Гармонические колебания.

Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в стационарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной формы y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... где: x - входная величина; y0 - постоянная составляющая; v1 - линейный коэффициент усиления; v2, v3 ... - коэффициенты нелинейных искажений.

В системе с нелинейной передаточной характеристикой возникают спектральные составляющие, которых не было на входе - продукты нелинейности. При подаче на вход такой системы сигнала с единственной частотой f1 на выходе появятся составляющие с частотами f1, 2f1, 3f1 и т.д. Если же на вход подается сигнал, состоящий из нескольких частот f1, f2, f3, ..., то на выходе системы кроме гармонических составляющих дополнительно появятся и так называемые "комбинационные составляющие" с частотами n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ± ..., где n=1, 2, 3, ... При подаче звуков со сплошным спектром получается также сплошной спектр, но с измененной формой огибающей спектра.

Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений, представляющим собой отношение эффективных значений гармоник к эффективному значению суммарного выходного сигнала и измеряется в процентах. Здесь An - амплитуды составляющих с частотами nf. Приведенная рядом упрощенная формула справедлива для случаев, когда искажения невелики (К<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
При звукопередаче первичные соотношения между частотными компонентами звука должны быть сохранены. В связи с этим, качество любого участка звукового канала оценивается его амплитудно-частотной (сокращенно частотной) характеристикой, для обозначения которой часто используют аббревиатуру АЧХ. Под АЧХ понимают график зависимости коэффициента передачи от частоты сигналов, подаваемых на вход данного участка канала или отдельного звукотехнического устройства. Коэффициент передачи - это отношение величин сигналов на входе усилителя и его выходе.
Частотная характеристика тракта передачи (частотная зависимость коэффициента передачи) изменяет соотношения между амплитудами частотных составляющих. Это приводит к субъективному ощущению изменения тембра. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики, количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений.

Нелинейные искажения вызваны нелинейностью системы обработки и передачи сигнала. Эти искажения вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Типовые значения КНИ: 0 % — синусоида; 3 % — форма, близкая к синусоидальной; 5 % — форма, приближенная к синусоидальной (отклонения формы уже заметны на глаз); до 21 % — сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43 % — сигнал прямоугольной формы.

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

дек 2007

Нелинейные искажения. Мощность. Импеданс. Электромеханические параметры.

Как уже было сказано в , во всех видах электроакустических преобразователей (громкоговорителях, микрофонах, стереотелефонах и др.) имеют место как линейные, так и нелинейные искажения сигнала. Последние характеризуются появлением новых составляющих в спектре. Громкоговорители имеют наибольший уровень нелинейных искажений среди всех остальных звеньев тракта, именно поэтому методам оценки и измерениям этих искажений уделяется много внимания в современной аудиотехнике.

Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейностью передаточной функции, то есть нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного (в случае громкоговорителя - зависимостью уровня звукового давления от подводимого напряжения). Причиной нелинейности могут являться конструктивные и технологические особенности электроакустических преобразователей. Например, в электродинамических громкоговорителях (конструкция которых будет представлена в следующих статьях) к числу таких особенностей можно отнести:
- нелинейные упругие характеристики подвеса и центрирующей шайбы;
- нелинейную зависимость смещения звуковой катушки от величины приложенного напряжения из-за взаимодействия катушки с магнитным полем и тепловых процессов в громкоговорителях;
- нелинейные колебания диафрагмы при большой величине воздействующей силы и др.

Гармонические искажения
Представленная на рис. 1 зависимость между входным и выходным сигналами может быть аппроксимирована в виде полинома:
y(t) = а1 x(t) + а2 x2 (t) + а3 x3 (t) + а4 x4 (t) + ......

Если на такую нелинейную систему подать гармонический сигнал, то есть x(t) = A sin ωt , то в выходном сигнале будут присутствовать компоненты с частотами ω , 2ω , 3ω … nω и т. д. Например, если ограничиться только квадратичным членом, то появятся вторые гармоники, так как y(t) = а1 A sin ωt + а2 (A sin ωt)2 = а1 A sin ωt + 1/2 а2 А2 sin 2 ωt + const .

В реальных преобразователях при подаче гармонического сигнала могут появиться гармоники второго, третьего и более высоких порядков, а также субгармоники (1/n)ω , рис. 2.

Для оценки такого вида искажений чаще всего используются методы измерений на синусоидальных сигналах уровней дополнительных гармоник в выходном сигнале (обычно только второй и третьей). В соответствии с международными стандартами (IEC 268-5) производится запись АЧХ второй и третьей гармоники в заглушенных камерах и измеряется коэффициент гармонических искажений n-порядка:

где pfn - среднеквадратичное значение звукового давления, соответствующее n - гармонической составляющей.

По нему рассчитывается общий коэффициент гармонических искажений (рис. 3):

Например, в соответствии с требованиями IEC 581-7 для акустических систем категории Hi-Fi полный коэффициент гармонических искажений (THD - Total Harmonic Distortion) не должен превышать 2% в диапазоне частот 250-1000 Гц и 1% в диапазоне свыше 2000 Гц.

Следует отметить, что слуховая система чрезвычайно чувствительна к наличию нелинейных искажений в акустических преобразователях. "Заметность" гармонических составляющих зависит от их порядка. В частности, к нечетным составляющим слух более чувствителен. При многократном прослушивании восприятие нелинейных искажений обостряется, особенно при прослушивании отдельных музыкальных инструментов. Частотная область максимальной чувствительности слуха к этим видам искажений находится в пределах 1...2 кГц, где порог чувствительности составляет ~1%.

Однако такой метод оценки нелинейности не позволяет учесть все виды нелинейных продуктов, возникающих в процессе преобразования реального музыкального и речевого сигнала. Поэтому поиски других способов оценки нелинейных искажений и их корреляции с субъективными оценками все время продолжаются. Особенно актуально это в настоящее время, когда уровни нелинейных искажений значительно уменьшились и дальнейшее их снижение требует значительных экономических затрат, так что необходимы знания реальных порогов слышимости.

Интермодуляционные искажения
Наряду с измерениями гармонических составляющих в практике проектирования и оценки электроакустической аппаратуры используются методы измерений интермодуляционных искажений .

Методика измерений представлена в IEC 268-5 и основана на подведении к излучателю двух синусоидальных сигналов с частотами f1 и f2 (где f1 < 1/8 f2 , при соотношении амплитуд 4:1) и измерении амплитуд звукового давления комбинационных тонов: f2 +/- (n - 1)f1 , где n = 2, 3 (рис. 2). Например, если подвести к громкоговорителю частоты 200 Гц и 1000 Гц, то при наличии интермодуляционных искажений (а они в громкоговорителях есть всегда) в спектре появятся разностные тоны: 1000 - 200 = 800 Гц, 1000 - 2 x 200 = 600 Гц, 1000 - 3 x 200 = 400 Гц и т. д.; а также суммарные тоны: 1000 + 200 = 1200 Гц, 1000 + 2 x 200 = 1400 Гц, 1000 + 3 x 200 = 1600 Гц и т. д.

Суммарный коэффициент интермодуляционных искажений определяется в этом случае как:

где Кимn = /pср.

Причиной возникновения интермодуляционных искажений служат те же физические причины, а именно - нелинейная связь между выходным и входным сигналами, то есть нелинейная передаточная характеристика.

Как сказано ранее, в соответствии с международными стандартами в аппаратуре измеряются только коэффициенты интермодуляционных искажений второго и третьего порядков. Измерения интермодуляционных искажений могут быть более информативны, чем гармонические, поскольку служат более чувствительным критерием нелинейности. Однако, как показали эксперименты, выполненные в работах R. Geddes (доклад на 115 конгрессе AES в Нью-Йорке - пр. 5891), четкой корреляции между субъективными оценками качества акустических преобразователей и уровнем интермодуляционных искажений в них установить не удалось, оказался слишком большой разброс в оценках.

Многотоновый метод оценки нелинейных искажений
Поиски новых критериев для оценки нелинейных искажений в электроакустической аппаратуре все время продолжаются. В частности, был предложен многотоновый метод для оценки нелинейных искажений (история и методы применения которого детально исследованы в работах Войшвилло А. Г. и др.). Многотоновый сигнал представляет собой сумму синусоидальных компонент следующего вида:

распределение частот в нем подчиняется логарифмическому закону, а распределение фаз подбирается из условия минимизации пик-фактора (отношения максимального значения сигнала к среднему). Общий вид спектра и осциллограмма такого сигнала показаны на рис. 4.

