: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 1999 : #1

Что мы измеряем? Часть 2. Шумы и искажения
Михаил Чернецкий

Наверное, не будет большим преувеличением сказать, что главные параметры, на которые мы обращаем внимание при выборе аппаратуры - это уровни шумов и искажений. Почему? Возможно потому, что практически любые другие - динамические, частотные и др., при наличии желания и некоторой квалификации можно без особых затруднений изменить в любую нужную вам сторону, а эти практически неизменяемы. То есть изменить-то можно, но это потребует полной переделки всего изделия, что в реальности маловероятно. Таким образом, эти два параметра - уровень шума и искажения - "объективная реальность, данная нам в ощущениях", и с ними - жить и работать. Как же их измерить, и - что ещё важнее - правильно истолковать результат?

Измерение шумов

Как я ранее уже писал (пилотный номер "Звукорежиссера"), для правильного измерения шумов необходим прежде всего квадратичный вольтметр. Обычные вольтметры, тестеры и т.д., в том числе и цифровые, для этих целей непригодны, потому, что все они измеряют другие значения - пиковое, средневыпрямленное и т.д. При этом часто на шкале может быть даже написано "RMS", но это не соответствует истине, т.к. шкала только проградуирована в этих значениях, а реально измеряется то, что написано выше. Такими приборами можно точно измерять только синусоидальный сигнал: для "синуса" между различными его значениями (пиковым, эффективным) существуют строго определённые соотношения, и в конструкции приборов это уже учтено. Благодаря этому, при измерении синусоидального сигнала результаты получаются достоверными, но при измерении шумов их показания, увы, весьма недостоверны...

Широкополосный шум в сигнале

Так что, если вы хотите получить при измерении шума достоверные результаты, то прежде всего убедитесь, что применяемый Вами для этих целей вольтметр истинно квадратичный.

Итак, вы взяли подходящий прибор, подключили его к выходу исследуемого вами устройства и можно уже измерять? Можно, но лучше не нужно. Не хватает осциллографа. Казалось бы - зачем? Собрались шум померить, а не посмотреть? Но шумы в реальной студийной аппаратуре весьма малы, и составляют (в худших случаях!) доли милливольт. В силу их малости, даже самое незначительное присутствие других сигналов может сильнейшим образом повлиять на результаты измерений, исказив их до полной неузнаваемости. Поэтому, чтобы точно знать, что мы измеряем уровень именно шумов, а не чего-то ещё неизвестного, желательно, даже необходимо, дополнительно осуществлять визуальный контроль исследуемого сигнала. Кстати, это полезно всегда, чтобы знать, что именно измеряется, а то - такого можно "намерить"! В сигнале теоретически всегда может присутствовать "много чего", например, фон, ультразвуковые наводки от цифровых цепей и т.д. И чтобы не ошибиться, лучше этот сигнал ещё и посмотреть.

Подключать осциллограф нужно не к выходу исследуемого прибора, а к специальному выходу вольтметра. Практически в любом профессиональном вольтметре есть специальное гнездо - "Выход". На него подаётся уже усиленный внутри вольтметра сигнал, и, подавая на осциллограф сигнал именно оттуда, вы "убиваете двух зайцев". Так как уровень напряжения шумов очень мал, то, подав его на осциллограф напрямую, можно, скорее всего, вообще ничего не увидеть, т.к. чувствительность большинства осциллографов недостаточна для анализа слабых сигналов. Кроме того, если вы подключите осциллограф к входу вольтметра, то сам осциллограф, вполне вероятно, сможет навести помехи на входные цепи вольтметра, и тогда - прощай объективность измерений!

Теперь, когда к выходу исследуемого устройства подключен вольтметр, а к его выходу - осциллограф, мы готовы к проведению измерений? Не совсем. Дело в том, что современные устройства обработки звуковых сигналов собраны, как правило, на весьма скоростных, высокочастотных элементах - транзисторах и микросхемах. Спектр их шумов может простираться очень далеко за пределы звукового диапазона, а так как вольтметр измеряет "всё", то его показания вследствие этого могут существенно отличаться от воспринимаемых "на слух" в звуковом диапазоне величин. Как быть?

