Прогнозирование качества звуковоспроизведения при выборе усилителя мощности, статья. Журнал "АудиоМагазин"

Основная трудность, возникающая при выборе усилителя мощности (УМ) для работы с конкретными акустическими системами (АС), заключается в отсутствии взаимосвязей между объективными инструментальными измерениями (ИИ) параметров, которые обычно приводятся в паспорте УМ, и субъективной оценкой качества (СОК) звуковоспроизведения в рамках аудиоэкспертизы. В наибольшей степени несоответствие ИИ и СОК наблюдается в отношении нелинейных искажений (ИИ) звукового сигнала.

Известные методы измерения НИ в трактах звукопередачи отличаются большим разнообразием [1, 2], однако наибольшее распространение получил метод гармоник как самый удобный для постановки экспериментов и расчетов. Меньше распространены другие подходы: измерения на основе разностного тона, взаимной модуляции и др. Для каждого Из них существуют специальные сигналы, обеспечивающие оптимальную эффективность обнаружения продуктов искажений. С другой стороны, именно это является причиной их малой информативности относительно общей оценки искажений, вносимых в звуковой тракт и значительно влияющих на СОК.

Заметность НИ реального звукового сигнала связана с тем, насколько часто (если рассматривать процесс во времени) или с какой вероятностью (если применять статистическую меру) его мгновенные значения попадают в область существенной нелинейности тракта звуковоспроизведения.

Многим приходилось отмечать, что при уменьшении уровня сигнала в перегруженном канале исчезает хриплость звучания, причем она заметна тем меньше, чем реже пики сигнала попадают в область перегрузки.

Типичная характеристика функции передачи сигнала в тракте звуковоспроизведения представлена на рис. 1а, где S_вх и S_вых — это соответственно нормированные по мощности входной и выходной сигналы, a W(s) — плотность вероятности мгновенных значений сигнала S_вх. Участок А соответствует относительно малой нелинейности, а участки Б — большой. Для удобства анализа на рис. 1б 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. 1а, все значения входного сигнала, ограниченные функцией W(s),приходятся на участок передачи с меньшей нелинейностью, в то время как для шумового сигнала 16% времени его значения находятся на участках характеристики передачи с большой нелинейностью. Очевидно, шумовой сигнал подвергается значительно большим искажениям, чем синусоидальный.

В [3] приведены результаты, полученные при исследовании плотности вероятности мгновенных значений уровней сигналов натуральных звучаний (речевых и музыкальных). По распределению уровней они оказались гораздо ближе к шумовому сигналу, чем к гармоническому. На этом основании можно заключить, что оценка НИ, базирующаяся на вышеописанных методах, дает ложное представление о действительных НИ реальных звуковых сигналов. Это следует из результатов исследований плотности вероятности мгновенных значений уровней речевых и музыкальных сигналов [3], показывающих, что по распределению уровней они гораздо ближе к шумовому сигналу, чем к гармоническому.

Значительно большей информативностью обладают менее известные методы измерений, использующие шумовые сигналы [1, 2, 4]. Структурная схема и спектральные диаграммы для одного из таких методов [4] приведены на рис. 2. Измерительный сигнал создается генератором белого шума (ГБШ), ограничивается полосовым фильтром (ПФ) с диапазоном частот 3—12 кГц и подается на вход объекта измерений (ОН). Продукты нелинейных искажений шумового сигнала измеряются вольтметром (V) после фильтра низких частот (ФНЧ) со взвешиванием в полосе частот 30—1200 Гц. Числовой показатель нелинейности — это выраженное в децибелах отношение среднеквадратичного напряжения продуктов искажений (U_c) к напряжению опорного сигнала (U_в), вырабатываемого встроенным в прибор генератором с частотой 1 кГц: К_иш = 20 lg (U_c/U_в).

Данный метод реализован в приборе 7Э67, который разработан в СССР под руководством В. В. Раковского, сотрудника НИКФИ (Научно-исследовательского кино-фотоинститута) для измерения нелинейных искажений в фотографической фотофонограмме кинофильма. Прибор отличается высокой информационной эффективностью и до настоящего времени находит применение на киностудиях России. Он может быть использован при наличии компьютера со звуковой картой и соответствующим ПО. Описывать требования к звуковой карте и программному обеспечению считаю избыточным, т. к. заинтересованные специалисты сами смогут сделать это с учетом приведенных сведений о методике измерений и рис. 2.

Существуют и другие, более сложные методы измерений с использованием шумовых сигналов. По мнению автора, широкому применению таких сигналов при измерениях в звуковой аппаратуре препятствует ряд факторов: дефицитность и высокая стоимость оборудования для анализа случайных сигналов, необходимость пересмотра стандартов (например, выходной мощности в УМ), да и инерционность мышления многих инженеров, привыкших оперировать синусоидальными сигналами.

Широко известно, что СОК звуковоспроизведения производится по различным методикам, регламентированным существующими нормативными материалами [5—7]. Выбор конкретной методики определяется поставленной целью. Для СОК в системах звуковоспроизведения высокого уровня наилучшим образом подходят методики, рекомендованные стандартами Международной электротехнической комиссии (IEC) и сообществом аудиоинженеров (AES). Возможна СОК как системы в целом, так и отдельных ее компонентов.

Ниже приведены результаты проведенного автором эксперимента по исследованию влияния УМ на СОК; в стереотракте использовались одни и те же АС, а носителем информации и источником сигнала выступали компакт-диск (CD) и CD-проигрыватель. Эксперимент проводился автором в 1990 году в лаборатории звуковоспроизведения НИКФИ.

Параметры всех элементов звукового тракта выбирались с учетом выполнения условия о достижении уверенных различий в СОК при заменах в системе типов УМ. Во внимание принимались несколько основных параметров: АЧХ, ФЧХ, НИ и отношение сигнал/шум. Группа аудиоэкспертов состояла из семи профессиональных звукорежиссеров с проверенными аудиограммами (данными о состоянии слуха, проверка которого производится на специальном приборе — аудиометре, фиксирующем реакции испытуемого на звук в наушниках; по результатам исследований строится кривая, отражающая частотную зависимость порога слышимости (в децибелах) во всему диапазону звуковых частот). СОК проводилась индивидуально с каждым из них с использованием фонограмм на CD, собственного творчества. Каждый эксперт слушал свои записи разнообразной музыки.

При эксперименте использовался классический метод аудиоэкспертизы по абсолютной шестибалльной СОК. В качестве эталонного образца брался ламповый УМ № 1 с выходными каскадами, работающими в классе АВ, без общей отрицательной обратной связи (ООС). Помимо этого УМ, в эксперименте участвовали еще пять транзисторных УМ. № 2 — УМ с выходными каскадами, работающими в режиме класса А, без общей ООС, №№ 3—6 — образцы с общей ООС разной глубины и оконечными каскадами класса АВ. Паспортные значения всех усилителей — 100 Вт на нагрузке 8 Ом. Использовались серийные фирменные УМ производства Японии, США, Западной Европы и России и авторский образец.

Для анализа причин различий СОК в эксперименте также проводились ИИ величины НИ по методу гармоник (К_г) на специализированном оборудовании фирмы Neutrik: A1-Audio Test&Service System, с применением синусоидального сигнала частотой 1 кГц при выходной мощности 100 Вт и эквиваленте нагрузки в виде резистора R = 8 Ом, с мощностью рассеяния 500 Вт и индуктивностью 6 мкГн, а также при реальной нагрузке на АС с излучателями электродинамического типа во всех трех полосах и величине импеданса 8 Ом ±20% в диапазоне частот 20 Гц — 20 кГц. Кроме того, проводились ИИ искажений на шумовом сигнале (коэффициент шумовой интермодуляции, К_иш) с помощью измерителя 7Э67 по методике, описанной в [4]. С учетом большой величины пик фактора напряжения шумового сигнала измерения К_иш производились при кратковременных перегрузках (1 раз в секунду) на выходе УМ при всех видах нагрузки. Контроль перегрузки (превышение величины выходного напряжения УМ, соответствующего выходной мощности 100 Вт) осуществлялся специализированным измерителем с временем интеграции 20 мс.

Результаты эксперимента приведены в таблице.

Результаты измерений, показанные усилителями в ходе испытаний по описанной методике

Анализ результатов СОК и ИИ позволяет сделать следующие выводы.

1.Величина К_г практически не зависит от вида нагрузки, не коррелирует с СОК и поэтому является малоинформативной.

2. При нагрузке УМ на эквивалент 8 Ом величина К_иш существенно больше К_г для всех УМ, однако отношение К_иш/К_г различно и достигает наибольших значений для УМ №№ 3—6. Причиной этого может быть несовершенство схемотехники с использованием общих глубоких ООС без учета влияния сигнала противо-ЭДС от электродинамического громкоговорителя при реальном звуковом сигнале.

3. Наибольшее приближение по СОК к эталонному УМ показал образец № 2, который, как и эталонный, отличается от других УМ малым увеличением искажений на шумовом сигнале при изменении вида нагрузки с эквивалента на реальную АС. Возможная причина этого — отсутствие общей ООС и, как следствие, малая чувствительность к сигналу противо-ЭДС от громкоговорителя.

4. Величина разности К_иш при изменении вида нагрузки для УМ с эквивалента на реальную АС достаточно точно соответствует результатам СОК и поэтому может быть использована для предварительного отбора кандидатов — УМ при СОК в системах высококачественного звуковоспроизведения.

ЛИТЕРАТУРА

Подготовлено по материалам журнала "АудиоМагазин", №3 (110) 2013 г. www.audiomagazine.ru