В чем измеряется динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это. Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это одна из важнейших характеристик звуковой аппаратуры, определяющая ее способность воспроизводить слабые и сильные сигналы без искажений. Рассмотрим подробнее, что такое динамический диапазон и как он влияет на качество звучания усилителя.

Динамический диапазон (сокращенно DR, DNR, или DYR) — это отношение между наибольшим и наименьшим значениями, которые может принять определенная величина. Он часто используется в контексте сигналов, таких как звук и свет. Он измеряется либо как отношение, либо как логарифмическое значение базы-10 (децибел) или базы-2 (удвоения, биты или остановки) разности между наименьшим и наибольшим значениями сигнала.

Динамический диапазон сигнала — это отношение максимального уровня сигнала к минимальному уровню, при котором сигнал еще различим на фоне шумов. Чем шире динамический диапазон, тем лучше усилитель может передавать как тихие, так и громкие звуки без искажений.

Факторы, влияющие на динамический диапазон

На динамический диапазон усилителя влияет множество факторов:

• Уровень собственных шумов усилителя.
• Максимальная выходная мощность.
• Линейность усиления.
• Помехоустойчивость схемы.
• Качество комплектующих.

Чем ниже собственные шумы усилителя, тем лучше он может усиливать слабые сигналы. Максимальная выходная мощность определяет верхнюю границу динамического диапазона. Линейность усиления важна для передачи сигнала без искажений на всех уровнях громкости. Качественные радиокомпоненты помогают минимизировать шумы и нелинейные искажения.

Измерение динамического диапазона

Динамический диапазон усилителя измеряется в децибелах (дБ). Эта величина показывает, на сколько децибел максимальный уровень выходного сигнала превышает минимальный различимый.

Например, динамический диапазон 100 дБ означает, что максимальный уровень выходного сигнала в 100 000 раз больше минимального различимого.

Значение динамического диапазона

Широкий динамический диапазон крайне важен для Hi-Fi-усилителей, так как позволяет передавать весь спектр громкости музыкальных произведений. Динамический диапазон живой музыки может достигать 120 дБ, поэтому хорошие усилители имеют диапазон порядка 100-110 дБ.

Для сравнения, усилители с динамическим диапазоном 60-80 дБ не способны качественно воспроизводить как тихие пассажи, так и громкие кульминации.

Пути увеличения динамического диапазона

Существует несколько способов расширить динамический диапазон усилителя:

1. Использование высококачественных комплектующих.
2. Тщательная фильтрация помех и шумов.
3. Применение обратной связи для линеаризации усиления.
4. Увеличение запаса по выходной мощности.
5. Оптимизация схемы усилителя.

Комбинируя эти методы, производители добиваются динамического диапазона порядка 120 дБ в лучших моделях усилителей.

Динамический диапазон усилителя является ключевой характеристикой, определяющей качество звучания. Чем шире диапазон, тем лучше усилитель передает все нюансы звукового сигнала — от тихих до громких. Добиться максимального динамического диапазона можно используя качественные комплектующие, совершенствуя схемотехнику и применяя различные методы подавления шумов и искажений.

Динамический диапазон зависит не только от характеристик самого усилителя, но и от параметров воспроизводимого сигнала. Рассмотрим факторы, связанные с частотными свойствами сигнала.

Зависимость от частоты

Динамический диапазон усилителя не постоянен и меняется в зависимости от частоты усиливаемого сигнала. На низких частотах динамический диапазон, как правило, шире, чем на высоких. Это связано с большим уровнем собственных шумов усилителя на высоких частотах.

Влияние ширины спектра

Чем шире спектр усиливаемого сигнала, тем меньше динамический диапазон из-за накопления шумов усилителя во всей полосе частот. Для сигналов с узким спектром (например, синусоидальных) динамический диапазон будет больше.

Резонансные частоты

На резонансных частотах элементов схемы усилителя возможно усиление шумов и нелинейные искажения, что приводит к локальному сужению динамического диапазона на этих частотах.

Частотная коррекция

Применение частотной коррекции (например, тонкомпенсации) может локально сужать динамический диапазон усилителя на некоторых частотах. Но в целом такая коррекция улучшает восприятие сигнала.

Методы расширения диапазона

Для расширения динамического диапазона на разных частотах применяют:

• Качественные низкошумящие компоненты.
• Тщательную фильтрацию помех.
• Оптимизацию схемы с учетом частотных характеристик.
• Активные методы шумоподавления.

Комплексный подход позволяет достичь ровного широкого динамического диапазона во всем диапазоне воспроизводимых частот.

Влияние нелинейных искажений

Нелинейные искажения, возникающие при работе усилителя на предельных уровнях сигнала, приводят к сужению динамического диапазона. Это связано с генерацией гармоник и интермодуляционных искажений.

Роль обратной связи

Применение отрицательной обратной связи позволяет снизить нелинейные искажения за счет стабилизации коэффициента усиления. Это расширяет линейный динамический диапазон усилителя.

Влияние режима работы

Динамический диапазон зависит от режима работы усилителя. Например, в режиме класса А диапазон шире, чем в классе АВ, за счет меньших искажений. Выбор оптимального режима позволяет увеличить динамический диапазон.

Таким образом, динамический диапазон определяется комплексом факторов, включая частотные свойства сигнала, нелинейные искажения, применение обратной связи и режим работы усилителя. Их учет позволяет оптимизировать характеристики усилителя для расширения динамического диапазона.

Влияние параметров источника сигнала

На динамический диапазон усилителя влияют не только его собственные характеристики, но и параметры источника сигнала, подключенного к его входу. Рассмотрим основные факторы.

Уровень сигнала

При слишком высоком уровне входного сигнала усилитель может войти в зону перегрузки, что приведет к нелинейным искажениям и сужению динамического диапазона. Необходимо обеспечить оптимальное соответствие уровней.

Импеданс источника

Согласование импедансов источника и входа усилителя позволяет минимизировать отражения сигнала и искажения. Это положительно сказывается на динамическом диапазоне.

Шумы и помехи источника

Шумы источника сигнала ограничивают полезный динамический диапазон на входе усилителя. Выбор качественного низкошумящего источника повышает динамику.

