Come viene determinato il fattore di distorsione non lineare? Distorsioni non lineari. Massima potenza a lungo termine

Segnale di ingresso, per la somma quadratica media delle componenti spettrali del segnale di ingresso, a volte viene utilizzato un sinonimo non standardizzato: clearfactor(preso in prestito dal tedesco). Il SOI è una quantità adimensionale, solitamente espressa in percentuale. Oltre al SOI, il livello di distorsione non lineare può essere espresso utilizzando fattore di distorsione armonica.

Fattore di distorsione armonica- un valore che esprime il grado di distorsione non lineare di un dispositivo (amplificatore, ecc.), pari al rapporto tra la tensione quadratica media della somma delle armoniche superiori del segnale, tranne la prima, e la tensione di la prima armonica quando un segnale sinusoidale viene applicato all'ingresso del dispositivo.

Il coefficiente armonico, come il SOI, è espresso in percentuale. Distorsione armonica ( KG) è correlato al CNI ( KN) rapporto:

Misure

• Nella gamma delle basse frequenze (LF) (fino a 100-200 kHz), per misurare il SOI vengono utilizzati misuratori di distorsione non lineare (misuratori di distorsione armonica).
• A frequenze più elevate (MF, HF), le misurazioni indirette vengono utilizzate utilizzando analizzatori di spettro o voltmetri selettivi.

Valori SOI tipici

• 0%: la forma d'onda è un'onda sinusoidale ideale.
• 3% - la forma del segnale è diversa da quella sinusoidale, ma la distorsione non è evidente alla vista.
• 5% - la deviazione della forma del segnale da sinusoidale è evidente sull'oscillogramma.
• Il 10% è il livello di distorsione standard al quale viene calcolata la potenza reale (RMS) dell'UMZCH.
• 21% - ad esempio un segnale trapezoidale o a gradini.
• 43% - ad esempio, un segnale ad onda quadra.

Guarda anche

Letteratura

• Manuale dei dispositivi radioelettronici: In 2 volumi; Ed. D. P. Linde - M.: Energia,
• Gorokhov P.K. Dizionario esplicativo di radioelettronica. Termini di base- M: Rus. lingua,

Collegamenti

• PRINCIPALI CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL CANALE DI TRASMISSIONE DEL SUONO

Fondazione Wikimedia. 2010 .

Scopri cosa significa "" in altri dizionari:

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Coefficiente di distorsione non lineare del laringofono- 94. Coefficiente di distorsione non lineare del laringofono Espresso in percentuale, il valore della radice quadrata del rapporto tra la somma dei quadrati dei valori effettivi delle armoniche della forza elettromotrice sviluppata dal laringofono durante il movimento armonico dell'aria , A... ... Dizionario-libro di consultazione dei termini della documentazione normativa e tecnica

fattore di distorsione non lineare ammissibile- - [L.G.Sumenko. Dizionario inglese-russo sull'informatica. M .: State Enterprise TsNIIS, 2003.] Argomenti tecnologia dell'informazione in generale EN tolleranza armonica ... Guida del traduttore tecnico

- (misuratore di distorsione armonica) un dispositivo per misurare il coefficiente di distorsione non lineare (distorsione armonica) dei segnali nei dispositivi radio. Contenuti...Wikipedia

IN L'intera storia della riproduzione del suono è consistita in tentativi di avvicinare l'illusione all'originale. E nonostante sia stata percorsa una strada enorme, siamo ancora molto, molto lontani dall’avvicinarci pienamente al suono dal vivo. È possibile misurare le differenze in numerosi parametri, ma molti di essi rimangono ancora fuori dal campo visivo degli sviluppatori di apparecchiature. Una delle caratteristiche principali a cui un consumatore con qualsiasi background presta sempre attenzione è fattore di distorsione non lineare (THD) .

E quale valore di questo coefficiente indica in modo abbastanza oggettivo la qualità del dispositivo? Chi è impaziente può trovare subito alla fine un tentativo di risposta a questa domanda. Per il resto continueremo.
Questo coefficiente, chiamato anche coefficiente di distorsione armonica totale, è il rapporto, espresso in percentuale, tra l'ampiezza effettiva delle componenti armoniche all'uscita di un dispositivo (amplificatore, registratore, ecc.) e l'ampiezza effettiva delle il segnale di frequenza fondamentale quando un segnale sinusoidale di questa frequenza viene applicato all'ingresso del dispositivo. Permette quindi di quantificare la non linearità della caratteristica di trasferimento, che si manifesta nella comparsa nel segnale di uscita di componenti spettrali (armoniche) assenti nel segnale di ingresso. In altre parole, si verifica un cambiamento qualitativo nello spettro del segnale musicale.

Oltre alle distorsioni armoniche oggettive presenti nel segnale sonoro udibile, esiste il problema delle distorsioni che non sono presenti nel suono reale, ma si avvertono a causa delle armoniche soggettive che si presentano nella coclea dell'orecchio medio ad alti valori di pressione sonora. L'apparecchio acustico umano è un sistema non lineare. La non linearità dell'udito si manifesta nel fatto che quando il timpano è esposto ad un suono sinusoidale con frequenza f in apparecchio acustico le armoniche di questo suono vengono generate con le frequenze 2f, 3f, ecc. Poiché queste armoniche non sono presenti nel tono d'influenza primario, vengono chiamate armoniche soggettive.

Naturalmente, ciò complica ulteriormente l'idea del livello massimo consentito di armoniche nel percorso audio. All’aumentare dell’intensità del tono primario, l’ampiezza delle armoniche soggettive aumenta bruscamente e può persino superare l’intensità del tono primario. Questa circostanza dà motivo di supporre che i suoni con una frequenza inferiore a 100 Hz non vengono percepiti da soli, ma a causa delle armoniche soggettive che creano, rientrando nell'intervallo di frequenza superiore a 100 Hz, ad es. a causa della non linearità dell'udito. Le ragioni fisiche delle distorsioni hardware risultanti nei diversi dispositivi sono di natura diversa e il contributo di ciascuno alle distorsioni complessive dell'intero percorso non è lo stesso.

La distorsione dei moderni lettori CD è molto bassa e quasi impercettibile rispetto alla distorsione di altri apparecchi. Per i sistemi di altoparlanti, la distorsione a bassa frequenza causata dalla testata dei bassi è la più significativa e la norma specifica i requisiti solo per la seconda e la terza armonica nella gamma di frequenza fino a 250 Hz. E per un suono molto buono sistema di altoparlanti possono essere entro l'1% o anche leggermente superiori. Nei registratori analogici, il problema principale associato a fondamenti fisici registrazione su nastro magnetico, è la terza armonica, i cui valori sono solitamente riportati nelle istruzioni per il missaggio. Ma il valore massimo al quale, ad esempio, vengono sempre effettuate le misurazioni del livello di rumore è del 3% per una frequenza di 333 Hz. La distorsione della parte elettronica dei registratori è molto inferiore.
Sia nel caso dei registratori acustici che in quelli analogici, poiché le distorsioni sono principalmente a bassa frequenza, la loro percezione soggettiva è notevolmente ridotta a causa dell'effetto di mascheramento (che consiste nel fatto che di due segnali che suonano contemporaneamente, il più alto -la frequenza uno si sente meglio).

Quindi la principale fonte di distorsione nel tuo circuito sarà l'amplificatore di potenza, in cui, a sua volta, la fonte principale è la non linearità delle caratteristiche di trasferimento degli elementi attivi: transistor e tubi a vuoto e negli amplificatori del trasformatore distorsioni non lineari del trasformatore vengono inoltre aggiunti, associati alla non linearità della curva di magnetizzazione. È ovvio che la distorsione dipende da un lato dalla forma della non linearità della caratteristica di trasferimento, ma anche dalla natura del segnale di ingresso.

Ad esempio, la caratteristica di trasferimento di un amplificatore con clip uniforme ad ampie ampiezze non causerà alcuna distorsione per i segnali sinusoidali al di sotto del livello di clip, ma quando il segnale aumenta sopra questo livello, la distorsione appare e aumenterà. Questo tipo di limitazione è inerente principalmente agli amplificatori a valvole, che in una certa misura possono servire come uno dei motivi per la preferenza di tali amplificatori da parte degli ascoltatori. E questa caratteristica è stata utilizzata da NAD in una serie dei suoi acclamati amplificatori con "soft limiting", prodotti dall'inizio degli anni '80: la possibilità di attivare una modalità con imitazione del ritaglio del tubo ha creato un vasto esercito di fan degli amplificatori a transistor di questa azienda .
Al contrario, la caratteristica di taglio centrale (distorsione passo-passo) dell'amplificatore, tipica dei modelli a transistor, provoca distorsione nei segnali musicali e piccoli segnali sinusoidali e la distorsione diminuirà all'aumentare del livello del segnale. Pertanto, la distorsione dipende non solo dalla forma della caratteristica di trasferimento, ma anche dalla distribuzione statistica dei livelli del segnale di ingresso, che per i programmi musicali è vicina al segnale di rumore. Pertanto, oltre a misurare il SOI utilizzando un segnale sinusoidale, è possibile misurare le distorsioni non lineari dei dispositivi di amplificazione utilizzando la somma di tre segnali sinusoidali o di rumore, il che, alla luce di quanto sopra, fornisce un quadro più oggettivo delle distorsioni.

Fattore di distorsione non lineare(SOI o KN) - valore per la valutazione quantitativa delle distorsioni non lineari.

Definizione [ | ]

Il fattore di distorsione non lineare è uguale al rapporto tra la somma quadratica media delle componenti spettrali del segnale di uscita che sono assenti nello spettro del segnale di ingresso e la somma quadratica media di tutte le componenti spettrali dell'ingresso segnale

Il SOI è una quantità adimensionale ed è solitamente espresso in percentuale. Oltre al SOI, il livello di distorsione non lineare viene spesso espresso attraverso fattore di distorsione armonica(KGI o KG) - un valore che esprime il grado di distorsione non lineare di un dispositivo (amplificatore, ecc.) e uguale al rapporto tra la tensione efficace della somma delle armoniche superiori del segnale, ad eccezione della prima, e la tensione del primo armonico quando un segnale sinusoidale viene applicato all'ingresso del dispositivo.

KGI, proprio come KNI, è espresso in percentuale ed è correlato ad esso dal rapporto

È ovvio che per valori piccoli il THI e il SOI coincidono in prima approssimazione. È interessante notare che nella letteratura occidentale viene solitamente utilizzata la CGI, mentre nella letteratura russa è tradizionalmente preferita la CNI.

È anche importante notare che KNI e KGI sono solo misure quantitative di distorsione, ma non di alta qualità. Ad esempio un valore THD pari al 3% non dice nulla sulla natura della distorsione, cioè su come sono distribuite le armoniche nello spettro del segnale e quale, ad esempio, è il contributo dei componenti a bassa o alta frequenza. Pertanto, negli spettri degli UMZCH a tubi, di solito predominano le armoniche più basse, che sono spesso percepite dall'orecchio come un "suono valvolare caldo", e negli UMZCH a transistor, le distorsioni sono distribuite più uniformemente attraverso lo spettro, ed è più piatto, che è spesso percepito come un "tipico suono da transistor" (sebbene questo dibattito dipenda in gran parte dai sentimenti e dalle abitudini personali di una persona).

Esempi di calcolo CGI[ | ]

Per molti segnali standard, il THD può essere calcolato analiticamente. Quindi, per un segnale rettangolare simmetrico (meandro)

Ideale segnale a dente di sega ha KGI

e triangolare simmetrico

Un segnale di impulso rettangolare asimmetrico con un rapporto tra la durata dell'impulso e il periodo pari a μ ha KGI

che raggiunge il minimo (≈0,483) a μ =0,5, cioè quando il segnale diventa un meandro simmetrico. A proposito, filtrando è possibile ottenere una riduzione significativa del THD di questi segnali e quindi ottenere segnali di forma vicina a quella sinusoidale. Ad esempio, un segnale rettangolare simmetrico (meandro) con un THD iniziale del 48,3%, dopo essere passato attraverso un filtro Butterworth del secondo ordine (con una frequenza di taglio pari alla frequenza dell'armonica fondamentale) ha un THD del 5,3% e se un filtro del quarto ordine - quindi THD = 0,6%. Va notato che quanto più complesso è il segnale all'ingresso del filtro e quanto più complesso è il filtro stesso (o meglio, la sua funzione di trasferimento), tanto più ingombranti e dispendiosi in termini di tempo saranno i calcoli del TCG. Pertanto un segnale standard a dente di sega fatto passare attraverso un filtro Butterworth del primo ordine ha un THD non più dell'80,3% ma del 37,0%, che è esattamente dato dalla seguente espressione

E il TCG dello stesso segnale, passato attraverso lo stesso filtro, ma del secondo ordine, sarà già dato da una formula piuttosto macchinosa

Se consideriamo il suddetto segnale di impulso rettangolare asimmetrico passato attraverso il filtro Butterworth P-esimo ordine, allora

dove 0<μ <1 и

per i dettagli dei calcoli, vedere Yaroslav Blagushin e Eric Moreau.

Misure [ | ]

• Nella gamma delle basse frequenze (LF), per misurare il SOI vengono utilizzati misuratori di distorsione non lineare (misuratori di distorsione armonica).
• A frequenze più elevate (MF, HF), le misurazioni indirette vengono utilizzate utilizzando analizzatori di spettro o voltmetri selettivi.

Il parametro principale di un amplificatore elettronico è il guadagno K. Il guadagno di potenza (tensione, corrente) è determinato dal rapporto tra la potenza (tensione, corrente) del segnale di uscita e la potenza (tensione, corrente) del segnale di ingresso e caratterizza le proprietà di amplificazione del circuito. I segnali di uscita e di ingresso devono essere espressi nelle stesse unità quantitative, quindi il guadagno è una quantità adimensionale.

In assenza di elementi reattivi nel circuito, nonché in determinate modalità di funzionamento, quando la loro influenza è esclusa, il guadagno è un valore reale che non dipende dalla frequenza. In questo caso, il segnale di uscita ripete la forma del segnale di ingresso e differisce da esso di K volte solo in ampiezza. Nell'ulteriore presentazione del materiale parleremo del modulo guadagno, salvo riserve particolari.

A seconda dei requisiti per i parametri di uscita dell'amplificatore del segnale CA, si distinguono i fattori di guadagno:

a) per tensione, definita come il rapporto tra l'ampiezza della componente alternata della tensione di uscita e l'ampiezza della componente alternata della tensione di ingresso, vale a dire

b) dalla corrente, che è determinata dal rapporto tra l'ampiezza della componente alternata della corrente di uscita e l'ampiezza della componente alternata della corrente di ingresso:

c) per potere

Poiché , il guadagno di potenza può essere determinato come segue:

Se nel circuito sono presenti elementi reattivi (condensatori, induttori), il guadagno deve essere considerato un valore complesso

dove m e n sono le componenti reale e immaginaria, a seconda della frequenza del segnale di ingresso:

Supponiamo che il guadagno K non dipenda dall'ampiezza del segnale di ingresso. In questo caso, quando un segnale sinusoidale viene applicato all'ingresso dell'amplificatore, anche il segnale di uscita avrà una forma sinusoidale, ma differirà dall'ingresso in ampiezza di K volte e in fase di un angolo .

Secondo il teorema di Fourier, un segnale periodico di forma complessa può essere rappresentato come la somma di un numero finito o infinitamente grande di componenti armoniche aventi diverse ampiezze, frequenze e fasi. Poiché K è una quantità complessa, le ampiezze e le fasi delle componenti armoniche del segnale di ingresso quando passano attraverso l'amplificatore cambiano in modo diverso e il segnale di uscita differirà nella forma dall'ingresso.

La distorsione di un segnale quando passa attraverso un amplificatore, causata dalla dipendenza dei parametri dell'amplificatore dalla frequenza e indipendente dall'ampiezza del segnale di ingresso, è chiamata distorsione lineare. A loro volta, le distorsioni lineari possono essere suddivise in distorsioni di frequenza (che caratterizzano la variazione del modulo del guadagno K nella banda di frequenza dovuta all'influenza degli elementi reattivi nel circuito); fase (che caratterizza la dipendenza dello sfasamento tra i segnali di uscita e di ingresso dalla frequenza dovuta all'influenza di elementi reattivi).

La distorsione di frequenza di un segnale può essere valutata utilizzando la caratteristica ampiezza-frequenza, che esprime la dipendenza del modulo di guadagno di tensione dalla frequenza. La risposta in ampiezza-frequenza dell'amplificatore è mostrata in forma generale in Fig. 1.2. L'intervallo di frequenze operative dell'amplificatore, all'interno del quale il guadagno può essere considerato costante con un certo grado di precisione, si trova tra la frequenza limite più bassa e quella più alta ed è chiamata banda passante. Le frequenze di taglio determinano la riduzione del guadagno di una determinata quantità dal suo valore massimo alla frequenza media.

Introducendo il coefficiente di distorsione della frequenza ad una data frequenza,

dove è il guadagno di tensione a una determinata frequenza, è possibile utilizzare la caratteristica ampiezza-frequenza per determinare la distorsione di frequenza in qualsiasi intervallo di frequenze operative dell'amplificatore.

Poiché abbiamo le maggiori distorsioni di frequenza ai limiti del campo operativo, quando si calcola un amplificatore, di norma, i coefficienti di distorsione di frequenza sono impostati alle frequenze limite più basse e più alte, ad es.

dove sono i guadagni di tensione rispettivamente alle frequenze di taglio più alta e più bassa.

Di solito, cioè alle frequenze limite, il guadagno di tensione diminuisce fino a un livello di 0,707 del valore di guadagno alla frequenza media. In tali condizioni, la larghezza di banda degli amplificatori audio progettati per la riproduzione del parlato e della musica è compresa tra 30 e 20.000 Hz. Per gli amplificatori utilizzati nella telefonia è accettabile una larghezza di banda più stretta di 300-3400 Hz. Per amplificare i segnali pulsati, è necessario utilizzare i cosiddetti amplificatori a banda larga, la cui larghezza di banda è nell'intervallo di frequenza da decine o unità di hertz a decine o addirittura centinaia di megahertz.

Per valutare la qualità di un amplificatore, viene spesso utilizzato il parametro

Per amplificatori a banda larga, quindi

L'opposto degli amplificatori a banda larga sono gli amplificatori selettivi, il cui scopo è amplificare i segnali in una banda di frequenza stretta (Fig. 1.3).

Gli amplificatori progettati per amplificare segnali con frequenze arbitrariamente basse sono chiamati amplificatori CC. Dalla definizione è chiaro che la frequenza di taglio più bassa della banda passante di un tale amplificatore è zero. La risposta in ampiezza-frequenza dell'amplificatore DC è mostrata in Fig. 1.4.

La caratteristica della frequenza di fase mostra come cambia l'angolo di sfasamento tra i segnali di uscita e di ingresso quando cambia la frequenza e determina la distorsione di fase.

Non ci sono distorsioni di fase quando la caratteristica fase-frequenza è lineare (linea tratteggiata in Fig. 1.5), poiché in questo caso ciascuna componente armonica del segnale di ingresso, quando passa attraverso l'amplificatore, viene spostata nel tempo dello stesso intervallo. L'angolo di sfasamento tra i segnali di ingresso e di uscita è proporzionale alla frequenza

dove è il coefficiente di proporzionalità, che determina l'angolo di inclinazione della caratteristica rispetto all'asse delle ascisse.

La caratteristica frequenza di fase di un amplificatore reale è mostrata in Fig. 1,5 con linea continua. Dalla fig. 1.5 si può vedere che all’interno della banda passante dell’amplificatore la distorsione di fase è minima, ma aumenta bruscamente nella regione delle frequenze limite.

Se il guadagno dipende dall'ampiezza del segnale di ingresso, si verificano distorsioni non lineari del segnale amplificato dovute alla presenza nell'amplificatore di elementi con caratteristiche corrente-tensione non lineari.

Specificando la legge del cambiamento, è possibile progettare amplificatori non lineari con determinate proprietà. Lascia che il guadagno sia determinato dalla dipendenza , dov'è il coefficiente di proporzionalità.

Quindi, quando un segnale di ingresso sinusoidale viene applicato all'ingresso dell'amplificatore, il segnale di uscita dell'amplificatore

dove sono l'ampiezza e la frequenza del segnale di ingresso.

La prima componente armonica nell'espressione (1.6) rappresenta il segnale utile, il resto è il risultato di distorsioni non lineari.

La distorsione non lineare può essere valutata utilizzando la cosiddetta distorsione armonica

dove sono rispettivamente i valori di ampiezza della potenza, della tensione e della corrente delle componenti armoniche.

L'indice determina il numero armonico. Di solito vengono prese in considerazione solo la seconda e la terza armonica, poiché i valori di ampiezza delle potenze delle armoniche superiori sono relativamente piccoli.

Le distorsioni lineari e non lineari caratterizzano l'accuratezza della riproduzione da parte dell'amplificatore della forma del segnale di ingresso.

L'ampiezza caratteristica delle reti a quattro terminali costituite solo da elementi lineari, a qualsiasi valore, è teoricamente una linea retta inclinata. In pratica il valore massimo è limitato dalla rigidità elettrica degli elementi della rete quadripolare. La caratteristica di ampiezza di un amplificatore realizzato su dispositivi elettronici (Fig. 1.6) è, in linea di principio, non lineare, ma può contenere sezioni OA in cui la curva è approssimativamente lineare con un alto grado di precisione. La gamma operativa del segnale di ingresso non deve andare oltre la porzione lineare (LA) della caratteristica di ampiezza dell'amplificatore, altrimenti la distorsione non lineare supererà il livello consentito.

Distorsione armonica totale (THD)​

Irina Aldoshina

Tutti i convertitori elettroacustici (altoparlanti, microfoni, telefoni, ecc.), così come i canali di trasmissione, introducono le loro distorsioni nel segnale sonoro trasmesso, cioè il segnale sonoro percepito non è sempre identico all'originale. L'ideologia della creazione di apparecchiature audio, che negli anni '60 veniva chiamata High-Fidelity, "alta fedeltà" al suono dal vivo, in gran parte non raggiunse il suo obiettivo. In quegli anni, i livelli di distorsione del segnale audio nelle apparecchiature erano ancora molto elevati, e sembrava che fosse sufficiente ridurli - e il suono riprodotto attraverso l'apparecchiatura sarebbe stato praticamente indistinguibile da quello originale.

Tuttavia, nonostante i progressi nella progettazione e nello sviluppo della tecnologia, che hanno portato a una significativa riduzione dei livelli di tutti i tipi di distorsione nelle apparecchiature audio, non è ancora particolarmente difficile distinguere il suono naturale dal suono riprodotto. Ecco perché attualmente in vari paesi istituti di ricerca, università e aziende manifatturiere stanno conducendo un grande lavoro sullo studio della percezione uditiva e sulla valutazione soggettiva di vari tipi di distorsioni. Sulla base dei risultati di questi studi vengono pubblicati numerosi articoli e rapporti scientifici. Quasi tutti i congressi AES presentano relazioni su questo argomento. In questo articolo verranno presentati alcuni risultati moderni ottenuti negli ultimi due o tre anni sui problemi della percezione soggettiva e sulla valutazione delle distorsioni non lineari del segnale audio nelle apparecchiature audio.

Durante la registrazione, la trasmissione e la riproduzione di musica e segnali vocali tramite apparecchiature audio, si verificano distorsioni nella struttura temporale del segnale, che possono essere suddivise in lineari e non lineari.

Distorsione lineare modificare l'ampiezza e le relazioni di fase tra le componenti spettrali esistenti del segnale di ingresso e per questo distorcere la sua struttura temporale. Questo tipo di distorsione è soggettivamente percepito come distorsione del timbro del segnale, e quindi i problemi della loro riduzione e le valutazioni soggettive del loro livello hanno ricevuto molta attenzione dagli specialisti durante l'intero periodo di sviluppo dell'ingegneria audio.

Il requisito per l'assenza di distorsione lineare del segnale nelle apparecchiature audio può essere scritto nella forma:

Y(t) = K x(t - T), dove x(t) è il segnale di ingresso, y(t) è il segnale di uscita.

Questa condizione consente solo una variazione del segnale su una scala con un coefficiente K e il suo spostamento temporale di una quantità T. Definisce una relazione lineare tra i segnali di ingresso e di uscita e porta al requisito che la funzione di trasferimento H(ω), che è inteso come un rapporto dipendente dalla frequenza di ampiezze di segnali complessi all'uscita e all'ingresso del sistema sotto influenze armoniche erano costanti in grandezza e avevano una dipendenza lineare dell'argomento (cioè fase) dalla frequenza | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Poiché la funzione 20·lg | H(ω) | è chiamata risposta in frequenza di ampiezza del sistema (AFC) e φ(ω) è la risposta in frequenza di fase (PFC), garantendo quindi un livello costante di AFC nella gamma di frequenza riprodotta (riducendone l'irregolarità) nei microfoni, apparecchi acustici sistemi, ecc. è il requisito principale per migliorarne la qualità. I loro metodi di misurazione sono inclusi in tutti gli standard internazionali, ad esempio IEC268-5. Un esempio della risposta in frequenza di una moderna unità di controllo Marantz con un'irregolarità di 2 dB è mostrato nella Figura 1.

Risposta in frequenza del monitor di controllo Marantz

Va notato che una tale riduzione dell'entità dell'irregolarità della risposta in frequenza è un enorme risultato nella progettazione di apparecchiature audio (ad esempio, i monitor di controllo presentati alla mostra di Bruxelles nel 1956 avevano un'irregolarità di 15 dB), che divenne possibile come risultato dell’uso di nuove tecnologie, materiali e metodi di progettazione.

L'influenza della risposta in frequenza (e della risposta di fase) irregolare sulla distorsione del timbro sonoro percepita soggettivamente è stata studiata in modo sufficientemente dettagliato. Cercheremo di passare in rassegna i principali risultati ottenuti in futuro.

Distorsione non lineare sono caratterizzati dalla comparsa nello spettro del segnale di nuove componenti assenti nel segnale originale, il cui numero e ampiezza dipendono dalle variazioni del livello di ingresso. La comparsa di componenti aggiuntivi nello spettro è dovuta alla dipendenza non lineare del segnale di uscita dall'ingresso, cioè alla non linearità della funzione di trasferimento. Esempi di tale dipendenza sono mostrati nella Figura 2.

Vari tipi di funzioni di trasferimento non lineari nell'hardware

La causa della non linearità può essere il design e le caratteristiche tecnologiche dei trasduttori elettroacustici.

Ad esempio, negli altoparlanti elettrodinamici (Figura 3), i motivi principali includono:

Progettazione di altoparlanti elettrodinamici

Caratteristiche elastiche non lineari della sospensione e della rondella di centraggio (un esempio della dipendenza della flessibilità delle sospensioni in un altoparlante dall'entità dello spostamento della bobina è mostrato nella Figura 4);

Dipendenza della flessibilità della sospensione dal valore di spostamento della bobina mobile

Dipendenza non lineare dello spostamento della bobina dalla tensione applicata dovuta all'interazione della bobina con il campo magnetico e ai processi termici negli altoparlanti;
- oscillazioni non lineari del diaframma con una grande entità della forza agente;
- vibrazioni delle pareti dell'involucro;
- Effetto Doppler durante l'interazione di vari emettitori in un sistema acustico.
Le distorsioni non lineari si verificano in quasi tutti gli elementi del percorso audio: microfoni, amplificatori, crossover, processori di effetti, ecc.
La relazione tra i segnali di ingresso e di uscita mostrata nella Figura 2 (ad esempio, tra la tensione applicata e la pressione sonora per un altoparlante) può essere approssimata come un polinomio:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Se un segnale armonico viene applicato a un sistema non lineare di questo tipo, cioè x(t) = A sin ωt, allora il segnale di uscita conterrà componenti con frequenze ω, 2ω, 3ω, ..., nω, ecc. Ad esempio, se noi limitiamoci solo a un termine quadratico, quindi apparirà la seconda armonica, perché
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + cost.
Nei convertitori reali, quando viene fornito un segnale armonico, possono apparire armoniche del secondo, terzo ordine e superiori, nonché subarmoniche (1/n) ω (Figura 5).

Per misurare questo tipo di distorsione, i metodi più utilizzati misurano il livello delle armoniche aggiuntive nel segnale di uscita (solitamente solo la seconda e la terza).
In conformità con gli standard internazionali e nazionali, la risposta in frequenza della seconda e della terza armonica viene registrata in camere anecoiche e viene misurato il coefficiente di distorsione armonica di ordine n:
KГn = pfn / pav·100%
dove pfn è il valore quadratico medio della pressione sonora corrispondente alla componente n-armonica. Viene utilizzato per calcolare il coefficiente di distorsione armonica totale:
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
Ad esempio, in conformità con i requisiti della norma IEC 581-7, per i sistemi di altoparlanti Hi-Fi, il fattore di distorsione armonica totale non deve superare il 2% nella gamma di frequenza 250 ... 1000 Hz e l'1% nella gamma superiore a 2000 Hz . Un esempio del fattore di distorsione armonica per un subwoofer da 300 mm (12") di diametro rispetto alla frequenza per diverse tensioni di ingresso variabili da 10 a 32 V è mostrato nella Figura 6.

Dipendenza del THD dalla frequenza per diversi valori della tensione di ingresso

Va notato che il sistema uditivo è estremamente sensibile alla presenza di distorsioni non lineari nei trasduttori acustici. La “visibilità” delle componenti armoniche dipende dal loro ordine; in particolare l’udito è più sensibile alle componenti dispari. Con l'ascolto ripetuto, la percezione delle distorsioni non lineari diventa più acuta, soprattutto quando si ascoltano singoli strumenti musicali. La regione di frequenza di massima sensibilità uditiva a questi tipi di distorsioni è compresa nell'intervallo 1...2 kHz, dove la soglia di sensibilità è 1...2%.
Tuttavia, questo metodo di valutazione della non linearità non consente di tenere conto di tutti i tipi di prodotti non lineari che si presentano nel processo di conversione di un segnale audio reale. Di conseguenza, potrebbe verificarsi una situazione in cui un sistema di altoparlanti con un THD del 10% potrebbe essere soggettivamente valutato più elevato in termini di qualità del suono rispetto a un sistema con un THD dell'1% a causa dell'influenza di armoniche più elevate.
Pertanto, la ricerca di altri modi per valutare le distorsioni non lineari e la loro correlazione con le valutazioni soggettive continua continuamente. Ciò è particolarmente rilevante al giorno d'oggi, quando i livelli di distorsioni non lineari sono diminuiti in modo significativo e per ridurli ulteriormente è necessario conoscere le soglie reali di udibilità, poiché ridurre le distorsioni non lineari nelle apparecchiature richiede costi economici significativi.
Insieme alle misurazioni delle componenti armoniche, nella pratica di progettazione e valutazione delle apparecchiature elettroacustiche vengono utilizzati metodi per misurare la distorsione di intermodulazione. La tecnica di misurazione è presentata in GOST 16122-88 e IEC 268-5 e si basa sulla fornitura di due segnali sinusoidali con frequenze f1 e f2 all'emettitore, dove f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Il coefficiente di distorsione di intermodulazione totale è determinato in questo caso come:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
dove kim = /pcp.
La causa della distorsione di intermodulazione è la relazione non lineare tra i segnali di uscita e di ingresso, ovvero la caratteristica di trasferimento non lineare. Se due segnali armonici vengono applicati all'ingresso di un tale sistema, il segnale di uscita conterrà armoniche di ordine superiore e toni di differenza di somma di vari ordini.
Il tipo di segnale di uscita che tiene conto delle non linearità di ordine superiore è mostrato nella Figura 5.

Prodotti di distorsione non lineare negli altoparlanti

Le caratteristiche della dipendenza del coefficiente di distorsione di intermodulazione dalla frequenza per un altoparlante a bassa frequenza con bobine di diversa lunghezza sono mostrate nella Figura 7 (a - per una bobina più lunga, b - per una più corta).

Dipendenza della distorsione di intermodulazione (IMD) dalla frequenza per un altoparlante con bobina lunga (a) e corta (b)

Come affermato sopra, in conformità con gli standard internazionali, nell'apparecchiatura vengono misurati solo i coefficienti di distorsione di intermodulazione del secondo e terzo ordine. Le misurazioni della distorsione di intermodulazione possono essere più informative delle misurazioni della distorsione armonica perché sono una misura più sensibile della non linearità. Tuttavia, come dimostrato dagli esperimenti condotti nei lavori di R. Geddes (relazione al 115° Congresso AES di New York), non è stato possibile stabilire una chiara correlazione tra le valutazioni soggettive della qualità dei trasduttori acustici e il livello di distorsione di intermodulazione - la dispersione dei risultati ottenuti era troppo ampia (come si può vedere dalla Figura 8).

Relazione tra valutazioni soggettive e valori di distorsione di intermodulazione (IMD).

Come nuovo criterio per valutare le distorsioni non lineari nelle apparecchiature elettroacustiche, è stato proposto un metodo multitono, la cui storia e metodi di applicazione sono stati studiati in dettaglio nei lavori di A. G. Voishvillo et al. (ci sono articoli in JAES e rapporti su congressi AES). In questo caso, come segnale di ingresso viene utilizzato un insieme di armoniche dalla 2a alla 20a con una distribuzione di ampiezza arbitraria e una distribuzione di frequenza logaritmica nell'intervallo da 1 a 10 kHz. La distribuzione della fase armonica è ottimizzata per ridurre al minimo il fattore di cresta del segnale multitono. L'aspetto generale del segnale di ingresso e la sua struttura temporale sono mostrati nelle Figure 9a e 9b.

Vista spettrale (a) e temporale (b) di un segnale multitono

Il segnale di uscita contiene distorsioni armoniche e di intermodulazione di tutti gli ordini. Un esempio di tale distorsione per un altoparlante è mostrato nella Figura 10.

