максимальная чувствительность обнаруживается на средних частотах 500–5000 Гц и составляет 10̊.

Переходные искажения — это всякие искажения, которые возникают при воспроизведении сигналов прямоугольной формы. Выше было показано, что для сохранения тембра и, следовательно, для идентификации звучания музыкальных инструментов, вокала и речи необходимы неискаж нные процессы передачи нарастания фронта и затухания сигнала. Для измерения переходных процессов чаще всего используют пакеты тональных сигналов, поскольку различное частотное заполнение пакета позволяет оценить вклад отдельных частот в переходный процесс. В настоящее время установленные нормы на переходные искажения отсутствуют. В АС для оценки переходных искажений чаще всего используют частотно-зависимую разницу уровней среднеквадратичного звукового давления переходного процесса в паузе между импульсами и время установления τ(t). Субъективные экспертизы позволили рекомендовать норму

для разницы звукового давления — 20 дБ и установить пороги для τ(t) при ис-

ность восприятия τ(t) была практически одинакова, для реальных музыкальных сигналов τ(t) должно быть больше.

2.5.2. Нелинейные искажения

Как следует из названия, эти искажения появляются при прохождении сигнала через нелинейный тракт, в котором отсутствует пропорциональность между параметрами входного и выходного сигналов. Вследствие этого такие нелинейные системы не подчиняются принципу суперпозиции — независимого сложения колебаний. Если на вход такой системы подать сигнал с мгновенным значением U1(t), то мгновенное значение U2 (t) выходного сигнала можно пред-

ставить в виде нелинейной функции U1(t) в тот же момент времени

где a1,a2... — коэффициенты пропорциональности.

Если входной сигнал представляет собой сумму двух синусоидальных колебаний с частотами f и f2 , то спектр выходного сигнала в общем случае

содержит постоянную составляющую, зависящую от членов четных степеней (2.22); составляющие с частотами f1 и f2 , повторяющие спектр входного сиг-

нала; гармоники основных колебаний с частотами f1 и f2 четные и нечетные; комбинационные колебания второго порядка с частотами f2 ± f1 , третьего порядка f2 ± 2f1, f1 ± 2f2 и более высоких порядков.

32

Таким образом, в результате нелинейных искажений сигнала его спектр претерпевает значительные изменения, проявляющиеся в появлении результатов нелинейности — гармоник и комбинационных колебаний, отсутствующих в спектре входного сигнала. Слух особенно чувствителен к искажению тембра, вызванного комбинационными колебаниями с частотами fк = nf1 ± mf2 , где n и

m — целые числа, сумма которых определяет порядок комбинационного колебания. Они диссонируют с основными колебаниями с частотами f1 и f2 и на

слух воспринимаются как «хрипы» и «дребезг».

Различают нелинейные искажения, связанные с амплитудным ограничением сигналов сверху и снизу (рис. 2.7) [7].

Рис. 2.7. Амплитудное ограничение сигналов: а) сверху; б) снизу (центральное)

Амплитудное ограничение сверху воспринимается слабее, а при центральном ограничении — сильнее, по сравнению со степенными искажениями.

Слух слабее воспринимает несимметричные искажения, которые наблюдаются при нечетных степенях (2.22), когда наибольшей амплитудой обладает вторая гармоника, так как она находится в октаве с основной частотой. Симметричные искажения получаются для четных степеней, они сильнее заметны так как третья гармоника оказывается очень большой и оказывается в квинте с основной. Заметность искажений снижается при сужении воспроизводимой полосы частот, это объясняется тем, что некоторые гармоники и комбинационные колебания не попадают в частотный диапазон.

Как правило, нелинейные искажения наиболее велики на низких частотах, поэтому нормы на них вводятся для нескольких диапазонов частот. С увеличением уровня сигнала нелинейные искажения растут, поэтому норму на них у с- танавливают для средних и пиковых уровней.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или Кf) оценивается по формуле:

33

где хm1 — амплитуда составляющей основного тона; хmk — амплитуды второй, третьей и т.д. гармоник.

Интермодуляционные искажения как и общие гармонические возникают из-за нелинейности тракта, являются разновидностью комбинационных колебаний. Этот вид искажений является модуляционным продуктом двух или более сигналов, проходящих через тракт одновременно. Они являются диссонирующими, и поэтому более заметны на слух по сравнению с общими гармоническими искажениями. Если на вход тракта поданы два сигнала с частотами f1

и f2 , то в случае интермодуляционных искажений на выходе появятся комби-

национные составляющие с суммарными и разностными составляющими с час-

тотами f2 ±(n−1) f1 , где n = 2,3 и т.д.

Коэффициент интермодуляционных искажений определяется по фор-

муле:

— амплитуда составляющей с частотой .

Частотно-разностные искажения являются разновидностью интермодуляционных, они определяются только по разностным спектральным компонентам при подаче на вход сигналов с близкими частотами. Оценка частотноразностных искажений более информативна по сравнению с гармоническими, поскольку двухтоновый сигнал ближе к реальному музыкальному сигналу. Кроме того, такие искажения могут измеряться в более широком частотном диапазоне и более точно оценивать нелинейность тракта, поскольку число компонент и их уровень выше при заданной нелинейности.

Существует ещ один вид нелинейных искажений, появляющихся из-за эффекта Доплера. Они, например, возникают при воспроизведении громкоговорителем широкополосного сигнала и проявляются в виде частотной модуляции средне- и высокочастотной составляющих НЧ сигналом ими в многополосных АС при модуляции сигнала ВЧ-излучателя излучением НЧ громкоговорителя из-за дифракции или вибрации корпуса АС. Такие искажения называются

частотно-модулированными искажениями, для них, как и для интермодуляци-

онных, характерно появление тонов с комбинационными частотами, оцениваются они также аналогично (2.24).