Линейность источника сигнала

Нелинейные искажения со стороны источника также влияют на динамический диапазон усилителя. Важно использовать линейный источник с минимумом нелинейных искажений.

Совместимость источника и усилителя

Оптимальный динамический диапазон достигается при полной совместимости параметров источника сигнала и входных цепей усилителя. Это обеспечивает наилучшее качество передачи сигнала.

Таким образом, выбор оптимального источника сигнала является важной частью процесса достижения максимально возможного динамического диапазона усилителя.

Роль конструкции усилителя

Помимо электрических характеристик, на динамический диапазон усилителя влияет его конструкция и используемые материалы.

Экранирование

Экранирование усилителя помогает уменьшить уровень электромагнитных наводок от внешних источников, снижая шумы и расширяя динамический диапазон.

Виброизоляция

Качественная виброизоляция в конструкции усилителя устраняет вибрации, являющиеся причиной дополнительных шумов, ограничивающих динамику.

Теплоотвод

Эффективный теплоотвод от нагревающихся элементов усилителя помогает сохранить их оптимальный температурный режим, снижая тепловой шум.

Качество монтажа

Аккуратный монтаж компонентов, прочные соединения, отсутствие некачественных контактов улучшают электрические параметры схемы усилителя.

Применяемые материалы

Использование качественных, стабильных материалов в конструкции снижает уровень собственных шумов усилителя, повышая динамический диапазон.

Таким образом, продуманная конструкция усилителя является важным фактором для достижения максимального динамического диапазона наряду с электрическими решениями.

Роль параметров нагрузки

Параметры подключаемой к выходу усилителя нагрузки также оказывают влияние на его динамический диапазон.

Импеданс нагрузки

Согласование выходного импеданса усилителя и входного импеданса нагрузки уменьшает отраженный сигнал и искажения.

Реактивность нагрузки

Реактивный характер нагрузки (например, динамиков) приводит к частотным искажениям, сужающим динамический диапазон.

Нелинейность нагрузки

Нелинейные искажения в нагрузке, особенно при больших сигналах, отрицательно влияют на динамику усилителя.

Шумы и наводки нагрузки

Шумы и наводки, генерируемые нагрузкой, а также проникающие в нее извне, ограничивают полезный динамический диапазон.

Тепловыделение нагрузки

Нагрев нагрузки (динамиков) приводит к появлению дополнительного теплового шума, снижающего динамику.

Таким образом, оптимальный выбор параметров нагрузки является важным для максимизации динамического диапазона усилителя.

Что такое динамический диапазон и какие бывают его виды?

В широком понимании радиотехнической мысли динамический диапазон – это характеристика устройства, выполняющего функцию передачи или преобразованию сигнала, представляющая собой отношение максимального и минимального возможных величин входного сигнала и выраженное в децибельной (логарифмической) единице измерения.

Другими словами – динамический диапазон определяет способность устройства: с одной стороны видеть на выходе обработанный слабый (наименьший) входной сигнал, с другой – обрабатывать сигналы большого уровня с заданным уровнем искажений на выходе.

Нижнюю границу входного сигнала, как правило, определяет чувствительность устройства (не путать с чувствительностью усилителя, при которой достигается номинальная мощность), которая указывает на способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие.
Верхнюю – параметр, называемый точкой децибельной компрессии и равный такой мощности сигнала на входе, при котором отличие изменения уровня мощности на выходе от асимптотической линейной характеристики составляет величину – 1 dB.

А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.

На Рис.1 красным цветом изображена идеальная линейная (асимптотическая) кривая.
Синим – реальная выходная характеристика нашего устройства.
В качестве входных и выходных значений – величины мощностей, соответственно, на входе и выходе.

Пока обе линии располагаются в непосредственной близости друг от друга – всё хорошо, устройство находится в линейном режиме. Как только расхождение выходного параметра от идеальной кривой достигает 1дБ (в нашем случае соответствует уровню входного сигнала -10дБ) – всё расчёт окончен, точка децибельной компрессии найдена.

Формула, описывающая односигнальный динамический диапазон устройства, предельно проста:
D = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , где P_1дб – точка децибельной компрессии, P_{вх мин} – чувствительность устройства, выраженная в дБ.
Т.е. в случае, приведённом на графике: D = -10_дб — (-120_дб) = 110дБ .

Наблюдая показания приборов при нахождении точки компрессии, не всегда удобно оперировать понятиями мощности сигнала, да переводить всё это хозяйство в децибелы – тоже. Поэтому для упрощения задачи напишу – отклонение уровня на 1дБ – это в 1,12 раз по напряжению и в 1,26 раз по мощности.

Ну и, конечно же, приведём формулу для определения динамического диапазона при подстановке абсолютных значений сигналов:

И ещё раз:
U_{вх макс} и Р_{вх макс} – это входные значения, соответствующие точке децибельной компрессии,
U_{вх мин} и Р_{вх мин} – напряжение, либо мощность, соответствующие чувствительности агрегата.

А чувствительность агрегата в нашем случае огранена: либо его коэффициентом усиления, либо собственными внутренними шумами, либо и тем и другим одновременно. В целом она равна мощности самого слабого входного сигнала, который, будучи преобразован нашим устройством, выдаёт на-гора выходной уровень, считающийся достаточным для его нормальной фиксации.
А конкретно – этот выходной уровень мы должны распознать на каком-то фиксирующем приборе, либо услышать-увидеть-почувствовать и при этом, он должен быть выше значения собственных шумов нашего девайса.
Насколько выше? Обычно это указывается вместе с показателем чувствительности.
К примеру, чувствительность 10мкВ при соотношении сигнал/шум = 12дБ, означает, что подав на вход сигнал амплитудой 10мкВ, мы на выходе увидим некий отклик, который на 12дБ (т.е. в 3,98 раз по напряжению и 15,85 раз по мощности) будет превышать уровень собственных внутренних шумов нашего устройства.

Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.

Теперь давайте подумаем, что случится, если вдруг подать на вход нашего линейного устройства сигналы двух различных частот. А что случится?
При определённом уровне их амплитуд наше устройство выйдет из линейного режима и сигналы начнут взаимодействовать между собой таким образом, что на выходе вместо двух исходных частот появится сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты «родительских» сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
f_гарм = n × f1 ± m × f2 , где n и m – это целочисленные коэффициенты, принимающие значения от единицы до неких величин, определяемых частотными свойствами применяемых элементов.

