Πώς προσδιορίζεται ο συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης; Μη γραμμικές παραμορφώσεις. Μέγιστη μακροπρόθεσμη ισχύς

Σήμα εισόδου, στο ριζικό μέσο τετραγωνικό άθροισμα των φασματικών συνιστωσών του σήματος εισόδου, μερικές φορές χρησιμοποιείται ένα μη τυποποιημένο συνώνυμο - καθαρός παράγοντας(δανεισμένο από τα γερμανικά). Το SOI είναι μια αδιάστατη ποσότητα, που συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό. Εκτός από το SOI, το επίπεδο μη γραμμικής παραμόρφωσης μπορεί να εκφραστεί χρησιμοποιώντας παράγοντας αρμονικής παραμόρφωσης.

Συντελεστής Αρμονικής Παραμόρφωσης- μια τιμή που εκφράζει το βαθμό μη γραμμικής παραμόρφωσης μιας συσκευής (ενισχυτή κ.λπ.), ίση με τον λόγο της τάσης rms του αθροίσματος των υψηλότερων αρμονικών του σήματος, εκτός από την πρώτη, προς την τάση της πρώτης αρμονικής όταν ένα ημιτονοειδές σήμα εφαρμόζεται στην είσοδο της συσκευής.

Ο αρμονικός συντελεστής, όπως και ο SOI, εκφράζεται ως ποσοστό. Αρμονική παραμόρφωση ( ΚΙΛΟ) σχετίζεται με το CNI ( Κ Ν) αναλογία:

Μετρήσεις

• Στην περιοχή χαμηλής συχνότητας (LF) (έως 100-200 kHz), χρησιμοποιούνται μη γραμμικοί μετρητές παραμόρφωσης (αρμονικοί μετρητές παραμόρφωσης) για τη μέτρηση SOI.
• Σε υψηλότερες συχνότητες (MF, HF), χρησιμοποιούνται έμμεσες μετρήσεις χρησιμοποιώντας αναλυτές φάσματος ή επιλεκτικά βολτόμετρα.

Τυπικές τιμές SOI

• 0% - η κυματομορφή είναι ένα ιδανικό ημιτονοειδές κύμα.
• 3% - το σχήμα του σήματος είναι διαφορετικό από το ημιτονοειδές, αλλά η παραμόρφωση δεν είναι αισθητή στο μάτι.
• 5% - η απόκλιση του σχήματος του σήματος από το ημιτονοειδές είναι αισθητή στο μάτι στον παλμογράφο.
• 10% είναι το τυπικό επίπεδο παραμόρφωσης στο οποίο υπολογίζεται η πραγματική ισχύς (RMS) του UMZCH.
• 21% - για παράδειγμα, τραπεζοειδές ή κλιμακωτό σήμα.
• 43% - για παράδειγμα, ένα σήμα τετραγώνου κύματος.

δείτε επίσης

Βιβλιογραφία

• Εγχειρίδιο ραδιοηλεκτρονικών συσκευών: Σε 2 τόμους; Εκδ. D. P. Linde - M.: Ενέργεια,
• Gorokhov P.K. Επεξηγηματικό λεξικό ραδιοηλεκτρονικής. Βασικοί όροι- Μ: Ρωσ. Γλώσσα,

Συνδέσεις

• ΚΥΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΗΧΟΥ

Ίδρυμα Wikimedia. 2010.

Δείτε τι είναι το "" σε άλλα λεξικά:

παράγοντας αρμονικής παραμόρφωσης- SOI Μια παράμετρος που σας επιτρέπει να λαμβάνετε υπόψη την επίδραση των αρμονικών και των συνδυαστικών στοιχείων στην ποιότητα του σήματος. Αριθμητικά ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος των μη γραμμικών παραμορφώσεων προς την ισχύ του μη παραμορφωμένου σήματος, που συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό. [L.M. Ο Νεβντιάεφ...

παράγοντας αρμονικής παραμόρφωσης- 3,9 συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης (ολική παραμόρφωση): Ο λόγος, ως ποσοστό, της μέσης τετραγωνικής τιμής της ρίζας των φασματικών συνιστωσών του σήματος εξόδου του ακουστικού βαθμονομητή, που απουσιάζουν στο σήμα εισόδου, προς το ριζικό μέσο τετράγωνο αξία... ...

παράγοντας αρμονικής παραμόρφωσης- netiesinių iškreipių faktorius statusas T sritis fizika atitikmenys: αγγλ. μη γραμμικός παράγοντας παραμόρφωσης vok. Klirrfaktor, m rus. μη γραμμικός παράγοντας παραμόρφωσης, m pranc. taux de distorsion harmonique, m … Fizikos terminų žodynas

THD του ρεύματος εισόδου του UPS Χαρακτηρίζει τις αποκλίσεις του σχήματος του ρεύματος εισόδου του UPS από το ημιτονοειδές. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή αυτής της παραμέτρου, τόσο χειρότερο είναι για εξοπλισμό συνδεδεμένο στο ίδιο δίκτυο τροφοδοσίας και στο ίδιο το δίκτυο, σε αυτήν την περίπτωση επιδεινώνεται... ... Οδηγός Τεχνικού Μεταφραστή

THD της τάσης εξόδου του UPS Χαρακτηρίζει τις αποκλίσεις του σχήματος της τάσης εξόδου από το ημιτονοειδές, που δίνονται συνήθως για γραμμικά (κινητήρες, ορισμένοι τύποι συσκευών φωτισμού) και μη γραμμικά φορτία. Όσο υψηλότερη είναι αυτή η τιμή, τόσο χειρότερη ποιότητα… … Οδηγός Τεχνικού Μεταφραστή

ενισχυτής THD- - [L.G. Sumenko. Αγγλο-ρωσικό λεξικό για την τεχνολογία της πληροφορίας. M.: State Enterprise TsNIIS, 2003.] Θέματα ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ της ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣγενικά συντελεστής παραμόρφωσης ενισχυτή EN... Οδηγός Τεχνικού Μεταφραστή

Μεγάφωνο THD- 89. Συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης μεγαφώνου Συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης Ndp. Αρμονικός συντελεστής Εκφρασμένος ως ποσοστό, η τετραγωνική ρίζα του λόγου του αθροίσματος των τετραγώνων των ενεργών τιμών των φασματικών συνιστωσών που εκπέμπονται... ... Λεξικό-βιβλίο αναφοράς όρων κανονιστικής και τεχνικής τεκμηρίωσης

Συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης λαρυγγοφώνου- 94. Συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης του λαρυγγοφώνου Εκφρασμένος ως ποσοστό, η τιμή της τετραγωνικής ρίζας του λόγου του αθροίσματος των τετραγώνων των ενεργών τιμών των αρμονικών της ηλεκτροκινητικής δύναμης που αναπτύσσεται από το λαρυγγόφωνο κατά την αρμονική κίνηση του αέρα , προς την... ... Λεξικό-βιβλίο αναφοράς όρων κανονιστικής και τεχνικής τεκμηρίωσης

επιτρεπόμενος συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης- - [L.G. Sumenko. Αγγλο-ρωσικό λεξικό για την τεχνολογία της πληροφορίας. M.: State Enterprise TsNIIS, 2003.] Θέματα τεχνολογία πληροφοριών γενικά EN αρμονική ανοχή ... Οδηγός Τεχνικού Μεταφραστή

- (αρμονικός μετρητής παραμόρφωσης) μια συσκευή για τη μέτρηση του συντελεστή μη γραμμικής παραμόρφωσης (αρμονική παραμόρφωση) σημάτων σε συσκευές ραδιοφώνου. Περιεχόμενα... Wikipedia

ΣΕΟλόκληρη η ιστορία της αναπαραγωγής ήχου αποτελείται από προσπάθειες να φέρουμε την ψευδαίσθηση πιο κοντά στο πρωτότυπο. Και παρόλο που έχει διανυθεί μια τεράστια απόσταση, είμαστε ακόμα πολύ, πολύ μακριά από το να πλησιάσουμε πλήρως τον ζωντανό ήχο. Οι διαφορές σε πολλές παραμέτρους μπορούν να μετρηθούν, αλλά αρκετές από αυτές εξακολουθούν να παραμένουν εκτός του οπτικού πεδίου των προγραμματιστών εξοπλισμού. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά που προσέχει πάντα ένας καταναλωτής με οποιοδήποτε υπόβαθρο είναι μη γραμμικός συντελεστής παραμόρφωσης (THD) .

