Modificarea formei unui semnal armonic rezultată din trecerea acestuia printr-un dispozitiv care conține elemente neliniare se numește distorsiune neliniară. Distorsionat semnal nearmonic conţine în spectrul său o componentă constantă, prima armonică (frecvenţa fundamentală şi armonicile superioare cu frecvenţe). la valoarea efectivă a tensiunii primei armonice:

Distorsiunea armonică este adesea exprimată ca procent.

Distorsiunile neliniare ale unui semnal de orice formă sunt evaluate prin coeficientul de neliniaritate, care este calculat prin formula

(raportul dintre valoarea medie pătratică a armonicilor superioare și valoarea medie pătratică a tensiunii tuturor armonicilor, adică la tensiunea semnalului).

Formulele și sunt legate prin relație

din care rezultă că ambele expresii dau rezultate aproape identice.

Există și alte metode de evaluare a neliniarității - combinaționale, statistice, care caracterizează proprietățile neliniare ale dispozitivelor radio mai mult decât distorsiunea semnalului.

Orez. 6-9. Schema bloc a măsurării tensiunii armonice

Distorsiunile neliniare ale semnalului sunt măsurate folosind metoda armonică, care este implementată în două moduri - analitic și integral. Metoda analitică se bazează pe formula și se efectuează conform schemei din Fig. 6-9. Semnalul armonic al generatorului este alimentat la intrarea obiectului măsurat, la ieșirea căruia este pornit un analizor de spectru sau un analizor de armonice. Folosind un analizor de spectru, se obține o spectrogramă a semnalului de ieșire, se măsoară valorile absolute sau relative ale amplitudinilor armonicilor superioare și ale primei armonice, iar coeficientul armonic este calculat folosind formula. Dacă se utilizează un analizor de armonici, acesta este ajustat manual la fiecare armonică ulterioară, valorile acestora sunt înregistrate și calculate folosind aceeași formulă. Metoda analitică necesită multă muncă și este folosită pentru a clarifica rolul fiecărei armonice separat.

Metoda integrală se bazează pe o formulă și vă permite să evaluați influența tuturor armonicilor superioare asupra formei semnalului fără a determina valorile lor separat. Pentru a face acest lucru, măsurați mai întâi valoarea rădăcină pătrată medie a semnalului și apoi valoarea celei mai mari

armonică, care va rămâne după suprimarea primei tensiuni armonice. Metoda integrală este adesea numită metoda de suprimare a tensiunii prima armonică (frecvență fundamentală).

Măsurarea coeficientului de distorsiune neliniară se realizează folosind un dispozitiv - un contor de distorsiune neliniară (Fig. 6-10). Dispozitivul de potrivire SU este proiectat pentru a furniza o intrare simetrică sau asimetrică și pentru a potrivi impedanța de ieșire a obiectului cu impedanța de intrare a contorului.

Orez. 6-10. Contor de distorsiune neliniară: a - schema bloc; b - circuit filtru crestătură

Folosind comutatorul modului de funcționare PRR, se efectuează un mod de calibrare atunci când se măsoară tensiunea întregului semnal, un mod de măsurare când se măsoară tensiunea armonicilor superioare și un mod voltmetru pentru măsurarea obișnuită a valorii pătrate medii a rădăcinii. orice tensiune.

Atenuatorul este proiectat pentru a seta nivelul de tensiune pentru a asigura funcționarea normală a componentelor ulterioare ale dispozitivului. Amplificatorul de intrare trebuie să aibă o lățime de bandă de la frecvența minimă a semnalului studiat la un multiplu al frecvenței sale superioare. Frecvență, fază și caracteristicile de amplitudine amplificatoarele din această bandă sunt liniare. Amplificatorul de crestătură este proiectat pentru a suprima prima tensiune armonică folosind un filtru de blocare RC (punte Wien) conectat la circuit feedback. Filtru fig. 6-10, b) acordat la frecvența primei armonice

În trepte divizibile cu 10, prin comutarea rezistențelor și fără probleme folosind un bloc dublu de condensatori variabili C. Se realizează ascuțirea caracteristicilor filtrului cu crestătură, necesară pentru echilibrarea precisă a punții, suprimarea completă a primei tensiuni armonice și reducerea erorii de măsurare. prin efectuarea egalității Butoanele de control ale rezistenței sunt marcate: „Echilibrare: dur, fin.” Voltmetrul constă dintr-un atenuator cu amplificator UV și un convertor rms de tip optocupler cu un indicator magnetoelectric. Scara indicatorului este calibrată în unități de tensiune, procente și decibeli ai coeficientului de neliniaritate.

Pentru observarea vizuală a formei semnalului la intrarea și la ieșirea dispozitivului măsurat și a armonicilor superioare după filtrarea primei armonice, sunt prevăzute cleme pentru pornirea osciloscopului. Există un generator de calibrare pentru verificarea voltmetrului.

Contoarele de distorsiune neliniare sunt disponibile pentru a funcționa în intervalul de frecvență al semnalului studiat de la 20 Hz până la o lățime de bandă de până la. Coeficientul de neliniaritate este măsurat în intervalul de tensiuni de intrare de la 0,1 la 100 V. Limitele de măsurare a tensiunii atunci când funcționează în modul voltmetru sunt în domeniul de frecvență 20 Hz - 1 MHz. Eroarea de măsurare depinde de precizia ajustării filtrului de crestătură, care se realizează prin apropierea succesivă a citirii voltmetrului la minim, adică la tensiunea unor armonici superioare. Eroarea este

La măsurarea distorsiunilor neliniare ale semnalului, se evaluează simultan neliniaritatea dispozitivului prin care a trecut semnalul. Cu toate acestea, această evaluare este inexactă, deoarece se face sub influența unui singur semnal și într-un punct din gama de frecvență. În condiții reale de funcționare, intrarea unui amplificator radio în majoritatea cazurilor primește semnale aleatorii cu un spectru larg sau multe semnale deterministe de diferite frecvențe. Prin urmare, produsele de neliniaritate apar pe întreaga bandă de trecere a obiectului măsurat.

Metoda statistică permite cea mai completă

caracterizează proprietățile neliniare ale unui obiect în condiții care simulează bine condițiile de funcționare. Un generator de zgomot de joasă frecvență (Fig. 6-11, a) cu un spectru uniform în domeniul de frecvență de funcționare al obiectului măsurat este utilizat ca sursă de semnal Tensiunea de zgomot este aplicată unui filtru de crestătură, cu ajutorul căruia o bandă îngustă de componente ale semnalului situate în jurul frecvenței medii a benzii este tăiată din transmisia spectrului de semnal de intrare a filtrului notch (Fig. 6-11, b). La ieșirea obiectului măsurat, în această bandă se formează componente ale semnalului de ieșire, care sunt produse ale neliniarității.

Orez. 6-11. Măsurarea distorsiunilor neliniare folosind o metodă statistică: a - diagramă bloc; b - densitatea spectrală a semnalului la intrarea obiectului măsurat; in - la fel la iesire

Tensiunea acestor componente este măsurată cu un voltmetru selectiv reglat la frecvență. Tensiunea semnalului total la ieșirea obiectului este măsurată cu un voltmetru convențional de bandă largă V rms (Fig. 6-11, c). Valoarea neliniarității măsurată prin metoda statistică este

Folosind un set de filtre notch cu frecvențe medii diferite, este posibil să se măsoare și să se grafice dependența neliniarității de frecvență pe întregul domeniu de operare al obiectului.

Distorsiunea armonică totală (THD)​

Irina Aldoshina

Toate traductoarele electroacustice (difuzoare, microfoane, telefoane etc.), precum și canalele de transmisie, își introduc distorsiunile în semnalul sonor transmis, adică semnalul sonor perceput nu este întotdeauna identic cu originalul. Ideologia creării de echipamente de sunet, numită High-Fidelity în anii 60, „ înaltă fidelitate„Sunet live, în mare măsură nu și-a îndeplinit scopul. În acei ani, nivelurile de distorsiune a semnalului audio în echipamente erau încă foarte mari și părea că era suficient pentru a le reduce - iar sunetul reprodus prin echipament ar fi practic imposibil de distins de cel original.

Cu toate acestea, în ciuda progreselor în proiectarea și dezvoltarea tehnologiei, care au condus la o reducere semnificativă a nivelurilor tuturor tipurilor de distorsiuni în echipamentele audio, nu este încă deosebit de dificil să distingem sunetul natural de sunetul reprodus. De aceea, în prezent în diverse țări în institute de cercetare, universități și companii de producție în volum mare Se lucrează pentru a studia percepția auditivă și evaluarea subiectivă a diferitelor tipuri de distorsiuni. Pe baza rezultatelor acestor studii, sunt publicate multe articole și rapoarte științifice. Aproape toate congresele AES prezintă lucrări pe această temă. Unele rezultate moderne obținute în ultimii doi până la trei ani cu privire la problemele percepției subiective și evaluării distorsiunilor neliniare ale semnalului audio în echipamentele audio vor fi prezentate în acest articol.

La înregistrarea, transmiterea și redarea semnalelor de muzică și vorbire prin echipamente audio, apar distorsiuni în structura temporală a semnalului, care pot fi împărțite în liniare și neliniare.

Distorsiune liniară modificarea relațiilor de amplitudine și fază dintre componentele spectrale existente ale semnalului de intrare și, din această cauză, distorsionează structura temporală a acestuia. Acest tip de distorsiune este percepută subiectiv ca o distorsiune a timbrului semnalului și, prin urmare, problemelor reducerii lor și evaluărilor subiective ale nivelului lor au fost acordate multă atenție de către specialiști de-a lungul întregii perioade de dezvoltare a ingineriei audio.

Cerința pentru absența distorsiunii semnalului liniar în echipamentele audio poate fi scrisă sub forma:

Y(t) = K x(t - T), unde x(t) este semnalul de intrare, y(t) este semnalul de ieșire.

Această condiție permite doar o modificare a semnalului pe o scară cu un coeficient K și deplasarea lui în timp cu valoarea T. Ea determină conexiune liniarăîntre semnalele de intrare și de ieșire și conduce la cerința ca funcția de transfer H(ω), care este înțeleasă ca raportul dependent de frecvență al amplitudinilor complexe ale semnalului la ieșire și la intrarea sistemului sub influențe armonice, să fie constantă ca mărime și să aibă o dependență liniară a argumentului (adică faza) față de frecvența | H(ω) | = K, φ(ω) = -T·ω. Deoarece funcția 20·lg | H(ω) | se numește răspunsul amplitudine-frecvență al sistemului (AFC), iar φ(ω) este răspunsul fază-frecvență (PFC), asigurând apoi un nivel constant de AFC în intervalul de frecvență reprodus (reducerea neuniformității acestuia) în microfoane, acustice. sisteme etc. este principala cerinţă pentru îmbunătăţirea calităţii acestora. Metodele lor de măsurare sunt incluse în toate standardele internaționale, de exemplu, IEC268-5. Un exemplu de răspuns în frecvență al unei unități de control moderne de la Marantz cu o denivelare de 2 dB este prezentat în Figura 1.

Răspunsul în frecvență al monitorului de control Marantz

Trebuie remarcat faptul că o astfel de reducere a mărimii neuniformității răspunsului în frecvență este o realizare uriașă în proiectarea echipamentelor audio (de exemplu, monitoarele de control prezentate la expoziția de la Bruxelles în 1956 au avut o denivelare de 15 dB), ceea ce a devenit posibil. ca urmare a utilizării noilor tehnologii, materiale și metode de proiectare.

Influența răspunsului de frecvență neuniform (și a răspunsului de fază) asupra distorsiunii percepute subiectiv a timbrului sunetului a fost studiată suficient de detaliat. Vom încerca să trecem în revistă principalele rezultate obținute în viitor.

Distorsiune neliniară sunt caracterizate prin apariția în spectrul semnalului de noi componente care sunt absente în semnalul original, numărul și amplitudinile cărora depind de modificările nivelului de intrare. Apariția unor componente suplimentare în spectru se datorează dependenței neliniare a semnalului de ieșire de intrare, adică neliniarității funcției de transfer. Exemple de astfel de dependență sunt prezentate în Figura 2.

Diferite tipuri de funcții de transfer neliniar în hardware

Cauza neliniarității poate fi proiectarea și caracteristicile tehnologice ale traductoarelor electroacustice.

De exemplu, în difuzoarele electrodinamice (Figura 3), principalele motive includ:

Design electrodinamic al difuzorului

Caracteristicile elastice neliniare ale suspensiei și șaibei de centrare (un exemplu de dependență a flexibilității suspensiilor într-un difuzor de mărimea deplasării bobinei vocale este prezentat în Figura 4);

Dependența flexibilității suspensiei de valoarea deplasării bobinei

Dependența neliniară a deplasării bobinei de tensiunea aplicată datorită interacțiunii bobinei cu câmpul magnetic și datorită proceselor termice din difuzoare;
- oscilații neliniare ale diafragmei cu o mărime mare a forței care acționează;
- vibratii ale peretilor carcasei;
- Efectul Doppler în timpul interacțiunii diferiților emițători într-un sistem acustic.
Distorsiunile neliniare apar în aproape toate elementele căii audio: microfoane, amplificatoare, crossover, procesoare de efecte etc.
Relația dintre semnalele de intrare și de ieșire prezentată în Figura 2 (de exemplu, între tensiunea aplicată și presiunea sonoră pentru un difuzor) poate fi aproximată ca un polinom:
y(t) = h1 x(t) + h2 x2(t) + h3 x3(t) + h4 x4(t) + … (1).
Dacă unui astfel de sistem neliniar este aplicat un semnal armonic, adică x(t) = A sin ωt, atunci semnalul de ieșire va conține componente cu frecvențele ω, 2ω, 3ω, ..., nω etc. De exemplu, dacă am ne limităm doar la un termen pătratic, atunci vor apărea armonici secunde, deoarece
y(t) = h1 A sin ωt + h2 (A sin ωt)² = h1 A sin ωt + 0,5 h2 A sin 2ωt + const.
În convertoarele reale, atunci când este furnizat un semnal armonic, pot apărea armonici de ordinul doi, trei și superioare, precum și subarmonici (1/n) ω (Figura 5).

Pentru a măsura acest tip de distorsiune, cele mai utilizate metode sunt măsurarea nivelului armonicilor suplimentare din semnalul de ieșire (de obicei doar a doua și a treia).
În conformitate cu standardele internaționale și interne, răspunsul în frecvență al armonicii a doua și a treia este înregistrat în camere anecoice și se măsoară coeficientul de distorsiune armonică de ordin n:
KГn = pfn / pav·100%
unde pfn este valoarea medie pătratică a presiunii sonore corespunzătoare componentei n-armonice. Este utilizat pentru a calcula coeficientul total de distorsiune armonică:
Kg = (KG2² + KG3² + KG4² + KG5² + ...)1/2
De exemplu, în conformitate cu cerințele IEC 581-7, pentru sistemele de difuzoare Hi-Fi, factorul total de distorsiune armonică nu trebuie să depășească 2% în intervalul de frecvență 250 ... 1000 Hz și 1% în intervalul de peste 2000 Hz. . Exemplu de THD pentru un subwoofer de 300 mm (12") față de frecvență pentru sensuri diferite tensiunea de intrare variind de la 10 la 32 V este prezentată în figura 6.

Dependența THD-ului de frecvență pentru diferite valori ale tensiunii de intrare

Trebuie remarcat faptul că sistemul auditiv este extrem de sensibil la prezența distorsiunilor neliniare în traductoarele acustice. „Vizibilitatea” componentelor armonice depinde de ordinea lor, în special, auzul este cel mai sensibil la componentele ciudate. Cu ascultarea repetată, percepția distorsiunilor neliniare devine mai acută, mai ales atunci când ascultați instrumente muzicale individuale. Regiunea de frecvență a sensibilității maxime a auzului la aceste tipuri de distorsiuni se află în intervalul 1...2 kHz, unde pragul de sensibilitate este de 1...2%.
Cu toate acestea, această metodă de evaluare a neliniarității nu permite luarea în considerare a tuturor tipurilor de produse neliniare care apar în timpul conversiei unui semnal audio real. Ca urmare, poate exista o situație în care un sistem de difuzoare cu un THD de 10% poate fi evaluat subiectiv mai mare în calitatea sunetului decât un sistem cu un THD de 1% din cauza influenței armonicilor mai mari.
Prin urmare, căutarea altor modalități de a evalua distorsiunile neliniare și corelarea acestora cu evaluările subiective continuă tot timpul. Acest lucru este deosebit de relevant în prezent, când nivelurile distorsiunilor neliniare au scăzut semnificativ și pentru a le reduce în continuare este necesară cunoașterea pragurilor reale de audibilitate, deoarece reducerea distorsiunilor neliniare în echipamente necesită costuri economice semnificative.
Alături de măsurătorile componentelor armonice, în practica de proiectare și evaluare a echipamentelor electroacustice sunt utilizate metode de măsurare a distorsiunii de intermodulație. Tehnica de măsurare este prezentată în GOST 16122-88 și IEC 268-5 și se bazează pe furnizarea a două semnale sinusoidale cu frecvențele f1 și f2 către emițător, unde f1< 1/8·f2 (при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 ± (n - 1)·f1, где n = 2, 3.
Factorul total de distorsiune a intermodulației este determinat în acest caz astfel:
Kim = (ΣnKimn²)1/2
unde kim = /pcp.
Cauza distorsiunii de intermodulație este relația neliniară dintre semnalele de ieșire și de intrare, adică caracteristica de transfer neliniar. Dacă două semnale armonice sunt aplicate la intrarea unui astfel de sistem, atunci semnalul de ieșire va conține armonici de ordine superioară și tonuri de sumă-diferență de diferite ordine.
Tipul de semnal de ieșire ținând cont de neliniaritățile de ordine superioară este prezentat în Figura 5.

Produse ale distorsiunii neliniare în difuzoare

Caracteristicile dependenței coeficientului de distorsiune de intermodulație de frecvență pentru un difuzor de joasă frecvență cu bobine de voce de lungimi diferite sunt prezentate în Figura 7 (a - pentru o bobină mai lungă, b - pentru una mai scurtă).

Dependența distorsiunii de intermodulație (IMD) de frecvență pentru un difuzor cu bobină lungă (a) și scurtă (b)

După cum sa menționat mai sus, în conformitate cu standardele internaționale, în echipament sunt măsurați doar coeficienții de distorsiune a intermodulației de ordinul doi și trei. Măsurătorile distorsiunii de intermodulație pot fi mai informative decât măsurătorile distorsiunii armonice, deoarece sunt o măsură mai sensibilă a neliniarității. Cu toate acestea, după cum arată experimentele efectuate în lucrările lui R. Geddes (raport la cel de-al 115-lea Congres AES de la New York), nu a putut fi stabilită o corelație clară între evaluările subiective ale calității traductoarelor acustice și nivelul de distorsiune a intermodulației - a existat prea multă împrăștiere în rezultatele obținute (după cum se poate vedea din Figura 8).

Relația dintre evaluările subiective și valorile distorsiunii intermodulației (IMD).

Ca un nou criteriu de evaluare a distorsiunilor neliniare în echipamentele electroacustice, a fost propusă o metodă multiton, a cărei istorie și metode de aplicare au fost studiate în detaliu în lucrările lui A. G. Voishvillo și colab. (există articole în JAES și rapoarte la congrese AES). În acest caz, un set de armonici de la a 2-a la a 20-a cu o distribuție de amplitudine arbitrară și o distribuție de frecvență logaritmică în intervalul de la 1 la 10 kHz este utilizat ca semnal de intrare. Distribuția fazei armonice este optimizată pentru a minimiza factorul de creastă al semnalului multiton. Vedere generală semnalul de intrare și structura sa de sincronizare sunt prezentate în figurile 9a și 9b.

Vedere spectrală (a) și temporală (b) a unui semnal multiton

Semnalul de ieșire conține distorsiuni armonice și de intermodulație de toate ordinele. Un exemplu de astfel de distorsiune pentru un difuzor este prezentat în Figura 10.

Produse obișnuite de distorsiune armonică atunci când se aplică un semnal multiton

Un semnal cu mai multe tonuri în structura sa este mult mai aproape de muzică reală și de semnale de vorbire, vă permite să evidențiați mult mai mult diverse produse distorsiuni neliniare (în primul rând intermodulație) și se corelează mai bine cu evaluările subiective ale calității sunetului sistemelor de difuzoare. Cu o creștere a numărului de componente armonice această metodă vă permite să obțineți informații din ce în ce mai detaliate, dar în același timp costurile de calcul cresc. Aplicarea acestei metode necesită cercetări suplimentare, în special dezvoltarea de criterii și standarde acceptabile pentru produsele selectate ale distorsiunilor neliniare din punctul de vedere al evaluărilor subiective ale acestora.
Alte metode, cum ar fi seria Voltaire, sunt, de asemenea, utilizate pentru a evalua distorsiunile neliniare în traductoarele acustice.
Cu toate acestea, toate nu oferă o legătură clară între evaluarea calității sunetului traductoarelor (microfoane, difuzoare, sisteme acustice etc.) și nivelul distorsiunilor neliniare din acestea, măsurate prin oricare dintre metodele obiective cunoscute. Prin urmare, noul criteriu psihoacustic propus în raportul lui R. Geddes la ultimul congres AES prezintă un interes considerabil. El a pornit de la considerentele că orice parametru poate fi apreciat în unități obiective, sau după criterii subiective, de exemplu, temperatura poate fi măsurată în grade, sau în senzații: rece, cald, cald. Intensitatea unui sunet poate fi evaluată prin nivelul presiunii sonore în dB, sau poate fi evaluată în unități subiective: fundal, somn. Căutarea unor criterii similare pentru distorsiunile neliniare a fost scopul lucrării sale.
După cum se știe din psihoacustică, un aparat auditiv este un sistem fundamental neliniar, iar neliniaritatea sa se manifestă atât la niveluri ridicate, cât și la niveluri scăzute de semnal. Cauzele neliniarității sunt procesele hidrodinamice din cohlee, precum și compresia neliniară a semnalului datorită unui mecanism special de alungire a celulelor păroase exterioare. Acest lucru duce la apariția armonicilor subiective și a tonurilor combinate la ascultarea semnalelor armonice sau armonice totale, al căror nivel poate ajunge la 15...20% din nivelul semnalului de intrare. Prin urmare, analiza percepției produselor de distorsiune neliniară create în traductoarele electroacustice și canalele de transmisie într-un sistem neliniar atât de complex ca un aparat auditiv este o problemă serioasă.
O altă proprietate fundamental importantă a sistemului auditiv este efectul de mascare, care constă în schimbarea pragurilor de auz la un semnal în prezența altuia (masker). Această proprietate a sistemului auditiv este utilizată pe scară largă în sisteme moderne comprimare informații audio atunci când sunt transmise pe diverse canale (standarde MPEG). Progresele în reducerea volumului de informații transmise prin compresie folosind proprietăți de mascare auditivă sugerează că aceste efecte sunt, de asemenea, de mare importanță pentru percepția și evaluarea distorsiunilor neliniare.
Legile stabilite ale mascării auditive ne permit să afirmăm că:
- mascarea componentelor de înaltă frecvență (situate deasupra frecvenței semnalului de mascare) are loc mult mai puternic decât în ​​direcția frecvențelor joase;
- mascarea este mai pronunțată pentru frecvențele din apropiere (efect local, Figura 11);
- odată cu creșterea nivelului semnalului de mascare, zona de influență a acestuia se extinde, devine din ce în ce mai asimetrică și se deplasează către frecvențe înalte.

Din aceasta putem presupune că atunci când se analizează distorsiunile neliniare în sistemul auditiv, se respectă următoarele reguli:
- produsele de distorsiune neliniară peste frecvența fundamentală sunt mai puțin importante pentru percepție (sunt mai bine mascate) decât componentele de joasă frecvență;
- cu cât se află mai aproape de tonul fundamental produsele distorsiunilor neliniare, cu atât mai probabil că vor deveni invizibile și nu vor avea sens subiectiv;
- componentele neliniare suplimentare care decurg din neliniaritate pot fi mult mai importante pentru percepția la niveluri scăzute de semnal decât la niveluri înalte. Acest lucru este prezentat în Figura 11.

Efecte de mascare

Într-adevăr, pe măsură ce nivelul semnalului principal crește, zona sa de mascare se extinde și tot mai multe produse de distorsiune (armonici, distorsiuni totale și diferențiale etc.) cad în ea. La niveluri scăzute, această zonă este limitată, astfel încât produsele cu distorsiuni de ordin mai ridicate vor fi mai audibile.
La măsurarea produselor neliniare pe un ton pur, în convertoare apar în principal armonici cu o frecvență mai mare decât semnalul principal n f. Cu toate acestea, armonici joase cu frecvențe (1/n) f pot apărea și în difuzoare. La măsurarea distorsiunilor de intermodulație (atât folosind două semnale, cât și cu semnale multiton), apar produse de distorsiune a diferențelor totale - atât deasupra, cât și sub semnalele principale m f1 ± n f2.
Luând în considerare proprietățile enumerate ale mascării auditive, se pot trage următoarele concluzii: produsele de distorsiuni neliniare de ordine superioară pot fi mai audibile decât produsele de ordine inferioară. De exemplu, practica proiectării difuzoarelor arată că armonicile cu numere mai mari decât a cincea sunt percepute mult mai neplăcut decât a doua și a treia, chiar dacă nivelurile lor sunt mult mai mici decât cele ale primelor două armonice. De obicei, aspectul lor este perceput ca zdrăngănit și duce la respingerea difuzoarelor în producție. Apariția subarmonicilor cu frecvențe jumătate și inferioare este imediat remarcată și de sistemul auditiv ca o tonalitate, chiar și la niveluri foarte scăzute.
Dacă ordinea neliniarității este scăzută, atunci odată cu creșterea nivelului semnalului de intrare, armonicile suplimentare pot fi mascate în sistemul auditiv și nu pot fi percepute ca distorsiuni, ceea ce este confirmat de practica de proiectare a traductoarelor electroacustice. Sistemele de difuzoare cu un nivel de distorsiune neliniară de 2% pot fi evaluate destul de bine de către ascultători. În același timp, amplificatoarele bune ar trebui să aibă un nivel de distorsiune de 0,01% sau mai mic, ceea ce pare să se datoreze faptului că sisteme de difuzoare creează produse de distorsiune de ordin scăzut, iar amplificatoarele creează altele mult mai mari.
Produsele de distorsiune neliniară care apar la niveluri scăzute ale semnalului pot fi mult mai audibile decât la niveluri ridicate. Această afirmație aparent paradoxală poate avea și implicații practice, deoarece distorsiunile neliniare ale traductoarelor și căilor electroacustice pot apărea și la niveluri scăzute de semnal.
Pe baza considerațiilor de mai sus, R. Geddes a propus un nou criteriu psihoacustic de evaluare a distorsiunilor neliniare, care trebuia să satisfacă următoarele cerințe: să fie mai sensibil la distorsiunile de ordin superior și să aibă o importanță mai mare pentru nivelurile scăzute ale semnalului.
Provocarea a fost de a arăta că acest criteriu a fost mai în concordanță cu percepția subiectivă a distorsiunii armonice decât metodele de evaluare acceptate în prezent: factorul de distorsiune armonică totală și factorul de distorsiune a intermodulației pe semnale cu două tonuri sau multiton.
În acest scop, au fost efectuate o serie de evaluări subiective, organizate după cum urmează: 34 de experți cu praguri auditive testate (vârsta medie 21 de ani) au participat la o serie largă de experimente de evaluare a calității sunetului pasajelor muzicale (de exemplu, voce masculină). cu muzică simfonică), în care au fost introduse diverse tipuri de distorsiuni neliniare. Acest lucru a fost realizat prin „convoluția” semnalului de test cu funcții de transfer neliniare caracteristice convertoarelor diverse tipuri(difuzoare, microfoane, telefoane stereo etc.).
În primul rând, semnalele sinusoidale au fost folosite ca stimuli, au fost „convoluate” cu diverse funcții de transfer și a fost determinat coeficientul de distorsiune armonică. Apoi au fost utilizate două semnale sinusoidale și s-au calculat coeficienții de distorsiune de intermodulație. În cele din urmă, noul coeficient Gm propus a fost determinat direct din funcțiile de transfer date. Discrepanțele s-au dovedit a fi foarte semnificative: de exemplu, pentru aceeași funcție de transfer, SOI este de 1%, Kim - 2,1%, Gm - 10,4%. Această diferență este explicabilă fizic, deoarece Kim și Gm iau în considerare mult mai multe produse de distorsiune neliniară de ordin înalt.
Experimentele auditive au fost efectuate pe telefoane stereo cu un interval de 20 Hz...16 kHz, sensibilitate 108 dB, max. SPL 122 dB. Evaluarea subiectivă a fost dată pe o scară de șapte puncte pentru fiecare fragment muzical, de la „mult mai bine” decât fragmentul de referință (adică, fragmentul muzical „s-a prăbușit” cu o funcție de transfer liniar) la „mult mai rău”. Prelucrare statistică Rezultatele evaluării auditive au permis stabilirea unui coeficient de corelație destul de ridicat între valorile medii ale evaluărilor subiective și valoarea coeficientului Gm, care s-a dovedit a fi egală cu 0,68. În același timp, pentru SOI a fost 0,42, iar pentru Kim - 0,34 (pentru această serie de experimente).
Astfel, legătura dintre criteriul propus și evaluările subiective ale calității sunetului s-a dovedit a fi semnificativ mai mare decât cea a altor coeficienți (Figura 12).

Relația dintre coeficientul Gm și aprecierile subiective

Rezultatele experimentale au mai arătat că un traductor electroacustic cu Gm mai mic de 1% poate fi considerat destul de satisfăcător din punct de vedere al calității sunetului, în sensul că distorsiunile neliniare din acesta sunt practic inaudibile.
Desigur, aceste rezultate nu sunt încă suficiente pentru a înlocui criteriul propus cu parametrii disponibili în standarde, cum ar fi coeficientul de distorsiune armonică și coeficientul de distorsiune de intermodulație, dar dacă rezultatele sunt confirmate de experimente ulterioare, atunci poate că exact asta se va întâmpla. .
Căutarea altor criterii noi continuă în mod activ, deoarece discrepanța dintre parametrii existenți (în special coeficientul de distorsiune armonică, care evaluează doar primele două armonice) și calitatea sunetului perceput subiectiv devine din ce în ce mai evidentă pe măsură ce calitatea generală a echipamentului audio se îmbunătățește.
Aparent, alte modalități de a rezolva această problemă vor merge spre creare modele de calculator sistemul auditiv, luând în considerare procesele neliniare și efectele de mascare din acesta. Institutul de acustică a comunicării din Germania lucrează în acest domeniu sub conducerea lui D. Blauert, despre care s-a scris deja într-un articol dedicat celui de-al 114-lea Congres AES. Folosind aceste modele, va fi posibil să se evalueze audibilitatea diferitelor tipuri de distorsiuni neliniare în muzică reală și semnale de vorbire. Cu toate acestea, deși nu au fost încă create, evaluările distorsiunilor neliniare din echipamente vor fi făcute folosind metode simplificate, cât mai apropiate de procesele auditive reale.

Dacă la intrarea amplificatorului se aplică o tensiune sinusoidală, atunci tensiunea amplificată la ieșire nu va fi sinusoidală, ci mai complexă. Constă dintr-o serie de oscilații sinusoidale simple - armonicele fundamentale și superioare. Astfel, amplificatorul adaugă armonici suplimentare care nu erau prezente la intrarea amplificatorului.

Fig.2 - Distorsiuni neliniare

Figura 2 prezintă tensiunea sinusoidală la intrarea amplificatorului Ux și tensiunea nesinusoidală distorsionată la ieșirea Uout. În acest caz, amplificatorul introduce a doua armonică. Pe graficul tensiunii Uout, liniuța arată prima armonică utilă (oscilație fundamentală), care are aceeași frecvență ca și tensiunea de intrare, și a doua armonică dăunătoare cu frecvența dublă. Tensiune de ieșire este suma acestor două armonice.
Distorsiunea formei oscilațiilor amplificate, de ex. Adăugarea de armonici suplimentare la oscilația fundamentală se numește distorsiune neliniară. Ele se manifestă prin faptul că sunetul devine răgușit și zdrăngănit. Pentru a evalua distorsiunea neliniară, utilizați coeficientul de distorsiune neliniară kH, care arată ce procent sunt toate armonicile suplimentare create de amplificator însuși în raport cu oscilația fundamentală 1
Dacă kn este mai mic de 5%, adică dacă armonicile adăugate de amplificator se adună nu mai mult de 5% din prima armonică, atunci urechea nu observă distorsiunea. Când coeficientul de distorsiune neliniară este mai mare de 10%, răgușeala sonoră și zgomotul strica deja impresia programelor artistice. La kH de peste 20%, distorsiunea este inacceptabilă și chiar și vorbirea devine neinteligibilă.
Distorsiunile neliniare apar și atunci când vibrațiile formelor complexe sunt amplificate în timpul transmiterii vorbirii și muzicii. În acest caz, forma oscilațiilor amplificate este de asemenea distorsionată și se adaugă armonici inutile. Vibrațiile complexe în sine constau din armonici care trebuie reproduse corect de amplificator. Ele nu trebuie confundate cu armonici suplimentare create de amplificator însuși. Armonicele tensiunii de intrare sunt utile deoarece determină timbrul sunetului, în timp ce armonicile introduse de amplificator sunt dăunătoare. Ele creează distorsiuni neliniare.
Cauzele distorsiunilor neliniare în amplificatoare sunt: ​​neliniaritatea caracteristicilor lămpilor și tranzistoarelor, prezența curentului rețelei de control în lămpi și saturația magnetică a miezurilor transformatoarelor sau bobinelor de joasă frecvență. De asemenea, se creează distorsiuni neliniare semnificative în difuzoare, telefoane, microfoane și receptoare de sunet.
3. Alte tipuri de distorsiuni. Prezența reactanței în dispozitivul amplificator duce la apariția distorsiunilor de fază. Schimbările de fază între diferite oscilații la ieșirea amplificatorului nu sunt aceleași ca la intrare. La reproducerea sunetelor, aceste distorsiuni nu joacă un rol, deoarece organele auzului uman nu le simt, dar în unele cazuri, de exemplu în televiziune, au un efect dăunător.
Fiecare amplificator creează distorsiuni interval dinamic. Este comprimat, adică raportul dintre vibrația cea mai puternică și cea mai slabă la ieșirea amplificatorului este mai mic decât la intrare. Acest lucru perturbă sunetul natural. Pentru a reduce astfel de distorsiuni, uneori este introdus un dispozitiv special pentru extinderea intervalului dinamic, numit expander. Comprimarea intervalului dinamic are loc și în dispozitivele electroacustice.

Parametrii de bază ai amplificatoarelor

Orice amplificator proiectat pentru procesarea semnalelor medicale și biologice poate fi reprezentat ca un cvadripol activ (Fig. 1.1). La intrarea amplificatorului este conectată o sursă de semnal cu EMF Evx și rezistență internă Ri. În circuitul de intrare circulă un curent de intrare Iin, a cărui valoare depinde de rezistența de intrare a amplificatorului Rin și de rezistența internă a sursei de semnal. Datorită căderii de tensiune pe rezistența internă a sursei de semnal, tensiunea de intrare, care este de fapt amplificată de amplificator, diferă de EMF-ul sursei de semnal:

Figura 1.1 - Circuit echivalent amplificator

Curentul de ieșire al amplificatorului este curentul de sarcină Rn. Mărimea acestui curent depinde de tensiunea de ieșire, care diferă de tensiunea în circuit deschis kUin datorită rezistenței de ieșire a amplificatorului

Pentru a evalua proprietățile amplificatorului, sunt introduși o serie de parametri.
- Câștiguri de tensiune și curent

Acești coeficienți arată de câte ori se schimbă valorile tensiunii de ieșire și curentului în comparație cu valorile de intrare. Câștigul de putere poate fi găsit ca

Orice amplificator are K P >>1, în timp ce câștigurile de curent și tensiune pot fi mai mici decât unitatea. Totuși, dacă în același timp K I<1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Trebuie remarcat faptul că majoritatea circuitelor de amplificare conțin elemente reactive (capacitate și inductanță), prin urmare, în cazul general, câștigul amplificatorului va fi complex

Unde unghiul determină cantitatea de defazare a semnalului pe măsură ce trece de la intrare la ieșire.
Răspunsul amplitudine-frecvență (AFC) al amplificatorului determină dependența câștigului de frecvența semnalului amplificat. O vedere aproximativă a răspunsului în frecvență al amplificatorului este prezentată în Fig. 1.2. Coeficientul de câștig K 0 este considerat valoarea maximă a coeficientului la așa-numita frecvență „de mijloc”. Două puncte caracteristice ale răspunsului în frecvență definesc conceptul de „bandă de trecere” a amplificatorului. Frecvențele la care câștigul scade cu un factor (sau cu 3 dB) se numesc frecvențe de tăiere. În fig. 1,2 f 1 este frecvența limită inferioară f N și f 2 este frecvența limită superioară a câștigului (f B). Diferenţă:

F = f B – f H

se numește lățimea de bandă a amplificatorului, care determină intervalul de frecvență de funcționare a amplificatorului.
În general, răspunsul în frecvență arată cum se modifică amplitudinea semnalului de ieșire cu o amplitudine constantă a semnalului de intrare în domeniul de frecvență, în timp ce se presupune că forma semnalului nu se schimbă. Pentru a evalua modificarea câștigului cu o schimbare a frecvenței, este introdus conceptul de distorsiune a frecvenței

M N = M B = . Distorsiunile de frecvență sunt clasificate drept liniare, adică a cărui apariție nu duce la denaturarea formei semnalului inițial.
În funcție de tipul de răspuns în frecvență, amplificatoarele pot fi împărțite în mai multe clase.
Amplificatoare DC: f H = 0 Hz, f B = (103 3 - 108 8) Hz;
Amplificatoare de frecvență audio: f H = 20 Hz, f B = (15 - 20) 10 Hz;
Amplificatoare de înaltă frecvență: f H = 20*103 Hz, f B = (200 - 300) · 103 3 Hz.
Amplificatoare de bandă îngustă (selective). O caracteristică distinctivă a acestora din urmă este că practic amplifică o armonică din întregul spectru de frecvență al semnalului și raportul dintre frecvențele limită superioară și inferioară este:

Figura 1. 2- Răspunsul în frecvență al amplificatorului

Caracteristica de amplitudine a amplificatorului reflectă caracteristicile modificării mărimii semnalului de ieșire atunci când semnalul de intrare se modifică. După cum se poate observa din fig. 1.3 tensiunea de ieșire nu este zero (UOUTmin) în absența tensiunii de intrare. Acest lucru se datorează zgomotului intern al amplificatorului, care limitează valoarea minimă a tensiunii de intrare care poate fi aplicată la intrarea amplificatorului și determină sensibilitatea acestuia:

O creștere semnificativă a tensiunii de intrare (punctul 3) duce la faptul că caracteristica de amplitudine devine neliniară și creșterea suplimentară a tensiunii de ieșire se oprește (punctul 5). Acest lucru se datorează saturației treptelor amplificatorului. O valoare acceptabilă a tensiunii de intrare este considerată a fi una la care tensiunea de ieșire nu depășește UOUTmax, care, după cum se poate vedea din Fig. 1.3, este situată la limita secțiunii liniare a caracteristicii de amplitudine. Caracteristica de amplitudine determină domeniul dinamic al amplificatorului:

Uneori, pentru comoditate, intervalul dinamic este calculat în decibeli, după cum urmează:

Figura 1. 3 - Caracteristica de amplitudine a amplificatorului

Distorsiunea armonică totală (THD) a amplificatorului determină gradul în care forma de undă sinusoidală este distorsionată în timpul amplificării. Distorsiunea semnalului înseamnă că în spectrul său, împreună cu armonica principală (prima) apar armonici de ordin superior. Pe baza acestui fapt, factorul de distorsiune neliniară poate fi găsit ca:

unde U i este tensiunea armonicii cu număr i>1. Este ușor de observat că, în absența armonicilor mai mari în semnalul de ieșire, K Г = 0, adică. un semnal sinusoidal de la intrare la ieșire este transmis fără distorsiuni. Impedanța de intrare și de ieșire au un efect destul de vizibil asupra funcționării amplificatorului. La amplificarea semnalelor schimbătoare sau variabile, rezistențele pot fi găsite ca:

La curent continuu, acești parametri pot fi determinați folosind formule simplificate

La determinarea rezistențelor de intrare și de ieșire, trebuie reținut că în unele cazuri pot fi complexe din cauza elementelor reactive ale circuitului. În acest caz, poate apărea o distorsiune semnificativă a frecvenței semnalului, în special în domeniul de înaltă frecvență. Boost celular: amplificator de semnal celular gsm.

Să ne uităm la principalele caracteristici ale amplificatoarelor.

Caracteristica de amplitudine este dependența amplitudinii tensiunii de ieșire (curent) de amplitudinea tensiunii de intrare (curent) (Fig. 9.2). Punctul 1 corespunde tensiunii de zgomot măsurată la Uin = 0, punctul 2 corespunde tensiunii minime de intrare la care semnalul poate fi distins de zgomotul de fond la ieșirea amplificatorului. Secțiunea 2–3 este secțiunea de lucru în care se menține proporționalitatea dintre tensiunea de intrare și de ieșire a amplificatorului. După punctul 3, se observă distorsiuni neliniare ale semnalului de intrare. Gradul de distorsiune neliniară este estimat prin coeficientul neliniar

distorsiune (sau distorsiune armonică):

,

unde U1m, U2m, U3m, Unm sunt amplitudinile armonicii 1 (fundamentale), 2, 3 și respectiv a n-a ale tensiunii de ieșire.

Magnitudinea caracterizează domeniul dinamic al amplificatorului.

Orez. 9.2. Răspunsul la amplitudinea amplificatorului

Răspunsul amplitudine-frecvență (AFC) al unui amplificator este dependența modulului câștig de frecvență (Fig. 9.3). Frecvențele fн și fв se numesc frecvențe limită inferioară și superioară și diferența lor

(fн–fв) – lățimea de bandă a amplificatorului.

Orez. 9.3. Raspunsul in frecventa amplificatorului

Când un semnal armonic de amplitudine suficient de mică este amplificat, nu are loc distorsiunea formei semnalului amplificat. Atunci când un semnal complex de intrare care conține un număr de armonici este amplificat, armonicile sunt amplificate inegal de către amplificator, deoarece reactanțele circuitului variază în funcție de frecvență, rezultând o formă de undă distorsionată a semnalului amplificat.

Astfel de distorsiuni sunt numite distorsiuni de frecvență și sunt caracterizate de coeficientul de distorsiune a frecvenței:

Unde Kf este mărimea câștigului la o frecvență dată.

Factori de distorsiune a frecvenței

Și se numesc coeficienți de distorsiune la frecvențele limită inferioară și, respectiv, superioară.

Răspunsul în frecvență poate fi reprezentat și pe o scară logaritmică. În acest caz, se numește LFC (Fig. 9.4), câștigul amplificatorului este exprimat în decibeli, iar frecvențele sunt trasate de-a lungul axei absciselor pe parcursul unui deceniu (interval de frecvență între 10f și f).

Orez. 9.4. Răspuns logaritmic amplitudine-frecvență

amplificator (LAFC)

De obicei, frecvențele corespunzătoare lui f=10n sunt alese ca puncte de referință. Curbele LFC au o anumită pantă în fiecare regiune de frecvență. Se măsoară în decibeli pe deceniu.

Răspunsul fază-frecvență (PFC) al unui amplificator este dependența unghiului de fază dintre tensiunile de intrare și de ieșire de frecvență. Un răspuns tipic de fază este prezentat în Fig. 9.5. Poate fi reprezentat și pe o scară logaritmică.

În regiunea de frecvență medie, distorsiunea suplimentară de fază este minimă. Răspunsul de fază face posibilă evaluarea distorsiunilor de fază care apar în amplificatoare din aceleași motive ca și distorsiunile de frecvență.

Orez. 9.5. Răspunsul fază-frecvență (PFC) al amplificatorului

Un exemplu de apariție a distorsiunilor de fază este prezentat în Fig. 9.6, care arată amplificarea unui semnal de intrare format din două armonice (linie punctată), care suferă defazaj la amplificare.

Orez. 9.6. Distorsiunea de fază în amplificator

Răspunsul tranzitoriu al unui amplificator este dependența semnalului de ieșire (curent, tensiune) de timp sub o acțiune bruscă de intrare (Fig. 9.7). Frecvența, fază și caracteristicile tranzitorii ale amplificatorului sunt legate în mod unic între ele.

Orez. 9.7. Răspuns tranzitoriu al amplificatorului

Regiunea de înaltă frecvență corespunde răspunsului tranzitoriu în regiunea timpilor mici, iar regiunea de frecvență joasă corespunde răspunsului tranzitoriu în regiunea timpilor mari.

Pe baza naturii semnalelor amplificate, acestea se disting:

o Amplificatoare de semnal continuu. Procesele de stabilire sunt neglijate aici. Caracteristica principală este transferul de frecvență.

o Amplificatoare de semnal cu impulsuri. Semnalul de intrare se schimbă atât de repede încât tranzitorii din amplificator sunt decisivi în determinarea formei de undă de ieșire. Caracteristica principală este caracteristica de transfer de impuls a amplificatorului.

În funcție de scopul amplificatorului, acestea sunt împărțite în:

o amplificatoare de tensiune,

o amplificatoare de curent,

o amplificatoare de putere.

Toate acestea amplifică puterea semnalului de intrare. Cu toate acestea, amplificatoarele de putere în sine trebuie și sunt capabile să furnizeze puterea dată sarcinii cu o eficiență ridicată.

1. Compuneți fragmente de program în coduri mnemonice și coduri de mașină pentru următoarele operații:

ÎNÎntreaga istorie a reproducerii sunetului a constat în încercări de a aduce iluzia mai aproape de original. Și deși s-a parcurs o distanță uriașă, suntem încă foarte, foarte departe de a ne apropia pe deplin de sunetul live. Diferențele în numeroși parametri pot fi măsurate, dar mulți dintre ei rămân încă în afara câmpului de vedere al dezvoltatorilor de echipamente. Una dintre principalele caracteristici căreia îi acordă întotdeauna atenție un consumator cu orice background este factor de distorsiune neliniar (THD) .

Și ce valoare a acestui coeficient indică destul de obiectiv calitatea dispozitivului? Cei care sunt nerăbdători pot găsi imediat o încercare de a răspunde la această întrebare la sfârșit. În rest vom continua.
Acest coeficient, numit și coeficientul total de distorsiune armonică, este raportul, exprimat în procente, dintre amplitudinea efectivă a componentelor armonice la ieșirea unui dispozitiv (amplificator, magnetofon etc.) și amplitudinea efectivă a semnalul de frecvență fundamentală atunci când la intrarea dispozitivului se aplică un semnal sinusoidal de această frecvență. Astfel, face posibilă cuantificarea neliniarității caracteristicii de transfer, care se manifestă prin apariția în semnalul de ieșire a componentelor spectrale (armonice) care sunt absente în semnalul de intrare. Cu alte cuvinte, există o schimbare calitativă în spectrul semnalului muzical.

Pe lângă distorsiunile armonice obiective prezente în semnalul sonor audibil, există și problema distorsiunilor care nu sunt prezente în sunetul real, dar sunt resimțite din cauza armonicilor subiective care apar în cohleea urechii medii la înălțime. valorile presiunii acustice. Aparatul auditiv uman este un sistem neliniar. Neliniaritatea auzului se manifesta prin faptul ca atunci cand timpanul este expus la un sunet sinusoidal cu frecventa f, in aparatul auditiv se genereaza armonici ale acestui sunet cu frecventele 2f, 3f etc. Deoarece aceste armonice nu sunt prezente în tonul de influență primar, ele sunt numite armonice subiective.

Desigur, acest lucru complică și mai mult ideea nivelului maxim admisibil de armonici în calea audio. Pe măsură ce intensitatea tonului primar crește, mărimea armonicilor subiective crește brusc și poate chiar depăși intensitatea tonului primar. Această împrejurare dă temei pentru a presupune că sunetele cu o frecvență mai mică de 100 Hz nu sunt resimțite de la sine, ci din cauza armonicilor subiective pe care le creează, căzând în domeniul de frecvență peste 100 Hz, adică. datorită neliniarităţii auzului. Motivele fizice ale distorsiunilor hardware rezultate în diferite dispozitive sunt de natură diferită, iar contribuția fiecăruia la distorsiunile generale ale întregii căi nu este aceeași.

Distorsiunea CD playerelor moderne este foarte scăzută și aproape inobservabilă în comparație cu distorsiunea altor unități. Pentru sistemele de difuzoare, distorsiunea de joasă frecvență cauzată de capul de bas este cea mai semnificativă, iar standardul specifică cerințe doar pentru a doua și a treia armonică în intervalul de frecvență de până la 250 Hz. Și pentru un sistem de difuzoare cu sunet foarte bun, acestea pot fi în 1% sau chiar puțin mai mult. În casetofonele analogice, principala problemă asociată cu baza fizică a înregistrării pe bandă magnetică este a treia armonică, ale cărei valori sunt de obicei date în instrucțiunile de amestecare. Dar valoarea maximă la care, de exemplu, se fac întotdeauna măsurători ale nivelului de zgomot este de 3% pentru o frecvență de 333 Hz. Distorsiunea părții electronice a casetofonelor este mult mai mică.
Atât în ​​cazul magnetofonelor acustice, cât și în cazul magnetofonelor analogice, datorită faptului că distorsiunile sunt preponderent de joasă frecvență, vizibilitatea subiectivă a acestora este mult redusă datorită efectului de mascare (care constă în faptul că din două semnale sonore simultane, cu atât mai mare). -frecvența unu se aude mai bine).

Deci, principala sursă de distorsiune în circuitul dvs. va fi amplificatorul de putere, în care, la rândul său, sursa principală este neliniaritatea caracteristicilor de transfer ale elementelor active: tranzistoare și tuburi vidate, iar în amplificatoarele transformatorului distorsiunile neliniare ale transformatorului. sunt de asemenea adăugate, asociate cu neliniaritatea curbei de magnetizare.

De exemplu, caracteristica de transfer a unui amplificator cu decuplare lină la amplitudini mari nu va provoca nicio distorsiune pentru semnalele sinusoidale sub nivelul de tăiere, dar pe măsură ce semnalul crește peste acest nivel, distorsiunea apare și va crește. Acest tip de limitare este inerentă în principal amplificatoarelor cu tub, care într-o oarecare măsură pot servi drept unul dintre motivele preferinței unor astfel de amplificatoare de către ascultători. Și această caracteristică a fost folosită de NAD într-o serie de amplificatoare apreciate cu „limitare soft”, produse de la începutul anilor 80: capacitatea de a activa un mod cu imitarea tăierii tubului a creat o mare armată de fani ai amplificatoarelor cu tranzistori ai acestei companii. .
În schimb, caracteristica de tăiere centrală a amplificatorului (distorsiune pas-pas), care este tipică modelelor de tranzistori, provoacă distorsiuni în semnalele muzicale și sinusoidale mici, iar distorsiunea va scădea pe măsură ce nivelul semnalului crește. Astfel, distorsiunea depinde nu numai de forma caracteristicii de transfer, ci și de distribuția statistică a nivelurilor semnalului de intrare, care pentru programele muzicale este apropiată de semnalul de zgomot. Prin urmare, pe lângă măsurarea SOI folosind un semnal sinusoidal, este posibil să se măsoare distorsiunile neliniare ale dispozitivelor de amplificare folosind suma a trei semnale sinusoidale sau de zgomot, care, în lumina celor de mai sus, oferă o imagine mai obiectivă a distorsiunilor.

Pentru a efectua această analiză sunt necesare următoarele:

1. Schimbați sursa semnalului de intrare AC Voltage în Pulse Voltage și setați parametrii indicați în figură.

2. Analiza în sine ar trebui să stabilească următoarele:

Orez. 11

După ce am analizat graficul rezultat, vom estima distorsiunea pulsului:

1) Surge frontală f ~ 1 V, aceasta nu depășește 4% din U nom și este un bun indicator al calității acestui amplificator.

2) Rata de variare a tensiunii de ieșire U~ 2 V/µs și timpul de creștere

t Ф ~ 10 μsec, care împreună constituie un bun indicator al calității creșterii semnalului de ieșire în acest amplificator.

3) Amplificatorul are, de asemenea, caracteristici bune ale marginii de fugă a pulsului, care sunt similare cu caracteristicile marginii de avans.

Distorsiuni armonice

Distorsiunea neliniară este cauzată de trecerea unui semnal prin elemente care au caracteristici neliniare, de exemplu, prin tranzistori, drept urmare forma de undă este distorsionată și compoziția sa spectrală se modifică. Deoarece amplificatorul introduce distorsiuni neliniare, la ieșire apar noi componente (armonice) care sunt absente la intrare, ceea ce provoacă distorsiunea timbrului sunetului. O evaluare cantitativă a distorsiunilor neliniare este coeficientul armonic Kg:

unde R g este puterea armonică totală; P 1 -- putere de semnal utilă.

Dintre toate armonicile, a doua și a treia sunt cele mai intense. Restul au o putere mult mai mică și au puțin efect asupra formei semnalului de ieșire.

Distorsiunea armonică a unui amplificator cu mai multe trepte este de obicei apropiată de suma distorsiunilor armonice ale etajelor individuale. Prin urmare, dacă distorsiunile neliniare din etapele preliminare sunt proporționale cu distorsiunile din etapa finală, atunci coeficientul armonic total al căii de reproducere a sunetului poate fi estimat folosind formula:

Cu toate acestea, coeficientul K oferă o imagine incompletă a distorsiunilor neliniare din amplificator, deoarece nu ia în considerare semnalele de frecvență combinate rezultate din interferența dintre componentele individuale ale unei oscilații complexe. Cele mai vizibile distorsiuni neliniare datorate frecvențelor combinate apar atunci când două sau mai multe semnale sinusoidale sunt furnizate amplificatorului. Frecvențele combinate de forma f1--f2, f1--2f2, 2f1--f2 sunt deosebit de vizibile, deoarece acestea, de regulă, nu sunt conținute în spectrul chiar și al unui semnal de intrare complex.

Pentru amplificatoarele de înaltă calitate, este adesea introdus un alt indicator care le caracterizează neliniaritatea - coeficientul de distorsiune a intermodulației Kim.i. La măsurarea Kim.i, la intrarea amplificatorului sunt furnizate două oscilații armonice cu frecvențe: f1 = 50... 100 Hz și f 2 = 5... 10 kHz cu raportul de amplitudine Uin(f1)/Uin(f2) = 4/1- Coeficientul Kim.i este egal cu raportul dintre amplitudinea tensiunii de ieșire a frecvenței diferenței f 2 --f 1 și amplitudinea tensiunii de ieșire a frecvenței f 1:

Orez. 12.

Valoarea acceptabilă a lui Kim.i<0,1 ... 1%.

Distorsiunea neliniară depinde în mod semnificativ de amplitudinea semnalului furnizat la intrare. În fig. Figura 12 arată natura dependenței coeficientului Kt de puterea la ieșirea amplificatorului. Această curbă este principala caracteristică pentru evaluarea distorsiunii neliniare. De asemenea, servește la determinarea puterii maxime utile a amplificatorului pentru un Kg dat.

Factorul de distorsiune armonică este de obicei setat pentru un nivel ridicat al semnalului de intrare. Amplificatoarele de putere cu tranzistori sunt caracterizate printr-o creștere a distorsiunii neliniare la niveluri foarte scăzute ale semnalului de intrare, care este cauzată de distorsiunea „în trepte” sau „decuplare în centru”. Prin urmare, pentru a evalua pe deplin calitatea amplificatorului, este recomandabil să monitorizați Kg și la niveluri scăzute ale semnalului de intrare.

Practic, distorsiunile neliniare apar în etapele finale și pre-finale. Pentru amplificatoarele finale, distorsiunea neliniară introdusă este diferită la frecvențe diferite. În regiunea frecvențelor limită ale benzii de trecere, acestea cresc (cu o amplitudine constantă a semnalului de intrare). Acest lucru se explică prin natura reactivă a rezistenței de sarcină a tranzistoarelor terminale și modificarea asociată a formei caracteristicii dinamice la frecvențele extreme ale benzii de trecere.

Distorsiunea neliniară permisă depinde de scopul amplificatorului. Astfel, în amplificatoarele AF utilizate în echipamentele de radiodifuziune și de reproducere a sunetului de uz casnic, coeficientul armonic conform GOST 11157--74 ar trebui să fie de 1 ... 2%. În echipamente profesionale de înaltă calitate K g<0,05%.

În ultimii ani, parametrii echipamentelor de înaltă calitate de reproducere a sunetului s-au îmbunătățit brusc. Tendința spre o reducere a distorsiunilor neliniare este deosebit de remarcabilă. Au apărut amplificatoarele AF cu un coeficient 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.

Problema vizibilității distorsiunii armonice în intervalul 1 ... 0,0005% nu are o interpretare lipsită de ambiguitate. Putem spune doar că dacă se obțin distorsiuni neliniare mici și se realizează nu în detrimentul deteriorării altor parametri ai amplificatorului, atunci aceasta indică perfecțiunea căii de amplificare.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că testarea amplificatoarelor cu distorsiuni neliniare ultra-scăzute impune cerințe foarte mari asupra distorsiunilor neliniare ale sursei de semnal de testare. Cele mai bune generatoare de sunet domestice de tip GZ-102 furnizează Kg de cel puțin 0,05%, adică sunt de aceeași ordine cu distorsiunile neliniare introduse de amplificatorul însuși. Rezoluția contoarelor de distorsiune neliniară S6-5 variază, de asemenea, între 0,02 și 0,03%. Prin urmare, măsurătorile precise ale distorsiunilor neliniare ultra-mici sunt foarte dificile.

Pentru a testa amplificatoare ultra-liniare, ar trebui să se utilizeze generatoare audio de precizie și analizoare de spectru. Metoda de compensare dă rezultate bune în evaluarea distorsiunilor neliniare ultra-mici.