gototopgototop

Анонс

Начало АЧХ и КНИ Коэффициент нелинейных искажений аудиоаппаратуры

 

Обязательный параметр аудиоаппаратуры - коэффициент нелинейных искажений.


В тестах акустических систем мы регулярно приводим измеренную у нас в лаборатории зависимость коэффициента нелинейных искажений (КНИ) от частоты. Важность этого параметра для оценки звучания акустических систем на равных конкурирует со значением АЧХ. А если исключить из рассмотрения чрезмерные перекосы частотной характеристики (теперь весьма редкие в классе High Fidelity) фактор нелинейности становится определяющим. Наше желание поговорить о нелинейных искажениях обусловлено не только этим обстоятельством, но и, не побоимся этого слова, загадочностью, до сих пор не проясненной до конца, как механизмов нелинейных деформаций сигнала, так и их влияния на восприятие звукового образа. Но после некоторых размышлений приходишь к выводу, что загадкой все еще остается сам такой знакомый всем с детства электродинамический громкоговоритель.

 

Коэффициент нелинейных искажений в компонентах стереосистемы.

 

Просто громкоговоритель.
Глубинную сущность обычного динамика можно охарактеризовать простым термином - колебательная система. Как и любая другая она имеет одну или несколько резонансных частот. Но, сравнивая ее с таким колебательным устройством как, например, банальные качели, мы обнаруживаем существенные различия. Можно лишь чуть-чуть подталкивать их, а можно изо всех сил, но частота колебаний будет зависеть лишь от свойств самих качелей. Если вы попробуете качать их с другой частотой, то вам вряд ли удастся получить убедительный размах колебаний - амплитуду. Так вот, хорошая динамическая головка- это нечто вроде фантастических качелей, которые можно раскачивать с любой частотой (из слухового диапазона) и получать примерно одинаковую амплитуду (скорости) при равных усилиях. Вряд ли изобретатель громкоговорителя (первый электродинамический громкоговоритель был запатентован в 1926 году) использовал всю мощь теории колебательных процессов, также как и изобретение электрической лампочки не опиралось непосредственно на уравнения электродинамики. Теория в таком деле, как разработка акустики, способна указать лишь перспективные направления или очевидные тупики. Можно рассчитать основные параметры акустической системы, но нельзя сказать с уверенностью, будет ли она хорошо звучать: получить громкоговоритель "на кончике пера" просто невозможно.

Внутренний голос.
Одним из наиболее трудно поддающихся расчету факторов является нелинейность законов, реально управляющих работой акустических систем. Ведь, вообще говоря, прямой пропорциональности между подаваемым на вход электрическим сигналом и звуковым давлением, создаваемым громкоговорителем, достичь не удается. Почему "вообще говоря"? Да потому, что у акустической системы достаточно высокого класса эти искажения все же весьма малы, и велик соблазн ими попросту пренебречь. Действительно, казалось бы, что из того, что при удвоении амплитуды подаваемого на вход сигнала звуковое давление увеличивается в 1,999 раза? Основная неприятность состоит в том, что нелинейность приводит к такому искажению формы исходного сигнала, которое сопровождается появлением дополнительных компонент в его спектре, то есть, возникают звуки, которых изначально не было. Аналоги линейным и переходным искажениям аудиотракта при "живом" прослушивании на концерте существуют. Например, можно представить себе зал с высоким уровнем реверберации (гулкий) или перегруженный создающими послезвучание декоративными деталями; или место в зале, где по законам дифракции создается избыток, либо дефицит звукового давления определенной частоты, и т. д. и т. п. Но появление дополнительных спектральных компонент, отсутствующих в звуке "живого" инструмента, в концертном зале практически исключено.


Основными источниками возникновения нелинейных искажений в электродинамических головках являются нелинейные колебательные процессы в элементах подвижной системы (подвесах, диафрагмах, шайбах, колпачках и т.д.) и в узле "звуковая катушка-магнитная цепь", а также нелинейность упругих свойств воздуха в фазоинверторе и подколпачковом объеме. Не вдаваясь в подробности, заметим лишь, что влияют неоднородность и несимметричность магнитного поля в зазоре магнитной цепи, колебания магнитного потока при подведении к катушке переменного напряжения, сила притяжения между звуковой катушкой и магнитопроводом. С наиболее простым примером нелинейных искажений мы ежедневно сталкиваемся на городских улицах у развалов с компакт-дисками и кассетами, где несчастная акустическая пара из последних сил пытается произвести впечатление на прохожих каким-либо свежим хитом. Характерный хрип - искажения от превышения поминальной мощности подаваемого сигнала. Коэффициент нелинейных искажений при этом, судя по нашему опыту, на некоторых частотах превышает 50% - очень негуманное отношение к громкоговорителям.

Гармоническая дисгармония.
Гармонический сигналНе вдаваясь в теоретические подробности, заметим только, что нелинейность проявляется весьма многообразно. Гармонические добавки - это, пожалуй, самое простое и очевидное наследие нелинейности: если подать на вход колонки электрический тональный сигнал с частотой, скажем, 100 Гц, в звуковом процессе непременно окажутся тоны с частотой 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и т.д. Нелинейные свойства громкоговорителей оценивают спектральными методами. Для этого на вход АС подается тональный сигнал, а порожденный звук регистрируется измерительным микрофоном и анализируется с помощью точных приборов. Опираясь на описанные в специальной литературе методы, мы измеряем и представляем в журнале частотную зависимость коэффициента нелинейных искажений громкоговорителей (КНИ). Коэффициент нелинейных искажений в данном случае представляет собой выраженное в процентах отношение суммы амплитуд первой и второй гармоник (рожденных аппаратом синусоидальных сигналов с частотами, кратными частоте инициирующего их входного воздействия) к амплитуде основного тона.


Спектр гармонического сигналаЧтобы прочувствовать искажения с коэффициентом нелинейных искажений 1-3% (типичным для акустики High Fidelity), мы провели следующий эксперимент. Зарегистрировав отклик системы на тональный сигнал, мы удалили из его спектра основной тон, а оставшуюся часть подали обратно на громкоговоритель. Эффект поначалу удручает: гребенка компонент, созданных "от себя" нашей акустической системой, прекрасно слышна и без добавления усиления. Однако все не так страшно - присутствие основного тона в реальной ситуации в силу особенностей слуховой системы эффективно маскирует прилежащие первые 2-3 гармоники. Тем не менее, нельзя сказать, что мы их не воспринимаем вовсе. Будучи добавленными к обертонам музыкального инструмента, частоты которых также кратны частоте основного тона, паразитные гармоники меняют звуковое лицо этого инструмента. Гармоники, порождаемые нелинейностью громкоговорителя, придают его звучанию своеобразие, только не всегда приятное и, по-видимому, всегда лишнее. Если же амплитуда старших гармоник достаточно велика, последствия могут быть куда существеннее.


Спектр гармонического сигнала акустикиРезультаты исследований, описанные в специальной литературе, указывают на то, что искажения второго-третьего порядка (вторая и третья гармоники) на низких частотах возникают в основном из-за нелинейности упругих характеристик подвеса диффузора (при увеличении амплитуды колебаний знаменитый закон Гука перестает быть для подвеса законом), а на средних и высоких - из-за изгибной нелинейности самих диффузоров динамиков. В конечном итоге все упирается в качество разработки и изготовления соответствующих узлов, включая качество научно-исследовательской и интуитивно-творческой работы. Вспомните кевларовые, алюминиевые, со специально рассеченной поверхностью или с нанесенными шероховатостями диффузоры или самые экзотические конструкции подвесов.

Подголоски созвучий.
Искажения сигналаЧистый тон (синусоидальный сигнал) в реальной жизни - явление редкое. Наш слух радуют различные сочетания звуков. В этом случае нелинейность проявляет себя появлением не только кратных более высокочастотных спектральных компонент, но и так называемых интермодуляционных, обусловленных взаимодействием сигналов разной частоты. Если на вход громкоговорителя подать два тональных сигнала с частотами, например, 300 и 1000 Гц, в спектре излученного звукового сигнала будут наблюдаться спектральные составляющие, соответствующие гармоникам этих тонов, а также компоненты с суммарной частотой 1300 Гц, с разностной - 700 Гц, суммарная второго порядка - 1600 Гц, разностная второго порядка - 400 Гц и т.д. Кроме этого появятся компоненты взаимодействия этих составляющих с основными тонами, их гармониками и между собой. Короче говоря, на каждую пару тонов, существующих в спектре исходного музыкального сигнала, приходится целый "лес" звука добавочного. Высота этого "леса" или, точнее, "подлеска" будет зависеть от самых разных факторов, но в звуке аудиотракта он всегда присутствует. Интермодуляционные искажения гораздо заметнее для слуха, нежели гармонические. Если гармоники в значительной мере маскируются основным тоном, то, скажем, разностные компоненты воспринимаются вполне отчетливо.


