Уровень
передачи звукового сигнала Важной характеристикой звукопередачи в какой-либо точке канала является величина электрического напряжения сигнала - от нее в итоге зависит громкость звучания программы у слушателя. Но оценка уровня сигнала в единицах электрического напряжения (вольтах или его долях) осуществляется только при настройке аппаратуры, когда необходимо, например, установить нормальное усиление в трактах. В этом случае в качестве калибровочного передается чистый синусоидальный сигнал на средней частоте звукового диапазона (обычно это сигнал с частотой 1000 Гц), а измерения можно производить обычным вольтметром, который подключается параллельно электрической цепи.
Однако, в практике эксплуатационной работы уровень сигнала оценивают обычно в децибелах, и пользуются для измерений не вольтметром, а специальным прибором, так называемым измерителем уровня. В акустике по причинам, связанным с физиологическими особенностями восприятия энергии звуковых колебаний (впрочем как и в фотометрии - световых волн), соотношения акустических уровней оценивают в логарифмических единицах, то же самое следует делать и в электрических цепях, по которым передается электрический аналог (электрическое изображение) звукового сигнала. Единая для акустики и электрических каналов логарифмическая шкала обеспечивает единый метод измерений уровня передачи. Практика показала, что такой подход существенно облегчает измерения и текущий контроль уровня сигналов.
Изменение электрических напряжений сигнала выражается в децибелах, т. е. в логарифмических единицах, вычисляемых по формуле:
NдБ = 20lgU2/U1,
где U1 и U2 - сравниваемые напряжения.
Соответствующие им электрические мощности в децибелах представляются несколько иной формулой:
N = 10lgP2/P1,
где P2 и P1 - сравниваемые мощности.
Мощности пропорциональны квадратам напряжений, поэтому изменение напряжения, например, в 10 раз, вызывает соответствующее ему изменение мощности в 100 раз. Именно поэтому в формулах для напряжений и мощностей коэффициенты (соответственно 20 и 10) отличаются в 2 раза. Это позволяет сохранить одинаковое определение децибел независимо от того, какой из электрических параметров сравнивался (напряжения или мощности) - результат вычислений будет в любом случае один и тот же. Действительно:
N = 20lgU2/U1 = 20lg10 = 20x1 =20 дБ;
N = 10lgP2/P2 = 10lg100= 10x2 =20 дБ.
В случаях, когда уровень сигнала понижается, т.е. U2 меньше U1 , выраженное в децибелах соотношение приобретает отрицательный знак.
Например, если выраженные в вольтах уровни
U1 = 10 В , а U2 = 1 В, то
N = 20lg0,1 = 20(-1)= -20 дБ.
Часто возникает необходимость оценить абсолютный уровень сигнала в определенной точке цепи. При этом под абсолютным уровнем понимают выраженное в децибелах отношение данного уровня к уровню, условно принятому за нулевой. В технике связи, радиовещания и звукозаписи за нулевой уровень принимают напряжение равное 0,775 В. Реже, сравнивают уровни по мощности, принимая в этом случае за нулевой уровень 1 мВт. При вычислении абсолютного уровня сигнала по напряжению, к обозначению единиц измерения добавляется латинская буква u (дБu), а по мощности - латинская буква m (дБm). Результаты этих двух способов вычисления абсолютных уровней сигнала численно совпадают только при условии, если в данной точке электрической цепи сопротивление равно 600 Ом.
При проектировании аппаратных радиовещания и звукозаписи, а также для правильной их эксплуатации часто прибегают к графическому изображению изменений уровня передачи на протяжении интересующей нас части канала. Это делают с помощью диаграммы уровней, на которой в определенном масштабе откладываются уровни передачи в разных точках канала, выраженные в децибелах.
Пример диаграммы уровней приведен для тракта, содержащего микрофон, микрофонный усилитель, регулятор уровня, и выходной усилитель. Чтобы построить ее, надо знать: напряжение, развиваемое микрофоном, коэффициенты передачи усилителей, а также следует задаться величиной запаса по усилению на регуляторе уровня.
Типичная диаграмма уровней
Все уровни на диаграмме отсчитываются по напряжению относительно нулевого, за который, как было сказано выше, принимается 0,775 В, уровни представлены в дБu. Чтобы избежать путаницы при определении уровней передачи с помощью измерителя уровня, подключаемого, как правило, либо к магнитофону, либо на выходе аппаратной, надо помнить, что отметка на шкале прибора "0 дБ" (100%), может и не соответствовать абсолютному значению уровня сигнала по напряжению - т.е. 0 дБu (0,775 В). Эта отметка лишь указывает точку относительного уровня, от которого звукорежиссер ведет отсчет всех изменений уровня в процессе передачи и который является максимально допустимым в данной точке канала.
Например, номинальное значение абсолютного уровня, принятое в студиях радиовещания и звукозаписи у нас в стране нормируется и устанавливается равным +6 дБu, т.е. 1,55 В. Уровень выбран таким потому, что это соответствует оптимальным условиям записи звукового сигнала на магнитофон и передачи его в линию. Поэтому чувствительность измерителя уровня в наших аппаратных, для удобства работы звукорежиссера, регулируется при настройке аппаратуры таким образом, чтобы нормированному номинальному значению максимального уровня в данной точке аппаратной - 1,55 В соответствовало бы показание О дБ на шкале измерителя уровня.
Такое несоответствие для практической работы звукорежиссера не имеет никакого значения: в процессе передачи, поддерживая максимальный уровень сигнала до 0 дБ (100%) по измерителю уровня, звукорежиссер, таким образом, не нарушит принятую для данного тракта диаграмму уровней.
Амплитудно-частотная
характеристика
Любой сложный звук состоит из ряда различных по частоте колебаний, соотношения уровней которых для данного звучания являются совершенно определенными.
Естественно, что при звукопередаче первичные соотношения между частотными компонентами звука должны быть сохранены. В связи с этим, качество любого участка звукового канала оценивается его амплитудно-частотной (сокращенно частотной) характеристикой, для обозначения которой часто используют аббревиатуру АЧХ. Под АЧХ понимают график зависимости коэффициента передачи от частоты сигналов, подаваемых на вход данного участка канала или отдельного звукотехнического устройства. Коэффициент передачи - это отношение величин сигналов на выходе усилителя и его выходе.
Подадим на вход какого-либо усилителя переменное напряжение звуковой частоты и, поддерживая неизменным его уровень, начнем менять частоту колебаний, контролируя уровень выходного напряжения. В идеальном случае усиленное выходное напряжение усилителя на всех частотах должно было бы быть одинаковым по величине. Графически частотная характеристика такого усилителя - прямая линия, параллельная оси частот, на рисунке - кривая а.
Частотные характеристики: а - идеальная, б - возможный пример реальной. Шкала оси частот - логарифмическая.
В реальных условиях частотная характеристика во всем диапазоне звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) прямолинейной не бывает из-за наличия в схеме индуктивностей и емкостей, меняющих свое сопротивление переменному току при изменении его частоты.
Частотную характеристику можно построить, если по оси абсцисс отложить в логарифмическом масштабе частоты, а по оси ординат выраженные в децибелах значения отношений коэффициентов передачи на соответствующих частотах к коэффициенту передачи на средней частоте, например, на частоте 1000 Гц. Частотная характеристика обычно имеет понижения как в области низших так и в области высших частот звукового диапазона (кривая б).
Это означает, что усиление бывает меньше на низших и высших частотах по сравнению с усилением на средних. В таких случаях обычно говорят, что частотная характеристика в этих областях имеет завалы. Если усиление на каких-то частотах больше, чем на средней, то говорят, что частотная характеристика на этом участке имеет подъем.
Рассмотрим теперь, как частотная характеристика влияет на качество воспроизведения.
Подъемы и завалы в области высших и низших звуковых частот - суть частотные искажения. Они субъективно воспринимаются обычно так: завалы высших частот (от 2 - 3 кГц и выше) придают звучанию тусклость, ухудшают разборчивость речи. Излишнее усиление (подъем) высших частот приводит к подчеркиванию шипящих и свистящих звуков и к неестественно резкому звучанию музыки, раздражающему слух.
Завалы низших частот (100 - 200 Гц и ниже) лишают звучание полноты, сочности, нарушают красоту тембра, а их чрезмерное усиление вызывает ощущение неприятного, бубнящего звучания.
Величина неравномерности частотной характеристики в диапазоне звуковых частот нормируется. При нормировании учитывается заметность искажений на слух. Для студийной части тракта звукового вещания (радио и телевидения) и для профессиональных студий звукозаписи неравномерность частотной характеристики в рабочем диапазоне частот (для оборудования высшего класса качества - от 30 до 15000 Гц) не должна превышать 1 дБ, т.е. коэффициенты передачи на разных частотах не должны отличаться друг от друга более чем на 12%.
При проектировании звукового тракта, состоящего из нескольких усилителей и отрезков длинных соединительных линий, приходится принимать меры к тому, чтобы все участки имели частотную характеристику, близкую к прямолинейной. Если этого не удается добиться прямым путем, обычно используется метод компенсации частотных искажений. Этот метод заключается в том, что последовательно с вносящим искажения элементом включается специальный корректирующий элемент, частотная характеристика которого является как бы зеркальным отображением частотной характеристики, которую требуется исправить. Например, если длинная линия, благодаря наличию емкости между двумя ее проводами "заваливает" высокие частоты на 10 дБ, то последовательно с ней включается корректирующий элемент (контур), поднимающий высокие частоты на те же 10 дБ. Результирующая частотная характеристика в этом случае будет прямолинейной.
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 поясняет это явление. 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: а - сигнал прошел через линейную цепь, б- на выходе нелинейной цепи форма сигнала искажена.
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 рисунка.
Сложные колебания, полученные в результате нелинейного усиления: а - чистый синусоидальный тон (основное колебание или первая гармоника); б - продукт нелинейной цепи (третья гармоника); в - сложное колебание на выходе цепи (сумма основного колебания и третьей гармоники).
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: f1 = 1000 Гц и
f2 = 1100 Гц, то на его выходе можно обнаружить
дополнительно:
• высшие гармоники частот f1 и f2 , т.е. 2f1 = 2000
Гц и 3f1 = 3000 Гц и т.д., а кроме того, 2f2 = 2200 Гц, 3f2 = 3300
Гц и т.д.
• простые комбинационные частоты, равные
f1 + f2 = 2100 Гц и f1 - f2 = 100 Гц, а также сложные
комбинационные частоты, возникшие в результате
биения гармоник с основными частотами и друг с
другом 2f1 + f2 = 2000 + 1100 = 3100 Гц ; 2f1 - f2 = 2000 - 1100 = 900 Гц и
т.п.
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).
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 оцениваются величиной коэффициента нелинейных искажений. По старой терминологии его называли "клирфактор", что в переводе с немецкого означает "фактор дребезжания". Однако, этот термин неточно характеризует сущность искажений, поэтому им в настоящее время обычно не пользуются.
Определение коэффициента гармоник
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.
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 Uвых . 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:
Kf % = U/Uвых 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.
Нелинейные искажения на слух практически мало заметны, если коэффициент гармоник не превышает 2 - 3 % .
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.
Помехи
в тракте звукопередачи
Одна из наиболее серьезных причин, мешающих высококачественному воспроизведению передаваемой программы, - помехи, возникающие в тракте звукопередачи. Особенно неприятны на слух помехи в паузах, а также на тихих местах исполнения, когда они не маскируются полезным сигналом и потому существенно мешают восприятию звука.
Помехи по своему характеру и происхождению разделяются на фон, шум и различного характера внешние наводки.
Фон проявляется обычно в виде прослушиваемого низкого однотонного гудения с частотой 50 или 100 Гц. Причина фона может быть двоякой: чаще всего это плохая фильтрация переменной составляющей напряжения, выпрямленного в источнике питания и используемого для питания транзисторов или электронных ламп усилителей. Но могут проявиться и внешние наводки, т.е. возбуждения в самом усилителе или в присоединенных к нему проводах и линиях колебаний, появляющиеся за счет электромагнитной связи этих цепей с посторонними источниками электрических и магнитных полей ( например, трансформаторов, силовых электрических кабелей, театральных софитов и т.п. Таким же путем, т.е. путем электромагнитных наводок на токоведущие цепи канала передачи звукового сигнала, могут проникнуть в канал и, так называемые, "внятные" помехи, например, посторонние программы близко расположенных мощных радиовещательных станций и т.п. Для борьбы с наводками любого характера следует тщательно защищать, применяя экранировку, те цепи, по которым протекают слабые токи ( например, микрофонные провода).
Принцип действия экранов следующий. Провод, по которому передаются токи звуковой частоты, заключаются в гибкую и достаточно густую металлическую сетку (чулок), обязательно заземленную. Электрические заряды, образующиеся на экране из-за влияния внешних полей, стекают на землю, не наводя помех на токоведущие части схемы.
Экранами снабжаются также все используемые в схемах трансформаторы и катушки индуктивности - потенциальные источники сильных помех. Эти экраны, выполненные в виде кожухов из железа, пермаллоя или других подобных магнитных материалов, выполняют двоякую роль: предохраняют трансформатор от воздействия внешних магнитных полей и, кроме того, не дают возможности полю рассеяния самого трансформатора оказывать нежелательное влияние на соседние детали схемы.
Еще более неприятен на слух и трудно устраним собственный шум транзисторов, электронных ламп и резисторов, входящих в схему. Это характерное шипение, с физической точки зрения - тот же звук с непрерывным спектром, его энергия распределена на широком участке диапазона звуковых частот. На практике часто встречаются шумы, отличающиеся один от другого не только по интенсивности, но и по тембру и ритму. Но самым характерным и типичным шумом является шум, не имеющий ни определенного тона, ни ритма, у которого, следовательно, ни одна частотная полоса не отличается от другой по энергии и ни один отрезок, выделенный во времени, не отличается от другого по частотному составу. Такой шум называют "белым" по аналогии с принятым в оптике наименованием белого цвета, который можно, как известно получить, смешивая в одинаковых пропорциях все цвета солнечного спектра.
Избавиться от такого шума при звукопередаче - задача не из легких. Единственная наиболее радикальная мера - специальный подбор малошумящих транзисторов и резисторов, а также подача на вход первых каскадов усилителей как можно большего по уровню полезного сигнала, чтобы он во много раз превосходил шумы первых ступеней усиления и сделал бы их менее заметными на слух.
Поэтому, например, в микрофонных усилителях, усиливающих весьма малые (порядка единиц милливольт) напряжения, на входе усилителя обычно устанавливается микрофонный трансформатор, в несколько раз увеличивающий напряжение сигнала, поступающего от микрофона. Однако не всегда указанные меры дают удовлетворительный результат.
В качестве числовой оценки шумовых характеристик усилителя (или всего тракта передачи) используют отношение сигнал/помеха. Это отношение показывает, насколько номинальный (т. е. расчетный, нормальный для данного усилителя) уровень выходного полезного сигнала превышает уровень напряжения помехи на выходе испытуемого устройства. Отношение сигнал/помеха выражается в децибелах. Таким образом, отношение сигнал/помеха определяется формулой:
D = 20lgUс /Uпом
Часто, когда основной помехой воспроизведению являются только шумы усилителей или магнитной ленты (кстати, наиболее неблагополучным с этой точки зрения участок тракта) оценить качество воспроизведения в усилетеле можно по отношению сигнал/шум. В этом случае отношение сигнал/шум можно рассматривать как характеристику соответствующего участка цепи или канала в целом. Тогда говорят, что, например, шум тракта - минус 60 дБ; это значит, что собственные шумы канала передачи на 60 дБ меньше по уровню, чем номинальное выходное напряжение полезного сигнала (т. е. в 1000 раз).
Но общий уровень шума усилителей зависит в основном от уровня шума первых его ступеней усиления, где проходящий полезный сигнал особенно мал и соизмерим с напряжением шума. Обычно регулятор уровня сигнала в усилителе включается после первых ступеней усиления, которые, в основном, и определяют общий уровень шума всего усилителя. В итоге отношение сигнал/шум на выходе зависит от уровня сигнала, подаваемого на вход, и, следовательно, от установки регулятора, обеспечивающей на выходе номинальный уровень сигнала.
Естественно, с ростом уровня входного сигнала уровень усиления снижают, следовательно и шумы первых транзисторов (ламп) усиливаются меньше. Наоборот, при пониженном уровне входного сигнала регулятор уровня приходится открывать, шумы первых усилительных каскадов усиливаются значительнее, их абсолютная величина на выходе канала становятся больше и шум слышится сильнее. Таким образом, чтобы сравнить два усилителя, мало знать их коэффициент отношения сигнала к шуму, надо также иметь сведения о том, при каком усилении (а это зависит от уровня входного сигнала) производились измерения.
Более удобно сравнивать усилители, пользуясь шумом, приведенным ко входу усилителя. Метод приведенного шума замечателен тем, что при его применении оценка качества усилителя по шумам не зависят от уровня сигнала на входе и, следовательно, от установки регулятора усиления. Этот метод опирается на допущение, что весь шум усилителя возникает на его входе и далее усиливается в той же мере, что и поданный на вход усилителя полезный сигнал. Значит, отношение сигнал/шум на выходе усилителя и на его входе одно и тоже.
И тогда для того, чтобы определить абсолютный уровень шума на входе усилителя (приведенный ко входу шум), достаточно знать, от какого входного уровня производились измерения, и, затем, к величине этого уровня, выраженной в децибелах относительно нуля (0,775 В), прибавить выраженное также в децибелах отношение сигнал/шум, измеренное на выходе усилителя. Результат сложения и будет величиной шума, приведенного ко входу усилителя.
К примеру, на вход усилителя подано напряжение U = 250 мкВ (этот уровень лежит ниже нулевого на 70 дБ, т. е. равен -70 дБu), а на выходе усилителя отношение сигнал/шум равно 60 дБ. На входе это соотношение сохраняется, поэтому приведенный ко входу шум будет по уровню лежать ниже входного полезного сигнала еще на 60 дБ, т.е. будет равен:
-70+(-60) = -130 дБu,
как это показано на рисунке.
Приведение шумов ко входу усилителя на примере диаграммы уровней сигнала и шума для микрофонного усилителя.
Так представление шума не зависит от режима усиления. Действительно, повысим входной уровень сигнала, например, на 2О дБ. Теперь уровень входного сигнала будет не -70, а - 50 дБu. Чтобы сохранить уровень выходного сигнала следует снизить коэффициент передачи усилителя на 20 дБ. При этом на те же 20 дБ повысится отношение сигнал/шум, поэтому на выходе усилителя вместо 60 дБ по отношение сигнал/шум получим 80 дБ. Итак, приведенный ко входу уровень шума, в этом случае
-50+(-80)= - 130 дБu, также сохранит свое значение и будет ниже нулевого уровня на те же -130 дБ.
И еще одно замечание относительно оценки шумов радиоаппаратуры. Шумы, как мы уже упоминали, содержат энергию звуковых колебаний множества частот. В то же время чувствительность человеческого уха различна на разных частотах звукового диапазона, поэтому при одинаковых уровнях шумы в зависимости от участка спектра, на котором сосредоточена их основная энергия, восприниматься будут по-разному. Очевидно, если основные частотные составляющие шума лежат в интервале 2 - 4 кГц, а это область наибольшей чувствительности слуха, то шум заметен больше, чем такой же величины шум, но с преобладанием в нем более высоких или более низких частот. Чтобы учесть этот эффект и получить измерения, более соответствующие субъективному восприятию шумов слушателем, пользуются измерителем шумов, снабженным специальным фильтром, так называемым, фильтром уха. Этот прибор имеет характеристику чувствительности, подобную характеристике чувствительности человеческого слуха. Поэтому он лучше реагирует на те частоты, которые лучше слышит ухо. Такой способ измерения называют псофометрическим, а прибор для его осуществления - псофометром.
