Як визначається коефіцієнт нелінійних спотворень? Нелінійні спотворення. Максимальна довготривала потужність

Вхідного сигналу до середньоквадратичної суми спектральних компонентів вхідного сигналу іноді використовується нестандартизований синонім - клірфактор(Запозичень. З ньому.). КНІ - безрозмірна величина, що виражається зазвичай у відсотках. Крім КНІ рівень нелінійних спотворень можна висловити за допомогою коефіцієнта гармонійних спотворень.

Коефіцієнт гармонійних спотворень- величина, що виражає ступінь нелінійних спотворень пристрою (підсилювача та ін), що дорівнює відношенню середньоквадратичного напруги суми вищих гармонік сигналу, крім першої, до напруги першої гармоніки при впливі на вхід пристрою синусоїдального сигналу.

Коефіцієнт гармонік як і КНІ виражається у відсотках. Коефіцієнт гармонік ( K Г) пов'язаний з КНІ ( K Н) співвідношенням:

Вимірювання

• У низькочастотному (НЧ) діапазоні (до 100-200 кГц) для вимірювання КНД застосовуються вимірювачі нелінійних спотворень (вимірники коефіцієнта гармонік).
• На високих частотах (СЧ, ВЧ) використовують непрямі виміри з допомогою аналізаторів спектра чи селективних вольтметрів .

Типові значення КНІ

• 0% - форма сигналу є ідеальною синусоїдою.
• 3% - форма сигналу відмінна від синусоїдальної, але спотворення не помітні на око.
• 5% - відхилення форми сигналу від синусоїдальної помітно на око по осцилограмі.
• 10% - стандартний рівень спотворень, у якому вважають реальну потужність (RMS) УМЗЧ .
• 21% - наприклад, сигнал трапецеїдальної або ступінчастої форми.
• 43% - наприклад, сигнал прямокутної форми.

Див. також

Література

• Довідник з радіоелектронних пристроїв: У 2-х т.; За ред. Д. П. Лінде - М: Енергія,
• Горохів П. К. Тлумачний словник з радіоелектроніки. Основні терміни- М: Рос. яз.,

Посилання

• ОСНОВНІ ЕЛЕКТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛУ ЗВУКОПЕРЕДАЧІ

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитися що таке "" в інших словниках:

коефіцієнт нелінійних спотворень- КНІ Параметр, що дозволяє врахувати вплив гармонік та комбінаційних складових на якість сигналу. Чисельно визначається як відношення потужності нелінійних спотворень до потужності неспотвореного сигналу, що зазвичай виражається у відсотках. [Л.М. Невдяєв.

коефіцієнт нелінійних спотворень- 3.9 коефіцієнт нелінійних спотворень (total distortion): Відношення у відсотках середньоквадратичного значення спектральних компонент вихідного сигналу акустичного калібратора, які відсутні у вхідному сигналі, до середньоквадратичного значення.

коефіцієнт нелінійних спотворень- netiesinių iskreipių faktorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. non linear distortion factor vok. Klirrfaktor, m rus. коефіцієнт нелінійних спотворень, m pranc. taux de distorsion harmonique, m … Fizikos terminų žodynas

КНІ вхідного струму ДБЖ Характеризує відхилення форми вхідного струму ДБЖ від синусоїдальної. Чим більше значення цього параметра, тим гірше це для обладнання, підключеного до тієї ж мережі живлення і самої мережі, в цьому випадку погіршується. Довідник технічного перекладача

КНІ вихідної напруги ДБЖ Характеризує відхилення форми вихідної напруги від синусоїдальної, зазвичай наводиться для лінійної (двигуни, деякі види освітлювальних приладів) та нелінійного навантаження. Чим вище це значення, тим гірша якість… … Довідник технічного перекладача

коефіцієнт нелінійних спотворень підсилювача- - [Л.Г.Суменко. Англо-російський словник з інформаційних технологій. М.: ДП ЦНДІС, 2003.] Тематики інформаційні технологіїв цілому EN amplifier distortion factor … Довідник технічного перекладача

Коефіцієнт нелінійних спотворень гучномовця- 89. Коефіцієнт нелінійних спотворень гучномовця Коефіцієнт нелінійних спотворень Ндп. Коефіцієнт гармонік Виражений у відсотках квадратний корінь із відношення суми квадратів ефективних значень спектральних складових, що випромінюються. Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

Коефіцієнт нелінійних спотворень ларингофону- 94. Коефіцієнт нелінійних спотворень ларингофона Виражене у відсотках значення квадратного кореня із суми квадратів діючих значень гармонік електрорушійної сили, що розвивається ларингофоном при гармонійному русі повітря, до… Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

допустимий коефіцієнт нелінійних спотворень- - [Л.Г.Суменко. Англо-російський словник з інформаційних технологій. М.: ДП ЦНДІС, 2003.] Тематики інформаційні технології загалом EN harmonic tolerance … Довідник технічного перекладача

- (Вимірник коефіцієнта гармонік) прилад для вимірювання коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік) сигналів у радіотехнічних пристроях. Зміст … Вікіпедія

Уся історія звуковідтворення складалася зі спроб наблизити ілюзію до оригіналу. І хоча шлях пройдений величезний, до повного наближення до живого звуку ще дуже далеко. Відмінності за численними параметрами можуть бути виміряні, але й немало їх залишається поки поза увагою розробників апаратури. Однією з головних характеристик, яку споживач з будь-якою підготовкою завжди звертає увагу, є коефіцієнт нелінійних спотворень (КНІ) .

І яка величина цього коефіцієнта досить об'єктивно свідчить про якість пристрою? Нетерплячі можуть відразу знайти спробу відповіді це питання наприкінці. Для решти продовжимо.
Цей коефіцієнт, який ще називають коефіцієнтом загальних гармонічних спотворень, є вираженим у відсотках відношенням ефективної амплітуди гармонійних складових на виході пристрою (підсилювача, магнітофона і т.п.) до ефективної амплітуди сигналу основної частоти при впливі на вхід пристрою синусоїдального сигналу цієї частоти. Таким чином, він дозволяє кількісно оцінити нелінійність передавальної характеристики, яка проявляється у появі у вихідному сигналі спектральних складових (гармонію), відсутніх у вхідному сигналі. Іншими словами, відбувається якісна зміна спектра музичного сигналу.

Крім об'єктивних гармонійних спотворень, присутніх у чутному звуковому сигналі, існує проблема спотворень, які відсутні в реальному звуку, але відчуваються через суб'єктивні гармоніки, що виникають у равлику середнього вуха при великих величинах звукового тиску. Слуховий апарат є нелінійною системою. Нелінійність слуху проявляється в тому, що при впливі на барабанну перетинку синусоїдального звуку з частотою f слуховому апаратізароджуються гармоніки цього звуку із частотами 2f, 3f тощо. Оскільки в первинному тоні цих гармонік немає, вони отримали назву суб'єктивних гармонік.

Звичайно, це ще більше ускладнює уявлення про гранично допустимий рівень гармонік звукового тракту. При збільшенні інтенсивності первинного тону величина суб'єктивних гармонік різко зростає і може навіть перевищити інтенсивність основного тону. Ця обставина дає підставу для припущення про те, що звуки з частотою менше 100 Гц відчуваються не власними силами, а через створювані ними суб'єктивні гармоніки, що потрапляють в область частот понад 100 Гц, тобто. через нелінійність слуху. Фізичні причини апаратних спотворень, що виникають, у різних пристроях мають різну природу, і внесок кожного в загальні спотворення всього тракту неоднакових.

Спотворення сучасних CD-програвачів мають дуже низькі значення і практично непомітні на тлі спотворень інших блоків. Для акустичних систем найбільш суттєвими є низькочастотні спотворення, зумовлені басовою головкою, і стандартом обумовлюються вимоги лише для другої та третьої гармонік в області частот до 250 Гц. І для дуже добре звучить акустичної системивони можуть бути в межах 1% або навіть дещо більше. В аналогових магнітофонах головною проблемою, пов'язаною з фізичними засадамизаписи на магнітну стрічку, є третьою гармонікою, значення якої зазвичай і наводяться в інструкції для відомості. Але максимальне значення, у якому, наприклад, завжди виробляються вимірювання рівня шумів, це 3% для частоти 333 Гц. Спотворення ж електронної частини магнітофонів значно нижче.
Як у разі акустики, так і для аналогових магнітофонів, завдяки тому, що спотворення в основному низькочастотні, суб'єктивна помітність їх сильно падає через ефект маскування (який полягає в тому, що з двох сигналів, що одночасно звучать, краще чути більш високочастотний).

Так що головним джерелом спотворень у вашому тракті буде підсилювач потужності, в якому, у свою чергу, основним є нелінійність передавальних характеристик активних елементів: транзисторів та електронних ламп, а трансформаторні підсилювачі також додають нелінійні спотворення трансформатора, пов'язані з нелінійністю кривої намагнічування. Вочевидь, що з одного боку спотворення залежить від форми нелінійності передавальної характеристики, але й від характеру вхідного сигналу.

Наприклад, передатна характеристика підсилювача з плавним обмеженням при великих амплітудах не викличе жодних спотворень для синусоїдальних сигналів, менших за рівень обмеження, а при збільшенні сигналу вище цього рівня спотворення з'являються і будуть збільшуватися. Такий характер обмеження притаманний переважно ламповим підсилювачам, що певною мірою може бути однією з причин переваги таких підсилювачів слухачами. І цю особливість використовувала фірма NAD у серії своїх гучних підсилювачів з "м'яким обмеженням", що випускалися з початку 80-х років: можливість включення режиму з імітацією лампового обмеження створила численну армію шанувальників підсилювачів транзисторів цієї фірми.
Навпаки, характеристика підсилювача з центральною відсіканням (спотворення типу "сходинка"), яка характерна для транзисторних моделей, викликає спотворення музичних та малих синусоїдальних сигналів, а зі збільшенням рівня сигналу спотворення зменшуватимуться. Таким чином, спотворення залежить не тільки від форми передавальної характеристики, але також від статистичного розподілу рівнів вхідного сигналу, яке для музичних програмблизько до шумового сигналу. Тому, крім вимірювання КНІ з використанням синусоїдального сигналу, можливий метод вимірювань нелінійних спотворень підсилювальних пристроїв з використанням суми трьох синусоїдальних або шумового сигналу, що дають у світлі вищесказаного об'єктивну картину спотворень.

Коефіцієнт нелінійних спотворень(КНІ або K Н) - величина для кількісної оцінки нелінійних спотворень.

Визначення [ | ]

Коефіцієнт нелінійних спотворень дорівнює відношенню середньоквадратичної суми спектральних компонентів вихідного сигналу , відсутніх у спектрі вхідного сигналу, до середньоквадратичної суми всіх спектральних компонентів вхідного сигналу

КНД - безрозмірна величина і виражається зазвичай у відсотках. Крім КНІ, рівень нелінійних спотворень часто виражають і через коефіцієнт гармонійних спотворень(КДМ або K Г) - величину, що виражає ступінь нелінійних спотворень пристрою (підсилювача та ін) і рівну відношенню середньоквадратичного напруги суми вищих гармонік сигналу, крім першої, до напруги першої гармоніки при дії на вхід пристрою синусоїдального сигналу.

КДІ, так само, як і КНІ, виражається у відсотках і пов'язаний із ним співвідношенням

Очевидно, що для малих значень КДМ та КНІ збігаються у першому наближенні. Цікаво, що у західній літературі зазвичай користуються КДІ, тоді як у вітчизняній літературі традиційно віддають перевагу КНІ.

Важливо також відзначити, що КНІ та КДМ - це лише кількісні міри спотвореньале не якісні. Наприклад, значення КНД (КДМ), що дорівнює 3% нічого не говорить про характер спотворень, тобто. про те, як у спектрі сигналу розподілені гармоніки, і який, наприклад, вклад НЧ чи ВЧ складових. Так, у спектрах лампових УМЗЧ зазвичай переважають нижчі гармоніки, що часто сприймається на слух як «теплий ламповий звук», а в транзисторних УМЗЧ спотворення більш рівномірно розподілені по спектру, і він більш плоский, що часто сприймається як «типовий транзисторний звук» (хоча суперечка ця багато в чому залежить від особистих відчуттів та звичок людини).

Приклади розрахунку КДМ[ | ]

Для багатьох стандартних сигналів КДМ може бути підрахований аналітично. Так, для симетричного прямокутного сигналу (меандр)

Ідеальний пилкоподібний сигналмає КДМ

а симетричний трикутний

Несиметричний прямокутний імпульсний сигнал із співвідношенням тривалості імпульсу до періоду, що дорівнює μ має КДМ

який досягає мінімуму (≈0.483) при μ =0.5, тобто. тоді, коли сигнал стає симетричним меандром. До речі, фільтруванням можна досягти значного зниження КДМ цих сигналів, і таким чином отримувати сигнали, близькі за формою до синусоїдальних. Наприклад, симетричний прямокутний сигнал (меандр) з початковим КДМ в 48.3%, після проходження через фільтр Баттерворта другого порядку (з частотою зрізу, що дорівнює частоті основної гармоніки) має КДМ вже в 5.3%, а якщо фільтр четвертого порядку - то КДМ=0. . Слід зазначити, що чим складніший сигнал на вході фільтра і чим складніший сам фільтр (а точніше його передатна функція), тим громіздкішими і трудомісткими будуть обчислення КДІ. Так, стандартний пилкоподібний сигнал, що пройшов через фільтр Баттерворта першого порядку, має КДМ вже не 80.3%, а 37.0%, який точно дається наступним виразом.

А КДМ того ж сигналу, що пройшов через такий же фільтр, але другого порядку, вже даватиметься досить громіздкою формулою

Якщо ж розглядати вищезгаданий несиметричний прямокутний імпульсний сигнал, що пройшов через фільтр Баттерворта p-го порядку, то тоді

де 0<μ <1 и

подробиці обчислень - див. Ярослав Благушин та Ерік Моро.

Вимірювання [ | ]

• У низькочастотному (НЧ) діапазоні для вимірювання КНД застосовуються вимірювачі нелінійних спотворень (вимірники коефіцієнта гармонік).
• На високих частотах (СЧ, ВЧ) використовують непрямі виміри з допомогою аналізаторів спектра чи селективних вольтметрів .

Основним параметром електронного підсилювача є коефіцієнт посилення К. Коефіцієнт посилення потужності (напруги, струму) визначається ставленням потужності (напруги, струму) вихідного сигналу до потужності (напруги, струму) вхідного та характеризує підсилювальні властивості схеми. Вихідний і вхідний сигнали повинні бути виражені в одних і тих самих кількісних одиницях, тому коефіцієнт посилення є безрозмірною величиною.

Відсутність реактивних елементів у схемі, а також при певних режимах її роботи, коли виключається їх вплив, коефіцієнт посилення є дійсною величиною, яка не залежить від частоти. У цьому випадку вихідний сигнал повторює форму вхідного і відрізняється від нього в раз тільки амплітудою. У подальшому викладі матеріалу йтиметься про модуль коефіцієнта посилення, якщо немає особливих застережень.

Залежно від вимог, що висуваються до вихідних параметрів підсилювача змінного сигналу, розрізняють коефіцієнти посилення:

а) за напругою, що визначається як відношення амплітуди змінної складової вихідної напруги до амплітуди змінної складової вхідного, тобто.

б) за струмом, що визначається ставленням амплітуди змінної складової вихідного струму до амплітуди змінної складової вхідного:

в) за потужністю

Оскільки коефіцієнт посилення по потужності можна визначити наступним чином:

За наявності реактивних елементів у схемі (конденсаторів, індуктивностей) коефіцієнт посилення слід розглядати як комплексну величину

де m і n - дійсна та уявна складові, що залежать від частоти вхідного сигналу:

Припустимо, що коефіцієнт посилення До залежить від амплітуди вхідного сигналу. У цьому випадку при подачі на вхід підсилювача синусоїдального сигналу вихідний сигнал також матиме синусоїдальну форму, але відрізнятися від вхідного по амплітуді в раз і по фазі на кут .

Періодичний сигнал складної форми згідно з теоремою Фур'є можна представити сумою кінцевого або нескінченно великого числа гармонійних складових, що мають різні амплітуди, частоти та фази. Так як К - комплексна величина, то амплітуди та фази гармонійних складових вхідного сигналу при проходженні через підсилювач змінюються по-різному і вихідний сигнал буде відрізнятися формою від вхідного.

Спотворення сигналу при проходженні через підсилювач, обумовлені залежністю параметрів підсилювача від частоти і не залежать від амплітуди вхідного сигналу, називаються лінійними спотвореннями. У свою чергу, лінійні спотворення можна розділити на частотні (що характеризують зміну модуля коефіцієнта посилення К у смузі частот за рахунок впливу реактивних елементів у схемі); фазові (що характеризують залежність зсуву по фазі між вихідним та вхідним сигналами від частоти за рахунок впливу реактивних елементів).

Частотні спотворення сигналу можна оцінити за допомогою амплітудно-частотної характеристики, що виражає залежність модуля коефіцієнта посилення напруги від частоти. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача у загальному вигляді представлена ​​на рис. 1.2. Робочий діапазон частот підсилювача, всередині якого коефіцієнт посилення можна вважати з відомим ступенем точності постійним, лежить між нижчою та вищою граничними частотами і називається смугою пропускання. Граничні частоти визначають зменшення коефіцієнта посилення на задану величину від максимального значення на середній частоті .

Ввівши коефіцієнт частотних спотворень на даній частоті

де - коефіцієнт посилення по напрузі на цій частоті, можна за допомогою амплітудно-частотної характеристики визначити частотні спотворення у будь-якому діапазоні робочих частот підсилювача.

Оскільки найбільші частотні спотворення маємо на межах робочого діапазону, то при розрахунку підсилювача, як правило, задають коефіцієнти частотних спотворень на нижчій та вищій граничних частотах, тобто.

де - відповідно коефіцієнти посилення за напругою на вищій та нижчій граничних частотах.

Зазвичай приймають, тобто на граничних частотах коефіцієнт посилення за напругою зменшується рівня 0,707 значення коефіцієнта посилення на середній частоті. За таких умов смуга пропускання підсилювачів звукової частоти, призначених для відтворення мовлення та музики, лежить у межах 30-20 000 Гц. Для підсилювачів, що застосовуються в телефонії, допустима вужча смуга пропускання 300-3400 Гц. Для посилення імпульсних сигналів необхідно використовувати звані широкосмугові підсилювачі, смуга пропускання яких розташовується в діапазоні частот від десятків або одиниць герц до десятків або навіть сотень мегагерц.

Для оцінки якості підсилювача часто користуються параметром

Для широкосмугових підсилювачів

Протилежністю широкосмугових підсилювачів є вибіркові підсилювачі, призначення яких полягає у посиленні сигналів у вузькій смузі частот (рис. 1.3).

Підсилювачі, призначені для посилення сигналів зі скільки завгодно малою частотою, називаються підсилювачами постійного струму. З визначення ясно, що нижча гранична частота смуги пропускання такого підсилювача дорівнює нулю. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача постійного струму дано на рис. 1.4.

Фазочастотна характеристика показує, як змінюється кут зсуву фаз між вихідним та вхідним сигналами при зміні частоти та визначає фазові спотворення.

Фазові спотворення відсутні при лінійному характері фазочастотної характеристики (пунктирна лінія на рис. 1.5), тому що в цьому випадку кожна гармонійна складова вхідного сигналу при проходженні через підсилювач зсувається за часом на один і той же інтервал. Кут зсуву фаз між вхідним та вихідним сигналами при цьому пропорційний частоті

де - Коефіцієнт пропорційності, що визначає кут нахилу характеристики до осі абсцис.

Фазочастотна характеристика реального підсилювача представлена ​​рис. 1.5 суцільною лінією. З рис. 1.5 видно, що в межах смуги пропускання підсилювача фазові спотворення мінімальні, проте різко зростають в області граничних частот.

Якщо коефіцієнт посилення залежить від амплітуди вхідного сигналу, то мають місце нелінійні спотворення сигналу, що посилюється, обумовлені наявністю в підсилювачі елементів з нелінійними вольт-амперними характеристиками.

Задаючи закон зміни, можна проектувати нелінійні підсилювачі з певними властивостями. Нехай коефіцієнт посилення визначається залежністю , де - Коефіцієнт пропорційності.

Тоді при подачі на вхід підсилювача вхідного синусоїдального сигналу вихідний сигнал підсилювача

де - амплітуда та частота вхідного сигналу.

Перша гармонійна складова у виразі (1.6) є корисним сигналом, інші є результатом нелінійних спотворень.

Нелінійні спотворення можна оцінити за допомогою так званого коефіцієнта гармонік

де - амплітудні значення відповідно до потужності, напруги і струму гармонійних складових.

Індекс визначає номер гармоніки. Зазвичай враховують лише другу та третю гармоніки, тому що амплітудні значення потужностей вищих гармонік порівняно малі.

Лінійні та нелінійні спотворення характеризують точність відтворення форми вхідного сигналу підсилювачем.

Амплітудна характеристика чотириполюсників, що складаються лише з лінійних елементів, за будь-якого значення теоретично є похилою прямою. Майже максимальне значення обмежується електричною міцністю елементів чотириполюсника. Амплітудна характеристика підсилювача, виконаного на електронних приладах (рис. 1.6), в принципі нелінійна, проте може містити ділянки ОА, де крива має лінійний характер з великим ступенем точності. Робочий діапазон вхідного сигналу повинен виходити межі лінійного ділянки (ОА) амплітудної характеристики підсилювача, інакше нелінійні спотворення перевищать допустимий рівень.

Коефіцієнт нелінійних спотворень (КНІ)​

Ірина Алдошина

Всі електроакустичні перетворювачі (гучномовці, мікрофони, телефони та ін), а також канали передачі вносять свої спотворення в переданий звуковий сигнал, тобто звуковий сигнал, що сприймається, завжди не ідентичний оригіналу. Ідеологія створення звукової апаратури, що отримала в 60-ті роки назву High-Fidelity, «високої вірності» живому звуку, значною мірою не досягла своєї мети. У ті роки рівні спотворень звукового сигналу в апаратурі були ще дуже високими, і здавалося, що достатньо їх знизити - і звук, відтворений через апаратуру, практично не відрізняється від вихідного.

Однак, незважаючи на успіхи в конструюванні та розвитку технології, які призвели до значного зниження рівнів всіх видів спотворень в аудіоапаратурі, як і раніше не становить особливих труднощів відрізнити натуральний звук від відтвореного. Саме тому на даний час у різних країнах у науково-дослідних інститутах, університетах та фірмах-виробниках у великому обсязі проводяться роботи з вивчення слухового сприйняття та суб'єктивної оцінки різних видів спотворень. За результатами цих досліджень публікується безліч наукових статей та доповідей. Практично на всіх конгресах AES подаються доповіді на цю тему. Деякі сучасні результати, отримані за останні два-три роки, з питань суб'єктивного сприйняття та оцінки нелінійних спотворень звукового сигналу в аудіоапаратурі та будуть представлені в цій статті.

При записі, передачі та відтворенні музичних та мовних сигналів через аудіоапаратуру виникають спотворення тимчасової структури сигналу, які можуть бути поділені на лінійні та нелінійні.

Лінійні спотвореннязмінюють амплітудні та фазові співвідношення між наявними спектральними компонентами вхідного сигналу та за рахунок цього спотворюють його тимчасову структуру. Такі спотворення суб'єктивно сприймаються, як спотворення тембру сигналу, і тому проблемам їх зниження і суб'єктивним оцінкам рівня приділялося дуже багато уваги з боку фахівців протягом усього періоду розвитку звукотехніки.

Вимога до відсутності лінійних спотворень сигналу в аудіоапаратурі може бути записана у формі:

Y(t) = K x(t - T), де x(t) - вхідний сигнал, y(t) - вихідний сигнал.

Ця умова допускає тільки зміну сигналу в масштабі з коефіцієнтом До і його зсув у часі на величину Т. Воно визначає лінійний зв'язок між вхідним і вихідним сигналами і призводить до вимоги, щоб передатна функція H(ω), під якою розуміється частотно-залежне відношення комплексних амплітуд сигналу на виході та на вході системи при гармонійних впливах, була постійна за модулем і мала лінійну залежність аргументу (тобто фази) від частоти | H(ω) | = До, φ(ω) = -T·ω. Оскільки функція 20 lg | H(ω) | називається амплітудно-частотною характеристикою системи (АЧХ), а φ(ω) - фазо-частотною характеристикою (ФЧХ), то забезпечення постійного рівня АЧХ у відтворюваному діапазоні частот (зниження її нерівномірності) у мікрофонах, акустичних системах та ін є головною вимогою для покращення їх якості. Методи їх вимірювань введені до всіх міжнародних стандартів, наприклад, IEC268-5. Приклад АЧХ сучасного контрольного агрегату фірми Marantz з нерівномірністю 2 дБ показаний малюнку 1.

АЧХ контрольного монітора фірми Marantz

Слід зазначити, що таке зниження величини нерівномірності АЧХ є величезним досягненням у конструюванні аудіоапаратури (наприклад, контрольні монітори, представлені на виставці в Брюсселі 1956 року, мали нерівномірність 15 дБ), що стало можливим внаслідок застосування нових технологій, матеріалів та методів проектування.

Вплив нерівномірностей АЧХ (і ФЧХ) на суб'єктивно сприйняття спотворення тембру звучання досить детально досліджено. Огляд основних отриманих результатів намагатимемося зробити надалі.

Нелінійні спотворенняхарактеризуються появою в спектрі сигналу нових складових, відсутні в початковому сигналі, кількість та амплітуди яких залежать від зміни вхідного рівня. Поява додаткових складових спектрі обумовлено нелінійною залежністю вихідного сигналу від вхідного, тобто нелінійністю передавальної функції. Приклади такої залежності показані малюнку 2.

Різні типи нелінійних передавальних функцій в апаратурі

Причиною нелінійності можуть бути конструктивні та технологічні особливості електроакустичних перетворювачів.

Наприклад, в електродинамічних гучномовцях (рисунок 3) до основних причин відносяться:

Конструкція електродинамічного гучномовця

Нелінійні пружні характеристики підвісу та центруючої шайби (приклад залежності гнучкості підвісів у гучномовці від величини зміщення звукової котушки показано на малюнку 4);

Залежність гнучкості підвісу від величини усунення звукової котушки

Нелінійна залежність зміщення звукової котушки від величини прикладеної напруги через взаємодію котушки з магнітним полем та через теплові процеси в гучномовцях;
- нелінійні коливання діафрагми при великій величині дії, що впливає;
- коливання стін корпусу;
- Ефект Доплера при взаємодії різних випромінювачів в акустичній системі.
Нелінійні спотворення виникають практично у всіх елементах звукового тракту: мікрофони, підсилювачі, кросовери, процесори ефектів і т.д.
Подана на малюнку 2 залежність між вхідним та вихідним сигналами (наприклад, між прикладеною напругою та звуковим тиском для гучномовця) може бути апроксимована у вигляді полінома:
y(t) = h1·x(t) + h2·x2(t) + h3·x3(t) + h4·x4(t) + … (1).
Якщо таку нелінійну систему подати гармонійний сигнал, т. е. x(t) = A·sin ωt, то вихідному сигналі будуть присутні компоненти з частотами ω, 2ω, 3ω, …, nω тощо. буд. Наприклад, якщо обмежитися лише квадратичним членом, з'являться другі гармоніки, т. до.
y(t) = h1·A·sin ωt + h2·(A sin ωt)² = h1·A·sin ωt + 0,5·h2·А²·sin 2ωt + const.
У реальних перетворювачах при подачі гармонійного сигналу можуть з'явитися гармоніки другого, третього і вищих порядків, а також субгармоніки (1/n) ω (рисунок 5).

Для вимірювання такого виду спотворень найбільшого поширення набули методи вимірювань рівня додаткових гармонік у вихідному сигналі (зазвичай тільки другий і третій).
Відповідно до міжнародних та вітчизняних стандартів проводиться запис АЧХ другої та третьої гармоніки в заглушених камерах та вимірюється коефіцієнт гармонічних спотворень n-порядку:
KГn = pfn / pср · 100%
де pfn - середньоквадратичне значення звукового тиску, що відповідає n-гармонійної складової. По ньому розраховується загальний коефіцієнт гармонійних спотворень:
Кг = (KГ2² + KГ3² +KГ4² +KГ5² + ...)1/2
Наприклад, відповідно до вимог МЕК 581-7, для акустичних систем класу Hi-Fi повний коефіцієнт гармонічних спотворень не повинен перевищувати 2% у діапазоні частот 250...1000 Гц та 1% у діапазоні понад 2000 Гц. Приклад залежності коефіцієнта гармонійних спотворень для низькочастотного гучномовця діаметром 300 мм (12") від частоти для різних значень вхідної напруги, що змінюється від 10 до 32, показаний на малюнку 6.

Залежність КНД від частоти для різних значень вхідної напруги

Слід зазначити, що слухова система є надзвичайно чутливою до наявності нелінійних спотворень в акустичних перетворювачах. «Помітність» гармонійних складових залежить від їхнього порядку, зокрема, до непарних складових слух найбільш чутливий. При багаторазовому прослуховуванні сприйняття нелінійних спотворень загострюється, особливо під час прослуховування окремих музичних інструментів. Частотна область максимальної чутливості слуху до цих видів спотворень перебуває у межах 1...2 кГц, де поріг чутливості становить 1...2%.
Однак такий метод оцінки нелінійності не дозволяє врахувати усі види нелінійних продуктів, що виникають у процесі перетворення реального звукового сигналу. В результаті може бути ситуація, коли акустична система з КНД в 10% може суб'єктивно оцінюватися вище за якістю звучання, ніж система з КНД в 1%, через вплив вищих гармонік.
Тому пошуки інших способів оцінки нелінійних спотворень та їх кореляції із суб'єктивними оцінками постійно продовжуються. Особливо актуально це нині, коли рівні нелінійних спотворень значно знизилися й у подальшого їх зниження необхідне знання реальних порогів чутності, оскільки зменшення нелінійних спотворень апаратурі потребує значних економічних витрат.
Поряд із вимірюваннями гармонійних складових у практиці проектування та оцінки електроакустичної апаратури використовуються методи вимірювань інтермодуляційних спотворень. Методика вимірювань представлена ​​ГОСТ 16122-88 та МЕК 268-5 та заснована на підведенні до випромінювача двох синусоїдальних сигналів з частотами f1 та f2, де f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Сумарний коефіцієнт інтермодуляційних спотворень визначається у разі як:
Кім = (ΣnКімn²)1/2
де Кім = / pcp.
Причиною виникнення інтермодуляційних спотворень служить нелінійний зв'язок між вихідним та вхідним сигналами, тобто нелінійна передавальна характеристика. Якщо на вхід такої системи подати два гармонійні сигнали, то у вихідному сигналі будуть утримуватися гармоніки вищих порядків та сумарно-різносні тони різних порядків.
Вид вихідного сигналу з урахуванням нелінійностей вищих порядків показаний малюнку 5.

Продукти нелінійних спотворень у гучномовцях

Характеристики залежності коефіцієнта інтермодуляційних спотворень від частоти для низькочастотного гучномовця зі звуковими котушками різної довжини показані на малюнку 7 (а - для довшої котушки, б - для більш короткої).

Залежність коефіцієнта інтермодуляційних спотворень (IMD) від частоти для гучномовця з довгою (а) та короткою (б) котушкою

Як сказано вище, відповідно до міжнародних стандартів в апаратурі вимірюються лише коефіцієнти інтермодуляційних спотворень другого та третього порядків. Вимірювання інтермодуляційних спотворень можуть бути інформативнішими, ніж гармонічні, оскільки є більш чутливим критерієм нелінійності. Однак, як показали експерименти, виконані в роботах Р. Геддса (доповідь на 115 конгресі AES у Нью-Йорку), чіткої кореляції між суб'єктивними оцінками якості акустичних перетворювачів та рівнем інтермодуляційних спотворень встановити не вдалося - занадто великий розкид в отриманих результатах (як видно з малюнку 8).

Зв'язок суб'єктивних оцінок із величиною коефіцієнта інтермодуляційних спотворень (IMD)

В якості нового критерію для оцінки нелінійних спотворень в електроакустичній апаратурі було запропоновано багатотоновий метод, історія та способи застосування якого детально досліджено в роботах А. Г. Войшвілло та ін. (Є статті в JAES та доповіді на конгресах AES). В цьому випадку як вхідний сигнал використовується набір гармонік від 2 до 20 з довільним розподілом амплітуд і логарифмічним розподілом частот в діапазоні від 1 до 10 кГц. Розподіл фаз гармонік оптимізується для мінімізації пік-фактора багатотонового сигналу. Загальний вигляд вхідного сигналу та його тимчасова структура показані на рисунках 9а та 9б.

Спектральний (а) та тимчасовий (б) вид багатотонового сигналу

У вихідному сигналі виділяються гармонійні та інтермодуляційні спотворення всіх порядків. Приклад таких спотворень гучномовця показаний малюнку 10.

Загальні продукти нелінійних спотворень під час застосування багатотонового сигналу

Багатотоновий сигнал за своєю структурою набагато ближче до реальних музичних та мовних сигналів, він дозволяє виділити значно більше різних продуктів нелінійних спотворень (насамперед інтермодуляційних) і краще корелює із суб'єктивними оцінками якості звучання акустичних систем. Зі збільшенням числа складових гармонік цей метод дозволяє отримати дедалі детальнішу інформацію, але збільшуються обчислювальні витрати. Застосування цього вимагає подальших досліджень, зокрема розробки критеріїв і допустимих норм на виділені продукти нелінійних спотворень з позицій їх суб'єктивних оцінок.
Для оцінки нелінійних спотворень в акустичних перетворювачах використовуються інші методи, наприклад ряди Вольтера.
Однак усі вони не забезпечують чіткого зв'язку між оцінкою якості звучання перетворювачів (мікрофонів, гучномовців, акустичних систем та ін.) та рівнем нелінійних спотворень у них, виміряних будь-якими з відомих об'єктивних методів. Тому цікавий новий психоакустичний критерій, запропонований у доповіді Р. Геддса на останньому конгресі AES. Він виходив з міркувань, що будь-який параметр можна оцінювати в об'єктивних одиницях, а можна і за суб'єктивними критеріями, наприклад, можна виміряти температуру в градусах, а можна у відчуттях: холодно, тепло, жарко. Гучність звуку можна оцінити за рівнем звукового тиску в дБ, а можна – у суб'єктивних одиницях: фон, сон. Пошук аналогічних критеріїв для нелінійних спотворень був метою його роботи.
Як відомо з психоакустики, слуховий апарат є принципово нелінійною системою, причому його нелінійність проявляється як у великих, і малих рівнях сигналу. Причинами нелінійності є гідродинамічні процеси в равлику вуха, а також нелінійна компресія сигналу за рахунок спеціального механізму подовження зовнішніх волоскових клітин. Це призводить до появи суб'єктивних гармонік та комбінаційних тонів при прослуховуванні гармонійних або сумарних гармонійних сигналів, рівень яких може досягати 15...20% рівня вхідного сигналу. Тому аналіз сприйняття продуктів нелінійних спотворень, створюваних в електроакустичних перетворювачах і каналах передачі, у такій складній нелінійній системі, як слуховий апарат є серйозною проблемою.
Інша важлива властивість слуховий системи - це ефект маскування, що полягає у зміні порогів слуху одного сигналу у присутності іншого (маскера). Ця властивість слухової системи широко використовується в сучасних системах стиснення звукової інформації при її передачі різними каналами (стандарти MPEG). Успіхи, досягнуті у зменшенні обсягів інформації, що передається за рахунок стиснення з використанням властивостей слухової маскування, змушують припустити, що ці ефекти мають величезне значення також для сприйняття та оцінки нелінійних спотворень.
Встановлені закони слухового маскування дозволяють стверджувати, що:
- маскування високочастотних складових (що перебувають вище частоти сигналу-маскера) відбувається значно сильніше, ніж у бік низьких частот;
- маскування сильніше проявляється для найближчих частот (локальний ефект, рисунок 11);
- Зі збільшенням рівня сигналу-маскера зона його впливу розширюється, вона стає все більш асиметричною, відбувається її зсув у бік високих частот.

Звідси можна припустити, що з аналізі нелінійних спотворень у слуховий системі дотримуються такі правила:
- продукти нелінійних спотворень вище за основну частоту менш важливі для сприйняття (вони краще маскуються), ніж низькочастотні компоненти;
- чим ближче до основного тону розташовуються продукти нелінійних спотворень, тим більша ймовірність, що вони стануть непомітними і не матимуть суб'єктивного значення;
- додаткові нелінійні компоненти, що виникають за рахунок нелінійності, можуть бути набагато важливішими для сприйняття при низьких рівнях сигналу, ніж при високих. Це показано малюнку 11.

Ефекти маскування

Дійсно, з підвищенням рівня основного сигналу зона його маскування розширюється, і все більше продуктів спотворень (гармонік, сумарних та різницевих спотворень та ін.) потрапляє до неї. За низьких рівнів ця зона обмежена, тому продукти спотворень високих порядків будуть більш чутні.
При вимірах нелінійних продуктів на чистому тоні в перетворювачах виникають, переважно, гармоніки з частотою вище основного сигналу n f. Однак у гучномовцях можуть виникати і низькі гармоніки з частотами (1/n) f. При вимірюваннях інтермодуляційних спотворень (як за допомогою двох сигналів, так і за допомогою багатотонових сигналів) виникають продукти спотворень сумарно-різнисні - як вище, так і нижче основних сигналів mf1 ± nf2.
Враховуючи перелічені властивості слухового маскування, можна зробити такі висновки: продукти нелінійних спотворень вищих порядків можуть бути більш чутними, ніж продукти нижчих порядків. Наприклад, практика проектування гучномовців показує, що гармоніки з номерами вище п'ятої сприймаються на слух набагато неприємніше, ніж друга і третя, навіть якщо їх рівні набагато менше, ніж у перших двох гармонік. Зазвичай їх поява сприймається як деренчання і призводить до відбракування гучномовців у виробництві. Поява субгармоніка з половинною і нижчою частотами також відразу помічається слуховою системою як призвук, навіть на дуже малих рівнях.
Якщо порядок нелінійності низький, то зі збільшенням рівня вхідного сигналу додаткові гармоніки можуть бути замасковані в слуховій системі та не сприйматися як спотворення, що підтверджується практикою проектування електроакустичних перетворювачів. Акустичні системи з рівнем нелінійних спотворень 2% можуть бути досить високо оцінені слухачами. У той же час добрі підсилювачі повинні мати рівень спотворень 0,01% і нижче, що, мабуть, пов'язано з тим, що акустичні системи створюють продукти спотворень низьких порядків, а підсилювачі набагато вищі.
Продукти нелінійних спотворень, які виникають на низьких рівнях сигналу, можуть бути більш чутними, ніж на високих рівнях. Це, здавалося б, парадоксальне твердження також може мати значення для практики, оскільки нелінійні спотворення електроакустичних перетворювачах і трактах можуть виникати і при малих рівнях сигналів.
Виходячи з вищенаведених міркувань, Р. Геддс запропонував новий психоакустичний критерій для оцінки нелінійних спотворень, який повинен був задовольняти наступним вимогам: бути чутливішим до спотворень вищого порядку і мати більше значення для низьких рівнів сигналу.
Проблема полягала в тому, щоб показати, що цей критерій більше відповідає суб'єктивному сприйняттю нелінійних спотворень, аніж прийняті в даний час методи оцінок: коефіцієнт нелінійних спотворень та коефіцієнт інтермодуляційних спотворень на двотоновому чи багатотоновому сигналах.
З цією метою було проведено серію суб'єктивних експертиз, організовану наступним чином: тридцять чотири експерти з перевіреними порогами слуху (середній вік 21 рік) брали участь у великій серії експериментів з оцінки якості звучання музичних уривків (наприклад, чоловічий вокал із симфонічною музикою), в які були введено різні види нелінійних спотворень. Виконано це було шляхом «згортки» сигналу, що випробовується, з нелінійними передатними функціями, властивими перетворювачам різних типів (гучномовцям, мікрофонам, стереотелефонам та ін.).
Спочатку як стимули були використані синусоїдальні сигнали, виконана їх «згортка» з різними передатними функціями та визначено коефіцієнт гармонічних спотворень. Потім були використані два синусоїдальні сигнали і розраховані коефіцієнти інтермодуляційних спотворень. Нарешті, прямо за заданими передатними функціями було визначено знову запропонований коефіцієнт Gm. Розбіжності виявилися дуже значними: наприклад, для однієї й тієї ж передавальної функції КНІ дорівнює 1%, Кім – 2,1%, Gm – 10,4%. Така відмінність фізично зрозуміла, оскільки Кім і Gm враховують набагато більше продуктів нелінійних спотворень високих порядків.
Слухові експерименти були виконані на стереотелефон з діапазоном 20 Гц ... 16 кГц, чутливістю 108 дБ, макс. SPL 122 дБ. Суб'єктивна оцінка ставилася за семибальною шкалою кожного музичного фрагмента, від «багато краще», ніж опорний фрагмент (тобто. музичний уривок, «згорнутий» з лінійної передавальної функцією), до «багато гірше». Статистична обробка результатів слухової оцінки дозволила встановити досить високий коефіцієнт кореляції між середніми значеннями суб'єктивних оцінок та значенням коефіцієнта Gm, який дорівнював 0,68. У той же час для КНІ він становив 0,42, а Кім - 0,34 (для цієї серії експериментів).
Таким чином, зв'язок запропонованого критерію з суб'єктивними оцінками якості звучання виявився суттєво вищим, ніж у інших коефіцієнтів (рисунок 12).

Зв'язок коефіцієнта Gm із суб'єктивними оцінками

Результати експериментів показали також, що електроакустичний перетворювач, у якого Gm менше 1%, може вважатися задовільним за якістю звучання в тому сенсі, що нелінійні спотворення в ньому практично нечутні.
Зрозуміло, цих результатів ще недостатньо, щоб замінити запропонованим критерієм параметри, що є в стандартах, такі як коефіцієнт гармонічних спотворень і коефіцієнт інтермодуляційних спотворень, проте якщо результати підтвердяться при подальших експериментах, то, можливо, саме так і відбудеться.
Пошуки інших нових критеріїв також активно продовжуються, оскільки невідповідність наявних параметрів (особливо коефіцієнта гармонічних спотворень, що оцінює лише дві перші гармоніки) якість звучання, що суб'єктивно сприймається, стає все більш очевидною в міру поліпшення загальної якості аудіоапаратури.
Мабуть, подальші шляхи вирішення цієї проблеми підуть у напрямку створення комп'ютерних моделей слухової системи з урахуванням нелінійних процесів та ефектів маскування в ній. У цій галузі працює Інститут комунікаційної акустики у Німеччині під керівництвом Д. Блауерта, про який вже було написано у статті, присвяченій 114 конгресу AES. За допомогою цих моделей можна буде оцінювати чутність різних видів нелінійних спотворень у реальних музичних та мовних сигналах. Однак, поки вони ще не створені, оцінки нелінійних спотворень в апаратурі будуть проводитися за допомогою спрощених методів максимально наближених до реальних слухових процесів.