Sound Consulting
Проектирование студий звукозаписи и звуковых систем
Интермодуляционные искажения – неуловимый враг
Очень часто при выборе усилителей, мониторов и пр. мы руководствуемся такими их характеристиками, как мощность, амплитудно-частотная характеристика и т.д. Более опытные пользователи интересуются коэффициентом гармонических искажений. В то же время мало кто интересуется характеристикой интермодуляционных искажений, хотя их пагубное воздействие на восприятие прибора может быть во много раз сильнее, чем гармонических искажений. Кроме того, интермодуляционные искажения очень трудно измерить и определить. Об этом и пойдёт речь ниже.
Во многих публикациях неоднократно упоминалось о том, что между точными цифровыми значениями гармонических искажений и субъективно воспринимаемым качеством звучания практически не существует никакого прямого соответствия – по крайней мере, ниже определённого порога, который находится на удивление высоко. В своей книге «Воспроизведение звука» Гилберт Бриггс (Gilbert Briggs) начинает главу, которая посвящается интермодуляционным искажениям, словами Милтона (Milton): «Ужасен был шум битвы…» Может быть, что в этом и заключается причина того, что объективные измерения гармонических искажений удручающе плохо соотносятся с их субъективным восприятием.
Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют такие частоты, которые изначально отсутствовали во входном сигнале.
Например, если взять волну синосуидальной формы, то вследствие привносимых нелинейных искажений её форма изменяется, становится другой, и синусоидальный сигнал какой-то определённой частоты в результате этих искажений начинает содержать также сигналы других частот. Другими словами, если форма колебания не синусоидальна, значит, в его составе обязательно есть ещё какие-то иные частоты.
Если с помощью спектроанализатора просмотреть получаемый в итоге выходной сигнал с клиппирующего усилителя, мы увидим гармоники, частота которых в 2 раза, 3 раза, 4 раза и так далее выше основной частоты волны синусоидальной формы. Точно таким же образом прогрессирующая нелинейность громкоговорителей создаёт другие (возможно более утончённые и менее заметные) искажения, которые постепенно нарастают по мере увеличения громкости. Однако музыкальные сигналы не являются синусоидальными. Они содержат одновременно большое количество разных частот, и степень их присутствия в сигнале постоянно изменяется во времени.
Когда сигнал, состоящий из двух частот, подаётся на вход усилителя с не очень линейной характеристикой, это приведёт к генерированию гармоник (обертонов) не только от этих двух частот (гармонические искажения), но также и от частот, являющихся их математической суммой и математической разницей (интермодуляционные искажения).
Например, если у нас есть сигнал, состоящий из двух частот – 1000Hz и 1100Hz, – то на выходе усилителя будут также генерироваться сигналы частотой 2100Hz (1000Hz плюс 1100Hz) и частотой 100Hz (1100Hz минус 1000Hz). Причём это лишь производные гармоники первого порядка. Если же мы берём две частоты, которые отстоят друг от друга на квинту – например, сигналы частотой 1000Hz и 1500Hz, – то первыми парами гармонических искажений будут сигналы на частотах 2000Hz и 3000Hz (гармоники второго порядка), а также сигналы на частотах в 3000Hz и 4500Hz (гармоники третьего порядка). Относительно сигнала частотой 1000Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно октавой, квинтой через октаву (дуодецимой – А.К.), и секундой через две октавы (ноной через октаву – А.К.). Относительно сигнала частотой 1500Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно квартой, октавой и квинтой через октаву (дуодецимой – А.К.). Таким образом, производные гармоники обеих частот в музыкальном смысле соотносятся с обоими основными тонами. Это не удивительно, потому что все музыкальные инструменты создают естественные гармоники (обертоны).
Теперь, если мы рассмотрим интермодуляционные составляющие, то они будут представлять собой на просто генерирование сигналов с увеличением частот в определённое количество раз (что, собственно, и является обертонами), а генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью частот генерируемых обертонов, например: f1 + f2, f1 – f2, 2*f1 – f2, 2*f2 + f1, и т.д. Эти комбинации могут производить интермодуляционные частоты, которые в музыкальном смысле не всегда соотносятся с основными частотами.
Более того, когда создаётся или воспроизводится комплексный музыкальный сигнал, то сложное спектральное распределение результатов интермодуляции не только не способствует обогащению гармонической структуры музыки (как это происходит за счёт проявления гармонических искажений, по крайней мере, гармоник-обертонов низших порядков), но и всё больше начинает напоминать обычное добавление шума.
Когда мы измеряем гармонические искажения, то мы пытаемся измерять степень нелинейности системы. В громкоговорителях подобные эффекты возникают вследствие таких явлений, как нелинейность упругости подвижной системы (подвеса) диффузора или нелинейность в поведении магнитных полей при различных условиях возбуждения. Мы рассматриваем результаты работы громкоговорителя, как системы с несимметричным поведением на разных уровнях громкости, что и приводит к нелинейным явлениям на акустическом выходе с него. Если бы громкоговоритель представлял собой систему с симметричным поведением на разных уровнях громкости, и если бы в этой системе отсутствовали возможные причины нелинейности, то на акустическом выходе отсутствовали бы и гармонические искажения (обертоны). Это значит, что если на выходе с любой системы присутствуют гармонические искажения, то эта система обладает некоторой нелинейностью, что потянет за собой также генерирование интермодуляционных искажений.
Основной вывод в понимании всего ранее сказанного заключается в том, что картины гармонических искажений не могут демонстрировать нам возникновение тех процессов, которые могут привести к «немузыкальности» системы. Более того, прямое сравнение разных устройств по картинам их гармонических искажений может очень сильно ввести в заблуждение относительно действительного качества их звучания. Одним из наиболее очевидных примеров являются ламповые усилители. Часто считается, что они звучат «лучше», чем транзисторные усилители, имеющие значительно меньше искажений.
Вне всякого сомнения, интермодуляционные искажения (IMD) являются врагом – врагом реальным и скрытым. И если перед нами стоит цель уменьшить гармонические искажения, с этим врагом приходится воевать. Русский электроакустик Александр Войшвилло был вдохновителем поиска средств измерения и сравнения частотных характеристик интермодуляционных искажений. С его работами рекомендуется ознакомиться всем тем, кто стремится к расширению своих познаний в этой области (1,2,3,4) .
Рисунок 1. 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%
Почему же мы тогда измеряем гармонические искажения? Один из наиболее вероятных ответов таков: «Потому что умеем». Нет никаких сомнений, что таким образом мы в некоторой мере измеряем нелинейность системы, но многолетняя практика показывает, что результаты этих измерений очень плохо соотносятся с воспринимаемым на слух качеством звучания громкоговорителей. Конечно, гармонические и интермодуляционные искажения появляются в результате работы одних и тех же «механизмов». Но интермодуляционные искажения очень трудно поддаются измерениям, поскольку происходят процессы, когда одни частоты генерируют другие, и количество таких вариаций – огромно до бесконечности.
Между гармоническими и интермодуляционными искажениями нет никакой «магической» зависимости. Интермодуляционные искажения зависят от абсолютного уровня сигнала, его частотного диапазона, его сложности, соотношения между пиковым и усреднённым сигналом, от формы волны сигнала, а также от взаимодействия между вышеупомянутыми факторами, да и по другим причинам.
В некоторых довольно простых случаях можно утверждать, что уровни громкости интермодуляционных искажений являются в три или четыре раза более высокими, чем уровни громкости гармонических искажений, что само по себе довольно типично. Но в случаях с использованием сложных комплексных музыкальных сигналов все соотношения, которые вначале кажутся довольно устойчивыми, разваливаются как карточный домик. Очень сложно изобрести какой-то простой испытательный сигнал, применение которого могло бы обеспечить реалистические и достоверные результаты, а именно те результаты, по которым можно было бы сравнить интермодуляционные показатели и качество работы двух систем. Вот что по этому поводу говорит Александр Войшвилло: «Ввиду того, что динамическую реакцию сложной нелинейной системы, такой как громкоговоритель, нельзя экстраполировать из его реакции на простые тестовые сигналы (например, sweep-тест), то пороговые величины, выраженные как реакция громкоговорителей на такие сигналы (общая картина гармонических искажений, отдельные гармоники (обертоны) и интермодуляционные искажения между двумя звуками) могут не быть вескими и не соответствовать действительности»
Похоже на то, что интермодуляционные искажения являются наипервейшим врагом разработчиков громкоговорителей. И не имеет никакого значения, осознают ли это сами разработчики или нет. Тем не менее, любое количественное выражение интермодуляционных искажений – будь оно числовым или графическим – должно иметь какое-то соотношение с психоакустическим восприятием проблемы. До сих пор из-за недостоверности получаемых результатов ни одна подобная система так широко и не распространилась. Так как все попытки создать такую систему заканчивались неудачами, интермодуляционные проблемы начали игнорироваться и на них просто закрыли глаза.
Не следует забывать, что интермодуляционные искажения в сложных комплексных сигналах склонны к тому, чтобы превращаться в модулированный шум. Это несколько напоминает ситуацию, когда Вы пытаетесь дома послушать хорошую hi-fi систему, а в это время кто-то за окном орудует бензопилой. Уровень генерации шума зависит от уровня громкости и спектральной плотности музыки, хотя и здесь прямой зависимости нет. При существовании интермодуляционных искажений теряется чистота и проницательность звучания, пропадает деталировка на низких уровнях сигнала, теряется характерная «лёгкость» звучания. Очень серьёзно страдают от интермодуляционных искажений духовые оркестры и хоры. Если Вы привыкли слушать их вживую, то прослушивание тех же композиций через громкоговорители может очень сильно Вас разочаровать. Когда все источники звука находятся в разных точках пространства (как музыканты оркестра или хора), то интермодуляционных искажений возникает немного. Но когда они все вместе смикшированы и воспроизводятся через пару акустических систем, проявление интермодуляции становится очевидным. И не стоит винить во всех бедах исключительно громкоговорители и акустические системы. Микрофоны, электронные приборы и цифровые конвертеры также причастны к этому и в ответе за такое положение.
Рисунок 2. 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. (предоставлено Александром Войшвилло)
Графики на рисунках 2 и 3 были основаны на результатах использования мультичастотного исследования, когда через систему одновременно пропускается несколько сигналов разных тонов. Частоты выбирались из такого расчёта, чтобы максимально разделить генерируемые частоты интермодуляционных составляющих, что помогло бы более точно увидеть возможную проблемную область. Сигналы с неправильно подобранными частотами могли бы привести к частотному совпадению интермодуляционных результирующих, что в свою очередь могло бы привести к некоторой маскировке проблемы. Так вот, мультичастотные исследования демонстрируют, что во многих случаях общее количество интермодуляционных искажений может быть почти в четыре раза большим, чем измеренное суммарное значение коэффициента нелинейных искажений! Отсюда можно сделать вывод: то, что люди часто считают гармоническими искажениями, на самом деле большей частью состоит из интермодуляционных искажений. Это помогает объяснять, почему замеренное суммарное значение коэффициента нелинейных искажений так плохо соотносится с тем реальным звучанием, которое мы воспринимаем на слух. Дело в том, что воспринимаемые слухом искажения, скорее всего, являются именно интермодуляционными искажениями, которые невозможно ни измерять, ни определить их количество.
Различные исследования показали, что гармонические искажения и интермодуляционные искажения начинают быть заметными на слух на разных уровнях. При этом уровень «прослушиваемости» интермодуляционных искажений составляет всего лишь десятую часть от уровня «прослушиваемости» гармонических искажений. Конечно же, такая ситуация обусловлена негармонической антимузыкальной природой интермодуляционных искажений, из-за чего они «бросаются в глаза» (в уши? ) при намного более низких уровнях. Таким образом, если увеличить в четыре раза количество того, что обладает десятикратно более сильным раздражающим действием, получится, что проблема интермодуляционных искажений в 40 (!) раз острее проблемы гармонических искажений. С помощью статической полиноминальной модели пятого порядка было даже продемонстрировано, что у одной и той же системы нелинейность взаимодействия типа 2*fi + fj может быть на 34dB больше, чем гармонического искажения пятого порядка в той же самой системе.
Исключительную чистоту звучания системы мониторов, показанной на фотографии в начале статьи, Войшвилло объясняет не только тем, что независимые записи инструментов отправлены в независимые мониторы (на 16 мониторов подаются сигналы с разных дорожек многоканального магнитофона), но ещё и тем, что звук распространяется через разные «воздушные каналы» между мониторами и ушами слушателей. На низких уровнях звукового давления эта идея не согласуется с концепцией линейной суперпозиции акустических волн, но концепция нелинейной интерференции для высоких уровней звукового давления уже была экспериментально доказана. 7
Рисунок 3. Интермодуляционные искажения. Искажение сферической волны при перемещении в среде. Уровень звукового давления на расстоянии в 5 метров – 110 dB. Радиус источника — 0,5 метра. На первом графике – уровень звукового давления в dB, на втором графике – процентное соотношение интермодуляционных искажений по отношению к основным частотам. (предоставлено Александром Войшвилло)
Энтони Нью приводит некоторые интересные данные в своих двух статьях, озаглавленных «В коэффициентах гармонических искажений нет никакого смысла». И хотя в этих статьях он пользуется данными по усилителям радиочастот, он приводит графики интермодуляционного взаимодействия двух, трёх и четырёх частот, которые одновременно подаются на вход с уровнем около 65 dB выше фонового шума. На графике, характеризующем взаимодействие двух частот, над уровнем фонового шума чётко просматриваются четыре интермодуляционные составляющие. На графике, характеризующем взаимодействие трёх частот, над уровнем фонового шума просматриваются уже девять интермодуляционных производных; а на графике, характеризующем взаимодействие четырёх частот, таких составляющих уже больше тридцати! С увеличением количества возбуждающих частот резко возрастает число интермодуляционных производных, потому что ещё и сами производные начинают интермодулировать между собой. Не нужно обладать большим воображением, чтобы представить себе результаты такого процесса для сложного музыкального сигнала. Получится хаотический модуляционный шум, который по уровню, может быть, всего на 40 dB тише, чем собственно музыка. Аргументация Энтони Нью является достаточно убедительной.
Может быть, Энтони Нью несколько переборщил, когда сказал, что «измерять коэффициент гармонических искажений – бессмысленно». Но в каком-то смысле такое высказывание является справедливым. Общеизвестно, что многие ламповые усилители производят значительно более высокие уровни гармонических искажений второго порядка, чем транзисторные усилители хорошего качества, но эти искажения не воспринимаются на слух, как искажения. Это можно объяснить исходя из свойств генерации искажений второго порядка. На самом деле, нелинейность второго порядка не даёт нечётных, неприятно и диссонансно звучащих интермодуляционных сочетаний типа f1 + 2*f2. От нелинейностей второго порядка образуется меньше производных, да и уровни их меньше, чем у производных более высоких порядков. Как недавно упоминалось, плотность и совокупный уровень производных высоких порядков может очень быстро нарастать. Частоты в них распределяются по типу хаотичного шума, и музыка замаскировать его не может.
Когда ламповые усилители генерируют гармонические искажения второго порядка, это может даже приятно восприниматься на слух. Но что по-настоящему приятно в таких усилителях, так это минимум нечётных интермодуляционных производных более высоких порядков. Можно также утверждать, что всё это в целом справедливо и по отношению к усилителям класса А, у которых на всех уровнях отсутствуют артефакты от искажений в кроссовере. На самом деле, становится ясно, что гармонические искажения – это не некий отдельный вид искажений, а особый вид интермодуляционных искажений. Если для проверки интермодуляции используется несколько частот, и при этом существует возможность их индивидуально регулировать, то при соответствующей настройке – когда между частотами образуются консонирующие интервалы, а все частоты в целом сольются в одном благозвучном аккорде – генерироваться будут только гармонические искажения. Может быть, так легче себе представить, что оба вида искажений получаются за счёт одного и того же нелинейного механизма.
В электромеханических системах, таких, как громкоговорители, наличие нелинейных возвратных сил в механике подвижной системы – это ещё один источник интермодуляционных и гармонических искажений. Под воздействием сложного композитного музыкального сигнала может возникать сложная упругая деформация подвижной системы, и в этом случае нет ничего похожего на электрические причины возникновения нелинейностей, как это происходит, например, в усилителях. Магнитная нелинейность B1 (силовой фактор) и модуляция магнитного потока могут быть основными причинами интермодуляционных искажений. Это может объяснять, почему один процент гармонических искажений второго порядка может отлично звучать на одном устройстве, и в то же время, совершенно невыносимо – на другом. В этом случае мы сравниваем не уровень гармонических искажений второго порядка, а существование иных нелинейных артефактов, возникающих за счёт иных нелинейных механизмов или систем. Такие механизмы могут также вызывать возникновение фазовых искажений динамического характера, которые могут влиять на качество восприятия стереофонии.
Требуется проделать большую работу как по сокращению, так и по эффективному измерению интермодуляционных искажений. Одна из причин, вследствие которой производители оборудования не торопятся этим заниматься, состоит в том, что они не желают заниматься теми усовершенствованиями, которые из-за отсутствия общепринятых спецификаций нельзя доказать в рекламной и коммерческой литературе. Достоверный способ соотношения результатов объективных исследований с результатами субъективных тестов мог бы стать мощным стимулом для решительного наступления на интермодуляционные искажения. Тем не менее, утверждение, что воспринимаемая на слух чистота звучания любой аудиосистемы является прямым результатом отсутствия в ней интермодуляционных искажений, может считаться справедливым.
Источник
