Макеев Леонид Александрович : другие произведения.

Интермодуляционные искажения в электроакустике

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Теория и практика: способ уменьшения ИМИ.


Интермодуляционные искажения в электроакустике.

Теория и практика: способ уменьшения ИМИ.

  
   Пролог
  
   Очень часто при выборе усилителей, мониторов и пр. мы руководствуемся такими их характеристиками, как мощность, амплитудно-частотная характеристика и т.д. Более опытные пользователи интересуются коэффициентом гармонических искажений. В то же время мало кто интересуется характеристикой интермодуляционных искажений, хотя их пагубное воздействие на восприятие прибора может быть во много раз сильнее, чем гармонических искажений. Кроме того, интермодуляционные искажения очень трудно измерить и определить. Об этом и пойдёт речь ниже.
   "Интермодуляционные искажения - неуловимый враг."
Филип Ньюэлл. Перевод Александра Кравченко
   http://www.forums.mixgalaxy.ru/viewtopic.php?t=30061
  
   1. Теория
  
Выдержки из упомянутой статьи. Скучно, но желательно.
  
"Во многих публикациях неоднократно упоминалось о том, что между точными цифровыми значениями гармонических искажений и субъективно воспринимаемым качеством звучания практически не существует никакого прямого соответствия - по крайней мере, ниже определённого порога, который находится на удивление высоко. В своей книге "Воспроизведение звука" Гилберт Бриггс (Gilbert Briggs) начинает главу, которая посвящается интермодуляционным искажениям, словами Милтона (Milton): "Ужасен был шум битвы..." Может быть, что в этом и заключается причина того, что объективные измерения гармонических искажений удручающе плохо соотносятся с их субъективным восприятием.
   Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют такие частоты, которые изначально отсутствовали во входном сигнале.

Например, если взять волну синусо
идальной формы, то вследствие привносимых нелинейных искажений её форма изменяется, становится другой, и синусоидальный сигнал какой-то определённой частоты в результате этих искажений начинает содержать также сигналы других частот. Другими словами, если форма колебания не синусоидальна, значит, в его составе обязательно есть ещё какие-то иные частоты.

Если с помощью спектроанализатора просмотреть получаемый в итоге выходной сигнал с клиппирующего усилителя, мы увидим гармоники, частота которых в 2 раза, 3 раза, 4 раза и так далее выше основной частоты волны синусоидальной формы. Точно таким же образом прогрессирующая нелинейность громкоговорителей создаёт другие (возможно более утончённые и менее заметные) искажения, которые постепенно нарастают по мере увеличения громкости. Однако музыкальные сигналы не являются синусоидальными. Они содержат одновременно большое количество разных частот, и степень их присутствия в сигнале постоянно изменяется во времени.

Когда сигнал, состоящий из двух частот, подаётся на вход усилителя с не очень линейной характеристикой, это приведёт к генерированию гармоник (обертонов) не только от этих двух частот (гармонические искажения), но также и от частот, являющихся их математической суммой и математической разницей (интермодуляционные искажения).

Например, если у нас есть сигнал, состоящий из двух частот - 1000Hz и 1100Hz, - то на выходе усилителя будут также генерироваться сигналы частотой 2100Hz (1000Hz плюс 1100Hz) и частотой 100Hz (1100Hz минус 1000Hz). Причём это лишь производные гармоники первого порядка. Если же мы берём две частоты, которые отстоят друг от друга на квинту - например, сигналы частотой 1000Hz и 1500Hz, - то первыми парами гармонических искажений будут сигналы на частотах 2000Hz и 3000Hz (гармоники второго порядка), а также сигналы на частотах в 3000Hz и 4500Hz (гармоники третьего порядка). Относительно сигнала частотой 1000Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно октавой, квинтой через октаву (дуодецимой - А.К.), и секундой через две октавы (ноной через октаву - А.К.). Относительно сигнала частотой 1500Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно квартой, октавой и квинтой через октаву (дуодецимой - А.К.). Таким образом, производные гармоники обеих частот в музыкальном смысле соотносятся с обоими основными тонами. Это не удивительно, потому что все музыкальные инструменты создают естественные гармоники (обертоны).

Теперь, если мы рассмотрим интермодуляционные составляющие, то они будут представлять собой на просто генерирование сигналов с увеличением частот в определённое количество раз (что, собственно, и является обертонами), а генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью частот генерируемых обертонов, например: f1 + f2, f1 - f2, 2*f1 - f2, 2*f2 + f1, и т.д. Эти комбинации могут производить интермодуляционные частоты, которые в музыкальном смысле не всегда соотносятся с основными частотами.
  
