2.6. Методы измерений нелинейных искажений [1989 Алдошина И.А. - Электродинамические громкоговорители]

Электродинамические громкоговорители являются основным источником нелинейных искажений в звуковоспроизводящем тракте, в силу присущих им конструктивных и технологических особенностей. Поэтому задачи создания и совершенствования методов измерения нелинейных искажений являются одними из важнейших. Нелинейные искажения характеризуются появлением в процессе преобразования сигнала новых спектральных составляющих, которые искажают временную структуру сигнала в зависимости от его уровня.

Принятая в настоящее время классификация позволяет выделить в частотной области следующие виды искажений (рис. 2.10, а): гармонические первых порядков nf₀, где n = 2,3; гармонические высших порядков nf₀, где n > 4; субгармонические 1/nf₀; интермодуляционные (разностные) (nf₁ ± mf₁) и др. Классификация нелинейных искажений может быть выполнена и во временной области (рис. 2.10, б). В зависимости от вида искажений разрабатываются и различные методы их измерений.

Рис. 2.10. Спектр нелинейных искажений в частотной области (а), осциллограммы нелинейных искажений во временной области (б): 1 - первые гармоники; 2 - высшие гармоники; 3 - субгармоники

Измерение нелинейных искажений ГГ в частотной области. Для оценки нелинейных искажений в ГГ используются различные виды испытательных сигналов: тональные, шумовые, импульсные и др. Наибольшее распространение для измерения коэффициентов нелинейных искажений (КНИ) получили тональные (субгармонические или полигармонические) сигналы. При возбуждении ГГ синусоидальным сигналом на частоте f₀ (как показано на рис. 2.10, а) в спектре излучаемого сигнала могут присутствовать гармонические первых и высших порядков и субгармонические составляющие. Для их количественной оценки в международных и отечественных стандартах используются следующие виды КНИ:

коэффициент гармонических искажений n-го порядка определяется как отношение, выраженное в процентах или децибелах, эффективного значения звукового давления n-й гармоники к эффективному значению звукового давления сигнала, содержащего частоту возбуждения и все ее гармоники p_f. Коэффициент гармонических искажений n-го порядка K_{Г_n} = (p_nf/p_f)100%. Этот коэффициент измеряется по схеме, показанной на рис. 2.11, а. Расчет может производиться также по записанным амплитудно-частотным характеристикам n гармоник. Образец записи АЧХ второй и третьей гармоник показан на рис. 2.11, б.

Рис. 2.11. Структурная схема измерений коэффициентов гармоник (а) и АЧХ 1, 2 и 3-й гармоник (б): 1 - генератор, 2 - УЗЧ, 3, 5 - вольтметр, 4 - микрофонный усилитель, 6 - анализатор спектра

Характеристический коэффициент гармонических искажений n-го порядка К_{Г_n} = p_nf/р_ср·100, где р_ср - среднее звуковое давление в заданном диапазоне частот.

Полный коэффициент гармонических искажений и полный характеристический коэффициент определяются по формулам:

Обычно ограничиваются суммированием коэффициентов второго и третьего порядков. Для ГГ, бытовой аппаратуры в OСT4.383.001-85 нормируются значения полного коэффициента гармонических искажений К_Г, представленные в табл. 2.1.

Измерения проводятся при номинальном среднем звуковом давлении, оговоренном в технической документации на ГГ, на расстоянии 1 м. Например, для ГГ, используемых в выносных акустических системах нулевой, первой, второй и третьей групп сложности, рекомендуется использовать уровни 96, 94, 92 и 90 дБ соответственно. Для ГГ в переносной аппаратуре соответствующих групп - 88, 86, 84, 80 дБ, а для ГГ в карманных приемниках и минимагнитолах - 72 дБ. Следует отметить, что в самих акустических системах КНИ нормируется в соответствии с рекомендациями МЭК 581-7 при других уровнях: 90 дБ на расстоянии 1 м и составляет 2% в диапазоне 250...1000 Гц, 1% в диапазоне 2...6,3 кГц. Для студийных контрольных агрегатов и соответственно применяемых в них ГГ предлагается [9] определять нелинейные искажения как разницу в уровнях огибающих второй и третьей гармонических составляющих искажений, усредненных по трем направлениям (α = 0°; α = +30°; α = -30° в горизонтальной плоскости), и опорным уровнем акустического давления, усредненным в диапазоне 80...12500 Гц. В зависимости от категории контрольного агрегата измерения проводятся при различных уровнях звукового давления (табл. 2.2):