В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».

Однако в линейных схемах – это явление крайне нежелательно, потому как является основной причиной возникновения интермодуляционных искажений.
Эти искажения, в свою очередь, приводят: к появлению побочных каналов приёма/передачи в ВЧ радиотехнике, а в усилителях НЧ – появлению посторонних призвуков. Причём, данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала. Источник их появления гораздо сложнее обнаружить, а соответственно и устранить.

Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.

Динамическим диапазоном по интермодуляции (Dynamic Range) называется характеристика устройства, показывающая его способность противостоять продуктам нелинейного взаимодействия двух или более сигналов. Обозначается – DD3 или DB3.
Другими словами, параметр DB3 характеризует допустимую величину двух сигналов с различными частотами f1 и f2, действующих одновременно на входе устройства, при которой ещё не возникает продукт их взаимодействия (вернее, когда уровень этого продукта не превышает заданного параметра – RFrx). И определяется как отношение, выраженное в дБ, общей мощности этих сигналов к чувствительности устройства.

Измерение динамического диапазона по интермодуляции (DB3) – дело не такое простое, как измерение односигнального DB1. Процесс это сводится к определению суммарной величины, так называемых, продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2, 2f2 ± f1. Приведу формулу для вычисления динамического диапазона:
DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , где IP3 – точка пересечения линии уровня интермодуляционных составляющих 3-го порядка на графике передаточной характеристики, а P_{вх мин} – чувствительность, выраженная в дБ и определяемая собственными шумами устройства.

На Рис.2 красным и синим цветами изображены знакомые нам по Рис.1 динамические характеристики: идеальная и характеристика основных частот входных сигналов (f1 и f2).
Чёрным цветом показана кривая интермодуляционных продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2 и 2f2 ± f1. Данная кривая возрастает в 3 раза быстрее (в децибельном выражении) чем идеальная, поэтому теоретически в некоторой точке эти линии должны сойтись, обозначая точку пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3).
Будучи теоретической – эта точка никогда не может быть достигнута на практике, поскольку смеситель войдёт в режим компрессии сигнала раньше, чем эта точка будет достигнута.

Нахождение данной точки (IP3) – задача не такое простая, как измерение односигнального DB1. Поэтому для облегчения жизни радиолюбителя вводятся некоторые допущения, основанные, исходя из практического опыта. А именно:
В общем случае обычно отмечается, что связь между точкой компрессии 1 дБ и точкой пересечения 3-го порядка, приведённой к входу, имеет вид:
IP3 = P_1дб + (10. 15)дб .
А учитывая, что односигнальный динамический диапазон DB1 описывается формулой:
DB1 = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , а DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , то на основании всех трёх формул можно вывести простую пропорцию:
DB3 = 2/3 × (DB1 + (10. 15)дб) .

Посчитаем. Если односигнальный динамический диапазон по блокированию DB1 равен 110дБ, то:
DB3 ≈ 2/3 × (110дБ + 10дБ) = 80дБ .
Всё – расчёт окончен! Именно на эту величину динамического диапазона по интермодуляции и следует ориентироваться, так как именно она в значительной степени определяет качественные показатели как НЧ, так и ВЧ оборудования!

И напоследок – ещё одна динамическая характеристика, достойная определённого внимания по большей части в радиосвязи: динамический диапазон по перекрёстным помехам (DD2 или DB2).
Характеристика эта важна в основном для устройств, осуществляющих приём однополосных (SSB) сигналов и определяет степень подавления мощных станций, работающих с АМ модуляцией и расположенных по соседству.
Перекрёстные искажения возникают в УВЧ и преобразователях частоты приёмников при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приёма, например, на частоте соседнего канала.

Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.

Благодаря «Справочнику радиолюбителя – коротковолновика» под авторством уважаемых С. Бунина и Л. Яйленко, вполне можно довериться компромиссной формуле: DB2 ≈ DB1 — 20 dB , что в нашем случае будет соответствовать 90дБ.

В чем измеряется динамический диапазон усилителя

1.7 Амплитудная характеристика, динамический диапазон

Олинейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного(рис.1.4). Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического сигнала частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Отношение выходного и входного напряжений равно K_0. Поэтому амплитудная характеристика, казалось бы, должна быть прямой линией, исходящей из начала координат. Однако в действительности она совпадает с этой прямой только в средней части.

Начальный участок АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя собственных помех. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в УПТ – еще и дрейф нуля. Они приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала.

Фон – это колебание с частотой питающей сети или кратной ей. Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя питающего напряжения.

Наводками называют помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями. Источниками этих полей могут быть сетевой трансформатор блока питания, провода электросети или какие-либо электроустановки.

Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда во всех электропроводящих материалах, из которых сделаны детали усилителя. Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно.

Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока.

Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя, чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания. Использование верхнего криволинейного участка характеристики приводит к нелинейным искажениям.

Динамическим диапазоном усилителя называют отношение (при заданном уровне нелинейных искажений) к(при заданном отношении сигнал/шум на входе)

или

Динамический диапазон усилителя должен быть больше, чем динамический диапазон усиливаемого сигнала. Так, для качественного усиления сигнала микрофона при воспроизведении игры симфонического оркестра требуется усилитель с динамическим диапазоном порядка 60 дБ.

1.8 Способы связи между каскадами

Для получения необходимого усиления используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего. Так, усилитель, предназначенный для воспроизведения звукового сигнала в телевизоре или радиоприемнике, содержит несколько каскадов предварительного усиления и выходной каскад. Выходной каскад служит для получения в нагрузке необходимой мощности сигнала (здесьи– действующие значения тока и напряжения). Его часто называют усилителем мощности. Он работает в режиме большого сигнала и его расчет ведут графоаналитическим методом с использованием вольт-амперных характеристик применяемых усилительных элементов (биполярных или полевых транзисторов). Важное значение имеют определениекоэффициента полезного действия (– суммарная мощность, потребляемая каскадом от источника питания), оценка нелинейных искажений, обеспечение приемлемого теплового режима.

