Измерение шумов

Что мы измеряем? Часть 2. Шумы и искажения
Михаил Чернецкий

Наверное, не будет большим преувеличением сказать, что главные параметры, на которые мы обращаем внимание при выборе аппаратуры - это уровни шумов и искажений. Почему? Возможно потому, что практически любые другие - динамические, частотные и др., при наличии желания и некоторой квалификации можно без особых затруднений изменить в любую нужную вам сторону, а эти практически неизменяемы. То есть изменить-то можно, но это потребует полной переделки всего изделия, что в реальности маловероятно. Таким образом, эти два параметра - уровень шума и искажения - " объективная реальность, данная нам в ощущениях", и с ними - жить и работать. Как же их измерить, и - что ещё важнее - правильно истолковать результат?

Измерение шумов

Как я ранее уже писал (пилотный номер " Звукорежиссера" ), для правильного измерения шумов необходим прежде всего квадратичный вольтметр. Обычные вольтметры, тестеры и т. д., в том числе и цифровые, для этих целей непригодны, потому, что все они измеряют другие значения - пиковое, средневыпрямленное и т. д. При этом часто на шкале может быть даже написано " RMS", но это не соответствует истине, т. к. шкала только проградуирована в этих значениях, а реально измеряется то, что написано выше. Такими приборами можно точно измерять только синусоидальный сигнал: для " синуса" между различными его значениями (пиковым, эффективным) существуют строго определённые соотношения, и в конструкции приборов это уже учтено. Благодаря этому, при измерении синусоидального сигнала результаты получаются достоверными, но при измерении шумов их показания, увы, весьма недостоверны...

Широкополосный шум в сигнале

Так что, если вы хотите получить при измерении шума достоверные результаты, то прежде всего убедитесь, что применяемый Вами для этих целей вольтметр истинно квадратичный.

Итак, вы взяли подходящий прибор, подключили его к выходу исследуемого вами устройства и можно уже измерять? Можно, но лучше не нужно. Не хватает осциллографа. Казалось бы - зачем? Собрались шум померить, а не посмотреть? Но шумы в реальной студийной аппаратуре весьма малы, и составляют (в худших случаях! ) доли милливольт. В силу их малости, даже самое незначительное присутствие других сигналов может сильнейшим образом повлиять на результаты измерений, исказив их до полной неузнаваемости. Поэтому, чтобы точно знать, что мы измеряем уровень именно шумов, а не чего-то ещё неизвестного, желательно, даже необходимо, дополнительно осуществлять визуальный контроль исследуемого сигнала. Кстати, это полезно всегда, чтобы знать, что именно измеряется, а то - такого можно " намерить"! В сигнале теоретически всегда может присутствовать " много чего", например, фон, ультразвуковые наводки от цифровых цепей и т. д. И чтобы не ошибиться, лучше этот сигнал ещё и посмотреть.

Подключать осциллограф нужно не к выходу исследуемого прибора, а к специальному выходу вольтметра. Практически в любом профессиональном вольтметре есть специальное гнездо - " Выход". На него подаётся уже усиленный внутри вольтметра сигнал, и, подавая на осциллограф сигнал именно оттуда, вы " убиваете двух зайцев". Так как уровень напряжения шумов очень мал, то, подав его на осциллограф напрямую, можно, скорее всего, вообще ничего не увидеть, т. к. чувствительность большинства осциллографов недостаточна для анализа слабых сигналов. Кроме того, если вы подключите осциллограф к входу вольтметра, то сам осциллограф, вполне вероятно, сможет навести помехи на входные цепи вольтметра, и тогда - прощай объективность измерений!

Теперь, когда к выходу исследуемого устройства подключен вольтметр, а к его выходу - осциллограф, мы готовы к проведению измерений? Не совсем. Дело в том, что современные устройства обработки звуковых сигналов собраны, как правило, на весьма скоростных, высокочастотных элементах - транзисторах и микросхемах. Спектр их шумов может простираться очень далеко за пределы звукового диапазона, а так как вольтметр измеряет " всё", то его показания вследствие этого могут существенно отличаться от воспринимаемых " на слух" в звуковом диапазоне величин. Как быть?

Очень просто - включить в цепь измерительный фильтр, ограничивающий полосу частот, подаваемых на вольтметр, сигналами звукового диапазона, от 20 Гц до 20 кГц. В некоторых моделях лабораторных вольтметров такие фильтры уже встроены в конструкцию прибора, а если у вас такого фильтра нет - не беда, его несложно сделать и самому.

Запомните - фильтр должен ограничивать только полосу частот, подаваемых на детектор (выпрямитель) вольтметра! И ничего более!

Теперь, имея всё необходимое: вольтметр, фильтр звукового диапазона, осциллограф - можно приступать к измерениям.

Рассмотрим для начала параметр, вызывающий наибольшие затруднения - входной шум микрофонного усилителя. Если у вас в описании пульта указано, что эта величина составляет, к примеру, -130 дБ, то означает ли это, что отношение сигнал/шум будет составлять такую же точно величину? Конечно, нет.

В профессиональной аппаратуре вообще не очень часто указывается соотношение сигнал/шум, т. к. эта величина неконкретна, и зависит от условий реальной работы. Это можно пояснить следующим примером: представьте, что некоторое устройство имеет выходной шум в 1 милливольт. Каково будет отношение сигнал/шум? Это будет зависеть от величины полезного сигнала. Если сигнал будет 1 вольт, то отношение сигнал/шум = 60 дБ, а если 10 вольт, то отношение сигнал/шум составит 80дБ.