В этом же документе [9] нормируются кратковременные максимальные уровни звукового давления (116, 110, 102 дБ), на которых должны отсутствовать видимые нелинейные искажения при возбуждении ГГ пакетами синусоидальных колебаний (что примерно соответствует искажениям порядка 5%). Поскольку измерения КНИ при таких уровнях и такой форме испытательного сигнала нельзя проводить традиционными методами, чрезвычайно полезной представляется методика измерений, предложенная в [26]. Громкоговоритель в необходимом оформлении размещается в заглушённой камере (или достаточно большом незаглушенном помещении), на него подается сигнал в виде прямоугольного импульса с синусоидальным заполнением: длительностью - Т₀, амплитудой U₀, частотой заполнения F₀ (рис. 2.12, а). Сигнал, излученный ГГ, вводится через микрофон, микрофонный усилитель и буферное запоминающее устройство в ЭВМ (или специализированный процессор), где из него выделяется стационарная часть длительностью Т. Затем формируется стационарный сигнал p(t) путем повторения выделенной части необходимое число раз. Полученный периодический сигнал подвергается в ЭВМ быстрому преобразованию Фурье (БПФ), что позволяет получить спектральный состав сигнала и вычислить коэффициенты нелинейных искажений. Меняя частоту заполнения импульсов, можно получать частотные характеристики различных видов КНИ на больших уровнях подводимых мощностей к ГГ. Результаты измерений вышеуказанным методом нелинейных искажений для высокочастотного купольного ГГ при частоте заполнения 2000 Гц для мощности Р_Е = 50 Вт показаны на рис. 2.12, б. В практике проектирования ГГ чрезвычайно информативными оказываются методы измерений интермодуляционных искажений, т. е. продуктов искажений в спектре излученного сигнала при возбуждении ГГ двумя синусоидальными сигналами с частотами f₁ и f₂, где f₁ < 1/8f₂ при соотношении амплитуд 4:1. Для оценки интермодуляционных искажений используются следующие коэффициенты:

коэффициент интермодуляционных искажений n-го порядка и характеристический коэффициент интермодуляционных искажений n-го порядка есть отношение эффективного звукового давления суммы спектральных компонент с частотами f₂ ± (n - 1)f₁ к звуковому давлению на частоте f₂ или к среднему звуковому давлению в заданном диапазоне частот. Методика измерений дана в ГОСТ 16122-88 и МЭК 268-5. Структурная схема измерений показана на рис. 2.13. Коэффициенты интермодуляционных искажений второго и третьего порядков, %, рассчитываются по формулам:

K_им₂ = [(p_{(f₂ + f₁)} + p_{(f₂ - f₁)})/p_f₂]100; K_им₃ = [(p_{(f₂ + 2f₁)} + p_{(f₂ - 2f₁)})/p_f₂]100;

Рис. 2.12. Вид испытательного сигнала (а) и рассчитанная на ЭВМ частотная характеристика КНИ (б)

Рис. 2.13. Структурная схема измерений коэффициентов интермодуляционных искажений: 1, 2 - генераторы; 3 сумматор; 4 - УЗЧ; 5 - вольтметр; 6 - микрофонный усилитель; 7 - анализатор спектра

суммарный коэффициент К_им и характеристический коэффициент интермодуляционных искажений K´_им определяется следующим образом: К_им = (K²_им₂ + K²_им₃)^0.5; K´_им = (K´²_им₂ + K´²_им₃)^0.5. Несмотря на то, что коэффициенты интермодуляционных искажений в отечественных стандартах на ГГ не нормируются, они широко используются в практике проектирования ГГ, особенно для высококачественной и профессиональной аппаратуры. Измерения интермодуляционных искажений могут быть более информативны, чем гармонические, по следующим причинам: их можно измерять в более широком диапазоне частот, что особенно важно для высокочастотных ГГ; продукты интермодуляционных искажений субъективно заметнее, так как создают характерное диссонансное изменение тембра; они служат более чувствительным критерием нелинейности в ГГ и т. д.

