A harmonikus jel alakváltozását, amely egy nemlineáris elemeket tartalmazó eszközön való áthaladás eredményeként következik be, nemlineáris torzításnak nevezzük. Eltorzult nem harmonikus jel spektrumában egy állandó komponenst, az első harmonikust (alapfrekvencia és magasabb frekvenciájú felharmonikusok) tartalmazza.

A harmonikus torzítást gyakran százalékban fejezik ki.

Bármilyen alakú jel nemlineáris torzítását a nemlinearitási együtthatóval becsüljük meg, amelyet a képlet számít ki

(a magasabb harmonikusok effektív értékének az összes harmonikus feszültségének effektív értékéhez, azaz a jelfeszültséghez viszonyított aránya).

A és képleteket a reláció kapcsolja össze

amiből az következik, hogy mindkét kifejezésre gyakorlatilag ugyanazt az eredményt adják.

Vannak más módszerek is a nemlinearitás értékelésére - kombinációs, statisztikai, amelyek jobban jellemzik a rádiótechnikai eszközök nemlineáris tulajdonságait, mint a jeltorzítást.

Rizs. 6-9. Harmonikus feszültségmérés szerkezeti diagramja

A nemlineáris jeltorzításokat a harmonikus módszerrel mérik, amelyet kétféleképpen - analitikusan és integráltan - valósítanak meg. Az analitikai módszer a képleten alapul, és az 1. ábra szerinti séma szerint hajtjuk végre. 6-9. A generátor harmonikus jele a mért objektum bemenetére kerül, amelynek kimenetén a spektrumanalizátor vagy harmonikus analizátor be van kapcsolva. Spektrumanalizátor segítségével megkapjuk a kimeneti jel spektrogramját, megmérjük a magasabb harmonikusok és az első harmonikus amplitúdóinak abszolút vagy relatív értékét, és a képlet segítségével kiszámítjuk a harmonikus együtthatót. Ha harmonikus analizátort használnak, akkor azt manuálisan hangolják minden következő harmonikusra, értékeiket rögzítik és ugyanazzal a képlettel számítják ki. Az analitikai módszer időigényes, és az egyes harmonikusok szerepének külön-külön történő meghatározására szolgál.

Az integrál módszer egy képletre épül, és lehetővé teszi, hogy értékelje az összes magasabb harmonikus hatását a jel alakjára anélkül, hogy külön meghatározná értéküket. Ehhez először mérje meg a jel négyzetes középértékét, majd a magasabb értékét

harmonikus, amely az első harmonikus feszültségének elnyomása után is megmarad. Az integrál módszert gyakran az első harmonikus (alapfrekvenciás) feszültségelnyomási módszernek nevezik.

A nemlineáris torzítási együttható mérése egy nemlineáris torzításmérő eszközzel történik (6-10. ábra). Az SU illesztőeszközt úgy tervezték, hogy kiegyensúlyozott vagy kiegyensúlyozatlan bemenetet biztosítson, és a tárgy kimeneti impedanciáját a mérő bemeneti impedanciájához igazítsa.

Rizs. 6-10. Nemlineáris torzításmérő: a - szerkezeti séma; b - bevágásos szűrőkör

A PRR üzemmód kapcsoló használatával a kalibrációs mód a teljes jel feszültségének mérésekor, a mérési mód a magasabb harmonikus feszültség mérésekor és a voltmérő mód bármely feszültség effektív értékének szokásos mérésére történik.

A csillapítót úgy tervezték, hogy beállítsa azt a feszültségszintet, amely biztosítja a készülék további alkatrészeinek normál működését. A bemeneti erősítő sávszélessége a vizsgált jel minimális frekvenciájától a felső frekvencia értékének -szorosáig terjed. Az erősítő frekvencia-, fázis- és amplitúdójellemzői ebben a sávban lineárisak. A bevágásos erősítőt úgy tervezték, hogy elnyomja az első harmonikus feszültségét az áramkörben található RC-szűrő (Wien-híd) segítségével. Visszacsatolás. Szűrő ábra. 6-10, b) az első harmonikus frekvenciájára van hangolva

Lépések, amelyek többszörösei 10-nek az ellenállások átkapcsolásával és simán - változó kapacitású C kondenzátorok kettős blokkjával. A bemetszett szűrő karakterisztika élesítése, amely szükséges a híd pontos kiegyensúlyozásához, az első harmonikus feszültség teljes elnyomásához és csökkentéséhez Az ellenállást vezérlő gombok a következőket jelzik: „ Kiegyensúlyozás: durva, finom. A voltmérő az UV-erősítő csillapítójából és egy optocsatoló típusú RMS átalakítóból áll, magnetoelektromos indikátorral. Az indikátor skála a feszültség mértékegységében, százalékában és a nemlinearitási együttható decibelében van kalibrálva.

A mérőeszköz bemenetén és kimenetén lévő hullámforma, valamint az első harmonikus szűrése utáni magasabb harmonikusok vizuális megfigyeléséhez az oszcilloszkóp bekapcsolásához bilincseket biztosítunk. Van egy kalibráló generátor a voltmérő ellenőrzéséhez.

Nemlineáris torzításmérők állnak rendelkezésre a vizsgált jel frekvenciatartományában 20 Hz-től maximumig terjedő sávszélességgel történő működésre, széles körben alkalmazzák bármilyen erősítő eszköz és modulációs utak minőségének szabályozására. A nemlinearitási együtthatót 0,1 és 100 V közötti bemeneti feszültségen mérik. A feszültségmérés határai voltmérő üzemmódban, 20 Hz-1 MHz frekvenciatartományban. A mérési hiba a rovátkolt szűrő beállításának pontosságától függ, amelyet úgy hajtanak végre, hogy a voltmérőt egymás után minimumra, azaz néhány magasabb harmonikus feszültségére közelítik. A hiba az

Egy jel nemlineáris torzításának mérése során egyidejűleg kiértékeli annak az eszköznek a nemlinearitását, amelyen a jel áthaladt. Ez a becslés azonban pontatlan, mivel egyetlen jel hatására és a frekvenciatartomány egy pontján készült. Valós munkakörülmények között a rádiótechnikai erősítő bemenete a legtöbb esetben véletlenszerű, széles spektrumú jeleket vagy sok különböző frekvenciájú determinisztikus jelet fogad. Ezért a nemlinearitású termékek a mért objektum teljes sávszélességében előfordulnak.

A statisztikai módszer lehetővé teszi a legteljesebb

az objektum nemlineáris tulajdonságainak jellemzésére olyan körülmények között, amelyek jól utánozzák a munkásokat. Jelforrásként alacsony frekvenciájú zajgenerátort használnak (6-11. ábra, a) a mért objektum működési frekvenciatartományában egyenletes spektrummal. bevágásszűrő átvitel (6-11. ábra, b). A mért objektum kimenetén ebben a sávban jönnek létre a kimenő jel komponensei, amelyek a nemlinearitás szorzatai.

Rizs. 6-11. Nemlineáris torzítások mérése statisztikai módszerrel: a - blokkdiagram; b - a jel spektrális sűrűsége a mért objektum bemenetén; be - ugyanez a kijáratnál

Ezen alkatrészek feszültségét frekvenciára hangolt szelektív voltmérővel mérik. Az objektum kimenetén a teljes jel feszültségét hagyományos szélessávú B effektív voltmérővel mérjük (6-11. ábra, c). a statisztikai módszerrel mért nemlinearitás értéke,

Különböző átlagos frekvenciájú bevágásszűrők segítségével mérhető és ábrázolható a nemlinearitás frekvenciától való függése az objektum teljes működési tartományában.

Nemlineáris torzítási tényező (THD)​

Irina Aldoshina

Minden elektroakusztikus jelátalakító (hangszóró, mikrofon, telefon stb.), valamint az átviteli csatorna saját torzítást visz be a továbbított hangjelbe, vagyis az észlelt hangjel mindig nem azonos az eredetivel. A hangberendezések létrehozásának ideológiája, amely a 60-as években a High-Fidelity nevet kapta, " nagy hűség az élő hangot, nagyrészt kihagyta a bélyegét. Azokban az években a hangjel torzítási szintje még nagyon magas volt a berendezésben, és úgy tűnt, elegendő csökkenteni őket - és a berendezésen keresztül reprodukált hang gyakorlatilag megkülönböztethetetlen lesz az eredetitől.

Mindazonáltal a tervezés és a technológia fejlődése ellenére, amelyek az audioberendezések mindenféle torzítási szintjének jelentős csökkenéséhez vezettek, még mindig nem nehéz megkülönböztetni a természetes hangot a reprodukálttól. Éppen ezért jelenleg a különböző országokban a kutatóintézetekben, egyetemeken és gyártócégekben nagy térfogatú folyamatban van az auditív észlelés és a különböző típusú torzulások szubjektív értékelésének tanulmányozása. E vizsgálatok eredményei alapján számos tudományos cikk és jelentés jelenik meg. Szinte az összes AES kongresszuson dolgoznak ebben a témában. Ebben a cikkben bemutatunk néhány modern eredményt, amelyet az elmúlt két-három év során az audiojelek szubjektív észlelésének és az audioberendezésekben előforduló nemlineáris torzítások értékelésének problémáiról szereztek.

Zenei és beszédjelek audioberendezéseken keresztül történő rögzítésekor, továbbításakor és reprodukálásakor a jel időbeli szerkezetének torzulásai következnek be, amelyeket lineárisra és nemlineárisra oszthatunk.

Lineáris torzítás megváltoztatja a bemeneti jel rendelkezésre álló spektrális komponensei közötti amplitúdó- és fázisviszonyokat, és ezáltal torzítja annak időbeli szerkezetét. Az ilyen torzításokat szubjektíven a jel hangszín torzulásaként érzékelik, ezért a hangtechnika fejlesztésének teljes időszakában nagy figyelmet fordítottak azok csökkentésének problémáira és a szakemberek szubjektív értékelésére.

Az audioberendezésekben a lineáris jeltorzítás hiányára vonatkozó követelmény a következő formában írható fel:

Y(t) = K x(t - T), ahol x(t) a bemeneti jel, y(t) a kimeneti jel.

Ez a feltétel csak a skála jelének K faktorral történő változását teszi lehetővé, és annak időbeni eltolódását T értékkel. lineáris kapcsolat a bemeneti és a kimeneti jelek között, és ahhoz a követelményhez vezet, hogy a H(ω) átviteli függvény, amely a rendszer kimeneti és bemeneti komplex amplitúdóinak frekvenciafüggő arányát jelenti harmonikus hatások mellett, abszolút értékben állandó legyen, és az argumentum (azaz fázis) lineáris függése a | H(ω) | \u003d K, φ (ω) \u003d -T ω. Mivel a függvény 20·lg | H(ω) | a rendszer amplitúdó-frekvencia karakterisztikája (AFC), φ(ω) pedig a fázis-frekvencia karakterisztikája (PFC), így a reprodukálható frekvenciatartományban állandó frekvenciamenetet biztosít (egyenetlenségeit csökkentve) a mikrofonokban, az akusztikus rendszerek stb. minőségének javításának fő követelménye. A mérési módszereket minden nemzetközi szabvány bevezeti, például az IEC268-5. Egy modern Marantz vezérlőegység 2 dB-es egyenetlenséggel rendelkező frekvenciamenetére az 1. ábra látható.

A Marantz referenciamonitor frekvenciaválasza

Megjegyzendő, hogy ez a frekvenciaátviteli csökkenés óriási előrelépést jelent az audiotervezésben (pl. az 1956-os brüsszeli kiállításon bemutatott referenciamonitorok 15 dB-es síkságúak voltak), amit az új technológiák, anyagok és dizájn alkalmazása tett lehetővé. mód.

Az egyenetlen frekvenciaválasz (és a PFC) hatását a hangszín szubjektíven észlelt torzítására kellő részletességgel tanulmányozták. A jövőben megpróbáljuk áttekinteni az elért főbb eredményeket.

Nemlineáris torzítás Jellemzője, hogy a jelspektrumban olyan új komponensek jelennek meg, amelyek hiányoznak az eredeti jelből, amelyek száma és amplitúdója a bemeneti szint változásától függ. A további komponensek megjelenése a spektrumban a kimeneti jel bemenettől való nemlineáris függésének, vagyis az átviteli függvény nemlinearitásának köszönhető. Ilyen függőségre mutatunk be példákat a 2. ábrán.

Különféle nemlineáris átviteli függvények a hardverben

A nemlinearitást az elektroakusztikus átalakítók tervezési és technológiai sajátosságai okozhatják.

Például az elektrodinamikus hangszórókban (3. ábra) a fő okok a következők:

Elektrodinamikus hangszóró felépítése

A felfüggesztés és a központosító alátét nemlineáris rugalmas jellemzői (a hangszóróban lévő felfüggesztések rugalmasságának a hangtekercs elmozdulásának értékétől való függésének példája a 4. ábrán látható);

A felfüggesztés rugalmassága a hangtekercs elmozdulásával szemben

A hangtekercs elmozdulásának nemlineáris függése az alkalmazott feszültség nagyságától a tekercsnek a mágneses térrel való kölcsönhatása és a hangszórókban zajló hőfolyamatok következtében;
- a membrán nemlineáris rezgései nagy hatóerővel;
- a test falainak rezgései;
- Doppler-effektus az akusztikai rendszer különböző emittereinek kölcsönhatásában.
A nemlineáris torzítások a hangút szinte minden elemében előfordulnak: mikrofonok, erősítők, crossoverek, effektprocesszorok stb.
A 2. ábrán látható kapcsolat a bemeneti és a kimeneti jelek között (például egy hangszórónál alkalmazott feszültség és hangnyomás között) polinomként közelíthető:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Ha egy ilyen nemlineáris rendszerre harmonikus jelet alkalmazunk, azaz x(t) = A sin ωt, akkor a kimeneti jel ω, 2ω, 3ω, ..., nω stb. frekvenciájú komponenseket tartalmaz. korlátozzuk magunkat csak egy másodfokú tagra, akkor megjelennek a második harmonikusok, mivel
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A² sin 2ωt + konst.
A valós konverterekben harmonikus jel alkalmazásakor másod-, harmad- és magasabb rendű felharmonikusok, valamint szubharmonikusok (1/n) ω (5. ábra) jelenhetnek meg.

Az ilyen típusú torzítás mérésére a legszélesebb körben használt módszerek a kimenőjelben lévő további harmonikusok szintjének mérése (általában csak a második és a harmadik).
A nemzetközi és hazai szabványoknak megfelelően visszhangmentes kamrában rögzítjük a második és harmadik felharmonikus frekvenciamenetét, és mérjük az n-rendű harmonikus torzítási együtthatót:
KГn = pfn / pср 100%
ahol pfn az n-harmonikus komponensnek megfelelő hangnyomás RMS értéke. Kiszámítja a teljes harmonikus torzítást:
Kg \u003d (KG2² + KG3² +KG4² +KG5² + ...) 1/2
Például az IEC 581-7 követelményei szerint a Hi-Fi hangszórók esetében a teljes harmonikus torzítási tényező nem haladhatja meg a 2%-ot a 250...1000 Hz frekvenciatartományban és az 1%-ot a 2000 Hz feletti tartományban. . Példa a THD-re egy 300 mm-es (12") mélysugárzóhoz a frekvencia függvényében különböző értékeket A 10 és 32 V között változó bemeneti feszültség a 6. ábrán látható.

THD versus frekvencia különböző bemeneti feszültségekhez

Meg kell jegyezni, hogy a hallórendszer rendkívül érzékeny az akusztikus átalakítók nemlineáris torzításaira. A harmonikus komponensek „észrevehetősége” sorrendjüktől függ, különösen a hallás a legérzékenyebb a páratlan összetevőkre. Ismételt hallgatással a nemlineáris torzítások észlelése súlyosbodik, különösen az egyes hangszerek hallgatásakor. A maximális hallásérzékenység frekvenciatartománya az ilyen típusú torzításokra 1...2 kHz-en belül van, ahol az érzékenységi küszöb 1...2%.
A nemlinearitás becslésére szolgáló ilyen módszer azonban nem teszi lehetővé minden típusú nemlineáris termék figyelembevételét, amely a valódi audiojel átalakítása során keletkezik. Emiatt előfordulhat olyan helyzet, amikor a 10%-os THD-vel rendelkező hangszórórendszert szubjektíven jobb hangminőségűnek ítélhetjük meg, mint egy 1%-os THD-vel rendelkező rendszert a magasabb harmonikusok hatása miatt.
Ezért a nemlineáris torzítások és azok szubjektív értékelésekkel való összefüggésének más módszereinek keresése folyamatosan folyik. Ez különösen fontos manapság, amikor a nemlineáris torzítások szintje jelentősen csökkent, és további csökkentése érdekében szükséges a hallhatóság valós küszöbeinek ismerete, hiszen a nemlineáris torzítások csökkentése a berendezésekben jelentős gazdasági költségeket igényel.
A harmonikus komponensek mérése mellett az elektroakusztikus berendezések tervezésének és értékelésének gyakorlatában az intermodulációs torzítások mérési módszereit alkalmazzák. A mérési technikát a GOST 16122-88 és az IEC 268-5 mutatja be, és két szinuszos jel továbbításán alapul az emitterhez f1 és f2 frekvenciákkal, ahol f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
A teljes intermodulációs torzítási tényezőt ebben az esetben a következőképpen határozzuk meg:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
ahol kim=/pcp.
Az intermodulációs torzítás oka a kimeneti és bemeneti jelek közötti nemlineáris kapcsolat, azaz a nemlineáris átviteli karakterisztika. Ha egy ilyen rendszer bemenetére két harmonikus jel kerül, akkor a kimeneti jel magasabb rendű harmonikusokat és különböző rendű összegkülönbség hangokat tartalmaz.
A kimenő jel formáját, figyelembe véve a magasabb rendű nemlinearitásokat, az 5. ábra mutatja.

Harmonikus torzítási termékek a hangszórókban

Az intermodulációs torzítási tényező jellemzőit a frekvencia függvényében különböző hosszúságú hangtekercsekkel rendelkező alacsony frekvenciájú hangszórók esetén a 7. ábra mutatja (a - hosszabb tekercs esetén, b - rövidebb tekercs esetén).

Intermodulációs torzítási tényező (IMD) a frekvencia függvényében egy hosszú (a) és rövid (b) tekercsű hangszóró esetén

Mint fentebb említettük, a nemzetközi szabványoknak megfelelően csak a másod- és harmadrendű intermodulációs torzítási együtthatókat mérik a berendezésben. Az intermodulációs torzításmérések informatívabbak lehetnek, mint a harmonikus mérések, mivel ezek a nemlinearitás érzékenyebb kritériumai. Azonban amint azt R. Gedds munkáiban végzett kísérletek (jelentés a 115. AES kongresszuson New Yorkban) mutatták, nem lehetett egyértelmű összefüggést megállapítani az akusztikus átalakítók minőségének szubjektív értékelése és az intermoduláció szintje között. torzítás - a kapott eredmények szórása túl nagy (amint az a 8. ábrán látható).

A szubjektív értékelések kapcsolata az intermodulációs torzítási együttható (IMD) értékével

Az elektroakusztikus berendezésekben előforduló nemlineáris torzítások felmérésének új kritériumaként egy többhangú módszert javasoltak, amelynek történetét és alkalmazási módjait részletesen tanulmányozták A. G. Voishvillo és munkatársai munkáiban (vannak cikkek a JAES ill. jelentések az AES kongresszusain). Ebben az esetben a bemeneti jel a 2-tól a 20-ig terjedő harmonikusok halmaza, tetszőleges amplitúdóeloszlással és logaritmikus frekvenciaeloszlással az 1-10 kHz tartományban. A harmonikus fáziseloszlás úgy van optimalizálva, hogy minimalizálja a többhangú jel csúcstényezőjét. Általános forma A bemeneti jelet és annak időbeli szerkezetét a 9a. és 9b. ábra mutatja.

Többhangú jel spektrális (a) és időbeli (b) képe

A kimeneti jelben minden rendű harmonikus és intermodulációs torzítás megkülönböztethető. A hangszóró ilyen torzítására egy példa látható a 10. ábrán.

A nemlineáris torzítás gyakori termékei többhangú jel alkalmazásakor

A többhangú jel szerkezetében sokkal közelebb áll a valódi zenei és beszédjelekhez, így sokkal többet választhat különféle termékek nemlineáris torzítás (elsősorban intermoduláció), és jobban korrelál az akusztikus rendszerek hangminőségének szubjektív értékelésével. A komponens harmonikusok számának növekedésével ez a módszer lehetővé teszi, hogy egyre részletesebb információkhoz jusson, ugyanakkor a számítási költségek megnövekednek. Ennek a módszernek az alkalmazása további kutatásokat igényel, különös tekintettel a nemlineáris torzítások kiválasztott termékeire a szubjektív értékelésük szempontjából kritériumok és elfogadható szabványok kidolgozására.
Más módszereket is használnak, mint például a Voltaire sorozatot az akusztikus átalakítók nemlineáris torzításának értékelésére.
Azonban ezek mindegyike nem ad egyértelmű összefüggést a jelátalakítók (mikrofonok, hangszórók, akusztikai rendszerek stb.) hangminőségének értékelése és a bennük lévő, ismert objektív módszerekkel mért nemlineáris torzítások mértéke között. . Ezért a legutóbbi AES kongresszuson R. Gedds jelentésében javasolt új pszichoakusztikus kritérium jelentős érdeklődésre tart számot. Abból a megfontolásból indult ki, hogy bármely paraméter értékelhető objektív mértékegységben, vagy lehet szubjektív ismérve, például a hőmérséklet mérhető fokban, vagy érzetekben: hideg, meleg, meleg. A hang hangereje megbecsülhető a hangnyomás szintjével dB-ben, vagy - szubjektív egységekben: háttér, alvás. Munkásságának célja a nemlineáris torzítások hasonló kritériumainak keresése volt.
A pszichoakusztikából ismeretes, hogy a hallókészülék alapvetően nemlineáris rendszer, nemlinearitása magas és alacsony jelszinten is megnyilvánul. A nemlinearitás oka a cochleában zajló hidrodinamikai folyamatok, valamint a külső szőrsejtek megnyúlásának speciális mechanizmusa miatti nemlineáris jeltömörítés. Ez szubjektív harmonikusok és kombinációs hangok megjelenéséhez vezet harmonikus vagy teljes harmonikus jelek hallgatásakor, amelyek szintje elérheti a bemeneti jelszint 15 ... 20%-át. Emiatt komoly problémát jelent az elektroakusztikus átalakítókban és átviteli csatornákban keletkező nemlineáris torzítások termékeinek észlelése egy olyan bonyolult nemlineáris rendszerben, mint a hallókészülék.
A hallórendszer másik alapvetően fontos tulajdonsága a maszkoló hatás, amely abból áll, hogy a hallásküszöböt egy másik jelre változtatják (maszkoló). A hallórendszer ezen tulajdonságát széles körben használják modern rendszerek tömörítés hangos információ amikor különféle csatornákon továbbítják (MPEG szabványok). A hallásmaszkolás tulajdonságait használó tömörítés révén továbbított információ mennyiségének csökkentésében elért előrelépések arra utalnak, hogy ezek a hatások a nemlineáris torzítások észlelése és értékelése szempontjából is nagy jelentőséggel bírnak.
A hallásmaszkolás megállapított törvényei lehetővé teszik, hogy kijelentsük, hogy:
- a nagyfrekvenciás komponensek (a jelmaszkoló frekvenciája felett helyezkednek el) maszkolása sokkal erősebb, mint az alacsony frekvenciák irányában;
- a maszkolás a legközelebbi frekvenciákon kifejezettebb (lokális hatás, 11. ábra);
- a maszkoló jel szintjének növekedésével a hatászónája kitágul, egyre aszimmetrikusabbá válik, és a magas frekvenciák felé tolódik el.

Ebből feltételezhetjük, hogy a következő szabályokat tartjuk be a hallórendszer nemlineáris torzításainak elemzésekor:
- az alapfrekvencia feletti nemlineáris torzítási termékek kevésbé fontosak az észlelés szempontjából (jobban maszkíroznak), mint az alacsony frekvenciájú komponensek;
- minél közelebb állnak az alaptónushoz a nemlineáris torzítás termékei, a inkább hogy láthatatlanná válnak, és nem lesz szubjektív jelentésük;
- a nemlinearitásból adódó további nemlineáris komponensek sokkal fontosabbak lehetnek az észleléshez alacsony jelszinteken, mint magasaknál. Ezt mutatja a 11. ábra.

Maszkoló hatások

Valójában a főjel szintjének emelkedésével a maszkolási zóna kitágul, és egyre több torzítási termék (harmonikusok, össz- és differenciatorzítások stb.) esik bele. Alacsony szinteken ez a zóna korlátozott, így a magas rendű torzítási termékek jobban hallhatók lesznek.
A nemlineáris termékek tiszta hangon történő mérésénél a jelátalakítók főként a fő jelnél nagyobb frekvenciájú harmonikusokat állítanak elő n f. A hangszórókban azonban (1/n)·f frekvenciájú alacsony harmonikusok is előfordulhatnak. Az intermodulációs torzítás mérésekor (mind két jel, mind többhangú jel használata esetén) teljes-különbség-torzítási szorzatok keletkeznek - az m f1 ± n f2 fő jelek felett és alatt egyaránt.
Az auditív maszkolás felsorolt ​​tulajdonságait figyelembe véve a következő következtetéseket vonhatjuk le: a magasabb rendű nemlineáris torzítások szorzatai jobban hallhatók, mint az alacsonyabb rendűek. Például a hangszóró tervezési gyakorlat azt mutatja, hogy az ötödiknél magasabb felharmonikusokat sokkal kellemetlenebbnek érzékelik, mint a másodikat és a harmadikat, még akkor is, ha szintjük jóval alacsonyabb, mint az első két harmonikusé. Megjelenésüket általában zörgőnek érzékelik, és a hangszórók elutasításához vezet a gyártás során. A fél- és az alatti frekvenciákon a szubharmonikusok megjelenését a hallórendszer is azonnal felhangként érzékeli, még nagyon alacsony szinteken is.
Ha a nemlinearitás sorrendje alacsony, akkor a bemeneti jelszint növekedésével további harmonikusok takarhatók el a hallórendszerben, és nem észlelhetők torzításként, amit az elektroakusztikus átalakítók tervezésének gyakorlata is megerősít. A 2%-os nemlineáris torzítási szinttel rendelkező hangszórórendszereket a hallgatók magasra értékelhetik. Ugyanakkor a jó erősítők torzítási szintjének 0,01% vagy annál kisebbnek kell lennie, ami nyilvánvalóan annak a ténynek köszönhető, hogy Akusztikus rendszerek alacsony rendű torzítási termékeket hoznak létre, az erősítők pedig sokkal magasabbakat.
Az alacsony jelszinteknél előforduló harmonikus torzítási termékek sokkal jobban hallhatók, mint a magas jelszinteken. Ennek a látszólag paradox kijelentésnek gyakorlati jelentősége is lehet, hiszen az elektroakusztikus jelátalakítókban és utakban nemlineáris torzítások is előfordulhatnak alacsony jelszinten.
A fenti megfontolások alapján R. Gedds új pszichoakusztikus kritériumot javasolt a nemlineáris torzítások értékelésére, amelynek a következő követelményeknek kellett megfelelnie: érzékenyebb legyen a magasabb rendű torzításokra, és fontosabb legyen az alacsony jelszinteknél.
A probléma annak bemutatása volt, hogy ez a kritérium jobban megfelel a nemlineáris torzítás szubjektív észlelésének, mint a jelenleg elfogadott értékelési módszerek: a harmonikus torzítási tényező és az intermodulációs torzítási tényező két- vagy többtónusú jeleken.
Ennek érdekében szubjektív vizsgálatsorozatot végeztek, a következőképpen: harmincnégy tesztelt hallásküszöbű (átlagéletkor 21 év) szakértő vett részt egy nagy kísérletsorozatban a zenei részek hangminőségének értékelésére (pl. férfi ének szimfonikus zenével), amely különféle nemlineáris torzításokat vezetett be. Ez a vizsgált jel "konvolúciójával" történt a jelátalakítókban rejlő nemlineáris átviteli függvényekkel különféle típusok(hangszórók, mikrofonok, sztereó telefonok stb.).
Kezdetben szinuszos jeleket használtak ingerként, ezek „konvolúcióját” különféle átviteli függvényekkel végezték, és meghatározták a harmonikus torzítási együtthatót. Ezután két szinuszos jelet használtunk, és kiszámítottuk az intermodulációs torzítási együtthatókat. Végül az újonnan javasolt Gm együtthatót közvetlenül az adott átviteli függvényekből határoztuk meg. Az eltérések igen jelentősnek bizonyultak: például ugyanazon átviteli függvénynél a THD 1%, Kim 2,1%, Gm 10,4%. Ez a különbség fizikailag megmagyarázható, mivel Kim és Gm sokkal több magasrendű nemlineáris torzítási terméket vesz figyelembe.
Auditív kísérleteket végeztünk sztereó telefonokon 20 Hz ... 16 kHz tartományban, érzékenység 108 dB, max. SPL 122 dB. A szubjektív pontszámot minden zeneműre hétfokozatú skálán adták meg, a referenciadarabnál "sokkal jobb"-tól (vagyis egy lineáris átviteli funkcióval "feltekert" zeneműtől) a "sokkal rosszabbig" terjedt. Statisztikai feldolgozás Az auditív értékelés eredményei lehetővé tették egy meglehetősen magas korrelációs együttható megállapítását a szubjektív értékelések átlagértékei és a Gm együttható értéke között, amely 0,68-nak bizonyult. Ugyanakkor a SOI esetében 0,42, Kim esetében pedig 0,34 (ebben a kísérletsorozatban).
Így a javasolt kritérium kapcsolata a hangminőség szubjektív értékelésével szignifikánsan magasabbnak bizonyult, mint más együtthatók esetében (12. ábra).

A Gm együttható és a szubjektív értékelés kapcsolata

A kísérleti eredmények azt is kimutatták, hogy az 1%-nál kisebb Gm-értékkel rendelkező elektroakusztikus átalakító hangminőség szempontjából elég kielégítőnek tekinthető abban az értelemben, hogy a nemlineáris torzítások gyakorlatilag nem hallhatók.
Természetesen ezek az eredmények még mindig nem elegendőek ahhoz, hogy a javasolt kritériumot helyettesítsük a szabványokban elérhető paraméterekkel, például a harmonikus torzítási együtthatóval és az intermodulációs torzítási együtthatóval, azonban ha az eredményeket további kísérletekben megerősítik, akkor talán pontosan ez a helyzet. mi fog történni.
A további új kritériumok keresése is aktívan folyik, hiszen az audioberendezések általános minőségének javulásával egyre nyilvánvalóbbá válik a meglévő paraméterek (különösen a harmonikus torzítási tényező, amely csak az első két harmonikust értékeli) és a szubjektív hangminőség közötti eltérés.
Úgy tűnik, a probléma megoldásának további módjai a teremtés irányába mutatnak számítógépes modellek hallórendszer, figyelembe véve a nemlineáris folyamatokat és a benne lévő maszkoló hatásokat. A németországi Kommunikációs Akusztikai Intézet ezen a területen dolgozik D. Blauert irányításával, amelyről az AES 114. kongresszusának szentelt cikkben már írtunk. Ezekkel a modellekkel lehetővé válik a különféle típusú nemlineáris torzítások hallhatóságának értékelése valós zenei és beszédjelekben. Mindazonáltal, amíg még nem készültek el, a berendezés nemlineáris torzításainak értékelése egyszerűsített módszerekkel történik, amelyek a lehető legközelebb állnak a valódi hallási folyamatokhoz.

Ha az erősítő bemenetére szinuszos feszültséget kapcsolunk, akkor a kimeneten a felerősített feszültség nem szinuszos, hanem összetettebb lesz. Egy sor egyszerű szinuszos oszcillációból áll - az alapvető és a magasabb harmonikusokból. Így az erősítő olyan extra harmonikusokat ad hozzá, amelyek nem voltak jelen az erősítő bemenetén.

2. ábra - Nemlineáris torzítások

A 2. ábra az Uin erősítő bemenetén lévő szinuszos feszültséget és az Uout kimeneten a torzult nem szinuszos feszültséget mutatja. Ebben az esetben az erősítő bevezeti a második harmonikust. Az Uout feszültség grafikonon a szaggatott vonal mutatja a hasznos első harmonikust (alaprezgés), amelynek frekvenciája megegyezik a bemeneti feszültséggel, és a káros második felharmonikus kétszeresével. Kimeneti feszültség ennek a két harmonikusnak az összege.
A felerősített rezgések alakjában jelentkező torzulások, pl. a felharmonikusok hozzáadását az alaphullámalakhoz nemlineáris torzításnak nevezzük. Abban nyilvánulnak meg, hogy a hang rekedtté, zörgővé válik. A nemlineáris torzítás értékeléséhez a kH nemlineáris torzítási együtthatót használjuk, amely megmutatja, hogy az erősítő által létrehozott összes szükségtelen harmonikus hány százaléka az alaprezgéshez viszonyítva 1
Ha kn kisebb, mint 5%, azaz ha az erősítő által hozzáadott harmonikusok összege nem haladja meg az első harmonikus 5%-át, akkor a fül nem veszi észre a torzítást. A 10%-ot meghaladó nemlineáris torzítási tényezővel a rekedtség és a zörgés már rontja a művészi közvetítések benyomását. 20% kH felett a torzítás elfogadhatatlan, és még a beszéd is érthetetlenné válik.
Nemlineáris torzítások akkor is előfordulnak, ha a beszéd és a zene átvitele során egy összetett alakú rezgések felerősödnek. Ebben az esetben a felerősített rezgések alakja is torzul, és extra harmonikusok jönnek létre. Az összetett rezgések maguk is harmonikusokból állnak, amelyeket az erősítőnek megfelelően kell reprodukálnia. Ezeket nem szabad összetéveszteni azokkal a további harmonikusokkal, amelyeket az erősítő maga hoz létre. A bemeneti feszültség harmonikusai hasznosak, mivel meghatározzák a hang hangszínét, az erősítő által bevitt harmonikusok pedig károsak. Nemlineáris torzításokat hoznak létre.
Az erősítők nemlineáris torzításának okai a következők: a lámpák és tranzisztorok jellemzőinek nemlinearitása, a vezérlőhálózat áramának jelenléte a lámpákban, valamint a transzformátorok vagy az alacsony frekvenciájú fojtótekercsek magjainak mágneses telítettsége. Hangszórókban, telefonokban, mikrofonokban, hangszedőkben is jelentős nemlineáris torzítások keletkeznek.
3. Más típusú torzítás. A reaktív ellenállások jelenléte az erősítőben fázistorzulások megjelenéséhez vezet. Az erősítő kimenetén a különböző rezgések közötti fáziseltolódások nem azonosak a bemeneten tapasztaltakkal. A hangok lejátszásakor ezek a torzítások nem játszanak szerepet, hiszen az emberi hallószervek nem érzik, de bizonyos esetekben, például a televízióban, káros hatással vannak.
Minden erősítő torzítást okoz dinamikus hatókör. Tömörítve van, vagyis az erősítő kimenetén a legerősebb és a leggyengébb rezgés aránya kisebb, mint a bemeneten. Ez tönkreteszi a természetes hangzást. Az ilyen torzítások csökkentése érdekében néha egy speciális eszközt vezetnek be a dinamikatartomány kiterjesztésére, amelyet bővítőnek neveznek. A dinamikatartomány-sűrítés az elektroakusztikus eszközökben is előfordul.

Az erősítők fő paraméterei

Bármelyik erősítő, amelyet orvosbiológiai jelek feldolgozására terveztek, ábrázolható aktív kvadripólusként (1.1. ábra). Az erősítő bemenetére egy EMF Eux és Ri belső ellenállású jelforrás csatlakozik. A bemeneti áramkörben Iin bemeneti áram folyik, melynek értéke az erősítő Rin bemeneti ellenállásától és a jelforrás belső ellenállásától függ. A jelforrás belső ellenállásán bekövetkező feszültségesés miatt a bemeneti feszültség, amelyet az erősítő ténylegesen felerősít, eltér a jelforrás EMF-jétől:

1.1 ábra - Egyenértékű áramkör erősítő

Az erősítő kimeneti árama az Rn terhelési áram. Ennek az áramnak az értéke a kimeneti feszültségtől függ, amely az erősítő kimeneti ellenállása miatt eltér a kUin üresjárati feszültségtől

Az erősítő tulajdonságainak értékeléséhez számos paramétert vezetünk be.
- Feszültség- és áramerősítés

Ezek az együtthatók azt mutatják meg, hogy a kimeneti feszültség és áram értékek hányszorosára változnak a bemeneti értékekhez képest. A teljesítménynövekedést a következőképpen találhatjuk meg

Bármely erősítőnél K P >>1 van, míg az áram- és feszültségnövekedés kisebb lehet, mint egység. Ha azonban egyidejűleg K I<1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Meg kell jegyezni, hogy a legtöbb erősítő áramkör reaktív elemeket (kapacitásokat és induktivitásokat) tartalmaz, ezért az erősítő erősítése általában összetett lesz.

Ahol a szög határozza meg a jel fáziseltolódásának mértékét, amikor a bemenetről a kimenetre halad.
Az erősítő amplitúdó-frekvencia karakterisztikája (AFC) határozza meg az erősítés függőségét az erősített jel frekvenciájától. Az 1.2. ábrán az erősítő frekvenciamenetének hozzávetőleges képe látható. A K 0 erősítéshez vegyük az együttható maximális értékét az úgynevezett "átlagos" frekvencián. A frekvenciamenet két jellemző pontja határozza meg az erősítő "sávszélességének" fogalmát. Azokat a frekvenciákat, amelyeknél az erősítés 3-szorosára (vagy 3 dB-lel) csökken, vágási frekvenciáknak nevezzük. ábrán. 1,2 f 1 az f H alsó vágási frekvencia, f 2 pedig az erősítés felső vágási frekvenciája (f B). Különbség:

F \u003d f B - f N

az erősítő sávszélessége, amely meghatározza az erősítő működési frekvenciatartományát.
Általában a frekvenciamenet azt mutatja meg, hogy a kimenő jel amplitúdója hogyan változik a bemeneti jel állandó amplitúdójával a frekvenciatartományban, miközben feltételezzük, hogy a hullámforma nem változik. A frekvencia változásával az erősítés változásának becsléséhez bevezetjük a frekvencia torzítás fogalmát

M H \u003d M B \u003d. A frekvencia torzítások lineárisnak minősülnek, azaz. amelyek megjelenése nem vezet az eredeti jel alakjának torzulásához.
Frekvenciamenet típusa szerint az erősítők több osztályba sorolhatók.
DC erősítők: f H \u003d 0 Hz, f B \u003d (103 3 - 108 8) Hz;
Hangfrekvenciás erősítők: f H \u003d 20 Hz, f B \u003d (15 - 20) 10 Hz;
Nagyfrekvenciás erősítők: f H \u003d 20 * 103 Hz, f B \u003d (200 - 300) 103 3 Hz.
Keskeny sávú (szelektív) erősítők. Utóbbiak sajátossága, hogy gyakorlatilag egy harmonikust erősítenek fel a teljes jelfrekvencia spektrumból, és a felső és alsó határfrekvenciák aránya:

1. ábra 2- Az erősítő frekvenciaválasza

Az erősítő amplitúdó-karakterisztikája a kimenő jel nagyságának változásának jellemzőit tükrözi a bemenet megváltozásakor. ábrából látható. 1.3 kimeneti feszültség nem egyenlő nullával (UOUT min), ha nincs bemeneti feszültség. Ennek oka az erősítő belső zaja, ami miatt az erősítő bemenetére alkalmazható bemeneti feszültség minimális értéke korlátozott, és meghatározza az érzékenységét:

A bemeneti feszültség jelentős növekedése (3. pont) oda vezet, hogy az amplitúdó karakterisztika nemlineárissá válik, és a kimeneti feszültség további növekedése megáll (5. pont). Ennek oka az erősítő fokozatainak telítettsége. A bemeneti feszültség elfogadható értékét tekintjük, amelynél a kimeneti feszültség nem haladja meg az UOUTmax értéket, amely az 1.3. ábrán látható módon az amplitúdókarakterisztika lineáris szakaszának határán helyezkedik el. Az amplitúdó karakterisztika határozza meg az erősítő dinamikatartományát:

Néha a kényelem kedvéért a dinamikatartományt decibelben számítják ki:

1. 3. ábra - Erősítő amplitúdó karakterisztika

Az erősítő harmonikus torzítási tényezője (harmonikus torzítása) határozza meg, hogy egy szinuszos hullámforma hullámalakja mennyire torzul az erősítés során. A jeltorzítások azt jelentik, hogy az alap(első) harmonikus mellett magasabb rendű harmonikusok is megjelennek a spektrumában. Ennek alapján a nemlineáris torzítási együttható a következőképpen határozható meg:

ahol U i az i>1 számú harmonikus feszültség. Könnyen belátható, hogy magasabb harmonikusok hiányában a kimeneti jelben K G = 0, azaz. a bemenetről a kimenetre szinuszos jel torzítás nélkül továbbítódik. A bemeneti és kimeneti impedancia meglehetősen kézzelfogható hatással van az erősítő teljesítményére. A változó vagy változó ellenállású jelek erősítésekor a következőképpen találkozhatunk:

Egyenáramnál ezek a paraméterek egyszerűsített képletekkel határozhatók meg

A bemeneti és kimeneti ellenállások meghatározásakor emlékezni kell arra, hogy bizonyos esetekben az áramkör reaktív elemei miatt összetettek lehetnek. Ebben az esetben a jel jelentős frekvenciatorzulása léphet fel, különösen a magas frekvencia tartományban. Sejt erősítése: sejtjel-erősítő gsm.

Tekintsük az erősítők fő jellemzőit.

Az amplitúdó karakterisztika a kimeneti feszültség (áram) amplitúdójának a bemeneti feszültség (áram) amplitúdójától való függése (9.2. ábra). Az 1. pont a Vin=0-nál mért zajfeszültségnek, a 2. pont annak a minimális bemeneti feszültségnek felel meg, amelynél a jel megkülönböztethető az erősítő kimenetén a zaj háttérében. A 2-3 szegmens az a működési tartomány, ahol az erősítő bemeneti és kimeneti feszültsége közötti arányosság megmarad. A 3. pont után a bemeneti jel nemlineáris torzulásait figyeljük meg. A nemlineáris torzítás mértékét a nemlineáris együtthatóval becsüljük meg

torzítás (vagy harmonikus):

,

ahol U1m, U2m, U3m, Unm a kimeneti feszültség 1. (alapvető), 2., 3. és n-edik harmonikusának amplitúdója.

Érték az erősítő dinamikatartományát jellemzi.

Rizs. 9.2. Erősítő amplitúdó válasza

Az erősítő amplitúdó-frekvencia karakterisztikája (AFC) az erősítési modulus frekvenciától való függése (9.3. ábra). Az fн és fв frekvenciákat alsó és felső határfrekvenciáknak, illetve ezek különbségének nevezzük

(fн–fв) – erősítő sávszélessége.

Rizs. 9.3. Erősítő frekvencia válasza

Megfelelően kis amplitúdójú harmonikus jel erősítésekor az erősített jel alakjának torzulása nem következik be. Több felharmonikust tartalmazó komplex bemeneti jel erősítésekor ezeket a harmonikusokat nem egyformán erősíti az erősítő, mivel az áramkör reaktanciái eltérően függnek a frekvenciától, és ennek eredményeként az erősített jel torzulásához vezet.

Az ilyen torzításokat frekvencia torzításnak nevezzük, és a frekvencia torzítási tényezővel jellemezzük:

Ahol Kf az erősítési modulus egy adott frekvencián.

Frekvencia torzítási együtthatók

És ezeket az alsó és felső határfrekvenciák torzítási együtthatóinak nevezik.

A frekvenciaválasz logaritmikus skálán is ábrázolható. Ebben az esetben LACHH-nak hívják (9.4. ábra), az erősítő erősítését decibelben fejezzük ki, és a frekvenciákat az abszcissza tengelye mentén egy évtizedben ábrázoljuk (10f és f közötti frekvenciaintervallum).

Rizs. 9.4. Logaritmikus frekvencia válasz

erősítő (LACH)

Általában az f=10n-nek megfelelő frekvenciákat választják referenciapontnak. A LAFC görbék mindegyik frekvenciatartományban bizonyos meredekséggel rendelkeznek. Decibelben mérik évtizedenként.

Az erősítő fázis-frekvencia karakterisztikája (PFC) a bemeneti és kimeneti feszültségek közötti fázisszög frekvenciától való függése. ábra egy tipikus fázisreakciót mutat be. 9.5. Ez logaritmikus skálán is ábrázolható.

A középfrekvenciás tartományban a további fázistorzulások minimálisak. A PFC lehetővé teszi az erősítőkben előforduló fázistorzulások kiértékelését ugyanazon okokból, mint a frekvenciaváltóknál.

Rizs. 9.5. Az erősítő fázis-frekvencia-válasza (PFC).

ábrán látható egy példa a fázistorzulások előfordulására. 9.6, amely egy két harmonikusból (szaggatott vonalból) álló bemeneti jel erősítését mutatja, amelyek az erősítés során fáziseltolódáson mennek keresztül.

Rizs. 9.6. Fázistorzulás az erősítőben

Az erősítő tranziens válasza a kimenő jel (áram, feszültség) időfüggősége hirtelen bemenettel (9.7. ábra). Az erősítő frekvencia-, fázis- és tranziens karakterisztikája egyedülállóan összefügg egymással.

Rizs. 9.7. Erősítő lépésválasz

A nagyfrekvenciás tartomány a rövid idők tartományában lévő tranziens válasznak, az alacsony frekvenciák tartománya a hosszú idők tartományában lévő tranziens válasznak felel meg.

Az erősített jelek természetétől függően a következők vannak:

o Folyamatos jelerősítők. Itt az alapítási folyamatokat figyelmen kívül hagyják. A fő jellemző a frekvenciaátvitel.

o Impulzusjelek erősítői. A bemeneti jel olyan gyorsan változik, hogy az erősítő tranziensei döntőek a kimeneti hullámforma megtalálásában. A fő jellemző az erősítő impulzusátviteli jellemzője.

Az erősítő célja szerint a következőkre oszthatók:

o feszültségerősítők,

o áramerősítők,

o teljesítményerősítők.

Mindegyik felerősíti a bemeneti jel teljesítményét. Azonban maguknak a teljesítményerősítőknek kell és képesek is nagy hatásfokkal leadni a terhelésre a megadott teljesítményt.

1. Fordítson programrészleteket mnemokódokban és gépi kódokban a következő műveletekhez:

BAN BEN A hangvisszaadás egész története abból a kísérletből fejlődött ki, hogy az illúziót közelebb hozzuk az eredetihez. És bár az utat bejárták, még mindig nagyon-nagyon messze van attól, hogy teljesen megközelítse az élő hangot. Számos paraméterben lehet különbséget mérni, de jó néhány kimarad a hardverfejlesztők látóköréből. Az egyik fő jellemző, amelyre a fogyasztó bármilyen készítmény esetén mindig odafigyel nemlineáris torzítási tényező (THD) .

És mi ennek az együtthatónak az értéke, amely meglehetősen objektíven jelzi az eszköz minőségét? A türelmetlen ember a végén azonnal kísérletet találhat erre a kérdésre. A többinél folytassuk.
Ez az együttható, amelyet a teljes harmonikus torzítás együtthatójának is neveznek, az eszköz (erősítő, magnó stb.) kimenetén lévő harmonikus komponensek effektív amplitúdójának százalékos aránya az alapfrekvenciás jel effektív amplitúdójához. amikor ilyen frekvenciájú szinuszos jel kerül a készülék bemenetére. Így lehetővé teszi az átviteli karakterisztika nemlinearitásának számszerűsítését, amely a bemeneti jelből hiányzó spektrális komponensek (harmonikusok) megjelenésében nyilvánul meg a kimeneti jelben. Más szóval, minőségi változás áll be a zenei jel spektrumában.

A hallható hangjelben jelenlévő objektív harmonikus torzítások mellett felmerül a valódi hangban hiányzó, de a fülcsigában nagy hangnyomásértékek mellett fellépő szubjektív harmonikusok miatti torzítások problémája. Az emberi hallókészülék nemlineáris rendszer. A hallás nemlinearitása abban nyilvánul meg, hogy ha f frekvenciájú szinuszos hang kerül a dobhártyára, ennek a hangnak a 2f, 3f stb. frekvenciájú harmonikusai keletkeznek a hallókészülékben. Mivel ezek a harmonikusok nem léteznek az elsődleges hatáshangban, szubjektív harmonikusoknak nevezzük őket.

Természetesen ez tovább bonyolítja a hangútban a harmonikusok maximális megengedett szintjének elképzelését. Az elsődleges hang intenzitásának növekedésével a szubjektív harmonikusok nagysága meredeken növekszik, és akár meg is haladhatja az alaphang intenzitását. Ez a körülmény alapot ad arra a feltételezésre, hogy a 100 Hz-nél kisebb frekvenciájú hangokat nem önmagukban, hanem az általuk létrehozott szubjektív harmonikusok miatt érezzük, a 100 Hz feletti frekvenciatartományba esve, azaz. a nem lineáris hallás miatt. Az ebből eredő hardveres torzulások fizikai okai a különböző eszközökben eltérő természetűek, és mindegyiknek nem azonos a hozzájárulása a teljes útvonal torzulásához.

A modern CD-lejátszók torzításai nagyon alacsonyak, és szinte észrevehetetlenek más egységek torzításaival szemben. Az akusztikus rendszerek esetében a legjelentősebbek a mélyhangfej okozta kisfrekvenciás torzítások, és a szabvány csak a második és harmadik felharmonikusra ír elő követelményeket a 250 Hz-ig terjedő frekvenciatartományban. Egy nagyon jó hangzású hangszórórendszerhez pedig 1%-on belül, vagy még egy kicsit több is lehetnek. Az analóg magnóknál a mágnesszalagra történő rögzítés fizikai alapjával kapcsolatos fő probléma a harmadik harmonikus, amelynek értékeit általában az információs utasításokban adják meg. De a maximális érték, amelyen például zajszintmérés mindig történik, 3% 333 Hz-es frekvencia esetén. A magnók elektronikus részének torzítása jóval kisebb.
Mind az akusztika, mind az analóg magnók esetében, mivel a torzítások főként alacsony frekvenciájúak, szubjektív láthatóságuk jelentősen csökken a maszkoló hatás miatt (ami abból áll, hogy a magasabb frekvencia jobban hallható egyszerre kettőről hangjelzések).

Tehát a torzítás fő forrása az útjában a teljesítményerősítő lesz, amelyben viszont a fő az aktív elemek átviteli jellemzőinek nemlinearitása: a tranzisztorok és a vákuumcsövek, a transzformátorerősítőkben pedig a nem-linearitás. A transzformátor lineáris torzítása is hozzáadódik, a mágnesezési görbe nemlinearitása miatt. Nyilvánvaló, hogy a torzítás egyrészt függ az átviteli karakterisztika nemlinearitásának alakjától, de a bemenő jel jellegétől is.

Például egy lágy vágású erősítő átviteli válasza nagy amplitúdónál nem okoz torzítást a szinuszos jeleknél a vágási szint alatt, és ahogy a jel e szint fölé emelkedik, torzítások jelennek meg és növekedni fognak. Ez a korlátozás főként a csöves erősítőkben rejlik, ami bizonyos mértékig az egyik oka lehet annak, hogy a hallgatók az ilyen erősítőket preferálják. Ezt a funkciót pedig a NAD használta a 80-as évek eleje óta gyártott szenzációs "soft-limit" erősítők sorozatában: a mód szimulált csőlevágással történő bekapcsolása a NAD tranzisztoros erősítők rajongóinak nagy seregét hozta létre.
Ezzel szemben a tranzisztoros modelleknél megszokott erősítőre jellemző középrevágás (notch) torzítja a zenei és kis szinuszos jeleket, és a jelszint növekedésével csökken. A torzítás tehát nem csak az átviteli karakterisztika alakjától függ, hanem a bemeneti jelszintek statisztikai eloszlásától is, amely zenei programok esetében közel áll a zajjelhez. Ezért a SOI szinuszos jellel történő mérése mellett lehetőség van az erősítő eszközök nemlineáris torzításainak mérésére három szinuszos vagy zajjel összegével, amelyek az előzőek fényében objektívebb képet adnak a torzításról.

Az elemzés elvégzéséhez a következőkre van szükség:

1. Változtassa meg a bemeneti jelforrás AC feszültségét impulzusfeszültségre, és állítsa be az ábrán látható paramétereket.

2. Magában az elemzésben a következőket kell megállapítani:

Rizs. tizenegy

A kapott grafikon elemzése után megbecsüljük az impulzustorzítást:

1) Az elülső túlfeszültség f ~ 1 V, nem haladja meg az U nom 4%-át, és jól jelzi ennek az erősítőnek a minőségét.

2) A kimeneti feszültség elfordulási sebessége U~ 2 V/µs és emelkedési idő

t Ф ~ 10 μs, ami együtt jól mutatja a kimeneti jel növekedésének minőségét ebben az erősítőben.

3) Az erősítő jó tulajdonságokkal rendelkezik az impulzus hátsó élére vonatkozóan is, amelyek hasonlóak az elülső él jellemzőihez.

Harmonikus együttható

A nemlineáris torzításokat az okozza, hogy a jel nemlineáris jellemzőkkel rendelkező elemeken, például tranzisztoron keresztül halad át, aminek következtében a hullámforma torzul, és spektrális összetétele megváltozik. Mivel az erősítő nemlineáris torzításokat vezet be, a kimenetén új komponensek (harmonikusok) jelennek meg, amelyek hiányoznak a bemeneten, ami a hangszín torzulását okozza. A nemlineáris torzítás mennyiségi értékelése a Kg harmonikus együttható:

ahol R g -- a harmonikusok összteljesítménye; P 1 -- a hasznos jel teljesítménye.

Az összes harmonikus közül a második és a harmadik a legintenzívebb. A többi jóval kisebb teljesítményű, és csekély hatással van a kimeneti jel alakjára.

A többfokozatú erősítő harmonikus torzítása általában közel van az egyes fokozatok harmonikus torzításainak összegéhez. Ezért, ha a nemlineáris torzítások az előzetes szakaszokban arányosak a végső szakasz torzításaival, akkor a hangvisszaadási út teljes harmonikus együtthatója a következő képlettel becsülhető meg:

A Kg együttható azonban hiányos képet ad az erősítő nemlineáris torzulásairól, mivel nem veszi figyelembe a komplex oszcilláció egyes összetevői közötti interferenciából eredő kombinációs frekvenciajeleket. A legszembetűnőbb nemlineáris torzítás a kombinált frekvenciák miatt, amelyek akkor fordulnak elő, amikor két vagy több szinuszos jelet táplálnak az erősítőbe. Különösen szembetűnőek az f1--f2, f1--2f2, 2f1--f2 formájú kombinációs frekvenciák, mivel általában még egy komplex bemeneti jel spektrumában sem szerepelnek.

A kiváló minőségű erősítők esetében gyakran bevezetnek egy másik mutatót, amely jellemzi a nemlinearitásukat - az intermodulációs torzítási együtthatót Kim.i. A Kim.i mérésekor két frekvenciájú harmonikus rezgést táplálnak az erősítő bemenetére: f1 \u003d 50 ... 100 Hz és f 2 \u003d 5 ... 10 kHz Uin (f1) / Uin amplitúdóaránnyal. (f2) \u003d 4/1- A Kim.i együttható egyenlő az f 2 --f 1 frekvenciakülönbség kimeneti feszültségének amplitúdója és az f 1 frekvencia kimeneti feszültségének amplitúdója:

Rizs. 12.

Érvényes érték Kim.i<0,1 ... 1%.

A nemlineáris torzítás jelentősen függ a bemenetre alkalmazott jel amplitúdójától. ábrán. A 12. ábra a Km együtthatónak az erősítő kimeneti teljesítményétől való függésének természetét mutatja. Ez a görbe a fő jellemzője a nemlineáris torzítás értékelésének. Arra is szolgál, hogy meghatározzuk az erősítő maximális hasznos teljesítményét adott kg-hoz.

A harmonikus együttható általában nagy bemeneti jelszinthez van beállítva. A tranzisztoros teljesítményerősítőkre jellemző a nemlineáris torzítás növekedése nagyon alacsony bemeneti jelszinteknél, amit a "lépés" vagy "központi levágás" torzítások okoznak. Ezért az erősítő minőségének teljes körű értékeléséhez célszerű a Kg-t alacsony bemeneti jelszinten is szabályozni.

Alapvetően a nemlineáris torzítások a terminális és a terminál előtti szakaszban fordulnak elő. A végső erősítőknél a bevezetett nemlineáris torzítások eltérőek a különböző frekvenciákon. Az áteresztősáv vágási frekvenciáinak tartományában növekednek (a bemeneti jel állandó amplitúdója mellett). Ez a terminális tranzisztorok terhelési ellenállásának reaktív természetéből és az ezzel összefüggő dinamikus válasz alakjának változásából adódik az áteresztősáv szélsőséges frekvenciáin.

A megengedett nemlineáris torzítás az erősítő rendeltetésétől függ. Tehát a műsorszóró és a háztartási hangvisszaadó berendezésekben használt AF-erősítőkben a GOST 11157--74 szerinti harmonikus együtthatónak 1 ... 2% -nak kell lennie. Kiváló minőségű professzionális berendezésekben K g<0,05%.

Az elmúlt években a kiváló minőségű hangvisszaadó berendezések paraméterei drámaian javultak. Különösen szembetűnő a nemlineáris torzítások csökkenésének tendenciája. Megjelentek az AF erősítők, amelyekben az együttható Kg<0,0005%. Достижение чрезвычайно малых нелинейных искажений связано с применением большого количества транзисторов с высоким коэффициентом усиления и установлением глубокой ООС. Последнее обстоятельство приводит к ухудшению динамических (скоростных) характеристик, заключающемуся в том, что резкий скачок напряжения на выходе запаздывает по отношению к вызывающему его скачку на входе. Это приводит к "жесткому", "транзисторному" звучанию, исчезает мягкость, бархатистость звука при субъективном восприятии музыкальной программы.

A harmonikus együttható láthatóságának problémája 1 ... 0,0005% tartományban nem rendelkezik egyértelmű értelmezéssel. Csak azzal lehet vitatkozni, hogy ha kis nemlineáris torzításokat kapunk, és ezeket az erősítő egyéb paramétereinek romlása miatt nem érjük el, akkor ez az erősítési út tökéletességét jelzi.

Meg kell azonban jegyezni, hogy az ultra-alacsony nemlineáris torzítású erősítők tesztelése nagyon magas követelményeket támaszt a tesztjelforrás nemlineáris torzításával szemben. A GZ-102 típusú legjobb hazai hanggenerátorok legalább 0,05%-os Kg-ot adnak, azaz ugyanolyan nagyságrendűek, mint maga az erősítő által bevezetett nemlineáris torzítások. Az S6-5 nemlineáris torzításmérők felbontása is 0,02 és 0,03% között mozog. Ezért az ultra-kis nemlineáris torzítások pontos mérése nagyon nehéz.

Az ultralineáris erősítők teszteléséhez precíziós hanggenerátorokat és spektrumanalizátorokat kell használni. A kompenzációs módszer jó eredményeket ad az ultra-kis nemlineáris torzítások értékelésében.