Влияние нелинейных искажений на слуховое восприятие звука

1. Постановка задачи.

Известно, что нелинейные искажения сигнала, вносимые усилителем, есть следствия отклонения амплитудной характеристики Uвых = f(Uвх) всего тракта от линейной зависимости. Степень отклонения характеризуются общим коэффициентом гармоник (Кг), который приводится в паспорте на каждый промышленный усилитель. Принято считать, что меньшая величина общего Кг соответствует более качественному звуку. Однако с появлением высококачественных носителей записи и акустических систем, усилитель часто оказывается слабым звеном в общей цепи звуковоспроизводящего тракта, что ставит под сомнение последнее утверждение. Экспертная оценка качества звука нередко носит парадоксальный характер по отношению к величине общего Кг, особенно с возрождением ламповых усилителей в последние годы.

Наличие слухового биокомпрессора позволяет в определенной степени раскрыть указанный парадокс и дать сравнительную оценку субъективного ощущения различных по природе нелинейных искажений.

2. Субъективная оценка и количественный анализ различного рода искажений.

По данным многочисленных субъективных экспертиз наиболее ощутимыми на слух являются искажения типа «ступенька», возникающие при переходе сигнала через «ноль». {Данный тип искажения известен давно и вызван нелинейностью в начале ВАХ активных элементов (электровакуумных триодов и транзисторов). «Ступенька» приводит к снижению di/dt (скорость изменения выходного тока) вплоть до нуля, в то время как эта величина в точке перехода через ноль должна иметь максимум. Известно, что для устранения «ступеньки» достаточно вывести рабочую точку на линейный участок ВАХ. С дальнейшим совершенствованием звуковоспроизводящего тракта выяснилось, что нелинейность в начале ВАХ , влияющая на качество звука (с существенно меньшей «ступенькой»), присуща не только активным, но и другим элементом схемы на пути прохождения сигнала, контактным и разъемным соединениям и даже проводникам.}

Напротив, самыми малоощутимыми являются искажения, вызванные ограничением амплитуды сигнала напряжением источника питания (эффект клиппирования). Обычно это проявляется при максимальной выходной мощности усилителя.

^Нажмите для увеличения^

^Нажмите для увеличения^

Рис. 1

На рис. 1 показано ограничение амплитуды сигнала U (график 1) напряжением Е источника питания (график 2). Из рис. 1 видно, что характер перехода функции из графика 1 в график 2 схож с ограничением чувствительности слуха, с ростом акустической мощности. Таким образом, ограничение электрического сигнала большой амплитуды соответствует естественному процессу компрессии органам слуха, и, поэтому, искажения малоощутимы. Очевидно, что эти искажения соответствуют гармоникам низших порядков, уровень которых в пересчете на общий Кг (среднеквадратичное значение) не ощутим при

^Нажмите для увеличения^ 2% для экспертов и при ^Нажмите для увеличения^ 7 % для большинства слушателей.

Проведем приблизительную оценку ощутимости данных искажений для посредственного слуха с разрешающей способностью 1 дБ, что соответствует 1,122 — кратному приращению уровню сигнала. Приняв за 1 дБ интервал Umax-E получаем:

^Нажмите для увеличения^ , что хорошо согласуется с данными экспертиз.

Теперь приведем приблизительную оценку ощутимости искажений типа «ступенька» и сопоставим полученные результаты.

Известно, что динамический диапазон большого хора достигает 100 дБ и более, что соответствует 100000 -кратному изменению уровня громкости. Для слуха с той же разрешающей способностью (1 дБ), пренебрегая другими искажениями, получаем:

^Нажмите для увеличения^ , что, в частности, объясняет, почему транзисторные двухтактные усилители в классе АВ и тем более В с Кг на уровне тысячных долей процента не устраивают аудиофилов (с разрешающей способностью слуха существенно менее 1дБ).

Таким образом, слуховой биокомпрессор способствует равному ощущению искажений различной природы, при огромном различии их Кг. Следует заметить, что «ступенька» соответствует наличию в спектре сигнала гармоник высших порядков, причем, чем меньше временной интервал «ступеньки», тем выше гармоники и шире их спектр.

3. Заключение.

Из проведенного анализа действия на слух нелинейных искажений различной природы, с учетом наличия слухового биокомпрессора вытекают следующие выводы:
— величина общего Кг не отражает в полной мере качество усилителя (необходимо учитывать весовые коэффициенты составляющих спектра гармоник);
— при проектировании высококачественных усилителей необходимо уделять особое внимание снижению искажений типа «ступенька»;
— с целью снижения величины общего Кг нецелесообразно компенсировать четные гармоники, тем самым «оголяя» нечетные гармоники в спектре, делая их ещё ощутимее.

Гришин В. А.