Нелинейные искажения акустической системы

    Нелинейные  искажения акустической системы

    Нелинейные  искажения в акустике – это  появление ложных частотных составляющих на выходе системы передачи сигнала. Они соответствуют искажениям первого  и второго рода в курсе сигналов.

    Ложные  гармоники делятся на:

  1. Высокочастотные (выше исходной частоты)
  2. Низкочастотные (субчастоты)

    Высокочастотные гармоники бывают кратными исходному  сигналу, а бывают близкими ему по значению.

    Оценка  нелинейных искажений проводится с  помощью соответствующих коэффициентов, соответствующих уровням.

    Коэффициент гармонических искажений n-города (дБ или %) – это отношение звукового давления n-ой гармоники к звуковому давлению, образованному исходной гармоникой на входе и ложными гармониками в соответствии. 

    - частота i-той ложной гармоники;

     - частота исходной  гармоники;

     - давление ложной  гармоники с частотой  ;

     - давление гармоники  с частотой ;

    n – число возможных ложных гармоник;

    i – номер ложной гармоники.

    Характеристический  коэффициент гармонических колебаний (дБ или %) – это отношение звукового  давления i-той ложной гармоники к среднему значению давления в заданном диапазоне частот. 

     - среднее звуковое  давление в заданном  диапазоне.

    В акустике величина в дБ считается  как:

    - по давлению 

    - по мощности 
 

    Полный  коэффициент гармонических искажений (ТНД) – это корень квадратный из среднеквадратичной суммы первого  коэффициента гармонических искажений. 

    Этот  коэффициент учитывает амплитуды  всех ложных гармоник для каждой частоты  сигнала. В западных стандартах анализ производится не выше пятой гармоник. Советских и русских предлагается учитывать коэффициент гармоник для 8 – 16-ой, т.к. эти гармоники вызывают эффект дребезжания.

    Полный  характеристический коэффициент аналогичен полному коэффициенту. Только в знаменателе  давление не исходной гармоники, а давление групп гармоник в определенном частотном  диапазоне.

    Достоинство данной системы : возможность оценки отдельных гармоник на появление от них ложных составляющих. В то время как реальный сигнал, воспроизводимый акустической системой, является многотональной.

    Допуски по западным стандартам по теории hi-fi:

    - полный коэффициент гармонических  искажений < 2% (250-1000 Гц) и <1% (выше 2000 Гц) при уровне звукового давления 90 дБ на расстоянии 1 м.

    Для оценки мощности электрических сигналов используют измерения на радиоимпульсах. 

    Анализ  нелинейных искажений  на основе радиоимпульсов

    Для сильных звуковых сигналов применяется  этот способ. Радиоприемник заполняется  гармоникой определенной частоты .

    Входной электрический сигнал в акустическую систему (график 1):

    

    График 1.

    Выходной  электрический сигнал в акустической системе (график 2):

    

    График 2.

    Вырезанный  стабильный кусок основного (выходного) сигнала (график 3):

    

    График 3.

    АЧХ выходного сигнала, найденного компьютерным преобразованием Фурье (график 4):

    

    График 4.

    Превращение АЧХ на выходе акустической системы  содержит как основные так и ложные гармоники. Оценивают амплитуду ложных гармоник и вычисляют коэффициент гармонических искажений (ф-лыприведены ранее).

    Заметим, что для одной и той же исходной гармоники частота трех кратная  воспринимается заметнее двух кратной, четырех кратная выше трех кратной  и т.д.

    В природе на входе акустической системы  большинство сигналов многотанальны, поэтому следующий этап в оценке нелинейных искажений является использование не одна тонального, а двух тонального сигнала.

    Есть  два способа оценки двух тонального сигнала:

  1. Интермодуляционные сигналы.
  2. Разностные сигналы.

    Метод интермодуляционных искажений

    На  вход подаются две гармоники. Первая – большая и высокочастотная. Она в 4 раза больше по амплитуде и в 8 раз больше по частоте второй гармоники. Вторая гармоника маленькая по амплитуде и низкочастотная.

