Miernictwo elektroakustyczne

Poprzedni temat

Strona główna

Następny temat

Pomiary charakterystyk i parametrów toru fonicznego

Materiał zawarty na tej stronie zawiera opis toru fonicznego, definicje opisujących go parametrów oraz metody ich pomiarów.

Zagadnienia:

Tor elektroakustyczny
Tor elektorakustyczny


Tor foniczny jest to odcinek toru elektroakustycznego przenoszący przebiegi elektryczne od mikrofonu do głośnika.
Jakość toru fonicznego określa się za pomocą jego parametrów elektrycznych. Do najważniejszych z nich należą: W torze reżyserskim stosunkowo łatwo utrzymać wszystkie wymagane wartości parametrów. Do trudniejszych zagadnień zalicza się jedynie zwalczanie szumów własnych i zakłóceń. W torze mikrofonowym największe kłopoty sprawia charakterystyka częstotliwościowa. Najgorzej sytuacja przedstawia się w torze głośnikowym. Głośniki mogą powodować duże zniekształcenia nieliniowe. Ich charakterystyka częstotliwościowa również wykazuje silne wahania. Głośnikowe wzmacniacze mocy wykazują się dobrymi parametrami i nie wprowadzają większych zniekształceń do toru.

Zniekształcenia liniowe - są to zaburzenia charakterystyki amplitudowej i ograniczenie pasma przenoszenia.

Zniekształcenia nieliniowe - jest to zjawisko pojawiania się na wyjściu układu składników, których nie było na wejściu. Powstają w wyniku nieliniowości funkcji przenoszenia elementów toru fonicznego.

Poniższy rysunek ilustruje w jaki sposób nieliniowości funkcji przenoszenia układu wpływaja na zniekształcenia sygnału wyjściowego.


Wpływ funkcji przenoszenia na typ powstających zniekształceń:

Układ liniowy -
brak zniekształceń

Układ nieliniowy niesymetryczny -
powstaną parzyste harmoniczne

Układ nieliniowy symetryczny -
powstaną nieparzyste harmoniczne

Do określenia wielkości zniekształceń nieliniowych używany jest parametr THD (Total Harmonic Distortion) zdefiniowany wzorem:


lub w postaci uproszczonej wzorem:


Parametr THD jest to w ogólności stosunek wartości napięcia RMS harmonicznych do napięcia częstotliwości podstawowej.
Współczynnik zawartości i-tej harmonicznej w sygnale określa wzór:


Poniższa tabela przedstawia wzory na przeliczanie parametru THD pomiędzy różnymi jednostkami:


Poniżej znajduje się przykład obliczania współczynnika THD na podstawie widma sygnału.


Jednym ze sposobów wyznaczania parametru THD jest metoda eliminacji składowej podstawowej. Poniżej przedstawiony schemat pomiaru THD poprzez eliminacje składowej podstawowej za pomocą filtru pasmowo-zaporowego. Innym sposobem może być kompensacja składowej podstawowej za pomocą sygnału w przeciwfazie.

Parametr mierzony w ten sposób jest to tak naprawdę THD+N, czyli mierzone są zniekształcenia wynikające z nieliniowości układu wraz z podłogą szumową oraz innymi zakłóceniami. Aby wyeliminować te składniki należy zastosować dodatkowe filtry.


Kolejny rysunek przedstawia schemat pomiaru współczynnika THD metodą sumowania prążków.


Pomiarów zniekształceń harmonicznych można dokonywać w kilku dziedzinach:

Wykresy THD typowego wzmacniacza mocy

w funkcji częstotliwości

w funkcji mocy wyjściowej

Na wykresie THD w funkcji mocy wyjściowej wyraźnie widać próg, przy którym wzmacniacz się nasyca, co skutkuje gwałtownym wzrostem zniekształceń harmonicznych i "obcinaniem" wierzchołków sinusoidy jak pokazano na poniższym rysunku.


Przy pomiarze zniekształceń harmonicznych należy stosować sygnały testowe o jak najniższej częstotliwości, aby w paśmie przenoszenia urządzenia zmieściło się jak najwięcej potencjalnych harmonicznych.

Podczas pomiaru zniekształceń nieliniowych toru fonicznego składającego się z kilku rządzeń nieliniowości tych urządzeń mogą się sumować lub znosić. Ilustrują to poniższe rysunki.


Zniekształcenia fazowe - powstają, gdy prędkość przechodzenia sygnału przez urządzenie zależy od jego częstotliwości.
Z reguły większemu opóźnieniu podlegają częstotliwości wysokie.
 Do określenia charakterystyki fazowej urządzenia używa się opóźnienia grupowego (group delay) wyrażonego wzorem:

Jeśli krzywa opóźnienia jest płaska wszystkie składowe tonu złożonego pojawią się na wyjściu urządzenia w tym samym czasie. Jeśli dla jakiejś częstotliwości krzywa wznosi się lub opada wtedy składowe o tych częstotliwościach przybędą później lub odpowiednio wcześniej o czas równy wysokości wzniesienia lub zagłębienia.
Poniższy wykres przedstawia charakterystykę amplitudową i fazową typowego korektora graficznego.


Zniekształcenia różnicowe (TWIN-TONE, CCIF, DIFFERENCE-TONE) - jest to pojawianie się na wyjściu urządzenia dodatkowych składowych, których częstotliwości stanowią różnice wielokrotności sygnałów wejściowych.
Współczynnik znieksztalceń różnicowych wyraża się następującymi wzorami:

zniekształcenia drugiego rzędu
zniekształcenia trzeciego rzędu

Pomiaru zniekształceń różnicowych dokonuje się przepuszczając przez urządzenie dwa tony składowe o tych samych amplitudach i różnych częstotliwościach.
Według norm zachodnio-europejskich te częstotliwości wynoszą:
Poniższy rysunek przedstawia przykładowe widmo sygnału wyjściowego podczas pomiaru zniekształceń różnicowych.

Pomiarów zniekształceń różnicowych dokonuje się:

Zniekształcenia intermodulacyjne (IM) - powstają, gdy przynajmniej dwie częstotliwości sygnału wejściowego tworzą w sygnale wyjściowym dodatkowe prążki na częstotliwościach niebędących ich harmonicznymi.
Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych wyraża się poniższym wzorem.


Schemat blokowy analizatora zniekształceń intermodulacyjnych wygląda następująco:


Poniższy rysynek przedstawia widmo sygnału wyjściowego podczas pomiaru zniekształceń intermodulacyjnych.

Według standardu SMPTE pomiarów zniekształceń intermodulacyjnych należy dokonywać sygnałami o częstotliwościach f1=60Hz, f2=7kHz przy stosunku amplitud A(f2)/ A(f1)=0.25.
Zniekształcenia intermodulacyjne są z reguły bardziej słyszalne niż zniekształcenia harmoniczne.

Transjentowe zniekształcenia intermodulacyjne (TIM) są odmianą zniekształceń intermodulacyjnych, które powstają tylko w chwilach transjentów w sygnale.
Zniekształcenia typu TIM mierzy się przepuszczając przez badane urządzenie sygnał sinusoidalny modulowany sygnałem prostokątnym.
Schemat analizatora zniekształceń TIM wygląda następująco:


Standard IEC zaleca zastosowanie częstotliwości 15kHz dla sinusa oraz 3.15kHz dla sygnału prostokątnego.
Poniższy rysunek przedstawia widmo sygnału podczas pomiaru zniekształceń TIM.


Przesłuch i Separacja
Terminu przesłuch (crosstalk) używa się do określenia wielkości "przecieków" sygnału miedzy dwoma kanałami audio zawierającymi sygnały nieskorelowane. Przesłuch definiuje się wzorem:

Separacja jest to szczególny przypadek przesłuchu, mierzonego pomiędzy kanałami zawierającymi sygnały skorelowane, czyli na przykład pomiędzy dwoma kanałami systemu stereofonicznego. Przesłuch bada się generując sygnał sinusoidalny 1kHz do pierwszego kanału jednocześnie odczytując wartość napięcia w drugim kanale według poniższego schematu.


Kołysanie i Drżenie (wow & flutter) - są to niepożądane modulacje częstotliwości sygnału audio spowodowane wahaniami prędkości medium (np. taśmy magnetofonowej), na którym jest zapisany sygnał audio. Te wahania są spowodowane niedoskonałościami elementów mechanicznych urządzenia, drganiami podłoża itp.
Kołysanie (wow) odnosi się do częstotliwości wahań poniżej 6Hz, a drżenie (flutter) od 6 do 200Hz.
W wyniku nieprawidłowego prowadzenia taśmy przed głowicą mogą powstać zniekształcenia typu "scrape flutter" powodujące powstanie składowych modulacyjnych odległych do 5kHz od sygnału.
Do pomiaru kołysania i drżenia stosuje się taśmę z nagranym tonem testowym o częstotliwości 3kHz (3.15kHz według norm amerykańskich), natomiast do pomiaru zniekształceń typu "scrape flutter" z tonem o częstotliwości 12.5kHz.
Schemat miernika zniekształceń typu kołysanie i drżenie pokazany jest poniżej:


Pomiary szumów
W miernikach służących do pomiaru poziomu szumu w kanale audio często stosuje się filtry ważące. Ich zastosowanie wynika z faktu, iż szumy na pewnych częstotliwościach (w okolicach największej czułości ucha) są dla nas bardziej słyszalne, a wiec bardziej uciążliwe niż szumy na innych częstotliwościach.
Poniższy wykres przedstawia typowe charakterystyki filtrów ważących, przy czym najczęściej stosuje się filtry o charakterystyce typu A.


Architektura ważonego woltomierza wygląda następująco:


Pomiary napięć sygnałów
Wartość skuteczną (RMS) napięcia sygnału definiuje wzór:

Jeśli sygnał jest złożony z kilku częstotliwości składowych, wtedy jego wartość RMS można policzyć korzystając z wzoru

Poniższy rysunek przedstawia obwód pomiarowy wartości RMS napięcia.

Wartość średnią napięcia sygnału definiuje wzór:

Obwód pomiarowy wartości średniej sygnału wygląda następująco:

Wartość szczytową sygnału definiuje wzór:

Obwód pomiarowy wartości szczytowej sygnału wygląda następująco:

Stosunek wartości szczytowej sygnału do jego wartości rms nazywany jest współczynnikiem szczytowym (ang. creast factor).

Związki pomiędzy wartościami napięć dla różnych typów sygnałów przedstawia poniższa tabela.


Parametry toru fonicznego - Quiz

Poprzedni temat

Strona główna

Następny temat