Jump to content

Борьба за звук: диверсия против качества – интермодуляционные искажения


Ollleg

Recommended Posts

Этим материалом мы начинаем цикл «Борьба за звук», поводом для которого послужили комментарии пользователей geektimes (@SADKO melchermax и др.), написанные к некоторым нашим статьям. Такие комментарии всегда значимы для нас, и мы будем рады если они будут появляться и дальше.

0.png

В замечаниях читатели обратили внимание на то, что мы не уделили должного внимания интермодуляционным (далее IMD) и фазовым искажениям, как факторам, существенно влияющим на качество, детальность, чистоту звука и на характеристики стереопанорамы. Кроме того, очевидной проблемой при выборе аппаратуры является валидность субъективных и объективных методик оценки качества звука. Этот цикл мы посвящаем тем проблемам качества, которые, в силу их «неудобности», не редко игнорируются.

Сегодня многие считают наиболее значимыми параметрами качества звука АЧХ и КНИ, так как их указывают производители. А это не совсем верно. При описанном подходе к качеству интермодуляционные искажения (IMD), как правило, не рассматриваются, либо им придаётся не большое значение. Производители аудиоаппаратуры, в подавляющем своём большинстве, склонны «забывать» об этой проблеме. Это закономерно, ведь исследования в этой области требует вложений, специалистов этого профиля не много, а потребителей вполне устраивает парадигма, в которой основными характеристиками качества является АЧХ и коэффициент гармоник.

Ввиду сложности проблемы – эта статья скорее задаёт вопросы, чем даёт ответы, её основная цель – обратить внимание читателей на проблему IMD в звуковых трактах, обобщить сведения о интермодуляционных искажениях.

Я постараюсь представить в этом материале наиболее значимые сведения об интермодуляционных искажениях, которые удалось откопать в сети. К слову, при поиске источников и исследований на эту тему столкнулся с проблемой не хватки информации, про IMD пишут крайне мало.
 

Проблема оценки качества: — Видишь суслика? — Нет… — А он есть!


Проблема нелинейных искажений известна достаточно давно и рассматривается физиками и инженерами почти с момента появления первых звуковых излучателей и усилителей. Сегодня производители и пользователи аудиоаппаратуры придают большое значение «ровности» АЧХ и гармоническим искажениям. Гармоники наиболее известны среди звуковых искажений, а коэффициент гармоник (далее КГ) считается одной из значимых характеристик качества звука и указывается в документах на то или иное устройство.

1.png

При этом многие исследования параметров качества усилителей и излучателей, деградации звука и т.п., проводившиеся во второй половине прошлого столетия демонстрируют, что значение коэффициента гармонических искажений прямо не связаны с качеством звука. Периодически приходится слышать от людей не исповедующих «религиозные» подходы к звуку о том, что субъективная оценка не менее чем аппаратные исследования, важна при определении качества.

2.png

До того как я столкнулся с информацией о существенном влиянии интермодуляционных искажениях на звук, я полагал, что такой подход связан лишь особенностями личного субъективного восприятия и не предполагает объективных критериев. Изучение проблем качества звуковоспроизведения, процессов влияющих на звук, и осознание низкого уровня валидности стандартных методов оценки (чувствительность + АЧХ + КНИ + шум), дали мне понять, что это не всегда лишь вкусовые предпочтения.

Я ни в коем случае не хочу сказать, что не нужно обращать внимание на приведённые выше характеристики, но твёрдо убеждён, что это лишь часть критериев, которые необходимо учитывать при оценке, а в ряде случаев и вовсе «вершина айсберга».

Связь КГ с качеством звучания безусловно есть, но этот показатель, равно как и АЧХ, далеко не в полной мере отражают то, что мы привыкли подразумевать под уровнем качества. Не редко аппаратные тесты упомянутых выше параметров соответствуют принятым стандартам, а субъективная оценка звука того или иного устройства очень низкая.

Очень грубо можно продемонстрировать отсутствие прямой связи КГ и качества звука на следующем гипотетическом примере.

