Kako se določi faktor nelinearnega popačenja? Nelinearna popačenja. Največja dolgoročna moč

Vhodni signal, za koren povprečne kvadratne vsote spektralnih komponent vhodnega signala, se včasih uporablja nestandardiziran sinonim - clearfactor(izposojeno iz nemščine). SOI je brezdimenzijska količina, običajno izražena v odstotkih. Poleg SOI je mogoče stopnjo nelinearnega popačenja izraziti z uporabo faktor harmoničnega popačenja.

Faktor harmoničnega popačenja- vrednost, ki izraža stopnjo nelinearnega popačenja naprave (ojačevalnika itd.), ki je enaka razmerju srednje kvadratne napetosti vsote višjih harmonikov signala, razen prvega, do napetosti prvi harmonik, ko je na vhodu naprave uporabljen sinusni signal.

Harmonični koeficient je tako kot SOI izražen v odstotkih. Harmonično popačenje ( K G) je povezan s CNI ( K N) razmerje:

Meritve

• V nizkofrekvenčnem (LF) območju (do 100-200 kHz) se za merjenje SOI uporabljajo nelinearni merilniki popačenja (merilniki harmoničnega popačenja).
• Pri višjih frekvencah (MF, HF) se uporabljajo posredne meritve s spektralnimi analizatorji ali selektivnimi voltmetri.

Tipične vrednosti SOI

• 0 % - valovna oblika je idealen sinusni val.
• 3% - oblika signala je drugačna od sinusne, vendar popačenje ni opazno za oko.
• 5% - odstopanje oblike signala od sinusne je vidno na oscilogramu.
• 10 % je standardna raven popačenja, pri kateri se izračuna realna moč (RMS) UMZCH.
• 21% - na primer trapezni ali stopničasti signal.
• 43% - na primer kvadratni signal.

Poglej tudi

Literatura

• Priročnik za radioelektronske naprave: V 2 zvezkih; Ed. D. P. Linde - M.: Energija,
• Gorokhov P.K. Razlagalni slovar radijske elektronike. Osnovni pojmi- M: Rus. jezik,

Povezave

• GLAVNE ELEKTRIČNE ZNAČILNOSTI KANALA ZA PRENOS ZVOKA

Fundacija Wikimedia. 2010.

Poglejte, kaj je "" v drugih slovarjih:

faktor harmoničnega popačenja- SOI Parameter, ki vam omogoča, da upoštevate vpliv harmonikov in kombinacijskih komponent na kakovost signala. Numerično definirano kot razmerje med močjo nelinearnih popačenj in močjo nepopačenega signala, običajno izraženo v odstotkih. [L.M. Nevdjajev...

faktor harmoničnega popačenja- 3,9 koeficient nelinearnega popačenja (skupno popačenje): razmerje v odstotkih med povprečno kvadratno vrednostjo spektralnih komponent izhodnega signala akustičnega kalibratorja, ki jih v vhodnem signalu ni, in povprečno kvadratno vrednostjo vrednost.....

faktor harmoničnega popačenja- netiesinių iškreipių faktorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. nelinearni faktor popačenja vok. Klirrfaktor, m rus. nelinearni faktor popačenja, m pranc. taux de distorsion harmonique, m … Fizikos terminų žodynas

THD vhodnega toka UPS. Označuje odstopanja oblike vhodnega toka UPS od sinusne. Višja kot je vrednost tega parametra, slabše je za opremo, ki je priključena na isto napajalno omrežje in samo omrežje, v tem primeru se poslabša... ... Priročnik za tehnične prevajalce

THD izhodne napetosti UPS Označuje odstopanja oblike izhodne napetosti od sinusne, običajno podane za linearne (motorji, nekatere vrste svetlobnih naprav) in nelinearne obremenitve. Višja kot je ta vrednost, slabša kakovost… … Priročnik za tehnične prevajalce

ojačevalnik THD- - [L.G. Sumenko. Angleško-ruski slovar informacijske tehnologije. M.: Državno podjetje TsNIIS, 2003.] Teme Informacijska tehnologija na splošno EN faktor popačenja ojačevalnika ... Priročnik za tehnične prevajalce

Zvočnik THD- 89. Koeficient nelinearnega popačenja zvočnika Koeficient nelinearnega popačenja Ndp. Harmonični koeficient Izražen v odstotkih, kvadratni koren razmerja vsote kvadratov efektivnih vrednosti oddanih spektralnih komponent... ... Slovar-priročnik izrazov normativne in tehnične dokumentacije

Koeficient nelinearnega popačenja laringofona- 94. Koeficient nelinearnega popačenja laringofona Izraženo v odstotkih, vrednost kvadratnega korena razmerja vsote kvadratov efektivnih vrednosti harmonikov elektromotorne sile, ki jih razvije laringofon med harmoničnim gibanjem zraka , do ... ... Slovar-priročnik izrazov normativne in tehnične dokumentacije

dopustni faktor nelinearnega popačenja- - [L.G. Sumenko. Angleško-ruski slovar informacijske tehnologije. M.: Državno podjetje TsNIIS, 2003.] Teme informacijske tehnologije na splošno EN harmonična toleranca ... Priročnik za tehnične prevajalce

- (harmonic distortion meter) naprava za merjenje koeficienta nelinearnega popačenja (harmoničnega popačenja) signalov v radijskih napravah. Vsebina... Wikipedia

IN Celotna zgodovina reprodukcije zvoka je sestavljena iz poskusov približevanja iluzije izvirniku. In čeprav je bila prehojena ogromna razdalja, smo še vedno zelo, zelo daleč od tega, da bi se povsem približali zvoku v živo. Razlike v številnih parametrih je mogoče izmeriti, vendar jih kar nekaj ostaja izven vidnega polja razvijalcev opreme. Ena od glavnih značilnosti, na katero je potrošnik s kakršnim koli ozadjem vedno pozoren, je faktor nelinearnega popačenja (THD) .

In kakšna vrednost tega koeficienta dokaj objektivno kaže na kakovost naprave? Neučakani lahko na koncu takoj najdejo poskus odgovora na to vprašanje. Za ostale bomo nadaljevali.
Ta koeficient, ki se imenuje tudi skupni koeficient harmoničnega popačenja, je razmerje, izraženo v odstotkih, med efektivno amplitudo harmoničnih komponent na izhodu naprave (ojačevalnik, magnetofon itd.) in efektivno amplitudo signal osnovne frekvence, ko je sinusni signal te frekvence uporabljen na vhodu naprave. Tako omogoča kvantificiranje nelinearnosti prenosne karakteristike, ki se kaže v pojavu v izhodnem signalu spektralnih komponent (harmonikov), ki jih v vhodnem signalu ni. Z drugimi besedami, pride do kvalitativne spremembe v spektru glasbenega signala.

Poleg objektivnih harmonskih popačenj, prisotnih v zvočnem signalu, obstaja problem popačenj, ki jih v realnem zvoku ni, čutimo pa zaradi subjektivnih harmonikov, ki nastanejo v polžu srednjega ušesa pri visokih temperaturah. vrednosti zvočnega tlaka. Človeški slušni aparat je nelinearen sistem. Nelinearnost sluha se kaže v tem, da ko je bobnič izpostavljen sinusoidnemu zvoku s frekvenco f v slušni aparat harmoniki tega zvoka se generirajo s frekvencami 2f, 3f itd. Ker ti harmoniki niso prisotni v primarnem vplivnem tonu, se imenujejo subjektivni harmoniki.

Seveda to dodatno zaplete idejo o najvišji dovoljeni ravni harmonikov v zvočni poti. Z večanjem jakosti primarnega tona se jakost subjektivnih harmonikov močno poveča in lahko celo preseže jakost primarnega tona. Ta okoliščina utemeljuje domnevo, da se zvoki s frekvenco, manjšo od 100 Hz, ne čutijo sami, ampak zaradi subjektivnih harmonikov, ki jih ustvarjajo, padejo v frekvenčno območje nad 100 Hz, tj. zaradi nelinearnosti sluha. Fizični razlogi za posledično popačenje strojne opreme v različnih napravah so različne narave in prispevek vsakega k skupnemu popačenju celotne poti ni enak.

Popačenje sodobnih CD predvajalnikov je v primerjavi s popačenjem drugih enot zelo nizko in skoraj neopazno. Pri sistemih zvočnikov je najpomembnejše nizkofrekvenčno popačenje, ki ga povzroča basovska glava, standard pa določa zahteve samo za drugi in tretji harmonik v frekvenčnem območju do 250 Hz. In za zelo dober zvok zvočniški sistem lahko so znotraj 1 % ali celo nekoliko več. Pri analognih magnetofonih je glavna težava povezana z fizične temelje snemanje na magnetni trak, je tretji harmonik, katerega vrednosti so običajno navedene v navodilih za mešanje. Toda najvišja vrednost, pri kateri se na primer vedno izvajajo meritve ravni hrupa, je 3 % za frekvenco 333 Hz. Popačenje elektronskega dela magnetofonov je veliko manjše.
Tako pri akustičnih kot pri analognih magnetofonih je zaradi dejstva, da so popačenja večinoma nizkofrekvenčna, njihova subjektivna opaznost močno zmanjšana zaradi maskirnega učinka (ki sestoji iz dejstva, da je od dveh sočasno zvenečih signalov višji - ena frekvenca se bolje sliši).

Torej bo glavni vir popačenja v vašem vezju močnostni ojačevalnik, v katerem je glavni vir nelinearnost prenosnih karakteristik aktivnih elementov: tranzistorjev in vakuumskih cevi, v transformatorskih ojačevalnikih pa nelinearna popačenja transformatorja. dodani so tudi, povezani z nelinearnostjo krivulje magnetizacije. Očitno je, da je na eni strani popačenje odvisno od oblike nelinearnosti prenosne karakteristike, pa tudi od narave vhodnega signala.

Na primer, prenosna karakteristika ojačevalnika z gladkim izrezovanjem pri velikih amplitudah ne bo povzročila popačenja za sinusne signale pod nivojem izrezovanja, ko pa se signal poveča nad to raven, se popačenje pojavi in ​​se bo povečalo. Ta vrsta omejitev je značilna predvsem za cevne ojačevalnike, kar je do neke mere lahko eden od razlogov za prednost takšnih ojačevalnikov s strani poslušalcev. In to funkcijo je NAD uporabil v seriji svojih priznanih ojačevalnikov z "mehkim omejevanjem", proizvedenih od zgodnjih 80-ih: zmožnost vklopa načina z imitacijo izrezovanja cevi je ustvarila veliko vojsko oboževalcev tranzistorskih ojačevalnikov tega podjetja .
V nasprotju s tem pa značilnost ojačevalnika sredinskega rezanja (postopno popačenje), ki je značilna za tranzistorske modele, povzroča popačenje glasbenih in majhnih sinusnih signalov, popačenje pa se bo zmanjšalo, ko se raven signala poveča. Tako popačenje ni odvisno le od oblike prenosne karakteristike, temveč tudi od statistične porazdelitve ravni vhodnega signala, ki za glasbeni programi blizu šumnega signala. Zato je poleg merjenja SOI s pomočjo sinusnega signala možno meriti nelinearna popačenja ojačevalnih naprav z uporabo vsote treh sinusnih ali šumnih signalov, kar glede na zgoraj navedeno daje bolj objektivno sliko popačenj.

Faktor nelinearnega popačenja(SOI oz K N) - vrednost za kvantitativno oceno nelinearnih popačenj.

Opredelitev [ | ]

Faktor nelinearnega popačenja je enak razmerju povprečne kvadratne vsote spektralnih komponent izhodnega signala, ki jih ni v spektru vhodnega signala, in povprečne kvadratne vsote vseh spektralnih komponent vhodnega signala. signal

SOI je brezdimenzijska količina in je običajno izražena v odstotkih. Poleg SOI je stopnja nelinearnega popačenja pogosto izražena skozi faktor harmoničnega popačenja(KGI oz K G) - vrednost, ki izraža stopnjo nelinearnega popačenja naprave (ojačevalnika itd.) in je enaka razmerju efektivne vrednosti napetosti vsote višjih harmonikov signala, razen prvega, do napetosti prvega harmonično, ko je na vhodu naprave uporabljen sinusni signal.

KGI je tako kot KNI izražen v odstotkih in je z njim povezan z razmerjem

Očitno je, da pri majhnih vrednostih THI in SOI sovpadata v prvem približku. Zanimivo je, da se v zahodni literaturi običajno uporablja CGI, medtem ko se v ruski literaturi tradicionalno daje prednost CNI.

Pomembno je tudi upoštevati, da sta KNI in KGI samo kvantitativne mere izkrivljanja, vendar ne visoke kakovosti. Na primer, vrednost THD, enaka 3%, ne pove ničesar o naravi popačenja, tj. o tem, kako so harmoniki porazdeljeni v spektru signala in kakšen je na primer prispevek nizkofrekvenčnih ali visokofrekvenčnih komponent. Tako v spektrih cevnih UMZCH običajno prevladujejo nižji harmoniki, ki jih uho pogosto zazna kot "zvok tople cevi", v tranzistorskih UMZCH pa so popačenja bolj enakomerno porazdeljena po spektru in je bolj položna, kar je pogosto zaznati kot »tipičen zvok tranzistorja« (čeprav je ta razprava v veliki meri odvisna od posameznikovih osebnih občutkov in navad).

Primeri izračunavanja CGI[ | ]

Za številne standardne signale je THD mogoče izračunati analitično. Torej, za simetrični pravokotni signal (meander)

Idealno žagasti signal ima KGI

in simetrični trikotnik

Asimetrični pravokotni impulzni signal z razmerjem med trajanjem impulza in periodo, ki je enaka μ ima KGI

ki doseže minimum (≈0,483) pri μ =0,5, tj. ko signal postane simetrični meander. Mimogrede, s filtriranjem lahko dosežete znatno zmanjšanje THD teh signalov in tako dobite signale, ki so po obliki blizu sinusoidni. Na primer, simetrični pravokotni signal (meander) z začetnim THD 48,3 % ima po prehodu skozi Butterworthov filter drugega reda (z mejno frekvenco, ki je enaka frekvenci osnovnega harmonika) THD 5,3 % in če filter četrtega reda - potem je THD = 0,6 %. Upoštevati je treba, da bolj kot je zapleten signal na vhodu filtra in bolj ko je zapleten sam filter (oziroma njegova prenosna funkcija), bolj okorni in zamudni bodo izračuni TCG. Tako standardni žagasti signal, ki poteka skozi Butterworthov filter prvega reda, nima več THD 80,3 %, ampak 37,0 %, kar je natančno podano z naslednjim izrazom

In TCG istega signala, ki je prešel skozi isti filter, vendar drugega reda, bo že podan s precej okorno formulo

Če upoštevamo zgoraj omenjeni asimetrični pravokotni impulzni signal, ki poteka skozi Butterworthov filter str-th red, torej

kjer je 0<μ <1 и

za podrobnosti o izračunih glejte Yaroslav Blagushin in Eric Moreau.

Meritve [ | ]

• V nizkofrekvenčnem (LF) območju se za merjenje SOI uporabljajo nelinearni merilniki popačenja (merilniki harmoničnega popačenja).
• Pri višjih frekvencah (MF, HF) se uporabljajo posredne meritve s spektralnimi analizatorji ali selektivnimi voltmetri.

Glavni parameter elektronskega ojačevalnika je ojačanje K. Ojačanje moči (napetost, tok) je določeno z razmerjem moči (napetosti, toka) izhodnega signala do moči (napetosti, toka) vhodnega signala in označuje ojačevalne lastnosti vezja. Izhodni in vhodni signal morata biti izražena v enakih količinskih enotah, zato je ojačenje brezdimenzijska količina.

V odsotnosti reaktivnih elementov v vezju, pa tudi pri določenih načinih njegovega delovanja, ko je njihov vpliv izključen, je dobiček realna vrednost, ki ni odvisna od frekvence. V tem primeru izhodni signal ponovi obliko vhodnega signala in se od njega razlikuje za K-krat le po amplitudi. V nadaljnji predstavitvi gradiva bomo govorili o ojačanem modulu, razen če ni posebnih zadržkov.

Odvisno od zahtev za izhodne parametre ojačevalnika signala izmeničnega toka se razlikujejo faktorji ojačenja:

a) z napetostjo, definirano kot razmerje med amplitudo izmenične komponente izhodne napetosti in amplitudo izmenične komponente vhodne napetosti, tj.

b) s tokom, ki je določen z razmerjem med amplitudo izmenične komponente izhodnega toka in amplitudo izmenične komponente vhodnega toka:

c) po moči

Ker se lahko dobiček moči določi na naslednji način:

Če so v tokokrogu reaktivni elementi (kondenzatorji, induktorji), je treba ojačenje obravnavati kot kompleksno vrednost

kjer sta m in n realna in namišljena komponenta, odvisno od frekvence vhodnega signala:

Predpostavimo, da ojačanje K ni odvisno od amplitude vhodnega signala. V tem primeru, ko je na vhodu ojačevalnika uporabljen sinusni signal, bo imel izhodni signal tudi sinusno obliko, vendar se bo od vhodnega razlikoval po amplitudi za K-krat in po fazi za kot.

Po Fourierjevem izreku lahko periodični signal kompleksne oblike predstavimo kot vsoto končnega ali neskončno velikega števila harmoničnih komponent, ki imajo različne amplitude, frekvence in faze. Ker je K kompleksna količina, se amplitude in faze harmoničnih komponent vhodnega signala pri prehodu skozi ojačevalnik spremenijo drugače in izhodni signal se bo po obliki razlikoval od vhodnega.

Popačenje signala pri prehodu skozi ojačevalnik, ki ga povzroča odvisnost parametrov ojačevalnika od frekvence in je neodvisno od amplitude vhodnega signala, se imenuje linearno popačenje. Po drugi strani pa lahko linearna popačenja razdelimo na frekvenčna popačenja (ki označujejo spremembo modula ojačanja K v frekvenčnem pasu zaradi vpliva reaktivnih elementov v vezju); faza (ki označuje odvisnost faznega premika med izhodnim in vhodnim signalom na frekvenco zaradi vpliva reaktivnih elementov).

Frekvenčno popačenje signala lahko ocenimo z amplitudno-frekvenčno karakteristiko, ki izraža odvisnost modula napetostnega ojačanja od frekvence. Amplitudno-frekvenčni odziv ojačevalnika je v splošni obliki prikazan na sl. 1.2. Območje delovne frekvence ojačevalnika, znotraj katerega se ojačenje lahko šteje za konstantno z določeno stopnjo natančnosti, leži med najnižjo in najvišjo mejno frekvenco in se imenuje pasovni pas. Mejne frekvence določajo zmanjšanje ojačanja za dano količino od njegove največje vrednosti pri srednji frekvenci.

Z uvedbo koeficienta frekvenčnega popačenja pri dani frekvenci,

kjer je ojačenje napetosti pri dani frekvenci, lahko uporabite amplitudno-frekvenčno karakteristiko za določitev popačenja frekvence v katerem koli območju delovnih frekvenc ojačevalnika.

Ker imamo največja frekvenčna popačenja na mejah delovnega območja, se pri izračunu ojačevalnika praviloma nastavijo koeficienti frekvenčnega popačenja na najnižjo in najvišjo mejno frekvenco, tj.

kjer so napetostni dobički pri najvišji oziroma najnižji mejni frekvenci.

Običajno vzeto, tj. pri mejnih frekvencah, se ojačanje napetosti zmanjša na raven 0,707 vrednosti ojačanja pri srednji frekvenci. V takšnih pogojih je pasovna širina zvočnih ojačevalnikov, namenjenih reprodukciji govora in glasbe, v območju 30-20.000 Hz. Za ojačevalnike, ki se uporabljajo v telefoniji, je sprejemljiva ožja pasovna širina 300-3400 Hz. Za ojačanje impulznih signalov je potrebno uporabiti tako imenovane širokopasovne ojačevalnike, katerih pasovna širina je v frekvenčnem območju od desetin ali enot hertzov do desetin ali celo stotin megahercev.

Za oceno kakovosti ojačevalnika se pogosto uporablja parameter

Za širokopasovne ojačevalnike torej

Nasprotje širokopasovnim ojačevalnikom so selektivni ojačevalniki, katerih namen je ojačati signale v ozkem frekvenčnem pasu (slika 1.3).

Ojačevalniki, namenjeni ojačanju signalov s poljubno nizkimi frekvencami, se imenujejo enosmerni ojačevalniki. Iz definicije je razvidno, da je najnižja mejna frekvenca prepustnega pasu takega ojačevalnika enaka nič. Amplitudno-frekvenčni odziv enosmernega ojačevalnika je prikazan na sl. 1.4.

Fazno-frekvenčna karakteristika prikazuje, kako se spremeni kot faznega premika med izhodnim in vhodnim signalom, ko se spremeni frekvenca, in določa fazno popačenje.

Ko je fazno-frekvenčna karakteristika linearna (črtkana črta na sliki 1.5), ni faznih popačenj, saj se v tem primeru vsaka harmonična komponenta vhodnega signala pri prehodu skozi ojačevalnik časovno premakne za enak interval. Kot faznega premika med vhodnim in izhodnim signalom je sorazmeren s frekvenco

kjer je sorazmernostni koeficient, ki določa kot naklona karakteristike na abscisno os.

Fazno-frekvenčna karakteristika pravega ojačevalnika je prikazana na sl. 1,5 s polno črto. Iz sl. 1.5 je razvidno, da je v pasovnem pasu ojačevalnika fazno popačenje minimalno, vendar se močno poveča v območju mejnih frekvenc.

Če je ojačanje odvisno od amplitude vhodnega signala, se pojavijo nelinearna popačenja ojačenega signala zaradi prisotnosti elementov v ojačevalniku z nelinearnimi tokovno-napetostnimi karakteristikami.

Z določitvijo zakona spremembe je mogoče oblikovati nelinearne ojačevalnike z določenimi lastnostmi. Naj bo dobiček določen z odvisnostjo , kjer je sorazmernostni koeficient.

Potem, ko se na vhod ojačevalnika uporabi sinusni vhodni signal, se izhodni signal ojačevalnika

kjer je amplituda in frekvenca vhodnega signala.

Prva harmonična komponenta v izrazu (1.6) predstavlja uporabni signal, ostale so posledica nelinearnih popačenj.

Nelinearno popačenje je mogoče oceniti s tako imenovanim harmoničnim popačenjem

kjer so vrednosti amplitude moči, napetosti in toka harmoničnih komponent.

Indeks določa harmonično število. Običajno se upoštevata le drugi in tretji harmonik, saj so amplitudne vrednosti moči višjih harmonikov razmeroma majhne.

Linearna in nelinearna popačenja označujejo natančnost reprodukcije oblike vhodnega signala s strani ojačevalnika.

Amplitudna značilnost omrežij s štirimi priključki, sestavljenih samo iz linearnih elementov, pri kateri koli vrednosti, je teoretično nagnjena ravna črta. V praksi je največja vrednost omejena z električno trdnostjo elementov štiripolnega omrežja. Amplitudna karakteristika ojačevalnika, izdelanega na elektronskih napravah (slika 1.6), je načeloma nelinearna, vendar lahko vsebuje odseke OA, kjer je krivulja približno linearna z visoko stopnjo natančnosti. Območje delovanja vhodnega signala ne sme presegati linearnega dela (LA) amplitudne značilnosti ojačevalnika, sicer bo nelinearno popačenje preseglo dovoljeno raven.

Skupno harmonično popačenje (THD)​

Irina Aldošina

Vsi elektroakustični pretvorniki (zvočniki, mikrofoni, telefoni itd.), pa tudi prenosni kanali, vnašajo svoja popačenja v oddani zvočni signal, to pomeni, da zaznani zvočni signal vedno ni enak izvirniku. Ideologija ustvarjanja zvočne opreme, ki so jo v 60. letih imenovali High-Fidelity, »visoka zvestoba« živemu zvoku, večinoma ni dosegla svojega cilja. V tistih letih so bile stopnje popačenja zvočnega signala v opremi še vedno zelo visoke in zdelo se je, da jih je dovolj zmanjšati - in zvoka, ki ga predvaja oprema, se praktično ne bi razlikovalo od prvotnega.

Vendar kljub napredku v oblikovanju in razvoju tehnologije, ki je privedel do znatnega zmanjšanja ravni vseh vrst popačenj v avdio opremi, še vedno ni posebej težko razlikovati naravnega zvoka od reproduciranega zvoka. Zato trenutno v različnih državah raziskovalni inštituti, univerze in proizvodna podjetja izvajajo veliko dela na proučevanju slušnega zaznavanja in subjektivne ocene različnih vrst izkrivljanj. Na podlagi rezultatov teh študij so objavljeni številni znanstveni članki in poročila. Skoraj vsi kongresi AES predstavljajo referate na to temo. V članku bodo predstavljeni nekateri sodobni rezultati, pridobljeni v zadnjih dveh do treh letih o problemih subjektivnega zaznavanja in ocenjevanja nelinearnih popačenj zvočnega signala v avdio opremi.

Pri snemanju, prenosu in predvajanju glasbenih in govornih signalov preko avdio opreme prihaja do popačenj v časovni strukturi signala, ki jih lahko razdelimo na linearne in nelinearne.

Linearno popačenje spreminjajo amplitudna in fazna razmerja med obstoječimi spektralnimi komponentami vhodnega signala in zaradi tega izkrivljajo njegovo časovno strukturo. Tovrstno popačenje se subjektivno dojema kot popačenje signalnega tona, zato so problemom njihovega zmanjševanja in subjektivne ocene njihove ravni strokovnjaki v celotnem obdobju razvoja avdiotehnike posvečali veliko pozornosti.

Zahtevo za odsotnost linearnega popačenja signala v avdio opremi lahko zapišemo v obliki:

Y(t) = K x(t - T), kjer je x(t) vhodni signal, y(t) izhodni signal.

Ta pogoj dovoljuje samo spremembo signala na skali s koeficientom K in njegov časovni zamik za količino T. Določa linearno razmerje med vhodnim in izhodnim signalom in vodi do zahteve, da prenosna funkcija H(ω), ki se razume kot od frekvence odvisno razmerje amplitud kompleksnega signala na izhodu in vhodu sistema pod harmoničnimi vplivi, so bili konstantni po velikosti in so imeli linearno odvisnost argumenta (to je faze) od frekvence | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Ker je funkcija 20·lg | H(ω) | se imenuje amplitudno-frekvenčni odziv sistema (AFC), φ(ω) pa je fazno-frekvenčni odziv (PFC), nato pa zagotavlja konstantno raven AFC v reproduciranem frekvenčnem območju (zmanjšanje njegove neenakomernosti) v mikrofonih, akustični sistemov itd. je glavna zahteva za izboljšanje njihove kakovosti. Njihove merilne metode so vključene v vse mednarodne standarde, na primer IEC268-5. Primer frekvenčnega odziva sodobne krmilne enote Marantz z neenakomernostjo 2 dB je prikazan na sliki 1.

Frekvenčni odziv nadzornega monitorja Marantz

Treba je opozoriti, da je takšno zmanjšanje obsega neenakomernosti frekvenčnega odziva velik dosežek pri oblikovanju avdio opreme (na primer nadzorni monitorji, predstavljeni na razstavi v Bruslju leta 1956, so imeli neenakost 15 dB), kar je postalo mogoče zaradi uporabe novih tehnologij, materialov in metod oblikovanja.

Vpliv neenakomernega frekvenčnega odziva (in faznega odziva) na subjektivno zaznano popačenje zvočne barve je bil dovolj podrobno raziskan. V prihodnje bomo poskušali pregledati glavne pridobljene rezultate.

Nelinearno popačenje za katere je značilno, da se v spektru signala pojavijo nove komponente, ki jih v izvirnem signalu ni, katerih število in amplitude so odvisne od sprememb vhodnega nivoja. Pojav dodatnih komponent v spektru je posledica nelinearne odvisnosti izhodnega signala od vhoda, to je nelinearnosti prenosne funkcije. Primeri takšne odvisnosti so prikazani na sliki 2.

Različne vrste nelinearnih prenosnih funkcij v strojni opremi

Vzrok za nelinearnost so lahko konstrukcijske in tehnološke lastnosti elektroakustičnih pretvornikov.

Na primer, pri elektrodinamičnih zvočnikih (slika 3) so glavni razlogi naslednji:

Elektrodinamična zasnova zvočnikov

Nelinearne elastične lastnosti vzmetenja in centrirne podložke (primer odvisnosti prožnosti obes v zvočniku od velikosti pomika zvočne tuljave je prikazan na sliki 4);

Odvisnost prožnosti vzmetenja od vrednosti pomika zvočne tuljave

Nelinearna odvisnost pomika zvočne tuljave od uporabljene napetosti zaradi interakcije tuljave z magnetnim poljem in zaradi toplotnih procesov v zvočnikih;
- nelinearna nihanja diafragme z veliko velikostjo delujoče sile;
- vibracije sten ohišja;
- Dopplerjev učinek med interakcijo različnih sevalnikov v akustičnem sistemu.
Nelinearna popačenja se pojavljajo v skoraj vseh elementih zvočne poti: mikrofoni, ojačevalniki, kretnice, procesorji učinkov itd.
Razmerje med vhodnimi in izhodnimi signali, prikazano na sliki 2 (na primer med uporabljeno napetostjo in zvočnim tlakom za zvočnik), je mogoče približati kot polinom:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Če se na tak nelinearni sistem uporabi harmonični signal, tj. x(t) = A sin ωt, bo izhodni signal vseboval komponente s frekvencami ω, 2ω, 3ω, ..., nω itd. Če na primer omejimo se samo na kvadratni člen, potem se bodo pojavili drugi harmoniki, ker
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + const.
Pri realnih pretvornikih se lahko ob dovajanju harmoničnega signala pojavijo harmoniki drugega, tretjega in višjih redov ter subharmoniki (1/n) ω (slika 5).

Za merjenje tovrstnega popačenja so najpogosteje uporabljene metode merjenje ravni dodatnih harmonikov v izhodnem signalu (običajno le drugega in tretjega).
V skladu z mednarodnimi in domačimi standardi se frekvenčni odziv drugega in tretjega harmonika zabeleži v brezehoičnih komorah in izmeri koeficient harmoničnega popačenja n-reda:
Kn = pfn / pav·100 %
kjer je pfn povprečna kvadratna vrednost zvočnega tlaka, ki ustreza n-harmonični komponenti. Uporablja se za izračun celotnega koeficienta harmoničnega popačenja:
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
Na primer, v skladu z zahtevami standarda IEC 581-7 za Hi-Fi sisteme zvočnikov skupni faktor harmoničnega popačenja ne sme preseči 2 % v frekvenčnem območju 250 ... 1000 Hz in 1 % v območju nad 2000 Hz. . Primer faktorja harmoničnega popačenja za nizkotonec s premerom 300 mm (12") glede na frekvenco za različne vhodne napetosti, ki se spreminjajo od 10 do 32 V, je prikazan na sliki 6.

Odvisnost THD od frekvence za različne vrednosti vhodne napetosti

Opozoriti je treba, da je slušni sistem izjemno občutljiv na prisotnost nelinearnih popačenj v akustičnih pretvornikih. »Vidnost« harmoničnih komponent je odvisna od njihovega vrstnega reda, predvsem je sluh najbolj občutljiv na lihe komponente. S ponavljajočim poslušanjem postane zaznavanje nelinearnih popačenj bolj akutno, zlasti pri poslušanju posameznih glasbil. Frekvenčno območje največje občutljivosti sluha za te vrste popačenj je v območju 1...2 kHz, kjer je prag občutljivosti 1...2 %.
Vendar ta metoda ocenjevanja nelinearnosti ne omogoča upoštevanja vseh vrst nelinearnih produktov, ki nastanejo med pretvorbo realnega zvočnega signala. Posledično lahko pride do situacije, ko je lahko sistem zvočnikov z 10-odstotnim THD subjektivno ocenjen kot višja kakovost zvoka kot sistem z 1-odstotnim THD zaradi vpliva višjih harmonikov.
Zato se iskanje drugih načinov ocenjevanja nelinearnih popačenj in njihove korelacije s subjektivnimi ocenami ves čas nadaljuje. To je še posebej pomembno v tem času, ko so se ravni nelinearnih popačenj znatno zmanjšale in je za njihovo nadaljnje zmanjšanje potrebno poznati dejanske pragove slišnosti, saj zmanjšanje nelinearnih popačenj v opremi zahteva znatne ekonomske stroške.
Poleg meritev harmoničnih komponent se v praksi načrtovanja in ocenjevanja elektroakustične opreme uporabljajo metode za merjenje intermodulacijskega popačenja. Tehnika merjenja je predstavljena v GOST 16122-88 in IEC 268-5 in temelji na dovajanju dveh sinusnih signalov s frekvencama f1 in f2 v oddajnik, kjer je f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Skupni faktor intermodulacijskega popačenja je v tem primeru določen kot:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
kjer je kim = /pcp.
Vzrok za intermodulacijsko popačenje je nelinearna povezava med izhodnim in vhodnim signalom, t.j. nelinearna prenosna karakteristika. Če na vhod takega sistema dovedemo dva harmonska signala, bo izhodni signal vseboval harmonike višjih redov in vsoto-diferenčne tone različnih redov.
Tip izhodnega signala ob upoštevanju nelinearnosti višjih redov je prikazan na sliki 5.

Produkti nelinearnega popačenja v zvočnikih

Značilnosti odvisnosti koeficienta intermodulacijskega popačenja od frekvence za nizkofrekvenčni zvočnik z zvočnimi tuljavami različnih dolžin so prikazane na sliki 7 (a - za daljšo tuljavo, b - za krajšo).

Odvisnost intermodulacijskega popačenja (IMD) od frekvence za zvočnik z dolgo (a) in kratko (b) tuljavo

Kot je navedeno zgoraj, se v skladu z mednarodnimi standardi v opremi merijo le koeficienti intermodulacijskega popačenja drugega in tretjega reda. Meritve intermodulacijskega popačenja so lahko bolj informativne kot meritve harmoničnega popačenja, ker so bolj občutljivo merilo nelinearnosti. Vendar, kot so pokazali poskusi, izvedeni v delih R. Geddesa (poročilo na 115. kongresu AES v New Yorku), ni bilo mogoče ugotoviti jasne povezave med subjektivnimi ocenami kakovosti akustičnih pretvornikov in stopnjo intermodulacijskega popačenja - razpršenost dobljenih rezultatov je bila prevelika (kot je razvidno iz slike 8).

Razmerje med subjektivnimi ocenami in vrednostmi intermodulacijskega popačenja (IMD).

Kot novo merilo za ocenjevanje nelinearnih popačenj v elektroakustični opremi je bila predlagana večtonska metoda, katere zgodovina in metode uporabe so bile podrobno preučene v delih A. G. Voishvillo et al. (obstajajo članki v JAES in poročila na AES kongresi). V tem primeru se kot vhodni signal uporablja niz harmonikov od 2. do 20. s poljubno amplitudno porazdelitvijo in logaritemsko frekvenčno porazdelitvijo v območju od 1 do 10 kHz. Harmonična fazna porazdelitev je optimizirana za zmanjšanje faktorja vrha večtonskega signala. Splošni videz vhodnega signala in njegova časovna struktura sta prikazana na slikah 9a in 9b.

Spektralni (a) in časovni (b) pogled na večtonski signal

Izhodni signal vsebuje harmonska in intermodulacijska popačenja vseh vrst. Primer takšnega popačenja za zvočnik je prikazan na sliki 10.

Običajni proizvodi harmoničnega popačenja pri uporabi večtonskega signala

Večtonski signal je po svoji strukturi veliko bližje realnim glasbenim in govornim signalom, omogoča prepoznavanje bistveno več različnih produktov nelinearnih popačenj (predvsem intermodulacij) in bolje korelira s subjektivnimi ocenami kakovosti zvoka akustičnih sistemov. Z večanjem števila harmoničnih komponent ta metoda omogoča pridobivanje vedno bolj podrobnih informacij, hkrati pa se povečujejo računski stroški. Uporaba te metode zahteva nadaljnje raziskave, predvsem razvoj kriterijev in sprejemljivih standardov za izbrane produkte nelinearnih popačenj z vidika njihove subjektivne ocene.
Za vrednotenje nelinearnih popačenj v akustičnih pretvornikih se uporabljajo tudi druge metode, kot je Voltairova serija.
Vendar pa vsi ne zagotavljajo jasne povezave med oceno kakovosti zvoka pretvornikov (mikrofonov, zvočnikov, akustičnih sistemov itd.) in stopnjo nelinearnih popačenj v njih, izmerjenih s katero koli od znanih objektivnih metod. Zato je nov psihoakustični kriterij, predlagan v poročilu R. Geddesa na zadnjem kongresu AES, zelo zanimiv. Izhajal je iz premislekov, da je mogoče kateri koli parameter oceniti v objektivnih enotah ali po subjektivnih merilih, na primer temperaturo lahko merimo v stopinjah ali v občutkih: hladno, toplo, vroče. Glasnost zvoka lahko ocenimo z nivojem zvočnega tlaka v dB ali pa v subjektivnih enotah: ozadje, spanje. Iskanje podobnih kriterijev za nelinearna popačenja je bil cilj njegovega dela.
Kot je znano iz psihoakustike, je slušni aparat v osnovi nelinearen sistem, njegova nelinearnost pa se kaže tako pri visokih kot nizkih nivojih signala. Vzroki za nelinearnost so hidrodinamični procesi v polžu, pa tudi nelinearna kompresija signala zaradi posebnega mehanizma za raztezanje zunanjih lasnih celic. To vodi do pojava subjektivnih harmonikov in kombinacijskih tonov pri poslušanju harmoničnih ali totalnih harmonskih signalov, katerih nivo lahko doseže 15...20% nivoja vhodnega signala. Zato je analiza zaznavanja produktov nelinearnega popačenja, ustvarjenih v elektroakustičnih pretvornikih in prenosnih kanalih v tako zapletenem nelinearnem sistemu, kot je slušni aparat, resen problem.
Druga bistveno pomembna lastnost slušnega sistema je maskirni učinek, ki je sestavljen iz spreminjanja slušnih pragov na en signal v prisotnosti drugega (maskirja). Ta lastnost slušnega sistema se pogosto uporablja v sodobnih sistemih za stiskanje zvočnih informacij pri prenosu po različnih kanalih (standardi MPEG). Napredek pri zmanjševanju obsega prenesenih informacij s kompresijo z uporabo lastnosti slušnega maskiranja kaže, da so ti učinki zelo pomembni tudi za zaznavanje in oceno nelinearnih popačenj.
Uveljavljeni zakoni slušnega maskiranja nam omogočajo, da trdimo, da:
- maskiranje visokofrekvenčnih komponent (ki se nahajajo nad frekvenco signala maskerja) se pojavi veliko močneje kot v smeri nizkih frekvenc;
- maskiranje je bolj izrazito za bližnje frekvence (lokalni učinek, slika 11);
- s povečanjem nivoja signala maskerja se območje njegovega vpliva širi, postaja vse bolj asimetrično in se pomika proti visokim frekvencam.

Iz tega lahko domnevamo, da se pri analizi nelinearnih popačenj v slušnem sistemu upoštevajo naslednja pravila:
- produkti nelinearnega popačenja nad osnovno frekvenco so za zaznavo manj pomembni (so bolje prikriti) kot nizkofrekvenčne komponente;
- bližje kot so produkti nelinearnih popačenj osnovnemu tonu, večja je verjetnost, da bodo postali nevidni in ne bodo imeli subjektivnega pomena;
- dodatne nelinearne komponente, ki izhajajo iz nelinearnosti, so lahko veliko bolj pomembne za zaznavanje pri nizkih ravneh signala kot pri visokih ravneh. To je prikazano na sliki 11.

Učinki maskiranja

Ko se raven glavnega signala poveča, se njegovo maskirno območje razširi in vanj pade vedno več produktov popačenja (harmoniki, skupna in diferenčna popačenja itd.). Pri nizkih ravneh je to območje omejeno, zato bodo izdelki višjega reda popačenja bolj slišni.
Pri merjenju nelinearnih produktov na čistem tonu se v pretvornikih pojavljajo predvsem harmoniki s frekvenco, ki je višja od glavnega signala n f. Lahko pa se v zvočnikih pojavijo tudi nizki harmoniki s frekvencami (1/n) f. Pri merjenju intermodulacijskih popačenj (tako z uporabo dveh signalov kot z uporabo večtonskih signalov) nastanejo produkti popačenja s skupno razliko - tako nad kot pod glavnimi signali m f1 ± n f2.
Ob upoštevanju naštetih lastnosti slušnega maskiranja je mogoče sklepati naslednje: produkti nelinearnih popačenj višjih redov so lahko bolj slišni kot produkti nižjih redov. Na primer, praksa oblikovanja zvočnikov kaže, da so harmoniki s številkami, višjimi od pete, zaznani veliko bolj neprijetno kot drugi in tretji, tudi če so njihove ravni precej nižje od ravni prvih dveh harmonikov. Običajno se njihov videz dojema kot ropotanje in vodi do zavrnitve zvočnikov v proizvodnji. Tudi pojav subharmonikov s polovičnimi in nižjimi frekvencami slušni sistem takoj zazna kot prizvok, že pri zelo nizkih stopnjah.
Če je red nelinearnosti nizek, se lahko s povečanjem ravni vhodnega signala dodatni harmoniki prikrijejo v slušnem sistemu in se ne zaznajo kot popačenje, kar potrjuje praksa oblikovanja elektroakustičnih pretvornikov. Poslušalci lahko zvočniške sisteme s stopnjo nelinearnega popačenja 2 % ocenijo precej visoko. Hkrati bi morali imeti dobri ojačevalniki stopnjo popačenja 0,01% ali manj, kar je očitno posledica dejstva, da sistemi zvočnikov ustvarjajo produkte popačenja nizkega reda, ojačevalniki pa veliko višje.
Produkti nelinearnega popačenja, ki se pojavijo pri nizkih ravneh signala, so lahko veliko bolj slišni kot pri visokih ravneh. Ta na videz paradoksalna izjava ima lahko tudi praktične posledice, saj se lahko nelinearna popačenja v elektroakustičnih pretvornikih in poteh pojavijo tudi pri nizkih nivojih signala.
Na podlagi zgornjih premislekov je R. Geddes predlagal nov psihoakustični kriterij za ocenjevanje nelinearnih popačenj, ki je moral izpolnjevati naslednje zahteve: biti bolj občutljiv na popačenja višjega reda in večji pomen pri nizkih nivojih signala.
Težava je bila pokazati, da je to merilo bolj skladno s subjektivnim dojemanjem harmoničnega popačenja kot trenutno sprejete metode ocenjevanja: skupni faktor harmoničnega popačenja in intermodulacijski faktor popačenja na dvotonskih ali večtonskih signalih.
V ta namen je bila izvedena vrsta subjektivnih ocen, organiziranih na naslednji način: Štiriintrideset strokovnjakov s preizkušenimi slušnimi pragovi (povprečna starost 21 let) je sodelovalo v veliki seriji eksperimentov, ki so ocenjevali kakovost zvoka glasbenih odlomkov (na primer moškega vokala). s simfonično glasbo), v kateri so bile uvedene različne vrste nelinearnih popačenj. To je bilo narejeno s "konvolucijo" testnega signala z nelinearnimi prenosnimi funkcijami, značilnimi za različne vrste pretvornikov (zvočniki, mikrofoni, stereo telefoni itd.).
Najprej smo kot dražljaje uporabili sinusne signale, jih »konvolvirali« z različnimi prenosnimi funkcijami in določili koeficient harmoničnega popačenja. Nato sta bila uporabljena dva sinusna signala in izračunani intermodulacijski koeficienti popačenja. Nazadnje je bil na novo predlagani koeficient Gm določen neposredno iz danih prenosnih funkcij. Izkazalo se je, da so odstopanja zelo pomembna: na primer, za isto prenosno funkcijo je SOI 1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Ta razlika je fizično razložljiva, saj Kim in Gm upoštevata veliko več produktov nelinearnega popačenja visokega reda.
Slušni poskusi so bili izvedeni na stereo telefonih z razponom 20 Hz...16 kHz, občutljivostjo 108 dB, maks. SPL 122 dB. Subjektivna ocena je bila podana na sedemstopenjski lestvici za vsak glasbeni fragment, od "veliko boljši" od referenčnega fragmenta (tj. glasbeni fragment "zrušil" z linearno prenosno funkcijo) do "veliko slabši". Statistična obdelava rezultatov slušne ocene je omogočila vzpostavitev precej visokega korelacijskega koeficienta med povprečnimi vrednostmi subjektivnih ocen in vrednostjo koeficienta Gm, ki se je izkazala za 0,68. Hkrati je bil za SOI 0,42, za Kim pa 0,34 (za to serijo poskusov).
Tako se je povezava med predlaganim kriterijem in subjektivnimi ocenami kakovosti zvoka izkazala za bistveno večjo kot pri drugih koeficientih (slika 12).

Povezava med koeficientom Gm in subjektivnimi ocenami

Eksperimentalni rezultati so tudi pokazali, da lahko elektroakustični pretvornik z Gm manj kot 1 % velja za povsem zadovoljivega glede kakovosti zvoka v smislu, da so nelinearna popačenja v njem praktično neslišna.
Seveda ti rezultati še ne zadoščajo za zamenjavo predlaganega kriterija s parametri, ki so na voljo v standardih, kot sta koeficient harmoničnega popačenja in koeficient intermodulacijskega popačenja, a če bodo rezultati potrjeni z nadaljnjimi poskusi, se bo morda zgodilo prav to .
Aktivno se nadaljuje tudi iskanje drugih novih kriterijev, saj postaja neskladje med obstoječimi parametri (predvsem koeficientom harmoničnega popačenja, ki ocenjuje le prva dva harmonika) in subjektivno zaznano kakovostjo zvoka vedno bolj očitno, ko se kakovost celotne avdio opreme izboljšuje.
Očitno bodo nadaljnji načini za rešitev tega problema šli v smeri ustvarjanja računalniških modelov slušnega sistema ob upoštevanju nelinearnih procesov in maskirnih učinkov v njem. Na tem področju deluje Inštitut za komunikacijsko akustiko v Nemčiji pod vodstvom D. Blauerta, o čemer smo že pisali v članku, posvečenem 114. kongresu AES. Z uporabo teh modelov bo mogoče oceniti slišnost različnih vrst nelinearnih popačenj v realnih glasbenih in govornih signalih. Čeprav še niso ustvarjene, bodo ocene nelinearnih popačenj v opremi narejene z uporabo poenostavljenih metod, ki so čim bližje dejanskim slušnim procesom.