Comment le facteur de distorsion non linéaire est-il déterminé ? Distorsions non linéaires. Puissance maximale à long terme

Signal d'entrée, à la somme quadratique moyenne des composantes spectrales du signal d'entrée, un synonyme non standardisé est parfois utilisé - facteur clair(emprunté à l'allemand). Le SOI est une quantité sans dimension, généralement exprimée en pourcentage. En plus du SOI, le niveau de distorsion non linéaire peut être exprimé en utilisant facteur de distorsion harmonique.

Facteur de distorsion harmonique- une valeur exprimant le degré de distorsion non linéaire d'un appareil (amplificateur, etc.), égale au rapport de la tension efficace de la somme des harmoniques supérieures du signal, sauf la première, à la tension de la première harmonique lorsque un signal sinusoïdal est appliqué à l'entrée de l'appareil.

Le coefficient harmonique, comme le SOI, est exprimé en pourcentage. Distorsion harmonique ( KG) est lié au CNI ( KN) rapport:

Des mesures

• Dans la gamme des basses fréquences (LF) (jusqu'à 100-200 kHz), des distorsimètres non linéaires (distorsimètres harmoniques) sont utilisés pour mesurer le SOI.
• Aux fréquences plus élevées (MF, HF), des mesures indirectes sont utilisées à l'aide d'analyseurs de spectre ou de voltmètres sélectifs.

Valeurs SOI typiques

• 0% - la forme d'onde est une onde sinusoïdale idéale.
• 3% - la forme du signal est différente de la sinusoïdale, mais la distorsion n'est pas perceptible à l'œil nu.
• 5% - l'écart de la forme du signal par rapport à la forme sinusoïdale est perceptible à l'œil nu sur l'oscillogramme.
• 10 % est le niveau de distorsion standard auquel la puissance réelle (RMS) de l'UMZCH est calculée.
• 21% - par exemple, un signal trapézoïdal ou étagé.
• 43% - par exemple, un signal carré.

voir également

Littérature

• Manuel des appareils radio-électroniques: En 2 volumes ; Éd. D. P. Linde - M. : Énergie,
• Gorokhov P.K. Dictionnaire explicatif de la radioélectronique. Termes de base- M : Rus. langue,

Liens

• PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES DU CANAL DE TRANSMISSION DU SON

Fondation Wikimédia. 2010.

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facteur de distorsion non linéaire admissible- - [L.G. Sumenko. Dictionnaire anglais-russe sur les technologies de l'information. M. : Entreprise d'État TsNIIS, 2003.] Thèmes technologies de l'information en général EN tolérance harmonique... Guide du traducteur technique

- (distorsion harmonique) un appareil permettant de mesurer le coefficient de distorsion non linéaire (distorsion harmonique) des signaux dans les appareils radio. Contenu... Wikipédia

DANS Toute l'histoire de la reproduction sonore a été constituée de tentatives visant à rapprocher l'illusion de l'original. Et même si un long chemin a été parcouru, nous sommes encore très, très loin d’aborder pleinement le son live. Les différences dans de nombreux paramètres peuvent être mesurées, mais bon nombre d’entre elles restent encore hors du champ de vision des développeurs d’équipements. L’une des principales caractéristiques auxquelles un consommateur, quel que soit son parcours, prête toujours attention est facteur de distorsion non linéaire (THD) .

Et quelle valeur de ce coefficient indique assez objectivement la qualité de l'appareil ? Ceux qui sont impatients trouveront peut-être immédiatement à la fin une tentative de réponse à cette question. Pour le reste, nous continuerons.
Ce coefficient, également appelé coefficient de distorsion harmonique totale, est le rapport, exprimé en pourcentage, de l'amplitude efficace des composantes harmoniques en sortie d'un appareil (amplificateur, magnétophone, etc.) sur l'amplitude efficace de le signal de fréquence fondamentale lorsqu'un signal sinusoïdal de cette fréquence est appliqué à l'entrée de l'appareil. Ainsi, il permet de quantifier la non-linéarité de la caractéristique de transfert, qui se manifeste par l'apparition dans le signal de sortie de composantes spectrales (harmoniques) absentes dans le signal d'entrée. En d’autres termes, il y a un changement qualitatif dans le spectre du signal musical.

Aux distorsions harmoniques objectives présentes dans le signal sonore audible s'ajoute le problème des distorsions qui ne sont pas présentes dans le son réel, mais qui sont ressenties en raison des harmoniques subjectives qui surviennent dans la cochlée de l'oreille moyenne à haute fréquence. valeurs de pression acoustique. L'aide auditive humaine est un système non linéaire. La non-linéarité de l'audition se manifeste par le fait que lorsque le tympan est exposé à un son sinusoïdal de fréquence f en aide auditive les harmoniques de ce son sont générées avec les fréquences 2f, 3f, etc. Puisque ces harmoniques ne sont pas présentes dans la tonalité d’influence principale, elles sont appelées harmoniques subjectives.

Naturellement, cela complique encore l'idée du niveau maximal admissible d'harmoniques dans le chemin audio. À mesure que l’intensité du ton primaire augmente, l’ampleur des harmoniques subjectives augmente fortement et peut même dépasser l’intensité du ton primaire. Cette circonstance permet de supposer que les sons d'une fréquence inférieure à 100 Hz ne sont pas ressentis par eux-mêmes, mais en raison des harmoniques subjectives qu'ils créent, tombant dans la gamme de fréquences supérieure à 100 Hz, c'est-à-dire en raison de la non-linéarité de l’audition. Les raisons physiques des distorsions matérielles qui en résultent dans différents appareils sont de nature différente, et la contribution de chacun aux distorsions globales de l'ensemble du chemin n'est pas la même.