Предположим на форуме, посвященном аудио, люди оставляют нелицеприятные отзывы об устройстве с субъективных позиций, прослушав с помощью тестируемого устройства песню группы «Ленинград» — «Любит наш народ» в исполнении детского хора (в параметрах устройства указана «ровная» АЧХ, а коэфициент гармоник составляет 0,1 %). Совершенно естественно, что эти люди нарываются на жесткую критику, обвинения во «вкусовщине», «клиническом аудиофильстве» и т.п. При этом критикующие знакомы лишь с результатами аппаратного тестирования, но не слышали устройство в живую. Субъективное же мнение большинства из тех, кто слышали устройство можно сформулировать так: «звук — го… но далёк от совершенства».

3.png

Тут же возникает holy war, где у оценивших далёкий от совершенства звук в натуре, нет аргументов в пользу своей позиции, тогда как у не слышавших его есть значения ровной АЧХ и низкого КНИ, которые общественным мнением признаны более значимыми, чем субъективные ощущения. Но каким-то «магическим» образом звук тестируемого аппарата остаётся гов… ом далёким от совершенства, более того, в качестве аргументов все прослушавшие девайс люди говорят о «замыленности», «не четкости», «кашеобразности» сцены, отсутствии «прозрачности».

Безусловно приведённые описания искажений субъективны, но в силу того, что в нашей гипотетической ситуации их слышит подавляющее большинство тех, кто оценивал оборудование в реальности, мы явно имеем проблему, которую не отражает ни КНИ, ни АЧХ. Такой проблемой с высокой степенью вероятности могут стать интермодуляционные искажения. Последние не характеризует ни коэффициент гармоник, ни стандартные тесты АЧХ, при этом влияние их на звук не менее, а вероятнее всего более существенно.
 

Интермодуляционные искажения – «тактика» невидимого врага


В Википедии опубликовано достаточно точные определения интермодуляций и интермодуляционных искажений:

Интермодуляционные искажения — нелинейные искажения, создаваемые усилительными схемами. В частотном спектре двухтонального сигнала с интермодуляционными искажениями содержатся комбинационные составляющие с частотами, являющимися суммой и разностью основных и гармонических частот входных сигналов.

Интермодуляция — это процесс взаимодействия нескольких различных сигналов в нелинейных каскадах тракта. В результате возникают новые составляющие спектра, зашумляющие принимаемый сигнал (либо проявляющиеся в качестве зеркального сигнала).

Следует также отметить, что интермодуляции могут стать следствием не только работы усилителя, но также возникают в излучателях за счет нелинейности упругости подвеса диффузора, нелинейности при влиянии магнитных полей при разных условиях возбуждения и ряда других причин.

4.png

Исследователи изучавшие нелинейные искажения, такие как Энтони Нью, Геддес, Войшвилло, указывают, что на развитие IMD влияет целый комплекс факторов и взаимодействие этих факторов между собой, некоторые из них были подробно описаны, а именно:

абсолютный уровень сигнала, частотный диапазон, сложность спектральной картины, соотношения между пиковым и усреднённым сигналом, форма волны, а также взаимодействия между вышеупомянутыми факторами.

При исследовании усиления синусоидальных сигналов всё несколько проще, чем с музыкой. Всё, что мы можем сказать про коэффициент гармоник справедливо, главным образом, для синусоидального сигнала. Но музыка – это не синусоидальный сигнал, в ней содержится множество частот, спектр и амплитуда которых постоянно изменяется во времени.

Для демонстрации интермодуляции при усилении звука можно привести следующий пример: на вход усилителя с не линейной характеристикой подается сигнал, состоящий из 2 частот. В результате генерируются гармоники не только этих двух тонов, но также от частот являющихся их математической суммой и разностью.

5.png

Понятно, что в случае с воспроизведением музыки существует далеко не 2 и не 3 частоты, а спектральный состав музыкальных произведений сложен. Известно, что обертоны (естественные гармоники) музыкально соотносятся с породившими их частотами, при этом суммы и разности частот, генерируемых самими обертонами, далеко не во всяком случае будут музыкально согласованы. Таким образом, можно представить интермодуляционные искажения, как генерирование сигналов частоты которых являются суммой и разностью частот обертонов.

