Борьба за звук: диверсия против качества – интермодуляционные искажения
Этим материалом мы начинаем цикл «Борьба за звук», поводом для которого послужили комментарии пользователей geektimes (@sadko melchermax и др.), написанные к некоторым нашим статьям. Такие комментарии всегда значимы для нас, и мы будем рады если они будут появляться и дальше.
В замечаниях читатели обратили внимание на то, что мы не уделили должного внимания интермодуляционным (далее IMD) и фазовым искажениям, как факторам, существенно влияющим на качество, детальность, чистоту звука и на характеристики стереопанорамы. Кроме того, очевидной проблемой при выборе аппаратуры является валидность субъективных и объективных методик оценки качества звука. Этот цикл мы посвящаем тем проблемам качества, которые, в силу их «неудобности», не редко игнорируются.
Сегодня многие считают наиболее значимыми параметрами качества звука АЧХ и КНИ, так как их указывают производители. А это не совсем верно. При описанном подходе к качеству интермодуляционные искажения (IMD), как правило, не рассматриваются, либо им придаётся не большое значение. Производители аудиоаппаратуры, в подавляющем своём большинстве, склонны «забывать» об этой проблеме. Это закономерно, ведь исследования в этой области требует вложений, специалистов этого профиля не много, а потребителей вполне устраивает парадигма, в которой основными характеристиками качества является АЧХ и коэффициент гармоник.
Ввиду сложности проблемы — эта статья скорее задаёт вопросы, чем даёт ответы, её основная цель — обратить внимание читателей на проблему IMD в звуковых трактах, обобщить сведения о интермодуляционных искажениях.
Я постараюсь представить в этом материале наиболее значимые сведения об интермодуляционных искажениях, которые удалось откопать в сети. К слову, при поиске источников и исследований на эту тему столкнулся с проблемой не хватки информации, про IMD пишут крайне мало.
Проблема оценки качества: — Видишь суслика? — Нет… — А он есть!
Проблема нелинейных искажений известна достаточно давно и рассматривается физиками и инженерами почти с момента появления первых звуковых излучателей и усилителей. Сегодня производители и пользователи аудиоаппаратуры придают большое значение «ровности» АЧХ и гармоническим искажениям. Гармоники наиболее известны среди звуковых искажений, а коэффициент гармоник (далее КГ) считается одной из значимых характеристик качества звука и указывается в документах на то или иное устройство.
При этом многие исследования параметров качества усилителей и излучателей, деградации звука и т.п., проводившиеся во второй половине прошлого столетия демонстрируют, что значение коэффициента гармонических искажений прямо не связаны с качеством звука. Периодически приходится слышать от людей далёких от «религиозного» подхода к звуку о том, что субъективная оценка не менее чем аппаратные исследования, важна при определении качества.
До того как я столкнулся с информацией об интермодуляционных искажениях, я полагал, что такой подход связан лишь особенностями личного субъективного восприятия и не предполагает объективных критериев. Изучение проблем качества звуковоспроизведения, процессов влияющих на звук, и осознание низкого уровня валидности стандартных методов оценки (чувствительность + АЧХ + КНИ + шум), дали мне понять, что это не всегда исключительно субъективные вкусовые предпочтения.
Я ни в коем случае не хочу сказать, что не нужно обращать внимание на приведённые выше характеристики, но твёрдо убеждён, что это лишь часть критериев, которые необходимо учитывать при оценке, а в ряде случаев и вовсе «вершина айсберга».
Связь КГ с качеством звучания безусловно есть, но этот показатель, равно как и АЧХ, далеко не в полной мере отражают то, что мы привыкли подразумевать под уровнем качества. Не редко аппаратные тесты упомянутых выше параметров соответствуют принятым стандартам качества, а субъективная оценка звука того или иного устройства очень низкая.
Очень грубо можно продемонстрировать отсутствие прямой связи КГ и качества звука на следующем гипотетическом примере.
Предположим на форуме, посвященном аудио, люди оставляют нелицеприятные отзывы об устройстве с субъективных позиций, прослушав с помощью тестируемого устройства песню группы «Ленинград» — «Любит наш народ» в исполнении детского хора (в параметрах устройства указана «ровная» АЧХ, а коэфициент гармоник составляет 0,1%). Совершенно естественно, что эти люди нарываются на жесткую критику, обвинения во «вкусовщине», «клиническом аудиофильстве» и т.п. При этом критикующие знакомы лишь с результатами аппаратного тестирования, но не слышали устройство в живую. Субъективное же мнение большинства из тех, кто слышали устройство можно сформулировать так: «звук — го…, но далёк от совершенства».
Тут же возникает holy war, где у оценивших далёкий от совершенства звук в натуре, нет аргументов в пользу своей позиции, тогда как у не слышавших его есть значения ровной АЧХ и низкого КНИ, которые общественным мнением признаны более значимыми, чем субъективные ощущения. Но каким-то «магическим» образом звук тестируемого аппарата остаётся гов… ом далёким от совершенства, более того, в качестве аргументов все прослушавшие девайс люди говорят о «замыленности», «не четкости», «кашеобразности» сцены, отсутствии «прозрачности».
Безусловно приведённые описания искажений субъективны, но в силу того, что в нашей гипотетической ситуации их слышит подавляющее большинство тех, кто оценивал оборудование в реальности, мы явно имеем проблему, которую не отражает ни КНИ, ни АЧХ. Такой проблемой с высокой степенью вероятности могут стать интермодуляционные искажения. Последние не характеризует ни коэффициент гармоник, ни стандартные тесты АЧХ, при этом влияние их на звук не менее, а вероятнее всего более существенно.
