Опубликовано: 21.06.2020  
nelinejnye-iskazheniya

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения, как показывает само название, это искажения, которые возникают при прохождении сигнала через нелинейную систему. Рассмотрим что они из себя представляют, их физическую природу, как они себя ведут в реальных условиях, как их измеряют.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на выходе этой цепи и на ее входе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного или, иными словами, коэффициент передачи цепи меняет свою величину в зависимости от уровня сигнала, подаваемого на вход устройства. Рисунок ниже поясняет это явление.

nelinejnye-iskazheniya-1

Нелинейные искажения при малой их величине изменяют тембр звучания, затрудняют раздельное восприятие звуков инструментов и голосов. При более сильных нелинейных искажениях появляются неприятные хрипы и дребезжание.

 

Нелинейные искажения. Физическая природа.

Физическая сущность нелинейных искажений может быть наглядно, объяснена при переходе к спектральному представлению сигнала, как совокупности частот. Например, при подаче «чистого» синусоидального тона на элемент схемы, имеющий нелинейную характеристику, на его выходе появляются отсутствовавшие на входе высшие гармоники, т. е. колебания с частотами, в целое число раз большими, чем частота основного колебания. Эти гармоники складываются с основным, «чистым» тоном, меняют его форму и придают звучанию новый тембр, как видно из ниже.

nelinejnye-iskazheniya-2

Еще более неприятным следствием нелинейности являются появление комбинационных частот. Они возникают, когда на вход нелинейной системы подается не одно, а два или несколько синусоидальных колебаний. Тогда на выходе, кроме образующихся гармоник всех проходящих колебаний, появляются, в результате, так называемых «биений«, комбинационные частоты, равные суммам и разностям всех близких друг к другу частот.

Например, если на вход устройства, имеющего нелинейную характеристику передачи, поданы колебания двух частот: f ¹= 1000 Гц и f ² = 1100 Гц, то на его выходе можно обнаружить дополнительно:

  • высшие гармоники частот f ¹ и f ², т. е. 2 f ¹= 2000 Гц и 3 f ¹ = 3000 Гц и т. д., а кроме того, 2 f ² = 2200 Гц, 3 f ² = 3300 Гц и т. д.;
  • простые комбинационные частоты, равные f ¹ + f ² = 2100 Гц и f ¹f ² = 100 Гц, а также сложные комбинационные частоты, возникшие в результате биения гармоник с основными частотами и друг с другом 2 f ¹ + f ² = 2000 + 1100 = 3100 Гц; 2 f ¹f ² = 2000- 1100 = 900 Гц и т .д.

Итак, при подаче ряда колебаний на вход усилителя, имеющего нелинейную характеристику, на его выходе, вследствие нелинейных искажений, появится много паразитных колебаний — гармоник и комбинационных тонов. Эти колебания, заполняя весь спектр слышимых частот, могут заметно исказить или полностью нарушить звуковую картину. При том, с точки зрения субъективного восприятия нелинейных искажений, наиболее отрицательную роль играют комбинационные частоты (особенно разностные).

 

Нелинейные искажения в реальных условиях.

В реальных условиях при передаче музыки или человеческого голоса на вход усилителя подаются колебания (сложного частотного состава) уже содержащие гармоники. Поэтому появление новых гармоник как результата нелинейности системы, хоть в известной мере и изменяет тембр звучания, но не воспринимается столь неприятно, как появление комбинационных тонов, ранее в сигнале отсутствовавших и впервые появившихся в процессе передачи. Именно они воспринимаются слушателем в виде заметных искажений. Нелинейные искажения на слух практически мало заметны, если коэффициент гармоник не превышает 2-3%.

 

Способ измерения нелинейных искажений

Нелинейные искажения — явление, в общем, сложное и не однозначное, его числовое описание затруднено и даже иногда не возможно.

На практике коэффициент нелинейных искажений определяют по отношению к каким-либо чистым тонам. В этом случае коэффициентом нелинейных искажений цепи или устройства называют выраженное в процентах отношение суммарного напряжения всех высших гармоник (или комбинационных частот) на его выходе к напряжению основного колебания. В первом случае это отношение называют коэффициентом гармоник, а во втором — коэффициентом комбинационных частот.

Наиболее употребительным способом измерения нелинейных искажений является определение коэффициента гармоник с помощью схемы:

nelinejnye-iskazheniya-3

Для этого на вход испытуемого устройства (например, усилителя) подается от звукового генератора синусоидальное напряжение с определенной частотой f и измеряют величину его напряжения на выходе усилителя U вых. Затем включают на выходе усилителя специальный фильтр, который подавляет основное колебание, но хорошо пропускает все колебания с более высокими частотами. Вольтметр, подключенный на выход фильтра, регистрирует напряжение, создаваемое гармониками, вновь появившимися из-за нелинейности усилителя. Отношение напряжения этих гармоник к напряжению основного сигнала и есть мера нелинейных искажений.

Строго говоря, первоначально измеренное выходное напряжение не точно соответствует напряжению основного сигнала в чистом виде, так как оно содержит и напряжение гармоник. Но их величина, во всех встречающихся на практике случаях, столь мала по сравнению с основным колебанием, что мы можем этой разницей пренебречь и с  достаточной точностью вычислить коэффициент нелинейных искажений по формуле:

К f % = U г / U вых 100%.

Так как при одной передаваемой частоте комбинационные тона отсутствуют и поэтому не учитываются, этот коэффициент не точно соответствует полному коэффициенту нелинейных искажений. Но для практических целей, зная его величину, можно достаточно определенно судить о степени нелинейности усилителя.

 

Возникновение нелинейных искажений

Нелинейные искажения могут возникнуть при неисправностях усилителей (нарушениях нормальных режимов работы его усилительных элементов), а также при перегрузках, когда на вход устройства подаются напряжения, превышающие расчетные. В этих случаях основной причиной возникновения нелинейных искажений в усилителях является работа на криволинейных участках характеристик электронных ламп или транзисторов, а в трансформаторах — нелинейная зависимость магнитной индукции в сердечнике трансформатора от тока в его первичной обмотке. Часто источником нелинейных искажений может оказаться магнитофонная лента.

Подписывайтесь на RSS блога и следите за новыми статьями New Style Sound. Что такое RSS (читать).

Похожие записи

 
 

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.