Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Попробуем сделать последний, третий шаг — построить график отклонения (В), который покажет, как колеблется диффузор, в какую сторону и насколько он отклоняется в тот или иной момент. Последовательность построения такова: выбираем какой-либо момент времени на графике отклонений (например, 0,01 сек); берем такой же момент времени на графике тока; находим для этого момента времени величину тока (+ 2 а); по характеристике громкоговорителя находим соответствующее этому току отклонение диффузора (1 мм); переносим найденную величину на график отклонений и делаем отметку против выбранного значения времени (0,01 сек).
Сделав достаточно большое количество таких построений, мы и получим график отклонений диффузора. Подобные тройные графики часто строят на основе характеристики электронной лампы, полупроводникового прибора, трансформатора и т. д.
График для первого периода, то есть до момента 0,04 сек, показывает, что если громкоговоритель работает на линейном участке амплитудной характеристики, то отклонение и ток имеют одинаковую форму кривой, а значит, и одинаковый спектральный состав.
Совсем иначе обстоит дело, если переменный ток выходит на нелинейный участок характеристики (амплитуда тока более 2 а). В этом случае (во время второго периода колебаний, от 0,04 до 0,08 сек) прямая пропорция между отклонением диффузора и током в катушке нарушается, верхушки графика отклонения получаются приплюснутыми, форма кривой изменяется и в спектре появляются новые составляющие.
Появление этих новых составляющих (в нашем случае это гармоники с частотой 2f, 3f и т. д.) является следствием нелинейности характеристики (в нашем случае — характеристики громкоговорителя) и называется нелинейным искажением сигнала (в нашем случае — звука). Если бы характеристика была линейной, то форма кривой не была бы искажена и в спектре не оказалось бы посторонних составляющих.
В заключение нам остается договориться о количественной оценке — ввести коэффициент нелинейных искажений Кн.и. Этот коэффициент (иногда его называют «клирфактор» — показатель ясности — и обозначают Кf) показывает, насколько сильны новые, появившиеся в результате искажений составляющие, сколько процентов общей мощности приходится на их долю. Вот как подсчитывается этот коэффициент:
Существуют приборы, которые, анализируя спектр на входе и на выходе какого-либо устройства, могут очень точно измерить коэффициент нелинейных искажений. Предварительно отметим, что при воспроизведении музыки ухо обычно замечает нелинейные искажения уже начиная от 4–7 %. При больших значениях Кн.и нелинейные искажения заметны сильнее. Они меняют тембр звука, создают посторонние призвуки и неприятное хрипение (рис. 17). Особенно неприятны нелинейные искажения, когда, кроме гармоник (их частота кратна основной), появляются составляющие с комбинационными частотами.
Рис. 17. В результате нелинейных искажений звук становится хриплым, дребезжащим, загрязненным посторонними призвуками.
Как видите, нам пришлось провести большую подготовительную работу и затратить довольно много времени, чтобы пояснить, что такое нелинейные искажения. О том, что такое частотные искажения, рассказать намного проще — это просто неодинаковое, «несправедливое» отношение к составляющим различных частот. Пример: подводим к громкоговорителю три синусоидальных переменных тока с разными частотами и с одинаковой — подчеркиваем, с одинаковой (!) — амплитудой, а он, громкоговоритель, создает три звука разной — заметьте, разной (!) — силы (рис. 18). Это значит, что громкоговоритель вносит частотные искажения — неодинаково хорошо преобразует в звук переменные токи разных частот.
Рис. 18. В результате частотных искажений меняется соотношение между составляющими сложного звука, меняется его тембр, ослабляется звучание некоторых инструментов.
Причины частотных искажений громкоговорителя различны. Вот одна из них: на высших частотах начинает сказываться инерция диффузора, он не поспевает за быстрыми изменениями тока и поэтому с повышением частоты все хуже излучает звук.
Чтобы можно было судить о частотных искажениях в каком-либо устройстве, в том числе в громкоговорителе и микрофоне, чаще всего рисуют его частотную характеристику. Частотная характеристика громкоговорителя (рис. 19) показывает, как изменяется звуковое давление или сила звука, если менять частоту переменного тока в звуковой катушке, поддерживая неизменной его амплитуду.