Изложенные выше методы измерений не дают возможности выделить в общих интермодуляционных искажениях искажения за счет амплитудной (AM) и частотной (ЧМ) модуляции сигнала в ГГ. В то же время, поскольку AM и ЧМ искажения порождаются различными причинами и меры, направленные на их снижение, требуют разных конструктивных изменений в ГГ, раздельная информация об их уровне важна при проектировании ГГ. Методы раздельного измерения AM и ЧМ искажений рассматривались в ряде работ, в частности, в [27] было предложено проводить измерения в соответствии со структурной схемой, показанной на рис. 2.14, а. Сигналы с частотами f₁ и f₂ через два генератора 1, 2 и два усилителя 3, 4 поступают на низко- и высокочастотные звенья коаксиального ГГ 5, 6 (на примере которого в данной работе рассмотрено различие в AM и ЧМ искажениях), затем через микрофон 7 и микрофонный усилитель 8 сигналы подаются на фильтр верхних частот (ФВЧ) 9 для выделения модулированного по амплитуде и частоте высокочастотного сигнала. Для выделения AM искажений используются амплитудный детектор 10, спектроанализатор 12 и самописец 13, а ЧМ искажений - демодулятор 11. Результаты измерений частотных характеристик для ЧМ и AM искажений показаны на рис. 2.14, б и в. Из рисунков видно, что характер частотной зависимости AM и ЧМ искажений для одного и того же ГГ совершенно различен.

Рис. 2.14. Структурная схема измерений AM, ЧМ искажений (а); результаты измерения AM (б), ЧМ (в) искажений

Наряду с измерением интермодуляционных искажений за последние годы стали измеряться частотно-разностные искажения для различных видов звуковой аппаратуры. Методика измерений частотно-разностных искажений в настоящее время обсуждается в МЭК, а также рассматривается в технической литературе [28]. В качестве тестового сигнала предлагается использовать двух-компонентный гармонический сигнал с близкими частотами f₁ и f₂, где f₁ = 2f₀, a f₂ = 3f₀ - δ. При этом возможно появление в спектре излученного сигнала двух продуктов частотно-разностных искажений второго порядка и четырех - третьего. Значения δ выбираются достаточно малыми, тогда продукты искажений концентрируются в узкой полосе f₀ ± δ и могут быть отфильтрованы узкополосным фильтром. Применение современной техники цифровой фильтрации [28] позволило снизить уровень шумов и обеспечить высокую чувствительность метода (достигнутый уровень измеряемых искажений составляет 0,0001%).

Для реализации этого метода создана измерительная аппаратура, позволяющая производить измерения низких уровней нелинейных искажений в усилителях, магнитофонах и др. Этот же метод может быть применен и к громкоговорителям. Результаты измерения высокочастотных громкоговорителей с сигналами f₁ = 8 кГц, f₂ = 11,95 кГц, что соответствует f₀ = 4 кГц и δ = 50 Гц (рекомендованным в документах МЭК 268-3), показаны на рис. 2.15. По оси абсцисс отложен коэффициент, равный удвоенной среднеквадратической сумме напряжений двух продуктов искажений, деленной на арифметическую сумму напряжений двух выходных сигналов. Преимущество этого метода измерения по сравнению с методом измерения гармонических искажений состоит в том, что частота f_изм, на которой можно производить измерения К_{Г_n}, не должна превышать f_изм < f_в/3, где f_в - верхняя частота воспроизводимого диапазона. В то же время измерения частотно-разностных искажений можно производить вплоть до верхней границы диапазона и в значительно большем динамическом диапазоне за счет узкополосной фильтрации, чем при измерениях К_Г. При других значениях частот f₁ и f₂ измерения могут производиться и на низкочастотном краю диапазона. В [28] рекомендуется использовать для этого соотношения f₁:f₂ = 11:6. Для повышения точности измерений продуктов частотно-разностных искажений сами измерительные сигналы должны иметь очень малый уровень нелинейных искажений.