Prodotti comuni di distorsione armonica quando si applica un segnale multitono

Un segnale multitono nella sua struttura è molto più vicino alla musica reale e ai segnali vocali; consente di identificare prodotti significativamente più diversi di distorsioni non lineari (principalmente intermodulazione) e si correla meglio con valutazioni soggettive della qualità del suono dei sistemi acustici. All'aumentare del numero delle componenti armoniche, questo metodo permette di ottenere informazioni sempre più dettagliate, ma allo stesso tempo aumentano i costi computazionali. L'applicazione di questo metodo richiede ulteriori ricerche, in particolare lo sviluppo di criteri e standard accettabili per i prodotti selezionati di distorsioni non lineari dal punto di vista delle loro valutazioni soggettive.
Altri metodi, come la serie Voltaire, vengono utilizzati anche per valutare le distorsioni non lineari nei trasduttori acustici.
Tuttavia, non tutti forniscono una chiara connessione tra la valutazione della qualità del suono dei trasduttori (microfoni, altoparlanti, sistemi acustici, ecc.) e il livello di distorsioni non lineari in essi, misurato con uno qualsiasi dei metodi oggettivi noti. Risulta quindi di notevole interesse il nuovo criterio psicoacustico proposto nella relazione di R. Geddes all'ultimo congresso AES. È partito dalla considerazione che qualsiasi parametro può essere valutato in unità oggettive, oppure secondo criteri soggettivi, ad esempio la temperatura può essere misurata in gradi, oppure in sensazioni: freddo, caldo, caldo. L'intensità di un suono può essere valutata dal livello di pressione sonora in dB, oppure può essere valutata in unità soggettive: sottofondo, sonno. La ricerca di criteri simili per le distorsioni non lineari era l'obiettivo del suo lavoro.
Come è noto dalla psicoacustica, un apparecchio acustico è un sistema fondamentalmente non lineare e la sua non linearità si manifesta sia a livelli di segnale alti che bassi. Le cause della non linearità sono i processi idrodinamici nella coclea, nonché la compressione non lineare del segnale dovuta ad uno speciale meccanismo di allungamento delle cellule ciliate esterne. Ciò porta alla comparsa di armoniche soggettive e toni combinati durante l'ascolto di segnali armonici o armonici totali, il cui livello può raggiungere il 15...20% del livello del segnale di ingresso. Pertanto, l'analisi della percezione dei prodotti di distorsione non lineare creati nei trasduttori elettroacustici e nei canali di trasmissione in un sistema non lineare così complesso come un apparecchio acustico è un problema serio.
Un'altra proprietà di fondamentale importanza del sistema uditivo è l'effetto di mascheramento, che consiste nel modificare le soglie uditive su un segnale in presenza di un altro (mascheratore). Questa proprietà del sistema uditivo è ampiamente utilizzata nei moderni sistemi per comprimere le informazioni audio durante la trasmissione su vari canali (standard MPEG). I progressi nella riduzione del volume delle informazioni trasmesse attraverso la compressione utilizzando proprietà di mascheramento uditivo suggeriscono che questi effetti sono di grande importanza anche per la percezione e la valutazione delle distorsioni non lineari.
Le leggi stabilite del mascheramento uditivo ci permettono di affermare che:
- il mascheramento dei componenti ad alta frequenza (situati sopra la frequenza del segnale mascheratore) avviene in modo molto più forte che nella direzione delle basse frequenze;
- il mascheramento è più pronunciato per le frequenze vicine (effetto locale, Figura 11);
- con l'aumentare del livello del segnale mascheratore, la zona della sua influenza si espande, diventa sempre più asimmetrica e si sposta verso le alte frequenze.

Da ciò possiamo supporre che quando si analizzano le distorsioni non lineari nel sistema uditivo, si osservano le seguenti regole:
- i prodotti di distorsione non lineare al di sopra della frequenza fondamentale sono meno importanti per la percezione (sono meglio mascherati) rispetto ai componenti a bassa frequenza;
- quanto più si avvicinano al tono fondamentale i prodotti delle distorsioni non lineari, tanto maggiore è la probabilità che diventino invisibili e non abbiano un significato soggettivo;
- ulteriori componenti non lineari derivanti dalla non linearità possono essere molto più importanti per la percezione a bassi livelli di segnale che a livelli alti. Ciò è mostrato nella Figura 11.

Effetti di mascheramento

Infatti, all'aumentare del livello del segnale principale, la sua zona di mascheramento si espande e in essa cadono sempre più prodotti di distorsione (armoniche, distorsioni totali e differenziali, ecc.). A livelli bassi quest'area è limitata, quindi i prodotti di distorsione di ordine superiore saranno più udibili.
Quando si misurano prodotti non lineari su un tono puro, nei convertitori compaiono principalmente armoniche con una frequenza superiore al segnale principale n f. Tuttavia, negli altoparlanti possono verificarsi armoniche basse con frequenze (1/n) f. Quando si misurano le distorsioni di intermodulazione (sia utilizzando due segnali che utilizzando segnali multitono), si verificano prodotti di distorsione della differenza totale, sia sopra che sotto i segnali principali m f1 ± n f2.
Tenendo conto delle proprietà elencate del mascheramento uditivo, si possono trarre le seguenti conclusioni: i prodotti di distorsioni non lineari di ordini superiori possono essere più udibili dei prodotti di ordini inferiori. Ad esempio, la pratica di progettazione degli altoparlanti mostra che gli armonici con numeri superiori alla quinta vengono percepiti in modo molto più spiacevole della seconda e della terza, anche se i loro livelli sono molto inferiori a quelli delle prime due armoniche. Solitamente il loro aspetto viene percepito come un tintinnio e porta al rifiuto degli altoparlanti in produzione. Anche la comparsa di subarmoniche con frequenze mezze e inferiori viene immediatamente notata dal sistema uditivo come un tono, anche a livelli molto bassi.
Se l'ordine di non linearità è basso, quindi con un aumento del livello del segnale di ingresso, armoniche aggiuntive possono essere mascherate nel sistema uditivo e non essere percepite come distorsione, il che è confermato dalla pratica di progettazione di trasduttori elettroacustici. I sistemi di altoparlanti con un livello di distorsione non lineare del 2% possono essere valutati piuttosto positivamente dagli ascoltatori. Allo stesso tempo, i buoni amplificatori dovrebbero avere un livello di distorsione dello 0,01% o inferiore, il che, a quanto pare, è dovuto al fatto che i sistemi di altoparlanti creano prodotti di distorsione di ordine basso e gli amplificatori ne creano di molto più alti.
I prodotti di distorsione non lineare che si verificano a bassi livelli di segnale possono essere molto più udibili che a livelli elevati. Questa affermazione apparentemente paradossale può avere anche implicazioni pratiche, poiché distorsioni non lineari nei trasduttori e nei percorsi elettroacustici possono verificarsi anche a bassi livelli di segnale.
Sulla base delle considerazioni sopra esposte, R. Geddes propose un nuovo criterio psicoacustico per la valutazione delle distorsioni non lineari, che doveva soddisfare i seguenti requisiti: essere più sensibile alle distorsioni di ordine superiore e avere maggiore importanza per i livelli di segnale bassi.
Il problema era dimostrare che questo criterio fosse più coerente con la percezione soggettiva della distorsione armonica rispetto ai metodi di valutazione attualmente accettati: fattore di distorsione armonica totale e fattore di distorsione di intermodulazione su segnali bitonali o multitonali.
A tal fine è stata effettuata una serie di esami soggettivi, così organizzati: trentaquattro esperti con soglie uditive testate (età media 21 anni) hanno partecipato ad un'ampia serie di esperimenti valutando la qualità del suono di passaggi musicali (ad esempio, brani maschili voce con musica sinfonica), in cui sono stati introdotti vari tipi di distorsioni non lineari. Ciò è stato fatto mediante “convoluzione” del segnale di prova con funzioni di trasferimento non lineari caratteristiche di vari tipi di convertitori (altoparlanti, microfoni, telefoni stereo, ecc.).
Innanzitutto, i segnali sinusoidali sono stati utilizzati come stimoli, sono stati “convoluti” con varie funzioni di trasferimento ed è stato determinato il coefficiente di distorsione armonica. Successivamente sono stati utilizzati due segnali sinusoidali e sono stati calcolati i coefficienti di distorsione di intermodulazione. Infine, il coefficiente Gm appena proposto è stato determinato direttamente dalle funzioni di trasferimento fornite. Le discrepanze si sono rivelate molto significative: ad esempio, per la stessa funzione di trasferimento, il SOI è dell'1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Questa differenza è fisicamente spiegabile, poiché Kim e Gm tengono conto di molti più prodotti di distorsione non lineare di ordine elevato.
Gli esperimenti uditivi sono stati eseguiti su telefoni stereo con una gamma di 20 Hz...16 kHz, sensibilità 108 dB, max. SPL 122dB. La valutazione soggettiva è stata data su una scala a sette punti per ciascun frammento musicale, da “molto migliore” del frammento di riferimento (cioè il frammento musicale “è crollato” con una funzione di trasferimento lineare) a “molto peggio”. L'elaborazione statistica dei risultati della valutazione uditiva ha permesso di stabilire un coefficiente di correlazione abbastanza elevato tra i valori medi delle valutazioni soggettive e il valore del coefficiente Gm, che è risultato pari a 0,68. Allo stesso tempo, per SOI era 0,42 e per Kim - 0,34 (per questa serie di esperimenti).
Pertanto, la connessione tra il criterio proposto e le valutazioni soggettive della qualità del suono si è rivelata significativamente più elevata rispetto a quella di altri coefficienti (Figura 12).

Rapporto tra coefficiente Gm e valutazioni soggettive

I risultati sperimentali hanno anche mostrato che un trasduttore elettroacustico con Gm inferiore all'1% può essere considerato abbastanza soddisfacente in termini di qualità del suono, nel senso che le distorsioni non lineari in esso contenute sono praticamente impercettibili.
Naturalmente, questi risultati non sono ancora sufficienti per sostituire il criterio proposto con i parametri disponibili nelle norme, come il coefficiente di distorsione armonica e il coefficiente di distorsione di intermodulazione, ma se i risultati saranno confermati da ulteriori esperimenti, allora forse questo è esattamente ciò che accadrà .
Anche la ricerca di altri nuovi criteri continua attivamente, poiché la discrepanza tra i parametri esistenti (in particolare il coefficiente di distorsione armonica, che valuta solo le prime due armoniche) e la qualità del suono percepita soggettivamente diventa sempre più evidente man mano che migliora la qualità complessiva delle apparecchiature audio.
Apparentemente, ulteriori modi per risolvere questo problema andranno verso la creazione di modelli computerizzati del sistema uditivo, tenendo conto dei processi non lineari e del mascheramento degli effetti in esso contenuti. In questo settore lavora l'Istituto di Acustica della Comunicazione in Germania sotto la guida di D. Blauert, di cui si è già parlato in un articolo dedicato al 114° Congresso AES. Utilizzando questi modelli, sarà possibile valutare l'udibilità di vari tipi di distorsioni non lineari nella musica reale e nei segnali vocali. Tuttavia, sebbene non siano ancora state create, le valutazioni delle distorsioni non lineari nelle apparecchiature verranno effettuate utilizzando metodi semplificati il ​​più vicino possibile ai processi uditivi reali.