Измерение искажений

В аудиоаппаратуре возникает множество искажений различных видов, однако наибольшее распространение получила оценка одного их вида - гармонических искажений, или попросту коэффициента гармоник Кг, ранее, а иногда ещё и сейчас, называемого коэффициентом нелинейных искажений (синоним, пришедший из немецкого, " клир-фактор" ).

Нелинейные искажения

Долгие годы этот показатель считался вполне достаточным для оценки качества аппаратуры, и во многом это верно и сейчас. Конечно, существует много и других параметров, характеризующих нелинейность систем - таких, например, как интермодуляционные искажения(IMD), переходные интермодуляционные искажения (TIMD), а также способов их измерений. Однако все они достаточно сложны в аппаратурной реализации, и в силу этого не имеют широкого распространения в повседневной практике. Для измерения этих величин необходим, прежде всего, высококачественный узкополосный анализатор спектра, с большим динамическим диапазоном. Плюс несколько (два-три) специальных генераторов, крайне редко встречающихся. Ещё масса трудоёмких и кропотливых измерений, а потом расчёты...

А чем лучше Кг? Тем, что проще! Хотя, на самом деле, его измерение не имеет очень уж больших отличий от вышеописанных, но благодаря некоторым, вполне допустимым упрощениям, стало возможным создать приборы для автоматического измерения Кг, и вследствие этого процедура измерений доступна практически всем.

Отечественная промышленность выпускала много приборов для этих целей, от совсем ручных до полных автоматов с цифровым измерением (не ищите, вымерли как мамонты). Вспомним об С6-11, одном из самых доступных. Это, конечно, не совсем полный автомат, но вполне достаточен для практических целей.

Что это вообще такое Кг? В силу неидеальности элементов тракта, в выходном сигнале любого устройства появляются какие-то элементы, которые отсутствовали во входном. Именно эти лишние составляющие и являются собственно искажениями. Таким образом, Кг - это отношение суммы всех гармоник сигнала к уровню его основного тона.

Часто приходится слышать про некие фазовые и частотные искажения. Всё это околонаучные спекуляции. Искажениями, строго говоря, может быть названо только то, что в дальнейшем не может быть исправлено.

Изменения в сигнале, вызванные неравномерностью АЧХ устройства (или его ФЧХ), могут быть устранены с помощью эквалайзера или фазовращателя, а вот появившиеся новые составляющие - не убрать ничем. Если перегруженный до уровня ограничения усилитель обрезал верхушки синусоид входного сигнала - то попрощайтесь с ними навсегда! Что упало - то пропало...

При определении коэффициента гармоник учитываются только те новые составляющие в выходном сигнале, частота которых в целое число раз выше частоты входного сигнала. Эти составляющие являются гармониками входного сигнала (для 1 кГц: 2 кГц - это вторая гармоника, 3 кГц - третья, 4 кГц - четвёртая, и так далее... ), поэтому и интегрированнный показатель их уровней и называется именно так - коэффициент гармоник. Понятно, что при подаче на вход широкополосного сигнала спектр возникающих гармоник будет также очень широк, и будет невозможно определить, где - " вершки", а где - " корешки". Как быть? Вы скажете: надо подать на вход всего один сигнал, тогда и разобраться будет проще. Для этих целей подойдёт любой звуковой генератор, у которого Кг заведомо намного меньше, чем у исследуемого устройства. Наверное Г3-118 лучший отечественный генератор для этих целей, его собственный Кг=0, 002%, что вполне достаточно для большинства практических применений.

Сама процедура измерений очень проста - достаточно на вход испытуемого устройства подать сигнал от генератора, а на выход подключить ИНИ (измеритель нелинейных искажений) и готово, ИНИ сам покажет Кг. Но..., опять забыли осциллограф! На всех, без исключения, ИНИ обязательно есть гнездо " Выход", чтобы видеть, что измеряем. Дело в том, что в силу упомянутых ранее упрощений ИНИ измеряет не только гармоники, но все, что есть в выходном сигнале, кроме, естественно, сигнала основной частоты. Таким образом, на результатах измерений могут сказаться любые помехи, имеющиеся в сигнале: фон, шум, и т. д.

В описаниях почти везде пишется " THD+Noise", это и есть результат измерения обычным ИНИ, который реально измеряет отношение амплитуды сигнала основной частоты ко всему остальному. Связано это с самим принципом его работы. ИНИ с помощью имеющегося в нём фильтра полностью подавляет сигнал основной частоты, и измеряет всё то, что осталось после фильтрации. На его выходное гнездо как раз и подаётся всё то, что осталось, то есть - продукты искажений.

Благодаря именно такому построению ИНИ, мы и имеем гнездо " Выход", подключив к которому осциллограф, можно посмотреть, а что наш " испытуемый" внёс в сигнал своего? Какую именно " гадость" добавил?