Каскады предварительного усиления служат для усиления сигнала по напряжению до величины, достаточной для раскачки выходного каскада, и работают в режиме малого сигнала. Для их анализа и расчета используют аналитические методы, основанные на применении эквивалентных схем и малосигнальных параметров транзистора в выбранной рабочей точке.

Способы соединения (связи) каскадов зависят от вида многокаскадного усилителя. Так, в УПТ используется только непосредственная (гальваническая) связь каскадов. В усилителях переменного тока (УНЧ, УВЧ) используется также емкостная и трансформаторная связь, передающие только переменную составляющую сигнала.

Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности?

В широком понимании радиотехнической мысли динамический диапазон — это характеристика устройства, выполняющего функцию передачи или преобразованию сигнала, представляющая собой отношение максимального и минимального возможных величин входного сигнала и выраженное в децибельной (логарифмической) единице измерения.

Другими словами — динамический диапазон определяет способность устройства: с одной стороны видеть на выходе обработанный слабый (наименьший) входной сигнал, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня с заданным уровнем искажений на выходе.

Нижнюю границу входного сигнала, как правило, определяет чувствительность устройства (не путать с чувствительностью усилителя, при которой достигается номинальная мощность), которая указывает на способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие.
Верхнюю — параметр, называемый точкой децибельной компрессии и равный такой мощности сигнала на входе, при котором отличие изменения уровня мощности на выходе от асимптотической линейной характеристики составляет величину — 1 dB.

А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.

На Рис.1 красным цветом изображена идеальная линейная (асимптотическая) кривая.
Синим — реальная выходная характеристика нашего устройства.
В качестве входных и выходных значений — величины мощностей, соответственно, на входе и выходе.

Пока обе линии располагаются в непосредственной близости друг от друга — всё хорошо, устройство находится в линейном режиме. Как только расхождение выходного параметра от идеальной кривой достигает 1дБ (в нашем случае соответствует уровню входного сигнала -10дБ) — всё расчёт окончен, точка децибельной компрессии найдена.

Формула, описывающая односигнальный динамический диапазон устройства, предельно проста:
D = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , где P_1дб — точка децибельной компрессии, P_{вх мин} — чувствительность устройства, выраженная в дБ.
Т.е. в случае, приведённом на графике: D = -10_дб — (-120_дб) = 110дБ .

Наблюдая показания приборов при нахождении точки компрессии, не всегда удобно оперировать понятиями мощности сигнала, да переводить всё это хозяйство в децибелы — тоже. Поэтому для упрощения задачи напишу — отклонение уровня на 1дБ — это в 1,12 раз по напряжению и в 1,26 раз по мощности.

Ну и, конечно же, формула для определения динамического диапазона при подстановке абсолютных значений сигналов:

И ещё раз:
U_{вх макс} и Р_{вх макс} — это входные значения, соответствующие точке децибельной компрессии,
U_{вх мин} и Р_{вх мин} — это напряжение, либо мощность, соответствующие чувствительности агрегата.

А чувствительность агрегата в нашем случае огранена: либо его коэффициентом усиления, либо собственными внутренними шумами, либо и тем и другим одновременно. В целом она равна мощности самого слабого входного сигнала, который, будучи преобразован нашим устройством, выдаёт на-гора выходной уровень, считающийся достаточным для его нормальной фиксации.
А конкретно — этот выходной уровень мы должны распознать на каком-то фиксирующем приборе, либо услышать-увидеть-почувствовать и при этом, он должен быть выше значения собственных шумов нашего девайса.
Насколько выше? Обычно это указывается вместе с показателем чувствительности.
К примеру, чувствительность 10мкВ при соотношении сигнал/шум = 12дБ, означает, что подав на вход сигнал амплитудой 10мкВ, мы на выходе увидим некий отклик, который на 12дБ (т.е. в 3,98 раз по напряжению и 15,85 раз по мощности) будет превышать уровень собственных внутренних шумов нашего устройства.

Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.

Теперь давайте подумаем, что случится, если вдруг подать на вход нашего линейного устройства сигналы двух различных частот. А что случится?
При определённом уровне их амплитуд наше устройство выйдет из линейного режима и сигналы начнут взаимодействовать между собой таким образом, что на выходе вместо двух исходных частот появится сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты «родительских» сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
f_гарм = n × f1 ± m × f2 , где n и m — это целочисленные коэффициенты, принимающие значения от единицы до неких величин, определяемых частотными свойствами применяемых элементов.

В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».

Однако в линейных схемах — это явление крайне нежелательно, потому как является основной причиной возникновения интермодуляционных искажений.
Эти искажения, в свою очередь, приводят: к появлению побочных каналов приёма/передачи в ВЧ радиотехнике, а в усилителях НЧ — появлению посторонних призвуков. Причём, данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала. Источник их появления гораздо сложнее обнаружить, а соответственно и устранить.

Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.

Динамическим диапазоном по интермодуляции (Dynamic Range) называется характеристика устройства, показывающая его способность противостоять продуктам нелинейного взаимодействия двух или более сигналов. Обозначается — DD3 или DB3.
Другими словами — параметр DB3 характеризует допустимую величину двух сигналов с различными частотами f1 и f2, действующих одновременно на входе устройства, при которой ещё не возникает продукт их взаимодействия (вернее, когда уровень этого продукта не превышает заданного параметра — RFrx). И определяется как отношение, выраженное в дБ, общей мощности этих сигналов к чувствительности устройства.

Измерение динамического диапазона по интермодуляции (DB3) — дело не такое простое, как измерение односигнального DB1. Процесс это сводится к определению суммарной величины, так называемых, продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2, 2f2 ± f1. Приведу формулу для вычисления динамического диапазона:
DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , где IP3 — точка пересечения линии уровня интермодуляционных составляющих 3-го порядка на графике передаточной характеристики, а P_{вх мин} — чувствительность, выраженная в дБ и определяемая собственными шумами устройства.

На Рис.2 красным и синим цветами изображены знакомые нам по Рис.1 динамические характеристики: идеальная и характеристика основных частот входных сигналов (f1 и f2).
Чёрным цветом показана кривая интермодуляционных продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2 и 2f2 ± f1. Данная кривая возрастает в 3 раза быстрее (в децибельном выражении) чем идеальная, поэтому теоретически в некоторой точке эти линии должны сойтись, обозначая точку пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3).
Будучи теоретической — эта точка никогда не может быть достигнута на практике, поскольку смеситель войдёт в режим компрессии сигнала раньше, чем эта точка будет достигнута.

