В статье автор обращает внимание читателей на один практически не используемый метод измерения нелинейности усилителей. Результаты объективных измерений нелинейных искажений УМЗЧ по этому методу удивительно совпадают с результатами их субъективных оценок при экспертном прослушивании. Редакции было бы интересно узнать мнение любителей и специалистов о применимости и распространении такого метода измерений в электроакустической аппаратуре.

Если читатели проявит интерес к предложенной публикации, мы расскажем об основных узлах этого измерителя.

Известные методы измерений нелинейных искажений в трактах звукопередачи отличаются большим разнообразием [1, 2], Широкое распространение получил метод гармоник как наиболее простой при экспериментах и удобный для расчетов. Менее распространены другие методы: разностного тона, модулированного тона, взаимной модуляции (интермодуляции). Измеряют и переходные интермодуляционные искажения.

Для перечисленных методов существуют свои области применения. При этом каждый из них использует специальные сигналы, обеспечивающие наибольшую эффективность обнаружения продуктов искажений. Однако именно это и является причиной их малой информативности относительно интегральной оценки искажений, вносимых в звуковой тракт и значительно влияющих на субъективную (экспертную) оценку качества передачи реальных звуковых сигналов,

рис. 1

рис. 2

Заметность нелинейных искажений реального сигнала связана с тем, насколько часто, если рассматривать процесс во времени, или с какой вероятностью, если применить к нему статистическую меру, его мгновенные значения попадают в область существенной нелинейности тракта эвукопередачи. Многим, наверное, приходилось наблюдать, как при уменьшении уровня сигнала в перегруженном канале исчезает хриплость звучания. Она тем меньше, чем реже выбросы сигнала попадают в область перегрузки.

Типичная характеристика функции передачи сигнала s в тракте эвукопередачи представлена на рис. 1,а. Здесь:
s_вх1 s_вых — входной и выходной нормированные по мощности сигналы; W(s) — плотность вероятности мгновенных значений сигнала s_вх. Участок А соответствует относительно малой нелинейности, а участки Б — большой. Для удобства анализа на рис. 1,б изображены графики распределения плотности вероятности W(s) мгновенных значений двух сигналов одинаковой мощности: белого (гауссовского) шума (кривая 2) и гармонического (кривая 1). Как следует из рис. 1, a, все значения входного сигнала, ограниченные функцией W(s) для синусоиды, приходятся на участок характеристики передачи с меньшей нелинейностью, в то время как для шумового сигнала 16 % времени его значения находятся на участках характеристики передачи с большой нелинейностью. Понятно, что шумовой сигнал подвергается значительно большим искажениям, чем синусоидальный.

В [3] приведены результаты исследований плотности вероятности мгновенных значений сигналов натуральных звучаний (речевых и музыкальных). Они оказались по своему распределению уровней гораздо ближе к шумовому сигналу, чем к гармоническому. Следовательно, оценка нелинейных искажений, основанная на перечисленных выше методах, дает неверные представления о действительных нелинейных искажениях реальных сигналов. Значительно большей информативностью обладают менее известные методы измерений, использующие шумовые сигналы [1,2,4 — 9].

Один из методов [4] применяется в кинематографии и телевидении для измерения нелинейных искажений фотографической фонограммы [5]. Структурная схема измерения и спектральные диаграммы для этого метода приведены на рис. 2. Измерительный сигнал создается генератором белого шума ГБШ, ограниченный с помощью полосового фильтра ПФ полосой частот 3. .12 кГц, который и подается на вход объекта измерений ОИ, Продукты нелинейных искажений ПНИ (интермодуляции) шумового сигнала измеряют вольтметром V после ФНЧ со взвешиванием в полосе частот 30 Гц,.. 1,2 кГц. Числовой показатель нелинейности — это выраженное в децибелах отношение среднеквадратичного напряжения продуктов искажений (U_c) к напряжению опорного сигнала (U_н), вырабатываемого встроенным в прибор генератором с частотой 1 кГц:

К_иш = 20lg(U_c/U_н). (1)

Описанный метод измерений реализован в приборе 7Э-67 и с успехом применяется на киностудиях. На телевидении подобным устройством является измеритель ИНИФ.

Измерения искажений проводятся и методом гармоник с использованием измерительного сигнала в виде третьоктавной полосы шума [5 — 9]. Структурная схема и спектральные диаграммы приведены на рис. 3.