Более того, когда создаётся или воспроизводится комплексный музыкальный сигнал, то сложное спектральное распределение результатов интермодуляции не только не способствует обогащению гармонической структуры музыки (как это происходит за счёт проявления гармонических искажений, по крайней мере, гармоник-обертонов низших порядков), но и всё больше начинает напоминать обычное добавление шума."
  
   Теперь мои измышления.
  
   От себя добавлю: выше приведённые сгенерированные интермодуляционные частоты в свою очередь по тем же законам генерируют ИМ частоты между собой второго порядка (а потом и третьего, четвёртого и т.д.). Да, вторичные ИМ частоты будут значительно меньшей амплитуды, но они там будут. И они уже никак не будут привязаны к исходному музыкальному сигналу. Это будут хаотичные электрические сигналы во все века называемые ШУМОМ, плотность и заметность которого будет увеличиваться с повышением частоты. Громкость шумов ИМИ будет увеличиваться пропорционально громкости, и пропорционально квадрату спектральной сложности музона (хоровое пение, скрипичный концерт, тяжёлый рок и т.п. спектрально плотная музыка.
  

0x01 graphic

  

Взято из Инета. Интермодуляця усилка: два синуса 19 и 20 кГц по уровню -12дб.

  
   В сложном музыкальном сигнале уровень ИМ шумов может достигать - 40дб от уровня собственно музыки. Минус 40дб - это шум магнитной ленты в кассетном магнитофоне без шумодава. Вот ни хрена се... Музыкальный сигнал получается промодулирован шумами ИМИ, отфильтровать которые невозможно: они уже часть сигнала.
   На слух это проявляется интересно. Муз. сигнал даёт ИМИ по всему слышимому диапазону, но на слух ИМИ в основном кучкуются на ВЧ с заходом в СЧ. Высокие как бы замыливаются, посипывают что ли, а Средние теряют детализацию, поэтому хочется тембром добавить ВЧ. Но при увеличении громкости ВЧ увеличивается и громкость ИМИ. Результат плачевный: прозрачности и детализации звука не наступает. Более того при увеличении мощности сами динамики начинают увеличивать собственные ИМИ. Всё, жопа. И самая толстая жопа в интегральных усилках, потому как их нечётные гармоники наиболее заметны и неприятны, больше грязи в звуке дают.
   Интересный момент: чем выше порядок нечётной гармоники, тем меньше её амплитуда, и это казалось бы хорошо. Беда в том, что чувствительность наших ушей к высокопорядочным гармоникам возрастает в разы. :((
  
   Тут я хочу сделать отступление.
   Всё, что мы рассматривали выше, касаемо ИМИ, это ИМИ электронного тракта, усилителя. Усилители бывают разные: ламповые и интегральные. И звучат по разному. В ламповых преобладают чётные гармоники созвучные муз. сигналу и слух не режут. Чётные гармоники также создают ИМИ, но эти ИМИ синхронны с муз. сигналом и не воспринимаются ухом, как мешающий фоновый шум. Звук получается детальным и ВЧ достаточно.
   Интегральные же усилители склонны к нечётным гармоникам, которые для слуха неестественны, раздражают. Сами эти гармоники дают вторичные ИМИ не созвучные с музоном. ИМИ от нечётных гармоник (вторая производная от ИМИ) антимузыкальны, какафоничны (читай выше про жопу).
  
   2. Практика. Уменьшение ИМИ подручными средствами.
  
   Сначала, конечно теория, моя теория.
   1. ИМИ возникают от смешения 2-х и более синусных сигналов - это аксиома.
   Но по моему скудному мышлению достаточно и одного синуса. Роль второго сигнала выполняют собственные шумы усилителя. Да, амплитуда ИМИ будет очень мала, зато они будут срать по всему диапазону.
   2. ИМИ генерируются в обе стороны от сигнала, как в сторону ВЧ, так и в НЧ. Это тоже доказано.
   Допустим есть несколько сигналов близких к порогу слышимости 20 кГц (см. осциллограмму в начале). Мне плевать, что ИМИ будут выше 20к, но ведь с ультразвука они полезут и в слышимый диапазон, и густо полезут. Мало того все шумы выше 20кгц тоже будут давать ИМИ в слышимый диапазон. Две частоты в ультразвуке 22кгц и 32кгц дают ИМИ на 10кгц и ещё кучку мелких.
  
   Например.
   У меня в тракте стоит старенькая, но добротная К174УН10А, электронные тембра. У неё полоса аж до 1 МГц. При номинальном выходе 100мв шумы 1,2мв, то есть уровень шумов -39дб при паспортных данных -66дб. Ни в какие ворота. Да, я их не слышу, но при смешении муз. сигнала (100мв) с таким большим уровнем шумов (1,2мв) возникает множество ИМИ, в том числе в слышимом диапазоне. Кроме того в полосе 1мгц в УМ будут пролезать все дефекты входного сигнала и ООС предыдущих каскадов и на выходе будет хрен чего грязи. Мне такое ни к чему. Нашёл местечко во внешних цепях микросхемы, поставил пару кондёров 300пф, ограничил полосу до 35кгц. Шумов стало в 30 (!) раз меньше, 40мкв, то бишь - 68дб.
  
   Щас я объясню смысл этого действия.
   В настоящее время все интегральные УМ проектируются с полосой в мегагерцы и скоростью нарастания вых. напряжения в сотни вольт/мксек. Ну, дабы ООС успевала обрабатывать всё-всё-всё (в том числе искажения в исходном сигнале плюс искажения в предварительном тракте). Ну, типа, звук будет лучше, чище. В принципе неплохо получается, слушать можно, только оно либо шибко дорого, либо много возни в самоделках. Ну да не хай. Усилок у меня интегральный, старенький, переделывать лень, я пошел другим путём.
  
   Все любители качественного звуковоспроизведения делятся на две категории:
   приверженцы лампового звука и полупроводникового, интегрального. Ламповый звук лучше, приятнее, интегральщикам крыть не чем и они обвиняют ламповые УМ в больших искажениях. Да, лампы дают многократно больше искажений, но дело в том, что нормальный человек слушает музон, а не разглядывает осциллограмму ИМ искажений. А лампа звучит лучше, приятнее.
   Лампа даёт другие искажения, чем транзистор, но я не об этом.
   АЧХ ламповых УМ 30-20000гц (а то и меньше) по уровню -3дб и никто не делает её шире, до мегагерц. В ламповых УМ просто нет такого параметра: скорость нарастания вых. напряжения, это абсурд. А звучит хорошо, сволочь.
  
   Вот я и сделал АЧХ сквозного тракта усилка 20-20кгц. Каждый каскад, начиная от входных цепей и кончая выходом УМ завалил до 30-35кгц. (до того полоса УМ была 120кгц). В УМ получил скорость нарастания 4 в/мксек при выходе 18 вольт. 4 в/мксек, Карл!! Собственно я тупо вырезал всё, что может способствовать возникновению ИМИ, но без ухудшения АЧХ.
   Не скажу, что получил ламповый звук, но детальность повысилась. И, что интересно, рука не тянется добавить ВЧ тембрами, мне и так достаточно. Получилось не хуже, чем в дорогих навороченных интегральных усилках.
   А всех и затрат: несколько копеечных кондёров с умом поставленных.
   Извиняюсь, аппаратные замеры не делал по причине лени. Кому интересно делайте, в комментах отпишитесь. Я пользуюсь методом Страдивари: звучит чище и красиво - значит сделано правильно.
  
   Примечание.
   Вообще само название ИМИ - интермодуляционные искажения - мне кажется неверным. Это не искажения, как таковые, это результат ГЕНЕРАЦИИ новых сигналов на базе исходного сигнала при определённых условиях и по определённым законам. Для этого должно быть некое устройство (усилок, динамик или др.), способное к генерации таких сигналов. То, что я проделал, это просто снижение способности усилка к генерации ИМИ.
   Кстати, такая генерация не всегда плохо. В кварцевых генераторах частотЫ не всегда используется частота основного резонанса, чаще выбирается одна из "паразитных" гармоник.
  
   И напоследок.
   Кроме усилка в силу своих электромеханических особенностей динамики дают собственные ИМИ, весьма значительные и добавляют их в звук к усилку. Особливо этим грешат пищалки, а так же СЧ и широкополосники. Но тут уж ничего не поделаешь, только замена динамика с предварительными замерами ИМИ и с прослушиванием.
  
   Желаю всем кайфового звука!
  
  
   Август, 2022г., Екатеринбург.
  
  

 Ваша оценка:

Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"