Και ποια τιμή αυτού του συντελεστή δείχνει αρκετά αντικειμενικά την ποιότητα της συσκευής; Όσοι είναι ανυπόμονοι μπορεί να βρουν αμέσως μια προσπάθεια να απαντήσουν σε αυτήν την ερώτηση στο τέλος. Για τα υπόλοιπα θα συνεχίσουμε.
Αυτός ο συντελεστής, που ονομάζεται επίσης συντελεστής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης, είναι ο λόγος, εκφρασμένος ως ποσοστό, του ενεργού πλάτους των αρμονικών στοιχείων στην έξοδο μιας συσκευής (ενισχυτής, μαγνητόφωνο κ.λπ.) προς το ενεργό πλάτος του το σήμα θεμελιώδους συχνότητας όταν εφαρμόζεται ένα ημιτονοειδές σήμα αυτής της συχνότητας στην είσοδο της συσκευής. Έτσι, καθιστά δυνατό τον ποσοτικό προσδιορισμό της μη γραμμικότητας του χαρακτηριστικού μεταφοράς, το οποίο εκδηλώνεται στην εμφάνιση στο σήμα εξόδου φασματικών συνιστωσών (αρμονικών) που απουσιάζουν στο σήμα εισόδου. Με άλλα λόγια, υπάρχει μια ποιοτική αλλαγή στο φάσμα του μουσικού σήματος.

Εκτός από τις αντικειμενικές αρμονικές παραμορφώσεις που υπάρχουν στο ηχητικό σήμα, υπάρχει το πρόβλημα των παραμορφώσεων που δεν υπάρχουν στον πραγματικό ήχο, αλλά γίνονται αισθητές λόγω των υποκειμενικών αρμονικών που προκύπτουν στον κοχλία του μέσου ωτός σε υψηλό επίπεδο τιμές ηχητικής πίεσης. Το ανθρώπινο ακουστικό είναι ένα μη γραμμικό σύστημα. Η μη γραμμικότητα της ακοής εκδηλώνεται στο γεγονός ότι όταν το τύμπανο εκτίθεται σε ημιτονοειδές ήχο με συχνότητα f σε ακουστικόΟι αρμονικές αυτού του ήχου παράγονται με τις συχνότητες 2f, 3f, κ.λπ. Δεδομένου ότι αυτές οι αρμονικές δεν υπάρχουν στον κύριο τόνο επιρροής, ονομάζονται υποκειμενικές αρμονικές.

Φυσικά, αυτό περιπλέκει περαιτέρω την ιδέα του μέγιστου επιτρεπτού επιπέδου αρμονικών στη διαδρομή ήχου. Καθώς αυξάνεται η ένταση του πρωτεύοντος τόνου, το μέγεθος των υποκειμενικών αρμονικών αυξάνεται απότομα και μπορεί ακόμη και να υπερβαίνει την ένταση του πρωτεύοντος τόνου. Αυτή η περίσταση δίνει βάση για την υπόθεση ότι οι ήχοι με συχνότητα μικρότερη από 100 Hz δεν γίνονται αισθητοί από μόνοι τους, αλλά λόγω των υποκειμενικών αρμονικών που δημιουργούν, πέφτοντας στην περιοχή συχνοτήτων πάνω από 100 Hz, δηλ. λόγω της μη γραμμικότητας της ακοής. Οι φυσικοί λόγοι για τις παραμορφώσεις υλικού που προκύπτουν σε διαφορετικές συσκευές είναι διαφορετικής φύσης και η συμβολή του καθενός στις συνολικές παραμορφώσεις ολόκληρης της διαδρομής δεν είναι η ίδια.

Η παραμόρφωση των σύγχρονων συσκευών αναπαραγωγής CD είναι πολύ χαμηλή και σχεδόν απαρατήρητη σε σύγκριση με την παραμόρφωση άλλων μονάδων. Για συστήματα μεγαφώνων, η παραμόρφωση χαμηλής συχνότητας που προκαλείται από την κεφαλή των μπάσων είναι η πιο σημαντική και το πρότυπο καθορίζει απαιτήσεις μόνο για τη δεύτερη και την τρίτη αρμονική στο εύρος συχνοτήτων έως 250 Hz. Και για πολύ καλό ήχο σύστημα ηχείωνμπορεί να είναι εντός 1% ή και λίγο περισσότερο. Στα αναλογικά μαγνητόφωνα, το κύριο πρόβλημα που σχετίζεται με φυσικά θεμέλιαΗ εγγραφή σε μαγνητική ταινία, είναι η τρίτη αρμονική, οι τιμές της οποίας δίνονται συνήθως στις οδηγίες μίξης. Αλλά η μέγιστη τιμή στην οποία, για παράδειγμα, λαμβάνονται πάντα μετρήσεις επιπέδου θορύβου είναι 3% για συχνότητα 333 Hz. Η παραμόρφωση του ηλεκτρονικού μέρους των μαγνητοφώνων είναι πολύ μικρότερη.
Τόσο στην περίπτωση των ακουστικών όσο και των αναλογικών μαγνητοφώνων, λόγω του γεγονότος ότι οι παραμορφώσεις είναι κυρίως χαμηλής συχνότητας, η υποκειμενική αντιληπτότητά τους μειώνεται σημαντικά λόγω του φαινομένου κάλυψης (που συνίσταται στο γεγονός ότι δύο ταυτόχρονα ηχητικά σήματα, τόσο υψηλότερο -συχνότητα ένα ακούγεται καλύτερα).

Έτσι, η κύρια πηγή παραμόρφωσης στο κύκλωμά σας θα είναι ο ενισχυτής ισχύος, στον οποίο, με τη σειρά του, η κύρια πηγή είναι η μη γραμμικότητα των χαρακτηριστικών μεταφοράς των ενεργών στοιχείων: τρανζίστορ και σωλήνες κενού και σε ενισχυτές μετασχηματιστών μη γραμμικές παραμορφώσεις του μετασχηματιστή προστίθενται επίσης, που σχετίζονται με τη μη γραμμικότητα της καμπύλης μαγνήτισης. Είναι προφανές ότι, αφενός, η παραμόρφωση εξαρτάται από το σχήμα της μη γραμμικότητας του χαρακτηριστικού μεταφοράς, αλλά και από τη φύση του σήματος εισόδου.

Για παράδειγμα, το χαρακτηριστικό μεταφοράς ενός ενισχυτή με ομαλό ψαλίδισμα σε μεγάλα πλάτη δεν θα προκαλέσει παραμόρφωση για ημιτονοειδή σήματα κάτω από το επίπεδο αποκοπής, αλλά καθώς το σήμα αυξάνεται πάνω από αυτό το επίπεδο, εμφανίζεται παραμόρφωση και θα αυξηθεί. Αυτός ο τύπος περιορισμού είναι εγγενής κυρίως στους ενισχυτές σωλήνων, που σε κάποιο βαθμό μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας από τους λόγους για την προτίμηση τέτοιων ενισχυτών από τους ακροατές. Και αυτό το χαρακτηριστικό χρησιμοποιήθηκε από τη NAD σε μια σειρά από τους αναγνωρισμένους ενισχυτές της με "soft limiting", που παρήχθη από τις αρχές της δεκαετίας του '80: η δυνατότητα ενεργοποίησης μιας λειτουργίας με απομίμηση αποκοπής σωλήνα δημιούργησε έναν μεγάλο στρατό από οπαδούς των ενισχυτών τρανζίστορ αυτής της εταιρείας .
Αντίθετα, το χαρακτηριστικό κεντρικής κοπής του ενισχυτή (παραμόρφωση βήμα-βήμα), το οποίο είναι χαρακτηριστικό των μοντέλων τρανζίστορ, προκαλεί παραμόρφωση στα μουσικά και μικρά ημιτονοειδή σήματα και η παραμόρφωση θα μειώνεται καθώς αυξάνεται το επίπεδο σήματος. Έτσι, η παραμόρφωση εξαρτάται όχι μόνο από το σχήμα του χαρακτηριστικού μεταφοράς, αλλά και από τη στατιστική κατανομή των επιπέδων σήματος εισόδου, η οποία για μουσικά προγράμματακοντά στο σήμα θορύβου. Επομένως, εκτός από τη μέτρηση SOI με χρήση ημιτονοειδούς σήματος, είναι δυνατή η μέτρηση μη γραμμικών παραμορφώσεων ενισχυτικών συσκευών χρησιμοποιώντας το άθροισμα τριών ημιτονοειδών σημάτων ή σημάτων θορύβου, το οποίο, υπό το φως των παραπάνω, δίνει μια πιο αντικειμενική εικόνα των παραμορφώσεων.

Μη γραμμικός συντελεστής παραμόρφωσης(SOI ή Κ Ν) - τιμή για ποσοτική εκτίμηση μη γραμμικών παραμορφώσεων.