Как выявили исследования Александра Войшвилло (Sr. Manager Transducer Engineering & Acoustic Research — JBL professional), при воспроизведении сложного поличастотного музыкального сигнала спектральное распределение интермодуляции не способно обогатить музыкальный сигнал (как это происходит в случае с обертонами четных гармоник низких порядков), но напротив приводит к неизбежному появлению шумоподобных дисгармоничных отзвуков.

Изложенное выше подтверждает вывод о том, что картина гармонических искажений не отражает в полной мере «музыкальность» системы и не может свидетельствовать о качестве звука.

6.png

График проявления гармонических искажений в зависимости от частоты. В этом случае выше порогового уровня проявляются гармоники второго и третьего порядка. На любой отдельно взятой частоте уровень определённой гармоники может быть найден путём вычитания уровня искажений от уровня отклика в осевой направленности. На частоте 200Hz уровень звукового давления в осевой направленности составляет 87dB, а гармоники третьего порядка — 30dB. Поэтому искажение относительно сигнала составляет 57dB, что является чуть больше, чем 0,1%
 

Измерение IMD – уши или нет?


Возникает резонный вопрос, почему критичным параметром для аппаратуры становится коэффициент гармоник. Вероятнее всего, так как его легче измерить. Причиной появления гармоник и интермодуляционных искажений являются одни и те же процессы, при этом – это отнюдь не означает зависимость количества одних от других.

Согласно статьи в Википедии существуют 4 вида измерения IMD:
 

двухтональный 400Гц и 4кГц при соотношении амплитуд 4:1 по методике ГОСТ 16122-88 и МЭК 60268-5;

двухтональный 19кГц и 20кГц одинакового уровня — отличает простота реализации — измеряется уровень разностной частоты 1кГц;

многотональный — методика разработана А. Г. Войшвилло;

субъективный — в результате прослушивания звучания разных тестовых музыкальных композиций экспертами.

7.png

Наиболее эффективными методами измерения сегодня признаются многотональный и субъективный экспертный метод. Мультичастотная методика Войшвилло даёт более полное представление нежели двухтональные измерения. Результаты мультичастотного тестирования представлены на графиках, ниже описание теста опубликованное в статье Александра Кравченко «Интермодуляционные искажения – неуловимый враг» www.sound-consulting.net

8.png

Тестирование интермодуляционных искажений мультичастотным методом. Искажения в сферической волне при перемещении в среде. Уровень звукового давления на расстоянии 1 метр – 110 dB. Радиус источника — 0,5 метра. На первом графике – уровень звукового давления в dB, на втором – процентное соотношение интермодуляционных искажений по отношению к основным частотам. Линии с полной высотой — это испытательные мультичастотные сигналы, а оставшиеся линии – это интермодуляционные составляющие. Тёмные области – это частотные диапазоны, в которых интермодуляционные составляющие сливаются, образуя шумоподобный спектр.

Не смотря на неточность измерений и отсутствие математического аппарата, которые бесспорно являются недостатками, экспертный метод позволяет проводить комплексную оценку. При проведении оценки применяются записи женского или детского дискант-хора. Некоторые комментаторы наших статей писали о том, что при проведении личных тестов на интермодуляции им помогают записи тяжелой музыки с плотным звучанием, например, thrash metal.

9.png

К слову, математический метод, позволяющий получить корреляцию характеристик нелинейности тракта с субъективными оценками звучания устройства, станет темой следующего материала цикла.
 

Итог


В отсутствии сложных стендов и специальной измерительной аппаратуры, а также данных от производителя (а их как правило нет) единственный способ оценить уровень интермодуляционных искажений в сигнале — использовать собственные уши. Главное про это знать и запастись парой другой файлов с дискант-хором, чтобы, находясь в шоуруме не пропустить ни единой интермодуляции в предлагаемом аппарате, гневно возвестив об этом менеджеру магазина и открытым письмом компании-производителю.

Если говорить серьёзно, безусловно стоит помнить о том, что одной из главных проблем разработчиков аудиоаппаратуры являются интермодуляционные искажения. Полагаю, что тема интермодуляций может примирить ярых сторонников субъективной и объективной оценки звука, по крайней мере, когда дело не затрагивает «сакральных» «метафизически-религиозных» тем и «аудиоритуалов».

-----------------------------------------

источник:

Блог компании Pult.ru

https://itnan.ru/post.php?c=2&p=282606

  • Thanks (+1) 1
Link to comment
Share on other sites

3 часа назад, Андрей63 сказал:

Ох и непростую тему вы затронули, теперь баталий будет по круче чем с гармониками.

Если не с мордобоем - пусть все желающие выскажутся, шило в мешке не утаить, оно колоться может.

Link to comment
Share on other sites

Выскажусь с практических измерений и прослушки тональных сигналов,так как интересовался данным вопросом. В ламповом  однотактном триодном каскаде уровень интермодуляции примерно равен уровню второй гармоники,  если брать двухтакт по  схеме циклотрон с хорошо подобранными транзисторами, то уровень интермодуляции,  как и вторая гармоника минимален. Брал двухтональный сигнал 18 и 19 кГц, смешивал на резистивном делителе , подавал на испытуемый усилитель, на  1 Вт (чуйка акустики 89 дБ) было слышно  1 кГц на расстоянии 50-60 см, при измерении уровень 2-ой гармоники составил 0,1 %  интермодуляции такой же , усиление -  драйвер на триоде с трансформаторным фазоинвертором, дальше циклотрон на полевиках. Да, забыл сказать3-я гармоника ниже -70 дБ, всё остальное -90 Дб и ниже.

Link to comment
Share on other sites

26 минут назад, Андрей63 сказал:

Выскажусь с практических измерений и прослушки тональных сигналов,так как интересовался данным вопросом. В ламповом  однотактном триодном каскаде уровень интермодуляции примерно равен уровню второй гармоники,  если брать двухтакт по  схеме циклотрон с хорошо подобранными транзисторами, то уровень интермодуляции,  как и вторая гармоника минимален. Брал двухтональный сигнал 18 и 19 кГц, смешивал на резистивном делителе , подавал на испытуемый усилитель, на  1 Вт (чуйка акустики 89 дБ) было слышно  1 кГц на расстоянии 50-60 см, при измерении уровень 2-ой гармоники составил 0,1 %  интермодуляции такой же , усиление -  драйвер на триоде с трансформаторным фазоинвертором, дальше циклотрон на полевиках. Да, забыл сказать3-я гармоника ниже -70 дБ, всё остальное -90 Дб и ниже.

Получается, что вы проверяли просто слышимость 1 кгц. Тест 19 и 20 кгц он не для проверки именно слышимости IMD, т.к. такие частоты не слышны, а надо чтобы основные частоты были слышны и на фоне них нужно расслышать искажения.

Но если даже слышны, то различимость 1 кгц от этого не особо поменяется, т.к. частоты сильно разнесены, => можно уловить очень малые уровни.

Link to comment
Share on other sites

5 минут назад, krysp сказал:

Получается, что вы проверяли просто слышимость 1 кгц. Тест 19 и 20 кгц он не для проверки именно слышимости IMD, т.к. такие частоты не слышны, а надо чтобы основные частоты были слышны и на фоне них нужно расслышать искажения.

Я после 15 кГц уже не слышу, поэтому и назвал это прослушкой , и слышал я продукт интермодуляции , как раз 1 кГц, разность между 19 и18 Кгц, а потом замерил, типа порога слышимости для себя получил. Супергетеродинные приёмники на этом  принципе все работают.

  • Like (+1) 1
Link to comment
Share on other sites

45 минут назад, Андрей63 сказал:

Я после 15 кГц уже не слышу, поэтому и назвал это прослушкой , и слышал я продукт интермодуляции , как раз 1 кГц, разность между 19 и18 Кгц, а потом замерил, типа порога слышимости для себя получил. Супергетеродинные приёмники на этом  принципе все работают.

Вы забыли сказать самое главное - а как вам показалось звучание того однотакта в сравнении с двухтактом. ИМИ у них очень разные, а в звуке как это нашло отражение? Двухтакт сильно превосходил однотакт на ваш слух? У меня есть знакомый, профи в аудио, который однотакты вообще не признает и только за двухтакты. В частности потому, что искажения в двухтактах могут быть значительно меньше и. на его ух и глаз, только они имеют право на жизнь.

Link to comment
Share on other sites

1 час назад, krysp сказал:

Получается, что вы проверяли просто слышимость 1 кгц. Тест 19 и 20 кгц он не для проверки именно слышимости IMD, т.к. такие частоты не слышны, а надо чтобы основные частоты были слышны и на фоне них нужно расслышать искажения.

Но если даже слышны, то различимость 1 кгц от этого не особо поменяется, т.к. частоты сильно разнесены, => можно уловить очень малые уровни.

Именно он и полезен будет:

двухтональный 19кГц и 20кГц одинакового уровня — отличает простота реализации — измеряется уровень разностной частоты 1кГц

 Не слушать, а измерять.

Link to comment
Share on other sites

1 час назад, чатем сказал:

Вы забыли сказать самое главное - а как вам показалось звучание того однотакта в сравнении с двухтактом. ИМИ у них очень разные, а в звуке как это нашло отражение? Двухтакт сильно превосходил однотакт на ваш слух? У меня есть знакомый, профи в аудио, который однотакты вообще не признает и только за двухтакты. В частности потому, что искажения в двухтактах могут быть значительно меньше и. на его ух и глаз, только они имеют право на жизнь.

  Каждому своё, спектр моего двухтакта специально сделан однотактным  и интермодуляция как в однотакте - только уровень меньше  - 60 дБ, звук мне лучше нравиться именно таким, в без осном УМ . В смом начале я предупредил про практические измерения , это и есть та точка отсчёта  по уровню для меня ИМХО. 

  • Thanks (+1) 1
Link to comment
Share on other sites

39 минут назад, S.Laptev сказал:

Именно он и полезен будет:

двухтональный 19кГц и 20кГц одинакового уровня — отличает простота реализации — измеряется уровень разностной частоты 1кГц

 Не слушать, а измерять.

Конечно, этот тест для аппаратуры а не ушей. Уши им тестировать мало смысла. Т.к это вырождается просто в проверку порога слышимости на 1 кГц. Я об этом и говорил. 

  • Like (+1) 1
Link to comment
Share on other sites

1 час назад, Андрей63 сказал:

  Каждому своё, спектр моего двухтакта специально сделан однотактным  и интермодуляция как в однотакте - только уровень меньше  - 60 дБ, звук мне лучше нравиться именно таким, в без осном УМ . В смом начале я предупредил про практические измерения , это и есть та точка отсчёта  по уровню для меня ИМХО. 

Правильно, в нормально сделанном однотакте, как и в двухтакте, впрочем, при спокойном домашнем воспроизведении имд, как и нелинейные искажения не повлияют на восприятие, они тоже будут иметь ничтожные значения. Важны они только для клиентов Пульт.ру ими голову запудривают немного, чтобы лучше покупали, у них приборов-то нет!

Link to comment
Share on other sites

Продолжу практические замеры интермодуляции по стандартной двухтональной методике сделанных мной лет 5 назад при проектировании усилителя. Приведу уровень интермодуляции в тракте акустика + усилитель, и отдельно усилитель на одной мощности примерно 1 Вт . Первая картинка весь тракт, вторая усилитель. Изменений особых не видно , интересно было бы померить акустику с усилителем у которого интермодуляция ниже -80 Дб, особенно на шириках .

imd.png

imd.png

Link to comment
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

×
×
  • Create New...