Костин В. Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ Радио №12 1987 г.
Проблема высококачественного воспроизведения звука волнует широкие круги радиолюбителей не первый год. В журнале неоднократно публиковались материалы, в которых отдельные авторы высказывали свое отношение к этой проблеме, предлагали пути ее решения. Однако до сих пор не удалось выработать достаточно научно обоснованных критериев оценки качества звучания. Учитывая данное обстоятельство, а также повышенный интерес наших читателей к этому вопросу, редакция решила продолжить дискуссию по проблеме оценки качества звучания и предлагает радиолюбителям принять в ней участие. В этом номере журнала на суд читателей выносится статья, написанная специалистом в области психоакустики В. Костиным. В ней сделана попытка рассмотреть вопросы высококачественного звуковоспроизведения с учетом особенностей слухового восприятия человека.
В 60-х годах текущего столетия для оценки качества звучания высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуры широко использовался очень емкий, но безразмерный термин "высокая верность воспроизведения звука". В настоящее время термин этот, к сожалению, забыт, а качество звучания оценивается с помощью таких измеримых параметров, как коэффициент гармоник (Кг), коэффициент интермодуляционных искажений (Ки), наличие динамических искажений (TIM - искажений) и ряда других, подробно описанных в литературе [1-3], но дающих далеко неполное и неистинное представление о качестве звучания того или иного звуковоспроизводящего устройства. Нередки случаи, когда при проведении слуховых экспертиз предпочтение отдается аппаратуре не с лучшими, а с худшими параметрами. В чем же здесь дело? А в том, что перечисленные выше параметры выбраны без учета особенностей человеческого слуха.
Психоакустические исследования [4], с которыми читатели познакомятся в этой статье, могут помочь им найти другой, более реальный подход к оценке качества звучания бытовой радиоаппаратуры.
Для начала рассмотрим кривые, приведенные на рис. 1.
Рассмотрим теперь, какие минимальные изменения уровня воспринимаются на слух.
Анализ кривых порогов слышимости, показанных на рис. 1 и 2, позволяет объяснить резкое увеличение чувствительности слуха к амплитудной модуляции частотой выше 200 Гц. Слуховое восприятие нижней боковой частоты модуляции определяется в этой области кривой АПС, эффект маскирования здесь минимален.
При прохождении музыкальных и речевых сигналов через предварительные усилители ЗЧ и усилители мощности изменяются фазовые соотношения между составляющими созвучий, проявляющиеся в виде так называемых временных искажений.
Пороговая величина воспринимаемого на слух временного сдвига зависит от характера звукового сигнала. Проделаем такой опыт. Пропустим через усилитель импульсный звуковой сигнал, содержащий высокочастотную и низкочастотную составляющие. Из-за временного сдвига между этими составляющими тембр исходного созвучия изменится. При импульсном характере сигнала пороговая величина слухового восприятия временного сдвига составит около 2 мс. Причем при уровнях звукового давления, превышающих АПС, эта величина практически не зависит от уровня.
Рассмотренные выше особенности слухового восприятия звукового сигнала позволяют сделать некоторые выводы о допустимых величинах Кг и Ки.
1. Анализ кривых, приведенных на рис. 1 и 2, показывает, что все гармоники с амплитудой ниже уровня, ограниченного кривой 2, будут неслышны. Создается впечатление допустимости большого числа и значительных по амплитуде гармоник высших порядков. Например, судя по рис. 1, уровень 15-й гармоники может достигать -30 дБ (здесь и далее уровень гармоник указан относительно максимальной мощности сигнала 1 кГц - 80 дБ). Однако на этот счет не следует обольщаться.
Во-первых, амплитуда допустимых с точки зрения слухового восприятия гармоник быстро падает с уменьшением уровня сигнала (рис. 2), например, при уровне 50 дБ амплитуды гармоник, вносящих наибольший вклад в Кг (со второй по шестую), должны быть ниже кривой АПС.
Во-вторых, сконструировать усилитель ЗЧ, амплитуды гармоник которого повторяли бы АПС, практически невозможно.