Ορισμός [ | ]

Ο συντελεστής μη γραμμικής παραμόρφωσης είναι ίσος με τον λόγο του αθροίσματος ριζικού μέσου τετραγώνου των φασματικών συνιστωσών του σήματος εξόδου που απουσιάζουν στο φάσμα του σήματος εισόδου προς το άθροισμα ριζικού μέσου τετραγώνου όλων των φασματικών συνιστωσών της εισόδου σήμα

Το SOI είναι μια αδιάστατη ποσότητα και συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό. Εκτός από το SOI, το επίπεδο της μη γραμμικής παραμόρφωσης εκφράζεται συχνά μέσω παράγοντας αρμονικής παραμόρφωσης(KGI ή ΚΙΛΟ) - μια τιμή που εκφράζει το βαθμό μη γραμμικής παραμόρφωσης μιας συσκευής (ενισχυτή κ.λπ.) και ίση με τον λόγο της τάσης rms του αθροίσματος των υψηλότερων αρμονικών του σήματος, εκτός από την πρώτη, προς την τάση του πρώτου αρμονική όταν εφαρμόζεται ένα ημιτονοειδές σήμα στην είσοδο της συσκευής.

Το KGI, όπως και το KNI, εκφράζεται ως ποσοστό και σχετίζεται με αυτό με την αναλογία

Είναι προφανές ότι για μικρές τιμές το THI και το SOI συμπίπτουν σε μια πρώτη προσέγγιση. Είναι ενδιαφέρον ότι στη δυτική λογοτεχνία χρησιμοποιείται συνήθως το CGI, ενώ στη ρωσική λογοτεχνία προτιμάται παραδοσιακά το CNI.

Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι το KNI και το KGI είναι μόνο ποσοτικά μέτρα παραμόρφωσης, αλλά όχι υψηλής ποιότητας. Για παράδειγμα, μια τιμή THD ίση με 3% δεν λέει τίποτα για τη φύση της παραμόρφωσης, δηλ. για το πώς κατανέμονται οι αρμονικές στο φάσμα του σήματος και ποια είναι, για παράδειγμα, η συμβολή των στοιχείων χαμηλής ή υψηλής συχνότητας. Έτσι, στα φάσματα των σωλήνων UMZCH, συνήθως κυριαρχούν χαμηλότερες αρμονικές, οι οποίες συχνά γίνονται αντιληπτές από το αυτί ως «ήχος θερμού σωλήνα» και στα UMZCH τρανζίστορ, οι παραμορφώσεις κατανέμονται πιο ομοιόμορφα σε όλο το φάσμα και είναι πιο επίπεδες, κάτι που συχνά είναι εκλαμβάνεται ως «τυπικός ήχος τρανζίστορ» (αν και Αυτή η συζήτηση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα προσωπικά συναισθήματα και τις συνήθειες ενός ατόμου).

Παραδείγματα υπολογισμού CGI[ | ]

Για πολλά τυπικά σήματα, το THD μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά. Έτσι, για ένα συμμετρικό ορθογώνιο σήμα (μαίανδρος)

Ιδανικό πριονωτό σήμαέχει KGI

και συμμετρικό τριγωνικό

Ένα ασύμμετρο ορθογώνιο σήμα παλμού με λόγο διάρκειας παλμού προς περίοδο ίση με μ έχει KGI

που φτάνει στο ελάχιστο (≈0,483) στο μ =0,5, δηλ. όταν το σήμα γίνεται συμμετρικός μαίανδρος. Παρεμπιπτόντως, με το φιλτράρισμα, μπορείτε να επιτύχετε σημαντική μείωση της THD αυτών των σημάτων και έτσι να λάβετε σήματα που έχουν σχήμα κοντά στο ημιτονοειδές. Για παράδειγμα, ένα συμμετρικό ορθογώνιο σήμα (μαίανδρος) με αρχική THD 48,3%, αφού περάσει από ένα φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης (με συχνότητα αποκοπής ίση με τη συχνότητα της θεμελιώδους αρμονικής) έχει THD 5,3% και αν ένα φίλτρο τέταρτης τάξης - τότε THD = 0,6% . Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όσο πιο περίπλοκο είναι το σήμα στην είσοδο του φίλτρου και όσο πιο περίπλοκο είναι το ίδιο το φίλτρο (ή μάλλον, η λειτουργία μεταφοράς του), τόσο πιο περίπλοκοι και χρονοβόροι θα είναι οι υπολογισμοί TCG. Έτσι, ένα τυπικό σήμα πριονωτή που περνά μέσα από ένα φίλτρο Butterworth πρώτης τάξης έχει THD όχι πλέον 80,3% αλλά 37,0%, το οποίο ακριβώς δίνεται από την ακόλουθη έκφραση

Και το TCG του ίδιου σήματος, που περνά από το ίδιο φίλτρο, αλλά δεύτερης τάξης, θα δοθεί ήδη από μια μάλλον δυσκίνητη φόρμουλα

Εάν λάβουμε υπόψη το προαναφερθέν ασύμμετρο ορθογώνιο παλμικό σήμα που διέρχεται από το φίλτρο Butterworth Π-η σειρά, λοιπόν

όπου 0<μ <1 и

για λεπτομέρειες των υπολογισμών, βλέπε Yaroslav Blagushin και Eric Moreau.

Μετρήσεις [ | ]

• Στην περιοχή χαμηλής συχνότητας (LF), χρησιμοποιούνται μη γραμμικοί μετρητές παραμόρφωσης (αρμονικοί μετρητές παραμόρφωσης) για τη μέτρηση του SOI.
• Σε υψηλότερες συχνότητες (MF, HF), χρησιμοποιούνται έμμεσες μετρήσεις χρησιμοποιώντας αναλυτές φάσματος ή επιλεκτικά βολτόμετρα.

Η κύρια παράμετρος ενός ηλεκτρονικού ενισχυτή είναι το κέρδος Κ. Το κέρδος ισχύος (τάση, ρεύμα) καθορίζεται από την αναλογία της ισχύος (τάση, ρεύμα) του σήματος εξόδου προς την ισχύ (τάση, ρεύμα) του σήματος εισόδου και χαρακτηρίζει τις ενισχυτικές ιδιότητες του κυκλώματος. Τα σήματα εξόδου και εισόδου πρέπει να εκφράζονται στις ίδιες ποσοτικές μονάδες, επομένως το κέρδος είναι ένα αδιάστατο μέγεθος.

Ελλείψει ενεργών στοιχείων στο κύκλωμα, καθώς και υπό ορισμένους τρόπους λειτουργίας του, όταν η επιρροή τους αποκλείεται, το κέρδος είναι μια πραγματική τιμή που δεν εξαρτάται από τη συχνότητα. Σε αυτήν την περίπτωση, το σήμα εξόδου επαναλαμβάνει το σχήμα του σήματος εισόδου και διαφέρει από αυτό κατά K φορές μόνο ως προς το πλάτος. Στην περαιτέρω παρουσίαση του υλικού θα μιλήσουμε για την ενότητα κέρδους, εκτός αν υπάρχουν ειδικές κρατήσεις.

Ανάλογα με τις απαιτήσεις για τις παραμέτρους εξόδου του ενισχυτή σήματος εναλλασσόμενου ρεύματος, διακρίνονται οι συντελεστές απολαβής:

α) με τάση, που ορίζεται ως ο λόγος του πλάτους της εναλλασσόμενης συνιστώσας της τάσης εξόδου προς το πλάτος της εναλλασσόμενης συνιστώσας της τάσης εισόδου, δηλ.

β) από το ρεύμα, το οποίο καθορίζεται από τον λόγο του πλάτους της εναλλασσόμενης συνιστώσας του ρεύματος εξόδου προς το πλάτος της εναλλασσόμενης συνιστώσας του ρεύματος εισόδου:

γ) με δύναμη

Επειδή , το κέρδος ισχύος μπορεί να προσδιοριστεί ως εξής:

Εάν υπάρχουν αντιδρώντα στοιχεία στο κύκλωμα (πυκνωτές, επαγωγείς), το κέρδος θα πρέπει να θεωρείται ως μιγαδική τιμή

όπου m και n είναι τα πραγματικά και τα φανταστικά στοιχεία, ανάλογα με τη συχνότητα του σήματος εισόδου:

Ας υποθέσουμε ότι το κέρδος Κ δεν εξαρτάται από το πλάτος του σήματος εισόδου. Σε αυτήν την περίπτωση, όταν εφαρμόζεται ένα ημιτονοειδές σήμα στην είσοδο του ενισχυτή, το σήμα εξόδου θα έχει επίσης ημιτονοειδές σχήμα, αλλά θα διαφέρει από την είσοδο σε πλάτος κατά Κ φορές και σε φάση κατά γωνία.

Σύμφωνα με το θεώρημα του Fourier, ένα περιοδικό σήμα μιγαδικού σχήματος μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα ενός πεπερασμένου ή απείρως μεγάλου αριθμού αρμονικών συνιστωσών που έχουν διαφορετικά πλάτη, συχνότητες και φάσεις. Δεδομένου ότι το K είναι ένα σύνθετο μέγεθος, τα πλάτη και οι φάσεις των αρμονικών συνιστωσών του σήματος εισόδου όταν διέρχονται από τον ενισχυτή αλλάζουν διαφορετικά και το σήμα εξόδου θα διαφέρει ως προς το σχήμα από την είσοδο.