Очень просто - включить в цепь измерительный фильтр, ограничивающий полосу частот, подаваемых на вольтметр, сигналами звукового диапазона, от 20 Гц до 20 кГц. В некоторых моделях лабораторных вольтметров такие фильтры уже встроены в конструкцию прибора, а если у вас такого фильтра нет - не беда, его несложно сделать и самому.

Запомните - фильтр должен ограничивать только полосу частот, подаваемых на детектор (выпрямитель) вольтметра! И ничего более!

Теперь, имея всё необходимое: вольтметр, фильтр звукового диапазона, осциллограф - можно приступать к измерениям.

Рассмотрим для начала параметр, вызывающий наибольшие затруднения - входной шум микрофонного усилителя. Если у вас в описании пульта указано, что эта величина составляет, к примеру, -130 дБ, то означает ли это, что отношение сигнал/шум будет составлять такую же точно величину? Конечно, нет.

В профессиональной аппаратуре вообще не очень часто указывается соотношение сигнал/шум, т.к. эта величина неконкретна, и зависит от условий реальной работы. Это можно пояснить следующим примером: представьте, что некоторое устройство имеет выходной шум в 1 милливольт. Каково будет отношение сигнал/шум? Это будет зависеть от величины полезного сигнала. Если сигнал будет 1 вольт, то отношение сигнал/шум = 60 дБ, а если 10 вольт, то отношение сигнал/шум составит 80дБ.

Так и в случае с пультом: можно снимать выходной сигнал величиной 10 вольт, а можно 250 милливольт. Естественно, что отношение сигнал/шум будет в этих случаях различным. Вот как раз, чтобы избежать возможных разночтений, и указывается не отношение сигнал/шум, а величина входных шумов, только выраженная не в вольтах, а в децибелах.

Посмотрите на спецификацию своего пульта. Там вы увидите множество значений уровней шумов для многих случаев: когда мастер-фейдер закрыт или открыт, одна ячейка открыта или несколько, и т.д. и т.п. Всё это именно абсолютные величины, а не отношения сигнал/шум!

Однако вернёмся к микрофонному входу. В описании указано: "EIN= -130 dB". Как это понимать и измерять? "EIN" - это Equivalent Input Noise ("эквивалентный входной шум"), то есть уровень шума устройства, приведённый к его входу. Для измерения достаточно узнать коэффициент усиления и величину шумов на выходе устройства, а затем - вторую величину разделить на первую, и результат - выразить в децибелах.

Пример. Для измерения EIN необходимо сделать следующее: подключить (обязательно!) на вход вместо микрофона его эквивалент, постоянный резистор номиналом 150 или 200 Ом (его величина обычно указывается в документации), и установить регулятор GAIN на максимум. Измерить выходное напряжение шумов. Затем отключить эквивалент микрофона и подать на вход небольшой сигнал (к примеру, 1 мВ). Измерить величину выходного сигнала. Разделив её на величину входного, получим коэффициент усиления устройства. Допустим: вход - 1 мВ, выход - 1 В, 1 В/1 мВ=1000. То есть в 1000 раз или 60 дБ.

Если при измерении шума ранее было получено, к примеру, 0,25 мВ (-70 дБ), то для нашего устройства EIN = (-70 дБ) + (60 дБ)= -130 дБ.

Казалось бы, для чего такая громоздкая и малопонятная на первый взгляд величина? Вы получили реальную величину шумов на входе вашего устройства. И теперь, при необходимости, очень легко узнать величину отношения сигнал/шум для любого сигнала. Для этого достаточно из полученной величины EIN вычесть уровень подаваемого на вход сигнала - и готово!

Пример. Допустим, вы подаёте на вход сигнал величиной 0,775 мВ (-60 дБ). Сигнал/шум = EIN(дБ)-Uвх (дБ)=(-130 дБ)-(-60 дБ)=-70 дБ.

Всё! Для данного входного сигнала, с этим предусилителем, отношения сигнал/шум большего, чем -70 дБ, не получить!

Здесь необходимо сделать одно замечание. Дело в том, что не шумящих источников не бывает! Шумит всё, в том числе и резисторы. Тепловые шумы резистора номиналом 150 Ом составляют величину 0,22 мкВ (или -131 дБ). Плюс собственные шумы входного каскада... Поэтому, если у вас вдруг получится, к примеру, -135 дБ, то проверьте приборы и всё, что можно. Аналогично, некоторые, не совсем добросовестные фирмы указывают EIN=-132 дБ.

Не бывает! (Если, конечно, после букв "дБ" не стоит буква "А").

Так мы постепенно подошли к применению так называемого "псофометрического фильтра" (мало было осциллографа и одного фильтра!). Что же это такое и для чего нужно?

Как известно, чувствительность слуха к разным частотам неодинакова, и поэтому два шума с одинаковой "приборной" величиной, измеренной в широкой полосе, могут "на слух" восприниматься совершенно по-разному. Чтобы учесть особенности именно слухового восприятия, в цепь измерения, кроме уже описанных устройств, дополнительно включается специальный фильтр, чья АЧХ соответствует чувствительности нашего уха к слабым сигналам. В последнее время этот фильтр часто называют "взвешивающим".

Существует множество таких фильтров с АЧХ, соответствующими свойствам слуха при различных громкостях ,- A, B, C, D. Но реально для измерения шума применяется только один - А. Если измерения проводились с использованием этого фильтра, то в результате пишется не просто "дБ", а "дБА", т.е. наличие обозначения "дБА" означает, что в результаты измерений внесена поправка, учитывающая особенности слухового восприятия. Эти данные более точно соответствуют тому, что мы слышим.

Различие между просто "дБ" и "дБА" зависит от спектра шума, и в общем случае непредсказуемо, однако "дБА" чаще всего меньше. Например, если у вас шум, измеренный в широкой полосе будет -80 дБ, то при измерении с фильтром А это значение может быть и -85 дБА…

Измерение шумов остальных звукотехнических устройств принципиальных отличий от описанного выше не имеет, и, как правило, особых затруднений не вызывает. Да и чаще всего это гораздо проще - например, для усилителей (и многого другого) вовсе не надо результаты пересчитывать, "приводить к входу" и т.д.

Только надо не забывать о подключении к входу испытуемого устройства эквивалента источника сигнала, так как на "висящий в воздухе" вход может навестись всё, что угодно. Замыкать же вход "на землю" не следует - это и методологически неверно, да и в силу возможных особенностей разводки "земельных" проводников в конкретном устройстве в этом случае вполне возможно возрастание уровня шумов, да и фона - тоже (в практике автора, во всяком случае, такое бывало неоднократно). И не забывайте об обязательном контроле измеряемых величин визуально, по осциллографу!

Измерение искажений

В аудиоаппаратуре возникает множество искажений различных видов, однако наибольшее распространение получила оценка одного их вида - гармонических искажений, или попросту коэффициента гармоник Кг, ранее, а иногда ещё и сейчас, называемого коэффициентом нелинейных искажений (синоним, пришедший из немецкого, "клир-фактор").

Нелинейные искажения

Долгие годы этот показатель считался вполне достаточным для оценки качества аппаратуры, и во многом это верно и сейчас. Конечно, существует много и других параметров, характеризующих нелинейность систем - таких, например, как интермодуляционные искажения(IMD), переходные интермодуляционные искажения (TIMD), а также способов их измерений. Однако все они достаточно сложны в аппаратурной реализации, и в силу этого не имеют широкого распространения в повседневной практике. Для измерения этих величин необходим, прежде всего, высококачественный узкополосный анализатор спектра, с большим динамическим диапазоном. Плюс несколько (два-три) специальных генераторов, крайне редко встречающихся. Ещё масса трудоёмких и кропотливых измерений, а потом расчёты...

А чем лучше Кг? Тем, что проще! Хотя, на самом деле, его измерение не имеет очень уж больших отличий от вышеописанных, но благодаря некоторым, вполне допустимым упрощениям, стало возможным создать приборы для автоматического измерения Кг, и вследствие этого процедура измерений доступна практически всем.

Отечественная промышленность выпускала много приборов для этих целей, от совсем ручных до полных автоматов с цифровым измерением (не ищите, вымерли как мамонты). Вспомним об С6-11, одном из самых доступных. Это, конечно, не совсем полный автомат, но вполне достаточен для практических целей.

Что это вообще такое Кг? В силу неидеальности элементов тракта, в выходном сигнале любого устройства появляются какие-то элементы, которые отсутствовали во входном. Именно эти лишние составляющие и являются собственно искажениями. Таким образом, Кг - это отношение суммы всех гармоник сигнала к уровню его основного тона.

Часто приходится слышать про некие фазовые и частотные искажения. Всё это околонаучные спекуляции. Искажениями, строго говоря, может быть названо только то, что в дальнейшем не может быть исправлено.

Изменения в сигнале, вызванные неравномерностью АЧХ устройства (или его ФЧХ), могут быть устранены с помощью эквалайзера или фазовращателя, а вот появившиеся новые составляющие - не убрать ничем. Если перегруженный до уровня ограничения усилитель обрезал верхушки синусоид входного сигнала - то попрощайтесь с ними навсегда! Что упало - то пропало...

При определении коэффициента гармоник учитываются только те новые составляющие в выходном сигнале, частота которых в целое число раз выше частоты входного сигнала. Эти составляющие являются гармониками входного сигнала (для 1 кГц: 2 кГц - это вторая гармоника, 3 кГц - третья, 4 кГц - четвёртая, и так далее...), поэтому и интегрированнный показатель их уровней и называется именно так - коэффициент гармоник. Понятно, что при подаче на вход широкополосного сигнала спектр возникающих гармоник будет также очень широк, и будет невозможно определить, где - "вершки", а где - "корешки". Как быть? Вы скажете: надо подать на вход всего один сигнал, тогда и разобраться будет проще. Для этих целей подойдёт любой звуковой генератор, у которого Кг заведомо намного меньше, чем у исследуемого устройства. Наверное Г3-118 лучший отечественный генератор для этих целей, его собственный Кг=0,002%, что вполне достаточно для большинства практических применений.

Сама процедура измерений очень проста - достаточно на вход испытуемого устройства подать сигнал от генератора, а на выход подключить ИНИ (измеритель нелинейных искажений) и готово, ИНИ сам покажет Кг. Но..., опять забыли осциллограф! На всех, без исключения, ИНИ обязательно есть гнездо "Выход", чтобы видеть, что измеряем. Дело в том, что в силу упомянутых ранее упрощений ИНИ измеряет не только гармоники, но все, что есть в выходном сигнале, кроме, естественно, сигнала основной частоты. Таким образом, на результатах измерений могут сказаться любые помехи, имеющиеся в сигнале: фон, шум, и т.д.

В описаниях почти везде пишется "THD+Noise", это и есть результат измерения обычным ИНИ, который реально измеряет отношение амплитуды сигнала основной частоты ко всему остальному. Связано это с самим принципом его работы. ИНИ с помощью имеющегося в нём фильтра полностью подавляет сигнал основной частоты, и измеряет всё то, что осталось после фильтрации. На его выходное гнездо как раз и подаётся всё то, что осталось, то есть - продукты искажений.

Благодаря именно такому построению ИНИ, мы и имеем гнездо "Выход", подключив к которому осциллограф, можно посмотреть, а что наш "испытуемый" внёс в сигнал своего? Какую именно "гадость" добавил?

Надо же знать, что именно измерил ИНИ. А что, если вдруг возник фон, и ИНИ именно его принял за гармоники? Или шумы? Ведь слуховой контроль при этих измерениях, как правило, отсутствует. Вот осциллограф и показывает, что именно измеряли. Кстати, шумов, как правило, можно не бояться. Ведь никто, наверное, не купит усилитель с отношением сигнал/шум 80 дБ? А уровень помех в -80 дБ соответствует Кг=0,01%. Почему? Да потому, что 1% - это одна сотая часть, или -40 дБ. 0,1% - это -60 дБ, 0,01% - это -80 дБ. Кстати, иногда Кг именно так и указывается, в децибелах. Не смущайтесь, встретив такую запись, - это то же самое, только иначе записанное.

А что ещё полезного можно узнать, визуально изучая выходной сигнал ИНИ? Оказывается, многое. Не секрет, что ламповая и транзисторно-микросхемная аппаратура звучат во многом по-разному при прочих равных условиях. Это в значительной степени объясняется именно различным спектром гармоник.

В то время, как в лампах создаваемые ими гармоники имеют сравнительно большую величину, но узкий спектр - как правило, 2-я и 3-я гармоники, а остальные пренебрежимо малы. в транзисторах наоборот: спектр их гармоник может быть очень широк - до 20-й и даже более. И хотя все они имеют малую величину, - слышимость их гораздо больше. Суммарный же Кг вполне может и там и там быть одинаковтак как сумма "немногих, но больших" в первом случае, будет равна сумме "многих, но малых" - во втором. Выходной сигнал ИНИ, поданный на осциллограф, как раз и поможет оценить спектр гармоник.

Если на экране картинка, более-менее похожа на синусоиду, то, значит, спектр гармоник достаточно узкий, и, скорее всего, ваш аппарат будет звучать достаточно чисто. Если же картинка имеет множество изломов, острых углов, и больше напоминает старую, ржавую пилу, то спектр гармоник очень широк, и, скорее всего, хорошего звука ждать не приходится.

Кстати, часто приходится сталкиваться с неизвестно откуда взявшимся мнением, якобы измерение Кг на высоких частотах не имеет смысла, т.к. гармоники, мол, всё равно за пределами звукового диапазона, и поэтому на качество звука не влияют.

Глубочайшее заблуждение! Да, гармоники - за диапазоном слышимости. Да, на качество звука синусоидального сигнала не влияют. Но слушают ведь не синус!

А раз не синус - приходится считаться с объективной реальностью того факта, что сигнал широкополосный! А, значит, и спектр гармоник реального сигнала - тоже не линейчатый, а широкополосный. А поэтому там, где гармоники синуса чувствовали себя привольно, далеко отстояли друг от друга и не взаимодействовали, высшие гармоники настоящего звукового сигнала будут влиять друг на друга. Это приводит к омерзительнейшему результату - появлению комбинационных частот, биений. А уж как они портят звук - никаким гармоникам и не сравниться! Поэтому, если хотите полностью оценить исследуемый прибор, то необходимо измерить Кг во всём звуковом диапазоне, или хотя бы в нескольких точках - в его середине и на краях диапазона. Подробное описание методик измерения "всего и вся" - к сожалению, выходит далеко за пределы этой статьи.

В большинстве моделей ИНИ имеются различные дополнительные устройства, помогающие в работе. В упомянутом ранее С6-11, к примеру, есть возможность по желанию пользователя производить измерения как в вольтах и процентах, так и в децибелах. Есть также очень полезная функция - встроенный обрезной фильтр, подавляющий все частоты, лежащие ниже 1 кГц. Зачем? Если придётся измерять Кг мощных усилителей, то вполне возможна такая ситуация: с увеличением выходной мощности усилителя будет расти и уровень фона.

Дело в том, что во многих моделях усилителей ёмкость фильтрующих конденсаторов невелика, и при росте мощности питание "проседает", увеличиваются пульсации питающего напряжения, что сопровождается ростом сетевого фона. Конечно, это происходит только при работе усилителя на нагрузку. Не забудьте её подключить! Измерять параметры усилителей мощности без нагрузки, на холостом ходу, бессмысленно. Все усилители покажут такие Кг, что хоть на Золотую медаль выдвигай! Конечно, это не относится к измерению шумов, там наличие или отсутствие нагрузки принципиальной роли не играет. Включив этот фильтр, можно убрать фон из измерений и получить более достоверные результаты.

К сожалению, ограниченный объём статьи не позволяет охватить подробно весь круг вопросов измерений в звукотехнической практике. Если у вас возникнут какие либо вопросы - пишите в редакцию. Ваши письма помогут полнее узнать круг необходимых тем.