Вопрос 30. Основные параметры звуковых трактов и их влияние на качество звука. Объективный контроль зс

Амплитудно-частотные искажения, возникающие в ре­зультате изменения величины сопротивления радиотехни­ческих элементов (резисторов, конденсаторов и катушек индуктивноетей) от частоты, называются линейными. Кроме них, существуют и нелинейные искажения, появляющиеся главным образом из-за нелинейности характеристики усили­тельных элементов и кривых намагничивания стальных сердечников выходных трансформаторов. Все искажения, вносимые радиотехническими элементам» звукового тракта и проявляющиеся в изменении спектра звуковых частот, обязательно изменяют качество звучания. Несколько инее влияние на окраску звука оказывают искажения, обуслов­ленные свойствами акустических систем и помещений, в которых проводится прослушивание.

Частотные искажения и различный характер их воспри­ятия при прослушивании звуковых передач можно объяс­нить следующим образом. Как известно, окраска звуков характеризуется количеством частотных составляющих и распределением их амплитуд по спектру, а спектр слыши­мых звуков занимает диапазон частот от 20 до 20 ООО Гц. При прохождении через звуковой тракт такого сложного по структуре сигнала из-за различия коэффициентов пере­дачи на разных частотах нарушается соотношение ампли­туд отдельных гармонических составляющих и, как след­ствие, изменяется тембр звука. Значительные искажения в частотной характеристике в свою очередь приводят к из­менению качества звучания. Спад или ограничение частот снизу делает звук резким, дребезжащим и визгливым, а при спаде или ограничении частотной характеристики сверху звук становится приглушенным и неразборчивым.

Количественно частотные искажения, обусловленные элементами звукового тракта, оцениваются неравномерно­стью амплитудно-частотной характеристики. Эта неравно­мерность определяется как отношение коэффициентов пере­дачи на частотах, находящихся в пределах звукового диапа­зона, к коэффициенту передачи на частоте 1000 Гц. Коэф­фициенты передачи в исследуемом диапазоне частот при одинаковых уровнях входных сигналов изменяются так же, как напряжения на выходе звукового тракта. Таким обра­зом, с "помощью амплитудно-частотной характеристики по величине изменений выходного напряжения в интересуемомдиапазоне частот одновременно могут быть определены об­ласть, характер и величина частотных искажений.

В силу физиологических особенностей органов слуха на краях звукового диапазона допускается несколько по­вышенный уровень частотных искажений. Так, например, частотные искажения аппаратуры высококачественного звучания в области средних частот звукового диапазона не должны превышать 2 дБ, в то время как на краях ди­апазона допустимая величина частотных искажений может быть увеличена до 6 дБ.

Значительное влияние на качество звучания оказывает не только неравномерность частотной характеристики, но и диапазон частот, воспроизводимых звуковым трактом. Ранее указывалось, что человеческое ухо в лучшем случае слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц. С воз­растом же слух притупляется и верхняя его граница пере­мещается в область до 15 000 Гц. Переходя к нижней гра­нице частот, можно отметить, что человеческие голоса не имеют частотных составляющих ниже 90 Гц. Что же каса­ется музыки, то ни один инструмент, кроме органа, не издает основных тонов с частотами ниже 40 Гц. Поэтому нижняя граница звукового диапазона частот находится в области 30 Гц и может считаться вполне достаточной.

Таким образом, высокое качество воспроизведения будет обеспечено в том случае, если звуковой тракт имеет равно­мерную характеристику в диапазоне частот от 30 до 15 000 Гц. Однако это еще не означает, что звучание будет высококачественным, так как в звуковом тракте существуют нелинейные искажения. Кроме того, качество звучания в значительной мере определяется свойствами акустиче­ских систем и помещений, в которых размещаются устрой­ства воспроизведения звука.

Основной причиной возникновения нелинейных иска­жений является применение радиотехнических элементов, имеющих нелинейную зависимость сопротивления от при­ложенного к ним напряжения (радиолампы, транзисторы, полупроводниковые диоды, громкоговорители, трансфор­маторы и т. д.). Поэтому из-за нелинейности в звуковом тракте даже при одном звуковом тоне может возникать це­лая группа гармоник, частоты которых кратны частоте ос­новного тона. Еще более сложная картина наблюдается в тех случаях, когда зввуковой материал представляет совокупность колебаний различных частот.

Гармоники основных тонов, взаимодействуя, возбуж­дают колебания с суммарными и разностными частотами, и общее количество частотных составляющих в звуковом тракте возрастает. Частоты звуковых колебаний, равные сумме или разности частот основных тонов, называются комбинационными частотами. Звуковые колебания, обус­ловленные этими частотами, могут находиться в любой области звукового диапазона, в том числе и в области на­ибольшей чувствительности уха (800—5000 Гц). Следует отметить, что ухо обладает весьма большой чувствитель­ностью к частотам, возникающим из-за нелинейных иска­жений. Вследствие этого содержание и окраска звука, имеющего в своем составе колебания комбинационных час­тот, значительно искажаются и такой звук производит не­приятное впечатление.

Не менее значительное влияние на качество звучания оказывают различные по характеру помехи, основными источниками которых являются собственные шумы радио­технических элементов (ламп, транзисторов и резисторов), а также самые разнообразные внешние источники. Помехи любого вида сокращают динамический диапазон звукового тракта и существенно отражаются на качестве звучания.

Динамический диапазон звукового тракта О определя­ется отношением напряжения максимального неискажен­ного сигнала к напряжению помехи:

Из этого выражения видно, что динамический диапазон сильно зависит от уровня помех, воздействующих на зву­ковой тракт. Поэтому при проектировании аппаратуры высококачественного звучания необходимо применять спе­циальные меры, позволяющие в той или иной степени сни­зить уровень помех. К основным методам борьбы с поме­хамиможно отнести введение фильтров, экранирование про­водов, выбор наиболее рациональных схем входных цепей, а также отдельных радиотехнических элементов и узлов, обеспечивающих наименьший уровень собственных шумов.

Полный динамический диапазон музыки, достигающий 60—70 дБ, при хорошем перекрытии помех пропустить че­рез звуковой тракт весьма сложно. Поэтому в реальные устройства воспроизведения звука приходится вводить различные системы, позволяющие сжимать динамический диапазон. Естественно, что такое сжатие приводит к пере­распределению энергии между спектральными составля­ющими и тем самым вызывает искажения звука. С другой стороны, сжатие динамического диапазона оказывает не­которое влияние на уровень помех, которые практически присутствуют в любом звуковом тракте. В связи с этим пред­ставляется интересным вопрос о том, как будут восприни­маться искажения звука, обусловленные сжатием динами­ческого диапазона при воздействии на звуковой тракт не­которых видов помех различных уровней.

Многолетний опыт эксплуатации различных звуковос­производящих систем показал, что наиболее ощутимыми помехами в звуковом тракте являются фоны с частотами 50, 100, 150, 300 и 600 Гц, а также шумы с равномерным спект­ром (шумы резисторов, ламп). 

Наибольшей слышимостью обладают помехи в виде рав­номерного шума и фона с частотами 50, 100 и 150 Гц. Менее ощутимы помехи с частотами 300 и 600 Гц. И это не слу­чайно. Ведь в области частот ниже 150 Гц энергия полез­ного сигнала весьма мала, в то время как в области частот 200—3000 Гц сосредоточена основная часть его энергии. Вот почему помехи в виде фона с частотами 300 и 600 Гц получаются менее заметными, чем помехи с малыми час­тотами.

Спектр шума из-за его непрерывности и равномерности имеет одинаковую интенсивность в области низких, сред­них и высоких частот. Слышимость же высокочастотных составляющих спектра значительно выше слышимости низ­кочастотных фонов. Это происходит из-за малой величины энергии полезного сигнала в этой части звукового диапа­зона, а чувствительность уха к средним и высоким частотам, как известно, велика.

Прежде чем рассматривать усилительные схемы, обеспе­чивающие высокое качество звучания, остановимся на ос­новных характеристиках усилителей. К ним относятся: уровень выходноймощности при заданных нелинейных искажениях, полоса пропускания воспроизводимых частот, допустимая неравномерность частотной характеристики и чувствительность на частоте 1000 Гц.

Номинальная выходная мощность усилителя обычно подбирается в соответствии с площадью помещения, в ко­тором будет расположена звуковоспроизводящая установка. Экспериментальные исследования показали, что при рас­положении источника звука в углу квадратной комнаты усилитель должен обеспечивать выходную мощность 0,7 Вт на каждые 10 м2 площади. Если же источник звука разме­щен по середине короткой стены прямоугольной комнаты, его выходная мощность должна составлять 0,5—0,6 Вт на каждые 10 м2 площади. В случае отсутствия регуляторов тембра, поднимающих частотную характеристику, выход­ную мощность нужно увеличить до 1 Вт на каждые 10 м2 площади (указанные нормы выходной мощности относятся к частоте 1000 Гц).

Полоса пропускания усилителя характеризуется непре­рывным диапазоном частот, в пределах которого неравно­мерность частотной характеристики не превышает задан­ной величины. В усилительной технике крайними частотами, определяющими ширину полосы пропускания принято считать частоты, усиление на которых умень­шается не более чем на 30% (уровень 0,7) для III класса усиления по сравнению с усилением на средней частоте. Относительно средней частоты оценивается и неравно­мерность частотной характеристики в полосе пропускания усилителя. В усилителях, как и в других элементах зву­кового тракта, средней чаще всего считается частота 1000 Гц.

Нелинейные искажения усилителя обусловлены нели­нейностью вольт-амперных характеристик электронных ламп и транзисторов. Физический смысл нелинейных ис­кажений заключается в появлении на выходе усилителя гармонических составляющих, кратных частоте основного тона сигнала, подаваемого на вход усилителя. Величина нелинейных искажений определяется коэффициентом гар­моник.

Более точно нелинейные искажения можно определить методом «коэффициента разностного тона». На вход иссле­дуемого усилителя подают не одно гармоническое колеба­ние, а два — с разными частотами. В этом случае на вы­ходе усилителя, кроме гармоник с кратными частотами, по­явятся гармонические составляющие с комбинационными частотами. Коэффициент гармоник в соответствии с ГОСТ лежит в пределах 2,5—6%,

Динамический диапазон характеризуется отношением крайних значений (максимального и минимального) уровней сигналов, внутри которых усилитель работает без пере­грузки. Различают динамический диапазон по входным сигналам и динамический диапазон по выходным сигна­лам. Первый — это отношение максимального входного сигнала, при котором усилитель работает без искажений, к минимальному уровню сигнала на входе усилителя. Второй определяется аналогично по выходным сигналам. Отношение первого ко второму называется коэффициентом сжатия.

Динамический диапазон, которым должен обладать уси­литель, определяется диапазоном изменения уровней сиг­налов звукового источника и количественно оценивается в децибелах. Рассчитывая усилитель, его динамический диапазон следует брать на 10—15% больше динамического диапазона источника сигналов. Весь диапазон изменения уровней сигналов существующих источников звука, состав­ляющий около 70 дБ, может быть воспроизведен только при введении в состав усилителя каких-либо схем регули­рования усиления.

Чувствительность определяется минимальным значением входного напряжения, при котором на выходе усилителя получается номинальная неискаженная выходная мощность

Чувствительность усилителя измеряется при максимальном коэффициенте усиления. Так как частотные характерис­тики усилителей независимо от класса имеют некоторую неравномерность в полосе воспроизводимых частот, то чувствительность принято измерять на частоте 1000 Гц.

Собственные шумы усилителя обусловлены тепловыми шумами радиотехнических деталей, неравномерностью эмис­сии электронов в усилительных приборах и рядом других причин. На вход усилителя могут воздействовать и пара­зитные наводки со стороны источника питания. Все это при­водит к тому, что на выходе, независимо от наличия или отсутствия полезного сигнала всегда имеется некоторый уро­вень напряжения, который нельзя свести к нулю даже в са­мых лучших усилителях. Собственный фон, естественно, приводит к искажениям полезного сигнала и поэтому уро­вень этого фона надо стремиться уменьшить до минимума. Количественно собственный фон оценивают уровнем соб­ственных шумов.

Другая, не менее важная характеристика звукового сигнала - это отношение сигнал/шум. Оказывается, что аппаратура, помимо того, что она вносит в сигнал различные искажения, еще и шумит. На слух это проявляется как равномерное однотонное шипение. Оно обуславливается собственным шумом радиоэлементов схемы, который, в свою очередь, появляется вследствие хаотического (теплового, броуновского) движения молекул в проводниках. В высококачественной аппаратуре всегда используются дорогие электронные компоненты с низким уровнем собственного шума. Отношение сигнал/шум определяется как отношение полезного сигнала с уровнем 0 дБ к уровню шумов в звуковом тракте. Измеряется отношение сигнал/шум в децибелах. В недорогой аппаратуре оно имеет значение около 65 дБ, в аппаратуре класса hi-fi и hi-end - 90-100 дБ.

Помимо собственного шума радиоаппаратуры, "портить" сигнал могут наведенные помехи (как шум, так и фон). Так как отношение сигнал/шум не учитывает эти факторы, реальный уровень шумов того или иного устройства может быть несколько выше относительно заявленного в паспорте. В некоторых случаях производитель указывает такой параметр, как отношение сигнал/шум+фон, который значительно ближе к реальности Из-за чего могут возникать наведенные помехи, будет подробно рассказано в главе 17.

Выходная мощность, пожалуй, является тем самым параметром, на который покупатели аудиоаппаратуры обращают внимание в первую очередь, особенно при покупке акустических систем. Между тем, традиционно сложилось так, что выходную мощность можно измерять различными путями Наиболее широкое распространение получили два вида мощности. Первая из них - это пиковая (еще называемая максимальной, или музыкальной, мощностью), обозначаемая в англоязычной литературе как PMPOXPeakMusicPowerOutput). Ее нельзя назвать достаточно информативной, потому что она говорит лишь о том, какую мощность может выдерживать устройство без повреждений в течение определенного времени, как правило, 10 миллисеку11Д. Эту довольно необъективную величину можно точно измерить лишь в серьезных лабораториях, но при этом существуют различные методики ее определения. Соответственно, различным будет и результат. Зато производители очень любят указывать пиковую мощность на коробках с недорогими акустическими системами. Ведь в этом случае ее значение получается в несколько раз больше номинальной (среднеквадратичной) мощности (RMS - RootMeanSquared), которая обладает наибольшей объективностью. Номинальная мощность определяется как среднеквадратичное значение для синусоидального сигнала частотой 1 кГц. Для усилительных систем она измеряется при номинальном уровне входного сигнала, а для акустических систем, как правило, при достижении уровня нелинейных искажений 1%.

Переходные и параметрические искажения

   Переходными искажениями называют появление "посторонних" составляющих во вторичном сигнале, обусловленных свободными колебаниями в звеньях тракта. Частоты этих колебаний могут не совпадать с частотами составляющих входного сигнала. Как и при нелинейных искажениях, появляются комбинационные частоты. Эти искажения возникают при изменении режима работы тракта, при изменении амплитуды входного сигнала, а также вследствие инерционности устройств обработки информации. Слуховое ощущение этих искажений сходно с ощущением нелинейных искажений.

   К параметрическим искажениям относятся автопараметрический резонанс и детонация. Первый вид искажений наблюдается в громкоговорителях, второй - в системах записи звука. Автопараметрический резонанс выражается в появлении колебаний с частотами, кратными дробной величине частоты основного колебания. Характер этих искажений сходен со звучанием нелинейных искажений на низких частотах. Детонация сигнала выражается в изменении частоты вторичного сигнала по отношению к частоте первичного. Эти искажения прослушиваются и виде "плавания" частоты сигнала, а при быстрых изменениях - в виде хрипов и дребезжания.

Объективный контроль звуковых систем

Объективный контроль уровня записываемой программы осуществляется звукорежиссером в студии звукозаписи с помощью специальных измерительных приборов, так называемых индикаторов уровня. Индикаторами или указателями такие приборы названы потому, что при измерении уровней быстроменяющихся сигналов не требуется особо высокая точность, как от обычных измерительных приборов, применяемых при измерении стационарных синусоидальных сигналов. Однако показания индикатора не отражают существенных элементов самого качества записываемой музыки, речи и пр. Поэтому одновременно с объективным контролем по индикатору ведут субъективный контроль, прослушивая программу через контрольный акустический агрегат.

Измеритель уровня звука — измерительный прибор, применяемый в звукотехнике для определения уровня звукового сигнала. Звук измеряется в децибелах (дБ). Это логарифмические единицы, которые хорошо отражают характеристику слуха, поскольку слух человека ощущает только относительные изменения акустического давления.

Типы измерителей уровня звука

Выделяют три типа измерителей уровня звука:

• измеритель средних значений (VU-meter, или «волюметр») — изначально аналоговый стрелочный прибор, динамические характеристики которого определяются инерционными параметрами стрелочного индикатора. Был разработан в 1939 году BellLabs, CBS и NBC для измерения и стандартизации уровней в телефонных линиях. В последнее время такие измерители часто делаются не со стрелочными индикаторами, а со светодиодными или иными световыми указателями. Постоянная времени измерительной схемы для этого типа измерителей уровня составляет 300 миллисекунд, что наиболее приближенно отражает субъективно воспринимаемую человеком громкость.

• измеритель действующих значений (RMS, среднеквадратичный) показывает величину напряжения, пропорциональную реальной долговременной мощности сигнала, его «тепловой эквивалент». Лучшие RMS-измерители построены с использованием термопреобразователей — исследуемое напряжение нагревает термоэлемент, по температуре которого и судят о величине напряжения. В связи с излишней инерционностью, применяют для измерения уровня шумов.

• пиковый измеритель(PPM):

1. точный пиковый измеритель (True PPM) — отражает точные пиковые значения уровня независимо от длительности звукового сигнала.

2. квазипиковый измеритель (QPPM) — показывает пиковые значения уровней сигнала, превышающие заданную длительность времени интеграции. Значения меньшей длительности, чем время интеграции будут отображаться с меньшим уровнем, чем при измерении True PPM. Квазипиковый измеритель должен иметь время интеграции 5 миллисекунд.

3. выборочный пиковый измеритель (SPPM) — измеритель для цифровой звукозаписи, который показывает значения выборки цифрового сигнала. Может иметь одновременно характеристики точного и квазипикового измерителя.

• Гониометр — прибор типа осциллографа, изображение на экране электрон- но-лучевой трубки которого позволяет судить о фазовых соотношениях между сигналами левого и правого стереоканалов. Если эти сигналы одинаковы, сдвиг фаз между ними равен нулю, то на экране гониометра изображение име­ет вид прямой линии. Это означает, что звуковую картину создает точечный источник звука — случай, соответствующий монофонической передаче звука. При стереофонической передаче между сигналами левого и правого каналов принципиально существует различие, которое отображается распределенным по всему экрану гониометра изображением, динамически видоизменяющимся в такт с изменением сигналов. Оценка «стереофоничности» по гониометру требу­ет определенного навыка и опыта, носит приблизительный характер и не исклю­чает необходимости слуховой оценки звучания. Гониометры обычно встраивают­ся в звукорежиссерский пульт наряду с индикаторами уровня.

Время интеграции — это величина, характеризующая быстродействие измерителя. Определяется длительностью такой одиночной тональной посылки, при которой указатель индикатора доходит до отметки в −2 дБ. Время возврата — это время, за которое указатель индикатора после отключения от его входа сигнала номинального уровня опускается до отметки в −20 дБ. В отличие от квазипиковых, у VU-измерителей нет двух разных времен интеграции и возврата, а есть только одно, одинаковое для обоих направлений перемещения указателя, оно называется постоянной времени. В механических (стрелочных) приборах это время определяется конструктивными особенностями их подвижной системы.

С появлением светодиодных индикаторов появилась возможность совмещать VU или RMS и пиковые измерители на одной шкале. Также применение светодиодов позволило удерживать индикацию максимального значения «точкой», называемой PeakHold. Из-за достаточно большого времени её зависания (1—3 с) нет необходимости постоянно следить за индикатором.