Физическая природа нелинейных искажений и причины их возникновения

При записи, передаче и воспроизведении музыкальных сигналов через аудиоаппаратуру возникают искажения, которые делятся на линейные и нелинейные.

К линейным искажениям звукового сигнала относятся изменения соотношений между амплитудами частотных составляющих сигнала при передаче его по тракту. Эти искажения называют частотно-амплитудными или просто частотными. Причиной их возникновения является неравномерность амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной (ФЧХ) характеристик в каждом элементе звукового тракта. Такая неравномерность субъективно воспринимается, как изменение, но не искажение тембра сигнала.

Нелинейные искажения – те, которые возникают в том случае, когда входной сигнал появляется на выходе устройства в деформированном виде, то есть когда его форма отлична от первоначальной.

Процесс возникновения таких искажений можно описать следующим образом. Когда сигнал, состоящий из двух частот, подаётся на вход усилителя с нелинейной характеристикой, это приводит к генерированию гармоник (обертонов) не только от этих двух частот, но также и от частот, являющихся их математической суммой и разницей. Появление множества гармоник и является причиной изменений формы волны, ощущаемых на слух как искажение тембра звукового сигнала. При большом значении гармоник тембр меняется до неузнаваемости, появляется шум, треск.

Музыкальные звуки представляют собой сложный сигнал с богатым спектром, где различные частоты, и степень их присутствия в сигнале постоянно изменяется во времени. Поэтому набор возникающих при прохождении звукового тракта гармоник будет непостоянным и сложным.

Гармоники – неотъемлемая часть тембра любого музыкального инструмента. В зависимости от некоторых параметров они могут как обогащать звук, так и искажать его.

Гармоники подразделяются на следующие виды. Частоты кратные двум - двойные, четверные, и т.д. - называются четными, а остальные, соответственно, нечетным. Стоит сказать, что нечетные гармоники более неприятны на слух, чем четные. Также для простоты гармоникам присваиваются номера (порядки) - вторая, третья и так далее. Большинством гармоник (выше седьмой) можно пренебречь – во-первых, их амплитуда уже ничтожно мала, а во-вторых, они уже начинают выходить за предел слышимости по высоте.

В зависимости от способа возникновения гармоник в сигнале нелинейные искажения подразделяются на следующие виды.

Гармонические искажения – это вид нелинейных искажений, представляющий собой набор частот, кратных основной.

C музыкальной точки зрения гармоники имеют вполне определенный смысл. Именно они придают окраску звучанию музыкального инструмента, и именно благодаря обертонам каждый музыкальный инструмент имеет свой неповторимый тембр. Поэтому гармоники не являются антимузыкальными звуками; на самом деле они являются основой богатства музыкальных звуков. Например, вторая гармоника - это та же нота, что и основной тон, только октавой выше, четвертая - двумя октавами выше. Эти гармоники придают звуку объем, делают его сочнее, так как звучат слитно с основным тоном и его подчеркивают. Третья гармоника - это квинта через октаву, шестая - через две. Если играется более одной ноты, то эти гармоники могут диссонировать друг с другом или с основными тонами, звучание будет неприятным на слух.

Появление новых гармоник как результат нелинейности системы, хоть и меняет тембр звука, но не воспринимается так неприятно, как появление интермодуляционных гармоник, ранее отсутствовавших в сигнале.

Интермодуляционные искажения приводят к более заметным искажениям звука, поскольку представляют собой набор гармоник от новых, так называемых комбинационных тонов, которые по частоте отличаются от основных тонов и не являются кратными им. Такие искажения зависят от абсолютного уровня сигнала, его частотного диапазона, его сложности, соотношения между пиковым и усреднённым сигналом, от формы волны сигнала.

В целом при возникновении нелинейных искажений присутствуют оба вида: гармонические и интермодуляционные. Часто уровни громкости интермодуляционных искажений превышают в три или четыре раза уровни громкости гармонических искажений, что само по себе довольно типично для сложных сигналов. Основными источниками таких искажений являются усилители и динамики мультимедийных акустических систем.

Нелинейными искажениями сопровождается как оцифровка звука, так и восстановление сигнала из цифрового вида в аналоговый.

Сейчас аналоговыми устройствами являются только микрофоны, звукосниматели электромузыкальных инструментов и предварительные усилители, иногда микшеры. Далее звуковой сигнал оцифровывается, и вся последующая работа ведется уже с цифровыми данными.

Цифровой звук дискретен. С определенной частотой измеряется мгновенное значение звукового давления, и только в эти моменты и производится запись. Если за время между измерениями сигнал существенно изменился, то это приведет к потере или искажению информации. По теореме Котельникова – Найквиста, для оцифровки звука необходимо применять частоту дискретизации (частоту, с которой производятся измерения) не менее удвоенной верхней частоты рабочего диапазона. Это связано с тем, что при оцифровке сигнала изменяется его спектр.

В аналоговых системах нелинейные искажения сигналов малого уровня обычно гораздо меньше, чем искажения сигналов большого уровня. В цифровых системах ситуация принципиально иная – чем меньше амплитуда входного сигнала, тем сильнее искажения. Причина заключается в том, что квантование — нелинейный процесс со ступенчатой характеристикой. В цифровых системах уменьшение уровня сигнала приводит к росту коэффициента гармоник, поскольку в диапазоне значений, соответствующих размаху сигнала, остается все меньше уровней квантования, возрастает количество нечетных гармоник.

Превышение допустимого уровня сигнала (перегрузка) при записи также ведет к искажениям. В аналоговой аппаратуре при этом происходит ограничение сигнала (максимальный коэффициент гармоник около 30%), в то время как в цифровой могут быть утеряны старшие разряды (максимальный коэффициент гармоник ничем не ограничен), что приводит к гораздо более сильным, резким и заметным на слух искажениям.

Таким образом, в аналоговых системах всегда есть некоторая защитная область между границей линейной части амплитудной характеристики и насыщением. В цифровых системах такой области нет, поэтому перегрузка недопустима.

Дата добавления: 2015-07-08