Опорной точкой частотной характеристики договорились считать частоту 1000 гц. Работу громкоговорителя или микрофона на других частотах сравнивают с тем, что они дают на частоте 1000 гц, и, исходя из этого, говорят о завале или подъеме частотной характеристики, то есть об ослаблении или усилении тех или иных составляющих.
Четыре возможные частотные характеристики показаны на рис. 19, внизу справа. На первой из них (а) завалены низшие частоты, на второй (б) — высшие. К сожалению, в реальном случае оба эти недостатка объединяются: обычно завалены как высшие, так и низшие частоты (в).
Рис. 19 Частотная характеристика громкоговорителя показывает, как изменяется звуковое давление при изменении частоты тока (синусоидального) в звуковой катушке; величина тока на всех частотах одинакова.
Звуковое давление или силу звука, как правило, указывают в децибелах, и это позволяет довольно просто оценить степень подъема (обозначают знаком «+»), либо завала (знак «—») характеристики, степень частотных искажений. За нулевой уровень принимают звуковое давление (силу звука) на частоте 1000 гц.
Иногда вводят коэффициент частотных искажений — Кч.и, который показывает, на сколько децибелов (или, что то же самое, во сколько раз) сила звука на той или иной частоте сильнее или слабее, чем на частоте 1000 гц. Так, если указано, что Кч.и-200 = 20 дб, а Кч.и-5000 = —10 дб, то это означает, что при одном и том же токе в звуковой катушке сила звука на частоте 200 гц будет в 100 раз (на 20 дб) больше, а на частоте 5 кгц в 10 раз (на 10 дб) меньше, чем на опорной частоте 1000 гц.
По частотной характеристике легко определить значение Кч.и для любой частоты.
Частотные искажения, так же как и нелинейные, приводят к изменению формы сигнала (в частности, звука), к изменению его спектра. Однако в результате частотных искажений никаких новых составляющих не возникает, а лишь меняется соотношение старых. При этом резко меняется тембр звука, из оркестра исчезают целые группы инструментов, неузнаваемыми становятся голоса певцов. Завал низших частот резко ослабляет звучание контрабаса, барабана, рояля. Если завалены высшие частоты, то прежде всего исчезают скрипки и флейты, звук становится глухим, бубнящим.
Конечно, нам хотелось бы, чтобы частотная характеристика всех наших переводчиков и других звеньев системы передачи звука была идеальной, то есть имела бы вид прямой линии во всем диапазоне от 16 гц до 22 кгц (рис. 19, г.).
В этом случае соотношение между всеми слышимыми составляющими сложных звуков оставалось бы неизменным и мы были бы гарантированы от изменений тембра и других подобных неприятностей. Но (опять эти «но»!) создание идеальной частотной характеристики во всем диапазоне слышимых частот — задача чрезвычайно сложная, и эту сложность вы вскоре почувствуете сами. Конструкторы, конечно, стремятся к равномерной частотной характеристике, но в разумных пределах. В дорогих и сложных системах высококачественного звучания диапазон воспроизводимых частот должен быть весьма широким. В простых, недорогих установках приходится идти на значительное сужение диапазона, а значит (что поделаешь!), на заметные частотные искажения, на ухудшение качества звучания.
В результате большого числа экспериментов было предложено все аппараты для воспроизведения звука разделить на четыре класса (не путайте с классами приемников — здесь нет прямого совпадения) и для каждого из них установить такую полосу частот:
Высший класс — от 30–40 гц до 14–15 кгц (неискаженное воспроизведение звука); неравномерность характеристики — 6 дб.
Первый класс — от 50 гц до 10 кгц (высококачественное воспроизведение звука); неравномерность характеристики — 6 дб.
Второй класс — от 100 гц до 6 кгц (воспроизведение среднего качества); неравномерность характеристики — 16 дб.
Третий класс — от 150–200 гц до 4 кгц (воспроизведение низкого качества); неравномерность характеристики — 16 дб.
Переход в каждый следующий, более высокий класс, например из третьего во второй или из второго в первый, связан со значительным усложнением аппаратуры. Оправдано ли это? Стоит ли затрачивать энергию, время, средства на то, чтобы на несколько килогерц расширить частотную характеристику?