Нахождение данной точки (IP3) — задача не такое простая, как измерение односигнального DB1. Поэтому для облегчения жизни радиолюбителя вводятся некоторые допущения, основанные, исходя из практического опыта. А именно:
В общем случае обычно отмечается, что связь между точкой компрессии 1 дБ и точкой пересечения 3-го порядка, приведённой к входу, имеет вид: IP3 = P_1дб + (10. 15)дб .
А учитывая, что односигнальный динамический диапазон DB1 описывается формулой:
DB1 = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , а DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , то на основании всех трёх формул можно вывести простую пропорцию: DB3 = 2/3 × (DB1 + (10. 15)дб) .

Посчитаем. Если односигнальный динамический диапазон по блокированию DB1 равен 110дБ, то:
DB3 ≈ 2/3 × (110дБ + 10дБ) = 80дБ .
Всё — расчёт окончен! Именно на эту величину динамического диапазона по интермодуляции и следует ориентироваться, так как именно она в значительной степени определяет качественные показатели как НЧ, так и ВЧ оборудования!

И напоследок — ещё одна динамическая характеристика, достойная определённого внимания по большей части в радиосвязи — Динамический диапазон по перекрёстным помехам (DD2 или DB2).
Характеристика эта важна в основном для устройств, осуществляющих приём однополосных (SSB) сигналов и определяет степень подавления мощных станций, работающих с АМ модуляцией и расположенных по соседству.
Перекрёстные искажения возникают в УВЧ и преобразователях частоты приёмников при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приёма, например, на частоте соседнего канала.

Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.

Благодаря «Справочнику радиолюбителя — коротковолновика» под авторством уважаемых С. Бунина и Л. Яйленко, вполне можно довериться компромиссной формуле: DB2 ≈ DB1 — 20 dB , что в нашем случае будет соответствовать 90дБ.

В чем измеряется динамический диапазон усилителя

Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 5

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 24.12.2019
Создано при помощи КотоРед.

Добрый день, уважаемые радиолюбители. В предыдущих частях данной статьи мы начали рассматривать с Вами измерение различных параметров усилителей на примере лампового усилителя. В данной части статьи мы продолжим рассматривать измерение параметров, непосредственно связанных с экспериментальным усилителем. Данная часть является предпоследней в цикле статей, посвящённых измерительному комплексу. К сожалению, планировал закончить цикл несколько раньше, но переезд и завалы на работе внесли свои коррективы в мои планы. Итак, пожалуй, начнём…

Итак, амплитудная характеристика усилителя (согласно ГОСТ 18421-93) – это зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного напряжения [1].
Как известно, коэффициент усиления идеального усилителя представляет собой постоянную величину и не зависит от входного напряжения. Таким образом, амплитудная характеристика идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат. Угол наклона данной прямой зависит только от величины коэффициента усиления.
В реальном же усилителе амплитудная характеристика не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях (U_(Вх.мин)) и пересекает вертикальную ось на уровне собственных шумов усилителя (U_ш). Но, амплитудная характеристика реального усилителя изгибается и при больших входных напряжениях (U_(Вх.макс)), но уже под влиянием перегрузки усилительных элементов. Идеальная и реальная амплитудные характеристики показаны на скане ниже [2,4,5].

Кроме того, вследствие нелинейности вольт-амперных характеристик усилительных элементов, неправильно выбранных рабочих точек и т.д. может происходить дополнительное искажение данной характеристики и в других точках. Нужно понимать что любое отклонение реальной амплитудной характеристики усилителя от идеальной, приводит к появлению дополнительных искажений. Входные сигналы с разной амплитудой будут усиливаться не одинаково (т.е. линейному увеличению входного напряжения не будет соответствовать линейное увеличение выходного).
В данном случае мы рассматриваем только усилители воспроизведения и не затрагиваем специальные усилители, например логарифмические, в которых, в соответствии с названием, зависимость выходного напряжения от входного является логарифмической.
Для измерения амплитудной характеристики необходимо подключить на вход и на выход исследуемого усилителя вольтметры истинного среднеквадратического значения напряжения. В качестве вольтметров можно воспользоваться либо внешними вольтметрами, либо встроенными в измерительный комплекс Visual analyser (см. пункты 26-29). Второй вариант для нас более предпочтителен т.к. позволяет производить измерения практически во всём звуковом диапазоне частот.
После подключения вольтметров необходимо включить усилитель и дать ему прогреться 5-10 минут. Далее необходимо плавно повышая напряжение на входе, фиксировать соответствующее ему выходное напряжение. Измерения необходимо начинать с нулевого входного напряжения. Чем меньше будет шаг по напряжению – тем точнее получится построить графически амплитудную характеристику.
Актуально провести измерение амплитудной характеристики усилителя в нескольких точках (например, на частоте 1 кГц, а так же на краях звукового диапазона). В таблице 1 показаны результаты измерения амплитудной характеристики на частоте 20 Гц, 1 кГц, а так же 20 кГц.1.2

Таблица 1. Результаты измерения амплитудной характеристики исследуемого усилителя на разных частотах.

Входное напряжение, В

Выходное напряжение (20 Гц), В

Выходное напряжение (1 кГц), В

Выходное напряжение (20 кГц), В

На графике ниже представлено графическое отображение семейства амплитудных характеристик исследуемого усилителя.