La distorsion des lecteurs de CD modernes est très faible et presque imperceptible par rapport à celle des autres appareils. Pour les systèmes de haut-parleurs, la distorsion basse fréquence provoquée par la tête de basse est la plus importante, et la norme spécifie des exigences uniquement pour les deuxième et troisième harmoniques dans la plage de fréquences allant jusqu'à 250 Hz. Et pour un très bon son système de haut-parleurs ils peuvent être inférieurs à 1% ou même légèrement plus. Dans les magnétophones analogiques, le principal problème associé à fondations physiques enregistrement sur bande magnétique, est la troisième harmonique dont les valeurs sont généralement indiquées dans les instructions de mixage. Mais la valeur maximale à laquelle, par exemple, les mesures du niveau de bruit sont toujours effectuées est de 3 % pour une fréquence de 333 Hz. La distorsion de la partie électronique des magnétophones est bien moindre.
Tant dans le cas des enregistreurs acoustiques que des magnétophones analogiques, du fait que les distorsions sont principalement à basse fréquence, leur perceptibilité subjective est considérablement réduite en raison de l'effet de masquage (qui consiste dans le fait que de deux signaux sonores simultanément, plus -la fréquence 1 est mieux entendue).

Ainsi, la principale source de distorsion dans votre circuit sera l'amplificateur de puissance, dans lequel, à son tour, la source principale est la non-linéarité des caractéristiques de transfert des éléments actifs : transistors et tubes à vide, et dans les amplificateurs à transformateur, les distorsions non linéaires du transformateur sont également ajoutés, liés à la non-linéarité de la courbe d'aimantation. Il est évident que la distorsion dépend d’une part de la forme de la non-linéarité de la caractéristique de transfert, mais également de la nature du signal d’entrée.

Par exemple, la caractéristique de transfert d'un amplificateur avec un écrêtage doux à de grandes amplitudes ne provoquera aucune distorsion pour les signaux sinusoïdaux inférieurs au niveau d'écrêtage, mais à mesure que le signal augmente au-dessus de ce niveau, une distorsion apparaît et augmentera. Ce type de limitation est inhérent principalement aux amplificateurs à tubes, ce qui peut dans une certaine mesure constituer l'une des raisons de la préférence des auditeurs pour de tels amplificateurs. Et cette fonctionnalité a été utilisée par NAD dans une série de ses célèbres amplificateurs à « limitation douce », produits depuis le début des années 80 : la possibilité d'activer un mode avec imitation d'écrêtage de tubes a créé une grande armée de fans d'amplificateurs à transistors de cette société. .
En revanche, la caractéristique de coupure centrale (distorsion pas à pas) de l'amplificateur, typique des modèles à transistors, provoque une distorsion des signaux musicaux et des petits signaux sinusoïdaux, et la distorsion diminue à mesure que le niveau du signal augmente. Ainsi, la distorsion dépend non seulement de la forme des caractéristiques de transfert, mais également de la distribution statistique des niveaux des signaux d'entrée, qui pour programmes musicaux proche du signal de bruit. Par conséquent, en plus de mesurer le SOI à l'aide d'un signal sinusoïdal, il est possible de mesurer les distorsions non linéaires des dispositifs d'amplification en utilisant la somme de trois signaux sinusoïdaux ou de bruit, ce qui, à la lumière de ce qui précède, donne une image plus objective des distorsions.

Facteur de distorsion non linéaire(SOI ou KN) - valeur pour l'évaluation quantitative des distorsions non linéaires.

Définition [ | ]

Le facteur de distorsion non linéaire est égal au rapport de la somme efficace des composantes spectrales du signal de sortie qui sont absentes dans le spectre du signal d'entrée à la somme efficace de toutes les composantes spectrales de l'entrée. signal

Le SOI est une quantité sans dimension et est généralement exprimé en pourcentage. En plus du SOI, le niveau de distorsion non linéaire est souvent exprimé par facteur de distorsion harmonique(KGI ou KG) - une valeur exprimant le degré de distorsion non linéaire d'un appareil (amplificateur, etc.) et égale au rapport de la tension efficace de la somme des harmoniques supérieures du signal, sauf la première, à la tension de la première harmonique lorsqu'un signal sinusoïdal est appliqué à l'entrée de l'appareil.

KGI, tout comme KNI, s'exprime en pourcentage et lui est lié par le ratio

Il est évident que pour de petites valeurs le THI et le SOI coïncident en première approximation. Il est intéressant de noter que dans la littérature occidentale, le CGI est généralement utilisé, alors que dans la littérature russe, le CNI est traditionnellement préféré.

Il est également important de noter que KNI et KGI ne sont que des mesures quantitatives de distorsion, mais pas de haute qualité. Par exemple, une valeur THD égale à 3% ne dit rien sur la nature de la distorsion, c'est à dire sur la façon dont les harmoniques sont réparties dans le spectre du signal et quelle est, par exemple, la contribution des composants basse fréquence ou haute fréquence. Ainsi, dans les spectres des UMZCH à tubes, les harmoniques inférieures prédominent généralement, ce qui est souvent perçu à l'oreille comme un « son de tube chaud », et dans les UMZCH à transistors, les distorsions sont réparties plus uniformément sur le spectre, et elles sont plus plates, ce qui est souvent perçu comme un « son typique de transistor » (bien que ce débat dépende en grande partie des sentiments et habitudes personnels d’une personne).