Надо же знать, что именно измерил ИНИ. А что, если вдруг возник фон, и ИНИ именно его принял за гармоники? Или шумы? Ведь слуховой контроль при этих измерениях, как правило, отсутствует. Вот осциллограф и показывает, что именно измеряли. Кстати, шумов, как правило, можно не бояться. Ведь никто, наверное, не купит усилитель с отношением сигнал/шум 80 дБ? А уровень помех в -80 дБ соответствует Кг=0, 01%. Почему? Да потому, что 1% - это одна сотая часть, или -40 дБ. 0, 1% - это -60 дБ, 0, 01% - это -80 дБ. Кстати, иногда Кг именно так и указывается, в децибелах. Не смущайтесь, встретив такую запись, - это то же самое, только иначе записанное.

А что ещё полезного можно узнать, визуально изучая выходной сигнал ИНИ? Оказывается, многое. Не секрет, что ламповая и транзисторно-микросхемная аппаратура звучат во многом по-разному при прочих равных условиях. Это в значительной степени объясняется именно различным спектром гармоник.

В то время, как в лампах создаваемые ими гармоники имеют сравнительно большую величину, но узкий спектр - как правило, 2-я и 3-я гармоники, а остальные пренебрежимо малы. в транзисторах наоборот: спектр их гармоник может быть очень широк - до 20-й и даже более. И хотя все они имеют малую величину, - слышимость их гораздо больше. Суммарный же Кг вполне может и там и там быть одинаковтак как сумма " немногих, но больших" в первом случае, будет равна сумме " многих, но малых" - во втором. Выходной сигнал ИНИ, поданный на осциллограф, как раз и поможет оценить спектр гармоник.

Если на экране картинка, более-менее похожа на синусоиду, то, значит, спектр гармоник достаточно узкий, и, скорее всего, ваш аппарат будет звучать достаточно чисто. Если же картинка имеет множество изломов, острых углов, и больше напоминает старую, ржавую пилу, то спектр гармоник очень широк, и, скорее всего, хорошего звука ждать не приходится.

Кстати, часто приходится сталкиваться с неизвестно откуда взявшимся мнением, якобы измерение Кг на высоких частотах не имеет смысла, т. к. гармоники, мол, всё равно за пределами звукового диапазона, и поэтому на качество звука не влияют.

Глубочайшее заблуждение! Да, гармоники - за диапазоном слышимости. Да, на качество звука синусоидального сигнала не влияют. Но слушают ведь не синус!

А раз не синус - приходится считаться с объективной реальностью того факта, что сигнал широкополосный! А, значит, и спектр гармоник реального сигнала - тоже не линейчатый, а широкополосный. А поэтому там, где гармоники синуса чувствовали себя привольно, далеко отстояли друг от друга и не взаимодействовали, высшие гармоники настоящего звукового сигнала будут влиять друг на друга. Это приводит к омерзительнейшему результату - появлению комбинационных частот, биений. А уж как они портят звук - никаким гармоникам и не сравниться! Поэтому, если хотите полностью оценить исследуемый прибор, то необходимо измерить Кг во всём звуковом диапазоне, или хотя бы в нескольких точках - в его середине и на краях диапазона. Подробное описание методик измерения " всего и вся" - к сожалению, выходит далеко за пределы этой статьи.

В большинстве моделей ИНИ имеются различные дополнительные устройства, помогающие в работе. В упомянутом ранее С6-11, к примеру, есть возможность по желанию пользователя производить измерения как в вольтах и процентах, так и в децибелах. Есть также очень полезная функция - встроенный обрезной фильтр, подавляющий все частоты, лежащие ниже 1 кГц. Зачем? Если придётся измерять Кг мощных усилителей, то вполне возможна такая ситуация: с увеличением выходной мощности усилителя будет расти и уровень фона.

Дело в том, что во многих моделях усилителей ёмкость фильтрующих конденсаторов невелика, и при росте мощности питание " проседает", увеличиваются пульсации питающего напряжения, что сопровождается ростом сетевого фона. Конечно, это происходит только при работе усилителя на нагрузку. Не забудьте её подключить! Измерять параметры усилителей мощности без нагрузки, на холостом ходу, бессмысленно. Все усилители покажут такие Кг, что хоть на Золотую медаль выдвигай! Конечно, это не относится к измерению шумов, там наличие или отсутствие нагрузки принципиальной роли не играет. Включив этот фильтр, можно убрать фон из измерений и получить более достоверные результаты.

К сожалению, ограниченный объём статьи не позволяет охватить подробно весь круг вопросов измерений в звукотехнической практике. Если у вас возникнут какие либо вопросы - пишите в редакцию. Ваши письма помогут полнее узнать круг необходимых тем.

⇐ Предыдущая 12