    На  выходе акустической системы образуется:

      – первая гармоника;

      – вторая гармоника;

      – целое число.

    Вводной коэффициент интермодуляционных искажений  для n-ой гармоники: 

    Интермодуляционные  искажения (график 5):

    

    График 5. 

    Метод разностных искажений

    На  вход подаются два сигнала с частотами  . Причем . Коэффициент разностных искажений рассчитывается по формуле:  

      – давление на частоте 80 Гц.

      – сумма давлений  от обоих гармонических  составляющих. 

    Анализ  нелинейных искажений  на основе много тональных  сигналов

    На  вход акустической системы подается множество сигналов с минимизацией пиковых факторов (фазы этих гармоник должны быть разными, чтобы не получилось всплесков сигналов).

    Входной сигнал (график 6): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                    График 6. 

    Выходной  сигнал (график 7): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                      График 7. 

    На  выходе системы получается: продукты возникновения нелинейных искажений (ложные гармонические составляющие) + уменьшается амплитуды некоторых  исходных составляющих.

    При чем, часто ложные гармоники возникают  не на кратных частотах, а на частотах равных разности подаваемых сигналов. 

    Первый  способ оценки по много  тональному сигналу  с помощью функции  когерентности 
 

      – спектральная  плотность средней  мощности входного  сигнала;

      – спектральная  плотность средней  мощности выходного  сигнала;

     - спектральная плотность средней мощности, найденная как преобразование Фурье корреляционной функции (связи) между входным и выходным сигналом.

    Спектральная  плотность средней мощности пропорциональна  квадрату амплитуд случайных сигналов и зависит от частоты. Ее можно  найти как преобразование Фурье  корреляционной функции сигнала. Корреляционная функция показывает связь между  значениями сигнала в функции  распределения между этими значениями. Если связь между входным и выходным сигналами велика, то стремится к 1, если нет связи, то стремится к 0. 

    Второй  способ оценки нелинейных искажений (с помощью  формулы Вальтера)

    Ряд Вальтера показывает связь между  входным и выходным сигналами  сучетам нелинейности сигнала и  нечувствительностью к сдвигу.  

    На  вход подаётся сигнал много тональный.На выходе он измеряется и рассчитывается с помощью компьютерной обработки.Импульсная реакция (ядро) для сигнальной части системы - ; для нелинейной системы 1-го порядка - ; для нелинейной n-го порядка -

    По  этим импульсным реакциям считается  спектр когерентности – частотный  преобразователь Фурье, строят графики  АЧХ акустической системы для  разных порядков нелинейности. Если амплитуда  этого графика найдена как  точка, где одна частота положительна, а другая отрицательна, то речь идет об интермодуляционном искажении равном разности этих двух частот.

    Недостатки  этого метода: в трех мерном пространстве только можно исследовать нелинейные искажения 1-го порядка на графике.

    Современный метод оценки АЧХ называется NARMAX – теория нелинейных сетей. 

    Параметра акустической мощности акустической системы 

    Динамический  диапазон сигнала – разность между  максимальным и минимальным уровнем  звукового давления сигнала, выраженного  в Дб. Динамический диапазон АС- разность между минимальным и максимальным значением звукового давления, которое  может воспроизвести АС.

    ПИК фактором называется разность между  максимальным и минимальным между  уровнем сигнала.

    Уровни  аппаратуры

    Рояль – 103 дБ

    Микрафонный аркестр - 112 дБ

    Рок ансамбль - 128 дБ

    Условное  обозначение максимального звукового  давления SPL. Студийные агрегаты воспроизводят SPL 110 Дб, портальные концертные системы 125 Дб и выше. Мощности подводимые к таким системам составляют : для профессиональной аппаратуры 300 Вт и более, 100-300Вт для бытовой аппаратуры. Для такой мощность аппаратуры, нужно следить за согласованием акустической мощности системы(колонки) и акустической мощности усилителей.

    Существуют  разные виды мощности АС

  1. Характеристическая – эта мощность при которой АС обеспечивает заданный уровень звукового давления. Для hi-fi не менее 94 Дб на метр.
  2. Паспортная мощность PHC – мощность при которой АС, может работать на специальном шумовом сигнале длительное время без повреждений механических и тепловых. (Самый распространённый вид в паспорте)
  3. Максимальная синусоидальная мощность  обеспечивает возможность проведения измерений на синусоидального сигнала в течение часа.
  4. Кратковременная максимальная мощности.
  5. Долговременная максимальная мощности

      Кратковременная предназначена  для испытания аппаратуры при  включении на максимальном сигнале  – 60 раз по одной секунде  с интервалом в 1 минуту. В немецком  стандарте существует ее разновидность  – музыкальная. Долговременная – 10 испытаний по 1 мин, интервал 2 минуты.

    Для одной и той же АС, например характеристическая мощность 35 ват, Синусоидальная – 50, паспортная 90, долговременная – 100, кратковременная  – 150. Иногда производители выбирают в паспорте более высокое значение мощности из всех возможных в стандарте, чтобы заинтересовать потребителя. 

    ИМПЕДАНС  АС 

    Импеданс  – это зависимость полного электрического сопротивления от частоты акустического сигнала. 
 
 
 
 
 

               График 8

      Полное сопротивление состоит  из активного и индуктивного, и емкостного сопротивления. Все три вида сопротивления, особенно два последние, зависят от частоты передаваемого сигнала.

justify">    В последнее время появились дополнительные параметры Смолла-Тиля, для оценки импеданса и мощности в которые входят понятния 3-х видов добротности: полной, механической и электрической, т.е. осуществлена попытка учесть не только электрическое, но и механическое сопротивление АС.

    Несмотря  на большое колличество показателей  качества акустической системы, проврка  окончательного качества осуществляется субъективно (прослушиванием). 

    Эксплуатационные характеристика АС 

    Аппаратуру  проверяют на механическую прочность, тепло- и хладоустойчивость, влажность.

    Показатели  не заучивать (таблица 1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таблица 1. Эксплуатационные характеристики АС.

    

 

    Развитие  цифровых АС 

    В настоящее время большинство  АС электродинамические (КПД 1%). Параллельно создавались другие принципы АС. Альтернативой в 20 веке явились электростатическая АС (8-10 кВт), пьезоэлектрическая АС (с узкой полосой частот) и панели NXT.

    1980 г. – Белтелефонлэб – 1-ый цифровой акустический излучатель для телефонов. Электрод в форме диска с электретной пленкой делится на изолированные сегменты с площадью 20, 21…24 по числу разрядов (рисунок 1). Цифровой сигнал в виде прямоугольных импульсов возбуждает те сегменты, которые соответствуют значимости или пропорциональны рядам. 
 
 
 
 

                                                              Рисунок 1. Изолированные сегменты

    Фирма SONYи «Матушита» предложили разбить электроды на секции равной площади (у Sonyрадиально) и подключить их группами число которых зависит от разрядности сигнала.

    В 1982 г. Фирма Philipsи Sonyначали пытаться превращать электродинамические АС в цифровые. Преобразование сигнала головки осуществляется здесь с заменой единственной звуковой катушки, секционированными по числу битов кодированного сигнала (потентPhilips 1986 г.).

    В 2000 г. B&W (Англия) выпустили аналогичную установку.

    В 1993 г. Университет Шинсу (Япония) создали пьезоэлектрический цифровой громкоговоритель. В 1999 г. Его характеристики были: сигнал 16 битный, частота дискретизации 48 кГц, частотный диапазон 40Гц…10 кГц, коэффициент гармоник 3,5 на 50 Гц и 0,1 при 10 кГц, чувствительность 84 дБ, отклонение АЧХ 4 дБ, качество невысокое.

    2000 г. - B&W с брайтанским университетом начали создавать АС в виде плоской распределительной решетки из единичных отражателей, объединенных в группы в зависимости от разряда цифрового сигнала. Хельсинский университет совместно с фирмой сделал алгоритм действия этой решетки: оптимизация фаз и амплитуд сигнала и его направленность в любой полосе частот.

    2001 г. – l.limitedвместе с микропроцессорной компанией разработал цифровые акустические излучатели с характеристиками аппаратуры высокого класса. Если первые излучатели использовали бинарное кодирование, то в системе использовалось 256 отделений преобразователей. Процессор контролировал уровень звука АЧХ, комплексное искажение от декодирования и интерференции звуковых волн.

    Основное  преимущество цифровых АС - КПД10%.

    Законы  развития технических  систем, как основа формирования тенденции  в формирования аудио и видео технике

 

    Система – совокупность элементов, которая  обладает такими свойствами, какими не обладает каждый элемент в отдельности.

      Три группы законов технических систем:

  1. Законы жизнеспособности (из чего состоит и как согласуются элементы).
  2. В каком направлении развиваются.
  3. Каким образом развиваются (источник развития).

    Закон полноты частей системы(закон жизнеспособности)- система должна состоять как минимум из четырех обязательных элементов имеющих хотя бы минимальную работоспособность (рисунок 2):

    -двигатель

    -трансмиссия

    -рабочий  орган

    -орган  управления 

    

    Рисунок 2. Закон полноты частей системы

    Закон  энергетической работоспособности - сквозной проход энергии ко всем частям системы.Надо стремится использовать один вид энергии для всех процессов работы и управления. Совершенство управляемости производится по цепочке:

    гравитационное→механическое→тепловое→магнитное→ электрическое→электромагнитное.

    Закон согласования ритмикичастей системы условие жизнеспособности – согласование периодичности работы всех частей системы.

    Законы  развития и перехода внадсистему (рисунок 3):

    1. Цикл развития включает стадии:

       а. Медленное развитие (период внедрения в массовое производство).

    б. Быстрое развитие (период массового производства).

       в. Медленное развитие (основной технический показатель дошел до физического предела ограничений)

    2.Развитие системы, достигшее своего предела, может быть продолжена на уровне надсистемы (микрофон - диктофон).

    

    Рисунок 3. Законы развития и перехода внадсистему. 

    Закон вытеснения человека из ТС. Человек вытесняется сначала из низших иерархических уровней системы, например рабочего органа, трансмиссии, источника энергии двигателя,затем с уровня управления и с информационного уровня.

    Закон диномизации ТС. Жесткие системы для повышения их эффективности должны становится динамичными: переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы подстраивающееся к режиму окружающей среды(адаптивность).

    Тенденция развития:

    Один  шарнир→много шарниров→гибкое вещество→жидкость→газ→поле.

    Постоянное поле

    ↓

    Импульсное

    ↓

    Переменное ( 1ЦУГсерия, колебаний бесконечный)

    ↓

    Переменное  поле с изменением фазы, длинны волны, формы колебаний - эффект Доплера.

    ↓

    Переменное  поле с использованием физического эффекта (дифракции, интерференции, отражения, перемещения, сложения, комбинирований и т.д.)

    ↓

    Нелинейное  поле (использование градиента полей)

    Закон перехода на микроуровне.Рабочими частицами становятся молекулы, атомы, ионы, электроны и т.п., управляемые полями.

    Макроуровень  → поли система из детальной обобщенной формы → поли система из высокодисперсных элементов → система на над молекулярном уровне → система на молекулярном уровне → система на атомном уровне → система с использованием полей.

    Закон увеличения степени идеальности. Идеальная ТС – эта такая система, которой нет, а ее функция выполняются. Любая система в процессе развития стремится к идеальной. 

    Законы  источника развития технической системы 

    Закон неравномерности развития частей системы.Развитие частей системы идет неравномерно, чем сложнее система, тем неравномернее развитие частей.

    Педали  → увеличение скорости → опасность  падения → изобретение тормозов.

    Увеличение  скорости  → увеличение колеса →  введение передачи типа звездочки.

    Тряска  → появление резиновых шин.

    Закон увеличения степени випольноси.Невепольные системы стремятся випольными. В вепольных системах развитие идет путем увеличения числа связей между элементами повышения чувствительности элементов, увеличения количества элементов.

    Виполь - это минимально простая модель работоспособной технической системы. Рассматривание взаимодействие элементов системы как виполи, позволяют применять для устранения недостатков системы ряд правил:

  1. Синтез виполей.
  2. Разрушение виполей.
  3. Цепные виполи.
  4. Фепольные системы.

    Феполь  – это веполь где в качестве одного из элементов применен магниточувствительный материал, крупный порошок, магнитная жидкость и поле взаимодействия – магнитное.

    Теполь  – виполь в котором одно из веществ  чувствительно к тепловым полям  и хорошо взаимодействует с тепловым полем входящем в виполь. 

    Метод синектики - 4 вида аналогии 

  1. Природная.
  2. Эмпатия(личная аналогия).
  3. Метод фантастических аналогий (задача решается воображением мистических существ, которые выполняют требуемую функцию).
  4. Символическая (поэтическая аналогия) - используются идеи, генерируемые в сочетании прилагательного и существительного,имеющих противоположный смысл.
 
 

    Микрофоны 

    Микрофон  – это устройство, с помощью  которого акустические колебания воздушной  среды преобразуются в электрические  колебания. Микрофон состоит из чувствительного  элемента (капсюля) и согласующего устройства. Блок питания, предварительный усилитель  и соединительный кабель входят в  комплект микрофона, если они являются неотъемлемой частью и указаны в  технической документации на микрофон конкретного типа.

    В последних микрофонах:NeumanSolutio-D(первый цифровой микрофон) содержит АЦП и цифровой процессор для предварительной обработки звука.

    1876 г. – электромагнитный микрофон  Bellom.

    1878 г. – угольный микрофон Т.  Эдисон.

    30-е  годы – конденсаторные и электродинамические.

    1962 г. – электрические.

    2000 г. – цифровые микрофоны. 

    Классификация параметров микрофонов:

  1. Технические характеристики.
  2. Эстетические критерии.
  3. Надежность.
 

    Технические параметры микрофонов 

    Номинальный диапазон частот – это диапазон, в котором определяются параметры  микрофона (frequencyrange).

    Чувствительность  – это отношение напряжения на выходе к давлению на входе (sensitivity). 

    Классификация видов чувствительности:

  1. По помещению в котором производится измерение:
    1. По свободному полю.
    2. По диффузному полю.

      Свободное поле – это комната без звукового  отражения (поглощения).

                   Диффузное поле – это комната  с многократным отражением.

  1. По методу измерения:
    1. Метод замещения.
    2. Метод сравнения.

    Метод замещения заключается в установке  в будущееместо измерения до начала основного опыта маленького измерительного микрофона, чтобы измерить давление действующее потом в этой точке на настоящий микрофон. Затем настоящий микрофон ставиться в туже точку и на его выходе измеряется напряжение (рисунок 4). 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4. Метод замещения 

    Метод сравнения: в область измерения сразу помещают два микрофона. Перед настоящим ставиться маленький измерительный и сигнал от динамика достигает сразу двух микрофонов. С измерительного снимается значение давления в районе мембраны настоящего микрофона, а с настоящего микрофона снимается напряжение. Этот метод определяет чувствительность, названную чувствительностью по давлению, потому что искажается измерительным микрофоном звуковое поле, падающее на мембрану настоящего микрофона (рисунок 5). 
 
 
 
 
 
 

Нелинейные искажения акустической системы