Борьба за звук: диверсия против качества – интермодуляционные искажения

[Ollleg]

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.

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.

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.

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».

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

[Андрей63]

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

[Ollleg]

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.

[Андрей63]

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.

[krysp]

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.

[Андрей63]

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.

[чатем]

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.

[S.Laptev]

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.

[Андрей63]

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. 

[krysp]

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. 

[S.Laptev]

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!

[Андрей63]

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 .

[чатем]

Спасибо, хорошая статья. В другой ветке писал про прослушивание системы с усилителем с искажениями 0,0005%, "каменным", в АВ и наверное с ОООООООООС. Звук не живой. хотя правда и не совсем мертвый, бывает намного хуже. Интетмоды там конечно же не приведены. зато то, что смогли измерить - его как раз 0,0005% Звуку это не сильно помогло.

Вообще получение живого звука из системы - еще та проблемка. И как показывает практика прямое влияния на это обычных измеряемых искажений сильно преувеличено. Что я и услышал, так и есть.