10.2. ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ

Линейные искажения. К линейным искажениям акустического сигнала относятся нежелательные 1 изменения соотношений между амплитудами частотных составляющих сигнала при передаче его по тракту (изменения фазовых соотношений не играют роли в восприятии акустического сигнала, см. § 2.4). Эти искажения называют частотно-амплитудными или просто частотными»

Одним из показателей тракта передачи сигнала является коэффициент передачи. Под ним подразумевают отношение звуковых давлений на выходе и входе тракта при передаче по нему синусоидального сигнала, т. е. где звуковое давление в точке звукового поля, в которой будет находиться центр микрофона; звуковое давление на расстоянии от акустического (рабочего) центра громкоговорителя (для громкоговорящего приема) или в камере искусственного уха (для телефонного приема). Коэффициент передачи тракта где чувствительность микрофона, коэффициент усиления электрической части тракта; чувствительность громкоговорителя или телефона,

Если коэффициент передачи тракта выражают в децибелах, то

где В идеальном случае коэффициент передачи К не должен зависеть от частоты, практически же он всегда зависит от нее, т. е. В ряде случаев, например при передаче информационной речи или в телефонной связи, коэффициент передачи тракта необходимо брать зависящим от частоты (см. ниже). Обычно это осуществляют в микрофонах, а в электрической части тракта коэффициент передачи стремятся брать независимым от частоты в пределах передаваемого частотного диапазона.

Отклонение частотной характеристики коэффициента передачи от оптимальной, называемое неравномерностью частотной характеристики тракта, субъективно вызывает ощущение изменения тембра сигнала. При подчеркивании высокочастотных составляющих сигнал становится звонким, резким, а при значительном подчеркивании сигнала становится свистящим и хриплым. и недостатке высокочастотных составляющих сигнал становится глухим. Подчеркивание низкочастотных составляющих делает сигнал бубнящим и т.п.

Неравномерность частотной характеристики тракта для передачи художественных программ оценивают отношением величин максимального и минимального коэффициентов передачи в заданном диапазоне частот:

Эту неравномерность обычно выражают в децибелах:

где и минимальный и максимальный уровни вторичного акустического сигнала при постоянстве уровня первичного. Уровень вторичного акустического сигнала где звуковое давление (в Паскалях) на расстоянии от акустического центра громкоговорителя, а для телефона — в камере искусственнного уха.

Определим неравномерность частотной характеристики электрического тракта с помощью рис. 10.1, а Если в заданном частотном диапазоне Гц максимальное и минимальное значения коэффициента передачи соответственно равны 20 и 5, то неравномерность составит или (в децибелах), (например, если

максимальный выходной уровень равен то минимальный будет 94 дБ). Если частотная характеристика тракта очень изрезана, то согласно при определении неравномерности должны быть исключены все пики и провалы в частотной характеристике ширина которых не превышает 1/8 октавы. Это показано на рис. 10.1, б (исключены пикк и провалы выше 2,4 кГц).

Неравномерность частотной Характеристики для информационных программ и для речевой связи определяют относительно оптимальной частотной характеристики для передачи речи. Такой характеристикой, согласно международным стандартам, принята характеристика с подъемом в сторону высоких частот в диапазоне Гц и равномерная в диапазонах

Рис. 10.1. К определению неравномерности частотной характеристики: а — общей для вещательного тракта; б - то же, тракта в случае узких пиков и провалов; в — для трактов передачи речи: 1 - фактическая; 2 — оптимальная

На рис. 10.1, в для иллюстрации приведены фактическая и оптимальная характеристики и показано определение неравномерности в виде отклонений фактической характеристики от оптимальной.

Частотные искажения уменьшают путем коррекции частотной характеристики тракта. По возможности это делают в звеньях тракта, соседних с искажающими.

На рис. 10.2 приведены экспериментальные результаты определения заметности ограничения частотного диапазона сверху и снизу при неравномерности частотной характеристики не более в испытуемой полосе. По оси ординат в этих кривых отложена оценка качества звучания по -балльной системе. По оси абсцисс отложена граничная частота (на рис, 10.2, а — нижняя граничная частота, на рис. 10.2, б — верхняя). Параметром кривых служит соответственно в 10.2, а верхняя граница (в килогерцах), а в нижняя граница (в герцах).

Отмечено, что пики по высоте и провалы по глубине, не превосходящие в области частот выше 500 Гц и 10 дБ в области низких частот, практически незаметны.

Для речевой связи предельные значения неравномерности равны по отношению к оптимальной характеристике.

Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в стационарном режиме. В результате нелинейных безынерционных искажений входного сигнала синусоидальной формы получается выходной сигнал сложной формы

При подаче на вход двух составляющих с некратными частотами получается ряд составляющих с частотами вида где — любые целые числа. Частоты этих составляющих называют комбинационными. В их число входят и гармоники обеих частот. Для кратных исходных частот все комбинационные частоты совпадают с их гармониками. При подаче более сложного сигнала спектр выходного сигнала становится еще более сложным, а при подаче звуков со сплошным спектром получается также сплошной спектр, но с измененной формой огибающей спектра.

Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений, представляющим отношение действующего значения напряжения или звукового давления всех составляющих выходного сигнала, отсутствующих во входном сигнале, к действующему значению напряжения или звукового давления

Рис. 10.2. Кривые зйметности частотных искажений при ограничении частотного диапазона: а — сверху; б - снизу

всех составляющих выходного сигнала, входящих во входной сигнал. Если входной сигнал синусоидальный, то коэффициент нелинейных искажений называют коэффициентом гармонических искажений. Он представляет собой отношение действующего значения всех гармоник выходного сигнала, начиная со второй, к действующему значению первой гармоники выходного сигнала (ийогда к действующему значению всего выходного сигнала).

Если нелинейность элемента тракта на высоких частотах значительнее, чем на низких, то пользуются методом интермодуляционных искажений. В этом случае к тракту подводят два синусоидальных сигнала с разными частотами (см. § 11.2).

Различают Два типа нелинейности: степенную где х и у — входное и выходное мгновенные значения сигнала, и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). На рис. 10.3, а и б показаны эти виды ограничения, При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором — все сигналы, но более слабые искажаются сильнее» чем громкие.

Нелинейность искажения гармонического вида и суммовых комбинационных частот ощущаются как дребезжание, переходящее в Хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. На рис. 10.4 приведены результаты экспериментальных исследований слышимости нелинейных искажений (в процентах лиц, заметивших искажения). Несимметричные степенные искажения (пр второй гармонике менее заметны, чем симметричные (по третьей гармонике При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными.

Переходные и параметрические искажения. Переходными искажениями называют появление «посторонних» составляющих во вторичном сигнале, обусловленных свободными колебаниями в звеньях тракта. Частоты этих колебаний могут не совпадать с частотами составляющих входного сигнала. Как и при нелинейных искажениях, появляются комбинационные частоты. Эти искажения возникают при изменении режима работы тракта, при изменении амплитуды входного сигнала, а также вследствие инерционности устройств обработки сигналов. Слуховое ощущение этих искажений сходно с ощущением нелинейных искажений.

К параметрическим искажениям относятся автопараметрический резонанс и детонация.

Рис. 10.3. Виды характеристик амплитудного ограничения: а — ограничение сверху; б - ограничение снизу (центральное)

Рис. 10.4. Слышимость продуктов нелинейных искажений: а — для симметричных искажений; б - для несимметричных; 1 — для специалистов; 2 — для рядовых слушателей

Первый вид искажений наблюдается в громкоговорителях (см. разд. 6), второй — в системах записи звука (см. разд. 9). Автопараметрический резонанс выражается в появлении субгармоник, т. е. колебаний с частотами, кратными дробной величине частоты основного колебания. Характер этих искажений сходен со звучанием нелинейных искажений на низких частотах. Детонация сигнала выражается в изменении частоты вторичного сигнала по отношению к частоте первичного. Эти искажения прослушиваются и в виде «плавания» частоты сигнала, а при быстрых изменениях — в виде хрипов и дребезжания.