При применении такого сигнала к нелинейному устройству в выходном сигнале образуются продукты гармонических и интермодуляционных искажений, которые с помощью последующей процессорной обработки могут быть разделены и оценены отдельно. Пример общих гармонических и интермодуляционных искажений показан на рис. 5.

Метод измерения с помощью многотонового сигнала обладает рядом преимуществ перед другими методами: он довольно быстрый и дает детальное графическое представление продуктов искажений. Если используется многотоновый сигнал, то в спектре выходного сигнала присутствует значительно больше продуктов интермодуляционных искажений, чем гармонических (что значительно ближе к реальному воспроизведению музыки и речи). Следует отметить, что, несмотря на оптимизацию, в многотоновом сигнале получается более высокий пик-фактор, чем в шумовом сигнале. Поэтому данный метод измерений дает большее значение для искажений, чем при измерениях на шумовом сигнале, но, возможно, этот запас и полезен при оценке аппаратуры.

Функция корреляции
Как уже было сказано, в настоящее время активно продолжаются поиски методов измерения нелинейных искажений на реальных шумовых и музыкальных сигналах, лучше коррелирующих с процессами субъективного восприятия. К числу таких методов можно отнести измерения нелинейных искажений с помощью рядов Вольтерра и функции корреляции.

Функция корреляции γ(fi ) выражается как отношение квадрата кросспектра (взаимного энергетического спектра) между входным и выходным сигналом Gxy (fi ) к квадратам автоспектров (энергетических спектров) входного Gxx (fi ) и выходного сигналов Gyy (fi ) :

Если акустический преобразователь - строго линейная система, то эта функция равна единице. Если входные и выходные сигналы вообще не связаны друг с другом, то функция равна нулю. Если акустическая система производит нелинейное преобразование входного сигнала или вносит шумы, то функция корреляции имеет значения между нулем и единицей, то есть значение функции корреляции дает общее описание всех нелинейных продуктов в выходном сигнале, она характеризует степень "подобия" сигналов.

Результаты применения ее для оценки нелинейности в громкоговорителях показаны на рис. 6, где по оси абсцисс отложена следующая величина:

На рисунке видна зависимость функции корреляции от частоты и уровня сигнала (нижняя кривая соответствует подводимой мощности, обеспечивающей смещение катушки 4 мм, верхняя - 10 мм). Удобство применения этого критерия к оценке нелинейных искажений - четкое графическое представление, недостаток - невозможность выделения отдельных продуктов искажений. Преимущества применения этого критерия для оценки нелинейных искажений в акустических системах сейчас интенсивно изучаются.

Кроме этого, для оценки искажений в громкоговорителях имеются работы по применению так называемых перцепционных методов (учитывающих свойства слуховой системы). В частности, предлагается методы, разработанные для оценки искажений музыкальных и речевых сигналов в кодеках (PEAG, PESQ), распространить на электроакустические преобразователи, а также применить теорию нейронных сетей (типа NARMAX) и другие способы, учитывающие специфику обработки сигналов в слуховой системе.

Оценка нелинейных искажений: ближайшие перспективы
Анализ всех имеющихся методов измерения нелинейных искажений позволяет предположить, что дальнейшее развитие работ в этом направлении пойдет следующими путями.

С помощью одного (или нескольких) вышеуказанных методов строится нелинейная динамическая компьютерная модель акустической системы. Затем на нее подается реальный музыкальный сигнал. Выходной сигнал с этой модели расщепляется на линейные и нелинейные компоненты. Затем нелинейные искажения вводятся в компьютерную модель слухового тракта, учитывающую эффекты маскировки и другие процессы обработки, после чего анализируется, к каким видам искажений слуховая система наиболее чувствительна и каковы их пороги. Параллельно оценка продуктов искажений производится с помощью субъективного тестирования, на основе чего и принимаются решения об установлении допустимых норм на акустическую аппаратуру.

Весь этот комплекс работ, несомненно, позволит в ближайшее время перейти на новый уровень оценки нелинейных искажений в акустической аппаратуре, значительно лучше коррелирующий со слуховым восприятием.

Уровни звукового давления
Одно из главных требований, предъявляемых к электроакустической аппаратуре, состоит в обеспечении неискаженной передачи динамического диапазона музыкальных и речевых сигналов. Любой музыкальный и речевой сигнал можно представить в виде уровнеграммы (рис. 7). Уровнеграмма - это зависимость уровня звукового давления (создаваемого, например, оркестром, голосом или любым инструментом) от времени.

Разность между максимальным и минимальным уровнем звукового давления определяет динамический диапазон сигнала, а разность между максимальным и средним уровнем - его пик-фактор . Под максимальным уровнем понимается уровень звукового давления, выше которого значения сигнала могут находиться не более 2% времени для музыки и 1% для речи. Максимальные уровни звуковых давлений реальных источников могут достигать следующих значений: у рояля - 103 дБ; у симфонического оркестра - 112 дБ; у рок-группы - 128 дБ. Чтобы акустическая система (громкоговоритель) могла воспроизводить такие уровни звуковых давлений, ее конструкция должна позволять подводить большие значения электрической мощности от усилителя.

Для характеристики способности акустической системы к неискаженной передаче динамического диапазона звука в каталогах и проспектах используется такой параметр, как max SPL (Sound Pressure Level) - максимальный уровень звукового давления. В большинстве акустических систем значения этого параметра лежат в пределах 102...105 дБ, однако для работы с цифровыми трактами разработаны студийные агрегаты с максимальным уровнем звукового давления до 110 дБ и более, а в портальных концертных акустических системах эти значения могут быть 125 дБ и выше.

Мощность
Чтобы обеспечить такие уровни давлений, к акустическим системам должны подводиться большие мощности от усилителя низкой частоты: 100-200 Вт для бытовой аппаратуры, 300-1000 Вт и более для профессиональной. Обычно в каталогах на акустические системы указывается рекомендуемая мощность усилителя низкой частоты. Часто изготовитель указывает даже две мощности: минимальную, при которой АС еще достаточно натурально воспроизводит программу, и максимальную, при которой АС еще продолжает работать без значительных искажений.

Согласование по мощности усилителей и акустических систем настолько важно для обеспечения хорошего качества звучания, что по этому вопросу разработаны специальные международные рекомендации IEC 268-5,581-7. В соответствии с ними в каталогах, рекламах и технической литературе для акустических систем и других видов акустической аппаратуры указываются следующие виды мощностей:
- характеристическая , при которой акустическая система обеспечивает заданный уровень звукового давления (в международных рекомендациях на аппаратуру Hi-Fi он должен быть не менее 94 дБ на 1 м);
- паспортная (PHC, Power Handling Capacity), при которой акустическая система может работать на специальном шумовом сигнале длительное время (обычно 100 часов) без механических и тепловых повреждений (это самый распространенный вид мощности, указываемый в технической литературе);
- максимальная синусоидальная , обеспечивающая возможность проведения измерений на синусоидальном сигнале в течение 1 часа.

Специально для согласования с усилителями введены еще два вида мощностей: долговременная и кратковременная максимальная мощность (в немецком стандарте DIN 45500 введена близкая к последней по определению мощность - "музыкальная"). Для испытаний используется шумовой сигнал, но испытания продолжаются по одной минуте десять раз с интервалом в две минуты и по одной секунде 60 раз с интервалом в одну минуту, соответственно.

Значения этих мощностей могут для одной и той же акустической системы отличаться в несколько раз. Например, характеристическая мощность - 35 Вт, максимальная синусоидальная - 50 Вт, паспортная - 90 Вт, долговременная - 100 Вт, кратковременная - 150 Вт.

В предыдущие годы в технической документации на отечественную аппаратуру указывалась номинальная мощность , которая определялась заданным уровнем нелинейных искажений. Она обычно и входила в название акустической системы, например, 35АС-01. Затем, после того как в международных стандартах перешли на другие виды мощностей, в названии начали указывать паспортную мощность, например, S-90. Через некоторое время в названиях фигурировала уже долговременная (или даже кратковременная) мощность, например, 150АС. Создается впечатление, что мощности все время растут, хотя в конструкции ничего не меняется. Дело только в различном определении мощностей, и многие фирмы пользуются этим в рекламных целях (поэтому требуется хорошая осведомленность пользователей в этих тонкостях).

Импеданс
Для согласования акустических систем с усилителями мощности очень большое значение имеет характер полного входного электрического сопротивления (импеданса) . Электрическое сопротивление реальных многополосных акустических систем и отдельных громкоговорителей имеет комплексный характер, зависящий от частоты, что показано на рис. 8.

Обычно в национальных и международных стандартах предусматривается запись частотной зависимости модуля электрического сопротивления, хотя запись фазовых характеристик импеданса также очень полезна и часто приводится в современных каталогах. Схема измерений показана на рис. 9. В современных цифровых компьютерных станциях измеряются комплексные частотные характеристики (амплитудные и фазовые) входного электрического сопротивления.

Характер зависимости импеданса акустической системы от частоты определяется видом низкочастотного оформления (закрытый, с фазоинвертором, с пассивным излучателем и др.), параметрами головок громкоговорителей, свойствами фильтрующе-корректирующих цепей, используемых в системе, и др.

В каталогах на аппаратуру задается обычно значение импеданса на частоте, соответствующей минимуму кривой (рис. 8) с допустимым отклонением 20%. Например, если в технической документации задано номинальное значение 8 Ом, то значение модуля импеданса на частоте электромеханического резонанса не должно быть ниже 6,3 Ом.

Электромеханические параметры и их измерение
Созданные за последние годы методы компьютерного расчета характеристик акустических систем в области низких частот требуют измерения у громкоговорителей, входящих в их состав, целого ряда "электромеханических" параметров, называемых "параметры Small-Thiele " (по фамилиям ученых, разработавших эти методы):
- активного сопротивления звуковой катушки Rе ;
- частоты основного резонанса fs ;
- добротностей: Qts (полной), Qes (электрической), Qms (механической);
- эквивалентного объема Vas ;
- эффективной площади излучения Sd ;
- максимального смещения звуковой катушки Xd и др.

Некоторые из этих параметров можно определить из записанной частотной характеристики входного электрического сопротивления.

Частота основного резонанса fs определяется как частота, при которой значение модуля полного электрического сопротивления имеет первый главный максимум (рис. 8). Частота может измеряться непосредственно или определяться из записанной частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления. В некоторых случаях, особенно при измерениях высокочастотных громкоговорителей, более точным методом является определение резонансной частоты из фазочастотной характеристики (как частоты, при которой ФЧХ проходит через ноль).

Добротность - полная Qts , механическая Qms и электрическая Qes в электроакустических преобразователях связаны между собой соотношением:
1/Qts = 1/Qms + 1/Qes .

Добротность характеризует затухание в системе (которое зависит от поглощения звука в подвижной системе, в корпусе АС и т. д.). Чем больше затухание, тем меньше добротность, и наоборот. Если на резонансной кривой импеданса пик узкий и высокий, значит добротность большая, а затухание малое. В хороших акустических системах добротность должна быть малая, в пределах 0,7-1,1.

Наибольшее распространение получили методы определения добротности, использующие измерения частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления на синусоидальном сигнале или измерения параметров переходного процесса в электрической цепи излучателя.

Измерения проводятся по схеме, изображенной на рис. 9: при плавном изменении частоты определяется частота f0 , при которой показания вольтметра будут максимальными (Umах ); затем определяется частота fэм , соответствующая минимальным показаниям (Umin); а также отмечаются две частоты f1 и f2 , расположенные в области f1 < f0 < f2 , на которых напряжения равны U1 = U2 .

Величина этих напряжений определяется как

где R0 - сопротивление громкоговорителя на постоянном токе, а /Z/max - максимальное значение модуля. В этом случае механическая добротность равна:

Полная добротность определяется как:

Электрическая добротность вычисляется по уже приводившейся формуле 1/Qts = 1/Qms + 1/Qes .

Эквивалентный объем Vas определяется как закрытый объем воздуха, имеющий акустическую гибкость, равную гибкости подвижной системы громкоговорителя:
Vas = Vв [(fc/fs)2 - 1] ,
где fs - резонансная частота громкоговорителя без оформления, fc - резонансная частота громкоговорителя, помещенного в закрытый корпус объемом Vв с хорошей герметизацией. Объем ящика выбирается из условия:

Кроме того, необходимо знать максимально допустимое смещение звуковой катушки. Эти параметры в настоящее время обязательно указываются в каталогах на низкочастотные громкоговорители.

Современная цифровая техника позволяет использовать быстрые и точные методы определения всей совокупности электромеханических параметров. Сначала записывается переходная характеристика громкоговорителя (в соответствующем корпусе) по напряжению в звуковой катушке. Затем численными методами идентифицируются коэффициенты электрической цепи, переходная характеристика которой совпадает с измеренной, и из полученных таким образом характеристик вычисляются указанные выше параметры. Этот метод реализован в современных компьютерных метрологических станциях.

В целом, в компьютерных станциях и программах (MLSSA, CLIO и др.) заложена возможность измерения более тридцати электроакустических характеристик. Некоторые фирмы дают подробнейшие данные на свою аппаратуру, в то же время другие приводят два-три параметра. Однако в настоящее время имеются международные стандарты (например, IEC 581-7), которые определяют минимальные требования на бытовую и профессиональную аппаратуру, и которые являются обязательными для представления в технической документации на все виды аппаратуры.

Еще один очень важный момент при оценке параметров электроакустической аппаратуры, особенно для нашей страны - это устойчивость и надежность характеристик при эксплуатации в различных климатических и механических условиях. В соответствии с ними образцы аппаратуры, предварительно измеренные по всем параметрам, помещаются на определенное время в соответствующие условия (камеры тепла, холода, влажности и т. д.). Затем, после выдержки, снова проверяется их работоспособность и параметры. В каталогах на аппаратуру обязательно должны указываться допустимые условия эксплуатации по температуре, влажности и др.

Параметры, указываемые в современных каталогах на акустические системы, можно показать на примере АС фирмы Tannoy 215 DMT II: амплитудно-частотная характеристика (frequency response) - от 35 Гц до 35 кГц (+/-3 дБ); чувствительность (sensitivity) - 104 дБ/Вт/м; нелинейные гармонические искажения (THD) < 0,5%; паспортная мощность (PHC) - 200 Вт; пиковая мощность (peak) - 500 Вт; угол излучения - 90 град (-6 дБ).

Субъективные экспертизы
Все виды электроакустической аппаратуры, кроме измерения объективных параметров, должны подвергаться обязательной процедуре субъективной оценки качества звучания (что принципиально отличает электроакустическую аппаратуру от других электронных приборов). Вызвано это тем, что, поскольку до настоящего времени не завершено решение проблемы расшифровки слухового образа, нет уверенности, что даже измерение тридцати и более параметров гарантирует необходимое качество звучания.

В практике конструирования акустической аппаратуры можно привести немало примеров, когда, например, два акустических агрегата с примерно одинаковыми объективными параметрами получают разные оценки при субъективном прослушивании. Чтобы обеспечить максимальную повторяемость и стабильность оценок при субъективной экспертизе, в международных стандартах (которые в настоящее время подвергаются существенной доработке в связи с переходом на системы пространственного звука) четко оговариваются условия проведения испытаний, требования к выбору помещения, программного материала, выбору экспертов, методов оценок и статистической обработке материалов.

В следующих статьях будут рассмотрены конструкции акустических систем (громкоговорителей) и их основных элементов с использованием приведенных выше параметров.

Все искажения звука в аудио аппаратуре тесно взаимосвязаны между собой и их не всегда можно отделить друг от друга. Искажения звука подразделяются на линейные и нелинейные.

возникают в результате ограничения диапазона частот усилителя при неравномерности АЧХ более +- 1.5Дб. Дело в том, что наш слух обладает высокой чувствительностью к импульсным сигналам с фронтом длительностью несколько микросекунд. Для воспроизведения таких крутых фронтов сигнала в звуковом диапазоне (20-20000Гц) необходим усилитель с частотой воспроизведения не менее 100кГц, так как от этой максимальной частоты зависит скорость прохождения фронта импульсного сигнала.

Психоакустикой определено, что гармоники человеческого голоса простираются до 60кГц, а музыкальных инструментов на много выше. Поэтому, эти неслышимые гармоники определяют основную тембровую окраску звука. Также психоакустикой доказано, что человек с трудом воспринимающий монотонный сигнал с частотой 10кГц легко распознаёт недостаток более высоких частот в музыкальном материале и голосе. Именно по этим причинам вся звукоусилительная аппаратура и акустические системы имеют определённые трудности в обеспечении натуральности и естественности звучания.

возникают в результате неравномерности (более 5 градусов) формы импульсов сигналов в рабочем диапазоне частот усилителя. Восприятие звуковых сигналов одного и того же спектрального состава, но с разными начальными фазами гармоник не равноценно, так как изменение начальных фаз сопровождается изменением амплитуды суммарного сигнала. Для незаметности фазовых искажений полоса частот усилителя должна быть не уже 10 - 50000Гц, тогда фазовые искажения не будут превышать 2 градуса.

Для повышения линейности двухтактного усилителя необходима симметрия всех каскадов и введение местных ООС. Но, реальной - изначальной симметрии в двухтактных усилителях не существует. Потому, разброс параметров пар комплементарных транзисторов будет всегда сопровождаться гармоническими искажениями. При увеличение глубины ООС в несколько раз качество звука не улучшается, несмотря на значительное уменьшение нелинейных искажений. Однако, при очень глубокой ООС снижается устойчивость всего усилителя, и в области НЧ возникают задержки сигнала, а также увеличивается спад АЧХ на краях диапазона. Очевидно, что качество звучания определяется не глубиной ООС, а изначальной линейностью всего усилителя без ООС. Следовательно, ориентируясь на ламповые усилители мощности можно сделать вывод, что допустимый коэффициент гармонических искажений (без ООС) должен быть не более 4%. К тому же динамическая нелинейность транзисторов частично устраняется в схеме с общей базой и в каскоде. Поэтому желательно совместно таким включением транзисторов использовать генераторы стабильного тока, так как ток в цепи базы определяется внутренним сопротивлением источника тока и мало зависит от входного сопротивления проходных - сигнальных транзисторов.

первого рода (центральная отсечка - "ступенька") возникают в эмиттерных повторителях и имеют сильно выраженную S-образную форму. Для борьбы с ней в качестве источника сигнала выходных транзисторов рекомендуется применять генератор тока, а ток покоя выходных транзисторов выставлять более 50ма.

второго рода обусловлены индивидуальными различиями временных и частотных свойств мощных биполярных комплементарных транзисторов. Так как в момент перехода через ноль на крутых фронтах сигнала возникают временные задержки, вызванные процессом коммутации, которые приводят к переходным искажениям. При мгновенном усилении транзистора изменяется ток коллектора, который изменяется несколько раз в течении одного периода. Это явление сказывается на нелинейности амплитудной характеристики усилителя и порождает новые, специфические. В силу особенностей р-n переходов подвижность носителей транзисторов p-n-p типа много хуже, чем транзисторов n-p-n типа. Ёмкости р-n переходов из-за конструктивных особенностей больше и требуют более мощных управляющих сигналов. Поэтому, для уменьшения нелинейности необходимо подключать выравнивающие резисторы и увеличивать входное сопротивление выходного каскада.

обусловлены разным наклоном характеристики передачи транзисторов разной проводимости. Все переходные искажения звука можно минимизировать переводом усилителя в однотактный режим класса "А" . Применение ООС не даёт существенного уменьшения переходных искажений, так как общее усиление на ВЧ частотах снижается, а усиления в окрестности нулевой точки не хватает.

возникают в результате нелинейности амплитудно частотной характеристики (АЧХ) аудио аппаратуры. При усилении звукового сигнала модулируются новые комбинации частот, которых в исходном сигнале нет, так как в конструкции усилителя применяются нелинейные элементы, на которых перемножается звуковой сигнал и образуются интермодуляционные искажения. Широкополосность исходного (без ООС) усилителя мощности - полная гарантия низких интермодуляционных искажений.

возникают в в результате запаздывания звукового сигнала по петле обратной связи и зависят от полосы пропускания исходного усилителя без ООС. Недостаточно высокая частота пропускания исходного (без ООС, меньше 30кГц) усилителя приводит к увеличению высших гармоник из-за снижения глубины общей ООС. Глубокая ООС срезает только "гладкие" искажения и является причиной динамических искажений и неустойчивой работы усилителя.

возникают в результате подключения реальной нагрузки (АС) и соединительных кабелей . При подаче на АС мощных импульсных сигналов ток этих сигналов много раз превышает ток такой же амплитуды синусоидального сигнала, что уменьшает комплексное сопротивление АС и перегружает усилитель на импульсе. Короткие и толстые провода частично компенсируют эти искажения звука. Но обратный отклик от АС передаётся по обратной связи усилителя мощности и способствует образованию нелинейных искажений. Как выход из положения отказ от ООС.

Если суммировать все искажения звука, то усилитель с минимальными искажениями должен работать без ООС в однотактном режиме класса "А", с граничной частотой 100кГц, при неравномерности АЧХ +-1.5Дб. Серийный усилитель "Grimmi" обладает всеми этими требованиями и имеет граничную частоту 200кГц, при неравномерности АЧХ -3Дб.

Министерство образования и науки РФ.

Федеральное агентство по образования.

Елецкий государственный университет им. .

Инженерно-физический факультет.

Кафедра радиоэлектроники и компьютерной техники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по теме: «искажения в ламповых, транзисторных, цифровых УМЗЧ».

Выполнил: Студент группы Ф-51

Принял: Ст. преп.

Елец–2008.

О заметности нелинейных искажений......................................... 3 Лампы, транзисторы и “цифры” в УЗЧ.......................................... 6 Характеристики нелинейных искажений.................................Методика коррекции нелинейных искажений.........................Список использованных источников..........................................

О заметности нелинейных искажений.

Вся история звуковоспроизведения складывалась из попыток приблизить иллюзию к оригиналу. И хотя путь пройден громадный, до полного приближения к живому звуку еще очень и очень далеко. Отличия по многочисленным параметрам могут быть измерены, но и не мало их остается пока вне поля зрения разработчиков аппаратуры. Одной из главных характеристик, на которую потребитель с любой подготовкой всегда обращает внимание, является коэффициент нелинейных искажений (КНИ).

И какая же величина этого коэффициента достаточно объективно свидетельствует о качестве устройства? Нетерпеливые могут сразу найти попытку ответа на этот вопрос в конце. Для остальных продолжим. Этот коэффициент, который еще называют коэффициентом общих гармонических искажений, представляет собой выраженное в процентах отношение эффективной амплитуды гармонических составляющих на выходе устройства (усилителя, магнитофона и т. п.) к эффективной амплитуде сигнала основной частоты при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала этой частоты. Таким образом, он позволяет количественно оценить нелинейность передаточной характеристики, которая проявляется в появлении в выходном сигнале спектральных составляющих (гармоник), отсутствующих во входном сигнале. Другими словами, происходит качественное изменение спектра музыкального сигнала. Кроме объективных гармонических искажений, присутствующих в слышимом звуковом сигнале, существует проблема искажений, которые отсутствуют в реальном звуке, но ощущаются из-за субъективных гармоник, возникающих в улитке среднего уха при больших величинах звукового давления. Слуховой аппарат человека является нелинейной системой. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии на барабанную перепонку синусоидального звука с частотой f в слуховом аппарате зарождаются гармоники этого звука с частотами 2f , 3f и т. д. Поскольку в первичном воздействующем тоне этих гармоник нет, они получили название субъективных гармоник.

Естественно, это еще больше осложняет представление о предельно допустимом уровне гармоник звукового тракта. При увеличении интенсивности первичного тона величина субъективных, гармоник резко возрастает и может даже превысить интенсивность основного тона. Это обстоятельство дает основание для предположения о том, что звуки с частотой менее 100 Гц ощущаются не сами по себе, а из-за создаваемых ими субъективных гармоник, попадающих в область частот свыше 100 Гц, т. е. из-за нелинейности слуха. Физические причины возникающих аппаратных искажений в различных устройствах имеют разную природу, и вклад каждого в общие искажения всего тракта неодинаков. Искажения современных CD-проигрывателей имеют очень низкие значения и практически незаметны на фоне искажений других блоков. Для акустических систем наиболее существенными являются низкочастотные искажения, обусловленные басовой головкой, и стандартом оговариваются требования только для второй и третьей гармоник в области частот до 250 Гц. И для очень хорошо звучащей акустической системы они могут быть в пределах 1% или даже несколько больше. В аналоговых магнитофонах главной проблемой, связанной с физическими основами записи на магнитную ленту, является третья гармоника, значения которой обычно и приводятся в инструкции для сведения. Но максимальное значение, при котором, например, всегда производятся измерения уровня шумов, это 3% для частоты 333 Гц. Искажения же электронной части магнитофонов значительно ниже.

Как в случае акустики, так и для аналоговых магнитофонов, благодаря тому, что искажения в основном низкочастотные, субъективная заметность их сильно падает из-за эффекта маскировки (который заключается в том, что из двух одновременно звучащих сигналов лучше слышен более высокочастотный). Так что главным источником искажений в вашем тракте будет усилитель мощности, в котором, в свою очередь, основным является нелинейность передаточных характеристик активных элементов: транзисторов и электронных ламп, а в трансформаторных усилителях также добавляются нелинейные искажения трансформатора, связанные с нелинейностью кривой намагничивания. Очевидно, что с одной стороны искажения зависят от формы нелинейности передаточной характеристики, но также и от характера входного сигнала.

Например, передаточная характеристика усилителя с плавным ограничением при больших амплитудах не вызовет никаких искажений для синусоидальных сигналов, меньших уровня ограничения, а при увеличении сигнала выше этого уровня искажения появляются и будут увеличиваться. Такой характер ограничения присущ в основном ламповым усилителям, что в какой-то мере может служить одной из причин предпочтения таких усилителей слушателями. И эту особенность использовала фирма NAD в серии своих нашумевших усилителей с "мягким ограничением", выпускавшихся с начала 80-х годов: возможность включения режима с имитацией лампового ограничения создала многочисленную армию поклонников транзисторных усилителей этой фирмы. Напротив, характеристика усилителя с центральной отсечкой (искажения типа "ступенька"), которая характерна для транзисторных моделей, вызывает искажения музыкальных и малых синусоидальных сигналов, а с увеличением уровня сигнала искажения будут уменьшаться. Таким образом, искажение зависит не только от формы передаточной характеристики, но также от статистического распределения уровней входного сигнала, которое для музыкальных программ близко к шумовому сигналу. Поэтому, кроме измерения КНИ с использованием синусоидального сигнала, возможен метод измерений нелинейных искажений усилительных устройств с использованием суммы трех синусоидальных или шумового сигнала, дающих в свете вышесказанного более объективную картину искажений.

К сожалению, последние не получили международного признания и широкого распространения. Недостаточно отработанную методику измерения КНИ убедительно демонстрирует так называемый "транзисторный парадокс". В самом деле, как объяснить, что по результатам многочисленных субъективных экспертиз ламповые усилители с КНИ, в сотни и даже тысячи раз большим чем у транзисторных, получают явное предпочтение? Анализ спектрального состава искажений лампового и транзисторного усилителей показывает их существенное различие: в ламповых основной вклад в искажения вносят гармоники низкого порядка, и интенсивность их пропорционально убывает с увеличением номера гармоники, в транзисторном спектр значительно шире, а интенсивность составляющих не поддается какой-либо закономерности.

Очевидно, что с учетом эффекта маскировки влияние на субъективное восприятие гармонических составляющих искажений низкого порядка ослабляется, и тем самым подчеркивается роль высших гармоник. Таким образом, для более правильной оценки искажений необходимо было бы при определении эффективной амплитуды искажений вводить весовые коэффициенты при суммировании гармоник, причем влияние высших гармоник должно увеличиваться. Однако общепринятые методики и для таких измерений отсутствуют. Для типовой формы нелинейности типа "ступенька" уровень заметности искажений на слух для синусоидального сигнала 0,1% , а для музыкальных сигналов 1%.

Нелинейные искажения измеряются в диапазоне частот от 40 Гц до 16 кГц и в диапазоне уровней от номинального выходного уровня до уровня минус 23 дБ. КНИ современных усилителей обычно находится пределах от 0,001 до 296. Для усилителей класса hi-fi международные стандарты (МЭК 581-6 и др.) устанавливают норму на искажения в 0,7%. Для проверки заметности искажений своей домашней системы можно использовать специальные записи с привнесенным, строго установленным уровнем искажений. Например, на тестовом CD "MY DISC" (фирма Sheffild Lab) имеется дюжина дорожек с записями отдельно синусоидального и музыкального сигнала с уровнями искажений 0,03%, 0,1% и так далее с постепенно увеличивающимися искажениями вплоть до 10%.

Лампы, транзисторы и “цифры” в УЗЧ.

Легенды о нерегистрируемых никакими приборами специфических цифровых искажениях, убивающих звук, столь же абсурдны , как и телепатия или
"транзисторный" звук. Как ни странно, в среде аудиофилов до сих пор ходит байка о некоем "бездуховном" начале в транзисторных усилителях (в отличие от ламповых) и "транзисторных" искажениях, не регистрируемых измерительными приборами. Однако ещё в конце семидесятых годов это явление было всесторонне исследовано и подробно объяснено в многочисленных статьях, в том числе и в общедоступном радиолюбительском журнале "Радио". Сущность "транзисторного" звука заключается в различной скорости спада амплитуды гармоник нелинейных искажений и весьма малом относительном количестве чётных гармоник у транзисторных усилителей. Для ламповых усилителей характерно экспоненциальное (гораздо более быстрое), а для транзисторных усилителей обратно пропорциональное (медленное) убывание амплитуд гармоник с ростом частоты. При этом в ламповых усилителях наблюдается психоакустическое явление (кстати, положенное в основу стандарта звуковой компрессии MPEG) маскирования несколькими первыми гармониками почти всех гармоник с большей частотой. Таким образом, субъективно к сигналу в ламповом усилителе добавляется всего несколько первых чётных и нечётных гармоник, причём их уровень должен быть довольно значительным. Обычно ламповый усилитель класса hi-end имеет коэффициент нелинейных искажений от 0,5% до 3,0% (например, усилитель "Первый" за 900 долларов, упомянутый в обзоре hi-end-усилителей в журнале "Салон Audi o-Video", №6, стр 61).

Следует отметить, что по тому же принципу работают студийные эффект-процессоры обработки звука – эксайтеры. В некотором роде ламповый усилитель и есть эксайтер. Именно поэтому ламповые усилители с очень малыми нелинейными искажениями не пользуются популярностью в среде аудиофилов, характеризующих их звук как отстранённый, неэмоциональный, не добавляющий яркости сигналу, близкий к звуку транзисторного усилителя с очень малыми нелинейными искажениями. В транзисторных усилителях эффект маскирования проявляется значительно слабее, благодаря чему эффект эксайтинга выливается в добавление звуковой "грязи" и "песка". Поэтому для получения звучания, хотя бы немного приближающегося к "ламповому", требуется на порядок уменьшить коэффициент нелинейных искажений. Это сложная техническая задача, и её решение современными методами не всегда экономически оправданно. Проще говоря, ламповый усилитель, произведенный в Юго-Восточной Азии, может стоить значительно дешевле транзисторного hi-end-усилителя американского или европейского производства при субъективно одинаковом качестве звука. Что на самом деле и привело к кризису и разорению в начале 1998 года многих небольших американских фирм, работавших на рынке hi-end (см. журнал "Class A", март 1998).

Для дешёвых АЦП и ЦАП характерно отсутствие уменьшения амплитуд гармоник с ростом частоты. Проведённые измерения на звуковых картах в ценовом диапазоне от 10 до 60 долларов показали, что для этих карт все гармоники вплоть до частоты дискретизации, деленной на два, могут иметь одинаковую амплитуду. Это очень тяжёлая с точки зрения психоакустики ситуация. Такие АЦП/ЦАП, несмотря на довольно низкий коэффициент гармоник (обычно 0,02-0,04%), имеют как бы утрированное транзисторное звучание и очень хорошо "убивают" звук. В более дорогих моделях АЦП/ЦАП, где спад амплитуд гармоник подчиняется обратно пропорциональному закону, звук имеет уже обычную "транзисторную" окраску. Однако сейчас появились 22-24-битные АЦП/ЦАП производства фирмы Analog Devices с очень низким (до 0,002%)коэффициентом гармоник. Они, например, используются в цифровом процессоре эффектов Boss GX700, имеющем, по отзывам многих знаменитых западных музыкантов, даже более "ламповое" звучание, чем многие истинно ламповые hi-fi-усилители. К сожалению, в продаже почему-то до сих пор нет дешёвых массовых звуковых карт на основе этих последних наиболее совершенных и недорогих (всего 75 долларов) моделей АЦП от фирмы Analog Devices.

Интересно, что в Петербурге сразу несколько небольших фирм предлагают заказные многоканальные студийные оцифровщики на основе этих АЦП. Конечно, их цена больше 75 долларов. Некоторые методы борьбы с "цифровыми" искажениями. Иногда ламповые усилители используются для "оживления звука" при окончательной подготовке фонограммы. На некоторых российских и зарубежных фирмах полностью записанная и сведенная в "цифре" фонограмма переводится в аналог, пропускается через несколько ламповых эквалайзеров (например, TL Audio G400) или усилителей, снова оцифровывается и записывается на CD-R или магнитооптический диск. Конечно, какой-то положительный эффект от этой процедуры будет, но, по-видимому, только при прослушивании записи через транзисторный усилитель. В случае же использования лампового усилителя двойное прохождение сигнала через лампы (на стадии записи и воспроизведения) может окончательно "убить" звук. Предпринимались попытки цифрового моделирования лампового усилителя. Однако RedValve (plug-in для WaveLab) не впечатлил меня, хотя некоторое сходство со звуком недорогого лампового усилителя, несомненно, ощущается. И потом, ламповые усилители воспроизводят высокие частоты (8-20 кГц) не столь уж и хорошо. Рекомендую проделать простой опыт: отфильтровать цифровым (аналоговый вносит фазовые искажения) фильтром в фонограмме диапазон 8-20 кГц и воспроизвести его через ламповый и транзисторный усилитель с обычными параметрами АЧХ от 20 Гц до 30 кГц и нелинейными искажениями на уровне 0,01% (такой стоит неболее 100 долларов). (Строгие математические определения АЧХ и коэффициент нелинейных искажений можно найти в "Компьютере" № 000.) В этих условиях в экспериментах эксперты не отдавали никакого предпочтения ламповому усилителю. Многим экспертам не понравилось некоторое смягчение атаки лампами при воспроизведении звуков тарелочек и недостаточно "глубокое" воспроизведение самых низких частот из-за "врождённых" ограничений трансформаторных усилителей. Так что преимущество "лампового" звука, по-видимому, проявляется только при воспроизведении средних частот (Гц).

С точки зрения имитации "живого" звука чисто цифровыми методами очень интересен процессор Boss GX700. Он полностью "в цифре" в реальном масштабе времени создаёт типизированную виртуальную студию звукозаписи. Сначала входной сигнал (с электрогитары и др.) поступает на 20-битный высококачественный АЦП. Далее оцифрованный сигнал обрабатывается имитатором лампового усилителя и эквалайзера. Причём можно выбрать типовые устройства из большого списка реально продающихся на рынке аналоговых усилителей. Затем сигнал поступает на speaker simulator, симулятор звуковых колонок, играющий очень важную роль при "оживлении" звука. Тип виртуальных "цифровых колонок" можно выбрать из обширного списка реально существующих на аудиорынке. После "цифровых колонок" сигнал поступает на ревербератор, имитирующий акустические свойства помещений студий звукозаписи. Размеры помещений и величину коэффициента затухания процессов реверберации можно выбрать из списка и подрегулировать вручную.

Кроме ревербератора на этой стадии можно подключить звуковые эффекты флэнжер, хорус, фэйзер, гармонайзер, питч-шифтер, дилэй. Далее сигнал поступает на имитатор микрофона, тип которого, конечно же, можно выбрать из большого списка. Можно также выбрать местоположение микрофона в виртуальной студии. Затем сигнал поступает на имитатор лампового микрофонного предусилителя и, наконец, подаётся на выход процессора обработки звука Boss GX700. И всё это работает в реальном времени! К сожалению, чисто программной реализации подобного устройства для персонального компьютера пока не реализовано. Можно запрограммировать нечто, хотя бы приближающееся по функциональным возможностям к Boss GX700.

На обычных музыкальных компакт-дисках сигнал записан с частотой дискретизации 44,1 кГц. Таким образом, теоретически максимально возможная частота записи будет равна 22,05 кГц. На практике большинство современных ЦАП среднего ценового диапазона при данной частоте дискретизации позволяет без заметных искажений воспроизводить частоты до 18-19 кГц. На более высоких частотах становится заметным влияние цифрового и аналогового интерполирующих фильтров, подавляющих частоты около 22 кГц до 40-50 и более децибел и вносящих, к сожалению, некоторые линейные, нелинейные и интермодуляционные искажения. Выбор частоты среза высоких частот на уровне 18-19 кГц, а не, например, выше 21 кГц, обусловлен в основном экономическими причинами. Сложность цифрового интерполирующего фильтра, а значит, и его цена, резко возрастают по мере приближения частоты среза к половине частоты дискретизации при заданном подавлении (40-50 дБ) вблизи половины частоты дискретизации. Если предположить, что музыкальный компакт-диск записан с применением оверсэмплинга и высококачественного цифрового фильтра с частотой среза около 21 кГц, а в вашем проигрывателе компакт-дисков или звуковой карте (если вы прослушиваете музыку на ПК) используется дешёвый ЦАП со слабеньким цифровым фильтром с частотой среза 18 кГц, то, очевидно, при воспроизведении качество звука на самых высоких частотах заметно ухудшится. Можно легко убедиться в наличии этого эффекта и даже несколько уменьшить его проявление следующим образом.

Многие даже очень дешёвые звуковые карты (Opti-931, Acer S23) поддерживают частоту дискретизации 48 кГц. При её использовании включается частота среза цифрового фильтра не 18-19 кГц, как для частоты дискретизации 44,1 кГц, а 20-21 кГц (так как 48 кГц > 44,1 кГц), то есть как у более дорогих ЦАП. Это можно использовать для получения более качественного звука на высоких частотах. Сначала надо импортировать (сграбить) в цифровом виде (без ЦАП/АЦП-преобразований) в wav-файл дорожку (трек) с музыкального компакт-диска на жёсткий диск с помощью программ WaveLab 1.6 или WinDac32. Затем, используя программы WaveLab, CoolEdit или EDS TOOLS, произвести передискретизацию цифрового сигнала со стандартной частоты дискретизации 44,1 кГц на 48 кГц. В этих пакетах программно реализованы высококачественные 32-битные цифровые фильтры с характеристиками самых дорогих студийных устройств. Полученный wav-файл можно воспроизвести стандартным мультимедиа-проигрывателем Windows 95 или программой WaveLab. Такие операции, проделанные для звуковых карт Opti-931, Yamaha SA700, Monster Sound 3D, Ensoniq Soundscape Elite, Acer S23 и во всех случаях получилается довольно заметное улучшение воспроизведения самых высоких частот.

Характеристики нелинейных искажений.

Нелинейные искажения возникают в усилителе вследствие нелинейности его сквозной динамической характеристики. Предположим, что мы имеем дело с транзисторным каскадом, возбуждаемым от источника гармонической ЭДС e г с весьма малым внутренним сопротивлением R Г, во много раз меньшим входного сопротивления транзистора R BX. В этом случае напряжение сигнала база-эмиттер u бэ = e г – R Г·i б практически можно считать гармоническим, так как R Г·i б « e г, и тогда u бэ ≈ e г. В этих условиях нелинейные искажения будут зависеть от вида динамической характеристики прямой передачи (1, на рисунке ниже). Кривая 2 выражает

Характер нелинейных искажений 1.

изменение напряжения на базе. По виду кривой 3 можно установить, что изменения коллекторного тока не являются гармоническими колебаниями; помимо основной частоты ток i K содержит вторую (4), третью и т. д. гармоники. При неравных размахах тока относительно тока покоя I К очевидно, что существуют чётные гармоники, особенно вторая. При симметричном характере искажений (рис. ниже) возникают нечётные гармоники (в частности, третья), которая обычно оказывается преобладающей.

Уровень нелинейных искажений усилителей гармонических сигналов оценивается, в первую очередь, по коэффициенту гармоник – отношению среднеквадратической суммы напряжения или тока высших гармоник сигнала, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению или току основной частоты:

;

при расчётах удобнее пользоваться амплитудными значениями тока и тогда

.

Характер нелинейных искажений 2.

При усилении сигналов звуковой частоты с точки зрения обнаружения на слух нелинейных искажений наибольшую роль играют составляющие комбинационных частот |f 1±f 2|, |2f 1±f 2|, |2f 2±f 1|, возникающие при подаче на вход усилителя по крайней мере двух гармонических напряжений с частотами f 1 и f 2. Появление гармоник 2f 1, 2f 2, 3f 1 3f 2, … в процессе усиления сказывается на характере звучания значительно меньше. Это объясняется тем, что вообще гармоники (обертоны) являются составной частью звуковых сигналов (речи, музыки и т. д.). Таким образом, в реальных условиях на вход УЗЧ поступает напряжение, спектр которого содержит f 1, 2f 1, 3f 1, ..., f 2, 2f 2, 3f 2, .... Гармоники, возникающие в результате нелинейных искажений, просто суммируются с начальными и сравнительно мало ухудшают качество передачи. Наоборот, составляющие комбинационных частот (в особенности разностных типа |f 1–f 2|, |f 1–2f 2|, |2f 1–f 2|, ...) появились в процессе усиления, и поэтому они, главным образом, и создают искажение сигнала.

Несмотря на то, что восприятие на слух искажений в основном зависит от относительных амплитуд комбинационных частот, за меру нелинейных искажений обычно принимают коэффициент гармоник. Это объясняется, с одной стороны, тем, что амплитуды комбинационных частот и гармоник пропорциональны. Так, амплитуда разностного тона |f 1–f 2| пропорциональна амплитуде второй гармоники, более сложно образованного тона |f 1–2f 2| третьей гармонике. С другой стороны, приборы, предназначенные для измерения коэффициента гармоник, например С6-1, значительно про­ще анализаторов спектра С4-12, позволяющих измерять его отдельные составляющие.

Нелинейные искажения на слух незаметны, если коэффициент гармоник невелик (k г <0,2...0,5%). Нормированные значения коэффициента гармоник усилителей высшего класса составляют сотые доли процента. Для усилителей вещательных трактов I класса в области средних частот коэффициент гармоник не должен превышать 2,5%, а на нижних частотах из-за искажений, вносимых магнитной цепью выходного трансформатора, – 4%.

Групповые усилители многоканальной связи должны обладать высокой степенью линейности для того, чтобы продукты нелинейности (гармоники и комбинационные частоты) из одного канала (сравнительно узкого спектра частот, занимающего определенное место в частотном интервале) не попали в остальные (которых может быть сотни и тысячи). Для оценки степени искажений используются затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам, равные 20lg (1/ k г2) и 20lg (1/ k г3), где k г2 = U 2.2/U 2f, k г3 = U 2.3f/U 2. В соответствии с первой формулой этого раздела в данном случае

.

Допустимые значения затуханий нелинейности для второй гармоники порядка 76 дБ и для третьей 104 дБ (k г2 = 0,016%, k г3 = 0,00063%) при Р 2=1 мВт.

Другой мерой, характеризующей влияние нелинейности УЗЧ, является коэффициент интермодуляционных искажений. Для измерения этого показателя на вход усилителя подаются два гармонических напряжения с частотами f 1 = 50 Гц и f 2 = 6 кГц (или 10 кГц). Амплитуды этих напряжений относятся как 4:1. Отношение амплитуды разностной частоты f 2–f 1 к амплитуде выходного напряжения частоты 50 Гц и представляет собой коэффициент интермодуляционных искажений; допустимое значение этого коэффициента принимается равным (1...1,5)k г.

При усилении импульсных сигналов, модулированных по длительности, нелинейность динамической характеристики не играет роли. Если же при передаче информации изменяется размах импульсов (как это имеет место при передаче изображения), то изменяется контрастность видимой картины, т. е. нарушается относительная плотность (градации) полутонов. Иногда для получения необходимой контрастности вводят определенного вида нелинейность. Уровень нелинейных искажений импульсных сигналов целесообразно оценивать коэффициентом нелинейности сигнала k нл, равного нормированному относительно максимального значения изменению крутизны (производной) динамической характеристики; так, в случае зависимости u 2 = f (u 1)

где k max и k min – наибольшее и наименьшее значения производной в пределах используемого участка характеристики.

Методика коррекции нелинейных искажений.

Зависимость выходного напряжения (тока) усилительного каскада или усилителя от входного напряжения (тока) выражается амплитудной характеристикой. На значительном участке она представляет собой прямую линию, начинающуюся почти из начала координат (от уровня собственных шумов усилителя U ш) и доходящую до таких амплитуд сигнала U вх. макс, при которых заметно сказывается нелинейность характеристик активного элемента (АЭ). Таким образом, амплитудная характеристика даёт возможность определить пределы изменения напряжений U вх и U вых (тока I вх и I вых), для которых усилитель с заданной точностью можно рассматривать как линейную систему (согласно рис. 7 в пределах U ш< U вых< U вых. макс).

Для упрощения рассмотрения действия обратной связи (ОС) на амплитудную характеристику: предположим, что входной сигнал представляет собой колебание синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Допустим, что напряжение на выходе усилителя искажено: отрицательная полуволна имеет амплитуду меньшую, чем положительная. Если усилитель охватить отрицательной ОС (ООС) по напряжению, то напряжение на выходе цепи ОС также будет иметь несимметричные полуволны: большая – положительная, меньшая – отрицательная. Поэтому в результате действия ООС больше ослабится положительная полуволна и меньше отрицательная и, как следствие, форма колебания на выходе усилителя станет более симметричной, т. е. нелинейные искажения сигнала уменьшатся.

Влияние ООС на амплитудную характеристику усилителя несложно пояснить графическим способом (положительная ОС увеличивает нелинейность амплитудной характеристики и поэтому не представляет практического интереса). Характеристика цепи ОС представляет собой прямую с углом наклона φ (рис.7), который можно найти из уравнения

.

.

При действия ОС для восстановления на выходе усилителя прежнего значения напряжения U вых необходимо напряжение от источника сигнала увеличить на значение напряжения U oc. Следовательно, амплитудную характеристику усилителя с ОС можно получить из амплитудной характеристики усилителя без ОС смещением вправо абсцисс последней на значения U ос. Из такого построения непосредственно следует линеаризующее действие ООС. При сильной ОС, когда К ос=1/β , амплитудная характеристика усилителя на значительном участке представляет собой прямую линию с углом наклона, оп­ределяемым из последней формулы.

Как следует из графика на рис.7 и уравнения U вых. ос/U вых=1+βК скв=F скв ОС позволяет при заданной степени искажений увеличить входную и выходную амплитуды в F скв раз. Используя экспериментально снятые амплитудные характеристики усилителя с ОС и без неё, можно определить: глубину ОС (при условии U вх=U вх. ос=const ); коэффициент ОС (при условии U вых=U вых. ос=const ). Это позволит в конечном итоге сравнить параметры и характеристики, полученные путём расчёта и экспериментально.

Как известно, отклонение амплитудной характеристики усилителя от линейного закона приводит к нелинейным искажениям, суть которых заключается в том, что в выходном сигнале появляются колебания с частотами, которые отсутствуют в первоначальном сигнале, и тем самым изменяется спектральный состав и форма усиленного выходного сигнала. Наибольшие нелинейные искажения вносит оконечный каскад усилителя, так как он работает при достаточно больших амплитудах входного сигнала.

Уровень нелинейных искажений оценивают коэффициентом гармоник К г. Нелинейные искажении на слух незаметны, если К г мал (К г<0,2-0,5%). В усилителях среднего качества К г=3-5%, а высшего качества К г=0,5-1%.

Рассмотрим влияние ООС по напряжению на работу оконечного каскада усилителя. Вследствие нелинейных искажений в выходном сигнале каскада наряду с колебаниями, содержащимися во входном сигнале, появляется ряд высших гармоник – продукты нелинейности.

Поскольку ток ОС представляет часть выходного тока, то создаваемое им напряжение ОС также содержит продукты нелинейности. Вследствие того, что напряжение ООС подаётся на вход АЭ в противофазе с входным сигналом, то выходной ток, вызванный напряжением ОС, будет также в противофазе с выходным током каскада. В результате это уменьшит нежелательные амплитуды высших гармонических колебаний. Так с помощью ООС уменьшаются продукты нелинейности, создаваемые АЭ в каскаде усиления. Одновременно с их уменьшением снижается и мощность усиливаемого сигнала на выходе усилителя. Для ее восстановления на вход усилителя следует подать напряжение сигнала, увеличенное в F скв раз. При этом амплитуда выходного сигнала восстанавливается до прежнего значения, т. е. до значения, которое она имела бы в отсутствие ОС. Однако рост нелинейных искажений, который казалось бы, мог возникнуть с увеличением амплитуды входного сигнала, на самом деле не происходит, так как результирующее напряжение на входе активного элемента U вх. ос останется таким же, как и до введения ОС. Следовательно, амплитуды всех гармоник выходного тока, возникающих за счёт нелинейности, также будут уменьшены в F скв раз. Таким образом, ООС уменьшает К г прямо пропорционально глубине ОС, т. е. коэффициент гармоник каскада с ОС К г. ос=К г/F cкв.

В каскаде с транзистором образование продуктов нелинейности вызывается в основном двумя причинами: нелинейностью входной цепи транзистора и нелинейностью проходной и выходной его характеристик. На уровень нелинейных искажений влияют также амплитуда входного сигнала и сопротивления источника сигнала R и и нагрузки R н.

На рис.8 приведена зависимость К г от сопротивления источника сигнала R и для трёх схем включения транзистора: с ОЭ, ОБ и ОК. Как видно из рассмотрения рис.8, транзистор вносит наибольшие нелинейные искажения при использовании его по схеме с ОЭ. Наименьших нелинейных искажений можно добиться, включая его по схемам с ОБ и с ОК. Поэтому в оконечных каскадах высоколинейных усилителей желательно применять схему включения с ОБ или с ОК, а включение транзистора по схеме с ОЭ целесообразно использовать в предварительных каскадах, где отдаваемая ими мощность и напряжение сигнала гораздо меньше, чем в оконечном каскаде.

Следует заметить, что нелинейные искажения, возникающие из-за перегрузки оконечного каскада при сильных входных сигналах, ограничивают динамический диапазон изменения их выходных амплитуд, определяемый отношением U вых. макс/U ш (см. рис.7). Для усиления всего диапазона входных напряжений, динамические диапазоны по входу и выходу должны быть по крайней мере равны. Однако чаще всего динамический диапазон изменения входных сигналов больше динамического диапазона усилители, что приводит к появлению нелинейных искажений при усилении сигнала. Расширение динамического диапазона усилителя можно получить с помощью ООС. Это расширение прямо пропорционально глубине ОС.

Список использованных источников.

По материалам с веб-сайта http://referats. *****. По материалам с веб-сайта http://www. *****. Войшвилло устройства: Учебник для ВУЗ’ов. - 2’е изд., перераб. и доп. - М.: “Радио и связь”. 1983. - 264 с. Грам усилители. - М.: “Связь”. 1966. - 336 с.

В ся история звуковоспроизведения складывалась из попыток приблизить иллюзию к оригиналу. И хотя путь пройден громадный, до полного приближения к живому звуку еще очень и очень далеко. Отличия по многочисленным параметрам могут быть измерены, но и не мало их остается пока вне поля зрения разработчиков аппаратуры. Одной из главных характеристик, на которую потребитель с любой подготовкой всегда обращает внимание, является коэффициент нелинейных искажений (КНИ) .

И какая же величина этого коэффициента достаточно объективно свидетельствует о качестве устройства? Нетерпеливые могут сразу найти попытку ответа на этот вопрос в конце. Для остальных продолжим.
Этот коэффициент, который еще называют коэффициентом общих гармонических искажений, представляет собой выраженное в процентах отношение эффективной амплитуды гармонических составляющих на выходе устройства (усилителя, магнитофона и т.п.) к эффективной амплитуде сигнала основной частоты при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала этой частоты. Таким образом, он позволяет количественно оценить нелинейность передаточной характеристики, которая проявляется в появлении в выходном сигнале спектральных составляющих (гармоник), отсутствующих во входном сигнале. Другими словами, происходит качественное изменение спектра музыкального сигнала.

Кроме объективных гармонических искажений, присутствующих в слышимом звуковом сигнале, существует проблема искажений, которые отсутствуют в реальном звуке, но ощущаются из-за субъективных гармоник, возникающих в улитке среднего уха при больших величинах звукового давления. Слуховой аппарат человека является нелинейной системой. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии на барабанную перепонку синусоидального звука с частотой f в слуховом аппарате зарождаются гармоники этого звука с частотами 2f, 3f и т.д. Поскольку в первичном воздействующем тоне этих гармоник нет, они получили название субъективных гармоник.

Естественно, это еще больше осложняет представление о предельно допустимом уровне гармоник звукового тракта. При увеличении интенсивности первичного тона величина субъективных, гармоник резко возрастает и может даже превысить интенсивность основного тона. Это обстоятельство дает основание для предположения о том, что звуки с частотой менее 100 Гц ощущаются не сами по себе, а из-за создаваемых ими субъективных гармоник, попадающих в область частот свыше 100 Гц, т.е. из-за нелинейности слуха. Физические причины возникающих аппаратных искажений в различных устройствах имеют разную природу, и вклад каждого в общие искажения всего тракта неодинаков.

Искажения современных CD-проигрывателей имеют очень низкие значения и практически незаметны на фоне искажений других блоков. Для акустических систем наиболее существенными являются низкочастотные искажения, обусловленные басовой головкой, и стандартом оговариваются требования только для второй и третьей гармоник в области частот до 250 Гц. И для очень хорошо звучащей акустической системы они могут быть в пределах 1% или даже несколько больше. В аналоговых магнитофонах главной проблемой, связанной с физическими основами записи на магнитную ленту, является третья гармоника, значения которой обычно и приводятся в инструкции для сведения. Но максимальное значение, при котором, например, всегда производятся измерения уровня шумов, это 3% для частоты 333 Гц. Искажения же электронной части магнитофонов значительно ниже.
Как в случае акустики, так и для аналоговых магнитофонов, благодаря тому, что искажения в основном низкочастотные, субъективная заметность их сильно падает из-за эффекта маскировки (который заключается в том, что из двух одновременно звучащих сигналов лучше слышен более высокочастотный).

Так что главным источником искажений в вашем тракте будет усилитель мощности, в котором, в свою очередь, основным является нелинейность передаточных характеристик активных элементов: транзисторов и электронных ламп, а в трансформаторных усилителях также добавляются нелинейные искажения трансформатора, связанные с нелинейностью кривой намагничивания. Очевидно, что с одной стороны искажения зависят от формы нелинейности передаточной характеристики, но также и от характера входного сигнала.

Например, передаточная характеристика усилителя с плавным ограничением при больших амплитудах не вызовет никаких искажений для синусоидальных сигналов, меньших уровня ограничения, а при увеличении сигнала выше этого уровня искажения появляются и будут увеличиваться. Такой характер ограничения присущ в основном ламповым усилителям, что в какой-то мере может служить одной из причин предпочтения таких усилителей слушателями. И эту особенность использовала фирма NAD в серии своих нашумевших усилителей с "мягким ограничением", выпускавшихся с начала 80-х годов: возможность включения режима с имитацией лампового ограничения создала многочисленную армию поклонников транзисторных усилителей этой фирмы.
Напротив, характеристика усилителя с центральной отсечкой (искажения типа "ступенька"), которая характерна для транзисторных моделей, вызывает искажения музыкальных и малых синусоидальных сигналов, а с увеличением уровня сигнала искажения будут уменьшаться. Таким образом, искажение зависит не только от формы передаточной характеристики, но также от статистического распределения уровней входного сигнала, которое для музыкальных программ близко к шумовому сигналу. Поэтому, кроме измерения КНИ с использованием синусоидального сигнала, возможен метод измерений нелинейных искажений усилительных устройств с использованием суммы трех синусоидальных или шумового сигнала, дающих в свете вышесказанного более объективную картину искажений.