По графику видно, что измеренные амплитудные характеристики отличаются друг от друга. Основное отличие заключается в величине напряжения, при котором начинается перегрузка усилителя на различных частотах.
В целом же амплитудные характеристики достаточно линейны (до начала перегрузки усилителя), что говорит о достаточно высокой стабильности коэффициента усиления в зависимости от входного напряжения. Кроме того, угол наклона амплитудных характеристик на разных частотах практически идентичен, что говорит о высокой линейности амплитудно-частотной характеристики и подтверждается ранее проведёнными измерениями (см. определение амплитудной характеристики, а так же измерение АЧХ).
Если сравнить амплитудную характеристику на частоте 1 кГц с зависимостью коэффициента гармонических искажений от выходной мощности (представленной в предыдущих частях данной статьи), то можно заметить, что перегиб амплитудной характеристики при выходной мощности равной 14-16 Вт в точности совпадает с началом интенсивного роста коэффициента гармонических искажений. Это ещё раз подтверждает тот факт, что данный рост коэффициента гармонических искажений обусловлен именно перегрузкой усилительных элементов (см. измерение коэффициента нелинейных/гармонических искажений).
Вообще реальный усилитель (как Вы уже думаю, догадались), в отличии от идеального, может усиливать подводимые к его входу напряжения не ниже уровня собственных шумов (т.к. все сигналы ниже уровнем будут заглушаться) и не выше начала перегрузки усилителя (т.к. сигналы выше уровнем будут сильно искажаться).
Таким образом мы подходим к ещё одной важной характеристике усилителя – динамическому диапазону [2,4,5].

Под динамическим диапазоном усилителя понимают отношение максимального входного напряжения усилителя к минимальному и вычисляют по формуле:

Кроме того, динамический диапазон усилителя чаще всего выражают в децибелах. В таком случае динамический диапазон усилителя вычисляется по формуле:

Для того что бы усилитель мог усиливать весь диапазон напряжений источника сигнала его динамический диапазон должен быть не менее динамического диапазона подводимого сигнала. В противном случае при усилении сигнал будет дополнительно искажаться [2,4,5].
Вычислим для примера динамический диапазон исследуемого усилителя в децибелах на частоте 1 кГц:

Аналогичным образом вычисляется динамический диапазон и на других частотах по амплитудной характеристике усилителя. По результатам вычисления на частоте 20 Гц динамический диапазон примерно равен 37 дБ, а на частоте 20 кГц – 33 дБ. Таким образом, область высоких частот для данного усилителя по динамическому диапазону является наиболее проблемной, несмотря на достаточно линейную АЧХ.
По приведённым расчетам можно сделать вывод о том, что экспериментальный усилитель по динамическому диапазону не подходит для высококачественного воспроизведения многих композиций (даже при устранении уменьшения динамического диапазона в области высоких частот звукового диапазона) т.к. динамический диапазон гитары обычно составляет 40-55 дБ, рояля 35-80 дБ, органа 50-85 дБ, симфонического оркестра 35-110 дБ (60-65 дБ в среднем) [3].
Расширить динамический диапазон можно уменьшив уровень собственных шумов усилителя, либо понизив входную чувствительность усилителя (как бы это ни парадоксально звучало). Рассмотрим этот момент подробнее на примере.
Предположим, для получения номинальной выходной мощности, ограниченной искажениями (как я уже писал ранее, выше данной мощности как раз и начинается излом амплитудной характеристики усилителя), номинальное входное напряжение (чувствительность) равно 1 Вольт, а необходимый динамический диапазон равен 80 дБ.
Соответственно, для получения данного динамического диапазона можно вычислить уровень собственных шумов усилителя т.к. минимальный входной уровень ограничен именно ими. Не трудно догадаться, что в этом случае уровень собственных шумов усилителя должен быть ниже номинального входного напряжения (чувствительности) не менее чем на величину динамического диапазона (см. определение ДД).
Учитывая тот факт, что каждые 20 дБ по напряжению – это разница в 10 раз, то получается 80 дБ – это разница в 10 000 раз. Соответственно, уровень собственных шумов усилителя для получения динамического диапазона 80 дб при номинальном входном уровне (чувствительности) 1 Вольт должен быть не более 0.1 мВ.
Если же номинальное входное напряжение (чувствительность) для получения номинальной мощности, ограниченной искажениями, равно 2 Вольта, то при динамическом диапазоне в 80 дБ уровень собственных шумов усилителя не может быть выше 0.2 мВ, что несколько проще обеспечить на практике. Но вместе с тем может возникнуть другая проблема – получение необходимого уровня раскачки для данного усилителя с низким уровнем линейных и нелинейных искажений.
Дополнительно следует обратить внимание ещё раз на тот факт, что динамический диапазон исследуемого усилителя различен на разных частотах (перелом амплитудной характеристики наступает при различной выходной мощности), но при этом полоса пропускания усилителя достаточно широкая (см. измерение АЧХ).
Наиболее вероятно это связано с тем, что параметры выходного трансформатора сложным образом зависят от частоты. В соответствии с этим изменяется величина приведённого сопротивления нагрузки выходного каскада. Приведённое сопротивление нагрузки определяет положение нагрузочной прямой на ВАХ выходных ламп. А от положения нагрузочной прямой зависит выходная мощность при неизменных параметрах каскада по постоянному току.
Данное явление можно проследить и по изменению формы АЧХ, если снять АЧХ при кратковременной максимальной выходной мощности. При таком подходе на АЧХ будут наблюдаться провалы, пропорциональные различию между амплитудными характеристиками по мощности ограничения на данных частотах. Грубо говоря, измеренная таким образом АЧХ представляет собой комбинацию отдельных амплитудных характеристик в области больших входных напряжений для всей полосы пропускания усилителя. Но точность подобного отображения оставляет желать лучшего, поэтому всё же актуальнее снять отдельные амплитудные характеристики в соответствии с вышеприведёнными рекомендациями.
На АЧХ, приведённой в предыдущих частях данной статьи, это явление не наблюдается т.к. она снята при небольшой выходной мощности, при которой ни на одной из частот не наступает ограничение выходной мощности (излом амплитудной характеристики).
Измерять динамический диапазон по выходному напряжению (при выходной мощности, ограниченной искажениями) без дополнительных расчётов не корректно т.к. за минимальное напряжение будет приниматься, так же как и в рассмотренном ранее случае, уровень собственных шумов усилителя, а выходное напряжение больше входного в коэффициент усиления раз. В связи с этим, фиктивно во столько же раз возрастёт динамический диапазон усилителя, что абсурдно т.к. реальные параметры усилителя при этом не изменились.
Думаю, теперь всё стало на свои места и в следующей части данной статьи мы продолжим измерять оставшиеся параметры исследуемого усилителя.
А на сегодня на этом всё, с уважением, Андрей Савченко.