Η παραμόρφωση ενός σήματος όταν διέρχεται από έναν ενισχυτή, που προκαλείται από την εξάρτηση των παραμέτρων του ενισχυτή από τη συχνότητα και ανεξάρτητα από το πλάτος του σήματος εισόδου, ονομάζεται γραμμική παραμόρφωση. Με τη σειρά τους, οι γραμμικές παραμορφώσεις μπορούν να χωριστούν σε παραμορφώσεις συχνότητας (που χαρακτηρίζουν τη μεταβολή του συντελεστή απολαβής K στη ζώνη συχνοτήτων λόγω της επίδρασης των αντιδρώντων στοιχείων στο κύκλωμα). φάση (που χαρακτηρίζει την εξάρτηση της μετατόπισης φάσης μεταξύ των σημάτων εξόδου και εισόδου από τη συχνότητα λόγω της επίδρασης των αντιδρώντων στοιχείων).

Η παραμόρφωση συχνότητας ενός σήματος μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας το χαρακτηριστικό πλάτους-συχνότητας, το οποίο εκφράζει την εξάρτηση του συντελεστή κέρδους τάσης από τη συχνότητα. Η απόκριση πλάτους-συχνότητας του ενισχυτή φαίνεται σε γενική μορφή στο Σχ. 1.2. Το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας του ενισχυτή, εντός του οποίου το κέρδος μπορεί να θεωρηθεί σταθερό με ορισμένο βαθμό ακρίβειας, βρίσκεται μεταξύ της χαμηλότερης και της υψηλότερης οριακής συχνότητας και ονομάζεται ζώνη διέλευσης. Οι συχνότητες αποκοπής καθορίζουν τη μείωση του κέρδους κατά ένα δεδομένο ποσό από τη μέγιστη τιμή του στη μεσαία συχνότητα.

Με την εισαγωγή του συντελεστή παραμόρφωσης συχνότητας σε μια δεδομένη συχνότητα,

όπου είναι το κέρδος τάσης σε μια δεδομένη συχνότητα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το χαρακτηριστικό πλάτους-συχνότητας για να προσδιορίσετε την παραμόρφωση συχνότητας σε οποιοδήποτε εύρος συχνοτήτων λειτουργίας του ενισχυτή.

Δεδομένου ότι έχουμε τις μεγαλύτερες παραμορφώσεις συχνότητας στα όρια του εύρους λειτουργίας, κατά τον υπολογισμό ενός ενισχυτή, κατά κανόνα, οι συντελεστές παραμόρφωσης συχνότητας ορίζονται στις χαμηλότερες και υψηλότερες οριακές συχνότητες, δηλ.

όπου είναι τα κέρδη τάσης στις υψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες αποκοπής, αντίστοιχα.

Συνήθως, λαμβάνοντας υπόψη, δηλαδή, στις οριακές συχνότητες, το κέρδος τάσης μειώνεται σε επίπεδο 0,707 της τιμής κέρδους στη μεσαία συχνότητα. Υπό αυτές τις συνθήκες, το εύρος ζώνης των ενισχυτών ήχου που έχουν σχεδιαστεί για την αναπαραγωγή ομιλίας και μουσικής κυμαίνεται από 30-20.000 Hz. Για ενισχυτές που χρησιμοποιούνται στην τηλεφωνία, είναι αποδεκτό ένα στενότερο εύρος ζώνης 300-3400 Hz. Για την ενίσχυση των παλμικών σημάτων, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν οι λεγόμενοι ευρυζωνικοί ενισχυτές, το εύρος ζώνης των οποίων είναι στην περιοχή συχνοτήτων από δεκάδες ή μονάδες Hertz έως δεκάδες ή και εκατοντάδες megahertz.

Για την αξιολόγηση της ποιότητας ενός ενισχυτή, χρησιμοποιείται συχνά η παράμετρος

Επομένως, για ενισχυτές ευρείας ζώνης

Το αντίθετο των ευρυζωνικών ενισχυτών είναι οι επιλεκτικοί ενισχυτές, σκοπός των οποίων είναι να ενισχύουν τα σήματα σε μια στενή ζώνη συχνοτήτων (Εικ. 1.3).

Οι ενισχυτές που έχουν σχεδιαστεί για να ενισχύουν σήματα με αυθαίρετα χαμηλές συχνότητες ονομάζονται ενισχυτές DC. Από τον ορισμό είναι σαφές ότι η χαμηλότερη συχνότητα αποκοπής της ζώνης διέλευσης ενός τέτοιου ενισχυτή είναι μηδέν. Η απόκριση πλάτους-συχνότητας του ενισχυτή DC φαίνεται στο Σχ. 1.4.

Το χαρακτηριστικό συχνότητας φάσης δείχνει πώς η γωνία μετατόπισης φάσης μεταξύ των σημάτων εξόδου και εισόδου αλλάζει όταν αλλάζει η συχνότητα και καθορίζει την παραμόρφωση φάσης.

Δεν υπάρχουν παραμορφώσεις φάσης όταν το χαρακτηριστικό συχνότητας φάσης είναι γραμμικό (διακεκομμένη γραμμή στο Σχ. 1.5), αφού στην περίπτωση αυτή κάθε αρμονική συνιστώσα του σήματος εισόδου, όταν διέρχεται από τον ενισχυτή, μετατοπίζεται χρονικά κατά το ίδιο διάστημα. Η γωνία μετατόπισης φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου είναι ανάλογη της συχνότητας

όπου είναι ο συντελεστής αναλογικότητας, ο οποίος καθορίζει τη γωνία κλίσης του χαρακτηριστικού προς τον άξονα της τετμημένης.

Το χαρακτηριστικό συχνότητας φάσης ενός πραγματικού ενισχυτή φαίνεται στο Σχ. 1,5 με συμπαγή γραμμή. Από το Σχ. 1.5 μπορεί να φανεί ότι εντός της ζώνης διέλευσης του ενισχυτή, η παραμόρφωση φάσης είναι ελάχιστη, αλλά αυξάνεται απότομα στην περιοχή των οριακών συχνοτήτων.

Εάν το κέρδος εξαρτάται από το πλάτος του σήματος εισόδου, τότε συμβαίνουν μη γραμμικές παραμορφώσεις του ενισχυμένου σήματος λόγω της παρουσίας στον ενισχυτή στοιχείων με μη γραμμικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης.

Καθορίζοντας το νόμο της αλλαγής, είναι δυνατός ο σχεδιασμός μη γραμμικών ενισχυτών με ορισμένες ιδιότητες. Αφήστε το κέρδος να καθοριστεί από την εξάρτηση , όπου είναι ο συντελεστής αναλογικότητας.

Στη συνέχεια, όταν εφαρμόζεται ένα ημιτονοειδές σήμα εισόδου στην είσοδο του ενισχυτή, το σήμα εξόδου του ενισχυτή

όπου είναι το πλάτος και η συχνότητα του σήματος εισόδου.

Το πρώτο αρμονικό στοιχείο στην έκφραση (1.6) αντιπροσωπεύει το χρήσιμο σήμα, τα υπόλοιπα είναι αποτέλεσμα μη γραμμικών παραμορφώσεων.

Η μη γραμμική παραμόρφωση μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τη λεγόμενη αρμονική παραμόρφωση

όπου είναι οι τιμές πλάτους της ισχύος, της τάσης και του ρεύματος των αρμονικών στοιχείων, αντίστοιχα.

Ο δείκτης καθορίζει τον αρμονικό αριθμό. Συνήθως λαμβάνονται υπόψη μόνο η δεύτερη και η τρίτη αρμονική, καθώς οι τιμές πλάτους των δυνάμεων των υψηλότερων αρμονικών είναι σχετικά μικρές.

Γραμμικές και μη γραμμικές παραμορφώσεις χαρακτηρίζουν την ακρίβεια της αναπαραγωγής του σχήματος του σήματος εισόδου από τον ενισχυτή.

Το χαρακτηριστικό πλάτους δικτύων τεσσάρων τερματικών που αποτελούνται μόνο από γραμμικά στοιχεία, σε οποιαδήποτε τιμή, είναι θεωρητικά μια κεκλιμένη ευθεία γραμμή. Στην πράξη, η μέγιστη τιμή περιορίζεται από την ηλεκτρική αντοχή των στοιχείων του τετραπολικού δικτύου. Το χαρακτηριστικό πλάτους ενός ενισχυτή που κατασκευάζεται σε ηλεκτρονικές συσκευές (Εικ. 1.6) είναι, καταρχήν, μη γραμμικό, αλλά μπορεί να περιέχει τμήματα ΟΑ όπου η καμπύλη είναι περίπου γραμμική με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Το εύρος λειτουργίας του σήματος εισόδου δεν πρέπει να υπερβαίνει το γραμμικό τμήμα (LA) του χαρακτηριστικού πλάτους του ενισχυτή, διαφορετικά η μη γραμμική παραμόρφωση θα υπερβεί το επιτρεπόμενο επίπεδο.

Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (THD)​

Irina Aldoshina

Όλοι οι ηλεκτροακουστικοί μετατροπείς (ηχεία, μικρόφωνα, τηλέφωνα κ.λπ.), καθώς και τα κανάλια μετάδοσης, εισάγουν τις παραμορφώσεις τους στο εκπεμπόμενο ηχητικό σήμα, δηλαδή, το αντιληπτό ηχητικό σήμα δεν είναι πάντα πανομοιότυπο με το πρωτότυπο. Η ιδεολογία της δημιουργίας εξοπλισμού ήχου, η οποία στη δεκαετία του '60 ονομαζόταν High-Fidelity, "υψηλή πιστότητα" στον ζωντανό ήχο, σε μεγάλο βαθμό δεν πέτυχε τον στόχο της. Εκείνα τα χρόνια, τα επίπεδα παραμόρφωσης του σήματος ήχου στον εξοπλισμό ήταν ακόμα πολύ υψηλά και φαινόταν ότι ήταν αρκετό για να τα μειώσουν - και ο ήχος που αναπαράγεται μέσω του εξοπλισμού θα ήταν πρακτικά αδιάκριτος από τον αρχικό.

Ωστόσο, παρά τις προόδους στον σχεδιασμό και την ανάπτυξη της τεχνολογίας, που οδήγησαν σε σημαντική μείωση των επιπέδων όλων των τύπων παραμόρφωσης στον εξοπλισμό ήχου, εξακολουθεί να μην είναι ιδιαίτερα δύσκολο να γίνει διάκριση του φυσικού ήχου από τον αναπαραγόμενο ήχο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, επί του παρόντος, σε διάφορες χώρες, ερευνητικά ινστιτούτα, πανεπιστήμια και κατασκευαστικές εταιρείες διεξάγουν μεγάλο όγκο εργασιών για τη μελέτη της ακουστικής αντίληψης και την υποκειμενική αξιολόγηση διαφόρων τύπων παραμορφώσεων. Με βάση τα αποτελέσματα αυτών των μελετών, δημοσιεύονται πολλά επιστημονικά άρθρα και εκθέσεις. Σχεδόν όλα τα συνέδρια της AES παρουσιάζουν εργασίες για αυτό το θέμα. Μερικά σύγχρονα αποτελέσματα που λήφθηκαν τα τελευταία δύο έως τρία χρόνια σχετικά με τα προβλήματα της υποκειμενικής αντίληψης και εκτίμησης των μη γραμμικών παραμορφώσεων του ηχητικού σήματος σε εξοπλισμό ήχου θα παρουσιαστούν σε αυτό το άρθρο.

Κατά την εγγραφή, μετάδοση και αναπαραγωγή μουσικής και σημάτων ομιλίας μέσω ακουστικού εξοπλισμού, εμφανίζονται παραμορφώσεις στη χρονική δομή του σήματος, οι οποίες μπορούν να χωριστούν σε γραμμικές και μη γραμμικές.

Γραμμική παραμόρφωσηαλλάζουν τις σχέσεις πλάτους και φάσης μεταξύ των υφιστάμενων φασματικών συνιστωσών του σήματος εισόδου και εξαιτίας αυτού παραμορφώνουν τη χρονική του δομή. Αυτό το είδος παραμόρφωσης γίνεται αντιληπτό υποκειμενικά ως παραμόρφωση της χροιάς του σήματος, και ως εκ τούτου τα προβλήματα μείωσής τους και οι υποκειμενικές εκτιμήσεις του επιπέδου τους έχουν δοθεί μεγάλη προσοχή από ειδικούς σε όλη την περίοδο ανάπτυξης της μηχανικής ήχου.

Η απαίτηση για την απουσία γραμμικής παραμόρφωσης σήματος σε εξοπλισμό ήχου μπορεί να γραφτεί με τη μορφή:

Y(t) = K x(t - T), όπου x(t) είναι το σήμα εισόδου, y(t) είναι το σήμα εξόδου.

Αυτή η συνθήκη επιτρέπει μόνο μια αλλαγή στο σήμα σε μια κλίμακα με συντελεστή K και χρονική μετατόπισή του κατά ένα ποσό T. Ορίζει μια γραμμική σχέση μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου και οδηγεί στην απαίτηση ότι η συνάρτηση μεταφοράς H(ω), που νοείται ως ένας εξαρτώμενος από τη συχνότητα λόγος σύνθετων πλάτη σήματος στην έξοδο και την είσοδο του συστήματος υπό αρμονικές επιρροές ήταν σταθερού μεγέθους και είχε μια γραμμική εξάρτηση του ορίσματος (δηλαδή φάση) από τη συχνότητα | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Από τη συνάρτηση 20·lg | H(ω) | ονομάζεται απόκριση πλάτους-συχνότητας του συστήματος (AFC) και φ(ω) είναι η απόκριση συχνότητας φάσης (PFC), εξασφαλίζοντας στη συνέχεια ένα σταθερό επίπεδο AFC στο αναπαραγόμενο εύρος συχνοτήτων (μειώνοντας την ανομοιομορφία του) στα μικρόφωνα, ακουστική συστήματα κ.λπ. είναι η κύρια απαίτηση για τη βελτίωση της ποιότητάς τους. Οι μέθοδοι μέτρησής τους περιλαμβάνονται σε όλα τα διεθνή πρότυπα, για παράδειγμα, IEC268-5. Ένα παράδειγμα της απόκρισης συχνότητας μιας σύγχρονης μονάδας ελέγχου από τη Marantz με ανομοιομορφία 2 dB φαίνεται στο Σχήμα 1.

Απόκριση συχνότητας της οθόνης ελέγχου Marantz

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι μια τέτοια μείωση του μεγέθους της ανομοιομορφίας απόκρισης συχνότητας είναι ένα τεράστιο επίτευγμα στον σχεδιασμό του εξοπλισμού ήχου (για παράδειγμα, οι οθόνες ελέγχου που παρουσιάστηκαν στην έκθεση στις Βρυξέλλες το 1956 είχαν ανομοιομορφία 15 dB), κάτι που κατέστη δυνατό ως αποτέλεσμα της χρήσης νέων τεχνολογιών, υλικών και μεθόδων σχεδιασμού.

Η επίδραση της ανομοιόμορφης απόκρισης συχνότητας (και της απόκρισης φάσης) στην υποκειμενικά αντιληπτή παραμόρφωση της ηχητικής χροιάς έχει μελετηθεί με αρκετή λεπτομέρεια. Θα προσπαθήσουμε να αναθεωρήσουμε τα κύρια αποτελέσματα που θα έχουμε στο μέλλον.

Μη γραμμική παραμόρφωσηχαρακτηρίζονται από την εμφάνιση στο φάσμα του σήματος νέων στοιχείων που απουσιάζουν στο αρχικό σήμα, ο αριθμός και τα πλάτη των οποίων εξαρτώνται από αλλαγές στο επίπεδο εισόδου. Η εμφάνιση πρόσθετων στοιχείων στο φάσμα οφείλεται στη μη γραμμική εξάρτηση του σήματος εξόδου από την είσοδο, δηλαδή στη μη γραμμικότητα της συνάρτησης μεταφοράς. Παραδείγματα τέτοιας εξάρτησης φαίνονται στο Σχήμα 2.

Διάφοροι τύποι μη γραμμικών συναρτήσεων μεταφοράς σε υλικό

Η αιτία της μη γραμμικότητας μπορεί να είναι ο σχεδιασμός και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροακουστικών μετατροπέων.

Για παράδειγμα, στα ηλεκτροδυναμικά μεγάφωνα (Εικόνα 3), οι κύριοι λόγοι περιλαμβάνουν:

Ηλεκτροδυναμική σχεδίαση ηχείων

Μη γραμμικά ελαστικά χαρακτηριστικά της ροδέλας ανάρτησης και κεντραρίσματος (ένα παράδειγμα της εξάρτησης της ευελιξίας των αναρτήσεων σε ένα μεγάφωνο από το μέγεθος της μετατόπισης του πηνίου φωνής φαίνεται στο σχήμα 4).

Εξάρτηση της ευελιξίας της ανάρτησης από την τιμή μετατόπισης του πηνίου φωνής

Μη γραμμική εξάρτηση της μετατόπισης του πηνίου φωνής από την εφαρμοζόμενη τάση λόγω της αλληλεπίδρασης του πηνίου με το μαγνητικό πεδίο και λόγω θερμικών διεργασιών στα μεγάφωνα.
- μη γραμμικές ταλαντώσεις του διαφράγματος με μεγάλο μέγεθος της ενεργού δύναμης.
- δονήσεις των τοίχων του περιβλήματος.
- Φαινόμενο Doppler κατά την αλληλεπίδραση διαφόρων εκπομπών σε ένα ακουστικό σύστημα.
Μη γραμμικές παραμορφώσεις συμβαίνουν σε όλα σχεδόν τα στοιχεία της διαδρομής ήχου: μικρόφωνα, ενισχυτές, crossovers, επεξεργαστές εφέ κ.λπ.
Η σχέση μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου που φαίνονται στο Σχήμα 2 (για παράδειγμα, μεταξύ της εφαρμοζόμενης τάσης και της πίεσης ήχου για ένα μεγάφωνο) μπορεί να προσεγγιστεί ως πολυώνυμο:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Εάν εφαρμοστεί ένα αρμονικό σήμα σε ένα τέτοιο μη γραμμικό σύστημα, δηλ. x(t) = A sin ωt, τότε το σήμα εξόδου θα περιέχει στοιχεία με συχνότητες ω, 2ω, 3ω, ..., nω, κ.λπ. Για παράδειγμα, αν περιοριζόμαστε μόνο σε έναν τετραγωνικό όρο, τότε θα εμφανιστούν δεύτερες αρμονικές, γιατί
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + const.
Σε πραγματικούς μετατροπείς, όταν παρέχεται ένα αρμονικό σήμα, μπορεί να εμφανιστούν αρμονικές δεύτερης, τρίτης και υψηλότερης τάξης, καθώς και υποαρμονικές (1/n) ω (Εικόνα 5).

Για τη μέτρηση αυτού του τύπου παραμόρφωσης, οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι είναι η μέτρηση του επιπέδου πρόσθετων αρμονικών στο σήμα εξόδου (συνήθως μόνο το δεύτερο και το τρίτο).
Σύμφωνα με τα διεθνή και εγχώρια πρότυπα, η απόκριση συχνότητας της δεύτερης και τρίτης αρμονικής καταγράφεται σε ανηχοϊκούς θαλάμους και μετράται ο συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης n-τάξης:
KГn = pfn / pav·100%
όπου pfn είναι η ρίζα της μέσης τετραγωνικής τιμής ηχητικής πίεσης που αντιστοιχεί στην n-αρμονική συνιστώσα. Χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του συντελεστή ολικής αρμονικής παραμόρφωσης:
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
Για παράδειγμα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του IEC 581-7, για συστήματα μεγαφώνων Hi-Fi, ο συνολικός συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης δεν πρέπει να υπερβαίνει το 2% στο εύρος συχνοτήτων 250 ... 1000 Hz και το 1% στο εύρος άνω των 2000 Hz . Ένα παράδειγμα του συντελεστή αρμονικής παραμόρφωσης για ένα υπογούφερ διαμέτρου 300 mm (12") έναντι συχνότητας για διαφορετικές τάσεις εισόδου που κυμαίνονται από 10 έως 32 V φαίνεται στο Σχήμα 6.

Εξάρτηση της THD από τη συχνότητα για διαφορετικές τιμές τάσης εισόδου

Πρέπει να σημειωθεί ότι το ακουστικό σύστημα είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στην παρουσία μη γραμμικών παραμορφώσεων σε ακουστικούς μετατροπείς. Η «ορατότητα» των αρμονικών συνιστωσών εξαρτάται από τη σειρά τους· ειδικότερα, η ακοή είναι πιο ευαίσθητη σε περιττές συνιστώσες. Με την επαναλαμβανόμενη ακρόαση, η αντίληψη των μη γραμμικών παραμορφώσεων γίνεται πιο έντονη, ειδικά όταν ακούτε μεμονωμένα μουσικά όργανα. Η περιοχή συχνότητας της μέγιστης ευαισθησίας ακοής σε αυτούς τους τύπους παραμορφώσεων είναι εντός του εύρους 1...2 kHz, όπου το όριο ευαισθησίας είναι 1...2%.
Ωστόσο, αυτή η μέθοδος αξιολόγησης της μη γραμμικότητας δεν επιτρέπει τη λήψη υπόψη όλων των τύπων μη γραμμικών προϊόντων που προκύπτουν κατά τη μετατροπή ενός πραγματικού ηχητικού σήματος. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να υπάρξει μια κατάσταση όπου ένα σύστημα ηχείων με 10% THD μπορεί να βαθμολογηθεί υποκειμενικά υψηλότερη σε ποιότητα ήχου από ένα σύστημα με 1% THD λόγω της επίδρασης υψηλότερων αρμονικών.
Επομένως, η αναζήτηση άλλων τρόπων αξιολόγησης των μη γραμμικών παραμορφώσεων και η συσχέτισή τους με υποκειμενικές εκτιμήσεις συνεχίζεται συνεχώς. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό επί του παρόντος, όταν τα επίπεδα των μη γραμμικών παραμορφώσεων έχουν μειωθεί σημαντικά και για την περαιτέρω μείωση τους είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα πραγματικά όρια ακρόασης, καθώς η μείωση των μη γραμμικών παραμορφώσεων στον εξοπλισμό απαιτεί σημαντικό οικονομικό κόστος.
Μαζί με τις μετρήσεις των αρμονικών στοιχείων, χρησιμοποιούνται μέθοδοι για τη μέτρηση της παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης στην πρακτική του σχεδιασμού και της αξιολόγησης ηλεκτροακουστικού εξοπλισμού. Η τεχνική μέτρησης παρουσιάζεται στο GOST 16122-88 και στο IEC 268-5 και βασίζεται στην παροχή δύο ημιτονοειδών σημάτων με συχνότητες f1 και f2 στον πομπό, όπου f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Ο συνολικός συντελεστής παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης προσδιορίζεται στην περίπτωση αυτή ως εξής:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
όπου kim = /pcp.
Η αιτία της παραμόρφωσης της ενδοδιαμόρφωσης είναι η μη γραμμική σχέση μεταξύ των σημάτων εξόδου και εισόδου, δηλαδή το χαρακτηριστικό μη γραμμικής μεταφοράς. Εάν εφαρμοστούν δύο αρμονικά σήματα στην είσοδο ενός τέτοιου συστήματος, τότε το σήμα εξόδου θα περιέχει αρμονικές υψηλότερων τάξεων και τόνους αθροίσματος-διαφορών διαφόρων τάξεων.
Ο τύπος του σήματος εξόδου που λαμβάνει υπόψη τις μη γραμμικότητες υψηλότερων τάξεων φαίνεται στο Σχήμα 5.

Προϊόντα μη γραμμικής παραμόρφωσης σε μεγάφωνα

Τα χαρακτηριστικά της εξάρτησης του συντελεστή παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης από τη συχνότητα για ένα μεγάφωνο χαμηλής συχνότητας με πηνία φωνής διαφορετικού μήκους φαίνονται στο Σχήμα 7 (α - για μεγαλύτερο πηνίο, b - για μικρότερο).

Εξάρτηση της παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης (IMD) από τη συχνότητα για ένα μεγάφωνο με μακρύ (a) και κοντό (b) πηνίο

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, στον εξοπλισμό μετρώνται μόνο συντελεστές παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης δεύτερης και τρίτης τάξης. Οι μετρήσεις παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης μπορεί να είναι πιο ενημερωτικές από τις μετρήσεις αρμονικής παραμόρφωσης επειδή είναι πιο ευαίσθητο μέτρο μη γραμμικότητας. Ωστόσο, όπως φαίνεται από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στα έργα του R. Geddes (έκθεση στο 115ο Συνέδριο AES στη Νέα Υόρκη), δεν μπόρεσε να διαπιστωθεί μια σαφής συσχέτιση μεταξύ υποκειμενικών εκτιμήσεων της ποιότητας των ακουστικών μετατροπέων και του επιπέδου παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης - η διασπορά στα αποτελέσματα που λήφθηκαν ήταν πολύ μεγάλη (όπως φαίνεται από το σχήμα 8).

Σχέση μεταξύ υποκειμενικών αξιολογήσεων και τιμών παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης (IMD).

Ως νέο κριτήριο για την αξιολόγηση των μη γραμμικών παραμορφώσεων σε ηλεκτροακουστικό εξοπλισμό, προτάθηκε μια μέθοδος πολλαπλών τόνων, η ιστορία και οι μέθοδοι εφαρμογής της οποίας μελετήθηκαν λεπτομερώς στις εργασίες των A. G. Voishvillo et al. (υπάρχουν άρθρα στο JAES και αναφορές στο συνέδρια AES). Σε αυτήν την περίπτωση, ένα σύνολο αρμονικών από το 2ο έως το 20ο με αυθαίρετη κατανομή πλάτους και λογαριθμική κατανομή συχνότητας στην περιοχή από 1 έως 10 kHz χρησιμοποιείται ως σήμα εισόδου. Η κατανομή αρμονικής φάσης έχει βελτιστοποιηθεί για να ελαχιστοποιηθεί ο παράγοντας κορυφής του σήματος πολλαπλών τόνων. Η γενική εμφάνιση του σήματος εισόδου και η χρονική του δομή παρουσιάζονται στα Σχήματα 9α και 9β.

Φασματική (α) και χρονική (β) όψη ενός σήματος πολλαπλών τόνων

Το σήμα εξόδου περιέχει αρμονικές και ενδοδιαμορφωτικές παραμορφώσεις όλων των τάξεων. Ένα παράδειγμα τέτοιας παραμόρφωσης για ένα μεγάφωνο φαίνεται στο Σχήμα 10.

Κοινά προϊόντα αρμονικής παραμόρφωσης κατά την εφαρμογή σήματος πολλαπλών τόνων

Ένα πολυτονικό σήμα στη δομή του είναι πολύ πιο κοντά σε αληθινά σήματα μουσικής και ομιλίας· επιτρέπει σε κάποιον να αναγνωρίζει σημαντικά περισσότερα διαφορετικά προϊόντα μη γραμμικών παραμορφώσεων (κυρίως ενδοδιαμόρφωση) και συσχετίζεται καλύτερα με υποκειμενικές εκτιμήσεις της ποιότητας ήχου των ακουστικών συστημάτων. Καθώς ο αριθμός των αρμονικών συνιστωσών αυξάνεται, αυτή η μέθοδος επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει περισσότερες και πιο λεπτομερείς πληροφορίες, αλλά ταυτόχρονα αυξάνεται το υπολογιστικό κόστος. Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου απαιτεί περαιτέρω έρευνα, ιδίως την ανάπτυξη κριτηρίων και αποδεκτών προτύπων για τα επιλεγμένα προϊόντα μη γραμμικών παραμορφώσεων από τη σκοπιά των υποκειμενικών αξιολογήσεών τους.
Άλλες μέθοδοι, όπως η σειρά Voltaire, χρησιμοποιούνται επίσης για την αξιολόγηση μη γραμμικών παραμορφώσεων σε ακουστικούς μετατροπείς.
Ωστόσο, όλα αυτά δεν παρέχουν σαφή σύνδεση μεταξύ της αξιολόγησης της ποιότητας ήχου των μορφοτροπέων (μικρόφωνα, μεγάφωνα, ακουστικά συστήματα κ.λπ.) και του επιπέδου των μη γραμμικών παραμορφώσεων σε αυτούς, μετρούμενη με οποιαδήποτε από τις γνωστές αντικειμενικές μεθόδους. Ως εκ τούτου, το νέο ψυχοακουστικό κριτήριο που προτάθηκε στην έκθεση του R. Geddes στο τελευταίο συνέδριο της AES παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον. Προχώρησε από τις σκέψεις ότι οποιαδήποτε παράμετρος μπορεί να αξιολογηθεί σε αντικειμενικές μονάδες ή σύμφωνα με υποκειμενικά κριτήρια, για παράδειγμα, η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί σε βαθμούς ή σε αισθήσεις: κρύο, ζεστό, ζεστό. Η ένταση ενός ήχου μπορεί να εκτιμηθεί από το επίπεδο ηχητικής πίεσης σε dB ή μπορεί να εκτιμηθεί σε υποκειμενικές μονάδες: φόντο, ύπνος. Η αναζήτηση παρόμοιων κριτηρίων για μη γραμμικές παραμορφώσεις ήταν ο στόχος της δουλειάς του.
Όπως είναι γνωστό από την ψυχοακουστική, ένα ακουστικό βαρηκοΐας είναι ένα θεμελιωδώς μη γραμμικό σύστημα και η μη γραμμικότητά του εκδηλώνεται τόσο σε υψηλά όσο και σε χαμηλά επίπεδα σήματος. Τα αίτια της μη γραμμικότητας είναι οι υδροδυναμικές διεργασίες στον κοχλία, καθώς και η μη γραμμική συμπίεση του σήματος λόγω ειδικού μηχανισμού επιμήκυνσης των εξωτερικών τριχωτών κυττάρων. Αυτό οδηγεί στην εμφάνιση υποκειμενικών αρμονικών και συνδυαστικών τόνων κατά την ακρόαση αρμονικών ή ολικών αρμονικών σημάτων, το επίπεδο των οποίων μπορεί να φτάσει το 15...20% της στάθμης του σήματος εισόδου. Επομένως, η ανάλυση της αντίληψης των προϊόντων μη γραμμικής παραμόρφωσης που δημιουργούνται σε ηλεκτροακουστικούς μορφοτροπείς και κανάλια μετάδοσης σε ένα τόσο περίπλοκο μη γραμμικό σύστημα όπως ένα ακουστικό βαρηκοΐας είναι ένα σοβαρό πρόβλημα.
Μια άλλη θεμελιωδώς σημαντική ιδιότητα του ακουστικού συστήματος είναι το φαινόμενο κάλυψης, το οποίο συνίσταται στην αλλαγή των ορίων ακοής σε ένα σήμα παρουσία ενός άλλου (αποκάλυψης). Αυτή η ιδιότητα του ακουστικού συστήματος χρησιμοποιείται ευρέως στα σύγχρονα συστήματα για τη συμπίεση πληροφοριών ήχου κατά τη μετάδοσή τους σε διάφορα κανάλια (πρότυπα MPEG). Η πρόοδος στη μείωση του όγκου της μεταδιδόμενης πληροφορίας μέσω συμπίεσης χρησιμοποιώντας ιδιότητες ακουστικής κάλυψης υποδηλώνει ότι αυτά τα φαινόμενα έχουν επίσης μεγάλη σημασία για την αντίληψη και την αξιολόγηση των μη γραμμικών παραμορφώσεων.
Οι καθιερωμένοι νόμοι της ακουστικής κάλυψης μας επιτρέπουν να δηλώσουμε ότι:
- η κάλυψη εξαρτημάτων υψηλής συχνότητας (που βρίσκονται πάνω από τη συχνότητα του σήματος κάλυψης) εμφανίζεται πολύ πιο ισχυρή από ό,τι στην κατεύθυνση των χαμηλών συχνοτήτων.
- η κάλυψη είναι πιο έντονη για κοντινές συχνότητες (τοπικό εφέ, Εικόνα 11).
- με την αύξηση του επιπέδου του σήματος κάλυψης, η ζώνη επιρροής του επεκτείνεται, γίνεται όλο και πιο ασύμμετρη και μετατοπίζεται προς υψηλές συχνότητες.

Από αυτό μπορούμε να υποθέσουμε ότι κατά την ανάλυση των μη γραμμικών παραμορφώσεων στο ακουστικό σύστημα, τηρούνται οι ακόλουθοι κανόνες:
- τα προϊόντα μη γραμμικής παραμόρφωσης πάνω από τη θεμελιώδη συχνότητα είναι λιγότερο σημαντικά για την αντίληψη (είναι καλύτερα καλυμμένα) από τα στοιχεία χαμηλής συχνότητας.
- όσο πιο κοντά στον θεμελιώδη τόνο βρίσκονται τα προϊόντα των μη γραμμικών παραμορφώσεων, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να γίνουν αόρατες και να μην έχουν υποκειμενικό νόημα.
- πρόσθετα μη γραμμικά στοιχεία που προκύπτουν από τη μη γραμμικότητα μπορεί να είναι πολύ πιο σημαντικά για την αντίληψη σε χαμηλά επίπεδα σήματος παρά σε υψηλά επίπεδα. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 11.

Εφέ κάλυψης

Πράγματι, καθώς αυξάνεται το επίπεδο του κύριου σήματος, η ζώνη κάλυψης του επεκτείνεται και όλο και περισσότερα προϊόντα παραμόρφωσης (αρμονικές, ολικές και παραμορφώσεις διαφοράς κ.λπ.) πέφτουν σε αυτό. Σε χαμηλά επίπεδα αυτή η περιοχή είναι περιορισμένη, επομένως τα προϊόντα παραμόρφωσης υψηλότερης τάξης θα ακούγονται περισσότερο.
Κατά τη μέτρηση μη γραμμικών προϊόντων σε καθαρό τόνο, κυρίως αρμονικές με συχνότητα υψηλότερη από το κύριο σήμα n f εμφανίζονται στους μετατροπείς. Ωστόσο, χαμηλές αρμονικές με συχνότητες (1/n) f μπορούν επίσης να εμφανιστούν στα μεγάφωνα. Κατά τη μέτρηση των παραμορφώσεων ενδοδιαμόρφωσης (και με χρήση δύο σημάτων και με χρήση σημάτων πολλαπλών τόνων), προκύπτουν προϊόντα παραμόρφωσης ολικής διαφοράς - τόσο πάνω όσο και κάτω από τα κύρια σήματα m f1 ± n f2.
Λαμβάνοντας υπόψη τις αναφερόμενες ιδιότητες της ακουστικής κάλυψης, μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα: τα προϊόντα μη γραμμικών παραμορφώσεων υψηλότερων τάξεων μπορεί να είναι πιο ευδιάκριτα από τα προϊόντα χαμηλότερης τάξης. Για παράδειγμα, η πρακτική του σχεδιασμού μεγαφώνων δείχνει ότι οι αρμονικές με αριθμούς μεγαλύτερους από το πέμπτο γίνονται αντιληπτές πολύ πιο δυσάρεστα από το δεύτερο και το τρίτο, ακόμα κι αν τα επίπεδά τους είναι πολύ χαμηλότερα από αυτά των δύο πρώτων αρμονικών. Συνήθως η εμφάνισή τους γίνεται αντιληπτή ως κροτάλισμα και οδηγεί στην απόρριψη των μεγαφώνων στην παραγωγή. Η εμφάνιση υποαρμονικών με μισές και χαμηλότερες συχνότητες γίνεται επίσης άμεσα αντιληπτή από το ακουστικό σύστημα ως απόχρωση, ακόμη και σε πολύ χαμηλά επίπεδα.
Εάν η τάξη της μη γραμμικότητας είναι χαμηλή, τότε με την αύξηση της στάθμης του σήματος εισόδου, πρόσθετες αρμονικές μπορούν να καλυφθούν στο ακουστικό σύστημα και να μην γίνουν αντιληπτές ως παραμόρφωση, κάτι που επιβεβαιώνεται από την πρακτική του σχεδιασμού ηλεκτροακουστικών μετατροπέων. Τα συστήματα ηχείων με μη γραμμικό επίπεδο παραμόρφωσης 2% μπορούν να βαθμολογηθούν αρκετά ψηλά από τους ακροατές. Ταυτόχρονα, οι καλοί ενισχυτές θα πρέπει να έχουν επίπεδο παραμόρφωσης 0,01% ή χαμηλότερο, το οποίο, προφανώς, οφείλεται στο γεγονός ότι τα συστήματα ηχείων δημιουργούν προϊόντα παραμόρφωσης χαμηλής τάξης και οι ενισχυτές πολύ υψηλότερα.
Τα προϊόντα μη γραμμικής παραμόρφωσης που εμφανίζονται σε χαμηλά επίπεδα σήματος μπορεί να είναι πολύ πιο ηχητικά από ό,τι σε υψηλά επίπεδα. Αυτή η φαινομενικά παράδοξη δήλωση μπορεί επίσης να είναι σημαντική για την πρακτική, καθώς οι μη γραμμικές παραμορφώσεις σε ηλεκτροακουστικούς μετατροπείς και διαδρομές μπορούν επίσης να προκύψουν σε χαμηλά επίπεδα σήματος.
Με βάση τα παραπάνω, ο R. Geddes πρότεινε ένα νέο ψυχοακουστικό κριτήριο για την εκτίμηση των μη γραμμικών παραμορφώσεων, το οποίο έπρεπε να ικανοποιεί τις ακόλουθες απαιτήσεις: να είναι πιο ευαίσθητο σε παραμορφώσεις υψηλότερης τάξης και να έχει μεγαλύτερη σημασία για χαμηλά επίπεδα σήματος.
Το πρόβλημα ήταν να δείξουμε ότι αυτό το κριτήριο ήταν πιο συνεπές με την υποκειμενική αντίληψη της αρμονικής παραμόρφωσης από τις επί του παρόντος αποδεκτές μεθόδους αξιολόγησης: συντελεστής ολικής παραμόρφωσης αρμονικής και συντελεστής παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης σε σήματα δύο ή πολλών τόνων.
Για το σκοπό αυτό, διεξήχθη μια σειρά υποκειμενικών εξετάσεων, οργανωμένων ως εξής: τριάντα τέσσερις ειδικοί με δοκιμασμένα όρια ακοής (μέση ηλικία 21 ετών) συμμετείχαν σε μια μεγάλη σειρά πειραμάτων που αξιολογούσαν την ποιότητα ήχου των μουσικών αποσπασμάτων (για παράδειγμα, άνδρες φωνητικά με συμφωνική μουσική), στα οποία έχουν εισαχθεί διάφοροι τύποι μη γραμμικών παραμορφώσεων. Αυτό έγινε με «συνέλιξη» του δοκιμαστικού σήματος με μη γραμμικές λειτουργίες μεταφοράς χαρακτηριστικές διαφόρων τύπων μετατροπέων (μεγάφωνα, μικρόφωνα, στερεοφωνικά τηλέφωνα κ.λπ.).
Πρώτον, χρησιμοποιήθηκαν ημιτονοειδή σήματα ως ερεθίσματα, «συνεπλάκησαν» με διάφορες συναρτήσεις μεταφοράς και προσδιορίστηκε ο συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν δύο ημιτονοειδή σήματα και υπολογίστηκαν οι συντελεστές παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης. Τέλος, ο πρόσφατα προτεινόμενος συντελεστής Gm προσδιορίστηκε απευθείας από τις δεδομένες συναρτήσεις μεταφοράς. Οι αποκλίσεις αποδείχθηκαν πολύ σημαντικές: για παράδειγμα, για την ίδια συνάρτηση μεταφοράς, το SOI είναι 1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Αυτή η διαφορά είναι φυσικά εξηγήσιμη, καθώς οι Kim και Gm λαμβάνουν υπόψη πολλά περισσότερα προϊόντα μη γραμμικής παραμόρφωσης υψηλής τάξης.
Πραγματοποιήθηκαν ακουστικά πειράματα σε στερεοφωνικά τηλέφωνα με εύρος 20 Hz...16 kHz, ευαισθησία 108 dB, μέγ. SPL 122 dB. Η υποκειμενική βαθμολογία δόθηκε σε μια κλίμακα επτά σημείων για κάθε μουσικό κομμάτι, από "πολύ καλύτερο" από το τμήμα αναφοράς (δηλαδή, το μουσικό κομμάτι "κατέρρευσε" με μια γραμμική συνάρτηση μεταφοράς) έως "πολύ χειρότερο". Η στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων της ακουστικής αξιολόγησης κατέστησε δυνατό να δημιουργηθεί ένας αρκετά υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των μέσων τιμών των υποκειμενικών εκτιμήσεων και της τιμής του συντελεστή Gm, ο οποίος αποδείχθηκε ότι είναι ίσος με 0,68. Ταυτόχρονα, για το SOI ήταν 0,42 και για τον Kim - 0,34 (για αυτή τη σειρά πειραμάτων).
Έτσι, η σύνδεση μεταξύ του προτεινόμενου κριτηρίου και των υποκειμενικών αξιολογήσεων της ποιότητας του ήχου αποδείχθηκε ότι ήταν σημαντικά υψηλότερη από αυτή άλλων συντελεστών (Εικόνα 12).

Σχέση συντελεστή Gm και υποκειμενικές εκτιμήσεις

Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι ένας ηλεκτροακουστικός μορφοτροπέας με Gm μικρότερο από 1% μπορεί να θεωρηθεί αρκετά ικανοποιητικός όσον αφορά την ποιότητα του ήχου με την έννοια ότι οι μη γραμμικές παραμορφώσεις σε αυτόν είναι πρακτικά μη ακουστές.
Φυσικά, αυτά τα αποτελέσματα δεν επαρκούν ακόμη για να αντικαταστήσουν το προτεινόμενο κριτήριο με τις παραμέτρους που είναι διαθέσιμες στα πρότυπα, όπως ο συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης και ο συντελεστής παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης, αλλά εάν τα αποτελέσματα επιβεβαιωθούν από περαιτέρω πειράματα, τότε ίσως αυτό ακριβώς θα συμβεί .
Η αναζήτηση για άλλα νέα κριτήρια συνεχίζεται επίσης ενεργά, καθώς η απόκλιση μεταξύ των υφιστάμενων παραμέτρων (ιδίως του συντελεστή αρμονικής παραμόρφωσης, που αξιολογεί μόνο τις δύο πρώτες αρμονικές) και της υποκειμενικά αντιληπτής ποιότητας ήχου γίνεται όλο και πιο εμφανής καθώς βελτιώνεται η συνολική ποιότητα του ηχητικού εξοπλισμού.
Προφανώς, περαιτέρω τρόποι επίλυσης αυτού του προβλήματος θα οδηγήσουν στη δημιουργία υπολογιστικών μοντέλων του ακουστικού συστήματος, λαμβάνοντας υπόψη τις μη γραμμικές διεργασίες και τα εφέ κάλυψης σε αυτό. Το Ινστιτούτο Ακουστικής Επικοινωνίας στη Γερμανία εργάζεται σε αυτόν τον τομέα υπό την ηγεσία του D. Blauert, για το οποίο γράφτηκε ήδη σε άρθρο αφιερωμένο στο 114ο Συνέδριο της AES. Χρησιμοποιώντας αυτά τα μοντέλα, θα είναι δυνατό να αξιολογηθεί η ακρόαση διαφόρων τύπων μη γραμμικών παραμορφώσεων σε πραγματική μουσική και σήματα ομιλίας. Ωστόσο, ενώ δεν έχουν ακόμη δημιουργηθεί, οι αξιολογήσεις των μη γραμμικών παραμορφώσεων στον εξοπλισμό θα γίνουν χρησιμοποιώντας απλοποιημένες μεθόδους που θα είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στις πραγματικές ακουστικές διεργασίες.