Exemples de calcul de CGI[ | ]

Pour de nombreux signaux standards, le THD peut être calculé analytiquement. Donc, pour un signal rectangulaire symétrique (méandre)

Idéal signal en dents de scie a KGI

et triangulaire symétrique

Un signal d'impulsion rectangulaire asymétrique avec un rapport durée d'impulsion/période égal à μ a KGI

qui atteint un minimum (≈0,483) à μ =0,5, soit lorsque le signal devient un méandre symétrique. D'ailleurs, en filtrant on peut obtenir une réduction significative du THD de ces signaux, et ainsi obtenir des signaux de forme proche de la sinusoïdale. Par exemple, un signal rectangulaire symétrique (méandre) avec un THD initial de 48,3 %, après passage dans un filtre Butterworth du second ordre (avec une fréquence de coupure égale à la fréquence de l'harmonique fondamentale) a un THD de 5,3 %, et si un filtre de quatrième ordre - alors THD = 0,6% . Il convient de noter que plus le signal à l'entrée du filtre et plus le filtre lui-même (ou plutôt sa fonction de transfert) est complexe, plus les calculs TCG seront lourds et longs. Ainsi, un signal standard en dents de scie traversant un filtre Butterworth du premier ordre présente un THD non plus de 80,3% mais de 37,0%, ce qui est exactement donné par l'expression suivante

Et le TCG du même signal, passé à travers le même filtre, mais du second ordre, sera déjà donné par une formule assez lourde

Si l'on considère le signal d'impulsion rectangulaire asymétrique mentionné ci-dessus passé à travers le filtre Butterworth p-ième ordre, alors

où 0<μ <1 и

pour plus de détails sur les calculs, voir Yaroslav Blagushin et Eric Moreau.

Des mesures [ | ]

• Dans la gamme des basses fréquences (BF), des distorsimètres non linéaires (distorsimètres harmoniques) sont utilisés pour mesurer le SOI.
• Aux fréquences plus élevées (MF, HF), des mesures indirectes sont utilisées à l'aide d'analyseurs de spectre ou de voltmètres sélectifs.

Le paramètre principal d'un amplificateur électronique est le gain K. Le gain de puissance (tension, courant) est déterminé par le rapport de la puissance (tension, courant) du signal de sortie à la puissance (tension, courant) du signal d'entrée et caractérise les propriétés amplificatrices du circuit. Les signaux de sortie et d'entrée doivent être exprimés dans les mêmes unités quantitatives, le gain est donc une quantité sans dimension.

En l'absence d'éléments réactifs dans le circuit, ainsi que sous certains modes de fonctionnement, lorsque leur influence est exclue, le gain est une valeur réelle qui ne dépend pas de la fréquence. Dans ce cas, le signal de sortie répète la forme du signal d'entrée et n'en diffère de K fois qu'en amplitude. Dans la présentation ultérieure du matériel, nous parlerons du module de gain, sauf réserves particulières.

En fonction des exigences relatives aux paramètres de sortie de l'amplificateur de signal alternatif, on distingue les facteurs de gain :

a) par tension, défini comme le rapport de l'amplitude de la composante alternative de la tension de sortie à l'amplitude de la composante alternative de la tension d'entrée, c'est-à-dire

b) par le courant, qui est déterminé par le rapport de l'amplitude de la composante alternative du courant de sortie à l'amplitude de la composante alternative du courant d'entrée :

c) par le pouvoir

Depuis , le gain de puissance peut être déterminé comme suit :

S'il y a des éléments réactifs dans le circuit (condensateurs, inductances), le gain doit être considéré comme une valeur complexe

où m et n sont les composantes réelles et imaginaires, en fonction de la fréquence du signal d'entrée :

Supposons que le gain K ne dépend pas de l'amplitude du signal d'entrée. Dans ce cas, lorsqu'un signal sinusoïdal est appliqué à l'entrée de l'amplificateur, le signal de sortie aura également une forme sinusoïdale, mais différera de l'entrée en amplitude de K fois et en phase d'un angle.

Selon le théorème de Fourier, un signal périodique de forme complexe peut être représenté comme la somme d'un nombre fini ou infiniment grand de composantes harmoniques ayant des amplitudes, des fréquences et des phases différentes. Puisque K est une quantité complexe, les amplitudes et les phases des composantes harmoniques du signal d'entrée lors du passage dans l'amplificateur changent différemment et le signal de sortie aura une forme différente de celle de l'entrée.

La distorsion d'un signal lors de son passage dans un amplificateur, provoquée par la dépendance des paramètres de l'amplificateur à la fréquence et indépendante de l'amplitude du signal d'entrée, est appelée distorsion linéaire. À leur tour, les distorsions linéaires peuvent être divisées en distorsions de fréquence (caractérisant la modification du module de gain K dans la bande de fréquences due à l'influence des éléments réactifs dans le circuit) ; phase (caractérisant la dépendance du déphasage entre les signaux de sortie et d'entrée sur la fréquence en raison de l'influence des éléments réactifs).

La distorsion de fréquence d'un signal peut être évaluée à l'aide de la caractéristique amplitude-fréquence, qui exprime la dépendance du module de gain en tension sur la fréquence. La réponse amplitude-fréquence de l'amplificateur est représentée sous sa forme générale sur la figure. 1.2. La plage de fréquences de fonctionnement de l'amplificateur, dans laquelle le gain peut être considéré comme constant avec un certain degré de précision, se situe entre les fréquences limites les plus basses et les plus élevées et est appelée bande passante. Les fréquences de coupure déterminent la réduction du gain d'une quantité donnée par rapport à sa valeur maximale à la fréquence moyenne.

En introduisant le coefficient de distorsion fréquentielle à une fréquence donnée,

où est le gain de tension à une fréquence donnée, vous pouvez utiliser la caractéristique amplitude-fréquence pour déterminer la distorsion de fréquence dans n'importe quelle plage de fréquences de fonctionnement de l'amplificateur.

Étant donné que nous avons les plus grandes distorsions de fréquence aux limites de la plage de fonctionnement, lors du calcul d'un amplificateur, en règle générale, les coefficients de distorsion de fréquence sont définis aux fréquences limites les plus basses et les plus élevées, c'est-à-dire

où sont respectivement les gains de tension aux fréquences de coupure les plus élevées et les plus basses.

