Нелінійні спотворення, основи електроакустики

нелінійні спотворення

Нелінійними спотвореннями називають спотворення сигналу, обумовлені нелінійністю залежності між вторинним і первинним сигналами в стаціонарному режимі. В результаті нелінійних безінерційних спотворень вхідного сигналу синусоїдальної форми виходить вихідний сигнал складної форми y = y0 + v1x + v2x2 + v3x3 +. де: x - вхідна величина; y0 - постійна складова; v1 - лінійний коефіцієнт підсилення; v2, v3. - коефіцієнти нелінійних спотворень.

В системі з нелінійної передавальної характеристикою виникають спектральні складові, яких не було на вході - продукти нелінійності. При подачі на вхід такої системи сигналу з єдиною частотою f1 на виході з'являться складові з частотами f1, 2f1, 3f1 і т.д. Якщо ж на вхід подається сигнал, що складається з декількох частот f1, f2, f3. то на виході системи крім гармонійних складових додатково з'являться і так звані "комбінаційні складові" з частотами n1f1 ± n2f2 ± n3f3 ±. де n = 1, 2, 3. При подачі звуків із суцільним спектром виходить також суцільний спектр, але зі зміненою формою обвідної спектра.

Нелінійні спотворення прийнято оцінювати коефіцієнтом нелінійних спотворень, що є відношенням ефективних значень гармонік до ефективного значенням сумарного вихідного сигналу і вимірюється у відсотках. Тут An - амплітуди складових з частотами nf. Наведена поруч спрощена формула справедлива для випадків, коли спотворення невеликі (К<=10%). Различают два типа нелинейности: степенную и нелинейность из-за ограничения амплитуды. Последняя делится на ограничение сверху и ограничение снизу (центральное). При первом виде ограничения искажаются только громкие сигналы, при втором - все сигналы, но более слабые искажаются сильнее, чем громкие. Нелинейность искажения гармонического вида и комбинационных частот ощущается как дребезжание, переходящее в хрипы при значительном искажении на высоких частотах. Нелинейные искажения в виде разностных комбинационных частот вызывают ощущение модуляции передачи. При сужении полосы частот нелинейные искажения становятся менее заметными. Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между имеющимися спектральными компонентами сигнала и за счет этого искажают его временную структуру. Такие изменения воспринимаются как искажения тембра или «окрашивание» звука.
При звукопередача первинні співвідношення між частотними компонентами звуку повинні бути збережені. У зв'язку з цим, якість будь-якої ділянки звукового каналу оцінюється його амплітудно-частотної (скорочено частотної) характеристикою, для позначення якої часто використовують абревіатуру АЧХ. Під АЧХ розуміють графік залежності коефіцієнта передачі від частоти сигналів, що подаються на вхід даної ділянки каналу або окремого звукотехнічного пристрою. Коефіцієнт передачі - це відношення величин сигналів на вході підсилювача і його виході.
Частотна характеристика тракту передачі (частотна залежність коефіцієнта передачі) змінює співвідношення між амплітудами частотних складових. Це призводить до суб'єктивного відчуття зміни тембру. Показником ступеня частотних спотворень, що виникають в будь-якому пристрої, служить нерівномірність його амплітудно-частотної характеристики, кількісним показником на будь-якої конкретної частоті спектра сигналу є коефіцієнт частотних спотворень.

Нелінійні спотворення викликані нелінійністю системи обробки і передачі сигналу. Ці спотворення викликають появу в частотному спектрі вихідного сигналу складових, відсутніх у вхідному сигналі. Нелінійні спотворення представляють собою зміни форми коливань, що проходять через електричний ланцюг (наприклад, через підсилювач або трансформатор), викликані порушеннями пропорційності між миттєвими значеннями напруги на вході цього ланцюга і на її виході. Це відбувається, коли характеристика вихідної напруги нелінійно залежить від вхідного. Кількісно нелінійні спотворення оцінюються коефіцієнтом нелінійних спотворень або коефіцієнтом гармонік. Типові значення КНІ. 0% - синусоїда; 3% - форма, близька до синусоїдальної; 5% - форма, наближена до синусоїдальної (відхилення форми вже помітні на око); до 21% - сигнал трапецеидальной або ступінчастою форми; 43% - сигнал прямокутної форми.