Методы измерений нелинейных искажений

Измерения нелинейных искажений, определяющих дребезжание и призвуки в громкоговорителях. Специфической особенностью ГГ является возникновение в них сложных нелинейных явлений, субъективно оцениваемых как "дребезжание" или "призвук". Практически в любом серийно выпускаемом ГГ при прослушивании на синусоидальном сигнале можно обнаружить частоту или области частот, где, наряду с основным тоном, прослушивается дополнительный тон (или группа тонов), что классифицируется как призвук. Это не служит причиной брака в массовых ГГ, однако наличие интенсивных призвуков не позволяет обеспечить требуемого качества звучания в аппаратуре HI-FI. Дребезжание субъективно воспринимается как неприятный звук, ухудшающий качество звучания. Основные причины его возникновения - механические и технологические дефекты, появляющиеся при сборке, транспортировании и эксплуатации ГГ. По этому параметру проверке подвергаются все серийно выпускаемые громкоговорители. Проверка производится контролерами путем прослушивания ГГ на тональном сигнале, что является чрезвычайно трудоемкой и утомительной операцией. Учитывая большие объемы выпуска ГГ (десятки миллионов штук в год), проблеме создания объективных, помехозащищенных и быстродействующих методов измерения дребезжания и призвуков за последние годы было уделено серьезное внимание. В [29] был разработан метод измерения и нормирования коэффициентов дребезжания и призвуков, основанный на анализе спектрального состава сигнала (т. е. в частотной области). В результате исследований, выполненных в [30], показано, что дребезжание и призвук могут оцениваться во временной области, где они регистрируются в виде периодической последовательности импульсов, излучаемых в сумме с моногармоническим сигналом основного тона. Разработанные методы измерения дребезжания и призвуков, проверенные в условиях крупносерийного производства, послужили основой для их стандартизации.
В соответствии с ГОСТ 16122-87 под призвуком понимается сигнал искажений, представляющий собой "периодический медленно затухающий колебательный процесс с постоянной времени более половины периода возбуждающего сигнала, повторяющийся с частотой, кратной частоте возбуждения. Субъективно (на слух) он воспринимается как тон (или группа тонов), звучащий одновременно с тоном частоты возбуждения". Объективный метод измерения заключается в следующем (рис. 2.16, а). Микрофон устанавливается на расстоянии не меньше половины диаметра измеряемого ГГ, но не более 0,5 м. Измерения могут проводиться в любом помещении, необходимо только устранить дребезжание посторонних предметов, окружающих ГГ. Частота синусоидального сигнала, подводимого к ГГ от генератора, плавно увеличивается (не быстрее чем 1 окт./с) в диапазоне от 63...4000 Гц с соответствующим переключением фильтров верхних частот (ФВЧ), при этом на экране осциллографа наблюдается сигнал искажений, вид которого показан на рис. 2.16, б. Он может повторяться с частотой возбуждения или с частотой, кратной частоте возбуждения. На фиксированной частоте, где обнаружен сигнал искажений, измеряют амплитуду U_T/2 через интервал Т/2 после его начала. Если U_T/2/U_п > 0,33, то искажения классифицируются как призвук. Для количественной оценки этого вида искажений используется понятие "коэффициент призвука". Коэффициент призвука, %, на частоте f
K_п = (U_п/K_фU_f)·100,
где U_п и U_f - двойное амплитудное значение (размах) сигнала на частоте возбуждения соответственно на выходе и входе ФВЧ, мВ; K_ф - модуль коэффициента передачи фильтра ФВЧ на частоте, 2f_гр (f_гр определяется в ГОСТ 16122-88).

Рис. 2.16. Структурная схема измерение призвуков (а): сигнал на входе фильтра ФВЧ (1, 2), сигнал на выходе фильтра ФВЧ (3, 4) (б): 1 - генератор; 2 - УЗЧ; 3 - вольтметр; 4 - микрофонный усилитель; 5 - фильтр ФВЧ; 6 - осциллограф
Под дребезжанием понимается "сигнал искажений, представляющий собой периодический импульсный, быстро затухающий колебательный процесс с постоянной времени менее половины периода возбуждающего сигнала, повторяющегося с частотой, кратной частоте возбуждения. Субъективно (на слух) воспринимается как неприятный звук, не имеющий выраженной тональной окраски". Измерения проводятся в любом помещении (необходимо только устранить дребезжание в окружающих предметах). Синусоидальное напряжение подводится в диапазоне частот f_д1...f_д2, где f_д1 - минимальное значение частоты основного резонанса для ГГ, f_д2 выбирается из диапазона 2f_д1...2500Гц, но не ниже 600 Гц.
Как и при измерении призвуков, при измерении дребезжания используется два метода: объективный и субъективный. При объективном микрофон располагается на расстоянии от ГГ не более 0,5 м. Частота синусоидального сигнала, подаваемого с генератора, плавно увеличивается, но не быстрее 1 окт./с. Измерения выполняют по схеме рис. 2.17, а. При наблюдении на экране осциллографа сигнала искажений, вид которого показан на рис. 2.17, б, измеряется длительность τ затухающего процесса (импульса), определяемая на уровне U_τ ≈ 0,33U_д. Если τ не более полупериода сигнала возбуждения и U_д ≥ qUτ, где q = 3...5, то сигнал искажений является дребезжанием, он может повториться с частотой возбуждения или с частотой, кратной частоте возбуждения. Для количественной оценки дребезга вводится коэффициент дребезжания, %,
K_д = (U_д/K_фU_f)·100,
где U_д - двойное амплитудное значение (размах) сигнала дребезжания на входе ФВЧ, мВ; U_f - двойное амплитудное значение (размах) сигнала на входе ФВЧ; K_ф - модуль коэффициента передачи фильтра, определенный на частоте 2f_гр, оговоренной в [3].

Рис. 2.17. Структурная схема измерения дребезжания (а) и сигнал на входе ФВЧ (1, 2) и выходе ФВЧ (3, 4) (б)
Заметим, что коэффициент дребезжания К_д не связан однозначно с коэффициентом гармоник К_г, что следует из результатов, представленных на рис. 2.18, где два ГГ имеют примерно одинаковые К_г, но разные К_д. Это объясняется тем, что с помощью К_г количественно оцениваются нелинейные искажения, проявляющиеся в первых низших гармониках n = 1, 2, 3, ... , в то время как K_д зависит от интенсивности высших гармоник. Как показал опыт измерения серийных ГГ, величина К_д в основном зависит от гармоник порядка n ≥ 8 - 10. Кроме того, и физическая природа возникновения этих видов искажений в ГГ различна: первые определяются особенностями конструктивных и физико-механических параметров, вторые - зависят от вида механического дефекта, поэтому ГГ могут иметь малый уровень первых гармоник, т. е. малое К_г при рациональном выборе формы и материала подвесов и конструкции магнитной цепи, и большой уровень высших гармоник, т. е. высокий K_д (например, за счет касания выводов о поверхность диффузора и др.). Критическое значение K_д, установленное по результатам субъективных оценок отсутствия или наличия дребезга, составляет примерно 2%.

Рис. 2.18. Зависимости коэффициентов К_г и К_д от напряжения для различных ГГ
Импульсы дребезжания отличаются амплитудой, длительностью, полярностью, формой и частотой следования в зависимости от типа механического дефекта в ГГ. На основании этих различий создана методика дифференцированного определения вида механического дефекта в ГГ, нашедшая себе применение в серийном производстве ГГ [30].