Habituellement pris, c'est-à-dire aux fréquences limites, le gain de tension diminue jusqu'à un niveau de 0,707 de la valeur de gain à la fréquence moyenne. Dans de telles conditions, la bande passante des amplificateurs audio conçus pour reproduire la parole et la musique se situe entre 30 et 20 000 Hz. Pour les amplificateurs utilisés en téléphonie, une bande passante plus étroite de 300 à 3 400 Hz est acceptable. Pour amplifier les signaux pulsés, il est nécessaire d'utiliser des amplificateurs dits à large bande, dont la bande passante est comprise dans la gamme de fréquences allant des dizaines ou unités de hertz à des dizaines voire des centaines de mégahertz.

Pour évaluer la qualité d'un amplificateur, le paramètre est souvent utilisé

Pour les amplificateurs à large bande, donc

Le contraire des amplificateurs à large bande sont les amplificateurs sélectifs, dont le but est d'amplifier les signaux dans une bande de fréquences étroite (Fig. 1.3).

Les amplificateurs conçus pour amplifier des signaux avec des fréquences arbitrairement basses sont appelés amplificateurs CC. D'après la définition, il ressort clairement que la fréquence de coupure la plus basse de la bande passante d'un tel amplificateur est nulle. La réponse amplitude-fréquence de l'amplificateur DC est illustrée à la Fig. 1.4.

La caractéristique phase-fréquence montre comment l'angle de déphasage entre les signaux de sortie et d'entrée change lorsque la fréquence change et détermine la distorsion de phase.

Il n'y a pas de distorsion de phase lorsque la caractéristique phase-fréquence est linéaire (ligne pointillée sur la Fig. 1.5), puisque dans ce cas chaque composante harmonique du signal d'entrée, lorsqu'elle traverse l'amplificateur, est décalée dans le temps du même intervalle. L'angle de déphasage entre les signaux d'entrée et de sortie est proportionnel à la fréquence

où est le coefficient de proportionnalité, qui détermine l'angle d'inclinaison de la caractéristique par rapport à l'axe des abscisses.

La caractéristique phase-fréquence d'un amplificateur réel est représentée sur la Fig. 1,5 avec une ligne continue. De la fig. 1.5, on peut voir que dans la bande passante de l’amplificateur, la distorsion de phase est minime, mais augmente fortement dans la région des fréquences limites.

Si le gain dépend de l'amplitude du signal d'entrée, des distorsions non linéaires du signal amplifié se produisent en raison de la présence dans l'amplificateur d'éléments ayant des caractéristiques courant-tension non linéaires.

En spécifiant la loi du changement, il est possible de concevoir des amplificateurs non linéaires dotés de certaines propriétés. Laissez le gain être déterminé par la dépendance , où est le coefficient de proportionnalité.

Ensuite, lorsqu'un signal d'entrée sinusoïdal est appliqué à l'entrée de l'amplificateur, le signal de sortie de l'amplificateur

où sont l'amplitude et la fréquence du signal d'entrée.

La première composante harmonique dans l'expression (1.6) représente le signal utile, les autres sont le résultat de distorsions non linéaires.

La distorsion non linéaire peut être évaluée à l'aide de ce que l'on appelle la distorsion harmonique.

où sont respectivement les valeurs d'amplitude de la puissance, de la tension et du courant des composantes harmoniques.

L'index détermine le numéro harmonique. Habituellement, seules les deuxième et troisième harmoniques sont prises en compte, car les valeurs d'amplitude des puissances des harmoniques supérieures sont relativement faibles.

Les distorsions linéaires et non linéaires caractérisent la précision de la reproduction par l'amplificateur de la forme du signal d'entrée.

La caractéristique d'amplitude des réseaux à quatre bornes constitués uniquement d'éléments linéaires, quelle que soit leur valeur, est théoriquement une ligne droite inclinée. En pratique, la valeur maximale est limitée par la tenue électrique des éléments du réseau quadripolaire. La caractéristique d'amplitude d'un amplificateur réalisé sur des appareils électroniques (Fig. 1.6) est, en principe, non linéaire, mais peut contenir des sections OA où la courbe est approximativement linéaire avec un degré élevé de précision. La plage de fonctionnement du signal d'entrée ne doit pas dépasser la partie linéaire (LA) de la caractéristique d'amplitude de l'amplificateur, sinon la distorsion non linéaire dépassera le niveau admissible.

Distorsion harmonique totale (THD)​

Irina Aldoshina

Tous les convertisseurs électroacoustiques (haut-parleurs, microphones, téléphones, etc.), ainsi que les canaux de transmission, introduisent leurs distorsions dans le signal sonore transmis, c'est-à-dire que le signal sonore perçu n'est toujours pas identique à l'original. L'idéologie de la création d'équipements sonores, appelés dans les années 60 High-Fidelity, « haute fidélité » au son live, n'a en grande partie pas atteint son objectif. Au cours de ces années, les niveaux de distorsion du signal audio dans les équipements étaient encore très élevés, et il semblait qu'il suffisait de les réduire - et le son reproduit par l'équipement serait pratiquement impossible à distinguer de l'original.

Cependant, malgré les progrès dans la conception et le développement de la technologie, qui ont conduit à une réduction significative des niveaux de tous types de distorsion dans les équipements audio, il n'est toujours pas particulièrement difficile de distinguer le son naturel du son reproduit. C'est pourquoi, à l'heure actuelle, dans divers pays, des instituts de recherche, des universités et des entreprises manufacturières mènent de nombreux travaux sur l'étude de la perception auditive et l'évaluation subjective de divers types de distorsions. Sur la base des résultats de ces études, de nombreux articles et rapports scientifiques sont publiés. Presque tous les congrès de l'AES présentent des communications sur ce sujet. Certains résultats modernes obtenus au cours des deux ou trois dernières années sur les problèmes de perception subjective et d'évaluation des distorsions non linéaires du signal audio dans les équipements audio seront présentés dans cet article.

Lors de l'enregistrement, de la transmission et de la lecture de signaux musicaux et vocaux via un équipement audio, des distorsions dans la structure temporelle du signal se produisent, qui peuvent être divisées en linéaires et non linéaires.

Distorsion linéaire modifier les relations d'amplitude et de phase entre les composantes spectrales existantes du signal d'entrée et, de ce fait, déformer sa structure temporelle. Ce type de distorsion est subjectivement perçu comme une distorsion du timbre du signal, et donc les problèmes de leur réduction et les évaluations subjectives de leur niveau ont fait l'objet d'une grande attention de la part des spécialistes tout au long de la période de développement de l'ingénierie audio.

L'exigence d'absence de distorsion linéaire du signal dans l'équipement audio peut être écrite sous la forme :

Y(t) = K x(t - T), où x(t) est le signal d'entrée, y(t) est le signal de sortie.

Cette condition permet uniquement une modification du signal sur une échelle avec un coefficient K et son décalage temporel d'une quantité T. Elle définit une relation linéaire entre les signaux d'entrée et de sortie et conduit à l'exigence que la fonction de transfert H(ω), qui est compris comme un rapport dépendant de la fréquence des amplitudes de signaux complexes à la sortie et à l'entrée du système sous des influences harmoniques, dont l'amplitude était constante et avait une dépendance linéaire de l'argument (c'est-à-dire la phase) sur la fréquence | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Puisque la fonction 20·lg | H(ω) | est appelée la réponse amplitude-fréquence du système (AFC), et φ(ω) est la réponse phase-fréquence (PFC), assurant ainsi un niveau constant d'AFC dans la plage de fréquences reproduite (réduisant ses irrégularités) dans les microphones, acoustiques systèmes, etc. est la principale exigence pour améliorer leur qualité. Leurs méthodes de mesure sont incluses dans toutes les normes internationales, par exemple IEC268-5. Un exemple de réponse en fréquence d'une unité de commande moderne de Marantz avec une irrégularité de 2 dB est illustré à la figure 1.

Réponse en fréquence du moniteur de contrôle Marantz

Il convient de noter qu'une telle réduction de l'ampleur des irrégularités de la réponse en fréquence est une énorme réussite dans la conception d'équipements audio (par exemple, les moniteurs de contrôle présentés à l'exposition de Bruxelles en 1956 avaient une irrégularité de 15 dB), ce qui est devenu possible grâce à l'utilisation de nouvelles technologies, matériaux et méthodes de conception.

L'influence d'une réponse en fréquence inégale (et d'une réponse en phase) sur la distorsion subjectivement perçue du timbre sonore a été étudiée de manière suffisamment détaillée. Nous tenterons de passer en revue les principaux résultats obtenus dans le futur.

Distorsion non linéaire se caractérisent par l'apparition dans le spectre du signal de nouvelles composantes absentes du signal d'origine, dont le nombre et les amplitudes dépendent de l'évolution du niveau d'entrée. L'apparition de composantes supplémentaires dans le spectre est due à la dépendance non linéaire du signal de sortie sur l'entrée, c'est-à-dire à la non-linéarité de la fonction de transfert. Des exemples d'une telle dépendance sont présentés à la figure 2.

Différents types de fonctions de transfert non linéaires dans le matériel

La non-linéarité peut être due à la conception et aux caractéristiques technologiques des transducteurs électroacoustiques.

Par exemple, dans les haut-parleurs électrodynamiques (Figure 3), les principales raisons sont les suivantes :

Conception de haut-parleurs électrodynamiques

Caractéristiques élastiques non linéaires de la suspension et de la rondelle de centrage (un exemple de la dépendance de la flexibilité des suspensions dans un haut-parleur sur l'ampleur du déplacement de la bobine mobile est illustré à la Figure 4) ;

Dépendance de la flexibilité de la suspension sur la valeur de déplacement de la bobine acoustique

Dépendance non linéaire du déplacement de la bobine mobile sur la tension appliquée en raison de l'interaction de la bobine avec le champ magnétique et des processus thermiques dans les haut-parleurs ;
- oscillations non linéaires du diaphragme avec une grande ampleur de la force agissante ;
- les vibrations des parois du logement ;
- Effet Doppler lors de l'interaction de différents émetteurs dans un système acoustique.
Des distorsions non linéaires se produisent dans presque tous les éléments du chemin audio : microphones, amplificateurs, crossovers, processeurs d'effets, etc.
La relation entre les signaux d'entrée et de sortie illustrée à la figure 2 (par exemple, entre la tension appliquée et la pression acoustique pour un haut-parleur) peut être approchée sous la forme d'un polynôme :
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Si un signal harmonique est appliqué à un tel système non linéaire, c'est-à-dire x(t) = A sin ωt, alors le signal de sortie contiendra des composantes de fréquences ω, 2ω, 3ω, ..., nω, etc. limitons-nous seulement à un terme quadratique, alors des secondes harmoniques apparaîtront, car
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + const.
Dans les convertisseurs réels, lorsqu'un signal harmonique est fourni, des harmoniques du deuxième, du troisième ordre et des ordres supérieurs, ainsi que des sous-harmoniques (1/n) ω, peuvent apparaître (Figure 5).

Pour mesurer ce type de distorsion, les méthodes les plus utilisées consistent à mesurer le niveau d'harmoniques supplémentaires dans le signal de sortie (généralement seulement la deuxième et la troisième).
Conformément aux normes internationales et nationales, la réponse en fréquence des deuxième et troisième harmoniques est enregistrée dans des chambres anéchoïques et le coefficient de distorsion harmonique d'ordre n est mesuré :
KГn = pfn / pav·100 %
où pfn est la valeur quadratique moyenne de la pression acoustique correspondant à la composante n-harmonique. Il permet de calculer le coefficient de distorsion harmonique totale :
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
Par exemple, conformément aux exigences de la norme CEI 581-7, pour les systèmes de haut-parleurs Hi-Fi, le facteur de distorsion harmonique totale ne doit pas dépasser 2 % dans la plage de fréquences 250 ... 1 000 Hz et 1 % dans la plage supérieure à 2 000 Hz. . Un exemple du facteur de distorsion harmonique pour un subwoofer de 300 mm (12") de diamètre en fonction de la fréquence pour différentes tensions d'entrée variant de 10 à 32 V est présenté dans la Figure 6.

Dépendance du THD sur la fréquence pour différentes valeurs de tension d'entrée

Il convient de noter que le système auditif est extrêmement sensible à la présence de distorsions non linéaires dans les transducteurs acoustiques. La « visibilité » des composantes harmoniques dépend de leur ordre ; en particulier, l’audition est plus sensible aux composantes impaires. Avec une écoute répétée, la perception des distorsions non linéaires devient plus aiguë, notamment lors de l'écoute d'instruments de musique individuels. La région fréquentielle de sensibilité auditive maximale à ces types de distorsions se situe dans la plage de 1 à 2 kHz, où le seuil de sensibilité est de 1 à 2 %.
Cependant, cette méthode d'évaluation de la non-linéarité ne permet pas de prendre en compte tous les types de produits non linéaires apparaissant lors de la conversion d'un signal audio réel. Par conséquent, il peut arriver qu'un système d'enceintes avec un THD de 10 % soit subjectivement évalué en termes de qualité sonore supérieure à celui d'un système avec un THD de 1 % en raison de l'influence d'harmoniques plus élevées.
Par conséquent, la recherche d'autres moyens d'évaluer les distorsions non linéaires et leur corrélation avec des évaluations subjectives se poursuit en permanence. Ceci est particulièrement pertinent à l'heure actuelle, lorsque les niveaux de distorsions non linéaires ont considérablement diminué et que pour les réduire davantage, il est nécessaire de connaître les seuils d'audibilité réels, car la réduction des distorsions non linéaires dans les équipements nécessite des coûts économiques importants.
Parallèlement aux mesures des composantes harmoniques, des méthodes de mesure de la distorsion d'intermodulation sont utilisées dans la pratique de la conception et de l'évaluation des équipements électroacoustiques. La technique de mesure est présentée dans GOST 16122-88 et CEI 268-5 et est basée sur la fourniture à l'émetteur de deux signaux sinusoïdaux avec les fréquences f1 et f2, où f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Le coefficient de distorsion d'intermodulation totale est déterminé dans ce cas comme suit :
Kim = (ΣnKimn²)1/2
où kim = /pcp.
La cause de la distorsion d'intermodulation est la relation non linéaire entre les signaux de sortie et d'entrée, c'est-à-dire la caractéristique de transfert non linéaire. Si deux signaux harmoniques sont appliqués à l’entrée d’un tel système, alors le signal de sortie contiendra des harmoniques d’ordres supérieurs et des tonalités de différence de somme de différents ordres.
Le type de signal de sortie prenant en compte les non-linéarités d'ordres supérieurs est illustré à la figure 5.

Produits de distorsion non linéaire dans les haut-parleurs

Les caractéristiques de la dépendance du coefficient de distorsion d'intermodulation sur la fréquence pour un haut-parleur basse fréquence avec des bobines mobiles de différentes longueurs sont illustrées à la figure 7 (a - pour une bobine plus longue, b - pour une plus courte).

Dépendance de la distorsion d'intermodulation (IMD) sur la fréquence pour un haut-parleur avec une bobine longue (a) et courte (b)

Comme indiqué ci-dessus, conformément aux normes internationales, seuls les coefficients de distorsion d'intermodulation du deuxième et du troisième ordre sont mesurés dans l'équipement. Les mesures de distorsion d'intermodulation peuvent être plus informatives que les mesures de distorsion harmonique car elles constituent une mesure de non-linéarité plus sensible. Cependant, comme le montrent les expériences réalisées dans les travaux de R. Geddes (rapport au 115e Congrès de l'AES à New York), une corrélation claire entre les évaluations subjectives de la qualité des transducteurs acoustiques et le niveau de distorsion d'intermodulation n'a pas pu être établie - la dispersion des résultats obtenus était trop grande (comme le montre la figure 8).

Relation entre les évaluations subjectives et les valeurs de distorsion d'intermodulation (IMD)

Comme nouveau critère d'évaluation des distorsions non linéaires dans les équipements électroacoustiques, une méthode multi-ton a été proposée, dont l'histoire et les méthodes d'application ont été étudiées en détail dans les travaux de A. G. Voishvillo et al. (il existe des articles dans JAES et des rapports sur congrès de l'AES). Dans ce cas, un ensemble d'harmoniques du 2e au 20e avec une distribution d'amplitude arbitraire et une distribution de fréquence logarithmique dans la plage de 1 à 10 kHz est utilisé comme signal d'entrée. La distribution de phase harmonique est optimisée pour minimiser le facteur de crête du signal multi-ton. L'aspect général du signal d'entrée et sa structure temporelle sont représentés sur les figures 9a et 9b.

Vue spectrale (a) et temporelle (b) d'un signal multi-ton

Le signal de sortie contient des distorsions harmoniques et d'intermodulation de tous ordres. Un exemple d'une telle distorsion pour un haut-parleur est présenté à la figure 10.

Produits de distorsion harmonique courants lors de l'application d'un signal multi-ton

Un signal multi-ton dans sa structure est beaucoup plus proche des vrais signaux musicaux et vocaux ; il permet d'identifier des produits beaucoup plus différents de distorsions non linéaires (principalement l'intermodulation) et est mieux corrélé aux évaluations subjectives de la qualité sonore des systèmes acoustiques. À mesure que le nombre de composantes harmoniques augmente, cette méthode permet d'obtenir des informations de plus en plus détaillées, mais en même temps les coûts de calcul augmentent. L'application de cette méthode nécessite des recherches plus approfondies, en particulier le développement de critères et de normes acceptables pour les produits sélectionnés de distorsions non linéaires du point de vue de leurs évaluations subjectives.
D'autres méthodes, telles que la série Voltaire, sont également utilisées pour évaluer les distorsions non linéaires dans les transducteurs acoustiques.
Cependant, tous n'établissent pas un lien clair entre l'évaluation de la qualité sonore des transducteurs (microphones, haut-parleurs, systèmes acoustiques, etc.) et le niveau de distorsions non linéaires de ceux-ci, mesuré par l'une des méthodes objectives connues. Le nouveau critère psychoacoustique proposé dans le rapport de R. Geddes lors du dernier congrès de l'AES présente donc un intérêt considérable. Il est parti de la considération que tout paramètre peut être évalué en unités objectives, ou selon des critères subjectifs, par exemple, la température peut être mesurée en degrés, ou en sensations : froid, chaud, chaud. L'intensité sonore d'un son peut être évaluée par le niveau de pression acoustique en dB, ou elle peut être évaluée en unités subjectives : bruit de fond, sommeil. La recherche de critères similaires pour les distorsions non linéaires était le but de ses travaux.
Comme le sait la psychoacoustique, une aide auditive est un système fondamentalement non linéaire, et sa non-linéarité se manifeste à la fois aux niveaux de signal élevés et faibles. Les causes de la non-linéarité sont les processus hydrodynamiques dans la cochlée, ainsi que la compression du signal non linéaire due à un mécanisme spécial d'allongement des cellules ciliées externes. Cela conduit à l'apparition d'harmoniques subjectives et de tonalités combinées lors de l'écoute de signaux harmoniques ou harmoniques totaux, dont le niveau peut atteindre 15...20 % du niveau du signal d'entrée. Par conséquent, l’analyse de la perception des produits de distorsion non linéaires créés dans les transducteurs électroacoustiques et les canaux de transmission dans un système non linéaire aussi complexe qu’une aide auditive constitue un problème sérieux.
Une autre propriété fondamentalement importante du système auditif est l'effet de masquage, qui consiste à modifier les seuils d'audition d'un signal en présence d'un autre (masqueur). Cette propriété du système auditif est largement utilisée dans les systèmes modernes de compression des informations audio lors de leur transmission sur différents canaux (normes MPEG). Les progrès réalisés dans la réduction du volume d'informations transmises grâce à la compression utilisant les propriétés de masquage auditif suggèrent que ces effets sont également d'une grande importance pour la perception et l'évaluation des distorsions non linéaires.
Les lois établies du masquage auditif permettent d'affirmer que :
- le masquage des composantes hautes fréquences (situées au-dessus de la fréquence du signal de masquage) se produit beaucoup plus fort que dans la direction des basses fréquences ;
- le masquage est plus prononcé pour les fréquences proches (effet local, Figure 11) ;
- avec une augmentation du niveau du signal masquant, la zone de son influence s'élargit, elle devient de plus en plus asymétrique, et elle se déplace vers les hautes fréquences.

De là, nous pouvons supposer que lors de l'analyse des distorsions non linéaires dans le système auditif, les règles suivantes sont observées :
- les produits de distorsion non linéaires au-dessus de la fréquence fondamentale sont moins importants pour la perception (ils sont mieux masqués) que les composantes basses fréquences ;
- plus les produits des distorsions non linéaires sont proches du ton fondamental, plus il est probable qu'ils deviendront invisibles et n'auront pas de signification subjective ;
- des composantes non linéaires supplémentaires résultant de la non-linéarité peuvent être beaucoup plus importantes pour la perception à des niveaux de signal faibles qu'à des niveaux élevés. Ceci est illustré à la figure 11.

Effets de masquage

En effet, à mesure que le niveau du signal principal augmente, sa zone de masquage s'élargit, et de plus en plus de produits de distorsion (harmoniques, distorsions totales et différentielles, etc.) y tombent. Aux faibles niveaux, cette zone est limitée, donc les produits de distorsion d'ordre supérieur seront plus audibles.
Lors de la mesure de produits non linéaires sur un ton pur, principalement des harmoniques de fréquence supérieure au signal principal n f apparaissent dans les convertisseurs. Cependant, des harmoniques faibles de fréquence (1/n) f peuvent également apparaître dans les haut-parleurs. Lors de la mesure des distorsions d'intermodulation (à la fois en utilisant deux signaux et en utilisant des signaux multi-tons), des produits de distorsion de différence totale apparaissent - à la fois au-dessus et en dessous des signaux principaux m f1 ± n f2.
Compte tenu des propriétés énumérées du masquage auditif, les conclusions suivantes peuvent être tirées : les produits de distorsions non linéaires d'ordres supérieurs peuvent être plus audibles que les produits d'ordres inférieurs. Par exemple, la pratique de la conception d'enceintes montre que les harmoniques dont les nombres sont supérieurs à la cinquième sont perçues beaucoup plus désagréablement que les deuxième et troisième, même si leurs niveaux sont bien inférieurs à ceux des deux premières harmoniques. Habituellement, leur apparence est perçue comme un cliquetis et conduit au rejet des haut-parleurs en production. L’apparition de sous-harmoniques avec des fréquences moyennes et inférieures est également immédiatement remarquée par le système auditif comme une harmonique, même à des niveaux très faibles.
Si l'ordre de non-linéarité est faible, alors avec une augmentation du niveau du signal d'entrée, des harmoniques supplémentaires peuvent être masquées dans le système auditif et ne pas être perçues comme une distorsion, ce qui est confirmé par la pratique de conception de transducteurs électroacoustiques. Les systèmes de haut-parleurs avec un niveau de distorsion non linéaire de 2 % peuvent être très bien notés par les auditeurs. Dans le même temps, de bons amplificateurs doivent avoir un niveau de distorsion de 0,01 % ou moins, ce qui, apparemment, est dû au fait que les systèmes de haut-parleurs créent des produits de distorsion d'ordre faible et que les amplificateurs en créent des produits beaucoup plus élevés.
Les produits de distorsion non linéaire qui se produisent à des niveaux de signal faibles peuvent être beaucoup plus audibles qu'à des niveaux élevés. Cette affirmation apparemment paradoxale peut également être importante pour la pratique, puisque des distorsions non linéaires dans les transducteurs et les trajets électroacoustiques peuvent également survenir à de faibles niveaux de signal.
Sur la base des considérations ci-dessus, R. Geddes a proposé un nouveau critère psychoacoustique pour évaluer les distorsions non linéaires, qui devait satisfaire aux exigences suivantes : être plus sensible aux distorsions d'ordre supérieur et avoir une plus grande importance pour les niveaux de signal faibles.
Le problème était de montrer que ce critère était plus cohérent avec la perception subjective de la distorsion harmonique que les méthodes de notation actuellement admises : facteur de distorsion harmonique totale et facteur de distorsion d'intermodulation sur signaux bi-ton ou multi-ton.
A cet effet, une série d'examens subjectifs a été réalisée, organisée comme suit : trente-quatre experts aux seuils auditifs testés (âge moyen 21 ans) ont participé à une large série d'expérimentations évaluant la qualité sonore de passages musicaux (par exemple, des passages musicaux masculins). chant avec musique symphonique), dans lequel divers types de distorsions non linéaires ont été introduits. Cela a été réalisé par « convolution » du signal de test avec des fonctions de transfert non linéaires caractéristiques de différents types de convertisseurs (haut-parleurs, microphones, téléphones stéréo, etc.).
Tout d’abord, des signaux sinusoïdaux ont été utilisés comme stimuli, ils ont été « convolués » avec diverses fonctions de transfert et le coefficient de distorsion harmonique a été déterminé. Ensuite, deux signaux sinusoïdaux ont été utilisés et les coefficients de distorsion d'intermodulation ont été calculés. Enfin, le coefficient Gm nouvellement proposé a été déterminé directement à partir des fonctions de transfert données. Les écarts se sont révélés très importants : par exemple, pour une même fonction de transfert, le SOI est de 1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Cette différence s’explique physiquement, puisque Kim et Gm prennent en compte beaucoup plus de produits de distorsion non linéaire d’ordre élevé.
Des expériences auditives ont été réalisées sur des téléphones stéréo avec une plage de 20 Hz...16 kHz, sensibilité 108 dB, max. SPL122dB. La note subjective a été donnée sur une échelle de sept points pour chaque fragment musical, de « bien meilleur » que le fragment de référence (c'est-à-dire, le fragment musical « s'est effondré » avec une fonction de transfert linéaire) à « bien pire ». Le traitement statistique des résultats de l'évaluation auditive a permis d'établir un coefficient de corrélation assez élevé entre les valeurs moyennes des évaluations subjectives et la valeur du coefficient Gm, qui s'est avéré être égal à 0,68. Dans le même temps, pour SOI, il était de 0,42 et pour Kim de 0,34 (pour cette série d'expériences).
Ainsi, le lien entre le critère proposé et les évaluations subjectives de la qualité sonore s'est avéré nettement supérieur à celui des autres coefficients (Figure 12).

Relation entre le coefficient Gm et les évaluations subjectives

Les résultats expérimentaux ont également montré qu'un transducteur électroacoustique avec un Gm inférieur à 1% peut être considéré comme tout à fait satisfaisant en termes de qualité sonore dans le sens où les distorsions non linéaires y sont pratiquement inaudibles.
Bien entendu, ces résultats ne sont pas encore suffisants pour remplacer le critère proposé par les paramètres disponibles dans les normes, tels que le coefficient de distorsion harmonique et le coefficient de distorsion d'intermodulation, mais si les résultats sont confirmés par d'autres expériences, alors c'est peut-être exactement ce qui se passera. .
La recherche d'autres nouveaux critères se poursuit également activement, car l'écart entre les paramètres existants (notamment le coefficient de distorsion harmonique, qui évalue uniquement les deux premières harmoniques) et la qualité sonore perçue subjectivement devient de plus en plus évident à mesure que la qualité globale de l'équipement audio s'améliore.
Apparemment, d'autres moyens de résoudre ce problème consisteront à créer des modèles informatiques du système auditif, en tenant compte des processus non linéaires et des effets de masquage. L'Institut d'acoustique des communications d'Allemagne travaille dans ce domaine sous la direction de D. Blauert, dont il a déjà été question dans un article consacré au 114e Congrès de l'AES. Grâce à ces modèles, il sera possible d'évaluer l'audibilité de divers types de distorsions non linéaires dans des signaux musicaux et vocaux réels. Cependant, même si elles n'ont pas encore été créées, les évaluations des distorsions non linéaires des équipements seront réalisées à l'aide de méthodes simplifiées et aussi proches que possible des processus auditifs réels.