2.5.3. Искажения динамического и частотного диапазонов

Из данных раздела 2.2 следует, что для неискаженной передачи сигналов динамический диапазон тракта и, следовательно, АС, должен составить более 120 дБ. Если передаваемый через тракт сигнал имеет широкий динамический

34

диапазон, а возможности канала ограничены, то сигнал искусственно сжимают на входе такта. Для неискаж нной передачи, на выходе динамический диапазон следовало бы также искусственно расширить, что не всегда адекватно возможно, поскольку неизвестно, на сколько был сжат этот диапазон на входе. Кроме того, попытка расширить диапазон (применением экспандеров) усложняет аппаратуру и приводит к появлению других искажений.

Для характеристики способности АС к воспроизведению пиковых уровней без искажений, а, следовательно, для расширения динамического диапазона вводится параметр — максимальный уровень звукового давления SPL.

Для реализации параметров современных цифровых форматов SPL АC должен достигать 125 дБ, что требует применение усилителей с выходной мощностью более 300 Вт и, соответственно, головок громкоговорителей (ГГ), способных выдерживать такие мощности без механических и тепловых повреждений. Создание таких АС на сегодня является весьма актуальной проблемой.

Субъективные исследования показали высокую чувствительность слуха к восприятию искажений динамического диапазона, поэтому снижение этих искажений является важной задачей

Если звуковоспроизводящий тракт не пропускает весь частотный диапазон передаваемых сигналов, говорят об ограничении частотного диапазона, что тоже является искажениями.

2.5.4. Другие виды искажений

Остановимся кратко на некоторых других видах искажений акустических сигналов. При передаче информации, закодированной в акустическом сигнале по одному каналу, на выходе теряется ощущение глубины, пространства и объма сцены, т.е. происходит потеря акустической перспективы. Это происходит несмотря на наличие нескольких разнес нных микрофонов и источников звука на входе тракта. Решением проблемы является применение многоканальных систем передачи информации, например, двухканальной — стереофони-

ческой или систем 5.1, 5.2, 7.1 и 7.2 для профессионального или домашнего кинотеатров.

Смещение уровней. В случае, когда в передаваемых сигналах отсутствуют данные об их абсолютных уровнях и спектрах, невозможно корректно выставить уровни выходных сигналов. Это может происходить из-за недостаточной мощности усилителей, отсутствия коррекции АЧХ или отсутствия алгоритма такой коррекции, из-за акустических характеристик помещений прослушивания. В результате изменяются соотношения между громкостью различных частотных составляющих сигналов. Повышение уровня выходных сигналов по отношению к уровню входных субъективно воспринимается как подч ркивание низких частот, понижение — как их «недостаток».

Шумы и помехи почти всегда присутствуют и накладываются на полезный сигнал, маскируя и искажая его, прич м как в месте возникновения пер-

35

вичного сигнала — студии, концертные залы, так и в при мных местах — комнаты и залы прослушивания. Шумы и помехи могут иметь как электрическую, так и акустическую природу. Если шумы относятся к «гладким», т.е. имеют пик-фактор, не превышающий 6 дБ, то они сдвигают порог слышимости, который не зависит от времени. К этим шумам относятся различные флуктуационные шумы, например шумы дробового эффекта, речевые шумы от нескольких голосов. Импульсные шумы изменяют порог слышимости во времени в зависимости от пик-фактора и длительности импульсов. Импульсные шумы не только маскируют полезный сигнал, но и искажают его, создавая комбинационные частоты шума и сигнала.

Кроме этих помех, приходится иногда учитывать помехи от самомаскировки речи, т.е. маскировку слабых звуков, следующих за громкими.

Для устранения акустических шумов следует устранять их источники или радикально ослаблять. Самое главное — учитывать многочисленные, непростые и недеш вые требования к акустическим характеристикам передающих теле- и радиостудий, студий звукозаписи, концертных залов и даже квартир

[1–4, 6–8].

Автопараметрические искажения возникают, когда при определенных условиях сигнал с частотой, кратной одной из собственных частот системы, может возбудить соответствующее собственное колебание, частота которого в целое число раз меньше частоты сигнала.

Колебания дробной частоты называются субгармониками, они являются искажениями, поскольку отсутствуют в спектре входного сигнала, но возбуждаются в выходном спектре из-за параметрического резонанса. Также искажения наблюдаются в электродинамических ГГ: при продольных колебаниях звуковой катушки в зазоре магнитной системы и связанного с ней диффузора, в последнем возбуждаются поперечные колебания с частотой, равной половине частоты продольных колебаний.

Если фазовый угол ϕ комплексной передаточной функции линейной сис-

темы (2.14) периодически меняются во времени, то входной гармонический сигнал подвергается фазовой модуляции. В результате в спектре выходного сигнала помимо составляющей с частотой входного сигнала будут содержаться боковые гармоники, которые являются продуктами искажений, называемые

детонацией.

Примером таких искажений является фазовая модуляция сигнала, вызываемая колебаниями скорости транспорта записывающего или воспроизводящего устройства. При медленных колебаниях скорости детонация воспринимается как модуляция высоты воспроизводимого звука («плавание»).

Детонационные искажения оцениваются по глубине модуляции скорости носителя [1–8,10]

m = ∆υυмакс 100%.

36