Список использованной литературы:

1. ГОСТ 18421-93. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Термины и определения.
2. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. 4-е издание, переработанное. — Москва: Связь, 1971. — 368 с.
3. Что нужно знать, отстраивая звук и сводя записанные дорожки инструментов
4. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. Издание 2-е, перераб. и доп. 1983 г. 264 с.
5. Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб: пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1989. — 400с.: ил.
6. Королев Г. В. Электронные устройства автоматики: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк.— 1991. — 256 с.

Динамический диапазон: что это такое и как он влияет на мастеринг музыки

Разбираемся в одной из самых важных характеристик в музыкальной индустрии.

Динамический диапазон — многозначительный термин, использующийся в музыкальной индустрии для описания различных характеристик оборудования и сигнала. Несмотря на использование в разных областях производства музыки, диапазон служит важнейшей характеристикой при мастеринге. Из этого материала вы узнаете, что такое динамический диапазон, а также поймёте, в чём его важность.

Динамический диапазон (англ. Dynamic Range) — один из самых популярных терминов в музыкальном мире. В зависимости от контекста им обозначают производительность аудиосистем, количество хедрума в аудиофайле и ряд других вещей.

Несмотря на многозначительность термина, динамический диапазон играет одну из важнейших ролей в вопросе мастеринга. Именно эта характеристика служит ключом к громкости и описывает влияние компрессии и лимитирования на итоговый сигнал.

Что такое динамический диапазон

В зависимости от контекста использования, динамический диапазон обозначает разные вещи:

• В производстве музыки динамический диапазон описывает разницу в уровне громкости между самым громким и самым тихим звуком в аудиофайле. Характеристика измеряется в децибелах (дБ).
• Для аудиофайлов и отдельных дорожек в DAW динамический диапазон описывает разницу в децибелах между самым громким и самым тихим моментом в аудиофайле на дорожке.
• В готовых миксах и изданных треках показатель сообщает о расстоянии, которое преодолевает сигнал от точки полной тишины до итогового уровня громкости.
• Для устройств воспроизведения и записи диапазон определяет границы возможностей оборудования. Показатель сообщает, насколько тихие и громкие сигналы могут быть правильно записаны и воспроизведены этими устройствами.

Динамический диапазон можно воспринимать как пространство между минимальным уровнем шума (нойз-флор) и точкой отсечения, в которой образуется клиппинг.

Аудиоустройства не способны записать или воспроизвести сигнал за пределами минимального уровня шума. Нам не удастся услышать такой звук: для слуха он будет не отличим от окружающего шума.

Когда сигнал пересекает точку отсечения, вершины звуковой волны резко обрезаются — в звуке появляется неприятная резкость и искажения.

Динамика в мастеринге

Динамический диапазон подсказывает количество обработки сигнала (компрессии и лимитирования) при мастеринге.

Большой динамический диапазон — меньше компрессии, меньше громкость.

Малый динамический диапазон — больше компрессии, больше громкость.

Звуковая волна состоит из пиков и спадов — вершин и впадин. Расстояние между пиками и спадами напрямую зависит от динамики сигнала: чем динамичнее звук, тем больше дистанция между вершинами и впадинами. Такое поведение напрямую влияет на подход к мастерингу, а значит и на само звучание музыки.

Тихий и динамичный мастеринг

Сильная динамика и большое расстояние между пиками и спадами приводит к более явному звучанию транзиентов — начальных импульсов сигнала (кстати, вот здесь мы подробнее рассказываем о транзиентах).

Большой динамический диапазон сигнала

Такие моменты сильно выделяются на общем фоне: транзиенты слышны в мельчайших подробностях и обладают большей детализацией. То же справедливо и для других переходных состояний звука: спадам и хвостам сигналов, моментам тишины и паузам, крещендо и декрещендо (диминуэндо).

Из-за того, что транзиенты и переходные звуки обладают сильной динамикой, слишком активное сжатие и лимитирование приведёт искажениям, клиппингу и пикам при каждом проявлении транзиентов. По этой причине миксы с большим динамическим диапазоном отличает более низкий уровень громкости и малое количество компрессии: трек делают тише, чтобы оставить достаточно места для самых активных элементов.

Тихие динамичные мастер-треки чаще всего встречаются в живых и импровизационных стилях (джазе, блюзе, фанке и фьюжн), а также в классической и академической музыке.

Громкий и компрессированный мастеринг

Громкость часто служит основным элементом привлечения внимания слушателей. Громкая музыка моментально обращает на себя внимание, что особенно ценится в роке и метале, различных -корах, а также некоторых стилях электронной музыки.

Малый динамический диапазон сигнала

Для достижения максимально возможной громкости и некоторой агрессии в звуке мастеринг-инженеры уменьшают динамический диапазон трека. Благодаря этому микс звучит более плотно и монолитно, а его громкость может быть практически вплотную приближена к допиковым значениям.

Уменьшение динамического диапазона происходит с помощью компрессоров и лимитеров. Важную роль здесь играет баланс между громкостью и естественностью: чем громче звук, тем более искусственно он звучит после компрессии.

Самая сложная задача в мастеринге — добиться максимально возможной громкости без полного уничтожения микса. Переизбыток громкости приводит к искажению сигналов, появлению артефактов, клиппинга и других недостатков.

Итоговый уровень громкости напрямую зависит от модели распространения трека: каждая платформа и носитель обладает собственными рекомендациями по общей громкости музыки (да, те же YouTube и SoundCloud по разному сжимают музыку). Выводить громкость вплотную к пиковым отметкам не нужно — сервисы и носители могут уменьшить или увеличить динамический диапазон, что попросту уничтожит микс.

ВОЙНА ГРОМКОСТЕЙ

Разница в требованиях стала одной из причин Войны громкостей, проявившейся в виде бездумного повышения уровня громкости издаваемых релизов в 2000-х годах. Лейблы и издатели негласно соревновались в специальной дисциплине «Кто издаст более громкий релиз?», не обращая внимания на то, как страдает сама музыка.

В Интернете даже запустили базу данных, в которой представлены данные о громкости и динамическом диапазоне десятков тысяч релизов, выпущенных в 2000-е.

Итоговая динамика

Динамический диапазон выглядит как эдакая тонкость для эстетов от мира производства музыки, но внешность обманчива. Характеристика является одним из важных факторов качественного звучания вашей музыки: информация о диапазоне подсказывает возможности аппаратуры и рассказывает, как будет звучать музыка после мастеринга.

Похожие публикации:

1. Как бежит ток по проводам
2. Автогенератор что это такое
3. Как разобрать фен браун creation 1600
4. Зачем нужен осушитель воздуха

Динамический диапазон

Динамический диапазон определяет максимальное изменение уровня звука в аудиоматериале, он выражается в децибелах и равен разности между самой громкой и самой тихой частью аудиоматериала. Иногда на фоне шумов самая тихая часть музыкального фрагмента может оказаться неслышимой, в этом случае динамический диапазон будет определяться разностью между самой громкой частью музыкального произведения и уровнем шумов.

Динамический диапазон используется и для характеристики звуковых систем. Любая звуковая система имеет собственный шум, являющийся остаточным электронным шумом системы. Динамический диапазон звуковой системы равен разности между пиковым уровнем звука на выходе и уровнем внутренних шумов.

Динамический диапазон рок-н-рольной музыки

Для рок-н-рольной музыки характерен самый широкий динамический диапазон. Уровень звукового давления у микрофонов (не в аудитории) на таких концертах может изменяться от 40 дБ (что соответствует шуму в аудитории при кратковременных паузах в исполнении, улавливаемому микрофоном) до 130 дБ (это выше болевого порога, но звуки такой громкости исполнители издают в микрофон, а до слушателей они доходят менее громкими). Чтобы определить динамический диапазон такого концерта, следует из пикового уровня звукового давления вычесть уровень шумов:

Динамический диапазон = Пиковый уровень — Уровень шумов = 130 дБ — 40 дБ = 90 дБ.

Примечание. дБ — это отношение двух сигналов, и в этом случае мы описываем, как соотносятся сигналы 130 дБ SPL и 40 дБ SPL. Разница между ними составляет 90 дБ, но данное значение никак не связано с уровнем звука 90 дБ SPL, отнесенного к 0,0002 дин/см2. Динамический диапазон всегда указывается в дБ, его никогда не следует выражать в единицах дБ SPL, дБm, дБu, отнесенных к какому-то абсолютному значению.

Электрический динамический диапазон звуковой системы

Электрический уровень сигнала звуковой системы (в дБu) пропорционален уровню звукового давления (в дБ SPL) у микрофона. Реальные уровни электрического сигнала, определяются чувствительностью микрофонов, уровнем усиления предусилителей мощности и другой аппаратурой, но эти величины являются постоянными и соответствуют тем, что приведены в спецификациях.

При уровне звукового давления у микрофона 130 дБ SPL максимальные линейные уровни на выходе микшерного пульта могут достигать +24 дБu (12,3V), а максимальные уровни на выходе каждого усилителя мощности — пиковых значений 250 Вт (подобных усилителей может быть и несколько). При уменьшении уровня звука до 40 дБ SPL минимальный линейный уровень уменьшается до 66 дБu (388 мV), а уровень сигнала на выходе усилителя мощности снижается до 250 нВт.

При этом динамический диапазон аудиоматериала на выходе микшерного пульта остается таким же, как у сигнала, снимаемого с микрофона:

Динамический диапазон = Пиковый уровень — Уровень шумов = +24 дБu — (-66 дБu) = 90 дБ.

А что можно сказать относительно динамического диапазона на выходе усилителя мощности? Как соотносятся в децибелах 250 Вт и 250 нВт можно легко рассчитать:

дБ = 10 log (P1/P0)= 10 log (250/0,000000250) = 10 log (1000000000) =10 · 9 = 90 дБ.

Соответствие величин дБ SPL и дБu, дБm или дБW сохраняется на всех участках звуковой системы от источника звука у микрофона до выхода на систему громкоговорителей. При изменении уровня звука на 90 дБ, электрическая мощность изменится на столько же. В электрической цепи, которая возбуждается данным звуком (предполагается, что усиление носит линейный характер, т.е. в системе не применяется компрессия, эквализация, ограничение и отсечку сигналов) разность между двумя уровнями звукового давления, выраженная в децибелах, всегда соответствует разности мощностей в дБm или разности напряжений в дБu. Такое соотношение характерно для систем любого типа: звукоусиления, звукозаписи, вещательных.

Акустический динамический диапазон системы

Мы описали динамический диапазон аудиоматериала, который поступает на микрофон, и динамический диапазон электрического сигнала, который проходит через микшерный пульт и усилители мощности, а что можно сказать относительно звука на выходе системы громкоговорителей? Как вы, наверное, могли бы уже предположить, он должен иметь такой же динамический диапазон. Если громкоговорители не в состоянии передать полный динамический диапазон, то они не смогут воспроизводить самые низкие уровни мощности, либо будут искажать звук на пиковых уровнях сигнала (эти недостатки могут присутствовать одновременно). Реальные уровни звука, которые должны воспроизводить громкоговорители определяются расстоянием между ними и публикой, а также требуемой громкостью звучания. Предположим, что мы не хотим, чтобы у наших слушателей лопнули барабанные перепонки, и за достаточный для точной передачи исполнения пиковый уровень принимаем 120 дБ SPL. В этом случае на данной сценической площадке громкоговорители должны сообща генерировать 130 дБ SPL (если вы проведете необходимые расчеты, то получите именно это значение). Мы также знаем, что, если громкоговорители генерируют 130 дБ SPL на пиках, то они смогут поддерживать 40 дБ SPL на самых тихих фрагментах, т. е. обеспечивать заданное значение динамического диапазона 90 дБ.

Нам известно, что звуковая волна, соответствующая пиковому уровню, ослабляется в процессе распространения на 10 дБ (т.е. со 130 дБ SPL до 120 дБ SPL). Но точно также будет снижаться и уровень звукового давления, соответствующий тихим фрагментам (с 40 дБ до 30 дБ), и публика может их не услышать, так как в этом случае уровень звука становится ниже уровня шума в зрительном зале. Именно поэтому часто применяют электронную регулировку динамического диапазона, включающую компрессию самых громких пиков, в результате которой повышается общий уровень звуков, и тихие фрагменты звучат громче.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: