И снова о динамиках: Поговорим об искажениях
Из всех искажений, известных науке, нам в аспекте конструирования акустической системы интересны в основном два их вида: Линейные и нелинейные. Именно от их количества и особенностей напрямую зависит как будет звучать наша акустика. Давайте рассмотрим что такое искажения с точки зрения звукоинженера и чем первый тип отличается от второго.
При преобразовании электрического сигнала в звуковой неизбежно возникают искажения, то есть отклонения формы и спектра выходного сигнала от входного. Искажения могут быть разных видов, но наиболее важными для динамических излучателей звука являются линейные и нелинейные искажения. Что это такое, чем они отличаются, и откуда берутся?
Линейные искажения.
Линейные искажения не зависят от амплитуды входного сигнала, а только от его частоты. Они приводят к изменению амплитуды и фазы отдельных гармоник в спектре сигнала, но не к появлению новых гармоник. Простой пример линейных искажений — эквализация сигнала. Линейные искажения могут быть частотными и фазовыми.
Частотные искажения вызваны неидеальностью амплитудно-частотной характеристики динамика.
Как я уже писал, АЧХ показывает, как меняется коэффициент усиления динамического излучателя звука в зависимости от частоты входного сигнала. Идеально, этот коэффициент должен быть постоянным во всем диапазоне частот (полка), но на практике это не так. Динамический излучатель звука имеет определенную полосу пропускания, в пределах которой он может воспроизводить сигнал с приемлемыми искажениями. За пределами этой полосы пропускания коэффициент усиления резко падает, что приводит к затуханию высоких и низких частот.
Кроме того, внутри полосы пропускания коэффициент усиления может неодинаково зависеть от частоты, что приводит к изменению тональности звука - “кривой” АЧХ. Поэтому при оценке звучания разных динамиков часто возникают описательные характеристики. Такие, как: “глухой”, “гнусавый”, “мутный”, “яркий” звук и т.д. На самом деле все это обозначает недостаток одних частот и избыток других в звуковой составляющей.
Частотные искажения могут быть оценены с помощью коэффициента частотных искажений, который равен отношению коэффициента усиления на средних частотах к его значению на данной частоте.
Фазовые искажения вызваны неравномерностью фазо-частотной характеристики динамического излучателя звука.
Фазо-частотная характеристика показывает, как меняется фаза выходного сигнала относительно входного в зависимости от частоты. Идеально, фаза должна быть линейной во всем диапазоне воспроизводимых частот, но в реальности все куда хуже.
Динамический излучатель звука имеет определенную инерционность, которая приводит к запаздыванию выходного сигнала относительно входного. Это запаздывание зависит от частоты сигнала: чем выше частота, тем больше запаздывание. Это приводит к нарушению фазовых соотношений между отдельными гармониками в спектре сигнала, что влияет на его форму и тембр.
Фазовые искажения могут быть оценены с помощью коэффициента фазовых искажений, который равен разности фаз между выходным и входным сигналами на данной частоте.
Фазовые искажения очень сильно влияют на качество передачи детализации звука, точности воспроизведения тембра, динамику и спектр. АС с высоким уровнем таких искажений будут воспроизводить “плоскую” звуковую картину. Звук будет восприниматься как “прилипший” к колонкам, потерявший глубину сцены и пространство.
И напротив, если АС сведены с линейной фазой, даже один моно-канал будет создавать “стереоэффект” - звук будет субъективно располагаться в пространстве вокруг акустики, а не идти из динамиков. Опытные разработчики способны сразу услышать качество фазового сведения. Да и обычные пользователи, которым довелось владеть фазокогерентной акустикой некоторое время, уже никогда не перепутают ее звучание с “несфазированными” АС.
Нелинейные искажения.
Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала, а не от его частоты. Нелинейные искажения приводят к появлению в спектре выходного сигнала новых гармоник, которые не присутствовали во входном сигнале. Такие искажения могут быть гармоническими и интермодуляционными.
Гармонические искажения вызваны нелинейностью характеристики динамика. Характеристика излучателя показывает, как меняется выходное напряжение в зависимости от входного. Идеально, эта зависимость должна быть линейной, то есть пропорциональной, но это только в теории. В реальной жизни динамик имеет определенные пределы, в которых он может работать без искажений. Если входное напряжение превышает эти пределы, то излучатель входит в режим насыщения, когда выходное напряжение перестает расти и остается постоянным. Это приводит к искажению формы сигнала, которая становится более острой и угловатой. В результате в спектре сигнала появляются новые гармоники, которые являются кратными основной частоте сигнала.
Гармонические искажения могут быть оценены с помощью коэффициента гармонических искажений, который равен отношению амплитуды всех гармоник, кроме основной, к амплитуде основной гармоники.
О природе гармонических искажений у меня есть отдельный пост.
Интермодуляционные искажения вызваны нелинейностью характеристики динамического излучателя звука при подаче на его вход сигнала, содержащего несколько разных частот. Если на вход динамического излучателя звука подается сигнал, состоящий из двух или более гармоник, то из-за нелинейности характеристики динамического излучателя звука в спектре выходного сигнала появляются новые гармоники, которые являются суммой и разностью частот входных гармоник. Эффект Допплера, описанный в посте про выбор динамиков, как раз пример интермодуляции.
Это приводит к искажению тембра звука, особенно при воспроизведении сложных музыкальных сигналов. Такой вид искажений оценивают с помощью коэффициента интермомодуляционных искажений, который равен отношению амплитуды новых гармоник, появившихся в результате взаимомодуляции, к амплитуде основных гармоник.
Итак, линейные и нелинейные искажения — два основных вида искажений, которые возникают в динамических излучателях звука при преобразовании электрического сигнала в звуковой.
Линейные искажения не зависят от амплитуды входного сигнала, а только от его частоты, и приводят к изменению амплитуды и фазы отдельных гармоник в спектре сигнала.
Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала, а не от его частоты, и приводят к появлению в спектре сигнала новых гармоник, которые не присутствовали во входном сигнале. Искажения влияют на качество звука, поэтому важно учитывать их при разработке и выборе динамических излучателей звука.
Спасибо за внимание! Если понравилось, ставьте плюс! Если непонятно - задавайте вопросы.
Всем хорошего звука.