Интермодуляционные искажения — «тактика» невидимого врага
В Википедии опубликовано достаточно точные определения интермодуляций и интермодуляционных искажений:
Интермодуляционные искажения — нелинейные искажения, создаваемые усилительными схемами. В частотном спектре двухтонального сигнала с интермодуляционными искажениями содержатся комбинационные составляющие с частотами, являющимися суммой и разностью основных и гармонических частот входных сигналов.
Интермодуляция — это процесс взаимодействия нескольких различных сигналов в нелинейных каскадах тракта. В результате возникают новые составляющие спектра, зашумляющие принимаемый сигнал (либо проявляющиеся в качестве зеркального сигнала).
Следует также отметить, что интермодуляции могут следствием не только работы усилителя, но также возникают в излучателях за счет нелинейности упругости подвеса диффузора, нелинейности при влиянии магнитных полей при разных условиях возбуждения и ряда других причин.
Исследователи изучавшие нелинейные искажения, такие как Энтони Нью, Геддес, Войшвилло, указывают, что на развитие IMD влияет целый комплекс факторов и взаимодействие этих факторов между собой, некоторые из них были подробно описаны, а именно:
абсолютный уровень сигнала, частотный диапазон, сложность спектральной картины, соотношения между пиковым и усреднённым сигналом форма волны сигнала, а также от взаимодействие между вышеупомянутыми факторами.
При исследовании усиления синусоидальных сигналов всё несколько проще, чем с музыкой. Всё, что мы можем сказать про коэффициент гармоник справедливо, главным образом, для синусоидального сигнала. Но музыка — это не синусоидальный сигнал, в ней содержится множество частот, спектр и амплитуда которых постоянно изменяется во времени.
Для демонстрации интермодуляции при усилении звука можно привести следующий пример: на вход усилителя подается нелинейный сигнал, состоящий из 2 частот. В результате генерируются гармоники не только этих двух тонов, но также от частот являющихся их математической суммой и разностью.
Понятно, что в случае с воспроизведением музыки существует далеко не 2 и не 3 частоты, а спектральный состав музыкальных произведений сложен. Известно, что обертоны (естественные интермодуляции) музыкально соотносятся с породившими их частотами, при этом суммы и разности частот, генерируемых самими обертонами, далеко не во всяком случае будут музыкально согласованы. Таким образом, можно представить интермодуляционные искажения как генерирование сигналов с увеличением их частоты в определённое количество раз.
Как выявили исследования Александра Войшвилло (Sr. Manager Transducer Engineering & Acoustic Research — JBL professional) при воспроизведении сложного поличастотного музыкального сигнала спектральное распределение интермодуляции не способно обогатить музыкальный сигнал (как это происходит в случае с обертонами четных гармоник низких порядков), но напротив приводит к неизбежному появлению шумоподобных дисгармоничных отзвуков.
Изложенное выше подтверждает вывод о том, что картина гармонических искажений не отражает в полной мере «музыкальность» системы и не может в достоверно свидетельствовать о качестве звука.
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%
Измерение IMD — уши или нет?
Возникает резонный вопрос, почему критичным параметром для аппаратуры становиться коэффициент гармоник. Вероятнее всего, так как его легче измерить. Причиной появления как гармоник, так интермодуляционных искажений являются одни и те же процессы, при этом — это отнюдь не означает зависимость количества одних от других.
Согласно статьи в Википедии Существуют 4 вида измерения IMD:
- двухтональный 400Гц и 4кГц при соотношении амплитуд 4:1 по методике ГОСТ 16122–88 и МЭК 60268–5;
- двухтональный 19кГц и 20кГц одинакового уровня — отличает простота реализации — измеряется уровень разностной частоты 1кГц;
- многотональный — методика разработана А.Г. Войшвилло;
- субъективный — в результате прослушивания звучания разных тестовых музыкальных композиций экспертами.
Наиболее эффективным большинством тех, кто занимается проблемой признаются многотональный и субъективный экспертный метод. Мультичастотная методика Войшвилло даёт более полное представление нежели двух и монотональные измерения. Результаты мультичастотного тестирования представлены на графиках, ниже описание теста опубликованное в статье Александра Кравченко «Интермодуляционные искажения — неуловимый враг» www.sound-consulting.net
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.
Не смотря на неточность измерений и отсутствие математического аппарата, которые бесспорно являются недостатками, экспертный метод позволяет проводить комплексную оценку. При проведении оценки применяются записи женского и детского хора. Некоторые комментаторы наших статей писали о том, что при проведении личных тестов на интермодуляции им помогают записи тяжелой музыки с плотным звучанием, например, thrash metal.
К слову, математический метод, позволяющий получить корреляцию характеристик нелинейности тракта с субъективными оценками звучания устройства станет темой следующего материала цикла.
Итог
В отсутствии сложных стендов и специальной измерительной аппаратуры, а также данных от производителя (а их как правило нет) единственный способ оценить уровень интермодуляционных искажений в сигнале — использовать собственные уши. Главное про это знать и запастись парой другой файлов с дискант-хором, чтобы, находясь в шоуруме не пропустить ни единой интермодуляции в предлагаемом аппарате, гневно возвестив об этом менеджеру магазина и открытым письмом компании-производителю. Если говорить серьёзно, безусловно стоит помнить о том, что многие из тех, кто исследует и создаёт аудиоаппаратуру одной из главных проблем считают интермодуляционные искажения. Полагаю, что последнее может примирить ярых сторонников субъективной и объективной оценки, по крайней мере когда дело не затрагивает «сакральных» «метафизически-религиозных» тем и «аудиоритуалов».
