Измерение искажений

В аппаратуре возникает множество различных видов искажений, однако наибольшее распространение получила оценка одного их вида - гармонических искажений, или попросту - коэффициента гармоник Кг. (Ранее, а иногда еще и сейчас, называемого коэффициентом нелинейных искажений. Синонимы - "клир-фактор", или просто - "клир").

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, как интермодуляционные искажения(IMD), переходные интермодуляционные искажения (TIMD) и другие, 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. (Нельзя сказать, что этот, весьма дорогостоящий, прибор имеется в каждом доме...) Плюс несколько (два-три) специальных генератора, крайне редко встречающихся. Уже надоело? Но и это ведь еще не все! Еще - масса трудоемких и кропотливых измерений... Да плюс потом - расчеты... Нет, наверное, лучше не надо! Очень уж сложно и мудрено...

А - чем лучше Кг? Да 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... И, кстати, по аналогичным причинам.) Но - не будем морочить голову, и вспомним об одном из самых доступных - С6-11. Это, конечно, не совсем полный автомат, но - вполне достаточно для практических целей.

"Да падет позор на мои седины!..." (Старик Хоттабыч, кажется...) Самое главное забыли! Что это вообще такое, Кг? Что, собственно, измерять собираемся-то?

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. (Если Вам начнут нести всякую ахинею про фазовые искажения, про частотные искажения - НЕ ВЕРЬТЕ! Это все - околонаучные спекуляции, рассчитанные на неграмотных простачков. Строго говоря, искажениями может быть названо только то, что в дальнейшем не может быть исправлено НИЧЕМ. 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. Уж коли перегруженный до ограничения усилитель обрезал верхушки синусоид входного сигнала - то попрощайтесь с ними навсегда! Что упало - то пропало.)

Однако - хватит "лирических отступлений". Вернемся к теме. Что же такое Кг? Кг - это отношение суммы ВСЕХ гармоник сигнала к уровню его основного тона. 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 1кГц: 2кГц - это вторая гармоника, 3кГц - третья, 4кГц - четвертая, и так далее...), поэтому и называется именно так - коэффициент гармоник. Понятно, что при подаче на вход широкополосного сигнала спектр возникающих гармоник будет также очень широк, и не определить будет, где - "вершки", а где - "корешки". Как быть?

Вы скажете: надо подать на вход всего один сигнал, тогда и разобраться будет проще. Правильно! Для этих целей подойдет любой звуковой генератор, у которого Кг заведомо намного меньше, чем у исследуемого устройства. Наверное, лучший отечественный генератор для этих целей - Г3-118, 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, в обиходе - часто просто "Инишник") - и готово, ИНИ сам покажет Кг. Проще, кажется, некуда. Да, но... Опять забыли осциллограф!

На всех, без исключения, ИНИ обязательно есть гнездо выход. Для чего? Как и раньше - чтобы "видеть, что меряем". Дело в том, что в силу упомянутых ранее упрощений ИНИ меряет не только гармоники, но - ВСЁ, 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. и т.п. (Если кто-то думает, что "у них" по другому - увы, заблуждение!

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 нем фильтра полностью подавляет сигнал основной частоты, и меряет все то, что осталось после фильтрации. На его выходное гнездо как раз и подается все то, что осталось, то есть - продукты искажений.

Казалось бы - плохо, неудобно? Ан, нет! Благодаря именно такому построению ИНИ, мы и имеем означенное гнездо - "выход", подключив к которому осциллограф можно посмотреть - а что наш испытуемый "внес" в сигнал своего? какую именно "гадость" добавил?

Ну вот, новая напасть! Это-то зачем? Измерил Кг - и дело с концом! Да, в принципе - так. Но - надо же знать, что именно измерил наш 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 нам и покажет, что мы измеряли. Кстати - шумов, как правило, можно не бояться. Ведь никто, наверное, не купит усилитель с отношением сигнал/шум в 80дБ? А уровень помех в -80дБ соответствует Кг=0,01%. (Почему? Да потому, что 1% - это одна сотая часть, или -40дБ. 0,1% - это -60дБ, 0,01% - это -80дБ. Кстати, иногда Кг именно так и указывается, в децибелах. Не смущайтесь, встретив такую запись - это то же самое, только иначе записанное.) А что еще полезного можно узнать, рассматривая выходной сигнал ИНИ?

Оказывается, многое. Не секрет, что ламповая и транзисторная, 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 одинаков - сумма "немногих, но больших" в одном случае, и "многих, но малых" - в другом.

Выходной сигнал ИНИ, поданный на осциллограф, как раз и поможет Вам оценить спектр гармоник. Если на экране картинка, более-менее похожая на синусоиду - 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, все равно за пределами звукового диапазона, и поэтому на качество звука не влияют. Глубочайшее заблуждение! Да, гармоники - за диапазоном слышимости. Да, на качество звука синуса не влияют. Но... Видел ли кто хоть раз в жизни человека, который накупил бы кучу дорогостоящей аппаратуры, дабы наслаждаться восхитительным звучанием сигнал-генератора? Вот то-то и оно, слушаем ведь не синус!

А коль не синус - то приходится считаться с объективной реальностью того факта, что сигнал-то 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 мешали" друг другу, не взаимодействовали, гармоники настоящего звукового сигнала будут взаимодействовать, находясь в "тесноте и обиде", будут "биться" друг об друга. Это приводит к премерзкому результату - появлению комбинационных частот, суммарных и разностных, биений. А уж как они портят звук - никаким гармоникам и не приснится!

Поэтому, если хотите полностью оценить исследуемый прибор - то необходимо измерить Кг во всем звуковом диапазоне. Ну или хотя бы в нескольких точках - на краях диапазона и в его середине. Однако подробное описание методик измерения "всего и вся" - к сожалению, выходит далеко за разумные пределы того, что может разместиться на этом сайте. Увы!...

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

Во многих моделях усилителей емкость фильтрующих конденсаторов невелика, и при росте мощности питание "проседает", увеличиваются пульсации питающего напряжения, что неизбежно сопровождается ростом сетевого фона.

Естественно, это происходит только при работе усилителя на нагрузку, Вы не забыли ее подключить? Измерять параметры усилителей мощности без нагрузки, на холостом ходу - бессмысленно. Все усилители покажут ТАКИЕ параметры по 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, Вы сможете убрать фон из измерений и получить более достоверные результаты.

Если у Вас возникнут какие либо вопросы, то пишите непосредственно автору. Ваши письма помогут полнее узнать круг необходимых тем и сделать этот сайт лучше и полезнее для Вас.

Музыка. Про хороший звук.

Эта страница поможет Вам выбрать то оборудование, которое максимально соответствует решаемым Вами задачам. Здесь мы будем стараться рассказывать не столько о том, КАК устроены те или иные приборы, сколько о том, ЧТО они делают со звуком.