Гармонические искажения в акустических системах⁠⁠

Что это такое и откуда они берутся в динамических излучателях звука. Как гармонические искажения разных порядков влияют на звук. Как уменьшить гармонические искажения динамика

Гармонические искажения — один из видов нелинейных искажений звука, которые возникают, когда сигнал, проходящий через устройство, искажается таким образом, что в его спектре появляются новые частотные составляющие, кратные частоте исходного сигнала. Эти новые составляющие называются гармониками, а их отношение к основной частоте называется порядком гармоники.

Например, если исходный сигнал имеет частоту 100 Гц, то его вторая гармоника будет иметь частоту 200 Гц, третья — 300 Гц и так далее. Гармонические искажения измеряются в процентах от среднеквадратичного значения сигнала и обозначаются как КГИ (коэффициент гармонических искажений) или THD (total harmonic distortion).

Гармонические искажения могут возникать на разных этапах звуковоспроизведения, в том числе в динамических излучателях звука, то есть в громкоговорителях и наушниках. Динамический излучатель звука состоит из двух основных частей: электрической (катушка, подключенная к усилителю) и механической (диффузор, преобразующий электрические колебания в звуковые волны). Гармонические искажения в динамическом излучателе звука могут иметь различные причины, такие как:

• Нелинейность характеристик катушки, которая зависит от ее сопротивления, индуктивности, температуры и положения в магнитном поле. Нелинейность катушки приводит к тому, что амплитуда и фаза выходного сигнала не пропорциональны амплитуде и фазе входного сигнала, а также к тому, что катушка генерирует свои собственные гармоники, которые накладываются на исходный сигнал.

• Нелинейность характеристик диффузора, которая зависит от его массы, жесткости, демпфирования и геометрии. Нелинейность диффузора приводит к тому, что его перемещение не пропорционально силе, действующей на него от катушки, а также к тому, что диффузор генерирует свои собственные гармоники, которые накладываются на исходный сигнал.

• Взаимодействие диффузора с окружающим воздухом, которое зависит от его формы, размера, скорости и направления движения. Взаимодействие диффузора с воздухом приводит к тому, что на него действуют аэродинамические силы, которые искажают его движение и создают дополнительные звуковые волны, которые накладываются на исходный сигнал.

Гармонические искажения разных порядков влияют на звук по-разному. В целом, чем выше порядок гармоники, тем больше она искажает звук, так как она сильнее отличается от основной частоты и создает больше диссонанса.

Однако восприятие гармонических искажений зависит не только от их порядка, но и от их уровня, спектрального состава, типа сигнала и индивидуальных особенностей слуха. Некоторые общие закономерности влияния гармонических искажений на звук можно сформулировать так:

• Нечетные гармоники (третья, пятая, седьмая и т.д.) в большей степени искажают звук, чем четные (вторая, четвертая, шестая и т.д.), так как они более далеки от основной частоты и создают больше диссонанса. Нечетные гармоники придают звуку более резкий, жесткий и грубый характер, а также могут вызывать утомление и раздражение слуха.

• Четные гармоники в меньшей степени искажают звук, чем нечетные, так как они ближе к основной частоте и создают меньше диссонанса. Четные гармоники придают звуку более мягкий, теплый и округлый характер, а также могут усиливать эмоциональность и выразительность звука.

• Низкие гармоники (вторая, третья, четвертая и т.д.) в большей степени влияют на тембр звука, чем высокие (десятая, двадцатая, тридцатая и т.д.), так как они более заметны для слуха и определяют основные характеристики звука, такие как высота, громкость и звучание. Низкие гармоники могут изменять тембр звука в сторону более низкого или высокого, более тихого или громкого, более тонкого или толстого.

• Высокие гармоники (десятая, двадцатая, тридцатая и т.д.) в меньшей степени влияют на тембр звука, чем низкие, так как они менее заметны для слуха и определяют второстепенные характеристики звука, такие как шероховатость, блеск и насыщенность. Высокие гармоники могут добавлять звуку дополнительные детали, нюансы и оттенки, а также могут создавать эффект присутствия и пространственности.

Как бороться с гармоническими искажениями?

Уменьшить гармонические искажения динамика на этапе проектирования и производства можно разными способами, в зависимости от их причин и уровня. Вот некоторые из этих способов:

• Использовать качественные и подходящие по параметрам компоненты для изготовления динамиков, такие как катушки, магниты, диффузоры, подвесы и т.д. Это позволит уменьшить нелинейность характеристик катушки и диффузора, а также улучшить согласование между ними.

• Использовать специальные технологии и конструкции для динамиков, такие как линейный мотор, симметричный магнитопровод, балансный подвес, плоский диффузор и т.д. Это позволит уменьшить искажения, связанные с неоднородностью магнитного поля, асимметрией движения диффузора, нелинейностью подвеса и т.д.

На этапе проектирования АС снизить КНИ можно попытаться при помощи следующих приемов:

• Использовать многополосную систему звуковоспроизведения, в которой каждый динамик отвечает за свой диапазон частот, а также грамотно рассчитать кроссоверы для разделения сигнала на полосы. Это позволит уменьшить искажения, связанные с перегрузкой динамиков, перекрытием полос, интерференцией волн и т.д.

• Задействовать коррекцию сигнала с помощью специальных устройств или программ, таких как эквалайзеры, фильтры, компрессоры, лимитеры и т.д. Это позволит уменьшить искажения, связанные с нелинейностью частотной и фазовой характеристики динамиков, а также с перегрузкой усилителя или источника сигнала.

Как всегда, спасибо за внимание! Если возникли вопросы, оставляйте их в комментариях. Если вопрос покажется мне достойным развернутого ответа, он станет темой очередного поста.

Ну и ставьте плюс, если хотите видеть продолжение!