Рис. 2.15. Частотная зависимость коэффициента частотно-разностных искажений

Наряду с использованием тональных сигналов в технике измерений КНИ в громкоговорителях профессионального типа используются шумовые сигналы. Методика измерения коэффициентов шумовых искажений n-го порядка К_{ш_n} и суммарных - K_ш приведена в ГОСТ 16122-87 для условий свободного и однородного полей (в звукомерной и реверберационной камерах). Например, коэффициент шумовых искажений n-го порядка в однородном поле, %, на частоте f

где P_{a_nf} - акустическая мощность в третьоктавной полосе частот со средней частотой f, Вт; Р_{а ср} - средняя акустическая мощность в заданном диапазоне частот, Вт.

Измерения нелинейных искажений, определяющих дребезжание и призвуки в громкоговорителях. Специфической особенностью ГГ является возникновение в них сложных нелинейных явлений, субъективно оцениваемых как "дребезжание" или "призвук". Практически в любом серийно выпускаемом ГГ при прослушивании на синусоидальном сигнале можно обнаружить частоту или области частот, где, наряду с основным тоном, прослушивается дополнительный тон (или группа тонов), что классифицируется как призвук. Это не служит причиной брака в массовых ГГ, однако наличие интенсивных призвуков не позволяет обеспечить требуемого качества звучания в аппаратуре HI-FI. Дребезжание субъективно воспринимается как неприятный звук, ухудшающий качество звучания. Основные причины его возникновения - механические и технологические дефекты, появляющиеся при сборке, транспортировании и эксплуатации ГГ. По этому параметру проверке подвергаются все серийно выпускаемые громкоговорители. Проверка производится контролерами путем прослушивания ГГ на тональном сигнале, что является чрезвычайно трудоемкой и утомительной операцией. Учитывая большие объемы выпуска ГГ (десятки миллионов штук в год), проблеме создания объективных, помехозащищенных и быстродействующих методов измерения дребезжания и призвуков за последние годы было уделено серьезное внимание. В [29] был разработан метод измерения и нормирования коэффициентов дребезжания и призвуков, основанный на анализе спектрального состава сигнала (т. е. в частотной области). В результате исследований, выполненных в [30], показано, что дребезжание и призвук могут оцениваться во временной области, где они регистрируются в виде периодической последовательности импульсов, излучаемых в сумме с моногармоническим сигналом основного тона. Разработанные методы измерения дребезжания и призвуков, проверенные в условиях крупносерийного производства, послужили основой для их стандартизации.

В соответствии с ГОСТ 16122-87 под призвуком понимается сигнал искажений, представляющий собой "периодический медленно затухающий колебательный процесс с постоянной времени более половины периода возбуждающего сигнала, повторяющийся с частотой, кратной частоте возбуждения. Субъективно (на слух) он воспринимается как тон (или группа тонов), звучащий одновременно с тоном частоты возбуждения". Объективный метод измерения заключается в следующем (рис. 2.16, а). Микрофон устанавливается на расстоянии не меньше половины диаметра измеряемого ГГ, но не более 0,5 м. Измерения могут проводиться в любом помещении, необходимо только устранить дребезжание посторонних предметов, окружающих ГГ. Частота синусоидального сигнала, подводимого к ГГ от генератора, плавно увеличивается (не быстрее чем 1 окт./с) в диапазоне от 63...4000 Гц с соответствующим переключением фильтров верхних частот (ФВЧ), при этом на экране осциллографа наблюдается сигнал искажений, вид которого показан на рис. 2.16, б. Он может повторяться с частотой возбуждения или с частотой, кратной частоте возбуждения. На фиксированной частоте, где обнаружен сигнал искажений, измеряют амплитуду U_T/2 через интервал Т/2 после его начала. Если U_T/2/U_п > 0,33, то искажения классифицируются как призвук. Для количественной оценки этого вида искажений используется понятие "коэффициент призвука". Коэффициент призвука, %, на частоте f

где U_п и U_f - двойное амплитудное значение (размах) сигнала на частоте возбуждения соответственно на выходе и входе ФВЧ, мВ; K_ф - модуль коэффициента передачи фильтра ФВЧ на частоте, 2f_гр (f_гр определяется в ГОСТ 16122-88).