Из вырабатываемого генератором ГРШ розового шума блоком полосовых фильтров БПФ для исследования объекта измерений ОИ поочередно выделяют полосы, причем спад уровня 3 дБ на октаву с ростом частоты обеспечивает постоянную мощность измерительного сигнала в любой гретьоктавной полосе. Из продуктов искажений напряжения сигнала U, в расчет принимаются только расположенные в гретьоктавных полосах его гармоники U₂, U₃ со средними частотами nf₁ где n = 2, 3..., f₁ — средняя частота полосы измерительного сигнала. Измерения проводят анализатором спектра АС, подключенным к выходу объекта измерений. Числовой показатель коэффициента гармоник шумового сигнала определяется по формуле

K_гш = √(U₂²+U₃²...U_n²)/U₁*100% (2)

Следует учитывать, что достоверность измерений при этом методе значительно зависит от ограничения полосы пропускания объекта измерений.

Существуют и другие, более сложные методы измерений с использованием шумовых сигналов. Широкому применению таких сигналов при измерениях в звуковой аппаратуре, по мнению автора, препятствует ряд факторов: дефицитность и высокая стоимость оборудования для анализа случайных сигналов, необходимость пересмотра стандартов (например, выходной мощности в усилителях) да и инерционность мышления многих инженеров, привыкших к синусоидальным сигналам.

Для практической оценки эффективности использования шумовых сигналов автором проведены сравнительные измерения нелинейных искажений в нескольких УМЗЧ по стандартной методике (методом гармоник) и на шумовом сигнале с использованием прибора 7Э-67 при одинаковых величинах перегрузки усилителей. Для испытаний были выбраны различные по схемотехнике и элементной базе УМЗЧ, предназначенные для озвучивания больших помещений (мощность 100 Вт и более, во всех моделях имелись индикаторы перегрузки) Кроме того, были проведены и субъективные оценки качества (СОК) звуковоспроизведения по десятибалльной шкале.

Результаты испытаний нелинейности усилителей приведены в таблице. Усилители мощности 1 — 4 — транзисторные с различной глубиной обратной связи (А), усилитель 5 — ламповый. В таблице приведены значения коэффициента гармоник К_г на частоте 1 кГц и коэффициента шумовой интермодуляции по прибору 7Э-67.

Высокий уровень искажении в транзисторных усилителях с глубокой общей ООС при измерении нелинейности шумовым сигналом обусловлен тем, что измерительный сигнал в виде шума имеет высокий пик-фактор и содержит достаточно широкий спектр частот, создающих еще более широкий спектр продуктов искажений, а значительная разница в отношении К_г/К_иш для всех усилителей — увеличением интермодуляционных искажений при кратковременной перегрузке. Из таблицы следует, что УМЗЧ с большей глубиной ООС обладают и большим отношением К_г/К_иш, получая соответственно и невысокие баллы СОК.

В итоге испытаний можно сделать следующие выводы:

• Контроль нелинейных искажений на шумовом сигнале обладает значительно большей информативностью, позволяет приблизиться к субъективной оценке качества звуковоспроизведения.
• При проектировании всех звеньев тракта звукопередачи следует стремиться не только к снижению коэффициента гармоник, но и коэффициента шумовой интермодуляции.

Описанный метод изначально предложен для измерения нелинейности фотографической фонограммы кинофильмов (при контроле качества технологического процесса их тиражирования) поэтому применительно к измерениям в высококачественных трактах звукопередачи, включая и громкоговорители, целесообразно скорректировать полосу измерительного сигнала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Раковский В. В. Измерения в аппаратуре записи звука кинофильмов. — М: Искусство, 1962, с. 336 —353.
2. Ишутким Ю. М., Раковский В, В. Измерения в аппаратуре записи и воспроизведении звука кинофильмов, — М: Искусство, 1985. с 28-41,
3. Шитов А. В., Белкин Б. Г. Статистические характеристики сигналов, представляющих натуральные звучания, и их применение при исследовании электроакустических систем. — Труды НИКФИ, вып. 56, 1976 г.
4. Раковский В. В. Способ измерений нелинейных искажений в фотографической поперечной фонограмме. Авт. свид. № 136573 (1960 г.) — БИ, 1961, № 5. ,
5. РТМ 19-17-72. Кинофильмы 35 и 16 мм. Технологический регламент компенсационного метода записи негативов, фотографической обработки, печати позитивов и контроля качества фотографических фонограмм. — М: НИКФИ, 1972.
6. 6Пенков Г. Вьрху иамерването на нелинейни изкривявания със случаен стационарен сигнал. Измерване на нелинейни изкривявания с тясна лента от нормален шум. — Известии на НИИКРА, т 6. — София, 1966.
7. Журавлев В. М. Метод измерения нелинейных искажений с помощью полос шума. Канд. дисс. ЛИКИ, 1967.
8. Белкин Б. Г, Барк А. А. Соотношение между коэффициентами нелинейных искажений, измеренных на шумовых и синусоидальных сигналах. — Техника кино и телевидения. 1968, № 7.
9. 9. ГОСТ 16122-78, Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний.

Радио №4 1999г.