Искажения спектраХотя   перечисленные   проявления присущи любой нелинейной системе, порой полезно рассмотреть конкретные механизмы образования добавочных компонент.
Например, в широкополосных динамиках при одновременном излучении низкочастотного и высокочастотного сигнала появление разностной и суммарной частот объясняется амплитудной модуляцией последнего из-за прохождения диафрагмой крайней точки в соответствующей фазе низкочастотного сигнала, то есть ее выхода из линейной рабочей зоны. Подчеркнем еще раз, если бы движения широкополосного диффузора были бы строго пропорциональны изменениям напряжения на входе, то в спектре звукового давления присутствовали бы только две исходные компоненты. Осознание же этого механизма образования интермодуляционных искажений сразу наводит на мысль о преимуществе многополосных систем, причем надо внимательно проследить за работой разделительных фильтров - вирус интермодуляции вездесущ. Плохо отфильтрованный низкочастотный сигнал при больших мощностях, попадая на среднечастотную головку, нагревает ее звуковую катушку, сопротивление которой из-за этого меняется с частотой пробравшегося сигнала, что, в свою очередь, модулирует ток через нее. Во избежание этого феномена можно пойти дальше и разомкнуть электрические цепи динамиков, подключая усилители по схеме bi-wiring или bi-amping.


Интермодуляционные искажения в интервале 1-4 кГцВ широкополосных конструкциях практически невозможно исключить искажений, обусловленных эффектом Доплера - частотной модуляции сигнала, излучаемого поверхностью, одновременно движущейся с более низкой частотой. Распределение доплеровских комбинационных составляющих практически совпадает со спектром интермодуляционных искажений, порожденных другими физическими механизмами, и отделить одно от другого - весьма нетривиальная задача. Поэтому они обычно рассматриваются в общем контексте.
Как правило, при тестировании мы не задаемся целью выявить роль тех или иных механизмов в сумме гармонических и интермодуляционных искажений для данной акустической системы. Однако для развития понимания объективных оснований субъективных отличий в звучании систем в лаборатории постоянно предпринимаются некоторые исследования.

Интермодуляционные искажения первых порядковВ результате наблюдений, в частности, был установлен тот факт, что при практически одинаковом характере частотной зависимости коэффициента нелинейных искажений у двух различных громкоговорителей их интермодуляционные искажения могут кардинально отличаться как по спектральному характеру, так и по величине, что, впрочем, не противоречит и общим теоретическим соображениям. Звучание таких систем отличается существенно. Несложные опыты дают очень выразительные результаты. При подаче пары тестовых сигналов с частотами, например, 1 и 1,1 кГц у многих колонок отлично слышен тон 100 Гц (разностная частота 1-го порядка). По законам психоакустики он не маскируется более высокочастотными тестовыми сигналами. Наши эксперты "с закрытыми глазами" правильно называют аккорд (трезвучие), образуемый (из-за интермодуляции) при подаче специально гармонически   подобранной   тональной пары. Если же эти искажения действительно малы (большая редкость), то звук двух тонов иначе как чистым не назовешь.

Голос с хрипотцой.
В специальной литературе упоминаются еще два вида нелинейных искажений: субгармонические и гармонические высоких порядков. Первые возникают при потере диафрагмой динамической устойчивости, когда на ней возникают изгибные колебания с частотой, в два, три и т. д. раза меньшей частоты основных поршневых колебаний. В принципе на любом диффузоре такой режим может наступить при достижении некоторой пороговой мощности, дальнейшее повышение которой приводит к появлению многочисленных спектральных компонент вокруг основной и кратных частот. Справедливости ради заметим, что теперь такие искажения - большая редкость, и теперь их можно услышать разве что в описанной выше ситуации у "музыкальных развалов".


Гармоники высших порядков возникают чаще всего при наличии дефектов в громкоговорителе, и они достаточно хорошо слышны, поскольку не маскируются основным тоном в силу их значительной удаленности (по частотной оси) от провоцирующего их сигнала. Коэффициент нелинейных искажений, посчитанный стандартным образом (по сумме первых гармоник), при этом может быть совсем небольшим. Наличие таких искажений хорошо выявляется на слух с помощью свип-тона - специального тестового сигнала с меняющейся плавно по экспоненциальному закону частотой.


Огромное многообразие проявлений нелинейности законов, работающих для преобразования электрического сигнала в звуковой, затрудняет выработку методов полной и адекватной оценки соответствующих искажений. Как было отмечено выше, фактор нелинейности может обусловить весьма существенные отличия звучания двух акустических систем при совершенно идентичных частотных зависимостях коэффициента нелинейных искажений. Скрытость при поверхностном анализе объективных причин этих отличий порождает несправедливое отношение к возможностям инструментальных методов.