ, ограниченный с помощью полосового фильтра ПФ полосой частот 3...12 кГц, который и подается на вход объекта измерений ОИ. Продукты нелинейных искажений ПНИ (интермодуляции) шумового сигнала измеряют вольтметром V после ФНЧ со взвешиванием в полосе частот 30 Гц... 1,2 кГц. Числовой показатель нелинейности - это выраженное в децибелах отношение среднеквадратичного напряжения продуктов искажений (UС) к напряжению опорного сигнала (UВ), вырабатываемого встроенным в прибор генератором с частотой 1 кГц:

КИШ = 20 lg (UС/UВ). (1)

Описанный метод измерений реализован в приборе 7Э-67 и с успехом применяется на киностудиях. На телевидении подобным устройством является измеритель ИНИФ.

Измерения искажений проводятся и методом гармоник с использованием измерительного сигнала в виде третьоктавной полосы шума . Структурная схема и спектральные диаграммы приведены на рис. 3.

Из вырабатываемого генератором ГРШ розового шума блоком полосовых фильтров БПФ для исследования объекта измерений ОИ поочередно выделяют полосы, причем спад уровня 3 дБ на октаву с ростом частоты обеспечивает постоянную мощность измерительного сигнала в любой третьоктавной полосе. Из продуктов искажений напряжения сигнала U1 в расчет принимаются только расположенные в третьоктавных полосах его гармоники U2, U3 со средними частотами nf1, где n = 2, 3...,f1 - средняя частота полосы измерительного сигнала. Измерения проводят анализатором спектра АС, подключенным к выходу объекта измерений. Числовой показатель коэффициента гармоник шумового сигнала определяется по формуле:

Следует учитывать, что достоверность измерений при этом методе значительно зависит от ограничения полосы пропускания объекта измерений.

Существуют и другие, более сложные методы измерений с использованием шумовых сигналов. Широкому применению таких сигналов при измерениях в звуковой аппаратуре, по мнению автора, препятствует ряд факторов: дефицитность и высокая стоимость оборудования для анализа случайных сигналов, необходимость пересмотра стандартов (например, выходной мощности в усилителях), да и инерционность мышления многих инженеров, привыкших к синусоидальным сигналам.

Для практической оценки эффективности использования шумовых сигналов автором проведены сравнительные измерения нелинейных искажений в нескольких УМЗЧ по стандартной методике (методом гармоник) и на шумовом сигнале с использованием прибора 7Э-67 при одинаковых величинах перегрузки усилителей. Для испытаний были выбраны различные по схемотехнике и элементной базе УМЗЧ, предназначенные для озвучивания больших помещений (мощность 100 Вт и более, во всех моделях имелись индикаторы перегрузки). Кроме того, были проведены и субъективные оценки качества (СОК) звуковоспроизведения по десятибалльной шкале.

Результаты испытаний нелинейности усилителей приведены в таблице. Усилители мощности 1 - 4 - транзисторные с различной глубиной обратной связи (А), усилитель 5 - ламповый. В таблице приведены значения коэффициента гармоник КГ на частоте 1 кГц и коэффициента шумовой интермодуляции по прибору 7Э-67.

Условный номер усилителя	Коэфф. гармоник, КГ, %	Коэфф. шумовой интермодуляции, КИШ, %	Отношение КГ/КИШ	Глубина общей ОСС, А (дБ)	СОК (балл)
1	0,01	9,8	980	78	2
2	0,02	9,3	465	72	3
3	0,01	10	100	81	1
4	0,1	0,9	9	19	5
5	0,13	0,8	6,15	14	9

Высокий уровень искажений в транзисторных усилителях с глубокой общей ООС при измерении нелинейности шумовым сигналом обусловлен тем, что измерительный сигнал в виде шума имеет высокий пик-фактор и содержит достаточно широкий спектр частот, создающих еще более широкий спектр продуктов искажений, а значительная разница в отношении КГ/КИШ для всех усилителей - увеличением интермодуляционных искажений при кратковременной перегрузке. Из таблицы следует, что УМЗЧ с большей глубиной ООС обладают и большим отношением КГ/КИШ, получая соответственно и невысокие баллы СОК.

В итоге испытаний можно сделать следующие выводы:

1. Контроль нелинейных искажений на шумовом сигнале обладает значительно большей информативностью, позволяет приблизиться к субъективной оценке качества звуковоспроизведения.

2. При проектировании всех звеньев тракта звукопередачи следует стремиться не только к снижению коэффициента гармоник, но и коэффициента шумовой интермодуляции.

Описанный метод изначально предложен для измерения нелинейности фотографической фонограммы кинофильмов (при контроле качества технологического процесса их тиражирования), поэтому применительно к измерениям в высококачественных трактах звукопередачи, включая и громкоговорители, целесообразно скорректировать полосу измерительного сигнала.

Измерения шумовой интермодуляции УМЗЧ профессионального назначения отличаются в данном случае тем, что эту аппаратуру часто используют на предельной мощности, допуская кратковременную перегрузку. По сравнению с ламповыми, в транзисторных усилителях при перегрузке ограничение максимального тока часто более выражено, что соответствует резкому росту нелинейных искажений. В УМЗЧ, используемых в домашней обстановке, режим ограничения сигнала при правильно выбранной мощности практически не достигается, поэтому целесообразно рассмотреть вариант применения методики с ограничением предельного уровня шумового сигнала. При этом разница между усилителями с различной элементной базой, вероятно, существенно уменьшится. Кроме того, следует учитывать, что есть еще ряд критичных параметров - полоса частот, фазовая и переходная характеристики, уровень собственных шумов...

Литература

1. Раковский В. В. Измерения в аппаратуре записи звука кинофильмов. - М.: Искусство, 1962, с. 336 - 353.
2. Ишуткин Ю. М., Раковский В. В. Измерения в аппаратуре записи и воспроизведения звука кинофильмов. - М.: Искусство, 1985, с.
3. Шитов А. В., Белкин Б. Г. Статистические характеристики сигналов, представляющих натуральные звучания, и их применение при исследовании электроакустических систем. - Труды НИКФИ, вып. 56, 1976 г.
4. Раковский В. В. Способ измерений нелинейных искажений в фотографической поперечной фонограмме. Авт. свид. № 136573 (1960 г.) - БИ, 1961, № 5.
5. РТМ 19-17-72. Кинофильмы 35 и 16 мм. Технологический регламент компенсационного метода записи негативов, фотографической обработки, печати позитивов и контроля качества фотографических фонограмм. - М.: НИКФИ, 1972.
6. Пенков Г. Върху измерването на нелинейни изкривявания със случаен стационарен сигнал. Измерване на нелинейни изкривявания с тясна лента от нормален шум. - Известия на НИИКРА, т. 6. - София, 1966.
7. Журавлев В. М. Метод измерения нелинейных искажений с помощью полос шума. Канд. дисс. ЛИКИ, 1967.
8. Белкин Б. Г., Борк А. А. Соотношение между коэффициентами нелинейных искажений, измеренных на шумовых и синусоидальных сигналах. - Техника кино и телевидения, 1968, № 7.
9. ГОСТ 16122-78. Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний.