Hur bestäms den olinjära distorsionsfaktorn? Icke-linjära förvrängningar. Maximal långtidseffekt

Ingångssignal, till rotmedelkvadratsumman av de spektrala komponenterna i insignalen, används ibland en icke-standardiserad synonym - klarfaktor(lånat från tyska). SOI är en dimensionslös storhet, vanligtvis uttryckt i procent. Förutom SOI kan nivån av olinjär distorsion uttryckas med hjälp av harmonisk distorsionsfaktor.

Harmonisk distorsionsfaktor- ett värde som uttrycker graden av olinjär distorsion hos en enhet (förstärkare, etc.), lika med förhållandet mellan rot-medelkvadratspänningen av summan av de högre övertonerna i signalen, utom den första, och spänningen på den första övertonen när en sinusformad signal appliceras på enhetens ingång.

Den harmoniska koefficienten, liksom SOI, uttrycks i procent. Harmonisk distorsion ( K G) är relaterad till CNI ( K N) förhållande:

Mått

• I lågfrekvensområdet (LF) (upp till 100-200 kHz) används ickelinjära distorsionsmätare (harmoniska distorsionsmätare) för att mäta SOI.
• Vid högre frekvenser (MF, HF) används indirekta mätningar med spektrumanalysatorer eller selektiva voltmetrar.

Typiska SOI-värden

• 0% - vågformen är en ideal sinusvåg.
• 3% - signalformen skiljer sig från sinusformad, men förvrängningen är inte märkbar för ögat.
• 5% - avvikelse av signalformen från sinusformad är märkbar för ögat på oscillogrammet.
• 10 % är standarddistorsionsnivån vid vilken den verkliga effekten (RMS) för UMZCH beräknas.
• 21% - till exempel en trapetsformad eller stegvis signal.
• 43% - till exempel en fyrkantsvågssignal.

se även

Litteratur

• Handbok för radio-elektroniska apparater: I 2 volymer; Ed. D. P. Linde - M.: Energi,
• Gorokhov P.K. Förklarande ordbok för radioelektronik. Grundläggande villkor- M: Rus. språk,

Länkar

• HUVUDSAKLIGA ELEKTRISKA EGENSKAPER HOS LJUDÖVERFÖRINGSKANALEN

Wikimedia Foundation. 2010.

Se vad "" är i andra ordböcker:

harmonisk distorsionsfaktor- SOI En parameter som låter dig ta hänsyn till inverkan av övertoner och kombinationskomponenter på signalkvaliteten. Numeriskt definierad som förhållandet mellan styrkan hos icke-linjära distorsioner och styrkan hos den oförvrängda signalen, vanligtvis uttryckt i procent. [L.M. Nevdyaev...

harmonisk distorsionsfaktor- 3,9 koefficient för icke-linjär distorsion (total distorsion): Förhållandet, i procent, av rotmedelkvadratvärdet för de spektrala komponenterna i utsignalen från den akustiska kalibratorn, som saknas i insignalen, och rotmedelkvadraten värde... ...

harmonisk distorsionsfaktor- netiesinių iškreipių faktorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. icke linjär distorsionsfaktor vok. Klirrfaktor, m rus. olinjär distorsionsfaktor, m pranc. taux de distorsion harmonique, m … Fizikos terminų žodynas

THD för UPS-ingångsström Karakteriserar avvikelser av UPS-ingångsströmformen från sinusformad. Ju högre värde denna parameter har, desto sämre är det för utrustning som är ansluten till samma strömförsörjningsnätverk och själva nätverket, i det här fallet förvärras det... ... Teknisk översättarguide

THD för UPS-utgångsspänning Karakteriserar avvikelser i utspänningsformen från sinusformad, vanligtvis angiven för linjära (motorer, vissa typer av belysningsenheter) och icke-linjära belastningar. Ju högre detta värde, desto sämre kvalitet… … Teknisk översättarguide

förstärkare THD- - [L.G. Sumenko. Engelsk-rysk ordbok om informationsteknologi. M.: Statsföretaget TsNIIS, 2003.] Ämnen informationsteknologi i allmänhet EN-förstärkarens distorsionsfaktor... Teknisk översättarguide

Högtalare THD- 89. Icke-linjär distorsionskoefficient för högtalaren Koefficient för olinjär distorsion Ndp. Övertonskoefficient Uttryckt i procent, kvadratroten av förhållandet mellan summan av kvadraterna av de effektiva värdena för de emitterade spektrala komponenterna... ... Ordboksuppslagsbok med termer för normativ och teknisk dokumentation

Laryngophone olinjär distorsionskoefficient- 94. Icke-linjär distorsionskoefficient för laryngofonen Uttryckt i procent, värdet av kvadratroten av förhållandet mellan summan av kvadraterna av de effektiva värdena för övertonerna av den elektromotoriska kraft som utvecklas av laryngofonen under harmonisk luftrörelse , till... ... Ordboksuppslagsbok med termer för normativ och teknisk dokumentation

tillåten olinjär distorsionsfaktor- - [L.G. Sumenko. Engelsk-rysk ordbok om informationsteknologi. M.: State Enterprise TsNIIS, 2003.] Ämnen informationsteknologi i allmänhet EN harmonisk tolerans ... Teknisk översättarguide

- (harmonisk distorsionsmätare) en anordning för att mäta koefficienten för olinjär distorsion (harmonisk distorsion) av signaler i radioenheter. Innehåll... Wikipedia

I Hela ljudåtergivningens historia har bestått av försök att föra illusionen närmare originalet. Och även om en enorm sträcka har tillryggalagts, är vi fortfarande väldigt, väldigt långt ifrån att närma oss liveljud fullt ut. Skillnader i många parametrar kan mätas, men en hel del av dem ligger fortfarande utanför utrustningsutvecklarnas synfält. En av de viktigaste egenskaperna som en konsument med vilken bakgrund som helst alltid uppmärksammar är icke-linjär distorsionsfaktor (THD) .

Och vilket värde av denna koefficient indikerar ganska objektivt enhetens kvalitet? De som är otåliga kan omedelbart finna ett försök att svara på denna fråga i slutet. I övrigt fortsätter vi.
Denna koefficient, som också kallas total harmonisk distorsionskoefficient, är förhållandet, uttryckt i procent, av den effektiva amplituden för de övertonskomponenter vid utgången av en enhet (förstärkare, bandspelare, etc.) och den effektiva amplituden av grundfrekvenssignalen när en sinusformad signal med denna frekvens appliceras på enhetens ingång. Således gör det möjligt att kvantifiera olinjäriteten hos överföringskarakteristiken, vilket manifesterar sig i utseendet i utsignalen av spektrala komponenter (övertoner) som saknas i insignalen. Det finns med andra ord en kvalitativ förändring i den musikaliska signalens spektrum.

Förutom de objektiva övertonsförvrängningar som finns i den hörbara ljudsignalen, finns problemet med förvrängningar som inte är närvarande i det verkliga ljudet, men som känns på grund av de subjektiva övertonerna som uppstår i mellanörats cochlea vid hög ljudtrycksvärden. Den mänskliga hörapparaten är ett olinjärt system. Hörselns olinjäritet manifesteras i det faktum att när trumhinnan utsätts för ett sinusformat ljud med en frekvens f in hörapparatövertoner av detta ljud genereras med frekvenserna 2f, 3f, etc. Eftersom dessa övertoner inte är närvarande i den primära påverkande tonen, kallas de subjektiva övertoner.

Naturligtvis komplicerar detta ytterligare idén om den maximalt tillåtna nivån av övertoner i ljudvägen. När intensiteten hos primärtonen ökar, ökar storleken på de subjektiva övertonerna kraftigt och kan till och med överstiga primärtonens intensitet. Denna omständighet ger skäl för antagandet att ljud med en frekvens på mindre än 100 Hz inte känns av sig själva, utan på grund av de subjektiva övertoner de skapar, som faller i frekvensområdet över 100 Hz, dvs. på grund av hörselns olinjäritet. De fysiska orsakerna till de resulterande hårdvaruförvrängningarna i olika enheter är av olika karaktär, och bidraget från var och en till de totala förvrängningarna av hela vägen är inte detsamma.

Distorsionen hos moderna CD-spelare är mycket låg och nästan omärkbar jämfört med distorsionen hos andra enheter. För högtalarsystem är lågfrekvent distorsion som orsakas av bashuvudet den viktigaste, och standarden specificerar endast krav för andra och tredje övertoner i frekvensområdet upp till 250 Hz. Och för ett väldigt bra ljud högtalarsystem de kan vara inom 1 % eller till och med något mer. I analoga bandspelare är det största problemet i samband med fysiska grunder inspelning på magnetband, är den tredje övertonen, vars värden vanligtvis anges i instruktionerna för mixning. Men det maximala värdet vid vilket till exempel bullernivåmätningar alltid görs är 3 % för en frekvens på 333 Hz. Förvrängningen av den elektroniska delen av bandspelare är mycket lägre.
Både när det gäller akustik och analoga bandspelare, på grund av att distorsionerna huvudsakligen är lågfrekventa, minskar deras subjektiva märkbarhet kraftigt på grund av maskeringseffekten (som består i att av två samtidigt ljudande signaler, desto högre -frekvens ett hörs bättre).

Så huvudkällan till distorsion i din krets kommer att vara effektförstärkaren, där huvudkällan i sin tur är olinjäriteten hos överföringsegenskaperna för de aktiva elementen: transistorer och vakuumrör, och i transformatorförstärkare olinjära distorsioner av transformatorn läggs också till, associerade med magnetiseringskurvans olinjäritet. Det är uppenbart att distorsion å ena sidan beror på formen av olinjäriteten hos överföringskarakteristiken, men också på ingångssignalens natur.

Till exempel kommer överföringskarakteristiken för en förstärkare med jämn klippning vid stora amplituder inte att orsaka någon distorsion för sinusformade signaler under klippningsnivån, men när signalen ökar över denna nivå uppstår distorsion och kommer att öka. Denna typ av begränsning är huvudsakligen inneboende i rörförstärkare, vilket i viss mån kan tjäna som en av anledningarna till att lyssnarna föredrar sådana förstärkare. Och den här funktionen användes av NAD i en serie av dess hyllade förstärkare med "soft limiting", producerade sedan tidigt 80-tal: möjligheten att aktivera ett läge med imitation av rörklippning skapade en stor armé av fans av transistorförstärkare från detta företag .
Däremot orsakar förstärkarens centrumskärningskarakteristik (stegstegsdistorsion), som är typisk för transistormodeller, distorsion i musikaliska och små sinussignaler, och distorsionen kommer att minska när signalnivån ökar. Sålunda beror distorsion inte bara på formen av överföringskarakteristiken utan också på den statistiska fördelningen av insignalnivåer, vilket för musikprogram nära brussignalen. Därför är det, förutom att mäta SOI med hjälp av en sinusformad signal, möjligt att mäta olinjära distorsioner hos förstärkaranordningar med hjälp av summan av tre sinus- eller brussignaler, vilket, mot bakgrund av ovanstående, ger en mer objektiv bild av distorsionerna.

Icke-linjär distorsionsfaktor(SOI eller K N) - värde för kvantitativ bedömning av olinjära snedvridningar.

Definition [ | ]

Den olinjära distorsionsfaktorn är lika med förhållandet mellan rotmedelkvadratsumman av de spektrala komponenterna i utsignalen som saknas i insignalens spektrum och rotmedelkvadratsumman av alla spektrala komponenter i ingången signal

SOI är en dimensionslös storhet och uttrycks vanligtvis i procent. Förutom SOI uttrycks ofta nivån av olinjär distorsion genom harmonisk distorsionsfaktor(KGI eller K G) - ett värde som uttrycker graden av olinjär distorsion hos en enhet (förstärkare, etc.) och lika med förhållandet mellan rms-spänningen av summan av de högre övertonerna i signalen, förutom den första, till spänningen för den första harmonisk när en sinusformad signal appliceras på enhetens ingång.

KGI, precis som KNI, uttrycks i procent och relateras till det med förhållandet

Det är uppenbart att för små värden sammanfaller THI och SOI med en första approximation. Det är intressant att i västerländsk litteratur brukar CGI användas, medan i rysk litteratur traditionellt föredras CNI.

Det är också viktigt att notera att KNI och KGI endast är det kvantitativa mått på snedvridning, men inte hög kvalitet. Ett THD-värde lika med 3 % säger till exempel inget om distorsionens karaktär, d.v.s. om hur övertoner är fördelade i signalspektrat, och vad är till exempel bidraget från lågfrekventa eller högfrekventa komponenter. I spektra av rör UMZCH dominerar vanligtvis lägre övertoner, vilket ofta uppfattas av örat som ett "varmt rörljud", och i transistor UMZCH är distorsionerna mer jämnt fördelade över spektrumet, och det är plattare, vilket ofta är uppfattas som "typiskt transistorljud" (även om denna debatt till stor del beror på en persons personliga känslor och vanor).

Exempel på beräkning av CGI[ | ]

För många standardsignaler kan THD beräknas analytiskt. Så, för en symmetrisk rektangulär signal (meander)

Idealisk sågtandssignal har KGI

och symmetrisk triangulär

En asymmetrisk rektangulär pulssignal med ett förhållande mellan pulslängd och period lika med μ har KGI

som når ett minimum (≈0,483) vid μ =0,5, dvs. när signalen blir en symmetrisk meander. Förresten, genom att filtrera kan du uppnå en betydande minskning av THD för dessa signaler, och därmed få signaler som är nära sinusformade. Till exempel har en symmetrisk rektangulär signal (meander) med en initial THD på 48,3 %, efter att ha passerat genom ett andra ordningens Butterworth-filter (med en gränsfrekvens lika med frekvensen för den grundläggande övertonen) en THD på 5,3 %, och om ett fjärde ordningens filter - då THD = 0,6 % . Det bör noteras att ju mer komplex signalen är vid filteringången och ju mer komplex filtret i sig är (eller snarare dess överföringsfunktion), desto mer besvärliga och tidskrävande blir TCG-beräkningarna. Således har en standard sågtandssignal som passerar genom ett första ordningens Butterworth-filter en THD inte längre på 80,3 % utan på 37,0 %, vilket exakt ges av följande uttryck

Och TCG för samma signal, som passerar genom samma filter, men av andra ordningen, kommer redan att ges av en ganska besvärlig formel

Om vi ​​betraktar den ovan nämnda asymmetriska rektangulära pulssignalen som passerar genom Butterworth-filtret sid-th order alltså

där 0<μ <1 и

för detaljer om beräkningarna, se Yaroslav Blagushin och Eric Moreau.

Mått [ | ]

• I lågfrekvensområdet (LF) används olinjära distorsionsmätare (harmoniska distorsionsmätare) för att mäta SOI.
• Vid högre frekvenser (MF, HF) används indirekta mätningar med spektrumanalysatorer eller selektiva voltmetrar.

Huvudparametern för en elektronisk förstärkare är förstärkningen K. Effektförstärkningen (spänning, ström) bestäms av förhållandet mellan effekten (spänning, ström) för utsignalen och effekten (spänning, ström) för insignalen och kännetecknar kretsens förstärkande egenskaper. Utgångs- och ingångssignalerna måste uttryckas i samma kvantitativa enheter, så förstärkningen är en dimensionslös storhet.

I frånvaro av reaktiva element i kretsen, såväl som under vissa driftsätt, när deras inflytande är uteslutet, är förstärkningen ett verkligt värde som inte beror på frekvensen. I detta fall upprepar utsignalen formen av insignalen och skiljer sig från den med K gånger endast i amplitud. I den fortsatta presentationen av materialet kommer vi att prata om vinstmodulen, om det inte finns särskilda reservationer.

Beroende på kraven för utgångsparametrarna för växelströmssignalförstärkaren, särskiljs förstärkningsfaktorerna:

a) efter spänning, definierat som förhållandet mellan amplituden för växelkomponenten av utspänningen och amplituden av växelkomponenten av inspänningen, dvs.

b) av ström, som bestäms av förhållandet mellan amplituden för växelkomponenten av utströmmen och amplituden för växelkomponenten av inströmmen:

c) med kraft

Eftersom , kan effektförstärkningen bestämmas enligt följande:

Om det finns reaktiva element i kretsen (kondensatorer, induktorer) bör förstärkningen betraktas som ett komplext värde

där m och n är de verkliga och imaginära komponenterna, beroende på insignalens frekvens:

Låt oss anta att förstärkningen K inte beror på insignalens amplitud. I detta fall, när en sinusformad signal appliceras på förstärkarens ingång, kommer utsignalen också att ha en sinusform, men kommer att skilja sig från ingången i amplitud med K gånger och i fas med en vinkel .

Enligt Fouriers teorem kan en periodisk signal med komplex form representeras som summan av ett ändligt eller oändligt stort antal övertonskomponenter med olika amplituder, frekvenser och faser. Eftersom K är en komplex storhet, ändras amplituderna och faserna för de övertonskomponenter i insignalen när de passerar genom förstärkaren och utsignalen kommer att skilja sig i form från ingången.

Distorsion av en signal när den passerar genom en förstärkare, orsakad av förstärkarparametrarnas beroende av frekvensen och oberoende av insignalens amplitud, kallas linjär distorsion. I sin tur kan linjära distorsioner delas in i frekvensdistorsioner (karakterisera förändringen i modulen för förstärkningen K i frekvensbandet på grund av påverkan av reaktiva element i kretsen); fas (kännetecknar fasförskjutningens beroende av frekvensen mellan ut- och ingångssignalerna på grund av påverkan av reaktiva element).

Frekvensdistorsion av en signal kan bedömas med hjälp av amplitud-frekvenskarakteristiken, som uttrycker spänningsförstärkningsmodulens beroende av frekvensen. Amplitud-frekvenssvaret för förstärkaren visas i allmän form i fig. 1.2. Förstärkarens arbetsfrekvensområde, inom vilket förstärkningen kan anses vara konstant med en viss noggrannhet, ligger mellan de lägsta och högsta gränsfrekvenserna och kallas passband. Gränsfrekvenser bestämmer minskningen av förstärkningen med en given mängd från dess maximala värde vid mellanfrekvensen.

Genom att införa vid en given frekvens,

var är spänningsförstärkningen vid en given frekvens, kan du använda amplitud-frekvenskarakteristiken för att bestämma frekvensdistorsion i alla intervall av driftfrekvenser för förstärkaren.

Eftersom vi har de största frekvensdistorsionerna vid gränserna för driftområdet, vid beräkning av en förstärkare, sätts som regel vid de lägsta och högsta gränsfrekvenserna, d.v.s.

var är spänningsförstärkningarna vid de högsta respektive lägsta gränsfrekvenserna.

Vanligtvis taget, d.v.s. vid gränsfrekvenserna, minskar spänningsförstärkningen till en nivå av 0,707 av förstärkningsvärdet vid mellanfrekvensen. Under sådana förhållanden ligger bandbredden för ljudförstärkare designade för att återge tal och musik i intervallet 30-20 000 Hz. För förstärkare som används inom telefoni är en smalare bandbredd på 300-3400 Hz acceptabel. För att förstärka pulsade signaler är det nödvändigt att använda så kallade bredbandsförstärkare, vars bandbredd ligger i frekvensområdet från tiotals eller enheter av hertz till tiotals eller till och med hundratals megahertz.

För att bedöma kvaliteten på en förstärkare används ofta parametern

För bredbandsförstärkare alltså

Motsatsen till bredbandsförstärkare är selektiva förstärkare, vars syfte är att förstärka signaler i ett smalt frekvensband (Fig. 1.3).

Förstärkare konstruerade för att förstärka signaler med godtyckligt låga frekvenser kallas DC-förstärkare. Av definitionen är det tydligt att den lägsta gränsfrekvensen för passbandet för en sådan förstärkare är noll. Amplitud-frekvenssvaret för DC-förstärkaren visas i fig. 1.4.

Fasfrekvenskarakteristiken visar hur fasskiftningsvinkeln mellan utsignalen och ingångssignalen ändras när frekvensen ändras och bestämmer fasdistorsion.

Det finns inga fasförvrängningar när fas-frekvenskarakteristiken är linjär (streckad linje i fig. 1.5), eftersom i detta fall varje övertonskomponent i insignalen, när den passerar genom förstärkaren, förskjuts i tiden med samma intervall. Fasskiftningsvinkeln mellan in- och utsignalerna är proportionell mot frekvensen

var är proportionalitetskoefficienten, som bestämmer lutningsvinkeln för karakteristiken mot abskissaxeln.

Fasfrekvenskarakteristiken för en riktig förstärkare visas i fig. 1,5 med heldragen linje. Från fig. 1.5 kan man se att inom förstärkarens passband är fasdistorsion minimal, men ökar kraftigt i området för gränsfrekvenser.

Om förstärkningen beror på ingångssignalens amplitud, uppstår icke-linjära distorsioner av den förstärkta signalen på grund av närvaron i förstärkaren av element med icke-linjära ström-spänningsegenskaper.

Genom att specificera förändringens lag är det möjligt att designa olinjära förstärkare med vissa egenskaper. Låt förstärkningen bestämmas av beroendet , där är proportionalitetskoefficienten.

Då, när en sinusformad insignal matas till förstärkarens ingång, kommer förstärkarens utsignal

var är amplituden och frekvensen för insignalen.

Den första övertonskomponenten i uttrycket (1.6) representerar den användbara signalen, resten är resultatet av olinjära distorsioner.

Icke-linjär distorsion kan bedömas med den så kallade harmoniska distorsionen

var är amplitudvärdena för effekt, spänning och ström för de övertonskomponenter, respektive.

Indexet bestämmer övertonstalet. Vanligtvis tas bara den andra och tredje övertonen i beaktande, eftersom amplitudvärdena för krafterna hos högre övertoner är relativt små.

Linjära och olinjära distorsioner kännetecknar noggrannheten i förstärkarens reproduktion av ingångssignalens form.

Amplitudkarakteristiken för nätverk med fyra terminaler som endast består av linjära element, vid vilket värde som helst, är teoretiskt sett en lutande rät linje. I praktiken begränsas det maximala värdet av den elektriska styrkan hos elementen i det fyrpoliga nätverket. Amplitudkarakteristiken för en förstärkare gjord på elektroniska apparater (Fig. 1.6) är i princip olinjär, men kan innehålla OA-sektioner där kurvan är ungefär linjär med hög noggrannhet. Driftsområdet för insignalen bör inte överskrida den linjära delen (LA) av förstärkarens amplitudkarakteristik, annars kommer olinjär distorsion att överstiga den tillåtna nivån.

Total harmonisk distorsion (THD)​

Irina Aldoshina

Alla elektroakustiska omvandlare (högtalare, mikrofoner, telefoner, etc.), såväl som överföringskanaler, introducerar sina förvrängningar i den överförda ljudsignalen, det vill säga den uppfattade ljudsignalen är alltid inte identisk med originalet. Ideologin att skapa ljudutrustning, som på 60-talet kallades High-Fidelity, "high fidelity" till levande ljud, nådde i stort sett inte sitt mål. Under dessa år var nivåerna av ljudsignalförvrängning i utrustning fortfarande mycket höga, och det verkade som att det var tillräckligt att minska dem - och ljudet som återges genom utrustningen skulle praktiskt taget inte kunna skiljas från originalet.

Men trots framsteg inom design och utveckling av teknik, som har lett till en betydande minskning av nivåerna av alla typer av distorsion i ljudutrustning, är det fortfarande inte särskilt svårt att skilja naturligt ljud från återgivet ljud. Det är därför som forskningsinstitut, universitet och tillverkningsföretag för närvarande i olika länder bedriver ett stort arbete med att studera hörseluppfattning och subjektiv bedömning av olika typer av snedvridningar. Baserat på resultaten av dessa studier publiceras många vetenskapliga artiklar och rapporter. Nästan alla AES-kongresser presenterar artiklar om detta ämne. Några moderna resultat som erhållits under de senaste två till tre åren om problemen med subjektiv uppfattning och bedömning av olinjära förvrängningar av ljudsignalen i ljudutrustning kommer att presenteras i den här artikeln.

Vid inspelning, sändning och uppspelning av musik- och talsignaler genom ljudutrustning uppstår distorsioner i signalens tidsstruktur, vilka kan delas in i linjära och olinjära.

Linjär distorsionändra amplitud- och fasförhållandena mellan de befintliga spektrala komponenterna i insignalen och på grund av detta förvränga dess tidsstruktur. Denna typ av förvrängning uppfattas subjektivt som förvrängning av signalens klangfärg, och därför har problemen med deras minskning och subjektiva bedömningar av deras nivå ägnats mycket uppmärksamhet av specialister under hela utvecklingsperioden för ljudteknik.

Kravet på frånvaro av linjär signalförvrängning i ljudutrustning kan skrivas i formen:

Y(t) = K x(t - T), där x(t) är insignalen, y(t) är utsignalen.

Detta tillstånd tillåter endast en förändring av signalen på en skala med en koefficient K och dess tidsförskjutning med ett belopp T. Det definierar ett linjärt förhållande mellan in- och utsignalerna och leder till kravet att överföringsfunktionen H(ω), vilket förstås som ett frekvensberoende förhållande av komplexa signalamplituder vid systemets utgång och ingång under harmoniska influenser var konstanta i storlek och hade ett linjärt beroende av argumentet (det vill säga fasen) på frekvensen | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Eftersom funktionen 20·lg | H(ω) | kallas systemets amplitud-frekvenssvar (AFC), och φ(ω) är fas-frekvenssvaret (PFC), vilket säkerställer en konstant nivå av AFC i det reproducerade frekvensområdet (minskar dess ojämnheter) i mikrofoner, akustisk system etc. är huvudkravet för att förbättra deras kvalitet. Deras mätmetoder ingår i alla internationella standarder, till exempel IEC268-5. Ett exempel på frekvenssvaret för en modern styrenhet från Marantz med en ojämnhet på 2 dB visas i figur 1.

Frekvenssvar för Marantz kontrollmonitor

Det bör noteras att en sådan minskning av storleken på ojämnheten i frekvensgången är en enorm prestation i utformningen av ljudutrustning (till exempel hade kontrollmonitorer som presenterades på utställningen i Bryssel 1956 en ojämnhet på 15 dB), vilket blev möjligt som ett resultat av användningen av ny teknik, material och designmetoder.

Inverkan av ojämn frekvensrespons (och fasrespons) på den subjektivt upplevda distorsionen av klangfärg har studerats tillräckligt detaljerat. Vi kommer att försöka granska de viktigaste resultaten som erhållits i framtiden.

Icke-linjär distorsion kännetecknas av uppkomsten i signalspektrumet av nya komponenter som saknas i den ursprungliga signalen, vars antal och amplituder beror på förändringar i ingångsnivån. Utseendet på ytterligare komponenter i spektrumet beror på det olinjära beroendet av utsignalen på ingången, det vill säga överföringsfunktionens olinjäritet. Exempel på sådant beroende visas i figur 2.

Olika typer av olinjära överföringsfunktioner i hårdvara

Orsaken till olinjäritet kan vara designen och de tekniska egenskaperna hos elektroakustiska givare.

Till exempel, i elektrodynamiska högtalare (Figur 3), inkluderar de främsta orsakerna:

Elektrodynamisk högtalardesign

Icke-linjära elastiska egenskaper hos upphängnings- och centreringsbrickan (ett exempel på beroendet av flexibiliteten hos upphängningar i en högtalare på storleken på talspolens förskjutning visas i figur 4);

Beroende av fjädringsflexibilitet på talspolens förskjutningsvärde

Icke-linjärt beroende av talspolens förskjutning på den applicerade spänningen på grund av spolens interaktion med magnetfältet och på grund av termiska processer i högtalarna;
- olinjära svängningar av membranet med en stor storlek på den verkande kraften;
- vibrationer i husets väggar;
- Dopplereffekt under samverkan mellan olika sändare i ett akustiskt system.
Icke-linjära distorsioner förekommer i nästan alla delar av ljudvägen: mikrofoner, förstärkare, delningsfilter, effektprocessorer, etc.
Förhållandet mellan in- och utsignaler som visas i figur 2 (till exempel mellan pålagd spänning och ljudtryck för en högtalare) kan approximeras som ett polynom:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Om en övertonssignal appliceras på ett sådant olinjärt system, dvs x(t) = A sin ωt, så kommer utsignalen att innehålla komponenter med frekvenserna ω, 2ω, 3ω, ..., nω, etc. Om vi ​​t.ex. begränsa oss bara en kvadratisk term, då kommer andra övertoner att visas, eftersom
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + konst.
I verkliga omvandlare, när en övertonssignal tillförs, kan övertoner av andra, tredje och högre ordningen, såväl som underövertoner (1/n) ω, uppträda (Figur 5).

För att mäta denna typ av distorsion är de mest använda metoderna att mäta nivån av ytterligare övertoner i utsignalen (vanligtvis bara den andra och tredje).
I enlighet med internationella och inhemska standarder registreras frekvenssvaret för den andra och tredje övertonen i ekofria kammare och n-ordningens harmoniska distorsionskoefficient mäts:
KГn = pfn / pav·100 %
där pfn är rotmedelvärdet för ljudtrycket som motsvarar den n-harmoniska komponenten. Den används för att beräkna den totala harmoniska distorsionskoefficienten:
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
Till exempel, i enlighet med kraven i IEC 581-7, för Hi-Fi-högtalarsystem, bör den totala harmoniska distorsionsfaktorn inte överstiga 2% i frekvensområdet 250 ... 1000 Hz och 1% i området över 2000 Hz . Ett exempel på den harmoniska distorsionsfaktorn för en 300 mm (12") diameter subwoofer kontra frekvens för olika inspänningar varierande från 10 till 32 V visas i figur 6.

Beroende av THD på frekvens för olika inspänningsvärden

Det bör noteras att det auditiva systemet är extremt känsligt för förekomsten av icke-linjära distorsioner i akustiska givare. "Synligheten" för harmoniska komponenter beror på deras ordning, i synnerhet hörseln är mest känslig för udda komponenter. Vid upprepad lyssning blir uppfattningen av olinjära förvrängningar mer akut, särskilt när man lyssnar på enskilda musikinstrument. Frekvensområdet för maximal hörselkänslighet för dessa typer av störningar ligger inom intervallet 1...2 kHz, där känslighetströskeln är 1...2%.
Denna metod för att bedöma olinjäritet tillåter dock inte att ta hänsyn till alla typer av olinjära produkter som uppstår under omvandlingen av en riktig ljudsignal. Som ett resultat kan det finnas en situation där ett högtalarsystem med 10 % THD subjektivt kan bedömas högre i ljudkvalitet än ett system med 1 % THD på grund av inverkan av högre övertoner.
Därför fortsätter sökandet efter andra sätt att bedöma icke-linjära förvrängningar och deras korrelation med subjektiva bedömningar hela tiden. Detta är särskilt relevant för närvarande, när nivåerna av icke-linjära distorsioner har minskat avsevärt och för att ytterligare reducera dem är det nödvändigt att känna till de verkliga trösklarna för hörbarhet, eftersom reducering av olinjär distorsion i utrustning kräver betydande ekonomiska kostnader.
Tillsammans med mätningar av övertonskomponenter används metoder för att mäta intermodulationsdistorsion i praktiken att designa och utvärdera elektroakustisk utrustning. Mättekniken presenteras i GOST 16122-88 och IEC 268-5 och bygger på att leverera två sinusformade signaler med frekvenserna f1 och f2 till sändaren, där 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 totala intermodbestäms i detta fall som:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
där kim = /pcp.
Orsaken till intermodulationsdistorsion är det olinjära förhållandet mellan utsignalen och ingångssignalerna, dvs den olinjära överföringskarakteristiken. Om två övertonssignaler tillförs ingången till ett sådant system, kommer utsignalen att innehålla övertoner av högre ordning och summaskillnadstoner av olika ordningsföljder.
Typen av utsignal med hänsyn till icke-linjäriteter av högre ordning visas i figur 5.

Produkter med olinjär distorsion i högtalare

Karakteristika för beroendet av intermodpå frekvensen för en lågfrekvent högtalare med talspolar av olika längd visas i figur 7 (a - för en längre spole, b - för en kortare).

Beroende av intermodulationsdistorsion (IMD) på frekvensen för en högtalare med en lång (a) och kort (b) spole

Som nämnts ovan, i enlighet med internationella standarder, mäts endast andra och tredje ordningens intermodi utrustningen. Intermodulationsdistorsionsmätningar kan vara mer informativa än harmoniska distorsionsmätningar eftersom de är ett mer känsligt mått på olinjäritet. Men som visades av experiment utförda i verk av R. Geddes (rapport vid den 115:e AES-kongressen i New York), kunde en tydlig korrelation mellan subjektiva bedömningar av kvaliteten på akustiska omvandlare och nivån av intermodulationsdistorsion inte fastställas - spridningen i de erhållna resultaten var för stor (som kan ses från figur 8).

Samband mellan subjektiva bedömningar och intermodulationsdistorsion (IMD) värden

Som ett nytt kriterium för att bedöma icke-linjära distorsioner i elektroakustisk utrustning föreslogs en flertonsmetod, vars historia och tillämpningsmetoder studerades i detalj i verk av A. G. Voishvillo et al. (det finns artiklar i JAES och rapporter på AES-kongresser). I detta fall används en uppsättning övertoner från den 2:a till den 20:e med en godtycklig amplitudfördelning och en logaritmisk frekvensfördelning i området från 1 till 10 kHz som en insignal. Den harmoniska fasfördelningen är optimerad för att minimera toppfaktorn för flertonssignalen. Ingångssignalens allmänna utseende och dess tidsstruktur visas i figurerna 9a och 9b.

Spektral (a) och temporal (b) vy av en flertonssignal

Utsignalen innehåller övertons- och intermodulationsdistorsioner av alla ordningsföljder. Ett exempel på sådan distorsion för en högtalare visas i figur 10.

Vanliga harmoniska distorsionsprodukter vid applicering av en flertonssignal

En flertonssignal i sin struktur är mycket närmare verkliga musik- och talsignaler; den gör att man kan identifiera betydligt fler olika produkter av icke-linjära distorsioner (främst intermodulation) och korrelerar bättre med subjektiva bedömningar av ljudkvaliteten hos akustiska system. När antalet övertonskomponenter ökar gör denna metod att man kan få mer och mer detaljerad information, men samtidigt ökar beräkningskostnaderna. Tillämpningen av denna metod kräver ytterligare forskning, särskilt utvecklingen av kriterier och acceptabla standarder för de utvalda produkterna av icke-linjära förvrängningar utifrån deras subjektiva bedömningar.
Andra metoder, såsom Voltaire-serien, används också för att utvärdera icke-linjära distorsioner i akustiska givare.
Samtliga ger dock inte ett tydligt samband mellan bedömningen av ljudkvaliteten hos omvandlare (mikrofoner, högtalare, akustiska system, etc.) och nivån av olinjära distorsioner i dem, mätt med någon av de kända objektiva metoderna. Därför är det nya psykoakustiska kriteriet som föreslogs i rapporten från R. Geddes vid den senaste AES-kongressen av stort intresse. Han utgick från övervägandena att vilken parameter som helst kan bedömas i objektiva enheter, eller enligt subjektiva kriterier, till exempel kan temperaturen mätas i grader, eller i sensationer: kallt, varmt, varmt. Ljudstyrkan på ett ljud kan bedömas av ljudtrycksnivån i dB, eller den kan bedömas i subjektiva enheter: bakgrund, sömn. Sökandet efter liknande kriterier för olinjära förvrängningar var målet för hans arbete.
Som bekant från psykoakustik är en hörapparat ett i grunden olinjärt system, och dess olinjäritet manifesterar sig vid både höga och låga signalnivåer. Orsakerna till olinjäritet är hydrodynamiska processer i snäckan, såväl som olinjär signalkompression på grund av en speciell mekanism för förlängning av yttre hårceller. Detta leder till uppkomsten av subjektiva övertoner och kombinationstoner när man lyssnar på harmoniska eller totala övertonssignaler, vars nivå kan nå 15...20 % av ingångssignalens nivå. Därför är analysen av uppfattningen av icke-linjära distorsionsprodukter skapade i elektroakustiska givare och transmissionskanaler i ett så komplext icke-linjärt system som en hörapparat ett allvarligt problem.
En annan fundamentalt viktig egenskap hos hörselsystemet är maskeringseffekten, som består i att ändra hörtrösklar till en signal i närvaro av en annan (masker). Denna egenskap hos hörselsystemet används ofta i moderna system för att komprimera ljudinformation när den överförs över olika kanaler (MPEG-standarder). Framsteg när det gäller att minska volymen av överförd information genom komprimering med hjälp av auditiva maskeringsegenskaper tyder på att dessa effekter också är av stor betydelse för uppfattningen och bedömningen av icke-linjära förvrängningar.
De etablerade lagarna för auditiv maskering tillåter oss att konstatera att:
- maskering av högfrekventa komponenter (belägen ovanför frekvensen av maskeringssignalen) sker mycket starkare än i riktning mot låga frekvenser;
- maskering är mer uttalad för närliggande frekvenser (lokal effekt, figur 11);
- med en ökning av nivån på maskeringssignalen expanderar zonen för dess inflytande, den blir mer och mer asymmetrisk och den skiftar mot höga frekvenser.

Av detta kan vi anta att vid analys av icke-linjära förvrängningar i det auditiva systemet, observeras följande regler:
- icke-linjära distorsionsprodukter över grundfrekvensen är mindre viktiga för perception (de är bättre maskerade) än lågfrekventa komponenter;
- Ju närmare grundtonen produkterna av icke-linjära förvrängningar befinner sig, desto större är sannolikheten att de blir osynliga och inte har en subjektiv betydelse;
- Ytterligare olinjära komponenter som härrör från olinjäritet kan vara mycket viktigare för perception vid låga signalnivåer än vid höga nivåer. Detta visas i figur 11.

Maskeringseffekter

I själva verket, när nivån på huvudsignalen ökar, expanderar dess maskeringszon, och fler och fler distorsionsprodukter (övertoner, total- och skillnadsförvrängningar, etc.) faller in i den. På låga nivåer är detta område begränsat, så produkter med högre ordning kommer att vara mer hörbara.
Vid mätning av olinjära produkter på en ren ton uppträder främst övertoner med en frekvens högre än huvudsignalen n f i omvandlarna. Låga övertoner med frekvenser (1/n) f kan dock även förekomma i högtalare. Vid mätning av intermodulationsförvrängningar (både med två signaler och med flertonssignaler) uppstår distorsionsprodukter med total differens - både över och under huvudsignalerna m f1 ± n f2.
Med hänsyn till de listade egenskaperna hos auditiv maskering kan följande slutsatser dras: produkter av icke-linjära förvrängningar av högre ordning kan vara mer hörbara än produkter av lägre ordning. Till exempel visar utövandet av högtalardesign att övertoner med nummer högre än den femte uppfattas mycket mer obehagliga än den andra och tredje, även om deras nivåer är mycket lägre än de för de två första övertonerna. Vanligtvis uppfattas deras utseende som skramlande och leder till att högtalare avvisas i produktionen. Uppkomsten av undertoner med halva och lägre frekvenser uppmärksammas också omedelbart av hörselsystemet som en överton, även vid mycket låga nivåer.
Om ordningsföljden för olinjäritet är låg, kan ytterligare övertoner maskeras i det auditiva systemet med en ökning av insignalsnivån och inte uppfattas som distorsion, vilket bekräftas av praktiken att designa elektroakustiska givare. Högtalarsystem med en olinjär distorsionsnivå på 2 % kan betygsättas ganska högt av lyssnare. Samtidigt bör bra förstärkare ha en distorsionsnivå på 0,01 % eller lägre, vilket tydligen beror på att högtalarsystem skapar lågordnade distorsionsprodukter och förstärkare skapar mycket högre.
Icke-linjära distorsionsprodukter som uppstår vid låga signalnivåer kan vara mycket mer hörbara än vid höga nivåer. Detta till synes paradoxala uttalande kan också ha praktiska implikationer, eftersom ickelinjära förvrängningar i elektroakustiska omvandlare och vägar också kan förekomma vid låga signalnivåer.
Baserat på ovanstående överväganden föreslog R. Geddes ett nytt psykoakustiskt kriterium för att bedöma icke-linjära distorsioner, som måste uppfylla följande krav: att vara känsligare för distorsion av högre ordning och ha större betydelse för låga signalnivåer.
Problemet var att visa att detta kriterium överensstämde mer med den subjektiva uppfattningen av harmonisk distorsion än de för närvarande accepterade klassificeringsmetoderna: total harmonisk distorsionsfaktor och ipå tvåtons- eller flertonssignaler.
För detta ändamål genomfördes en serie subjektiva undersökningar, organiserade enligt följande: trettiofyra experter med testade hörtrösklar (genomsnittsålder 21 år) deltog i en stor serie experiment som bedömde ljudkvaliteten i musikpassager (till exempel manliga sång med symfonisk musik), där olika typer av olinjära distorsioner har introducerats. Detta gjordes genom "falsning" av testsignalen med olinjära överföringsfunktioner som är karakteristiska för olika typer av omvandlare (högtalare, mikrofoner, stereotelefoner, etc.).
Först användes sinusformade signaler som stimuli, de "konvolverades" med olika överföringsfunktioner och den harmoniska distorsionskoefficienten bestämdes. Sedan användes två sinusformade signaler och intermodulberäknades. Slutligen bestämdes den nyligen föreslagna koefficienten Gm direkt från de givna överföringsfunktionerna. Avvikelserna visade sig vara mycket betydande: till exempel för samma överföringsfunktion är SOI 1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Denna skillnad kan förklaras fysiskt, eftersom Kim och Gm tar hänsyn till många fler icke-linjära distorsionsprodukter av hög ordning.
Hörselexperiment utfördes på stereotelefoner med ett intervall på 20 Hz...16 kHz, känslighet 108 dB, max. SPL 122 dB. Det subjektiva betyget gavs på en sjugradig skala för varje musikaliskt fragment, från "mycket bättre" än referensfragmentet (dvs det musikaliska fragmentet "kollapsade" med en linjär överföringsfunktion) till "mycket sämre". Statistisk bearbetning av resultaten av den auditiva bedömningen gjorde det möjligt att fastställa en ganska hög korrelationskoefficient mellan medelvärdena för subjektiva bedömningar och värdet på Gm-koefficienten, som visade sig vara lika med 0,68. Samtidigt var det för SOI 0,42 och för Kim - 0,34 (för denna serie experiment).
Sambandet mellan det föreslagna kriteriet och subjektiva bedömningar av ljudkvalitet visade sig således vara betydligt högre än för andra koefficienter (Figur 12).

Samband mellan Gm-koefficienten och subjektiva bedömningar

Experimentresultaten visade också att en elektroakustisk givare med Gm mindre än 1 % kan anses vara ganska tillfredsställande vad gäller ljudkvalitet i den meningen att olinjära distorsioner i den är praktiskt taget ohörbara.
Naturligtvis är dessa resultat ännu inte tillräckliga för att ersätta det föreslagna kriteriet med de parametrar som finns tillgängliga i standarderna, såsom harmonisk distorsionskoefficient ochicient, men om resultaten bekräftas av ytterligare experiment så kanske det är precis vad som kommer att hända .
Jakten på andra nya kriterier fortsätter också aktivt, eftersom diskrepansen mellan befintliga parametrar (särskilt harmonisk distorsionskoefficient, som endast utvärderar de två första övertonerna) och subjektivt upplevd ljudkvalitet blir mer och mer uppenbar i takt med att ljudutrustningens övergripande kvalitet förbättras.
Uppenbarligen kommer ytterligare sätt att lösa detta problem att gå till att skapa datormodeller av det auditiva systemet, med hänsyn till olinjära processer och maskeringseffekter i det. Institutet för kommunikationsakustik i Tyskland arbetar inom detta område under ledning av D. Blauert, vilket redan skrevs om i en artikel tillägnad den 114:e AES-kongressen. Med hjälp av dessa modeller kommer det att vara möjligt att utvärdera hörbarheten av olika typer av olinjära distorsioner i verklig musik och talsignaler. Men även om de ännu inte har skapats kommer bedömningar av olinjära förvrängningar i utrustning att göras med förenklade metoder som ligger så nära verkliga auditiva processer som möjligt.