25

Измерения нелинейных искажений акустических преобразователей

1. Исходные теоретические положения

В радиотехнике, акустике, гидроакустике и некоторых областях механики (вибрации, шумы) используются многочисленные типы преобразователей величин и масштабных преобразователей, микрофоны, преобразователи механических напряжений и вибраций в электрические сигналы, гидроакустические преобразователи, усилители напряжения, мощности. К таким преобразователям относятся излучающие звуковые колебания громкоговорители и т.д. Одним из важнейших свойств таких устройств является зависимость коэффициента преобразования от значения входной величины:

=.

В большинстве применений необходимо чтобы соблюдалось условие: =const в значительном диапазоне значений , то есть чтобы зависимостьотбыла линейной, как на рис. 1(а). Реальные устройства имеют различные отклонения от такой зависимости, например, рис. 1(б), 1(в), 1(г), 1(д), 1(е). Встречаются и комбинации таких зависимостей.

Очевидно, что статический =/при таких зависимостях=зависит от значений. Устройства, в которых реализованы зависимости рис. 1(б), 1(в), 1(г), 1(д) и их комбинации, называют нелинейными. Общим свойством нелинейных устройств, важным для радиотехники и акустики, является то, что они порождают гармоники в спектре сигнала, хотя на входе действует монохроматический сигнал. Так, например, если на вход детектора с характеристикой рис. 1(б) поступает сигнал=, то на выходе имеется напряжение в виде рис. 2, спектр которого выражается в виде:

=(1)

насыщение

зона нечувствительности

(а) (б) (в)

(г) (д) (е)

полином степени

более единицы

Рис. 1.

Свойство устройств с нелинейной характеристикой искажать форму синусоиды и порождать гармоники сигнала используется для описания их нелинейности. Степень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом гармоник (раньше его называли коэффициентом нелинейных искажений):

, (2)

где - амплитуда напряжения 1-й гармоники;

- амплитуды напряжений высших гармоник с круговыми частотами

2, 3, 4, ..., n.

На практике применяются и другое определение:

, (3)

Очевидно, существует связь между и, которая выражается формулами:

; (4)

Отметим, что понятие нелинейных искажений и величины коэффициента гармоник принято использовать для характеристики периодических сигналов, не слишком сильно отличающихся от синусоидального, которые порождаются отклонениями характеристик преобразователя от линейной, как на рис. 1(а), из-за их несовершенства. «Сильные» нелинейности, например, как на рис. 1(е), порождают бесконечный спектр со сравнительно медленным уменьшением амплитуды с ростом номера гармоники. В последнем случае (рис. 1(е) применять величину коэффициента гармоник для характеристики искажений сигнала таким устройством не имеет смысла.

Рассмотрим коэффициенты гармоник некоторых сигналов, которые формируются генераторами сигналов специальной формы. Так периодический сигнал вида рис. 2(а) – треугольный – имеет спектр:

и коэффициент гармоник:

Сигнал в виде меандра (рис. 2(б) имеет разложение:

Сигнал пилообразной формы (рис. 2(в):

(а) (б) (в)

Рис. 2.

В процессе работы исполнителям предстоит измерить для перечисленных сигналов, получить измеренные значения, сопоставить их с расчетными значениями, а при наличии значительной разности дать объяснение отклонениям от расчетных значений.