Что такое "плохо"?

Возможны три вида искажений спектра: нелинейные, частотные и фазовые. Мы с вами будем обращать внимание только на первые два вида (нелинейные и частотные), так как третий вид искажений – фазовые – наше ухо практически не замечает.

Из‑за нелинейных искажений в спектре сигнала, в данном случае в спектре звука, излучаемого громкоговорителем, появляются посторонние составляющие (рис. 16). Пример: перед микрофоном звучит чисто синусоидальный тон с частотой 100 гц, а громкоговоритель воспроизводит сложный, то есть уже непохожий, искаженный звук с составляющими 100 гц, 200 гц, 300 гц и т. д. Грубо говоря – перед микрофоном играет скрипка, а слышится тромбон.

Источником подобных искажений может быть любой элемент – например, микрофон или громкоговоритель – с нелинейной характеристикой. Сейчас мы попытаемся выяснить, что означает и к чему приводит это качество – нелинейность.

Нелинейность можно встретить в любом природном явлении: она играет важную роль в работе многих технических и особенно электронных устройств. Однако для того, чтобы не уходить далеко в сторону, мы познакомимся с нелинейной характеристикой на примере самого популярного «переводчика» – электродинамического преобразователя, который выступает как в роли микрофона, так и в роли громкоговорителя. Главные детали этого преобразователя – магнит, катушка и связанный с нею легкий упругий диффузор (рис. 13, 14, 1 и 20, 1 ).

Рис. 13. Электродинамический преобразователь, подобно генератору, может преобразовать звук в ток (микрофон) либо, подобно двигателю, ток в звук (громкоговоритель).

рис. 14 , 1

рис. 20 , 1

Вы знаете, что вблизи катушки, по которой проходит ток, возникает магнитное поле с явно выраженными полюсами – северным и южным. Если поместить катушку нашего преобразователя в поле постоянного магнита (рис. 13) и пропустить по ней переменный ток, то в результате взаимодействия магнитных полей катушка придет в движение. При этом «танец» будет в точности следовать за «музыкой», отклоняясь, катушка будет следовать за всеми изменениями тока. Связанный с катушкой диффузор подобно струне увлечет за собой окружающий воздух и создаст звуковые волны – акустическую копию переменного тока. Так работает электродинамический громкоговоритель, иногда для краткости называемый динамиком.

Громкоговоритель – это своеобразный двигатель, превращающий электроэнергию в механическую работу. Микрофон можно смело назвать генератором, так как в нем происходит обратный процесс – за счет энергии звуковых колебаний создается ток.

Известно, что если двигать проводник в магнитном поле, то в результате электромагнитной индукции (наведения) на концах этого проводника появится э. д. с. (электродвижущая сила). Подключим к проводнику нагрузку, то есть создадим замкнутую электрическую цепь, и под действием наведенной э. д. с. в цепи пойдет электрический ток. Чем быстрее движется проводник, тем больше наведенная э. д. с., тем больше и ток в цепи.

Когда на электродинамический преобразователь попадают звуковые волны, они увлекают за собой диффузор, и он колеблется, повторяя все изменения звукового давления. Вместе с диффузором приходит в движение расположенная в магнитном поле катушка, и в ее цепи появляется ток – электрическая копия звуковых колебаний. Так работает электродинамический микрофон.

Работу громкоговорителя и микрофона можно проиллюстрировать с помощью графиков. Один из таких графиков приведен на рис. 15. Он показывает, как диффузор громкоговорителя отклоняется от условной средней линии положения покоя. Из графика видно, что, чем больше ток, тем дальше отклоняется диффузор, а токам разного направления соответствует отклонение в разные стороны (вперед‑назад). Приведенный график часто называют амплитудной характеристикой.

Обратите внимание: при сравнительно небольших изменениях тока, в пределах от –2 до +2 а, график представляет собой прямую линию. В таких случаях обычно говорят, что зависимость между отклонением диффузора и током в катушке носит линейный характер. Как видите, на линейном участке отклонение растет прямо пропорционально току. Увеличение тока на 1 а всегда дает отклонение на 0,5 мм.

Рис. 15. В некотором интервале (на этом рисунке от –2 а до +2 а) амплитудная характеристика громкоговорителя линейна: отклонение диффузора прямо пропорционально току в звуковой катушке.

Для токов, больших, чем 2 а, линейный характер зависимости уже нарушается, на графике появляются изогнутые (нелинейные) участки, так называемые загибы. Появление их объясняется очень просто – ток не может беспредельно отклонять диффузор, иначе в какой‑то момент он просто сорвется с места и улетит на Луну[5]. Диффузор закреплен достаточно прочно, и амплитуда его отклонений ограничена. Вот почему после некоторого значения тока (в нашем примере 2 а) отклонение становится все меньше и меньше и, наконец, при токе 3 а почти совсем прекращается. Именно об этом и говорят нелинейные участки – загибы на графике.

До тех пор пока громкоговоритель работает на линейном участке (ток не более 2 а) и отклонение прямо пропорционально току (каждый ампер отклоняет диффузор на 0,5 мм), преобразование «ток – звук» происходит без нелинейных искажений – переводчик «не врет». Именно об этом рассказывает тройной график на рис. 16. С подобными графиками нам предстоит встретиться во всех разделах книги, а поэтому есть смысл сразу же выяснить, как они строятся и о чем говорят.

Рис. 16. Если ток в звуковой катушке выходит за пределы линейного участка, возникают нелинейные искажения: изменяется форма сигнала, и в его спектре появляются посторонние составляющие.

Основой совмещенного тройного графика (рис. 16) является уже знакомая нам (рис. 15) амплитудная характеристика громкоговорителя (А), показывающая, как отклонение диффузора зависит от тока в катушке. Снизу к этой характеристике пристроен график тока (Б). Он показывает, как меняется ток с течением времени. График тока очень похож на графики колебаний струны (рис. 1) и звукового давления (рис. 4). На рис. 16 график тока выглядит несколько непривычно только потому, что мы его положили набок. Сделано это для того, чтобы ось тока легла параллельно такой же оси на амплитудной характеристике громкоговорителя. Теперь мы можем быстро и легко определять отклонение диффузора для любого момента времени: достаточно перебросить мостик – пунктирную линию от графика тока к характеристике громкоговорителя.

Попробуем сделать последний, третий шаг – построить график отклонения (В), который покажет, как колеблется диффузор, в какую сторону и насколько он отклоняется в тот или иной момент. Последовательность построения такова: выбираем какой‑либо момент времени на графике отклонений (например, 0,01 сек); берем такой же момент времени на графике тока; находим для этого момента времени величину тока (+ 2 а); по характеристике громкоговорителя находим соответствующее этому току отклонение диффузора (1 мм); переносим найденную величину на график отклонений и делаем отметку против выбранного значения времени (0,01 сек).

Сделав достаточно большое количество таких построений, мы и получим график отклонений диффузора. Подобные тройные графики часто строят на основе характеристики электронной лампы, полупроводникового прибора, трансформатора и т. д.

График для первого периода, то есть до момента 0,04 сек, показывает, что если громкоговоритель работает на линейном участке амплитудной характеристики, то отклонение и ток имеют одинаковую форму кривой, а значит, и одинаковый спектральный состав.

Совсем иначе обстоит дело, если переменный ток выходит на нелинейный участок характеристики (амплитуда тока более 2 а). В этом случае (во время второго периода колебаний, от 0,04 до 0,08 сек) прямая пропорция между отклонением диффузора и током в катушке нарушается, верхушки графика отклонения получаются приплюснутыми, форма кривой изменяется и в спектре появляются новые составляющие.

Появление этих новых составляющих (в нашем случае это гармоники с частотой 2f , 3f и т. д.) является следствием нелинейности характеристики (в нашем случае – характеристики громкоговорителя) и называется нелинейным искажением сигнала (в нашем случае – звука). Если бы характеристика была линейной, то форма кривой не была бы искажена и в спектре не оказалось бы посторонних составляющих.

В заключение нам остается договориться о количественной оценке – ввести коэффициент нелинейных искажений К_н.и . Этот коэффициент (иногда его называют «клирфактор» – показатель ясности – и обозначают К_f ) показывает, насколько сильны новые, появившиеся в результате искажений составляющие, сколько процентов общей мощности приходится на их долю. Вот как подсчитывается этот коэффициент:

Существуют приборы, которые, анализируя спектр на входе и на выходе какого‑либо устройства, могут очень точно измерить коэффициент нелинейных искажений. Предварительно отметим, что при воспроизведении музыки ухо обычно замечает нелинейные искажения уже начиная от 4–7 %. При больших значениях К_н.и нелинейные искажения заметны сильнее. Они меняют тембр звука, создают посторонние призвуки и неприятное хрипение (рис. 17). Особенно неприятны нелинейные искажения, когда, кроме гармоник (их частота кратна основной), появляются составляющие с комбинационными частотами.

Рис. 17. В результате нелинейных искажений звук становится хриплым, дребезжащим, загрязненным посторонними призвуками.

Как видите, нам пришлось провести большую подготовительную работу и затратить довольно много времени, чтобы пояснить, что такое нелинейные искажения. О том, что такое частотные искажения, рассказать намного проще – это просто неодинаковое, «несправедливое» отношение к составляющим различных частот. Пример: подводим к громкоговорителю три синусоидальных переменных тока с разными частотами и с одинаковой – подчеркиваем, с одинаковой (!) – амплитудой, а он, громкоговоритель, создает три звука разной – заметьте, разной (!) – силы (рис. 18). Это значит, что громкоговоритель вносит частотные искажения – неодинаково хорошо преобразует в звук переменные токи разных частот.

Рис. 18. В результате частотных искажений меняется соотношение между составляющими сложного звука, меняется его тембр, ослабляется звучание некоторых инструментов.

Причины частотных искажений громкоговорителя различны. Вот одна из них: на высших частотах начинает сказываться инерция диффузора, он не поспевает за быстрыми изменениями тока и поэтому с повышением частоты все хуже излучает звук.

Чтобы можно было судить о частотных искажениях в каком‑либо устройстве, в том числе в громкоговорителе и микрофоне, чаще всего рисуют его частотную характеристику. Частотная характеристика громкоговорителя (рис. 19) показывает, как изменяется звуковое давление или сила звука, если менять частоту переменного тока в звуковой катушке, поддерживая неизменной его амплитуду.

Опорной точкой частотной характеристики договорились считать частоту 1000 гц. Работу громкоговорителя или микрофона на других частотах сравнивают с тем, что они дают на частоте 1000 гц, и, исходя из этого, говорят о завале или подъеме частотной характеристики, то есть об ослаблении или усилении тех или иных составляющих.

Четыре возможные частотные характеристики показаны на рис. 19, внизу справа. На первой из них (а) завалены низшие частоты, на второй (б) – высшие. К сожалению, в реальном случае оба эти недостатка объединяются: обычно завалены как высшие, так и низшие частоты (в).

Рис. 19 Частотная характеристика громкоговорителя показывает, как изменяется звуковое давление при изменении частоты тока (синусоидального) в звуковой катушке; величина тока на всех частотах одинакова.

Звуковое давление или силу звука, как правило, указывают в децибелах, и это позволяет довольно просто оценить степень подъема (обозначают знаком «+»), либо завала (знак «–») характеристики, степень частотных искажений. За нулевой уровень принимают звуковое давление (силу звука) на частоте 1000 гц.

Иногда вводят коэффициент частотных искажений – К_ч.и , который показывает, на сколько децибелов (или, что то же самое, во сколько раз) сила звука на той или иной частоте сильнее или слабее, чем на частоте 1000 гц. Так, если указано, что К_ч.и‑200 = 20 дб, а К_ч.и‑5000 = –10 дб, то это означает, что при одном и том же токе в звуковой катушке сила звука на частоте 200 гц будет в 100 раз (на 20 дб) больше, а на частоте 5 кгц в 10 раз (на 10 дб) меньше, чем на опорной частоте 1000 гц.

По частотной характеристике легко определить значение К_ч.и для любой частоты.

Частотные искажения, так же как и нелинейные, приводят к изменению формы сигнала (в частности, звука), к изменению его спектра. Однако в результате частотных искажений никаких новых составляющих не возникает, а лишь меняется соотношение старых. При этом резко меняется тембр звука, из оркестра исчезают целые группы инструментов, неузнаваемыми становятся голоса певцов. Завал низших частот резко ослабляет звучание контрабаса, барабана, рояля. Если завалены высшие частоты, то прежде всего исчезают скрипки и флейты, звук становится глухим, бубнящим.

Конечно, нам хотелось бы, чтобы частотная характеристика всех наших переводчиков и других звеньев системы передачи звука была идеальной, то есть имела бы вид прямой линии во всем диапазоне от 16 гц до 22 кгц (рис. 19, г .).

В этом случае соотношение между всеми слышимыми составляющими сложных звуков оставалось бы неизменным и мы были бы гарантированы от изменений тембра и других подобных неприятностей. Но (опять эти «но»!) создание идеальной частотной характеристики во всем диапазоне слышимых частот – задача чрезвычайно сложная, и эту сложность вы вскоре почувствуете сами. Конструкторы, конечно, стремятся к равномерной частотной характеристике, но в разумных пределах. В дорогих и сложных системах высококачественного звучания диапазон воспроизводимых частот должен быть весьма широким. В простых, недорогих установках приходится идти на значительное сужение диапазона, а значит (что поделаешь!), на заметные частотные искажения, на ухудшение качества звучания.

В результате большого числа экспериментов было предложено все аппараты для воспроизведения звука разделить на четыре класса (не путайте с классами приемников – здесь нет прямого совпадения) и для каждого из них установить такую полосу частот:

Высший класс – от 30–40 гц до 14–15 кгц (неискаженное воспроизведение звука); неравномерность характеристики – 6 дб.

Первый класс – от 50 гц до 10 кгц (высококачественное воспроизведение звука); неравномерность характеристики – 6 дб.

Второй класс – от 100 гц до 6 кгц (воспроизведение среднего качества); неравномерность характеристики – 16 дб.

Третий класс – от 150–200 гц до 4 кгц (воспроизведение низкого качества); неравномерность характеристики – 16 дб.

Переход в каждый следующий, более высокий класс, например из третьего во второй или из второго в первый, связан со значительным усложнением аппаратуры. Оправдано ли это? Стоит ли затрачивать энергию, время, средства на то, чтобы на несколько килогерц расширить частотную характеристику?

Для разборчивого воспроизведения речи вполне пригодна аппаратура третьего класса. Как правило, нас удовлетворяет даже обычный телефон, где верхняя граничная частота составляет 2,5 кгц, а иногда даже 1,5 кгц. Голос собеседника при этом очень сильно искажен, однако обычно это нас не огорчает – главное, чтобы был понятен смысл сказанного. Совсем иначе обстоит дело с воспроизведением музыки.

Здесь мы уже не можем сказать: «Искажения? Пустяки! Главное, чтобы можно было догадаться, какая мелодия…»

При воспроизведении музыки искажения, и в первую очередь частотные, могут оказаться той самой ложкой дегтя, с которой и бочка меда не нужна. Во всяком случае, аппаратура третьего класса воспроизводит музыку с весьма заметными искажениями, и звучит эта музыка, прямо скажем, плохо.

Правда, точных границ между «хорошо» и «плохо» никто не устанавливал – заметность частотных искажений, так же как и нелинейных, зависит от многих факторов и в том числе от вкуса слушателя, его музыкальности, тренировки, тонкости слуха и, если хотите, от настроения и характера. Есть люди, для которых «лишь бы играло», «лишь бы музыка», а то, что под эту музыку даже не всякий цирковой слон согласится танцевать, – для них это несущественно. Наверняка никто из нас не захочет есть пирожное, в которое кондитер по рассеянности вместо сахара и крема положил горчицу и перец.

А вот музыку, в каждый звук которой композитор вложил определенный смысл, определенные мысли и чувства, мы иногда готовы проглотить, не замечая «перца» и «горчицы».

О качестве звучания, о высокой верности воспроизведения звука мы еще не раз будем вспоминать. Но сейчас, поскольку к слову пришлось, хочется посоветовать: сравните звучание карманного приемника (от него многого не потребуешь, здесь главное – габариты, вес, экономичность) и хорошей радиолы первого или даже второго класса. Такое сравнение наверняка поможет вам понять, «на что идут деньги», зачем мы строим сложную и дорогую звуковоспроизводящую аппаратуру высоких классов, почему добиваемся минимальных частотных и нелинейных искажений.

Мы с вами в самом общем виде познакомились с принципом работы главных переводчиков, с некоторыми характеристиками их работы. Теперь поговорим о конкретных типах громкоговорителей и микрофонов, применяемых в радиолюбительской аппаратуре. Начнем с микрофонов.