Обоснование требований к параметрам звуковоспроизводящей аппаратуры связано с известными трудностями, поскольку восприятие звука субъективно. Минимальные требования регламентируются стандартами, разработанными на основе статистических результатов субъективной оценки качественных показателей аппаратуры и отражающими экономически целесообразный уровень ее совершенства на данном этапе.

Быстрое и непрерывное совершенствование элементной базы и схемотехники ведет к тому, что стандарты (и соответственно созданные на их основе нормы) имеют устойчивую тенденцию к отставанию от технико-экономических возможностей промышленности. В то же время с каждым годом растет число слушателей, для которых высокая верность воспроизведения является основным требованием к звуковоспроизводящей аппаратуре.
Поэтому видимо, необходимо определить предельные значения параметров звуковоспроизводящего тракта и, в частности, усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), которые, с одной стороны, не вели бы к неоправданным экономическим затратам, а с другой — обеспечивали бы верность воспроизведения, удовлетворяющую самых квалифицированных слушателей.

Качество УМЗЧ определяется совокупностью параметров, отражающих нелинейность их амплитудной характеристики и динамические свойства. Последние оценивают скоростью нарастания выходного напряжения, амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками и, в определенной мере, запасом устойчивости и выходной мощности. В современных УМЗЧ последние показатели достаточно высоки, и для упрощения задачи их можно считать удовлетворительными.
Нелинейные искажения оценивают коэффициентами гармоник (Кr), и интермодуляционных искажений К Эти показатели в известной мере взаимосвязаны, однако при оценке качества УМЗЧ каждый из них следует учитывать в отдельности. В этом свете рекомендации [1], касающиеся допустимых нелинейных искажений УМЗЧ, нельзя считать исчерпывающими, ибо в них указывается лишь значение Кг, в то время как, например, известный стандарт DIN 45500, кроме Кг(<0,7 %), нормирует и величину Кн(<2%). Оба параметра нормируются и в более поздних рекомендациях: Кг<0,1 %, Кн< <0,5 % [2|. Кг<0,2 %. Ки<0.6 % [3]. И хотя эти данные соответствуют уровню 70-х годов, они. тем не менее, свидетельствуют о необходимости обязательного учета интермодуляционных искажений. Рассмотрим физику процесса возникновения нелинейных искажений и особенности их субъективного восприятия. При незначительных нелинейных искажениях УМЗЧ амплитудная характеристика описывается выражением Uвых=a1Uвx+a2U2вx+a3u3вх+…+anUnвx (1) где UBX и Uвых — амплитуды соответственно входного и выходного гармонических сигналов, a1—аn — коэффициенты, значения которых определяются видом амплитудной характеристики, n — порядок нелинейности, определяющий число гармоник. При подаче на вход такого УМЗЧ синусоидального напряжения частотой f выходной сигнал представляет собой сумму гармоник с частотами f1. 2f1, 3f1…. …,nf1 и амплитудами U1. U 2, U 3,.-.. U n. Коэффициент гармоник определяется из выражения Кr=√ К2г2г+К2г3+…+К2rn где Кrn =Un/U1*100% — коэффициент гармоник по каждой составляющей. Вообще говоря, гармоники (обертоны) являются составной частью звуковых сигналов (речи, музыки), поэтому в реальном случае на вход УМЗЧ поступает напряжение, в спектре которого они уже есть. В результате гармоники, обусловленные нелинейностью усилителя, просто суммируются с исходными и относительно мало ухудшают качество звучания |3]. При снижении коэффициента гармоник до 0.1…0,2% звук становится более ярким, звонким. Присутствие нечетных гармоник высокого порядка делает звук «утомительным> [2].

В уже упоминавшейся статье [1] указано, что чувствительность уха к гармоникам пропорциональна квадрату но¬мера гармоники, но при этом утверждается, что на фоне искажений других звеньев тракта высшие гармонические составляющие искажений УМЗЧ незаметны, если они по уровню меньше. Однако из того, что коэффициент 11-й гармоники Кг11 равен, к примеру, 0,06 %, еще не следует, что такое искажение не будет замечено, даже если низшие гармоники имеют больший уровень, ибо субъективное восприятие искажения не подчиняется квадратичному закону суммирования его составляющих.
С точки зрения обнаружения нелинейных искажений на слух наибольшую роль играют составляющие комбинационных частот (в простейшем случае, когда на вход УМЗЧ поступают гармонические сигналы частотой f1 и f2, комбинационные частоты равны f1 ± f2, f1±2f2, 2f1±f2 и т. д.). Составляющие таких частот не имеют ничего общего с основными тонами и обертонами исход¬ных звуков, поэтому они придают звучанию «тяжелый», атональный характер.
Несмотря на то, что субъективное восприятие искажений в основном за¬висит от относительных амплитуд составляющих комбинационных частот, за меру нелинейных искажений обычно принимают коэффициент гармоник. Объясняется это прежде всего тем, что амплитуды составляющих комбинационных частот и гармоник одного порядка пропорциональны, и при нелинейности малого порядка (в спектре только вторая, третья гармоники) коэффициент интермодуляционных искажений близок по величине к коэффициенту гармоник. Однако с ростом порядка нелинейности это соотношение нарушается, о чем обычно забывают многие радиолюбители.

Коэффициент интермодуляционных искажений Ки измеряют при подаче на вход УМЗЧ двух гармонических сигналов с частотами Ь и f2. Возникающие в выходном напряжении гармонические и комбинационные составляющие имеют амплитуды u(fi), u(f2), и(*з) и т. д. (в скобках указаны частоты, на которых определяется амплитуда). Приближенно коэффициент Ки вычисляют по формуле
формула Коэффициент интермодуляционных искажений

где в числителе подкоренного выражения суммируются квадраты всех гармонических и комбинационных составляющих.

Авторами проведен анализ отношения коэффициентов гармоник и иитермодуляционных искажений. Первый из них рассчитывался для заданной амплитудной характеристики вида (1) и входного сигнала частотой f1 и амплитудой Uвх, второй — для сигналов частотой f1 и f2 с одинаковыми амплитудами Uвх. Отношение Ки/Кг определяется порядком нелинейности n и конкретными значениями коэффициентов a1-аn в уравнении амплитудной характеристики. Расчитать эти коэффициенты в общем случае невозможно, но их соотношение, достаточное для расчета Ки/Кг, можно задать, выбрав определенный закон спадания амплитуд гармонических составляющих при одночастотном входном сигнале.
В большинстве случаев амплитуда гармоник убывает с ростом их номера. Авторы условно приняли два вида закона изменения амплитуды, которые ориентировочно определяют верхнюю и нижнюю границы изменения отношения Ки/Кг: обратно пропорционально номе-ру гармоники (вариант А) и обратно пропорционально его квадрату (ва-риант В). Результаты расчета для разных порядков нелинейности приведены в таблице.

 

Порядок нелинейности УМЗЧ (n) Общее число гармонических и комбинационных составляющих в выходном 

сигнале

Отношение 

киг

Вари­ант Б Вари­ант А
2 4 2.2 2.2
3 10 2.7 3.5
4 18 7.1 10.5
5 26 11.8 21.7
5* 14 23 37.3

* В спектре только нечетные составляющие.

 

Результаты расчетов являются еще одним подтверждением известного факта, что при одном и том же коэффициен¬те гармоник качество звучания зависит от спектра возникающих искажений. С увеличением порядка нелинейности n резко возрастают интермодуляционные искажения. Порядок нелинейности источников программ, предварительных усилителей и акустических систем не превышает 2—3, а у транзисторных УМЗЧ достигает 7—11. По этой причине коэффициент Ки УМЗЧ может значи¬тельно превышать Ки остальных звеньев тракта, несмотря на то что его коэффициент гармоник меньше.

Таким образом, при рекомендуемых в [1] значениях Кг интермодуляционные искажения могут выйти за пределы, указанные как в DIN45 500, так и в [2, 3]. и стать более заметными, чем искажения других звеньев. Иначе говоря, к подобным рекомендациям следует относиться крайне осторожно, ибо в них не указывается, каким образом при коэффициенте гармоник, равном 0,2…0,3 %, обеспечить К„<0,6 %, хотя и при этом значении последнего интермодуляциоиные искажения будут уверенно заметны.

Субъективная оценка высококачественных УМЗЧ показала [4], что отчетливо заметна более высокая верность звучания устройства с коэффициентом Кr=0,03…0,04 % (во всей полосе частот) по сравнению с аппаратом, у которого Кг=0.1 % (другие их параметры были примерно одинаковы и не оценивались). Дальнейшие исследования позволили установить (хотя и менее чет¬ко) преимущества УМЗЧ с Кг=0,003 % перед УМЗЧ с Кг=0,03 %: при прослушивании высококачественных программ «легкость» звучания первого из них отмечало большинство экспертов. Существенных схемных отличий эти усилители не имели; оба они были собраны на биполярных транзисторах, но в первом
(Кг=0,003%) была применена более глубокая (более 60 дБ) отрицательная обратная связь (ООС). Такая ООС. если предусмотрен требуемый запас устойчивости, автоматически обеспечивает и высокую линейность АЧХ, и низкое выходное сопротивление, и отсутствие фазовых сдвигов и т. п. Стоимость же обоих усилителей примерно одинакова.

Таким образом, содержащееся в [4] утверждение о том, что величина Кr<0,04 % является достаточной для верного звуковоспроизведении, остается в силе. Дальнейшее снижение Кг целесообразно, если это не ведет к чрезмерному усложнению УМЗЧ и к повышению его стоимости. Резюмируя все сказанное выше, мож¬но сделать следующие выводы.

1. УМЗЧ вносит значительные (по сравнению с остальными звеньями звуковоспроизводящего тракта интермодуляционные искажения, которые субъективно весьма заметны и совместно с не-линейными, обусловленными гармониками высоких порядков, значительно ухудшают звучание

2. Коэффициент гармоник, не превышающий значения 0,04 %, гарантирует достаточную верность работы УМЗЧ; при более высоких значениях этого параметра следует принимать меры для снижения интермодуляционных искажений. Последнее требование может быть удовлетворено в результате специальных исследований связи коэффициентов гармонических и интермодуляцнонных искажений с видом нелинейности УМЗЧ.

И. БЕСПАЛОВ, А. ПИКЕРСГИЛЬ

ЛИТЕРАТУРА

1. Лексины Валентин и Виктор, О заметности нелинейных искажений усилителя мощности.— Радио, 1984, № 2, с. 33.

2. Книг Г. Руководство по звукотехнике.— Л.: Энергия, Ленннгр. отд-иис, 1980.

3. Рачев Д. Вопросы любительского высококачественного звуковоспроизведения.— Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1981. 7 Пикерсгиль А., Беспалов И. Феномен «транзисторного> звучания.— Радио, 1981, М» 12. с. 36.

♦ РАДИО 1,1986 г.

Один комментарий к “Качество звучания и характеристики УМЗЧ”

  1. Здравствуйте.Да звукатехника очень сложна

Оставить комментарий

Вы можете использовать следующие теги HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(обязательно)

(обязательно)

What is 11 + 2 ?
Please leave these two fields as-is:
IMPORTANT! To be able to proceed, you need to solve the following simple math (so we know that you are a human) :-)
© 2011 hifisound.com.ua При использовании материалов с данного сайта, обязательна ссылка на сайт HI-FI sound и первоисточник Поддержка предоставлена компанией www.hifiaudio.com.ua