Основные понятия звукотехники

В некотором смысле звукотехника - это наука об искажениях, с которыми ведется непрерывная борьба на всех участках звукового пути. Все искажения можно условно подразделить на линейные и нелинейные. Первые влияют только на уровень и форму сигнала, изменяя их, вторые же добавляют в сигнал посторонние продукты, которых не было в изначальном входном сигнале.

К нелинейным искажениям относятся THD (Total Harmonic Distortion) - гармонические (и субгармонические) искажения, IMD (Intermodulation distortion) - интермодуляционные искажения (комбинационные, разностная и суммарная частоты), самые заметные на слух, динамические (клиппинг, "ступенька", перемодуляция).

К линейным - амплитудно-частотные (искажения АЧХ, то есть неравномерность), фазово-частотные (ФЧХ), временные, пространственные (например, связанные с направленностью), переходные (искажения переходных процессов).

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика - зависимость, выраженная графически, между постоянным уровнем входного сигнала и уровнем выходного на рабочей полосе частот. Весьма интересная (и хитрая) характеристика, которая обычно неплоха на декларируемых номинальных уровнях входного сигнала, хотя в случае изменения (понижения) этого уровня часто разъезжается по швам. То есть при уровне -20 dB (в 10 раз меньше), прежде относительно линейная характеристика усилителя (владельцы советских амплиферов обычно очень гордятся этими характеристиками), например 20-20.000 гц по среднеоктавному уровню -0,2 dB при входном сигнале 1v для УМЗЧ или 0,25v для полного/предварительного усилителя, становится совсем нелинейной и может сохраняться в данной полосе частот уже при отклонении в -5 dB. dB - децибел, в данном случае общепринятая единица относительной логарифмической шкалы при сравнении уровней сигналов. Относительно честно эта характеристика используется у производителей качественных магнитных лент, которые приводят замеры АЧХ на уровнях насыщения магнитной ленты (0 dB) и на уровне -20 dB, более информативном и наиболее статистически вероятном на реальном музыкальном сигнале.

Неравномерность АЧХ в полосе частот 100-8000 гц в АС категории Hi-Fi (High Fidelity - высокая верность звучания, изрядно затасканный термин) должна составлять не более 4 dB на октаву. А в студийных АС (мониторах) не более 1dB.

Эффективно воспроизводимый диапазон частот - диапазон, в пределах которого уровень звукового давления снижается на заданную величину по отношению к уровню, усредненному в некоторой полосе частот. В международном стандарте МЭК 581-7, определяющем минимальные требования к АС категории Hi-Fi, он составляет 50-12500 гц по уровню -8 dB по отношению к уровню звукового давления, усредненному в полосе 100-8000 гц.

По стандарту СТ СЭВ 1356-78, диапазон воспроизводимых частот, на нижней и верхней границах которого наблюдается снижение уровня звукового давления, также должен быть не уже 50-12500 гц. Отклонение частотных характеристик АС, совместно используемых в стереофонической аппаратуре, не должно превышать 3 дБ в полосе частот 250-8000 гц при усреднении характеристик в каждой октаве.

В случае акустических систем еще присутствует такая характеристика, как направленность. Каждый динамик имеет свою характеристику направленности. Обычно акустическая мощность нелинейно убывает при отклонении от центральной оси динамика (это не совсем так, часто присутствует лепестковая структура характеристики, где боковые лепестки, конечно, слабее основного), причем на разных частотах по разному. На низких частотах уменьшение акустической мощности при отклонении от оси динамика меньше, а в случае сабвуферов направленностью обычно вообще пренебрегают. Слушатель далеко не всегда не находится точно напротив акустической системы, и, при смещении слушателя в сторону, меняется уровень различных частот.

В первую очередь потери заметны в области высших звуковых частот. В многополосных АС использование узконаправленных твитеров (ВЧ-динамиков) может кардинально ухудшить звуковую картину при смещении слушателя на небольшое расстояние в сторону от оси. Акустические системы, имеющие хорошую АЧХ по оси, но узкую характеристику направленности, особенно с выраженной зависимостью ее ширины от частоты сигнала, звучат утомительно, жестко, стереообраз неустойчив и смещается в зависимости от распределения частот в сигнале. Очень острая характеристика направленности присуща планарным акустическим системам на базе электростатиков и изодинамических систем, что делает их весьма чувствительными к расположению относительно слушателя.

По существующим стандартам отклонение АЧХ от среднего значения под углами +- 20-30° по горизонтали или +- 5-10° по вертикали не должно превышать +- 4dB.

Часто встречается неправильное понимание термина эффективная полоса частот звукового тракта, когда говорят о том, что хотя верхняя среднестатистическая частота, улавливаемая человеческим слухом, имеет значение, равное 20.000 гц, но для усилителя необходимы еще более высокие частоты, так как с этим связывают такие понятия, как скорость нарастания сигнала и необходимость слышать обертона и гармоники верхних составляющих исходного сигнала. Тогда стоит понять, что из себя представляют гармоники.

Любой сигнал несинусоидальной формы всегда можно представить в виде одновременно воспроизводимого набора синусоидальных частот различных амплитуд и длительностей. Именно любой, сколь угодно сложной формы. Это называется разложением на гармоники, приведением к гармоническому ряду. Строго говоря, разложение на гармоники подразумевает разложение сигнала на набор кратных друг другу частот, а самая нижняя синусоида называется основной, первой гармоникой. Остальные гармоники называются по номерам, в соответствии с множителем кратности частоты, то есть вторая, третья и так далее.

Так вот, та верхняя синусоидальная частота, которую мы слышим, предположительно является частотой 20 Кгц (реально часто 16-18Кгц и снижается с возрастом). И, даже если сигнал с частотой 20 Кгц будет представлять собой не синусоиду, то он все равно будет иметь основную гармонику частотой 20 Кгц, и именно ее мы и услышим, потеряв верхние гармоники. Слух здесь уже не заметит разницы между синусоидой 20 Кгц и сигналом несинусоидальной формы 20 Кгц, но с основной гармоникой с таким же уровнем.

А скорость нарастания сигнала (еще один аргумент людей, ратующих за максимально высокие крайние верхние частоты усилителей, лежащие в ультразвуковой области или выше) может ограничивать синусоиду только в том случае, если эта характеристика имеет фазовый наклон меньше 45 градусов (самый крутой участок синусоиды в точке пересечения с нулем). Это значит, что для правильного воспроизведения необходима вполне конечная величина, и если это величина постоянная вне зависимости от частот, то она критична только в области самых высоких частот, обычно лежащих за пределами звукового диапазона. Она определяется способностью плеч каскадов усилителя быстро открываться и запираться, а также способностью схемы питания максимально быстро выдать необходимый ток в нагрузку. Наиболее критичными звеньями в данном аспекте являются блок питания и цепи выходных каскадов.

Коэффициент гармонических искажений (TDH, Total Harmonic Distortion) - как уже понятно из текста выше, обозначает вес дополнительных гармоник в исходно синусоидальном сигнале одной частоты после прохождения его через искажающий тракт. Данный коэффициент вычисляется как квадратный корень отношения суммы мощности всех гармоник, кроме основной, к мощности полезного сигнала. Иногда, для упрощения измерений, используется уровень только третьей гармоники, что не обязательно отражает общий уровень гармонических искажений. Следует заметить, что это не совсем корректно, так как заметность высших гармоник возрастает с их номером (кроме того, нечетные гармоники наиболее неприятны на слух, в отличие от четных). То есть, частота тона, отстоящего дальше по полосе частот от основного, более заметна на его фоне. Естественно, в пределах звуковой полосы частот, что объясняет и меньшую заметность гармонических искажений частот в верхней части звукового диапазона, за пределами восприятия слуховым аппаратом. Что касается большей заметности гармоник с большим номером, то было бы правильнее давать им большие весовые коэффициенты при сравнениях устройств, тогда можно понять, почему искажения усилителя с общим уровнем 0,08 % иногда заметнее 3% искажений акустики.

Дело в том, что акустические системы имеют в рабочем диапазоне мощностей монотонный спад рисунка искажений, когда уровень гармоники с большим номером падает быстрее увеличения ее заметности, и, фактически, уровень уже 5-й - 7-й гармоники пренебрежимо мал. Аналогичная ситуация наблюдается при сравнении характеристик лампы с характеристиками биполярного транзистора. Высокие вторая (и третья) гармоники у лампы (пентода) компенсируются практически полным отсутствием 5 - 7-й и выше гармоник, тогда как у биполярного транзистора распределение уровней гармоник носит хаотичный характер, и гармоники с высоким порядком имеют уровни часто выше нижних. Понятно, что если замерять третью гармонику, лампа наверняка проиграет, но если замерять по взвешенным коэффициентам хотя бы до 10 - 15-й гармоники, то картина кардинально меняется. Понятно, что у ламповых схем часто присутствует хотя бы выходной трансформатор (лишний источник своих, специфических искажений), а у транзисторов минусом служит нестабильность моментальных термических характеристик, но это уже отдельная история.

Коэффициент интермодуляционных искажений, (InterModulation Distortion, IMD) - это относительный вес появляющихся перекрестных паразитных модуляций основных тонов после прохождения через схему. Субъективно более заметная характеристика, нежели гармонические искажения, по величинам близка.

В акустических системах категории Hi-Fi, согласно МЭК 581-7, рекомендуемый коэффициент нелинейных искажений должен быть не более 2% в области частот до 1000 гц, 1% выше 1000 гц.

По стандарту СТ СЭВ суммарный коэффициент гармоник в АС не должен превышать 3 дБ в диапазоне частот 250-2000 гц при плавном уменьшении до 1% на частотах от 1 до 2 кгц, и быть не более 1% в полосе 2-8 кгц (отдельные пики значений, выходящие за указанные пределы, не учитываются, если их число не превышает 3, а ширина, в допустимых пределах, составляет не более 1/3 октавы)

Номинальная и паспортная мощность громкоговорителя

Номинальной мощностью громкоговорителя называют ту подводимую к нему электрическую мощность, при которой нелинейные искажения не превышают значения, установленного для громкоговорителя данного типа, а паспортной - мощность, на которой громкоговоритель способен длительное время работать, не испытывая необратимых механических и тепловых повреждений. Очевидно, что первая величина всегда меньше второй.

Номинальная и максимальная мощность усилителя
Первая величина по смыслу совпадает с определением у АС, то есть это мощность, ограниченная заданной (номинальной) величиной искажений. Вторая величина отличается только количественно, она ограничена уже более высоким уровнем искажений, обычно 10%, и, конечно, тоже всегда выше первой величины (усилителей с номинальным уровнем искажений 10% я пока не встречал).

Соотношение сигнал/шум (SNR, Signal to Noise Ratio)

Бывает взвешенный (измеряемый в соответствии с кривой чувствительности человеческого слуха) и невзвешенный, (как есть). Если данные были получены при измерениях по взвешенной кривой, рядом со значением указывается A-weighting (измерения по сетке А). В современной технике величина достаточно низкая, чтобы на ней не зацикливаться.

Одно из немногих мест, где она имеет достаточный вес, это магнитная запись. Для борьбы с этим дополнительно могут использоваться шумоподавители двух видов:

Первые - класса "динамический фильтр", DNR (использующие эффект маскирования низкоуровневого шума большим полезным сигналом), "обрезающие" (уменьшающие) шумы при суммарном входном сигнале ниже определенного уровня. Они обычно используются на верхних звуковых частотах, как более заметных по шуму. В упрощенном виде работу DNR можно описать так - часть схемы отслеживает уровень на входе, при достижении некоторого нижнего порогового значения входного сигнала переключает управляемый фильтр, который уменьшает уровень усиления. Как правило, избирательность действия частотозависима (в соответствии с особенностями чувствительности слуха к частотному спектру). DNR позволяют несколько уменьшить шумы исходного сигнала (а не носителя, как во втором примере), работают только при воспроизведении и, очевидно, меняют и искажают исходный сигнал. Полезные низкоуровневые составляющие, находящиеся ниже порога срабатывания, например, "хвосты" (послезвучия) громких сигналов, попросту грубо отсекаются, что побуждает разработчиков вводить дополнительную задержку на выключение фильтра.

Вторые - компандерные шумоподавители (используемые зеркально, при записи-воспроизведении), при записи на ленту компрессирующие сигнал, при воспроизведении экспандирующие его по обратной зависимости, обычно используют один и тот же ключевой элемент для зеркальности характеристик. Разработчик - лаборатория "Dolby". Позволяют уменьшить шумы ленты, теоретически не воздействуя на исходный сигнал.

Если недостатки динамических фильтров очевидны (дискретность срабатывания, особенно заметная при подаче сильного НЧ-сигнала на вход пороговой схемы, пропускание шумов при входном сигнале выше порогового значения, неизбежные искажения на малых уровнях громкости, инерционность работы, несовпадение порогов и времени включения и отключения фильтра, где-то аналогично понятию "петля гистерезиса"), то ко вторым я отношусь скептически по другим, менее известным причинам. Известно, что система магнитная головка-лента обладает своей, не совсем линейной АЧХ и динамической характеристикой (как при записи, так и при воспроизведении). Также свой вклад в динамические, амплитудно-частотные и фазово-частотные искажения вносят входной контур предыскажений при воспроизведении, частотокорректирующие УВ и УЗ, выходной фильтр-пробка.

Уход характеристик сигнала, записанного даже на идеальной ленте, в идеальном тракте составляет ~ 20% в течение недели после записи, меняются динамические и частотные характеристики, проявляется копир-эффект. Получается, что идентичность входной и выходной динамических характеристик, необходимую для правильной работы компандера, реализовать на ленте просто невозможно, а значит сигнал, прошедший через компандерную схему, будет однозначно искажен. Где-то растянут, где-то сжат на динамической характеристике, да еще и по разному на разных частотах. Не секрет, что работа компандеров еще и частотозависима, то есть используются выделенные частотные каналы обработки, а более продвинутые варианты работают еще и на разных динамических уровнях, что в целом усугубляет общую картину динамических искажений. К сожалению, здесь присутствует парадокс - компандерная система, как раз предназначенная для борьбы с шумом носителя и только носителя, не в состоянии обеспечить (в течение некоторого отрезка времени) точную передачу сигнала из-за несовершенства (нестабильности) характеристик самого носителя.

Соотношение сигнал/фон. Последнее время несколько подзабытая, так как в явном виде (в виде постоянного гула) встречается редко, разве только при неисправностях БП. Характеристика, описывающая появление на выходе усилителя сигналов с посторонним происхождением и явно выраженной постоянной частотой. Например, появление частоты 50 гц промышленной сети переменного тока, проникающей через некачественные НЧ фильтры силовых источников питания усилителя, или появляющаяся в виде наводок.

Тогда низкочастотные составляющие полезного сигнала (вблизи частот, кратных 50 гц) оказываются промодулированными пульсациями выпрямителя. То есть возникают биения, более заметные на максимальной громкости. На слух это выражается в большей жесткости низкочастотных составляющих. Лечится более качественным источником питания или (!) введением глубокой ООС на НЧ в звуковом тракте. Причем второй способ в большей части недорогих схем выбирают чаще, так как это гораздо дешевле, хотя и вносит уже временные компенсационные искажения, не менее заметные на слух.

ФЧХ - фазово-частотная характеристика (субхарактеристика временных)

Одна из наиболее "забытых" характеристик, которая со времен середины столетия мало улучшилась в ряде систем, а где-то даже ухудшилась. Фазово-частотные искажения встречаются во всех звеньях тракта: в цепях передачи сигнала, в усилителях, в колонках... Сначала стоит вспомнить один из основных принципов психоакустики - в случае двух различных звуковых сигналов с равной интенсивностью для слуха, приходящих к слушателю с небольшой задержкой одного относительно другого, слушатель скорее отреагирует на первый из них, проигнорировав второй, хотя абсолютная взвешенная громкость их будет равна. Данный факт используется при кодировании (а именно сжатии с потерями) в формате MP3, используется в технологии A3D, практически во всех звуковых технологиях, использующих психоакустические методы.

Сигнал, прошедший через звенья звукового тракта, включающего в себя не только электронику, но и акустические системы, претерпевает задержки во времени, разные на разных звуковых частотах. Задержки очень немаленькие, выражающиеся в относительном, фазовом выражении в величинах, близким к единицам пи по ширине рабочей полосы частот. То есть, сигналы низкой звуковой частоты и высокой звуковой частоты могут быть сдвинуты друг от друга по времени на период верхней частоты, что существенно отражается на восприятии и точности звуковой картины. Кроме того, данный параметр мало стандартизован, почему в бытовой ширпотребной звуковой технике часто не оптимизируется, не декларируется (впрочем, не декларируется и даже в очень дорогой технике), хотя очень важен для субъективного восприятия. Это вам не сотые-тысячные доли процента в случае искажений! Надо понимать, что музыкальный сигнал является комплексным (не абстрактная синусоида), то есть здесь нужно не просто передать мощность, как по сетям электропитания 220v, а важна и синхронность разных частотных составляющих музыки.

Как видно из вышеизложенного, часто во многих аспектах звукопередачи для измерений используется какой-то срез характеристик при фиксированной третьей величине, что приводит к однобокой оценке звена звукового тракта. Да и слишком много факторов, одновременно влияющих на звук, к тому же разделить их друг от друга намного сложнее, чем, скажем, в видео. Именно поэтому опытные меломаны так часто продекларированным измерениям характеристик устройств предпочитают непосредственное прослушивание, как более верный способ получить представление об объекте. На возможное возражение, что этот способ субъективен, можно ответить тем, что и уши, и вкусы у всех слушателей разные.

Хотя лучшая оценка звена тракта - то, что он никак не влияет на звук и не видоизменяет музыкальный сигнал. С другой стороны, студийная техника часто звучит бледно, пресно, чересчур ровно и правильно, тогда как какой-нибудь дорогой однотактный ламповый усилитель по отношению к сигналу ведет себя как эксайтер, добавляя гармоники в широком спектре, делая звук более домашним, теплым, приятно окрашенным (как покоробит кого-то это выражение!), щедро политым соусом из свойственных ему искажений, но зато не имеющий компрессии на малых уровнях громкости, как в любом двухтактном усилителе (кроме класса А), и следовательно, высокую линейность динамического диапазона. Поэтому выбор звеньев системы - дело сугубо индивидуальное, каждый сам выбирает то, что ему слушать, и что нравится именно ему.