Так и в случае с пультом: можно снимать выходной сигнал величиной 10 вольт, а можно 250 милливольт. Естественно, что отношение сигнал/шум будет в этих случаях различным. Вот как раз, чтобы избежать возможных разночтений, и указывается не отношение сигнал/шум, а величина входных шумов, только выраженная не в вольтах, а в децибелах.

Посмотрите на спецификацию своего пульта. Там вы увидите множество значений уровней шумов для многих случаев: когда мастер-фейдер закрыт или открыт, одна ячейка открыта или несколько, и т. д. и т. п. Всё это именно абсолютные величины, а не отношения сигнал/шум!

Однако вернёмся к микрофонному входу. В описании указано: " EIN= -130 dB". Как это понимать и измерять? " EIN" - это Equivalent Input Noise (" эквивалентный входной шум" ), то есть уровень шума устройства, приведённый к его входу. Для измерения достаточно узнать коэффициент усиления и величину шумов на выходе устройства, а затем - вторую величину разделить на первую, и результат - выразить в децибелах.

Пример. Для измерения EIN необходимо сделать следующее: подключить (обязательно! ) на вход вместо микрофона его эквивалент, постоянный резистор номиналом 150 или 200 Ом (его величина обычно указывается в документации), и установить регулятор GAIN на максимум. Измерить выходное напряжение шумов. Затем отключить эквивалент микрофона и подать на вход небольшой сигнал (к примеру, 1 мВ). Измерить величину выходного сигнала. Разделив её на величину входного, получим коэффициент усиления устройства. Допустим: вход - 1 мВ, выход - 1 В, 1 В/1 мВ=1000. То есть в 1000 раз или 60 дБ.

Если при измерении шума ранее было получено, к примеру, 0, 25 мВ (-70 дБ), то для нашего устройства EIN = (-70 дБ) + (60 дБ)= -130 дБ.

Казалось бы, для чего такая громоздкая и малопонятная на первый взгляд величина? Вы получили реальную величину шумов на входе вашего устройства. И теперь, при необходимости, очень легко узнать величину отношения сигнал/шум для любого сигнала. Для этого достаточно из полученной величины EIN вычесть уровень подаваемого на вход сигнала - и готово!

Пример. Допустим, вы подаёте на вход сигнал величиной 0, 775 мВ (-60 дБ). Сигнал/шум = EIN(дБ)-Uвх (дБ)=(-130 дБ)-(-60 дБ)=-70 дБ.

Всё! Для данного входного сигнала, с этим предусилителем, отношения сигнал/шум большего, чем -70 дБ, не получить!

Здесь необходимо сделать одно замечание. Дело в том, что не шумящих источников не бывает! Шумит всё, в том числе и резисторы. Тепловые шумы резистора номиналом 150 Ом составляют величину 0, 22 мкВ (или -131 дБ). Плюс собственные шумы входного каскада... Поэтому, если у вас вдруг получится, к примеру, -135 дБ, то проверьте приборы и всё, что можно. Аналогично, некоторые, не совсем добросовестные фирмы указывают EIN=-132 дБ.

Не бывает! (Если, конечно, после букв " дБ" не стоит буква " А" ).

Так мы постепенно подошли к применению так называемого " псофометрического фильтра" (мало было осциллографа и одного фильтра! ). Что же это такое и для чего нужно?

Как известно, чувствительность слуха к разным частотам неодинакова, и поэтому два шума с одинаковой " приборной" величиной, измеренной в широкой полосе, могут " на слух" восприниматься совершенно по-разному. Чтобы учесть особенности именно слухового восприятия, в цепь измерения, кроме уже описанных устройств, дополнительно включается специальный фильтр, чья АЧХ соответствует чувствительности нашего уха к слабым сигналам. В последнее время этот фильтр часто называют " взвешивающим".

Существует множество таких фильтров с АЧХ, соответствующими свойствам слуха при различных громкостях, - A, B, C, D. Но реально для измерения шума применяется только один - А. Если измерения проводились с использованием этого фильтра, то в результате пишется не просто " дБ", а " дБА", т. е. наличие обозначения " дБА" означает, что в результаты измерений внесена поправка, учитывающая особенности слухового восприятия. Эти данные более точно соответствуют тому, что мы слышим.

Различие между просто " дБ" и " дБА" зависит от спектра шума, и в общем случае непредсказуемо, однако " дБА" чаще всего меньше. Например, если у вас шум, измеренный в широкой полосе будет -80 дБ, то при измерении с фильтром А это значение может быть и -85 дБА…

Измерение шумов остальных звукотехнических устройств принципиальных отличий от описанного выше не имеет, и, как правило, особых затруднений не вызывает. Да и чаще всего это гораздо проще - например, для усилителей (и многого другого) вовсе не надо результаты пересчитывать, " приводить к входу" и т. д.

Только надо не забывать о подключении к входу испытуемого устройства эквивалента источника сигнала, так как на " висящий в воздухе" вход может навестись всё, что угодно. Замыкать же вход " на землю" не следует - это и методологически неверно, да и в силу возможных особенностей разводки " земельных" проводников в конкретном устройстве в этом случае вполне возможно возрастание уровня шумов, да и фона - тоже (в практике автора, во всяком случае, такое бывало неоднократно). И не забывайте об обязательном контроле измеряемых величин визуально, по осциллографу!

12 Следующая ⇒