В-третьих, все сказанное справедливо для одночастотного сигнала. При усилении реального сигнала процессы возникновения продуктов нелинейности будут гораздо сложней. Поэтому при проектировании усилительного устройства следует стремиться к тому, чтобы спектр усиленного сигнала был ограничен пятью гармониками. Согласно рис. 1, уровни второй, третьей, четвертой и пятой гармоник не должны превышать соответственно -30, -46, -60 дБ, что соответствует Кг=3.32 %. Однако столь большая величина допустимого Кг не должна вызывать никаких иллюзий, поскольку она фактически на 99 % определяется уровнем второй гармоники, а те, кто серьезно занимаются разработкой аппаратуры высокой верности воспроизведения звука, понимают, как трудно сконструировать усилитель с резким спадом амплитуд гармоник высшего порядка, к которым наиболее чувствителен слуховой аппарат человека. Именно эта особенность слухового восприятия указывает на неправомочность рекомендаций некоторых авторов при выборе Кг усилителя мощности ЗЧ (УМЗЧ) принимать во внимание Кг электропроигрывателей и громкоговорителей. Эти устройства, в отличие от усилителей ЗЧ, не синтезируют гармоник высшего порядка, а потому вносимые ими искажения менее заметны на слух.
Выводы относительно допустимого Ки при анализе рис. 1 и 2 получить еще проще. Все сигналы с частотами, являющимися разностью или суммой двух не вызывающих биений тонов (т. е. не попадающих в заштрихованные области на рис. 1), должны лежать ниже уровня АПС, а это - 90 дБ (рис. 2). Такому уровню соответствует Ки=0.003%, и именно эта величина указана в [1, 5]. Особенно это относится к разностным сигналам, так как крутизна спада левой части кривой порога слышимости 2 (см. рис. 1) существенно выше правой. Действительно, если на вход усилителя подать два равных по амплитуде сигнала частотой, например, 19 и 20 кГц, мешающий сигнал суммарной частоты окажется далеко за пределами слышимого диапазона частот, а разностной частоты 1 кГц будет хорошо слышим, если Ки>0.003%, причем его уровень будет тем выше, чем больше Ки.
Сравнение требуемых значений Кг=3.32 % и Ки=0.003% показывает, что измерять нужно не первый, а второй параметр. В крайнем случае можно ограничиться измерением Кг, но в наиболее широком диапазоне частот. Рост этого коэффициента в диапазоне высших звуковых частот (10...20 кГц) косвенно свидетельствует о значительном Ки.
2. При использовании нестабилизированных источников питания низкочастотные составляющие с частотами вблизи 50, 100 и 200 Гц оказываются промодулированными пульсациями напряжения выпрямителя. На слух это воспринимается, как биения. Особенно сильно этот эффект проявляется при максимальной мощности УМЗЧ. Восприимчивость слуха к такого рода искажениям иллюстрирует рис. 3. По-видимому, наличием этих искажений можно объяснить, что при больших амплитудах пульсаций "басы" приобретают "жесткость". Глубина амплитудной модуляции определяется выходным сопротивлением выпрямителя и коэффициентом пульсаций питающего напряжения. Устранить этот эффект можно двумя методами.
Первый и самый очевидный - применение стабилизатора. Однако создание стабилизатора на ток порядка 10...15 А (в импульсе) дело довольно сложное и дорогостоящее. Второй метод - увеличение глубины ООС, что требует и соответствующего увеличения коэффициента усиления УМЗЧ (К0). Но по ряду причин (о чем будет сказано ниже) и это далеко не оптимальный вариант.
В последние годы за рубежом эта проблема решается введением дополнительной (помимо основной R2, R1, определяющей коэффициент усиления УМЗЧ по переменному напряжению Кu) цепи частотно-зависимой ООС (рис. 4). Она образована ОУ DA1, DA2. На ОУ DA2 собран интегратор с частотой среза fи=1/2p*R5C2. ОУ DA1 включен инвертером, через резистор R3 сигнал дополнительной ООС поступает в цепь основной ООС. Общая частота среза обеих цепей ООС равна:
fи=R2/2p*R5C2R3.
Необходимое значение частоты fи можно выбрать, руководствуясь зависимостями, приведенными на рис. 3.
Легко видеть, что значение fи должно лежать в диапазоне 2...5 Гц, поскольку он соответствует наименьшей чувствительности слуха к восприятию амплитудной модуляции.
Рассмотрим теперь те свойства УМЗЧ, которые приводят к возникновению динамических искажений, или, как их еще принято называть, TIM-искажений. Структурная схема типичного УМЗЧ подробно описана в [1], ее упрощенный вид с осциллограммами сигналов в различных точках приведен на рис. 4. Функции входного дифференциального каскада выполняет усилитель А1 с коэффициентом усиления K1. ФНЧ R4C1 формирует однополюсную АЧХ усилителя с главным полюсом на частоте f0 (рис. 5). Второй каскад представляет собой усилитель А2 с коэффициентом усиления К2. Весь усилитель охвачен цепью ООС (R2R1).
(Здесь еще раз уместно вернуться к выбору Кг и Ки. Дело в том, что режим ограничения приводит к дополнительному увеличению числа и энергии гармоник. Часть их неизбежно попадает в область частот более низких, чем та область, в которой маскирование отсутствует (на рис. 1 и 2 область частот ниже 1 кГц). Отсюда и требование стремиться проектировать усилители, создающие минимальное число гармоник).
Через какое-то время ООС полностью включится и полюс АЧХ усилителя с частоты fo сместится на частоту fc (рис. 5), характеризующую поведение УМЗЧ в установившемся режиме.
Несмотря на то, что, как указывалось выше, слух воспринимает только достаточно большие временные искажения (более 2 мс), это не должно служить поводом для оптимизма, поскольку такую задержку создает ФНЧ с главным полюсом АЧХ на частоте 79 Гц. Поэтому, даже если исключить все факторы, влияющие на возникновение динамических искажений, но использовать УМЗЧ, АЧХ которого будет иметь главный полюс на частоте f0≤79 Гц, возникшая временная задержка будет превышать 2 мс и хорошо восприниматься на слух.
Основными методами борьбы с ТIМ-искажениями могут быть уменьшение глубины ООС, увеличение частоты fo, уменьшение коэффициента усиления входного дифференциального каскада K1 и получение необходимого усиления К0 за счет второго каскада К2, увеличение динамического диапазона каскадов А1 и А2. Следует однако, иметь в виду, что уменьшение глубины ООС негативно скажется на Кг и Ки а это потребует разработки специальных высоколинейных усилительных каскадов.
Нельзя также забывать и об уменьшении глубины ООС с увеличением частоты. В качестве примера возьмем такой случай: f0=1 кГц, К0=80 дБ, Кu=30 дБ (рис. 5). В этом случае глубина ООС на частоте 20 кГц составит 24 дБ, а на частоте 40 кГц - всего 18 дБ, что еще раз показывает недопустимость большого числа гармоник, скомпенсировать которые невозможно из-за недостатка усиления в петле ООС.
В таблице приведены значения измеренных анализатором спектра СК4-56 амплитуд гармоник и рассчитанные по ним значения Кг, для дифференциального усилительного каскада, каскада на ламповом триоде, а также каскада, выполненного на транзистоpax, включенных по схеме эмиттерного повторителя и работающих в режимах АВ и А. Переход от режима АВ к А дает уменьшение Кг в четыре раза, что позволяет уменьшить К0 УМЗЧ на 13 дБ и, что как следствие, увеличивает f0 на две октавы. Следует отметить, что требованию получения монотонно спадающего ряда амплитуд гармоник в наибольшей степени отвечает каскад на ламповом триоде. Благоприятный спектр гармоник, большая линейность и, как следствие, меньшая глубина ООС в значительной степени и определяют "мягкость" звучания ламповых усилителей.
| Выходной каскад | Выходное напряжение, В (режим) | Уровень гармонических составляющих, дБ | Суммарный коэффициент гармоник, % | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| К159НТ1Б | 4.5 3 1 |
-70 -66 -62 |
-26 -36 -58 |
-70 -66 - |
-60 -66 - |
-72 -78 - |
-66 -70 - |
4.45 1.6 0.16 |
| 6Н2П | 10 5 2 |
-46 -50 -62 |
-52 -64 - |
-70 -70 - |
-82 - - |
- - - |
- - - |
1 0.33 0.085 |
| KT814, КТ815 | (АВ) (А) |
-38 -50 |
-42 -56 |
-80 -60 |
-48 -62 |
-56 -68 |
-58 - |
1.59 0.38 |
Резюмируя изложенное, можно дать следующие рекомендации для разработки и испытания аппаратуры ВВВ: