Что и зачем:

          В настоящей статье сделана попытка исследовать спектр искажений электродинамической головки при подаче на нее сложного сигнала, в дальнейшем называемого "мультитон". Показано, что при излучении такого сигнала головкой, спектр ее искажений состоит только из гармоник и комбинационных интермодуляционных составляющих. Никаких других составляющих, нежели гармонических и интермодуляционных, в спектре излучения нет.

          Другой целью исследования было - проверка способности воспроизведения головкой слабых сигналов на фоне сильных. Показано, что на фоне 9-ти разночастотных сигналов общим напряжением 2,8 В, головка нормально воспроизводит слабые сигналы амплитудой -100...-110 дб относительно этого уровня.

          Немного истории:

          В среде аудио любителей распространено мнение, что стандартных критериев оценки нелинейности электродинамической головки недостаточно. Так, существуют такие термины, как "разрешение" головки, и "микродинамика". Автор точно не знает, что означают эти определения применительно к электродинамической головке, однако предполагает, что речь идет о корректной передаче головкой слабых сигналов.
          Способность излучать слабые сигналы сами по себе была уже исследована. Оказалось, что головка сохраняет линейность при очень малых уровнях сигнала, и без каких-либо ограничений воспроизводит сигналы, находящиеся по уровню значительно ниже порога слышимости. В настоящем исследовании сделана попытка проверить воспроизведение головкой слабых сигналов на фоне сильных.

          Эксперимент:

          Для эксперимента была выбрана купольная головка MDM-55 фирмы Morel. Головка была подключена к усилителю, имеющему ООС по току головки. Т.е. было организовано т.н. токовое питание головки.

          Во всех экспериментах, если не указано другого, амплитуды всех частот устанавливались одинаковыми. Суммарный уровень многочастотного сигнала выбирался на 2 дб меньше полной цифровой шкалы. Частота дискретизации составляла 48000 Гц, формат 24 бит. Напряжение на головке устанавливалось около 2,8 В, измерение производилось микрофоном на расстоянии 10 см от купола головки. Сигнал с микрофона подавался на программный анализатор спектра.

          Исходный испытательный сигнал (мультитон) представлял из себя сумму 10 частот, последовательных музыкальных нот-полутонов, которые вычислялись так:

      - 1760.00 Гц;
      - К*1760.00 = 1864.66 Гц;
      - К*1864.66 = 1975.53 Гц;
      - К*1975.53 = 2093.00 Гц;
      - К*2093.00 = 2217.46 Гц;
      - К*2217.46 = 2349.32 Гц;
      - К*2349.32 = 2489.02 Гц;
      - К*2489.02 = 2637.02 Гц;
      - К*2637.02 = 2793.82 Гц;
      - К*2793.82 = 2959.96 Гц;

          где К = exp(Log 2) / 12) = 1,059463094359; Спектр представлен на Рис. 1.

Рис. 1. Спектр сигнала от мультитона

          Средства отображения не позволяют показать все нюансы картинки в этом масштабе. Поэтому рассмотрим спектр сигнала по частям.

          Отобразим интервал между двумя соседними основными тонами в большем масштабе, Рис. 2.

Рис. 2. Фрагмент спектра сигнала

          Здесь хорошо видно, что уровень сигнала между интермодуляционными составляющими опускается до значения -120 дб, что соответствует уровню шума примененной измерительной аппаратуры.

          С составляющими спектра, находящимися между основными тонами, несколько сложнее. Предположительно, они являются интермодуляционными составляющими. Но поскольку частоты основных сигналов представляют собой геометрическую прогрессию с основанием в виде корня 12 степени из двух, и вычисление продуктов интермодуляции затруднено, было решено для упрощения выяснения вопроса интермодуляция ли это, или что-то другое, прибегнуть к более простому с точки зрения вычислений, сигналу. Но сначала посмотрим еще спектр вторых гармоник в большем масштабе, который показан на Рис. 3.

Рис. 3. Спектр вторых гармоник

          Видно, что уровень шума и здесь составляет -120 дб. Спектр "нижних" интермодов показан на Рис. 4.

Рис. 4. Спектр "нижних" интермодов

          Теперь выясним, что представляют собой паразитные составляющие на Рис. 2., между основными составляющими сигнала. Для этого сгенерируем сигнал из двух тонов 1800 Гц и 1900 Гц. Спектр представлен на Рис. 5.

Рис. 5. Спектр двух тонов 1800 Гц и 1900 Гц

          Видно, что между основными линиями спектра посторонние составляющие отсутствуют. Добавим еще одни тон к сигналу. Теперь он состоит из частот 1800 + 1900 + 2020 Гц. Спектр представлен на Рис. 6.

Рис. 6. Спектр двух тонов 1800 Гц, 1900 Гц и 2020 Гц

          Видно, что между основными линиями спектра появились составляющие с шагом 20 Гц. Попробуем вычислить, не является ли значение 20 Гц результатом простых сложений и вычитаний частот основных сигналов. Итак, 2020 Гц - 1900 Гц = 120 Гц, а 1900 Гц - 1800 Гц = 100 Гц. 120 Гц - 100 Гц = 20 Гц. Этот последний результат 20 Гц и есть шаг комбинационных интермодуляционных составляющих. Других линий спектра нет.

          Проведем еще несколько замеров с другим набором сигналов: Частоты: 1800, 1900, 2010, 2130 Гц, Рис. 7. Кратность 10 Гц.

Рис. 7. Спектр тонов 1800, 1900, 2010, 2130 Гц

          Видно, что интервал интеромодов сейчас составляет 10 Гц, что коррелирует с частотами исходного сигнала. Теперь выберем интервал 5 Гц, зададим частоты: 1800, 1900, 2005, 2110, 2220 Гц, Рис. 8.

Рис. 8. Спектр тонов 1800, 1900, 2005, 2110, 2220 Гц

          Интервал действительно 5 Гц, что коррелирует с разносом частот исходного сигнала.
          Теперь вернемся к исходному сигналу, но округлим его частоты до значения 5 Гц. А именно: 1760, 1865, 1975, 2095, 2215, 2350, 2490, 2635, 2795, 2960 Гц, Рис. 9а.

Рис. 9а. Мультитон, округление до 5 Гц.

          Для наблюдения в большом масштабе выберем участок между частотами 2215 и 2350 Гц, Рис. 9б.

Рис. 9б. Мультитон, округление до 5 Гц, участок между частотами 2215 и 2350 Гц.

          Интервал действительно составляет 5 Гц, что коррелирует с разносом частот исходного сигнала. Составляющих другой природы нет.

          Еще одно измерение мультитоном проведем с более широким разносом частот. Так, чтобы 10 сигналов, частоты которых представляют собой геометрическую прогрессию, охватили всю полосу, излучаемую головкой в реальной системе. Для удобства наблюдения, округляем значенгия до 5 Гц. Это будут частоты: 1300, 1505, 1745, 2025, 2345, 2715, 3150, 3650, 4230, 4900 Гц. Рис. 9в. Фрагмент в увеличенном масштабе приведен на Рис. 9г.

Рис. 9в. Мультитон расширенной полосы.

Рис. 9г. Мультитон расширенной полосы, интервал между частотами 2345 и 2715 Гц.

          Легко заметить, что картинка точно такая же - разнос частот по интермодам кратен 5 Гц, что коррелирует с исходным сигналом, других составляющих спектра нет.

          На основании этих последних экспериментов можно рискнуть утверждать, что и для исходного сигнала по Рис. 1. все паразитные компоненты в промежутках между основными составляющими являются комбинационными интермодами. Только их вычисление затруднено из-за иррационального шага между частотами сигналов.

          Теперь следующий эксперимент - испытаем головку на способность воспроизводить слабые сигналы на фоне сильных. Вначале, для визуальной оценки уровней сигналов сгенерируем сигнал одной частоты 1800 Гц номинального уровня. Результат показан на Рис. 10.

Рис. 10. Спектр сигнала 1800 Гц номинального уровня

          Теперь сгенерируем сигнал, состоящий из 9 следующих частот: 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400 Гц. Спектр показан на Рис. 11.

Рис. 11. Спектр тонов 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400 Гц

          Для исследования выберем интервал между частотами 1900 и 2000 Гц и там расположим наш слабый сигнал. На Рис. 12 виден свободный от интермодов промежуток между этими частотами.

Рис. 12. Свободный промежуток между 1900 и 2000 Гц

          Чтобы наш сигнал не коррелировал с сетевыми наводками, выберем частоту некратной 50 Гц, а именно 1970 Гц. Добавим этот сигнал к имеющейся последовательности: 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400 Гц. + 1970 Гц. На Рис. 13 показан вид сигнала, амплитудой -90 дб от номинальной.

Рис. 13. Сигнал 1970 Гц, амплитудой -90 дб, на фоне сильных сигналов: 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400 Гц

          Видно, что сигнал нормально воспроизводится, амплитуда его правильная, т.е. никаких потерь нет.

          Уменьшим амплитуду до -100 дб. Результат на Рис. 14.

Рис. 14. Сигнал 1970 Гц, амплитудой -100 дб, на фоне сильных сигналов: 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400 Гц

          Опять видно правильное воспроизведение сигнала. Еще уменьшим амплитуду. Теперь она составляет -110 дб. Результат на Рис. 15.

Рис. 15. Сигнал 1970 Гц, амплитудой -110 дб, на фоне сильных сигналов: 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400 Гц

          Видно, что и в этом случае, столь слабого по амплитуде сигнала, головка продолжает воспроизводить его без потерь.

          И наконец, вернемся к сигналу, состоящему из музыкальных полутонов (мультитону). Частоты:
1760 Гц + 1864 Гц + 1975 Гц + 2093 Гц + 2217 Гц + 2349 Гц + 2489 Гц + 2637 Гц + 2793 Гц генерируются с полной амплитудой, и в дополнение к ним небольшой сигнал 2167 Гц, амплитудой -100 дб.

          На Рис. 16 в большом масштабе показан спектр без этого небольшого сигнала зеленым цветом, и с ним - красным цветом.

Рис. 16. Сигнал частотой 2167 Гц и амплитудой -100 дб на фоне сильных сигналов: 1760 Гц, 1864 Гц, 1975 Гц, 2093 Гц, 2217 Гц, 2349 Гц, 2489 Гц, 2637 Гц, 2793 Гц

          Видно, что сигнал нормально излучаются головкой, и хорошо виден на спектрограмме.

          Выводы:

          Можно сказать следующее: При подаче сложного сигнала (мультитона) на электродинамическую головку, она, кроме исходного сигнала, излучает множество посторонних частотных составляющих. Все они представляют из себя гармонические и комбинационные интермодуляционные составляющие спектра исходного сигнала. При этом слабые сигналы амплитудой до -110 дб относительно значения 2,8 В (в абсолютном давлении это на 20 дб ниже порога слышимости) воспроизводятся на фоне сильных корректно, без изменений. Каких-то артефактов, типа ухудшений "микродинамики" или падения "разрешения" не выявлено.

27.06.2012 - 03.07.2012 г.

          Благодарности:

          Я хочу выразить благодарность моему товарищу по аудио-конференции VegaLab Наилю, aka Nota Bene, предложившему измерять параметры головки многочастотным сигналом из последовательных музыкальных полутонов "мультитон", а так же моей жене за проявленное терпение и понимание в отношении неудобств, доставляемых громкими немузыкальными звуками в процессе эксперимента.

на главную страницу