Elektrodynamische luidsprekers zijn de belangrijkste bron van niet-lineaire vervormingen in het geluidsweergavepad, vanwege hun inherente ontwerp en technologische kenmerken. Daarom behoren de taken van het creëren en verbeteren van methoden voor het meten van niet-lineaire vervormingen tot de belangrijkste. Niet-lineaire vervormingen worden gekenmerkt door het verschijnen van nieuwe spectrale componenten tijdens signaalconversie, die de tijdstructuur van het signaal vervormen afhankelijk van het niveau ervan.

De momenteel geaccepteerde classificatie maakt het mogelijk om onderscheid te maken in het frequentiedomein de volgende typen vervormingen (Fig. 2.10, a): harmonische eerste orden nf 0, waarbij n = 2,3; harmonische hogere ordes nf 0, waarbij n > 4; subharmonisch 1/nf 0 ; intermodulatie (verschil) (nf 1 ± mf 1), enz. Classificatie van niet-lineaire vervormingen kan ook worden uitgevoerd in het tijdsdomein (Fig. 2.10, b). Afhankelijk van het type vervorming, verschillende methoden hun metingen.

Meting van niet-lineaire vervormingen van de GG in het frequentiedomein. Om niet-lineaire vervormingen in de GG te evalueren, worden verschillende soorten testsignalen gebruikt: tonaal, ruis, puls, enz. Tonale (subharmonische of polyharmonische) signalen worden het meest gebruikt voor het meten van niet-lineaire vervormingscoëfficiënten (THD). Wanneer de GG wordt geëxciteerd door een sinusoïdaal signaal met frequentie fo (zoals weergegeven in figuur 2.10, a), kan het spectrum van het uitgezonden signaal harmonische eerste en hogere ordes en subharmonische componenten bevatten. Voor hen kwantificering De volgende typen SOI worden gebruikt in internationale en binnenlandse normen:

coëfficiënt harmonische vervorming De n-de orde wordt gedefinieerd als de verhouding, uitgedrukt in percentage of decibel, van de effectieve waarde van geluid druk nde harmonischen aan effectieve waarde geluidsdruk van een signaal dat de excitatiefrequentie en al zijn harmonischen p f bevat. Harmonische vervormingscoëfficiënt van de nde orde K Г n = (p nf /p f)100%. Deze coëfficiënt wordt gemeten volgens het schema getoond in Fig. 2.11, een. De berekening kan ook worden gemaakt met behulp van de geregistreerde amplitude-frequentiekarakteristieken van n harmonischen. Een voorbeeldopname van de frequentierespons van de tweede en derde harmonischen wordt getoond in Fig. 2.11, b.

Karakteristieke harmonische vervormingscoëfficiënt van de n-de orde K Г n = p nf /р ср·100, waarbij рср de gemiddelde geluidsdruk is in een bepaald frequentiebereik.

De totale harmonische vervormingsfactor en de totale karakteristieke coëfficiënt worden bepaald door de formules:
Meestal zijn ze beperkt tot het optellen van de coëfficiënten van de tweede en derde orde. Voor GG en huishoudelijke apparatuur normaliseert OST4.383.001-85 de waarden van de totale harmonische vervormingscoëfficiënt KG, weergegeven in de tabel. 2.1.

Metingen worden uitgevoerd bij de nominale gemiddelde geluidsdruk zoals gespecificeerd in technische documentatie op de GG, op een afstand van 1 m. Voor GG die bijvoorbeeld wordt gebruikt in externe luidsprekersystemen met een complexiteitsgroep van nul, eerste, tweede en derde, wordt aanbevolen om niveaus van respectievelijk 96, 94, 92 en 90 dB te gebruiken. Voor GG in draagbare apparatuur van de overeenkomstige groepen - 88, 86, 84, 80 dB, en voor GG in zakontvangers en miniradio's - 72 dB. Opgemerkt moet worden dat in de akoestische systemen zelf de SOI genormaliseerd is in overeenstemming met de aanbevelingen van IEC 581-7 op andere niveaus: 90 dB op een afstand van 1 m en 2% in het bereik van 250...1000 Hz, 1% in het bereik van 2...6,3 kHz. Voor studiobesturingseenheden en dienovereenkomstig de daarin gebruikte GG's wordt voorgesteld om niet-lineaire vervormingen te definiëren als het verschil in de niveaus van de omhullende van de tweede en derde harmonische vervormingscomponent, gemiddeld in drie richtingen (α = 0°; α = +30°; α = -30° in het horizontale vlak), en het referentie-akoestische drukniveau gemiddeld in het bereik van 80...12500 Hz. Afhankelijk van de categorie van de regeleenheid worden metingen uitgevoerd op verschillende geluidsdrukniveaus (Tabel 2.2):

Hetzelfde document standaardiseert de korte termijn maximale niveaus geluidsdruk (116, 110, 102 dB), waarbij er geen zichtbare niet-lineaire vervormingen mogen zijn wanneer de GG wordt opgewonden door pakketten sinusoïdale trillingen (wat ongeveer overeenkomt met vervormingen in de orde van 5%). Omdat SOI-metingen op dergelijke niveaus en deze vorm van het testsignaal niet kunnen worden uitgevoerd traditionele methoden, de meettechniek voorgesteld in . Een luidspreker in het vereiste ontwerp wordt in een echovrije kamer (of een voldoende grote, niet-gedempte kamer) geplaatst, er wordt een signaal aan toegevoerd in de vorm rechthoekige puls met sinusoïdale vulling: duur - T 0, amplitude U 0, vulfrequentie F 0 (Fig. 2.12, a). Het door de GG uitgezonden signaal wordt via een microfoon, een microfoonversterker en een bufferopslagapparaat ingevoerd in een computer (of een gespecialiseerde processor), waar het wordt geëxtraheerd stationair deel duur T. Vervolgens wordt een stationair signaal p(t) gegenereerd door het geselecteerde deel het vereiste aantal keren te herhalen. Ontvangen periodiek signaal ondergaat een snelle Fourier-transformatie (FFT) in een computer, waardoor het mogelijk wordt de spectrale samenstelling van het signaal te verkrijgen en niet-lineaire vervormingscoëfficiënten te berekenen. Door de pulsvulfrequentie te wijzigen, kunt u frequentiekarakteristieken verkrijgen verschillende soorten SOI bij hoge niveaus van stroomtoevoer naar de GG. De resultaten van metingen met behulp van de bovenstaande methode van niet-lineaire vervormingen voor een hoogfrequente koepel GG bij een vulfrequentie van 2000 Hz voor een vermogen P E = 50 W worden getoond in Fig. 2.12, geb. In de praktijk van het ontwerpen van een GG zijn methoden voor het meten van intermodulatievervormingen, dat wil zeggen vervormingsproducten in het spectrum van het uitgezonden signaal wanneer de GG wordt geëxciteerd door twee sinusoïdale signalen met frequenties f 1 en f 2, waarbij f 1

de coëfficiënt van intermodulatievervorming van de nde orde en de karakteristieke coëfficiënt van intermodulatievervorming van de nde orde is de verhouding van de effectieve geluidsdruk van de som van spectrale componenten met frequenties f 2 ± (n - 1) f 1 tot de geluidsdruk bij frequentie f 2 of op de gemiddelde geluidsdruk bij een bepaald frequentiebereik. De meettechniek wordt gegeven in GOST 16122-88 en IEC 268-5. Het blokschema van de metingen is weergegeven in figuur 2. 2.13. Intermodulatievervormingscoëfficiënten van de tweede en derde orde, %, worden berekend met behulp van de formules:

K im 2 = [(p (f 2 + f 1) + p (f 2 - f 1))/p f 2 ]100; K im 3 = [(p (f 2 + 2f 1) + p (f 2 - 2f 1))/p f 2 ]100;

Karakteristieke coëfficiënten:

K´ im 2 = K im 2 p f 2 /p cp; K´ im 3 = K im 3 p f 2 /p cp;

de totale coëfficiënt K hen en de karakteristieke intermodulatievervormingscoëfficiënt K´ hen worden als volgt bepaald: K hen = (K 2 hen 2 + K 2 hen 3) 0,5; K´im = (K´2 im 2 + K´2 im 3) 0,5. Ondanks het feit dat intermodulatievervormingscoëfficiënten niet gestandaardiseerd zijn in de binnenlandse normen voor GG, worden ze veel gebruikt in de GG-ontwerppraktijk, vooral voor hoogwaardige en professionele apparatuur. Ikunnen informatiever zijn dan harmonische vervormingsmetingen volgende redenen: ze kunnen in meer worden gemeten breed bereik frequenties, wat vooral belangrijk is voor hoogfrequente GG's; de producten van intermodulatievervorming zijn subjectief meer merkbaar, omdat ze een karakteristieke dissonante verandering in timbre creëren; ze dienen als een gevoeliger criterium voor niet-lineariteit in de GG, enz.

De hierboven geschetste meetmethoden maken het niet mogelijk om vervormingen te identificeren in algemene intermodulatievervormingen als gevolg van amplitude- (AM) en frequentie- (FM) modulatie van het signaal in de GG. Tegelijkertijd is, omdat AM- en FM-vervormingen door verschillende redenen worden gegenereerd en maatregelen om deze te verminderen verschillende ontwerpwijzigingen in de GG vereisen, afzonderlijke informatie over hun niveau belangrijk bij het ontwerpen van de GG. Methoden voor het afzonderlijk meten van AM- en FM-vervormingen werden in een aantal werken overwogen, in het bijzonder werd voorgesteld metingen uit te voeren in overeenstemming met blokschema, weergegeven in afb. 2.14, een. Signalen met frequenties f 1 en f 2 via twee generatoren 1, 2 en twee versterkers 3, 4 worden toegevoerd aan de laag- en hoogfrequente verbindingen van de coaxiale GG 5, 6 (met behulp van het voorbeeld waarvan in dit werk het verschil in Er wordt rekening gehouden met AM- en FM-vervormingen), waarna via microfoon 7 en microfoonversterker 8 signalen naar een hoogdoorlaatfilter (HPF) 9 worden gevoerd om een ​​hoogfrequent signaal te isoleren dat in amplitude en frequentie is gemoduleerd. Om AM-vervormingen te benadrukken, gebruiken we amplitude detector 10, spectrumanalysator 12 en recorder 13, en FM-vervorming - demodulator 11. De meetresultaten van frequentiekarakteristieken voor FM- en AM-vervorming worden getoond in Fig. 2.14, b en c. Uit de figuren is duidelijk dat het karakter frequentie afhankelijkheid AM- en FM-vervormingen voor dezelfde GG zijn totaal verschillend.

Naast het meten van intermodulatievervormingen, worden de laatste jaren ook frequentieverschilvervormingen gemeten voor verschillende soorten audioapparatuur. De methodologie voor het meten van verschil-frequentievervorming wordt momenteel besproken in de IEC, en wordt ook beoordeeld in de technische literatuur. Als testsignaal wordt voorgesteld om een ​​tweecomponentenharmonisch signaal te gebruiken met dichte frequenties f 1 en f 2, waarbij f 1 = 2f 0, a f 2 = 3f 0 - δ. In dit geval is het mogelijk dat er in het spectrum van het uitgezonden signaal twee producten van frequentieverschilvervormingen van de tweede orde en vier producten van de derde orde voorkomen. Worden de waarden van δ klein genoeg gekozen, dan worden de vervormingsproducten geconcentreerd in een smalbandige f 0 ± δ en kunnen ze worden uitgefilterd door een smalbandig filter. Sollicitatie moderne technologie digitale filtering maakte het mogelijk om het ruisniveau te verminderen en een hoge gevoeligheid van de methode te garanderen (het bereikte niveau van gemeten vervorming is 0,0001%).

Om deze methode te implementeren is er meetapparatuur in het leven geroepen die metingen mogelijk maakt lage niveaus niet-lineaire vervormingen in versterkers, bandrecorders, enz. Dezelfde methode kan worden toegepast op luidsprekers. De resultaten van het meten van hoogfrequente luidsprekers met signalen f 1 = 8 kHz, f 2 = 11,95 kHz, wat overeenkomt met f 0 = 4 kHz en δ = 50 Hz (aanbevolen in IEC 268-3), worden getoond in Fig. 2.15. De abscis-as toont een coëfficiënt gelijk aan tweemaal de wortelgemiddelde kwadratische som van de spanningen van de twee vervormingsproducten, gedeeld door rekenkundige som spanningen van twee uitgangssignalen. Het voordeel van deze meetmethode ten opzichte van de methode voor het meten van harmonische vervorming is dat de frequentie f-meting waarbij KG n-metingen kunnen worden gedaan, f-meting niet mag overschrijden.

Naast het gebruik van tonen bij de SOI-meettechniek maken professionele luidsprekers ook gebruik van ruissignalen. De methode voor het meten van ruisvervormingscoëfficiënten van de nde orde Ksh n en totaal - Ksh wordt gegeven in GOST 16122-87 voor omstandigheden van vrije en uniforme velden (in geluidsmeet- en nagalmkamers). Bijvoorbeeld de ruisvervormingscoëfficiënt van de n-de orde in een uniform veld,%, bij frequentie f

waarbij Pa nf het akoestische vermogen is in de frequentieband van een terts gemiddelde frequentie f, W; R en av - gemiddeld akoestisch vermogen in een bepaald frequentiebereik, W.

Metingen van niet-lineaire vervormingen die ratel- en boventonen in luidsprekers bepalen. Een specifiek kenmerk van GG’s is het optreden van complexe niet-lineaire verschijnselen daarin, die subjectief worden beoordeeld als ‘rammelen’ of ‘boventoon’. In vrijwel elke commercieel geproduceerde GG kun je bij het luisteren naar een sinusvormig signaal een frequentie of frequentiebereik detecteren waarin, naast de hoofdtoon, een extra toon (of een groep tonen) hoorbaar is, die wordt geclassificeerd als een boventoon. Dit veroorzaakt geen defecten bij in massa geproduceerde GG's, maar door de aanwezigheid van intense boventonen kan de vereiste geluidskwaliteit in HI-FI-apparatuur niet worden gegarandeerd. Ratelen wordt subjectief gezien als een onaangenaam geluid dat de geluidskwaliteit verslechtert. De belangrijkste redenen voor het optreden ervan zijn mechanische en technologische defecten die optreden tijdens de montage, het transport en de bediening van de gasgenerator. Alle in de handel geproduceerde luidsprekers worden volgens deze parameter getest. De controle wordt uitgevoerd door inspecteurs door naar de GG te luisteren op een toonsignaal, wat een uiterst arbeidsintensieve en vervelende operatie is. Gezien de grote productievolumes van GG (tientallen miljoenen stuks per jaar) heeft het probleem van het creëren van objectieve, geluidsdichte en snelle methoden voor het meten van ratel- en boventonen de afgelopen jaren serieuze aandacht gekregen. Er werd een methode ontwikkeld voor het meten en normaliseren van de ratel- en boventonencoëfficiënten, gebaseerd op de analyse van de spectrale samenstelling van het signaal (dat wil zeggen in het frequentiedomein). Uit onderzoek is gebleken dat rammelaars en boventonen kunnen worden beoordeeld in het tijdsdomein, waar ze worden geregistreerd in de vorm van een periodieke reeks van uitgezonden pulsen naast een monoharmonisch grondtoonsignaal. De ontwikkelde methoden voor het meten van ratel- en boventonen, getest in grootschalige productieomstandigheden, dienden als basis voor hun standaardisatie.

In overeenstemming met GOST 16122-87 wordt overgeluid opgevat als een vervormingssignaal, dat een “periodiek langzaam afnemend oscillerend proces is met een tijdconstante van meer dan de helft van de periode van het exciterende signaal, dat zich herhaalt met een frequentie die een veelvoud is van de excitatiefrequentie subjectief (op het gehoor) wordt het waargenomen als een toon (of groepstonen), die gelijktijdig klinkt met de toon van de excitatiefrequentie. De objectieve meetmethode is als volgt (Fig. 2.16, a). De microfoon wordt geïnstalleerd op een afstand van niet minder dan de helft van de diameter van de gemeten GG, maar niet meer dan 0,5 m. Metingen kunnen in elke kamer worden uitgevoerd, het is alleen nodig om het geratel van vreemde voorwerpen rondom de GG te elimineren. De frequentie van het sinusoïdale signaal dat door de generator aan de GG wordt geleverd, neemt geleidelijk toe (niet sneller dan 1 oct./s) in het bereik van 63...4000 Hz met overeenkomstige schakeling van hoogdoorlaatfilters (HPF), terwijl er een vervorming optreedt signaal wordt waargenomen op het oscilloscoopscherm, waarvan het uiterlijk wordt getoond in Fig. 2.16, b. Het kan worden herhaald met de excitatiefrequentie of met een frequentie die een veelvoud is van de excitatiefrequentie. Bij een vaste frequentie waarbij het vervormingssignaal wordt gedetecteerd, wordt de amplitude UT/2 gemeten over het interval T/2 na het begin ervan. Als UT/2 /U p > 0,33, wordt de vervorming geclassificeerd als een boventoon. Om dit soort vervorming te kwantificeren, wordt het concept van ‘overgeluidscoëfficiënt’ gebruikt. Boventooncoëfficiënt, %, bij frequentie f

K p = (U p /K f U f) 100,

waarbij Up en Uf de dubbele amplitudewaarde (piek-tot-piek) zijn van het signaal bij respectievelijk de excitatiefrequentie aan de uitgang en ingang van het hoogdoorlaatfilter, mV; Kf - modulus van de transmissiecoëfficiënt van het hoogdoorlaatfilter bij frequentie 2f gr (f gr is gedefinieerd in GOST 16122-88).

Ratelen wordt opgevat als “een vervormingssignaal, dat een periodiek gepulseerd, snel afnemend oscillerend proces is met een tijdconstante van minder dan de helft van de periode van het opwindende signaal, dat zich herhaalt met een frequentie die een veelvoud is van de excitatiefrequentie (door oor) wordt het waargenomen als een onaangenaam geluid dat geen uitgesproken toonkleuring heeft.” Metingen worden in elke kamer uitgevoerd (het is alleen nodig om het rammelen in omringende objecten te elimineren). Er wordt een sinusvormige spanning geleverd in het frequentiebereik f d1 ...f d2, waarbij f d1 - minimale waarde de hoofdresonantiefrequentie voor de GG, f d2 wordt gekozen uit het bereik 2f d1 ... 2500 Hz, maar niet lager dan 600 Hz.

Net als bij het meten van boventonen worden bij het meten van rammelaars twee methoden gebruikt: objectief en subjectief. Bij een objectieve microfoon bedraagt ​​de afstand tot de GG niet meer dan 0,5 m. De frequentie van het door de generator geleverde sinusvormige signaal neemt geleidelijk toe, maar niet sneller dan 1 oct./s. Metingen worden uitgevoerd volgens het diagram in Fig. 2.17, een. Bij het waarnemen van een vervormingssignaal op het oscilloscoopscherm, waarvan het uiterlijk wordt getoond in Fig. 2.17, b, de duur τ van het gedempte proces (puls) wordt gemeten, bepaald op het niveau U τ ≈ 0,33U d Als τ niet meer is dan de halve cyclus van het excitatiesignaal en U d ≥ qUτ, waarbij q. = 3...5, dan rammelt het vervormingssignaal, dit kan worden herhaald op de excitatiefrequentie of op een frequentie die een veelvoud is van de excitatiefrequentie. Om het ratelen te kwantificeren, wordt de ratelcoëfficiënt % geïntroduceerd.

Kd = (Ud/KfUf) 100,

waarbij Ud de dubbele amplitudewaarde (piek-tot-piek) is van het ratelende signaal aan de ingang van het hoogdoorlaatfilter, mV; Uf - dubbele amplitudewaarde (piek-tot-piek) van het signaal aan de ingang van het hoogdoorlaatfilter; K f - module van de filtertransmissiecoëfficiënt, bepaald bij de frequentie 2f gr gespecificeerd in.

Merk op dat de ratelcoëfficiënt Kd niet uniek gerelateerd is aan de harmonische coëfficiënt Kg, zoals volgt uit de resultaten gepresenteerd in Fig. 2.18, waarbij twee GG's ongeveer dezelfde K g hebben, maar een verschillende K d. Dit wordt verklaard door het feit dat met behulp van K g niet-lineaire vervormingen optreden in de eerste lagere harmonischen n = 1, 2, 3, .. worden kwantitatief beoordeeld, terwijl hoe Kd afhangt van de intensiteit van hogere harmonischen. Zoals de ervaring met het meten van seriële GG's heeft geleerd, hangt de waarde van Kd voornamelijk af van harmonischen van de orde n ≥ 8 - 10. Bovendien is de fysieke aard van het optreden van dit soort vervormingen in GG's anders: de eerste worden bepaald door de kenmerken van het ontwerp en de fysisch-mechanische parameters hangt de tweede af van het type mechanisch defect, daarom kan GG een laag niveau van eerste harmonischen hebben, dat wil zeggen een kleine Kg met een rationele keuze van de vorm en het materiaal van de ophangingen en het ontwerp van het magnetische circuit, en een hoog niveau van hogere harmonischen, d.w.z. hoge Kd (bijvoorbeeld als gevolg van contact van de draden met het oppervlak van de diffusor, enz.). Kritische waarde Kd, vastgesteld op basis van de resultaten subjectieve beoordelingen de afwezigheid of aanwezigheid van chatter is ongeveer 2%.

Rijst. 2.18. Afhankelijkheden van de coëfficiënten Kg en Kd van de spanning voor verschillende GG's

Ratelpulsen verschillen in amplitude, duur, polariteit, vorm en herhalingsfrequentie, afhankelijk van het type mechanisch defect in de GG. Op basis van deze verschillen is een methode ontwikkeld voor het gedifferentieerd bepalen van het type mechanisch defect in de GG, die toepassing heeft gevonden in de serieproductie van GG.

Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen van de Russische Federatie.

Federaal Agentschap voor Onderwijs.

Jeletski staatsuniversiteit hen. .

Faculteit Ingenieurswetenschappen en Natuurkunde.

Afdeling Radio-elektronica en computertechniek

CURSUS WERK

over het onderwerp: “vervorming in buis, transistor, digitale UMZCH.”

Voltooid: Leerling van groep F-51

Geaccepteerd: Kunst. Ds.

Jelets-2008.

Over de merkbaarheid van niet-lineaire vervormingen.............................................. ........ 3 Buizen, transistors en “cijfers” in ultrasone golfvormen............................ ..................... 6 Kenmerken van niet-lineaire vervorming............................ ........Wijze van correctie van niet-lineaire vervormingen............................Lijst met gebruikte bronnen...... .............................. ........

Over de zichtbaarheid van niet-lineaire vervormingen.

De hele geschiedenis van de geluidsweergave bestaat uit pogingen om de illusie dichter bij het origineel te brengen. En hoewel er een enorme afstand is afgelegd, zijn we nog steeds heel, heel ver verwijderd van het volledig benaderen van live geluid. Verschillen in talloze parameters kunnen worden gemeten, maar een flink aantal daarvan blijft nog steeds buiten het gezichtsveld van apparatuurontwikkelaars. Een van de belangrijkste kenmerken waar een consument met welke training dan ook altijd op let, is de niet-lineaire vervormingsfactor (THD).

En welke waarde van deze coëfficiënt geeft redelijk objectief de kwaliteit van het apparaat aan? Degenen die ongeduldig zijn, kunnen aan het eind misschien meteen een poging vinden om deze vraag te beantwoorden. Voor de rest gaan we door. Deze coëfficiënt, ook wel de totale harmonische vervormingscoëfficiënt genoemd, is de verhouding, uitgedrukt als percentage, van de effectieve amplitude van de harmonische componenten aan de uitgang van een apparaat (versterker, bandrecorder, enz.) en de effectieve amplitude van het grondfrequentiesignaal wanneer een sinusoïdaal signaal van deze frequentie aan de ingang van het apparaat wordt aangeboden. Het maakt het dus mogelijk om de niet-lineariteit van de overdrachtskarakteristiek te kwantificeren, die zich manifesteert in het verschijnen in het uitgangssignaal van spectrale componenten (harmonischen) die afwezig zijn in het ingangssignaal. Met andere woorden, er is een kwalitatieve verandering in het spectrum van het muzikale signaal. Naast de objectieve harmonische vervormingen die aanwezig zijn in het hoorbare geluidssignaal, is er het probleem van vervormingen die niet aanwezig zijn in het echte geluid, maar gevoeld worden als gevolg van de subjectieve harmonischen die ontstaan ​​in het slakkenhuis van het middenoor bij hoge tonen. geluidsdrukwaarden. Het menselijke gehoorapparaat is dat wel niet-lineair systeem. De niet-lineariteit van het gehoor komt tot uiting in het feit dat wanneer het trommelvlies wordt blootgesteld aan een sinusoïdaal geluid met een frequentie F V gehoorapparaat harmonischen van dit geluid worden gegenereerd met frequenties 2 F, 3F enz. Omdat deze harmonischen niet aanwezig zijn in de primaire beïnvloedingstoon, worden ze subjectieve harmonischen genoemd.

Uiteraard compliceert dit het idee van het ultieme nog verder aanvaardbaar niveau harmonischen van het audiopad. Naarmate de intensiteit van de primaire toon toeneemt, neemt de omvang van de subjectieve harmonischen scherp toe en kan zelfs de intensiteit van de primaire toon overschrijden. Deze omstandigheid geeft aanleiding voor de veronderstelling dat geluiden met een frequentie van minder dan 100 Hz niet op zichzelf worden gevoeld, maar vanwege de subjectieve harmonischen die ze creëren en die in het frequentiebereik boven 100 Hz vallen, dat wil zeggen als gevolg van de niet-lineariteit van het gehoor. Fysieke oorzaken van opkomende hardwarevervormingen in verschillende apparaten hebben een andere aard, en de bijdrage van elk aan de algemene vervormingen van het hele pad is niet dezelfde. De vervorming van moderne cd-spelers is zeer laag en bijna onmerkbaar in vergelijking met de vervorming van andere apparaten. Voor luidsprekersystemen is de laagfrequente vervorming veroorzaakt door de baskop het meest significant, en de norm specificeert alleen eisen voor de tweede en derde harmonischen in het frequentiebereik tot 250 Hz. En voor een zeer goede klank luidsprekersysteem ze kunnen binnen 1% of zelfs iets meer liggen. In analoge bandrecorders voornaamste probleem gerelateerd aan fysieke fundamenten opnemen op magneetband is de derde harmonische, waarvan de waarden meestal worden gegeven in de mixinstructies. Maar maximale waarde, waarbij bijvoorbeeld altijd geluidsniveaumetingen worden gedaan, is dit 3% bij een frequentie van 333 Hz. De vervorming van het elektronische gedeelte van bandrecorders is veel lager.

Zowel bij akoestiek als bij analoge bandrecorders wordt, vanwege het feit dat de vervormingen hoofdzakelijk laagfrequent zijn, de subjectieve waarneembaarheid ervan sterk verminderd als gevolg van het maskerende effect (dat erin bestaat dat van twee gelijktijdig klinkende signalen, hoe hoger de -frequentie één wordt beter gehoord). De belangrijkste bron van vervorming op je pad zal dus de eindversterker zijn, waarbij de belangrijkste bron op zijn beurt de niet-lineariteit van de overdrachtskarakteristieken is actieve elementen: transistoren en vacuüm buizen, en in transformatorversterkers worden ook niet-lineaire transformatorvervormingen toegevoegd die verband houden met de niet-lineariteit van de magnetisatiecurve. Het is duidelijk dat vervorming enerzijds afhangt van de vorm van de niet-lineariteit van de overdrachtskarakteristiek, maar ook van de aard van het ingangssignaal.

De overdrachtskarakteristiek van een versterker met vloeiende clipping bij grote amplitudes zal bijvoorbeeld geen enkele vervorming veroorzaken voor sinusoïdale signalen onder het clippingsniveau, maar naarmate het signaal boven dit niveau toeneemt, treedt vervorming op en zal deze toenemen. Dit soort beperkingen is vooral inherent aan buizenversterkers, wat tot op zekere hoogte kan dienen als een van de redenen voor de voorkeur van luisteraars voor dergelijke versterkers. En deze functie werd door NAD gebruikt in een reeks van zijn sensationele versterkers met "zachte clipping", geproduceerd sinds het begin van de jaren 80: de mogelijkheid om een ​​modus in te schakelen met het simuleren van buisclipping creëerde een groot leger fans van transistorversterkers van dit bedrijf. Daarentegen veroorzaakt de centrumsnijdende (stap-stap-vervorming)-karakteristiek van de versterker, die gebruikelijk is bij transistormodellen, vervorming in muzikale en kleine sinussignalen, en de vervorming zal afnemen naarmate het signaalniveau toeneemt. Vervorming hangt dus niet alleen af ​​van de vorm van de overdrachtskarakteristiek, maar ook van statistische verdeling ingangssignaalniveaus, waarvoor muziek programma's dicht bij het ruissignaal. Daarom is het, naast het meten van SOI met behulp van een sinusoïdaal signaal, mogelijk om niet-lineaire vervormingen van versterkerapparatuur te meten met behulp van de som van drie sinusoïdale of ruissignalen, wat, in het licht van het bovenstaande, een objectiever beeld van de vervormingen geeft.

Helaas hebben deze laatste geen internationale erkenning of wijdverspreide verspreiding gekregen. De onvoldoende ontwikkelde methodologie voor het meten van SOI wordt overtuigend gedemonstreerd door de zogenaamde ‘transistorparadox’. Hoe kunnen we in feite verklaren dat, volgens de resultaten van talloze subjectieve onderzoeken, buizenversterkers met SOI, honderden en zelfs duizenden keren groter dan transistorversterkers, een duidelijke voorkeur krijgen? Een analyse van de spectrale samenstelling van de vervorming van buis- en transistorversterkers laat hun significante verschil zien: bij buizenversterkers wordt de belangrijkste bijdrage aan vervorming geleverd door harmonischen van lage orde, en hun intensiteit neemt evenredig af met toenemend harmonisch aantal in een transistorversterker; , het spectrum is veel breder en de intensiteit van de componenten leent zich voor geen enkel patroon.

Het is duidelijk dat, rekening houdend met het maskerende effect, de invloed op de subjectieve perceptie van de harmonische componenten van vervormingen van lage orde wordt verzwakt, en daardoor wordt de rol van hogere harmonischen benadrukt. Voor een correctere beoordeling van vervormingen zou het dus nodig zijn om wegingscoëfficiënten te introduceren bij het optellen van harmonischen bij het bepalen van de effectieve amplitude van vervormingen, en de invloed van hogere harmonischen zou moeten toenemen. Er bestaan ​​echter geen algemeen aanvaarde methoden voor dergelijke metingen. Voor een typische niet-lineariteit van het “stap”-type is het niveau van waarneembaarheid van vervorming op het gehoor voor een sinusoïdaal signaal 0,1%, en voor muzikale signalen 1%.

Harmonische vervorming wordt gemeten over een frequentiebereik van 40 Hz tot 16 kHz en over een niveaubereik van nominaal uitgangsniveau tot min 23 dB. De THD van moderne versterkers varieert meestal van 0,001 tot 296. Voor versterkers hifi klasse internationale normen(IEC 581-6, enz.) stelde de vervormingsnorm in op 0,7%. Om de merkbaarheid van vervormingen in uw thuis systeem U kunt speciale opnamen gebruiken met een geïntroduceerd, strikt vastgesteld vervormingsniveau. Op de test-CD "MY DISC" (Sheffild Lab) staan ​​bijvoorbeeld een tiental nummers met opnames van een afzonderlijk sinusgolf- en muzieksignaal met vervormingsniveaus van 0,03%, 0,1% enzovoort met geleidelijk toenemende vervorming tot 10% .

Buizen, transistors en “cijfers” in echografie.

Legendes over specifieke digitale vervormingen die door geen enkel instrument worden geregistreerd, waardoor geluid wordt gedood, zijn net zo absurd als telepathie of telepathie
"transistor"-geluid. Vreemd genoeg gaat er onder audiofielen nog steeds een verhaal rond over een bepaald ‘geesteloos’ principe in transistorversterkers (in tegenstelling tot buizenversterkers) en ‘transistor’-vervormingen die niet worden geregistreerd meetinstrumenten. Eind jaren zeventig werd dit fenomeen echter uitgebreid bestudeerd en in detail uitgelegd in talrijke artikelen, onder meer in het openbare amateurradiotijdschrift "Radio". De essentie van ‘transistor’-geluid ligt in de verschillende vervalsnelheden van de amplitude van de harmonischen van niet-lineaire vervormingen en het zeer kleine relatieve aantal even harmonischen in transistorversterkers. Buizenversterkers worden gekenmerkt door een exponentiële (veel snellere) en transistorversterkers, een omgekeerd evenredige (langzame) afname van harmonische amplitudes met toenemende frequentie. Tegelijkertijd wordt een psycho-akoestisch fenomeen waargenomen in buizenversterkers (trouwens de basis van de standaard audiocompressie MPEG) maskeert door de eerste paar harmonischen van bijna alle harmonischen mee hogere frequentie. Subjectief gezien worden dus alleen de eerste paar even en oneven harmonischen aan het signaal in een buizenversterker toegevoegd, en hun niveau zou behoorlijk significant moeten zijn. Normaal gesproken heeft een hi-end buizenversterker een THD van 0,5% tot 3,0% (bijvoorbeeld de $900 “First” versterker genoemd in de bespreking van hi-end versterkers in het tijdschrift Audi o-Video Salon, nr. 6, pagina 61 ).

Opgemerkt moet worden dat studio-ge- exciters - volgens hetzelfde principe werken. In zekere zin is een buizenversterker een exciter. Dat is de reden waarom buizenversterkers met zeer lage niet-lineaire vervormingen niet populair zijn onder audiofielen, die hun geluid karakteriseren als afstandelijk, emotieloos, zonder helderheid aan het signaal toe te voegen, dichtbij het geluid van een transistorversterker met zeer lage niet-lineaire vervormingen. Bij transistorversterkers is het maskeereffect veel zwakker, waardoor het opwindende effect resulteert in de toevoeging van geluid “vuil” en “zand”. Om een ​​geluid te verkrijgen dat op zijn minst enigszins in de buurt komt van “buis”, is het daarom noodzakelijk om de niet-lineaire vervormingsfactor met een orde van grootte te verminderen. Het is ingewikkeld technisch probleem, en de oplossing ervan moderne methoden niet altijd economisch verantwoord. Simpel gezegd: een buizenversterker vervaardigd in Zuidoost-Azië, kan aanzienlijk minder kosten dan een transistor-hi-endversterker gemaakt in Amerika of Europa met subjectief dezelfde geluidskwaliteit. Wat begin 1998 in feite leidde tot de crisis en de ondergang van veel kleine Amerikaanse bedrijven die actief waren in de high-end markt (zie Class A magazine, maart 1998).

Goedkope ADC's en DAC's worden gekenmerkt door de afwezigheid van een afname van de harmonische amplitudes bij toenemende frequentie. Metingen gedaan geluidskaarten ah in de prijsklasse van 10 tot 60 dollar bleek dat voor deze kaarten alle harmonischen tot aan de bemonsteringsfrequentie gedeeld door twee dezelfde amplitude kunnen hebben. Dit is een zeer moeilijke situatie vanuit het oogpunt van psycho-akoestiek. Dergelijke ADC's/DAC's hebben, ondanks een vrij lage harmonische vervormingscoëfficiënt (meestal 0,02-0,04%), een soort overdreven transistorgeluid en 'doden' het geluid heel goed. In duurdere ADC/DAC-modellen, waar het verval van harmonische amplitudes een omgekeerd evenredige wet volgt, heeft het geluid al de gebruikelijke ‘transistorkleuring’. Er zijn nu echter 22-24-bit ADC's/DAC's vervaardigd door Analog Devices verschenen met een zeer lage (tot 0,002%) harmonische vervormingscoëfficiënt. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in digitale processor effecten Boss GX700, die volgens veel bekende westerse muzikanten een nog meer “buizen”-geluid heeft dan veel echte buizen-hifi-versterkers. Helaas zijn er om de een of andere reden nog steeds geen goedkope, in massa geproduceerde geluidskaarten te koop, gebaseerd op deze nieuwste, meest geavanceerde en goedkope (slechts $ 75) ADC-modellen van Analog Devices.

Het is interessant dat in St. Petersburg verschillende kleine bedrijven op maat gemaakte meerkanaals studio-digitizers aanbieden op basis van deze ADC's. Natuurlijk is hun prijs meer dan $ 75. Enkele methoden om digitale vervorming te bestrijden. Soms worden buizenversterkers gebruikt om tijdens de laatste voorbereiding van een soundtrack “het geluid nieuw leven in te blazen”. Bij sommige Russische en buitenlandse bedrijven wordt een volledig opgenomen en digitaal gemengd fonogram omgezet naar analoog, door verschillende buizenequalizers (bijvoorbeeld TL Audio G400) of versterkers gevoerd, opnieuw gedigitaliseerd en opgenomen op een CD-R of magneto-optische schijf. Natuurlijk zal deze procedure een positief effect hebben, maar blijkbaar alleen als je naar de opname luistert transistor versterker. In geval van gebruik buizen versterker Als je het signaal twee keer door de buizen laat gaan (in de opname- en afspeelfase), kan het geluid volledig worden "doden". Er zijn pogingen gedaan om een ​​buizenversterker digitaal te simuleren. RedValve (plug-in voor WaveLab) maakte echter geen indruk op mij, al is er zeker enige gelijkenis met het geluid van een goedkope buizenversterker. En dan reproduceren buizenversterkers hoge frequenties (8-20 kHz) niet zo goed. Ik raad aan een eenvoudig experiment te doen: filter het bereik van 8-20 kHz met een digitaal filter (analoog introduceert fasevervormingen) in het fonogram en speel het af via een buizen- en transistorversterker met de gebruikelijke frequentieresponsparameters van 20 Hz tot 30 kHz en niet-lineaire vervormingen op het niveau van 0,01% (dergelijke kosten niet meer dan $ 100). (Strikt wiskundig frequentieresponsbepalingen en de coëfficiënt van niet-lineaire vervorming is te vinden in "Computer" nr. 000.) Onder deze omstandigheden gaven de experts bij de experimenten geen enkele voorkeur aan de buizenversterker. Veel experts hielden niet van de lichte verzachting van de aanval van de buizen bij het reproduceren van cimbaalgeluiden en van de onvoldoende “diepe” weergave van de meest lage frequenties vanwege de “inherente” beperkingen van transformatorversterkers. Het voordeel van "buizen"-geluid lijkt dus alleen tot uiting te komen bij het reproduceren van middenfrequenties (Hz).

Vanuit het oogpunt van het simuleren van “live” geluid met behulp van puur digitale methoden, is de Boss GX700-processor erg interessant. Het is volledig digitaal en creëert in realtime een gestandaardiseerde virtuele opnamestudio. In eerste instantie ingangssignaal(van een elektrische gitaar enz.) wordt naar een 20-bit hoogwaardige ADC gevoerd. Vervolgens wordt het gedigitaliseerde signaal verwerkt door een buizenversterker en equalizer-simulator. Bovendien kunt u standaardapparaten selecteren grote lijst daadwerkelijk op de markt verkocht analoge versterkers. Vervolgens gaat het signaal naar de luidsprekersimulator, simulator luidsprekers heel spelen belangrijke rol wanneer u het geluid nieuw leven inblaast. Het type virtuele “digitale luidsprekers” kan worden geselecteerd uit een uitgebreide lijst van degenen die daadwerkelijk op de audiomarkt bestaan. Na de ‘digitale luidsprekers’ gaat het signaal naar een galm die de akoestische eigenschappen van opnamestudio’s simuleert. De afmetingen van de kamers en de waarde van de dempingscoëfficiënt van nagalmprocessen kunnen uit de lijst worden geselecteerd en handmatig worden aangepast.

Naast de galm kunt u in dit stadium verbinding maken geluidseffecten flanger, chorus, phaser, harmonizer, pitch shifter, delay. Vervolgens gaat het signaal naar een microfoonsimulator, waarvan het type uiteraard uit een grote lijst kan worden geselecteerd. U kunt ook de locatie van de microfoon selecteren virtuele studio. Het signaal wordt vervolgens naar een buizenmicrofoon-voorversterkersimulator gestuurd en uiteindelijk naar de uitgang van de Boss GX700-audioprocessor. En dit alles werkt in realtime! Helaas is het schoon software-implementatie Een soortgelijk apparaat voor een personal computer is nog niet geïmplementeerd. Het is mogelijk om iets te programmeren dat op zijn minst in de buurt komt functionaliteit naar Boss GX700.

Op gewone muziek-cd's wordt het signaal opgenomen met een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz. Theoretisch gezien zal de maximaal mogelijke opnamefrequentie dus 22,05 kHz zijn. In de praktijk zijn de meeste moderne DAC's middenklasse prijsklasse bij deze bemonsteringsfrequentie kunt u frequenties tot 18-19 kHz reproduceren zonder merkbare vervorming. Voor meer hoge frequenties De invloed van digitale en analoge interpolatiefilters wordt merkbaar, waardoor frequenties rond de 22 kHz worden onderdrukt tot 40-50 decibel of meer en helaas enkele lineaire, niet-lineaire en intermodulatievervormingen worden geïntroduceerd. De keuze voor een hoogfrequente afsnijfrequentie bij 18-19 kHz, in plaats van bijvoorbeeld boven 21 kHz, heeft vooral economische redenen. De complexiteit van een digitaal interpolatiefilter, en dus de kosten ervan, nemen scherp toe naarmate de afsnijfrequentie de helft van de bemonsteringsfrequentie nadert voor een gegeven onderdrukking (40-50 dB) nabij de helft van de bemonsteringsfrequentie. Ervan uitgaande dat een muziek-cd is opgenomen met oversampling en een digitaal filter van hoge kwaliteit met een afsnijfrequentie van ongeveer 21 kHz, en uw cd-speler of geluidskaart (als u naar muziek op een pc luistert) een goedkope DAC gebruikt met een zwakke digitale filter met een frequentie-afsnijding is 18 kHz, dan zal tijdens het afspelen de geluidskwaliteit bij de hoogste frequenties uiteraard merkbaar verslechteren. U kunt de aanwezigheid van dit effect eenvoudig verifiëren en de manifestatie ervan zelfs enigszins verminderen als volgt.

Veel zelfs zeer goedkope geluidskaarten (Opti-931, Acer S23) ondersteunen een sampling rate van 48 kHz. Bij gebruik is de afsnijfrequentie van het digitale filter niet 18-19 kHz, zoals bij een samplingfrequentie van 44,1 kHz, maar 20-21 kHz (sinds 48 kHz > 44,1 kHz), dat wil zeggen, zoals duurdere DAC's. Dit kan worden gebruikt om meer te krijgen geluid van hoge kwaliteit bij hoge frequenties. Eerst moet u een track (track) van een muziek-cd in digitale vorm (zonder DAC/ADC-conversies) naar uw harde schijf importeren (rippen) in een wav-bestand met behulp van WaveLab 1.6- of WinDac32-programma's. Gebruik vervolgens de programma's WaveLab, CoolEdit of EDS TOOLS om opnieuw te samplen digitaal signaal van standaard bemonsteringsfrequentie 44,1 kHz tot 48 kHz. Deze softwarepakketten implementeren hoogwaardige 32-bit digitale filters met de kenmerken van de duurste studioapparaten. Het resulterende wav-bestand kan worden afgespeeld met een standaard Windows 95-multimediaspeler of het WaveLab-programma. Dergelijke bewerkingen werden uitgevoerd voor geluidskaarten Opti-931, Yamaha SA700, Monster Sound 3D, Ensoniq Soundscape Elite, Acer S23 en in alle gevallen werd een vrij merkbare verbetering in de weergave van de hoogste frequenties verkregen.

Kenmerken van niet-lineaire vervormingen.

Niet-lineaire vervorming treedt op in een versterker vanwege de niet-lineariteit van de end-to-end dynamische respons. Laten we aannemen dat we te maken hebben met transistorcascade, opgewonden door een bron van harmonische EMF e g met zeer lage interne weerstand R G, vele malen kleiner ingangsimpedantie transistor R BX. In dit geval de basis-emittersignaalspanning u bae = e G - R G· i b kan praktisch als harmonisch worden beschouwd, aangezien R G· i B " e gr, en dan u wees ≈ e d. Onder deze omstandigheden zullen niet-lineaire vervormingen afhangen van het type dynamische kenmerken van de directe transmissie (1, in de onderstaande figuur). Curve 2 drukt uit

Aard van niet-lineaire vervormingen 1.

verandering in basisspanning. Uit de vorm van curve 3 kan worden afgeleid dat veranderingen in de collectorstroom geen harmonische oscillaties zijn; naast de hoofdfrequentiestroom i K bevat de tweede (4), derde, etc. harmonischen. Bij ongelijke stroomschommelingen ten opzichte van de ruststroom I Het is duidelijk dat er zelfs harmonischen zijn, vooral de tweede. Door de symmetrische aard van de vervorming (Fig. hieronder) ontstaan ​​er vreemde harmonischen (in het bijzonder de derde), die meestal de overhand blijken te hebben.

Het niveau van niet-lineaire vervorming van harmonische signaalversterkers wordt allereerst beoordeeld aan de hand van de harmonische coëfficiënt - de verhouding van de wortel-gemiddelde-kwadratische som van de spanning of stroom van de hogere harmonischen van het signaal als gevolg van niet-lineaire vervormingen tot de spanning of stroom van de fundamentele frequentie:

;

bij het maken van berekeningen is het handiger om de amplitudewaarden van de stroom en vervolgens te gebruiken

.

Aard van niet-lineaire vervormingen 2.

Bij het versterken van signalen audiofrequentie vanuit het oogpunt van het op het gehoor detecteren van niet-lineaire vervormingen spelen de componenten van combinatiefrequenties de grootste rol | F 1 ± F 2|, |2F 1 ± F 2|, |2F 2 ± F 1|, ontstaan ​​bij toepassing op de versterkeringang volgens ten minste twee harmonische spanningen met frequenties F 1 en F 2. Verschijning van harmonischen 2 F 1, 2F 2, 3F 1 3F 2, ... tijdens het versterkingsproces heeft dit veel minder invloed op het geluidskarakter. Dit wordt verklaard door het feit dat harmonischen (boventonen) over het algemeen een integraal onderdeel vormen geluidssignalen(spraak, muziek, enz.). Dus, binnen echte omstandigheden De ultrasone sirene-ingang ontvangt een spanning waarvan het spectrum bevat F 1, 2F 1, 3F 1, ..., F 2, 2F 2, 3F 2, .... Harmonischen die het gevolg zijn van niet-lineaire vervormingen worden eenvoudigweg toegevoegd aan de oorspronkelijke vervormingen en verslechteren de transmissiekwaliteit relatief weinig. Integendeel, de componenten van combinatiefrequenties (vooral verschiltypen | F 1–F 2|, |F 1–2F 2|, |2F 1–F 2|, ...) verschenen tijdens het versterkingsproces en veroorzaken daarom voornamelijk signaalvervorming.

Hoewel de auditieve perceptie van vervorming voornamelijk afhangt van de relatieve amplitudes van de combinatiefrequenties, wordt harmonische vervorming doorgaans genomen als maatstaf voor niet-lineaire vervorming. Dit wordt enerzijds verklaard door het feit dat de amplitudes van combinatiefrequenties en harmonischen proportioneel zijn. Dus de amplitude van de verschiltoon | F 1–F 2| is evenredig met de amplitude van de tweede harmonische, een complexer gevormde toon | F 1–2F 2| derde harmonische. Aan de andere kant zijn instrumenten die zijn ontworpen om harmonische vervorming te meten, bijvoorbeeld S6-1, veel eenvoudiger dan S4-12 spectrumanalysatoren, waarmee de afzonderlijke componenten ervan kunnen worden gemeten.

Niet-lineaire vervormingen zijn onzichtbaar voor het oor als de harmonische vervorming klein is ( k G<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%.

Groepsversterkers voor meerkanaalscommunicatie moeten een hoge mate van lineariteit hebben, zodat niet-lineariteitsproducten (harmonische en combinatiefrequenties) van één kanaal (een relatief smal frequentiespectrum dat een bepaalde plaats in het frequentie-interval inneemt) niet in de rest vallen (waarvan er honderden en duizenden zijn). Om de mate van vervorming te beoordelen, wordt niet-lineariteitsverzwakking voor de tweede en derde harmonischen gebruikt, gelijk aan 20 LG(1/ k g2) en 20 LG(1/ k g3), waar k r2 = U 2.2/U 2f, k r3 = U 2.3f/ U 2. In dit geval in overeenstemming met de eerste formule van deze sectie

.

Toegestane waarden van niet-lineariteitsverzwakking voor de tweede harmonische zijn ongeveer 76 dB en voor de derde 104 dB ( k r2 = 0,016%, k r3 = 0,00063%) bij R 2=1mW.

Een andere maatstaf die de invloed van niet-lineariteit van ultrasone frequenties karakteriseert, is de intermodulatievervormingscoëfficiënt. Om deze indicator te meten, worden twee harmonische spanningen met frequenties op de ingang van de versterker toegepast F 1 = 50 Hz en F 2 = 6 kHz (of 10 kHz). De amplitudes van deze spanningen hebben een verhouding van 4:1. Verschilfrequentie-amplitudeverhouding F 2–F 1 geeft de amplitude van de uitgangsspanning bij een frequentie van 50 Hz weer en vertegenwoordigt de intermodulatievervormingsfactor; er wordt aangenomen dat de toegestane waarde van deze coëfficiënt (1...1,5) is k G.

Bij het versterken van in duur gemoduleerde pulssignalen speelt de niet-lineariteit van de dynamische karakteristiek geen rol. Als tijdens de overdracht van informatie het pulsbereik verandert (zoals het geval is bij het verzenden van een beeld), verandert het contrast van het zichtbare beeld, dat wil zeggen dat de relatieve dichtheid (gradatie) van halftonen wordt verstoord. Soms wordt, om het vereiste contrast te verkrijgen, een bepaald type niet-lineariteit geïntroduceerd. Het is raadzaam om het niveau van niet-lineaire vervormingen van pulssignalen te evalueren aan de hand van de niet-lineariteitscoëfficiënt van het signaal k nl, gelijk aan de verandering in de helling (afgeleide) van de dynamische karakteristiek genormaliseerd ten opzichte van de maximale waarde; ja, in geval van verslaving u 2 = F(u 1)

Waar k maximaal en k min – de grootste en kleinste waarden van de afgeleide binnen de gebruikte karakteristieke sectie.

Methoden voor het corrigeren van niet-lineaire vervormingen.

De afhankelijkheid van de uitgangsspanning (stroom) van de versterkertrap of versterker van de ingangsspanning (stroom) wordt uitgedrukt door de amplitudekarakteristiek. Over een aanzienlijk gebied is het een rechte lijn die bijna begint vanaf de oorsprong van de coördinaten (van het ruisniveau van de versterker). U w) en het bereiken van dergelijke signaalamplitudes U invoer max, waarbij de niet-lineariteit van de kenmerken van het actieve element (AE) een merkbaar effect heeft. De amplitudekarakteristiek maakt het dus mogelijk om de grenzen van spanningsveranderingen te bepalen U invoer en U uitgang (stroom I invoer en I out), waarvoor de versterker met een gegeven nauwkeurigheid kan worden beschouwd als een lineair systeem (volgens figuur 7 binnen U w< U uit< U Uitgang maximaal).

Om de beschouwing van het effect van feedback (FE) op de amplituderespons te vereenvoudigen: neem aan dat het ingangssignaal een sinusoïdale oscillatie is met constante amplitude en frequentie. Laten we aannemen dat de spanning aan de uitgang van de versterker vervormd is: de negatieve halve golf heeft een amplitude die kleiner is dan de positieve. Als de versterker wordt bedekt door negatieve feedback (NOS) in spanning, zal de spanning aan de uitgang van het feedbackcircuit ook asymmetrische halve golven hebben: hoe groter is positief, hoe kleiner is negatief. Daarom zal, als gevolg van de werking van de OOS, de positieve halve golf meer verzwakt worden en de negatieve halve golf minder, en als gevolg daarvan zal de vorm van de oscillatie aan de versterkeruitgang symmetrischer worden, d.w.z. niet-lineaire vervorming van het signaal zal afnemen.

De invloed van feedback op de amplituderespons van de versterker is eenvoudig grafisch uit te leggen (positieve feedback vergroot de niet-lineariteit van de amplituderespons en is daarom niet van praktisch belang). Het kenmerk van het OS-circuit is een rechte lijn met een hellingshoek φ (Fig. 7), die kan worden gevonden uit de vergelijking

.

.

Wanneer het besturingssysteem actie onderneemt om de vorige spanningswaarde aan de versterkeruitgang te herstellen U Daarom is het noodzakelijk om de spanning van de signaalbron te verhogen met de spanningswaarde U ok. Bijgevolg kan de amplitudekarakteristiek van een versterker met terugkoppeling worden verkregen uit de amplitudekarakteristiek van een versterker zonder terugkoppeling door de abscis van deze laatste met waarden naar rechts te verschuiven U os. Uit deze constructie volgt direct het lineariserende effect van de OOS. Met een sterk besturingssysteem, wanneer NAAR os=1/ β , is de amplitudekarakteristiek van de versterker over een aanzienlijk gebied een rechte lijn met een hellingshoek bepaald op basis van de laatste formule.

Zoals volgt uit de grafiek in figuur 7 en de vergelijking U Uitgang os/ U uit=1+ βK Vierkant= F SCR OS maakt het mogelijk om, bij een bepaalde mate van vervorming, de ingangs- en uitgangsamplitudes te vergroten F vierkante keer. Met behulp van de experimenteel gemeten amplitudekarakteristieken van een versterker met en zonder terugkoppeling is het mogelijk om het volgende te bepalen: de diepte van de terugkoppeling (mits U binnen= U invoer os= const); OS-coëfficiënt (afhankelijk van U uit= U Uitgang os= const). Dit zal het uiteindelijk mogelijk maken om de door berekening en experimenteel verkregen parameters en kenmerken te vergelijken.

Zoals bekend leidt de afwijking van de amplitudekarakteristiek van een versterker van de lineaire wet tot niet-lineaire vervormingen, waarvan de essentie is dat oscillaties met frequenties die afwezig zijn in het oorspronkelijke signaal in het uitgangssignaal verschijnen, en daarmee de spectrale samenstelling en vorm van het versterkte uitgangssignaal verandert. De grootste niet-lineaire vervorming wordt geïntroduceerd door de laatste trap van de versterker, aangezien deze werkt bij vrij grote amplitudes van het ingangssignaal.

Het niveau van niet-lineaire vervorming wordt beoordeeld aan de hand van harmonische vervorming NAAR d. Niet-lineaire vervormingen zijn onzichtbaar voor het oor als NAAR g klein ( NAAR G<0,2-0,5%). В усилителях среднего качества NAAR g=3-5%, en van de hoogste kwaliteit NAAR g=0,5-1%.

Laten we eens kijken naar de invloed van spanningsfeedback op de werking van de eindtrap van de versterker. Als gevolg van niet-lineaire vervormingen in het uitgangssignaal van de cascade, samen met de oscillaties in het ingangssignaal, verschijnen er een aantal hogere harmonischen - producten van niet-lineariteit.

Omdat de feedbackstroom een ​​deel van de uitgangsstroom vertegenwoordigt, bevat de feedbackspanning die hierdoor ontstaat ook niet-lineariteitsproducten. Doordat de terugkoppelspanning in tegenfase met het ingangssignaal aan de ingang van de AE ​​wordt geleverd, zal de door de terugkoppelspanning veroorzaakte uitgangsstroom ook in tegenfase zijn met de uitgangsstroom van de cascade. Als resultaat hiervan zullen ongewenste amplitudes van hogere harmonische trillingen worden verminderd. Met behulp van OOS worden dus de niet-lineariteitsproducten die door de AE ​​in de amplificatiefase worden gecreëerd, verminderd. Gelijktijdig met hun reductie neemt ook het vermogen van het versterkte signaal aan de uitgang van de versterker af. Om dit te herstellen, werd een signaalspanning verhoogd met F vierkante keer. In dit geval wordt de amplitude van het uitgangssignaal hersteld naar de vorige waarde, d.w.z. naar de waarde die het zou hebben gehad zonder terugkoppeling. De toename van niet-lineaire vervormingen, die zouden kunnen ontstaan ​​bij een toename van de amplitude van het ingangssignaal, vindt echter niet daadwerkelijk plaats, aangezien de resulterende spanning aan de ingang van het actieve element U invoer Het besturingssysteem blijft hetzelfde als vóór de introductie van het besturingssysteem. Bijgevolg zullen de amplitudes van alle harmonischen van de uitgangsstroom die ontstaan ​​als gevolg van niet-lineariteit ook worden verminderd F vierkante keer. OOS vermindert dus NAAR g is direct evenredig met de OS-diepte, dat wil zeggen de harmonische coëfficiënt van de cascade met OS NAAR g NAAR G/ F Goed

In een cascade met een transistor wordt de vorming van niet-lineariteitsproducten voornamelijk veroorzaakt door twee redenen: de niet-lineariteit van het ingangscircuit van de transistor en de niet-lineariteit van zijn doorlaat- en uitgangskarakteristieken. Het niveau van niet-lineaire vervorming wordt ook beïnvloed door de amplitude van het ingangssignaal en de weerstand van de signaalbron R en en ladingen R N.

Figuur 8 toont de afhankelijkheid NAAR g van de weerstand van de signaalbron R en voor drie transistorschakelcircuits: met OE, OB en OK. Zoals blijkt uit figuur 8 introduceert de transistor de grootste niet-lineaire vervormingen bij gebruik in een circuit met een OE. De kleinste niet-lineaire vervormingen kunnen worden bereikt door deze op te nemen in circuits met OB en OK. Daarom is het raadzaam om in de eindfasen van zeer lineaire versterkers een schakelcircuit met OB of OK te gebruiken, en is het raadzaam om in de voorbereidende fasen het schakelen van een transistor volgens een circuit met OE te gebruiken, waarbij het vermogen dat ze leveren en de signaalspanning is veel minder dan in de laatste fase.

Opgemerkt moet worden dat niet-lineaire vervormingen die ontstaan ​​als gevolg van overbelasting van de eindtrap met sterke ingangssignalen het dynamische bereik van veranderingen in hun uitgangsamplitudes beperken, bepaald door de verhouding U Uitgang Maximaal/ U w (zie afb. 7). Om het gehele ingangsspanningsbereik te versterken, moeten de dynamische bereiken van de in- en uitgang minimaal gelijk zijn. Meestal is het dynamische bereik van veranderingen in ingangssignalen echter groter dan het dynamische bereik van de versterker, wat leidt tot het optreden van niet-lineaire vervormingen bij het versterken van het signaal. Uitbreiding van het dynamisch bereik van de versterker kan worden bereikt met behulp van OOS. Deze uitbreiding is recht evenredig met de diepte van het besturingssysteem.

Lijst met gebruikte bronnen.

Gebaseerd op materiaal van de website http://referats. *****. Gebaseerd op materiaal van de website http://www. *****. Voishvillo-apparaten: leerboek voor universiteiten. - 2e druk, herzien. en extra - M.: “Radio en communicatie”. 1983. - 264 blz. Gram-versterkers. - M.: “Communicatie”. 1966. - 336 p.

Niet-lineaire vervormingen zijn signaalvervormingen die worden veroorzaakt door de niet-lineariteit van de relatie tussen de secundaire en primaire signalen in een stationaire modus. Als gevolg van niet-lineaire traagheidsvrije vervormingen van het ingangssignaal met een sinusoïdale vorm wordt een uitgangssignaal met een complexe vorm verkregen y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 + ... waarbij: x de ingangsgrootheid is; y0 - constante component; v1 - lineaire versterking; v2, v3 ... - niet-lineaire vervormingscoëfficiënten.

In een systeem met een niet-lineaire overdrachtskarakteristiek verschijnen spectrale componenten die niet aanwezig waren bij de invoer - producten van niet-lineariteit. Wanneer een signaal met een enkele frequentie f1 aan de ingang van zo'n systeem wordt aangeboden, zullen componenten met frequenties f1, 2f1, 3f1, etc. aan de uitgang verschijnen. Indien aan de ingang een signaal bestaande uit meerdere frequenties f1, f2, f3, ... wordt toegevoerd, dan worden aan de uitgang van het systeem naast harmonische componenten zogenaamde “combinatiecomponenten” met frequenties n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ± ... zal bovendien verschijnen, waarbij n=1, 2, 3, ... Bij het voeden van geluiden met een continu spectrum wordt ook een continu spectrum verkregen, maar met een veranderde vorm van de spectrumomhullende.

Niet-lineaire vervorming wordt meestal beoordeeld aan de hand van de niet-lineaire vervormingsfactor, de verhouding tussen de effectieve waarden van harmonischen en de effectieve waarde van het totale uitgangssignaal, en wordt gemeten als een percentage. Hier zijn An de amplitudes van componenten met frequenties nf. De hierna gegeven vereenvoudigde formule is geldig voor gevallen waarin de vervormingen klein zijn (K<=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.
Tijdens de geluidsoverdracht moeten de primaire relaties tussen de frequentiecomponenten van geluid behouden blijven. In dit opzicht wordt de kwaliteit van elke sectie van het audiokanaal beoordeeld aan de hand van de amplitude-frequentiekarakteristiek (afgekorte frequentie), die vaak wordt aangegeven met de afkorting frequentierespons. Onder frequentierespons wordt verstaan ​​een grafiek van de afhankelijkheid van de transmissiecoëfficiënt van de frequentie van de signalen die worden geleverd aan de ingang van een bepaald gedeelte van het kanaal of een afzonderlijk audioapparaat. De transmissiecoëfficiënt is de verhouding tussen de magnitudes van de signalen aan de ingang van de versterker en de uitgang ervan.
De frequentierespons van het transmissiepad (frequentieafhankelijkheid van de transmissiecoëfficiënt) verandert de relaties tussen de amplitudes van de frequentiecomponenten. Dit leidt tot een subjectief gevoel van klankkleurverandering. Een indicator voor de mate van frequentievervorming die in elk apparaat optreedt, is de oneffenheid van de amplitude-frequentiekarakteristiek; een kwantitatieve indicator bij elke specifieke frequentie van het signaalspectrum is de frequentievervormingscoëfficiënt.

Niet-lineaire vervormingen worden veroorzaakt door de niet-lineariteit van het signaalverwerkings- en transmissiesysteem. Deze vervormingen veroorzaken het verschijnen in het frequentiespectrum van het uitgangssignaal van componenten die afwezig zijn in het ingangssignaal. Niet-lineaire vervormingen zijn veranderingen in de vorm van trillingen die door een elektrisch circuit gaan (bijvoorbeeld door een versterker of transformator), veroorzaakt door schendingen van de evenredigheid tussen de momentane spanningswaarden aan de ingang van dit circuit en aan de uitgang ervan. Dit gebeurt wanneer de uitgangsspanningskarakteristiek niet-lineair afhankelijk is van de ingangsspanning. Niet-lineaire vervorming wordt gekwantificeerd door de totale harmonische vervormingsfactor of harmonische vervormingsfactor. Typische SOI-waarden: 0% - sinusoïde; 3% - vorm dichtbij sinusoïdaal; 5% - een vorm die bijna sinusvormig is (vormafwijkingen zijn al merkbaar voor het oog); tot 21% - trapeziumvormig of getrapt signaal; 43% is een blokgolfsignaal.

Irina Aldoshina

Datum van eerste publicatie:

december 2007

Niet-lineaire vervormingen. Stroom. Impedantie. Elektromechanische parameters.

Zoals reeds vermeld in, zijn er in alle soorten elektro-akoestische transducers (luidsprekers, microfoons, stereotelefoons, enz.) zowel lineaire als niet-lineaire vervorming signaal. Deze laatste worden gekenmerkt door het verschijnen van nieuwe componenten in het spectrum. Luidsprekers hebben het hoogste niveau van niet-lineaire vervorming van alle andere delen van het pad. Daarom wordt er in de moderne audiotechnologie veel aandacht besteed aan methoden voor het beoordelen en meten van deze vervormingen.

Het verschijnen van extra componenten in het spectrum is te wijten aan de niet-lineariteit van de overdrachtsfunctie, dat wil zeggen de niet-lineaire afhankelijkheid van het uitgangssignaal van het ingangssignaal (in het geval van een luidspreker, de afhankelijkheid van het geluidsdrukniveau van het geleverde signaal). spanning). De oorzaak van niet-lineariteit kan het ontwerp en de technologische kenmerken van elektro-akoestische transducers zijn. In elektrodynamische luidsprekers (waarvan het ontwerp in de volgende artikelen zal worden gepresenteerd) omvatten dergelijke kenmerken bijvoorbeeld:
- niet-lineaire elastische eigenschappen van de ophang- en centreerring;
- niet-lineaire afhankelijkheid van de verplaatsing van de spreekspoel van de aangelegde spanning als gevolg van de interactie van de spoel met het magnetische veld en thermische processen in de luidsprekers;
- niet-lineaire oscillaties van het diafragma met een grote kracht, enz.

Harmonische vervorming
Getoond in afb. 1 kan de relatie tussen ingangs- en uitgangssignalen worden benaderd als een polynoom:
y(t) = a1 x(t) + a2 x2 (t) + a3 x3 (t) + a4 x4 (t) + ......

Als een harmonisch signaal wordt toegepast op een dergelijk niet-lineair systeem, dat wil zeggen: x(t) = Een zonde ωt, dan bevat het uitgangssignaal componenten met frequenties ω , 2ω, 3ω … nω enz. Als we ons bijvoorbeeld beperken tot alleen de kwadratische term, zullen er sindsdien tweede harmonischen verschijnen y(t) = a1 A zonde ωt + a2 (A zonde ωt)2 = a1 A zonde ωt + 1/2 a2 A2 zonde 2 ωt + const.

In echte converters kunnen, wanneer een harmonisch signaal wordt geleverd, harmonischen van de tweede, derde en hogere orde, evenals subharmonischen optreden. (1/n)ω, rijst. 2.

Om dit soort vervorming te beoordelen, worden meestal methoden gebruikt voor het meten van de niveaus van extra harmonischen in het uitgangssignaal (meestal alleen de tweede en derde) op sinusoïdale signalen. In overeenstemming met internationale normen (IEC 268-5) wordt de frequentierespons van de tweede en derde harmonischen geregistreerd in echovrije kamers en wordt de harmonische vervormingscoëfficiënt van de n-orde gemeten:

Waar pfn- wortelgemiddelde kwadratische geluidsdrukwaarde die overeenkomt met N- harmonische component.

Het wordt gebruikt om het totaal te berekenen harmonische vervormingsfactor(Afb. 3):

In overeenstemming met de vereisten van IEC 581-7 voor hifiluidsprekers mag de THD (totale harmonische vervorming) bijvoorbeeld niet hoger zijn dan 2% in het frequentiebereik van 250-1000 Hz en 1% in het bereik boven 2000 Hz.

Opgemerkt moet worden dat het gehoorsysteem extreem gevoelig is voor de aanwezigheid van niet-lineaire vervormingen in akoestische transducers. De "zichtbaarheid" van harmonische componenten hangt af van hun volgorde. Met name het gehoor is gevoeliger voor vreemde componenten. Bij herhaald luisteren wordt de perceptie van niet-lineaire vervormingen scherper, vooral bij het luisteren naar individuele muziekinstrumenten. Het frequentiegebied met maximale gehoorgevoeligheid voor dit soort vervormingen ligt binnen het bereik van 1...2 kHz, waarbij de gevoeligheidsdrempel ~1% is.

Deze methode voor het beoordelen van niet-lineariteit maakt het echter niet mogelijk om rekening te houden met alle soorten niet-lineaire producten die ontstaan ​​tijdens het converteren van een echt muziek- en spraaksignaal. Daarom gaat de zoektocht naar andere manieren om niet-lineaire vervormingen en hun correlatie met subjectieve beoordelingen te beoordelen voortdurend door. Dit is vooral relevant in de huidige tijd, nu de niveaus van niet-lineaire vervormingen aanzienlijk zijn afgenomen en de verdere reductie ervan aanzienlijke economische kosten met zich meebrengt, waardoor kennis van werkelijke gehoordrempels noodzakelijk is.

Intermodulatie vervorming
Naast metingen van harmonische componenten worden meetmethoden gebruikt in de praktijk van het ontwerpen en evalueren van elektro-akoestische apparatuur intermodulatie vervorming.

De meettechniek wordt gepresenteerd in IEC 268-5 en is gebaseerd op het aanleggen van twee sinusoïdale signalen met frequenties aan de zender f1 En f2(Waar f1< 1/8 f2 , met een amplitudeverhouding van 4:1) en het meten van de geluidsdrukamplitudes van combinatietonen: f2 +/- (n - 1)f1, Waar n = 2, 3(Afb. 2). Als u bijvoorbeeld frequenties van 200 Hz en 1000 Hz op een luidspreker toepast, zullen er in de aanwezigheid van intermodulatievervorming (en deze bestaan ​​altijd in luidsprekers) verschiltonen in het spectrum verschijnen: 1000 - 200 = 800 Hz, 1000 - 2 x 200 = 600 Hz, 1000 - 3 x 200 = 400 Hz, enz.; evenals totaaltonen: 1000 + 200 = 1200 Hz, 1000 + 2 x 200 = 1400 Hz, 1000 + 3 x 200 = 1600 Hz, etc.

De totale intermodulatievervormingsfactor wordt in dit geval bepaald als:

Waar Kimn = /pav.

De oorzaak van intermodulatievervorming is dezelfde fysieke reden, namelijk de niet-lineaire verbinding tussen de uitgangs- en ingangssignalen, dat wil zeggen de niet-lineaire overdrachtskarakteristiek.

Zoals eerder vermeld, worden, in overeenstemming met internationale normen, in de apparatuur alleen intermodulatievervormingscoëfficiënten van de tweede en derde orde gemeten. Ikunnen informatiever zijn dan harmonische vervormingsmetingen, omdat ze een gevoeliger maatstaf voor niet-lineariteit bieden. Zoals experimenten uitgevoerd in de werken van R. Geddes echter aantoonden (rapport op het 115e AES-congres in New York - pr. 5891), bestaat er echter een duidelijke correlatie tussen subjectieve beoordelingen van de kwaliteit van akoestische transducers en het niveau van intermodulatievervorming daarin kon niet worden vastgesteld; de spreiding bleek in schattingen te groot.

Meertonige methode voor het beoordelen van niet-lineaire vervorming
De zoektocht naar nieuwe criteria voor het beoordelen van niet-lineaire vervormingen in elektro-akoestische apparatuur gaat voortdurend door. Het werd vooral voorgesteld meertonige methode voor het beoordelen van niet-lineaire vervormingen (waarvan de geschiedenis en toepassingsmethoden in detail worden bestudeerd in de werken van Voishvillo A.G. et al.). Meertonig signaal vertegenwoordigt de som van sinusoïdale componenten van de volgende vorm:

de frequentieverdeling daarin gehoorzaamt aan een logaritmische wet, en de faseverdeling wordt geselecteerd op basis van de voorwaarde van het minimaliseren van de topfactor (de verhouding van de maximale signaalwaarde tot het gemiddelde). Een algemeen beeld van het spectrum en een oscillogram van een dergelijk signaal worden getoond in Fig. 4.

Wanneer een dergelijk signaal wordt toegevoerd aan een niet-lineair apparaat, worden in het uitgangssignaal harmonische en ingegenereerd, die met behulp van daaropvolgende verwerking afzonderlijk kunnen worden gescheiden en geëvalueerd. Een voorbeeld van totale harmonische en intermodulatievervorming wordt getoond in Fig. 5.

De meertonige meetmethode heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere methoden: deze is vrij snel en biedt een gedetailleerde grafische weergave van de vervormingsproducten. Als een meertonig signaal wordt gebruikt, bevat het spectrum van het uitgangssignaal aanzienlijk meer indan harmonische vervormingen (wat veel dichter bij echte muziek- en spraakweergave ligt). Opgemerkt moet worden dat ondanks de optimalisatie het meertonige signaal een hogere crestfactor produceert dan het ruissignaal. Deze meetmethode geeft dus een grotere waarde voor vervorming dan bij het meten op een ruissignaal, maar misschien is deze marge wel handig bij het beoordelen van apparatuur.

Correlatiefunctie
Zoals reeds vermeld, is de zoektocht naar methoden voor het meten van niet-lineaire vervormingen op echte ruis- en muzieksignalen die beter correleren met de processen van subjectieve perceptie momenteel aan de gang. Dergelijke methoden omvatten het meten van niet-lineaire vervormingen met behulp van Volterra-reeksen en correlatiefuncties.

Correlatiefunctie γ(fi ) uitgedrukt als de verhouding van het kwadraat van het kruisspectrum (wederzijds energiespectrum) tussen het ingangs- en uitgangssignaal Gxy (fi) naar de vierkanten van autospectra (energiespectra) van de invoer Gxx (fi) en uitgangssignalen Gyy (fi):

Als de akoestische transducer een strikt lineair systeem is, is deze functie gelijk aan eenheid. Als de ingangs- en uitgangssignalen helemaal niet met elkaar verbonden zijn, is de functie gelijk aan nul. Als het akoestische systeem een ​​niet-lineaire transformatie van het ingangssignaal uitvoert of ruis introduceert, heeft de correlatiefunctie waarden tussen nul en één, dat wil zeggen dat de waarde van de correlatiefunctie een algemene beschrijving geeft van alle niet-lineaire producten in het uitgangssignaal karakteriseert het de mate van “overeenstemming” van de signalen.

De resultaten van het gebruik ervan om niet-lineariteit in luidsprekers te evalueren worden getoond in Fig. 6, waar de volgende waarde langs de abscis-as is uitgezet:

De figuur toont de afhankelijkheid van de correlatiefunctie van de frequentie en het signaalniveau (de onderste curve komt overeen met het geleverde vermogen, wat een spoelverplaatsing van 4 mm oplevert, de bovenste curve - 10 mm). Het gemak van het toepassen van dit criterium op de beoordeling van niet-lineaire vervormingen is een duidelijke grafische weergave; het nadeel is de onmogelijkheid om individuele vervormingsproducten te identificeren. De voordelen van het gebruik van dit criterium voor het beoordelen van niet-lineaire vervormingen in akoestische systemen worden nu intensief bestudeerd.

Om vervormingen in luidsprekers te beoordelen, zijn er bovendien werken over het gebruik van zogenaamde perceptuele methoden (rekening houdend met de eigenschappen van het gehoorsysteem). In het bijzonder wordt voorgesteld om methoden die zijn ontwikkeld voor het beoordelen van vervormingen van muziek- en spraaksignalen in codecs (PEAG, PESQ) uit te breiden naar elektro-akoestische converters, en om de theorie van neurale netwerken (zoals NARMAX) en andere methoden toe te passen die rekening houden met rekening houden met de bijzonderheden van de signaalverwerking in het gehoorsysteem.

Beoordeling van niet-lineaire vervormingen: onmiddellijke vooruitzichten
Een analyse van alle beschikbare methoden voor het meten van niet-lineaire vervormingen suggereert dat de verdere ontwikkeling van het werk in deze richting de volgende paden zal volgen.

Met behulp van één (of meer) van de bovenstaande methoden wordt een niet-lineair dynamisch computermodel van het akoestische systeem gebouwd. Vervolgens wordt er een echt muzieksignaal aan toegevoegd. Het uitgangssignaal van dit model wordt opgesplitst in lineaire en niet-lineaire componenten. De niet-lineaire vervormingen worden vervolgens ingevoerd in een computermodel van het gehoorkanaal dat rekening houdt met maskeringseffecten en andere verwerkingsprocessen, dat vervolgens analyseert voor welke soorten vervormingen het gehoorsysteem het meest gevoelig is en wat de drempels ervan zijn. Tegelijkertijd wordt de beoordeling van vervormingsproducten uitgevoerd met behulp van subjectieve tests, op basis waarvan beslissingen worden genomen om aanvaardbare normen voor akoestische apparatuur vast te stellen.

Deze hele reeks werken zal het in de nabije toekomst ongetwijfeld mogelijk maken om naar een nieuw niveau van beoordeling van niet-lineaire vervormingen in akoestische apparatuur te gaan, dat veel beter correleert met auditieve perceptie.

Geluidsdrukniveaus
Een van de belangrijkste vereisten voor elektro-akoestische apparatuur is het garanderen van een onvervormde overdracht van het dynamische bereik van muziek- en spraaksignalen. Elk muziek- en spraaksignaal kan worden weergegeven in de vorm van een niveaugram (Fig. 7). Een niveaugram is de afhankelijkheid van het geluidsdrukniveau (bijvoorbeeld gecreëerd door een orkest, stem of welk instrument dan ook) van de tijd.

Het verschil tussen het maximale en minimale geluidsdrukniveau is bepalend dynamisch bereik signaal, en het verschil tussen het maximale en het gemiddelde niveau is het signaal topfactor. Het maximale niveau heeft betrekking op het geluidsdrukniveau waarboven de signaalwaarden niet meer dan 2% van de tijd voor muziek en 1% voor spraak mogen bedragen. De maximale geluidsdrukniveaus van echte bronnen kunnen de volgende waarden bereiken: voor een piano - 103 dB; voor een symfonieorkest - 112 dB; een rockband heeft 128 dB. Om ervoor te zorgen dat een akoestisch systeem (luidspreker) dergelijke geluidsdrukniveaus kan reproduceren, moet het ontwerp ervan toelaten dat grote hoeveelheden elektrisch vermogen door de versterker worden geleverd.

Om het vermogen van een akoestisch systeem om het dynamische geluidsbereik zonder vervorming over te brengen te karakteriseren, gebruiken catalogi en brochures een parameter zoals max SPL (Sound Pressure Level) - het maximale geluidsdrukniveau. In de meeste akoestische systemen liggen de waarden van deze parameter in het bereik van 102...105 dB, maar om met digitale paden te werken zijn er studio-units met een maximaal geluidsdrukniveau tot 110 dB of meer ontwikkeld , en bij akoestische portaalconcertsystemen kunnen deze waarden 125 dB en hoger zijn.

Stroom
Om dergelijke drukniveaus te garanderen, moet een hoog vermogen aan de luidsprekersystemen worden geleverd door een laagfrequente versterker: 100-200 W voor huishoudelijke apparatuur, 300-1000 W of meer voor professionele apparatuur. Meestal wordt dit aangegeven in catalogi voor luidsprekersystemen aanbevolen vermogen laagfrequente versterker. Vaak geeft de fabrikant zelfs twee vermogens aan: het minimum waarbij de speaker het programma nog heel natuurlijk weergeeft, en het maximum waarbij de speaker nog zonder noemenswaardige vervorming blijft werken.

Het afstemmen van het vermogen tussen versterkers en luidsprekersystemen is zo belangrijk om een ​​goede geluidskwaliteit te garanderen, dat er speciale internationale aanbevelingen IEC 268-5,581-7 over dit onderwerp zijn ontwikkeld. In overeenstemming hiermee worden de volgende soorten vermogen aangegeven in catalogi, advertenties en technische literatuur voor akoestische systemen en andere soorten akoestische apparatuur:
- karakteristiek, waarbij het akoestische systeem een ​​bepaald geluidsdrukniveau biedt (in internationale aanbevelingen voor hifi-apparatuur moet dit minimaal 94 dB per 1 m zijn);
- paspoort(PHC, Power Handling Capacity), waarbij het luidsprekersysteem lange tijd (meestal 100 uur) op een speciaal geluidssignaal kan werken zonder mechanische en thermische schade (dit is het meest voorkomende type stroom dat wordt aangegeven in de technische literatuur);
- maximaal sinusoïdaal, waardoor metingen gedurende 1 uur op een sinusvormig signaal kunnen worden uitgevoerd.

Er zijn nog twee soorten stroom geïntroduceerd, specifiek voor matching met versterkers: maximale kracht op lange termijn en op korte termijn(in de Duitse norm DIN 45500 wordt per definitie een kracht geïntroduceerd die dicht bij deze laatste ligt - "muzikaal"). Voor het testen wordt een geluidssignaal gebruikt, maar de tests worden tien keer gedurende één minuut voortgezet met tussenpozen van twee minuten en één seconde gedurende 60 keer met tussenpozen van één minuut.

De waarden van deze vermogens kunnen meerdere keren verschillen voor hetzelfde luidsprekersysteem. Het karakteristieke vermogen is bijvoorbeeld 35 W, het maximale sinusoïdale vermogen is 50 W, het nominale vermogen is 90 W, het langetermijnvermogen is 100 W en het kortetermijnvermogen is 150 W.

In voorgaande jaren werd de technische documentatie voor huishoudelijke apparatuur aangegeven nominaal vermogen, die werd bepaald door een bepaald niveau van niet-lineaire vervorming. Het was meestal opgenomen in de naam van het luidsprekersysteem, bijvoorbeeld 35AC-01. Vervolgens, nadat internationale normen waren overgestapt op andere soorten stroom, begonnen ze het nominale vermogen in de naam aan te geven, bijvoorbeeld S-90. Na enige tijd omvatten de namen energie op lange termijn (of zelfs op korte termijn), bijvoorbeeld 150AC. Het lijkt erop dat het vermogen steeds groter wordt, al verandert er niets aan het ontwerp. Het is gewoon een kwestie van verschillende definities van capaciteit, en veel bedrijven gebruiken dit voor reclamedoeleinden (daarom moeten gebruikers zich goed bewust zijn van deze subtiliteiten).

Impedantie
Om luidsprekersystemen te matchen met eindversterkers, is het karakter van totale elektrische ingangsweerstand (impedantie). De elektrische weerstand van echte meerwegs-akoestische systemen en individuele luidsprekers heeft een complex karakter, afhankelijk van de frequentie, zoals weergegeven in Fig. 8.

Gewoonlijk voorzien nationale en internationale normen in het vastleggen van de frequentieafhankelijkheid van de elektrische weerstandsmodulus, hoewel het vastleggen van de fasekarakteristieken van de impedantie ook zeer nuttig is en vaak in moderne catalogi wordt vermeld. Het meetdiagram wordt getoond in Fig. 9. In moderne digitale computerstations worden complexe frequentiekarakteristieken (amplitude en fase) van de elektrische ingangsweerstand gemeten.

De aard van de afhankelijkheid van de impedantie van het luidsprekersysteem van de frequentie wordt bepaald door het type laagfrequent ontwerp (gesloten, met een basreflex, met een passieve radiator, enz.), de parameters van de luidsprekerkoppen, de eigenschappen van de filter- en correctiecircuits die in het systeem worden gebruikt, enz.

In catalogi voor apparatuur wordt de impedantiewaarde meestal gespecificeerd op een frequentie die overeenkomt met het minimum van de curve (Fig. 8) met een toegestane afwijking van 20%. Als de technische documentatie bijvoorbeeld een nominale waarde van 8 Ohm specificeert, mag de waarde van de impedantiemodule bij de elektromechanische resonantiefrequentie niet lager zijn dan 6,3 Ohm.

Elektromechanische parameters en hun meting
Methoden voor computerberekening van de kenmerken van akoestische systemen in het laagfrequente gebied die de afgelopen jaren zijn gecreëerd, vereisen de meting van een aantal ‘elektromechanische’ parameters, genaamd ‘elektromechanische’ parameters, van de luidsprekers waaruit ze bestaan. Small-Thieve-parameters"(met de namen van de wetenschappers die deze methoden hebben ontwikkeld):
- actieve weerstand van de spreekspoel Met betrekking tot;
- hoofdresonantiefrequenties fs;
- kwaliteitsfactoren: Qts(vol), Qes(elektrisch), Qms(mechanisch);
- gelijkwaardig volume Vas;
- effectief stralingsgebied SD;
- maximale verplaatsing van de spreekspoel Xd enz.

Sommige van deze parameters kunnen worden bepaald aan de hand van de geregistreerde frequentierespons van de elektrische ingangsimpedantie.

Fundamentele resonantiefrequentie fs wordt gedefinieerd als de frequentie waarbij de waarde van de modulus van de totale elektrische weerstand het eerste hoofdmaximum heeft (Fig. 8). De frequentie kan direct worden gemeten of worden bepaald op basis van de geregistreerde frequentierespons van de elektrische impedantiemodule. In sommige gevallen, vooral bij het meten van hoogfrequente luidsprekers, is een nauwkeurigere methode het bepalen van de resonantiefrequentie uit de faserespons (als de frequentie waarbij de faserespons door nul gaat).

Kwaliteitsfactor- vol Qts, mechanisch Qms en elektrisch Qes in elektro-akoestische transducers zijn met elkaar verbonden door de relatie:
1/Qts = 1/Qms + 1/Qes.

De kwaliteitsfactor karakteriseert de demping in het systeem (die afhankelijk is van de absorptie van geluid in het bewegende systeem, in de luidsprekerbehuizing, etc.). Hoe groter de demping, hoe lager de kwaliteitsfactor, en omgekeerd. Als de piek in de resonante impedantiecurve smal en hoog is, dan is de kwaliteitsfactor hoog en de verzwakking laag. In goede akoestische systemen moet de kwaliteitsfactor laag zijn, in het bereik van 0,7-1,1.

De meest gebruikte methoden voor het bepalen van de kwaliteitsfactor zijn die waarbij metingen worden gebruikt van de frequentierespons van de totale elektrische impedantiemodule op een sinusoïdaal signaal of metingen van de parameters van het transiënte proces in het elektrische circuit van de emitter.

Metingen worden uitgevoerd volgens het schema getoond in Fig. 9: Wanneer de frequentie soepel verandert, wordt de frequentie bepaald f0, waarbij de voltmeterwaarden maximaal zijn ( Umax); Vervolgens wordt de frequentie bepaald fam, overeenkomend met de minimumwaarden (Umin); en er worden ook twee frequenties genoteerd f1 En f2 gelegen in het gebied f1< f0 < f2 , waarbij de spanningen gelijk zijn U1 = U2.

De grootte van deze spanningen wordt bepaald als

Waar R0 is de gelijkstroomweerstand van de luidspreker, en /Z/max- maximale modulewaarde. In dit geval is de mechanische kwaliteitsfactor gelijk aan:

De totale kwaliteitsfactor wordt gedefinieerd als:

De elektrische kwaliteitsfactor wordt berekend met behulp van de reeds gegeven formule 1/Qts = 1/Qms + 1/Qes.

Equivalent volume Vas wordt gedefinieerd als een omsloten luchtvolume met een akoestische flexibiliteit die gelijk is aan die van het bewegende luidsprekersysteem:
Vas = Vв [(fc/fs)2 - 1],
Waar fs- resonantiefrequentie van de luidspreker zonder ontwerp, FC- resonantiefrequentie van een luidspreker geplaatst in een gesloten behuizing met volume Vв met goede afdichting. Het volume van de doos wordt geselecteerd uit de voorwaarde:

Bovendien moet u de maximaal toegestane spreekspoeloffset kennen. Deze parameters moeten momenteel worden aangegeven in catalogi voor laagfrequente luidsprekers.

Moderne digitale technologie maakt het gebruik van snelle en nauwkeurige methoden mogelijk voor het bepalen van de volledige reeks elektromechanische parameters. Eerst wordt de transiënte respons van de luidspreker (in de juiste behuizing) ten opzichte van de spanning in de spreekspoel geregistreerd. Vervolgens worden numerieke methoden gebruikt om de coëfficiënten van het elektrische circuit te identificeren, waarvan de transiënte respons samenvalt met de gemeten respons, en worden de bovenstaande parameters berekend op basis van de aldus verkregen kenmerken. Deze methode wordt geïmplementeerd in moderne computermetrologiestations.

Over het algemeen bieden computerstations en programma's (MLSSA, CLIO, etc.) de mogelijkheid om meer dan dertig elektro-akoestische kenmerken te meten. Sommige bedrijven verstrekken gedetailleerde gegevens over hun apparatuur, terwijl andere twee of drie parameters verstrekken. Er zijn nu echter internationale normen (bijvoorbeeld IEC 581-7) die de minimumvereisten voor huishoudelijke en professionele apparatuur definiëren, en die verplicht zijn voor presentatie in technische documentatie voor alle soorten apparatuur.

Een ander zeer belangrijk punt bij het beoordelen van de parameters van elektro-akoestische apparatuur, vooral voor ons land, is de stabiliteit en betrouwbaarheid van de kenmerken bij gebruik in verschillende klimatologische en mechanische omstandigheden. In overeenstemming hiermee worden monsters van apparatuur, die eerder in alle parameters zijn gemeten, gedurende een bepaalde tijd in geschikte omstandigheden geplaatst (kamers met hitte, kou, vochtigheid, enz.). Vervolgens worden na de blootstelling hun prestaties en parameters opnieuw gecontroleerd. Catalogi voor apparatuur moeten toegestane bedrijfsomstandigheden aangeven in termen van temperatuur, vochtigheid, enz.

De parameters aangegeven in moderne catalogi voor akoestische systemen kunnen worden weergegeven aan de hand van het voorbeeld van Tannoy 215 DMT II-luidsprekers: frequentierespons - van 35 Hz tot 35 kHz (+/-3 dB); gevoeligheid - 104 dB/W/m; niet-lineaire harmonische vervorming (THD)< 0,5%; паспортная мощность (PHC) - 200 Вт; пиковая мощность (peak) - 500 Вт; угол излучения - 90 град (-6 дБ).

Subjectieve onderzoeken
Alle soorten elektro-akoestische apparatuur moeten, naast het meten van objectieve parameters, onderworpen zijn aan een verplichte procedure voor subjectieve beoordeling van de geluidskwaliteit (die elektro-akoestische apparatuur fundamenteel onderscheidt van andere elektronische apparaten). Dit is te wijten aan het feit dat, aangezien de oplossing voor het probleem van het decoderen van het auditieve beeld nog niet is voltooid, er geen vertrouwen bestaat dat zelfs het meten van dertig of meer parameters de vereiste geluidskwaliteit garandeert.

In de praktijk van het ontwerpen van akoestische apparatuur zijn er veel voorbeelden te noemen wanneer bijvoorbeeld twee akoestische eenheden met ongeveer dezelfde objectieve parameters verschillende beoordelingen krijgen tijdens subjectief luisteren. Om maximale herhaalbaarheid en stabiliteit van beoordelingen tijdens subjectief onderzoek te garanderen, bepalen internationale normen (die momenteel aanzienlijke herziening ondergaan in verband met de overgang naar ruimtelijke geluidssystemen) duidelijk testvoorwaarden, vereisten voor de selectie van gebouwen, programmamateriaal, selectie van experts, beoordelingsmethoden en statistische verwerking van materialen.

De volgende artikelen bespreken het ontwerp van akoestische systemen (luidsprekers) en hun belangrijkste elementen met behulp van de bovenstaande parameters.

IN De hele geschiedenis van de geluidsweergave bestaat uit pogingen om de illusie dichter bij het origineel te brengen. En hoewel er een enorme afstand is afgelegd, zijn we nog steeds heel, heel ver verwijderd van het volledig benaderen van live geluid. Verschillen in talloze parameters kunnen worden gemeten, maar een flink aantal daarvan blijft nog steeds buiten het gezichtsveld van apparatuurontwikkelaars. Eén van de belangrijkste kenmerken waar een consument met welke achtergrond dan ook altijd op let is niet-lineaire vervormingsfactor (THD) .

En welke waarde van deze coëfficiënt geeft redelijk objectief de kwaliteit van het apparaat aan? Degenen die ongeduldig zijn, kunnen aan het eind misschien meteen een poging vinden om deze vraag te beantwoorden. Voor de rest gaan we door.
Deze coëfficiënt, ook wel de totale harmonische vervormingscoëfficiënt genoemd, is de verhouding, uitgedrukt als percentage, van de effectieve amplitude van de harmonische componenten aan de uitgang van een apparaat (versterker, bandrecorder, enz.) en de effectieve amplitude van het grondfrequentiesignaal wanneer een sinusoïdaal signaal van deze frequentie aan de ingang van het apparaat wordt aangeboden. Het maakt het dus mogelijk om de niet-lineariteit van de overdrachtskarakteristiek te kwantificeren, die zich manifesteert in het verschijnen in het uitgangssignaal van spectrale componenten (harmonischen) die afwezig zijn in het ingangssignaal. Met andere woorden, er is een kwalitatieve verandering in het spectrum van het muzikale signaal.

Naast de objectieve harmonische vervormingen die aanwezig zijn in het hoorbare geluidssignaal, is er het probleem van vervormingen die niet aanwezig zijn in het echte geluid, maar gevoeld worden als gevolg van de subjectieve harmonischen die ontstaan ​​in het slakkenhuis van het middenoor bij hoge tonen. geluidsdrukwaarden. Het menselijk gehoorapparaat is een niet-lineair systeem. De niet-lineariteit van het gehoor komt tot uiting in het feit dat wanneer het trommelvlies wordt blootgesteld aan een sinusoïdaal geluid met een frequentie f, harmonischen van dit geluid met frequenties 2f, 3f, enz. in het hoortoestel worden gegenereerd. Omdat deze harmonischen niet aanwezig zijn in de primaire beïnvloedingstoon, worden ze subjectieve harmonischen genoemd.

Uiteraard compliceert dit het idee van het maximaal toegestane niveau van harmonischen in het audiopad nog verder. Naarmate de intensiteit van de primaire toon toeneemt, neemt de omvang van de subjectieve harmonischen scherp toe en kan zelfs de intensiteit van de primaire toon overschrijden. Deze omstandigheid geeft aanleiding voor de veronderstelling dat geluiden met een frequentie van minder dan 100 Hz niet op zichzelf worden gevoeld, maar vanwege de subjectieve harmonischen die ze creëren, die in het frequentiebereik boven 100 Hz vallen, d.w.z. vanwege de niet-lineariteit van het gehoor. De fysieke redenen voor de resulterende hardwarevervormingen op verschillende apparaten zijn van verschillende aard, en de bijdrage van elk aan de algehele vervormingen van het hele pad is niet hetzelfde.

De vervorming van moderne cd-spelers is zeer laag en bijna onmerkbaar in vergelijking met de vervorming van andere apparaten. Voor luidsprekersystemen is de laagfrequente vervorming veroorzaakt door de baskop het meest significant, en de norm specificeert alleen eisen voor de tweede en derde harmonischen in het frequentiebereik tot 250 Hz. En voor een zeer goed klinkend luidsprekersysteem kunnen ze binnen de 1% of zelfs iets meer liggen. Bij analoge bandrecorders is het grootste probleem dat verband houdt met de fysieke basis van opnemen op magneetband de derde harmonische, waarvan de waarden meestal worden gegeven in de menginstructies. Maar de maximale waarde waarbij bijvoorbeeld altijd geluidsniveaumetingen worden gedaan is 3% bij een frequentie van 333 Hz. De vervorming van het elektronische gedeelte van bandrecorders is veel lager.
Zowel bij akoestiek als bij analoge bandrecorders wordt, vanwege het feit dat de vervormingen hoofdzakelijk laagfrequent zijn, de subjectieve waarneembaarheid ervan sterk verminderd als gevolg van het maskerende effect (dat erin bestaat dat van twee gelijktijdig klinkende signalen, hoe hoger de -frequentie één wordt beter gehoord).

De belangrijkste bron van vervorming in je circuit zal dus de eindversterker zijn, waarbij de belangrijkste bron op zijn beurt de niet-lineariteit is van de overdrachtskarakteristieken van de actieve elementen: transistors en vacuümbuizen, en in transformatorversterkers niet-lineaire vervormingen van de transformator worden ook toegevoegd, geassocieerd met de niet-lineariteit van de magnetisatiecurve.

Het is duidelijk dat vervorming enerzijds afhangt van de vorm van de niet-lineariteit van de overdrachtskarakteristiek, maar ook van de aard van het ingangssignaal.
De overdrachtskarakteristiek van een versterker met vloeiende clipping bij grote amplitudes zal bijvoorbeeld geen enkele vervorming veroorzaken voor sinusoïdale signalen onder het clippingsniveau, maar naarmate het signaal boven dit niveau toeneemt, treedt vervorming op en zal deze toenemen. Dit soort beperkingen is vooral inherent aan buizenversterkers, wat tot op zekere hoogte kan dienen als een van de redenen voor de voorkeur van luisteraars voor dergelijke versterkers. En deze functie werd door NAD gebruikt in een reeks van zijn veelgeprezen versterkers met "zachte beperking", geproduceerd sinds het begin van de jaren 80: de mogelijkheid om een ​​modus in te schakelen met imitatie van buisclipping creëerde een groot leger fans van transistorversterkers van dit bedrijf .