Hvordan bestemmes den ikke-lineære forvrengningsfaktoren? Ikke-lineære forvrengninger. Maksimal langsiktig kraft

Inngangssignal, til rotmiddelkvadratsummen av spektralkomponentene til inngangssignalet, brukes noen ganger et ikke-standardisert synonym - klarfaktor(lånt fra tysk). SOI er en dimensjonsløs størrelse, vanligvis uttrykt i prosent. I tillegg til SOI kan nivået av ikke-lineær forvrengning uttrykkes ved hjelp av harmonisk forvrengningsfaktor.

Harmonisk forvrengningsfaktor- en verdi som uttrykker graden av ikke-lineær forvrengning av en enhet (forsterker, etc.), lik forholdet mellom rot-middelkvadrat-spenningen av summen av de høyere harmoniske av signalet, bortsett fra den første, til spenningen til den første harmoniske når et sinusformet signal tilføres enhetens inngang.

Den harmoniske koeffisienten, som SOI, uttrykkes i prosent. Harmonisk forvrengning ( K G) er relatert til CNI ( K N) forhold:

Målinger

• I lavfrekvensområdet (LF) (opptil 100-200 kHz) brukes ikke-lineære forvrengningsmålere (harmoniske forvrengningsmålere) for å måle SOI.
• Ved høyere frekvenser (MF, HF) brukes indirekte målinger ved bruk av spektrumanalysatorer eller selektive voltmetre.

Typiske SOI-verdier

• 0 % - bølgeformen er en ideell sinusbølge.
• 3% - signalformen er forskjellig fra sinusformet, men forvrengningen er ikke merkbar for øyet.
• 5% - avvik i signalformen fra sinusformet er merkbar for øyet på oscillogrammet.
• 10 % er standard forvrengningsnivå som den reelle effekten (RMS) til UMZCH beregnes på.
• 21% - for eksempel et trapesformet eller trinnformet signal.
• 43 % - for eksempel et firkantbølgesignal.

se også

Litteratur

• Håndbok for radioelektroniske enheter: I 2 bind; Ed. D. P. Linde - M.: Energi,
• Gorokhov P.K. Forklarende ordbok for radioelektronikk. Grunnleggende vilkår- M: Rus. Språk,

Lenker

• HOVEDELEKTRISKE EGENSKAPER TIL LYDOVERFØRINGSKANALEN

Wikimedia Foundation. 2010.

Se hva "" er i andre ordbøker:

harmonisk forvrengningsfaktor- SOI En parameter som lar deg ta hensyn til påvirkningen av harmoniske og kombinasjonskomponenter på signalkvaliteten. Numerisk definert som forholdet mellom kraften til ikke-lineære forvrengninger og kraften til det uforvrengte signalet, vanligvis uttrykt i prosent. [L.M. Nevdyaev...

harmonisk forvrengningsfaktor- 3,9 koeffisient for ikke-lineær forvrengning (total forvrengning): Forholdet, i prosent, av rotmiddelkvadratverdien av spektralkomponentene til utgangssignalet til den akustiske kalibratoren, som er fraværende i inngangssignalet, og rotmiddelkvadratverdien verdi... ...

harmonisk forvrengningsfaktor- netiesinių iškreipių faktorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. ikke-lineær forvrengningsfaktor vok. Klirrfaktor, m rus. ikke-lineær forvrengningsfaktor, m pranc. taux de distorsion harmonique, m … Fizikos terminų žodynas

THD for UPS-inngangsstrøm Karakteriserer avvik fra UPS-inngangsstrømformen fra sinusformet. Jo høyere verdien av denne parameteren er, desto dårligere er det for utstyr koblet til det samme strømforsyningsnettverket og selve nettverket, i dette tilfellet forverres det... ... Teknisk oversetterveiledning

THD for UPS-utgangsspenning Karakteriserer avvik i utgangsspenningsformen fra sinusformet, vanligvis gitt for lineære (motorer, noen typer belysningsenheter) og ikke-lineære belastninger. Jo høyere denne verdien, jo dårligere kvalitet… … Teknisk oversetterveiledning

forsterker THD- - [L.G. Sumenko. Engelsk-russisk ordbok om informasjonsteknologi. M.: Statsforetak TsNIIS, 2003.] Emner informasjonsteknologi generelt EN forsterker forvrengningsfaktor... Teknisk oversetterveiledning

Høyttaler THD- 89. Koeffisient for ikke-lineær forvrengning av høyttaleren Koeffisient for ikke-lineær forvrengning Ndp. Harmonisk koeffisient Uttrykt i prosent, kvadratroten av forholdet mellom summen av kvadrater av de effektive verdiene til spektralkomponentene som sendes ut... ... Ordbok-referansebok med vilkår for normativ og teknisk dokumentasjon

Laryngofon ikke-lineær forvrengningskoeffisient- 94. Koeffisient for ikke-lineær forvrengning av laryngofonen Uttrykt i prosent, verdien av kvadratroten av forholdet mellom summen av kvadrater av de effektive verdiene av harmoniske av den elektromotoriske kraften utviklet av laryngofonen under harmonisk luftbevegelse , til... ... Ordbok-referansebok med vilkår for normativ og teknisk dokumentasjon

tillatt ikke-lineær forvrengningsfaktor- - [L.G. Sumenko. Engelsk-russisk ordbok om informasjonsteknologi. M.: State Enterprise TsNIIS, 2003.] Emner informasjonsteknologi generelt EN harmonisk toleranse ... Teknisk oversetterveiledning

- (harmonisk forvrengningsmåler) en enhet for måling av koeffisienten for ikke-lineær forvrengning (harmonisk forvrengning) av signaler i radioenheter. Innhold... Wikipedia

I Hele historien til lydgjengivelse har bestått av forsøk på å bringe illusjonen nærmere originalen. Og selv om en enorm avstand er tilbakelagt, er vi fortsatt veldig, veldig langt fra å nærme oss livelyd fullt ut. Forskjeller i en rekke parametere kan måles, men ganske mange av dem forblir fortsatt utenfor synsfeltet til utstyrsutviklere. En av hovedegenskapene som en forbruker med en hvilken som helst bakgrunn alltid legger merke til er ikke-lineær forvrengningsfaktor (THD) .

Og hvilken verdi av denne koeffisienten indikerer ganske objektivt kvaliteten på enheten? De som er utålmodige kan umiddelbart finne et forsøk på å svare på dette spørsmålet på slutten. For resten fortsetter vi.
Denne koeffisienten, som også kalles den totale harmoniske forvrengningskoeffisienten, er forholdet, uttrykt i prosent, av den effektive amplituden til de harmoniske komponentene ved utgangen til en enhet (forsterker, båndopptaker, etc.) og den effektive amplituden på grunnfrekvenssignalet når et sinusformet signal med denne frekvensen tilføres enhetens inngang. Dermed gjør det det mulig å kvantifisere ikke-lineariteten til overføringskarakteristikken, som manifesterer seg i utseendet i utgangssignalet til spektrale komponenter (harmoniske) som er fraværende i inngangssignalet. Det er med andre ord en kvalitativ endring i spekteret til det musikalske signalet.

I tillegg til de objektive harmoniske forvrengningene som er tilstede i det hørbare lydsignalet, er det problemet med forvrengninger som ikke er tilstede i den virkelige lyden, men som føles på grunn av de subjektive harmoniske som oppstår i sneglehuset i mellomøret ved høy lydtrykkverdier. Det menneskelige høreapparatet er et ikke-lineært system. Hørselens ikke-linearitet manifesteres i det faktum at når trommehinnen blir utsatt for en sinusformet lyd med en frekvens f in høreapparat harmoniske av denne lyden genereres med frekvensene 2f, 3f, etc. Siden disse harmoniske ikke er tilstede i den primære påvirkningstonen, kalles de subjektive harmoniske.

Naturligvis kompliserer dette ideen om det maksimalt tillatte nivået av harmoniske i lydbanen ytterligere. Når intensiteten til primærtonen øker, øker størrelsen på de subjektive harmoniske kraftig og kan til og med overstige intensiteten til primærtonen. Denne omstendigheten gir grunnlag for å anta at lyder med en frekvens på mindre enn 100 Hz ikke føles av seg selv, men på grunn av de subjektive harmoniske de skaper, som faller i frekvensområdet over 100 Hz, dvs. på grunn av hørselens ikke-linearitet. De fysiske årsakene til de resulterende maskinvareforvrengningene i forskjellige enheter er av ulik karakter, og bidraget fra hver til de totale forvrengningene av hele banen er ikke det samme.

Forvrengningen til moderne CD-spillere er svært lav og nesten umerkelig sammenlignet med forvrengningen til andre enheter. For høyttalersystemer er lavfrekvent forvrengning forårsaket av basshodet den viktigste, og standarden spesifiserer kun krav til andre og tredje harmoniske i frekvensområdet opp til 250 Hz. Og for en veldig god lyd høyttalersystem de kan være innenfor 1 % eller enda litt mer. I analoge båndopptakere er hovedproblemet forbundet med fysiske fundamenter opptak på magnetbånd, er den tredje harmoniske, hvis verdier vanligvis er gitt i instruksjonene for miksing. Men den maksimale verdien som f.eks. støynivåmålinger alltid blir tatt er 3 % for en frekvens på 333 Hz. Forvrengningen av den elektroniske delen av båndopptakere er mye lavere.
Både når det gjelder akustikk og analoge båndopptakere, på grunn av det faktum at forvrengningene hovedsakelig er lavfrekvente, er deres subjektive merkbarhet sterkt redusert på grunn av maskeringseffekten (som består i det faktum at av to samtidig klingende signaler, jo høyere -frekvens man høres bedre).

Så hovedkilden til forvrengning i kretsen din vil være effektforsterkeren, der hovedkilden i sin tur er ikke-lineariteten til overføringsegenskapene til de aktive elementene: transistorer og vakuumrør, og i transformatorforsterkere ikke-lineære forvrengninger av transformatoren er også lagt til, assosiert med ikke-lineariteten til magnetiseringskurven. Det er åpenbart at forvrengning på den ene siden avhenger av formen på ikke-lineariteten til overføringskarakteristikken, men også av arten av inngangssignalet.

For eksempel vil overføringskarakteristikken til en forsterker med jevn klipping ved store amplituder ikke forårsake noen forvrengning for sinusformede signaler under klippenivået, men når signalet øker over dette nivået, oppstår forvrengning og vil øke. Denne typen begrensninger er hovedsakelig iboende i rørforsterkere, som til en viss grad kan tjene som en av grunnene til at lyttere foretrekker slike forsterkere. Og denne funksjonen ble brukt av NAD i en serie av sine anerkjente forsterkere med "soft limiting", produsert siden tidlig på 80-tallet: muligheten til å slå på en modus med imitasjon av rørklipping skapte en stor hær av fans av transistorforsterkere fra dette selskapet .
Derimot forårsaker forsterkerens senterskjærende (trinn-trinns forvrengning) karakteristikk, som er typisk for transistormodeller, forvrengning i musikalske og små sinussignaler, og forvrengningen vil avta når signalnivået øker. Dermed avhenger forvrengning ikke bare av formen på overføringskarakteristikken, men også av den statistiske fordelingen av inngangssignalnivåer, som for musikkprogrammer nær støysignalet. Derfor, i tillegg til å måle SOI ved hjelp av et sinusformet signal, er det mulig å måle ikke-lineære forvrengninger av forsterkerenheter ved å bruke summen av tre sinusformede eller støysignaler, som i lys av ovenstående gir et mer objektivt bilde av forvrengningene.

Ikke-lineær forvrengningsfaktor(SOI eller K N) - verdi for kvantitativ vurdering av ikke-lineære forvrengninger.

Definisjon [ | ]

Den ikke-lineære forvrengningsfaktoren er lik forholdet mellom rotmiddelkvadratsummen av spektralkomponentene til utgangssignalet som er fraværende i spekteret til inngangssignalet og rotmiddelkvadratsummen av alle spektralkomponentene til inngangen signal

SOI er en dimensjonsløs mengde og uttrykkes vanligvis i prosent. I tillegg til SOI uttrykkes ofte nivået av ikke-lineær forvrengning gjennom harmonisk forvrengningsfaktor(KGI eller K G) - en verdi som uttrykker graden av ikke-lineær forvrengning av en enhet (forsterker, etc.) og lik forholdet mellom rms-spenningen av summen av de høyere harmoniske av signalet, bortsett fra den første, til spenningen til den første harmonisk når et sinusformet signal tilføres enhetens inngang.

KGI, akkurat som KNI, er uttrykt i prosent og er relatert til det ved forholdet

Det er åpenbart at for små verdier faller THI og SOI sammen med en første tilnærming. Det er interessant at i vestlig litteratur brukes vanligvis CGI, mens i russisk litteratur er CNI tradisjonelt foretrukket.

Det er også viktig å merke seg at KNI og KGI kun er det kvantitative mål for forvrengning, men ikke høy kvalitet. For eksempel sier ikke en THD-verdi lik 3 % noe om arten av forvrengningen, dvs. om hvordan harmoniske fordeler seg i signalspekteret, og hva som for eksempel er lavfrekvente eller høyfrekvente komponenters bidrag. I spektrene til rør-UMZCH-er dominerer derfor vanligvis lavere harmoniske, som ofte oppfattes av øret som en "varm rørlyd", og i transistor-UMZCH-er er forvrengninger mer jevnt fordelt over spekteret, og det er flatere, noe som ofte er oppfattet som "typisk transistorlyd" (selv om denne debatten i stor grad avhenger av en persons personlige følelser og vaner).

Eksempler på beregning av CGI[ | ]

For mange standardsignaler kan THD beregnes analytisk. Så, for et symmetrisk rektangulært signal (meander)

Ideell sagtannsignal har KGI

og symmetrisk trekantet

Et asymmetrisk rektangulært pulssignal med et forhold mellom pulsvarighet og periode lik μ har KGI

som når et minimum (≈0,483) ved μ =0,5, dvs. når signalet blir en symmetrisk meander. Ved å filtrere kan man forresten oppnå en betydelig reduksjon i THD av disse signalene, og dermed få signaler som er nær sinusformet. For eksempel har et symmetrisk rektangulært signal (meander) med en initial THD på 48,3 %, etter å ha passert gjennom et andreordens Butterworth-filter (med en grensefrekvens lik frekvensen til den grunnleggende harmoniske) en THD på 5,3 %, og hvis et fjerde-ordens filter - deretter THD = 0,6 % . Det skal bemerkes at jo mer komplekst signalet er ved filterinngangen og jo mer komplekst filteret i seg selv (eller rettere sagt, dets overføringsfunksjon), desto mer tungvint og tidkrevende vil TCG-beregningene være. Dermed har et standard sagtannsignal som sendes gjennom et første-ordens Butterworth-filter en THD ikke lenger på 80,3 %, men på 37,0 %, som er nøyaktig gitt av følgende uttrykk

Og TCG for det samme signalet, passert gjennom det samme filteret, men av andre orden, vil allerede være gitt av en ganske tungvint formel

Hvis vi vurderer det ovennevnte asymmetriske rektangulære pulssignalet som passerer gjennom Butterworth-filteret s-te orden altså

hvor 0<μ <1 и

for detaljer om beregningene, se Yaroslav Blagushin og Eric Moreau.

Målinger [ | ]

• I lavfrekvensområdet (LF) brukes ikke-lineære forvrengningsmålere (harmoniske forvrengningsmålere) for å måle SOI.
• Ved høyere frekvenser (MF, HF) brukes indirekte målinger ved bruk av spektrumanalysatorer eller selektive voltmetre.

Hovedparameteren til en elektronisk forsterker er forsterkningen K. Effektforsterkningen (spenning, strøm) bestemmes av forholdet mellom effekten (spenning, strøm) til utgangssignalet og effekten (spenning, strøm) til inngangssignalet og karakteriserer de forsterkende egenskapene til kretsen. Utgangs- og inngangssignalene må uttrykkes i de samme kvantitative enhetene, så forsterkningen er en dimensjonsløs størrelse.

I fravær av reaktive elementer i kretsen, så vel som under visse driftsmoduser, når deres innflytelse er ekskludert, er forsterkningen en reell verdi som ikke avhenger av frekvensen. I dette tilfellet gjentar utgangssignalet formen til inngangssignalet og skiller seg fra det med K ganger bare i amplitude. I den videre presentasjonen av materialet vil vi snakke om gevinstmodulen, med mindre det er spesielle forbehold.

Avhengig av kravene til utgangsparametrene til AC-signalforsterkeren, skilles forsterkningsfaktorene ut:

a) etter spenning, definert som forholdet mellom amplituden til vekselkomponenten til utgangsspenningen og amplituden til vekselkomponenten til inngangsspenningen, dvs.

b) av strøm, som bestemmes av forholdet mellom amplituden til vekselkomponenten av utgangsstrømmen og amplituden til vekselkomponenten til inngangsstrømmen:

c) ved makt

Siden kan strømforsterkningen bestemmes som følger:

Hvis det er reaktive elementer i kretsen (kondensatorer, induktorer), bør forsterkningen betraktes som en kompleks verdi

hvor m og n er de reelle og imaginære komponentene, avhengig av frekvensen til inngangssignalet:

La oss anta at forsterkningen K ikke avhenger av amplituden til inngangssignalet. I dette tilfellet, når et sinusformet signal påføres inngangen til forsterkeren, vil utgangssignalet også ha en sinusformet form, men vil avvike fra inngangen i amplitude med K ganger og i fase med en vinkel .

I følge Fouriers teorem kan et periodisk signal med kompleks form representeres som summen av et begrenset eller uendelig stort antall harmoniske komponenter med forskjellige amplituder, frekvenser og faser. Siden K er en kompleks størrelse, endres amplitudene og fasene til de harmoniske komponentene til inngangssignalet når de passerer gjennom forsterkeren, og utgangssignalet vil avvike i form fra inngangen.

Forvrengning av et signal når det passerer gjennom en forsterker, forårsaket av avhengigheten av forsterkerparametrene av frekvens og uavhengig av amplituden til inngangssignalet, kalles lineær forvrengning. I sin tur kan lineære forvrengninger deles inn i frekvensforvrengninger (karakteriserer endringen i modulen til forsterkningen K i frekvensbåndet på grunn av påvirkningen av reaktive elementer i kretsen); fase (karakteriserer avhengigheten av faseforskyvningen mellom utgangs- og inngangssignalene på frekvens på grunn av påvirkning av reaktive elementer).

Frekvensforvrengning av et signal kan vurderes ved å bruke amplitude-frekvenskarakteristikken, som uttrykker avhengigheten av spenningsforsterkningsmodulen på frekvensen. Amplitude-frekvensresponsen til forsterkeren er vist i generell form i fig. 1.2. Driftsfrekvensområdet til forsterkeren, innenfor hvilket forsterkningen kan betraktes som konstant med en viss grad av nøyaktighet, ligger mellom den laveste og høyeste grensefrekvensen og kalles passbåndet. Cutoff-frekvenser bestemmer reduksjonen av forsterkningen med en gitt mengde fra dens maksimale verdi ved den midtre frekvensen.

Ved å introdusere frved en gitt frekvens,

hvor er spenningsforsterkningen ved en gitt frekvens, kan du bruke amplitude-frekvenskarakteristikken til å bestemme frekvensforvrengning i et hvilket som helst område av driftsfrekvenser til forsterkeren.

Siden vi har de største frekvensforvrengningene ved grensene av driftsområdet, ved beregning av en forsterker, settes som regel frved laveste og høyeste grensefrekvenser, dvs.

hvor er spenningsforsterkningene ved henholdsvis høyeste og laveste grensefrekvens.

Vanligvis tatt, dvs. ved grensefrekvensene, avtar spenningsforsterkningen til et nivå på 0,707 av forsterkningsverdien ved midtfrekvensen. Under slike forhold ligger båndbredden til lydforsterkere designet for å gjengi tale og musikk i området 30-20 000 Hz. For forsterkere som brukes i telefoni er en smalere båndbredde på 300-3400 Hz akseptabel. For å forsterke pulserte signaler er det nødvendig å bruke såkalte bredbåndsforsterkere, hvis båndbredde er i frekvensområdet fra titalls eller enheter hertz til titalls eller til og med hundrevis av megahertz.

For å vurdere kvaliteten på en forsterker brukes ofte parameteren

For bredbåndsforsterkere altså

Det motsatte av bredbåndsforsterkere er selektive forsterkere, hvis formål er å forsterke signaler i et smalt frekvensbånd (fig. 1.3).

Forsterkere designet for å forsterke signaler med vilkårlig lave frekvenser kalles DC-forsterkere. Fra definisjonen er det klart at den laveste grensefrekvensen til passbåndet til en slik forsterker er null. Amplitude-frekvensresponsen til DC-forsterkeren er vist i fig. 1.4.

Fase-frekvenskarakteristikken viser hvordan faseforskyvningsvinkelen mellom utgangs- og inngangssignalene endres når frekvensen endres og bestemmer faseforvrengning.

Det er ingen faseforvrengninger når fase-frekvenskarakteristikken er lineær (stiplet linje i fig. 1.5), siden i dette tilfellet blir hver harmoniske komponent i inngangssignalet, når den passerer gjennom forsterkeren, forskjøvet i tid med samme intervall. Faseforskyvningsvinkelen mellom inngangs- og utgangssignalene er proporsjonal med frekvensen

hvor er proporsjonalitetskoeffisienten, som bestemmer helningsvinkelen til karakteristikken til abscisseaksen.

Fasefrekvenskarakteristikken til en ekte forsterker er vist i fig. 1,5 med heltrukket linje. Fra fig. 1.5 kan det sees at innenfor forsterkerens passbånd er faseforvrengning minimal, men øker kraftig i området for grensefrekvenser.

Hvis forsterkningen avhenger av amplituden til inngangssignalet, oppstår ikke-lineære forvrengninger av det forsterkede signalet på grunn av tilstedeværelsen i forsterkeren av elementer med ikke-lineære strømspenningsegenskaper.

Ved å spesifisere endringsloven er det mulig å designe ikke-lineære forsterkere med visse egenskaper. La gevinsten bestemmes av avhengigheten , hvor er proporsjonalitetskoeffisienten.

Så, når et sinusformet inngangssignal tilføres inngangen til forsterkeren, vil utgangssignalet til forsterkeren

hvor er amplituden og frekvensen til inngangssignalet.

Den første harmoniske komponenten i uttrykket (1.6) representerer det nyttige signalet, resten er resultatet av ikke-lineære forvrengninger.

Ikke-lineær forvrengning kan vurderes ved å bruke den såkalte harmoniske forvrengningen

hvor er amplitudeverdiene til henholdsvis kraften, spenningen og strømmen til de harmoniske komponentene.

Indeksen bestemmer det harmoniske tallet. Vanligvis blir bare andre og tredje harmoniske tatt i betraktning, siden amplitudeverdiene til kraftene til høyere harmoniske er relativt små.

Lineære og ikke-lineære forvrengninger karakteriserer nøyaktigheten av forsterkerens reproduksjon av inngangssignalets form.

Amplitudekarakteristikken til fireterminalnettverk som kun består av lineære elementer, til enhver verdi, er teoretisk sett en skråstilt rett linje. I praksis er maksimalverdien begrenset av den elektriske styrken til elementene i firpolnettverket. Amplitudekarakteristikken til en forsterker laget på elektroniske enheter (fig. 1.6) er i prinsippet ikke-lineær, men kan inneholde OA-seksjoner hvor kurven er tilnærmet lineær med høy nøyaktighet. Driftsområdet til inngangssignalet bør ikke gå utover den lineære delen (LA) av amplitudekarakteristikken til forsterkeren, ellers vil ikke-lineær forvrengning overstige det tillatte nivået.

Total harmonisk forvrengning (THD)​

Irina Aldoshina

Alle elektroakustiske transdusere (høyttalere, mikrofoner, telefoner, etc.), samt overføringskanaler, introduserer forvrengninger i det overførte lydsignalet, det vil si at det oppfattede lydsignalet alltid ikke er identisk med originalen. Ideologien om å lage lydutstyr, som på 60-tallet ble kalt High-Fidelity, "high fidelity" til levende lyd, nådde stort sett ikke målet sitt. I disse årene var nivåene av lydsignalforvrengning i utstyr fortsatt svært høye, og det så ut til at det var nok å redusere dem - og lyden som ble gjengitt gjennom utstyret ville være praktisk talt umulig å skille fra den originale.

Men til tross for fremskritt innen design og utvikling av teknologi, som har ført til en betydelig reduksjon i nivåene av alle typer forvrengning i lydutstyr, er det fortsatt ikke spesielt vanskelig å skille naturlig lyd fra gjengitt lyd. Det er grunnen til at forskningsinstitutter, universiteter og produksjonsbedrifter for tiden i ulike land utfører et stort arbeid med å studere auditiv persepsjon og subjektiv vurdering av ulike typer forvrengninger. Basert på resultatene av disse studiene publiseres mange vitenskapelige artikler og rapporter. Nesten alle AES-kongresser presenterer artikler om dette emnet. Noen moderne resultater oppnådd de siste to til tre årene på problemene med subjektiv oppfatning og vurdering av ikke-lineære forvrengninger av lydsignalet i lydutstyr vil bli presentert i denne artikkelen.

Ved opptak, overføring og avspilling av musikk- og talesignaler gjennom lydutstyr oppstår det forvrengninger i signalets tidsstruktur, som kan deles inn i lineære og ikke-lineære.

Lineær forvrengning endre amplitude- og faseforholdet mellom de eksisterende spektrale komponentene til inngangssignalet og på grunn av dette forvrenge dets tidsmessige struktur. Denne typen forvrengning oppfattes subjektivt som forvrengning av signalets klangfarge, og derfor har problemene med deres reduksjon og subjektive vurderinger av deres nivå blitt gitt mye oppmerksomhet av spesialister gjennom hele perioden med utvikling av lydteknikk.

Kravet om fravær av lineær signalforvrengning i lydutstyr kan skrives i formen:

Y(t) = K x(t - T), hvor x(t) er inngangssignalet, y(t) er utgangssignalet.

Denne tilstanden tillater bare en endring i signalet på en skala med en koeffisient K og dets tidsforskyvning med en mengde T. Den definerer et lineært forhold mellom inngangs- og utgangssignalene og fører til kravet om at overføringsfunksjonen H(ω), som er forstått som et frekvensavhengig forhold mellom komplekse signalamplituder ved utgangen og inngangen til systemet under harmoniske påvirkninger var konstante i størrelse og hadde en lineær avhengighet av argumentet (det vil si fase) på frekvens | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Siden funksjonen 20·lg | H(ω) | kalles amplitude-frekvensresponsen til systemet (AFC), og φ(ω) er fasefrekvensresponsen (PFC), og sikrer da et konstant nivå av AFC i det reproduserte frekvensområdet (reduserer ujevnhetene) i mikrofoner, akustisk systemer osv. er hovedkravet for å forbedre kvaliteten. Deres målemetoder er inkludert i alle internasjonale standarder, for eksempel IEC268-5. Et eksempel på frekvensresponsen til en moderne kontrollenhet fra Marantz med en ujevnhet på 2 dB er vist i figur 1.

Frekvensrespons til Marantz kontrollmonitor

Det skal bemerkes at en slik reduksjon i størrelsen på ujevnhet i frekvensrespons er en stor prestasjon i utformingen av lydutstyr (for eksempel hadde kontrollmonitorer presentert på utstillingen i Brussel i 1956 en ujevnhet på 15 dB), noe som ble mulig. som følge av bruk av nye teknologier, materialer og designmetoder.

Påvirkningen av ujevn frekvensrespons (og faserespons) på den subjektivt oppfattede forvrengningen av lydklang er studert i tilstrekkelig detalj. Vi vil prøve å gjennomgå hovedresultatene som er oppnådd i fremtiden.

Ikke-lineær forvrengning er preget av utseendet i signalspekteret av nye komponenter som er fraværende i det originale signalet, hvis antall og amplituder avhenger av endringer i inngangsnivået. Utseendet til tilleggskomponenter i spekteret skyldes den ikke-lineære avhengigheten av utgangssignalet på inngangen, det vil si ikke-lineariteten til overføringsfunksjonen. Eksempler på slik avhengighet er vist i figur 2.

Ulike typer ikke-lineære overføringsfunksjoner i maskinvare

Årsaken til ikke-linearitet kan være utformingen og de teknologiske egenskapene til elektroakustiske transdusere.

For eksempel, i elektrodynamiske høyttalere (figur 3), inkluderer hovedårsakene:

Elektrodynamisk høyttalerdesign

Ikke-lineære elastiske egenskaper til opphengs- og sentreringsskiven (et eksempel på avhengigheten av fleksibiliteten til oppheng i en høyttaler av størrelsen på svingspolens forskyvning er vist i figur 4);

Avhengighet av fjæringsfleksibilitet på talspolens forskyvningsverdi

Ikke-lineær avhengighet av talespoleforskyvningen av den påførte spenningen på grunn av spolens interaksjon med magnetfeltet og på grunn av termiske prosesser i høyttalerne;
- ikke-lineære oscillasjoner av membranen med en stor størrelse på den virkende kraften;
- vibrasjoner av husveggene;
- Dopplereffekt under samspillet mellom ulike emittere i et akustisk system.
Ikke-lineære forvrengninger forekommer i nesten alle elementer av lydbanen: mikrofoner, forsterkere, delefilter, effektprosessorer, etc.
Forholdet mellom inngangs- og utgangssignaler vist i figur 2 (for eksempel mellom påført spenning og lydtrykk for en høyttaler) kan tilnærmes som et polynom:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Hvis et harmonisk signal tilføres et slikt ikke-lineært system, dvs. x(t) = A sin ωt, vil utgangssignalet inneholde komponenter med frekvensene ω, 2ω, 3ω, ..., nω, osv. Hvis vi f.eks. begrense oss bare et kvadratisk ledd, så vil andre harmoniske vises, fordi
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + konst.
I reelle omformere, når et harmonisk signal tilføres, kan det vises harmoniske av andre, tredje og høyere orden, samt underharmoniske (1/n) ω (Figur 5).

For å måle denne typen forvrengning, er de mest brukte metodene å måle nivået av ekstra harmoniske i utgangssignalet (vanligvis bare det andre og tredje).
I samsvar med internasjonale og nasjonale standarder registreres frekvensresponsen til den andre og tredje harmoniske i ekkofrie kamre og den n-ordens harmoniske forvrengningskoeffisienten måles:
KГn = pfn / pav·100 %
hvor pfn er rotmiddel-kvadrat-lydtrykkverdien som tilsvarer den n-harmoniske komponenten. Den brukes til å beregne den totale harmoniske forvrengningskoeffisienten:
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
For eksempel, i samsvar med kravene i IEC 581-7, for Hi-Fi-høyttalersystemer, bør den totale harmoniske forvrengningsfaktoren ikke overstige 2 % i frekvensområdet 250 ... 1000 Hz og 1 % i området over 2000 Hz . Et eksempel på den harmoniske forvrengningsfaktoren for en 300 mm (12") diameter subwoofer versus frekvens for forskjellige inngangsspenninger som varierer fra 10 til 32 V er vist i figur 6.

Avhengighet av THD av frekvens for forskjellige inngangsspenningsverdier

Det skal bemerkes at det auditive systemet er ekstremt følsomt for tilstedeværelsen av ikke-lineære forvrengninger i akustiske transdusere. "Synligheten" til harmoniske komponenter avhenger av rekkefølgen deres; spesielt er hørselen mest følsom for merkelige komponenter. Ved gjentatt lytting blir oppfatningen av ikke-lineære forvrengninger mer akutt, spesielt når man lytter til individuelle musikkinstrumenter. Frekvensområdet for maksimal hørselsfølsomhet for disse typer forvrengninger er innenfor området 1...2 kHz, hvor følsomhetsterskelen er 1...2%.
Denne metoden for å vurdere ikke-linearitet tillater imidlertid ikke å ta hensyn til alle typer ikke-lineære produkter som oppstår under konverteringen av et ekte lydsignal. Som et resultat kan det oppstå en situasjon der et høyttalersystem med 10 % THD subjektivt kan vurderes høyere i lydkvalitet enn et system med 1 % THD på grunn av påvirkningen av høyere harmoniske.
Derfor fortsetter letingen etter andre måter å vurdere ikke-lineære forvrengninger og deres korrelasjon med subjektive vurderinger hele tiden. Dette er spesielt relevant på det nåværende tidspunkt, når nivåene av ikke-lineære forvrengninger har sunket betydelig, og for å redusere dem ytterligere er det nødvendig å kjenne de reelle terskelene for hørbarhet, siden reduksjon av ikke-lineære forvrengninger i utstyr krever betydelige økonomiske kostnader.
Sammen med målinger av harmoniske komponenter, brukes metoder for måling av intermodulasjonsforvrengning i praksisen med å designe og evaluere elektroakustisk utstyr. Måleteknikken er presentert i GOST 16122-88 og IEC 268-5 og er basert på å levere to sinusformede signaler med frekvensene f1 og f2 til emitteren, der f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Den totale interbestemmes i dette tilfellet som:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
hvor kim = /pcp.
Årsaken til intermodulasjonsforvrengning er det ikke-lineære forholdet mellom utgangs- og inngangssignalene, dvs. den ikke-lineære overføringskarakteristikken. Hvis to harmoniske signaler tilføres inngangen til et slikt system, vil utgangssignalet inneholde harmoniske av høyere ordener og sumdifferansetoner av forskjellige størrelser.
Typen utgangssignal som tar hensyn til ikke-lineariteter av høyere orden er vist i figur 5.

Produkter med ikke-lineær forvrengning i høyttalere

Karakteristikkene for avhengigheten av intermodulav frekvens for en lavfrekvent høyttaler med talespoler av forskjellig lengde er vist i figur 7 (a - for en lengre spole, b - for en kortere).

Avhengighet av intermodulasjonsforvrengning (IMD) av frekvens for en høyttaler med en lang (a) og kort (b) spole

Som nevnt ovenfor, i samsvar med internasjonale standarder, måles kun andre- og tredjeordens intermoduli utstyret. Intermodulasjonsforvrengningsmålinger kan være mer informative enn harmoniske forvrengningsmålinger fordi de er et mer følsomt mål på ikke-linearitet. Som vist av eksperimenter utført i verkene til R. Geddes (rapport på den 115. AES-kongressen i New York), kunne det imidlertid ikke etableres en klar sammenheng mellom subjektive vurderinger av kvaliteten på akustiske transdusere og nivået av intermodulasjonsforvrengning - spredningen i de oppnådde resultatene var for stor (som man kan se av figur 8).

Sammenheng mellom subjektive vurderinger og inte(IMD).

Som et nytt kriterium for å vurdere ikke-lineære forvrengninger i elektroakustisk utstyr, ble det foreslått en flertonemetode, hvis historie og anvendelsesmetoder ble studert i detalj i verkene til A. G. Voishvillo et al. (det er artikler i JAES og rapporter på AES-kongresser). I dette tilfellet brukes et sett med harmoniske fra 2. til 20. med en vilkårlig amplitudefordeling og en logaritmisk frekvensfordeling i området fra 1 til 10 kHz som inngangssignal. Den harmoniske fasefordelingen er optimalisert for å minimere toppfaktoren til flertonesignalet. Det generelle utseendet til inngangssignalet og dets tidsmessige struktur er vist i figurene 9a og 9b.

Spektral (a) og tidsmessig (b) visning av et flertonesignal

Utgangssignalet inneholder harmoniske og intermodulasjonsforvrengninger av alle rekkefølger. Et eksempel på slik forvrengning for en høyttaler er vist i figur 10.

Vanlige harmoniske forvrengningsprodukter ved bruk av et flertonesignal

Et flertonesignal i sin struktur er mye nærmere ekte musikk- og talesignaler; det lar en identifisere betydelig flere forskjellige produkter av ikke-lineære forvrengninger (primært intermodulasjon) og korrelerer bedre med subjektive vurderinger av lydkvaliteten til akustiske systemer. Etter hvert som antallet harmoniske komponenter øker, lar denne metoden en få mer og mer detaljert informasjon, men samtidig øker beregningskostnadene. Anvendelsen av denne metoden krever ytterligere forskning, spesielt utviklingen av kriterier og akseptable standarder for de utvalgte produktene av ikke-lineære forvrengninger ut fra deres subjektive vurderinger.
Andre metoder, for eksempel Voltaire-serien, brukes også for å evaluere ikke-lineære forvrengninger i akustiske transdusere.
Alle gir imidlertid ikke en klar sammenheng mellom vurderingen av lydkvaliteten til transdusere (mikrofoner, høyttalere, akustiske systemer, etc.) og nivået av ikke-lineære forvrengninger i dem, målt ved noen av de kjente objektive metodene. Derfor er det nye psykoakustiske kriteriet foreslått i rapporten til R. Geddes på den siste AES-kongressen av betydelig interesse. Han tok utgangspunkt i betraktningene om at enhver parameter kan vurderes i objektive enheter, eller i henhold til subjektive kriterier, for eksempel kan temperatur måles i grader, eller i sensasjoner: kald, varm, varm. Lydstyrken til en lyd kan vurderes ved lydtrykknivået i dB, eller den kan vurderes i subjektive enheter: bakgrunn, søvn. Jakten på lignende kriterier for ikke-lineære forvrengninger var målet med arbeidet hans.
Som kjent fra psykoakustikken er et høreapparat et fundamentalt ikke-lineært system, og dets ikke-linearitet manifesterer seg ved både høye og lave signalnivåer. Årsakene til ikke-linearitet er hydrodynamiske prosesser i cochlea, samt ikke-lineær signalkompresjon på grunn av en spesiell mekanisme for forlengelse av ytre hårceller. Dette fører til utseendet av subjektive harmoniske og kombinasjonstoner når du lytter til harmoniske eller totale harmoniske signaler, hvis nivå kan nå 15...20 % av inngangssignalnivået. Derfor er analysen av oppfatningen av ikke-lineære forvrengningsprodukter skapt i elektroakustiske transdusere og overføringskanaler i et så komplekst ikke-lineært system som et høreapparat et alvorlig problem.
En annen fundamentalt viktig egenskap ved det auditive systemet er maskeringseffekten, som består i å endre hørselsterskler til ett signal i nærvær av et annet (masker). Denne egenskapen til det auditive systemet er mye brukt i moderne systemer for å komprimere lydinformasjon når den overføres over forskjellige kanaler (MPEG-standarder). Fremskritt med å redusere volumet av overført informasjon gjennom komprimering ved bruk av auditive maskeringsegenskaper antyder at disse effektene også er av stor betydning for oppfatningen og vurderingen av ikke-lineære forvrengninger.
De etablerte lovene for auditiv maskering tillater oss å si at:
- maskering av høyfrekvente komponenter (plassert over frekvensen til maskeringssignalet) skjer mye sterkere enn i retning av lave frekvenser;
- maskering er mer uttalt for nærliggende frekvenser (lokal effekt, figur 11);
- med en økning i nivået på maskeringssignalet, utvider sonen for dets innflytelse, det blir mer og mer asymmetrisk, og det skifter mot høye frekvenser.

Fra dette kan vi anta at når man analyserer ikke-lineære forvrengninger i det auditive systemet, blir følgende regler observert:
- ikke-lineære forvrengningsprodukter over grunnfrekvensen er mindre viktige for persepsjon (de er bedre maskert) enn lavfrekvente komponenter;
- jo nærmere grunntonen produktene av ikke-lineære forvrengninger er plassert, jo større er sannsynligheten for at de blir usynlige og ikke vil ha en subjektiv betydning;
- Ytterligere ikke-lineære komponenter som oppstår fra ikke-linearitet kan være mye viktigere for persepsjon ved lave signalnivåer enn ved høye nivåer. Dette er vist i figur 11.

Maskeringseffekter

Faktisk, ettersom nivået på hovedsignalet øker, utvides maskeringssonen, og flere og flere forvrengningsprodukter (harmoniske, totale og forskjellsforvrengninger, etc.) faller inn i den. Ved lave nivåer er dette området begrenset, så høyere ordens forvrengningsprodukter vil være mer hørbare.
Ved måling av ikke-lineære produkter på en ren tone vises hovedsakelig harmoniske med en frekvens høyere enn hovedsignalet n f i omformerne. Imidlertid kan lave harmoniske med frekvenser (1/n) f også forekomme i høyttalere. Ved måling av intermodulasjonsforvrengninger (både ved bruk av to signaler og ved bruk av flertonesignaler), oppstår total- både over og under hovedsignalene m f1 ± n f2.
Ved å ta hensyn til de listede egenskapene til auditiv maskering, kan følgende konklusjoner trekkes: produkter av ikke-lineære forvrengninger av høyere orden kan være mer hørbare enn produkter av lavere orden. For eksempel viser praksisen med høyttalerdesign at harmoniske med tall høyere enn den femte oppfattes mye mer ubehagelig enn den andre og den tredje, selv om nivåene deres er mye lavere enn de for de to første harmoniske. Vanligvis blir utseendet deres oppfattet som skranglende og fører til avvisning av høyttalere i produksjonen. Utseendet til subharmoniske med halve og lavere frekvenser blir også umiddelbart lagt merke til av det auditive systemet som en overtone, selv på svært lave nivåer.
Hvis rekkefølgen av ikke-linearitet er lav, kan ekstra harmoniske maskeres i det auditive systemet med en økning i inngangssignalnivået og ikke oppfattes som forvrengning, noe som bekreftes av praksisen med å designe elektroakustiske transdusere. Høyttalersystemer med et ikke-lineært forvrengningsnivå på 2 % kan vurderes ganske høyt av lyttere. Samtidig bør gode forsterkere ha et forvrengningsnivå på 0,01 % eller lavere, noe som tilsynelatende skyldes det faktum at høyttalersystemer lager lavordens forvrengningsprodukter, og forsterkere lager mye høyere.
Ikke-lineære forvrengningsprodukter som oppstår ved lave signalnivåer kan være mye mer hørbare enn ved høye nivåer. Dette tilsynelatende paradoksale utsagnet kan også være viktig for praksis, siden ikke-lineære forvrengninger i elektroakustiske transdusere og baner også kan oppstå ved lave signalnivåer.
Basert på ovennevnte betraktninger foreslo R. Geddes et nytt psykoakustisk kriterium for vurdering av ikke-lineære forvrengninger, som måtte tilfredsstille følgende krav: å være mer følsom for høyere ordensforvrengninger og ha større betydning for lave signalnivåer.
Problemet var å vise at dette kriteriet var mer konsistent med den subjektive oppfatningen av harmonisk forvrengning enn de for tiden aksepterte vurderingsmetodene: total harmonisk forvrengningsfaktor og intpå to-tone- eller flertonesignaler.
For dette formål ble det utført en rekke subjektive undersøkelser, organisert som følger: trettifire eksperter med testede hørselsgrenser (gjennomsnittsalder 21 år) deltok i en stor serie eksperimenter som vurderte lydkvaliteten til musikalske passasjer (for eksempel menn vokal med symfonisk musikk), der ulike typer ikke-lineære forvrengninger er introdusert. Dette ble gjort ved "konvolusjon" av testsignalet med ikke-lineære overføringsfunksjoner som er karakteristiske for ulike typer omformere (høyttalere, mikrofoner, stereotelefoner, etc.).
Først ble sinusformede signaler brukt som stimuli, de ble "konvolvert" med forskjellige overføringsfunksjoner, og den harmoniske forvrengningskoeffisienten ble bestemt. Deretter ble to sinusformede signaler brukt og intermodulable beregnet. Til slutt ble den nylig foreslåtte koeffisienten Gm bestemt direkte fra de gitte overføringsfunksjonene. Avvikene viste seg å være svært betydelige: for eksempel for den samme overføringsfunksjonen er SOI 1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Denne forskjellen er fysisk forklarlig, siden Kim og Gm tar hensyn til mange flere høyordnede ikke-lineære forvrengningsprodukter.
Auditive eksperimenter ble utført på stereotelefoner med en rekkevidde på 20 Hz...16 kHz, følsomhet 108 dB, maks. SPL 122 dB. Den subjektive vurderingen ble gitt på en syv-punkts skala for hvert musikalsk fragment, fra "mye bedre" enn referansefragmentet (dvs. det musikalske fragmentet "kollapset" med en lineær overføringsfunksjon) til "mye dårligere." Statistisk behandling av resultatene av den auditive vurderingen gjorde det mulig å etablere en ganske høy korrelasjonskoeffisient mellom gjennomsnittsverdiene av subjektive vurderinger og verdien av Gm-koeffisienten, som viste seg å være lik 0,68. Samtidig var det for SOI 0,42, og for Kim - 0,34 (for denne serien av eksperimenter).
Sammenhengen mellom det foreslåtte kriteriet og subjektive vurderinger av lydkvalitet viste seg således å være betydelig høyere enn for andre koeffisienter (Figur 12).

Sammenheng mellom Gm-koeffisienten og subjektive vurderinger

De eksperimentelle resultatene viste også at en elektroakustisk transduser med Gm mindre enn 1 % kan anses som ganske tilfredsstillende med tanke på lydkvalitet i den forstand at ikke-lineære forvrengninger i den er praktisk talt uhørbare.
Selvfølgelig er disse resultatene ennå ikke tilstrekkelige til å erstatte det foreslåtte kriteriet med parametrene som er tilgjengelige i standardene, slik som harmonisk forvrengningskoeffisient ogffisient, men hvis resultatene bekreftes av ytterligere eksperimenter, så er det kanskje akkurat det som vil skje .
Jakten på andre nye kriterier fortsetter også aktivt, siden avviket mellom eksisterende parametere (spesielt harmonisk forvrengningskoeffisient, som kun evaluerer de to første harmoniske) og subjektivt oppfattet lydkvalitet blir mer og mer åpenbar ettersom den generelle kvaliteten på lydutstyret forbedres.
Tilsynelatende vil ytterligere måter å løse dette problemet gå mot å lage datamodeller av det auditive systemet, som tar hensyn til ikke-lineære prosesser og maskeringseffekter i det. Institutt for kommunikasjonsakustikk i Tyskland jobber med dette området under ledelse av D. Blauert, noe som allerede ble skrevet om i en artikkel dedikert til den 114. AES-kongressen. Ved å bruke disse modellene vil det være mulig å evaluere hørbarheten til ulike typer ikke-lineære forvrengninger i ekte musikk- og talesignaler. Men mens de ennå ikke er opprettet, vil vurderinger av ikke-lineære forvrengninger i utstyr gjøres ved å bruke forenklede metoder som er så nærme som mulig reelle auditive prosesser.