Рис. 2.16. Структурная схема измерение призвуков (а): сигнал на входе фильтра ФВЧ (1, 2), сигнал на выходе фильтра ФВЧ (3, 4) (б): 1 - генератор; 2 - УЗЧ; 3 - вольтметр; 4 - микрофонный усилитель; 5 - фильтр ФВЧ; 6 - осциллограф

Под дребезжанием понимается "сигнал искажений, представляющий собой периодический импульсный, быстро затухающий колебательный процесс с постоянной времени менее половины периода возбуждающего сигнала, повторяющегося с частотой, кратной частоте возбуждения. Субъективно (на слух) воспринимается как неприятный звук, не имеющий выраженной тональной окраски". Измерения проводятся в любом помещении (необходимо только устранить дребезжание в окружающих предметах). Синусоидальное напряжение подводится в диапазоне частот f_д1...f_д2, где f_д1 - минимальное значение частоты основного резонанса для ГГ, f_д2 выбирается из диапазона 2f_д1...2500Гц, но не ниже 600 Гц.

Как и при измерении призвуков, при измерении дребезжания используется два метода: объективный и субъективный. При объективном микрофон располагается на расстоянии от ГГ не более 0,5 м. Частота синусоидального сигнала, подаваемого с генератора, плавно увеличивается, но не быстрее 1 окт./с. Измерения выполняют по схеме рис. 2.17, а. При наблюдении на экране осциллографа сигнала искажений, вид которого показан на рис. 2.17, б, измеряется длительность τ затухающего процесса (импульса), определяемая на уровне U_τ ≈ 0,33U_д. Если τ не более полупериода сигнала возбуждения и U_д ≥ qUτ, где q = 3...5, то сигнал искажений является дребезжанием, он может повториться с частотой возбуждения или с частотой, кратной частоте возбуждения. Для количественной оценки дребезга вводится коэффициент дребезжания, %,

где U_д - двойное амплитудное значение (размах) сигнала дребезжания на входе ФВЧ, мВ; U_f - двойное амплитудное значение (размах) сигнала на входе ФВЧ; K_ф - модуль коэффициента передачи фильтра, определенный на частоте 2f_гр, оговоренной в [3].

Рис. 2.17. Структурная схема измерения дребезжания (а) и сигнал на входе ФВЧ (1, 2) и выходе ФВЧ (3, 4) (б)

Заметим, что коэффициент дребезжания К_д не связан однозначно с коэффициентом гармоник К_г, что следует из результатов, представленных на рис. 2.18, где два ГГ имеют примерно одинаковые К_г, но разные К_д. Это объясняется тем, что с помощью К_г количественно оцениваются нелинейные искажения, проявляющиеся в первых низших гармониках n = 1, 2, 3, ... , в то время как K_д зависит от интенсивности высших гармоник. Как показал опыт измерения серийных ГГ, величина К_д в основном зависит от гармоник порядка n ≥ 8 - 10. Кроме того, и физическая природа возникновения этих видов искажений в ГГ различна: первые определяются особенностями конструктивных и физико-механических параметров, вторые - зависят от вида механического дефекта, поэтому ГГ могут иметь малый уровень первых гармоник, т. е. малое К_г при рациональном выборе формы и материала подвесов и конструкции магнитной цепи, и большой уровень высших гармоник, т. е. высокий K_д (например, за счет касания выводов о поверхность диффузора и др.). Критическое значение K_д, установленное по результатам субъективных оценок отсутствия или наличия дребезга, составляет примерно 2%.

Рис. 2.18. Зависимости коэффициентов К_г и К_д от напряжения для различных ГГ

Импульсы дребезжания отличаются амплитудой, длительностью, полярностью, формой и частотой следования в зависимости от типа механического дефекта в ГГ. На основании этих различий создана методика дифференцированного определения вида механического дефекта в ГГ, нашедшая себе применение в серийном производстве ГГ [30].