В чем измеряется динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют динамическим диапазоном:

Максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажением формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках вольт-амперной характеристики транзистора.

Диапазоном усиливаемых частот (полосой пропускания) называется разность граничных частот А/ = f_B — f_H, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью. Допустимые изменения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Полоса пропускания частот усилителя должна быть не меньше ширины спектра усиливаемых частот. Полоса пропускания усилителей зависит от класса и качества аппаратуры. С расширением полосы пропускания растет стоимость аппаратуры, усложняется конструкция, увеличивается воздействие на усилитель различного рода помех. На практике полосу пропускания сужают до минимальных пределов, обеспечивающих необходимое качество работы усилителя.

Искажения сигнала

Кроме получения необходимого коэффициента усиления сигнала, необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы. Отклонение формы выходного сигнала от формы входного принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителя. При подаче на вход усилителя напряжения синусоидальной формы из-за нелинейности входной и выходной характеристик транзистора форма входного и выходного токов может отличаться от синусоидальной из-за появления составляющих высших гармоник входного сигнала, которых не было в спектре входного сигнала. Это относится как к синусоидальному входному напряжению, так и ко входному сигналу любой другой формы. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (клир-фактор) усилителя, выраженным в процентах

где Р₂, Рз, Р_п — мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й, . п-й гармонических составляющих напряжения (U2, Uз, . U_n); Pi — мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения ?/]_.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов:

Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и не связаны с его частотой. Для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен иметь малую амплитуду. В связи с этим в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном возникают в предоконечных и выходных каскадах, на входе которых действуют сигналы большой амплитуды.

Методы измерения основных параметров усилителя

Впервые требования к усилителям звуковой частоты были установлены стандартом ФРГ DIN 45500 в середине 60- годов. За­тем были утверждены рекомендации Международной электротехни­ческой комиссии МЭК 268-3, МЭК-581-6. Методы измерения и испытаний средства и условия измерений основных параметров усилителей установлены ГОСТ 23849-90 «Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей звуковой частоты», ГОСТ 24388 -88 ( СТ СЭВ 1079-78) « Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические требования»,ГОСТ 36033 -91 « Усилители измерительные постоянного тока и напряжения постоянного тока. Общие технические требования и методы испытаний», ГОСТ 12090-80 « Частоты для акустических измерений. Предпочтительные ряды».

Основные операции проводимые при измерении основных параметров усилителя следующие :

1 Определение динамического диапазона усилителя. Схема измерений (рисунок 1.93) состоит из генератора синусоидальных сигналов, вольтметра PV1 , с помощью которого контролируют напряжение на входе усилителя, эквивалента внутреннего сопротивления источника сигнала R_ист ис­пытуемого усилителя.

На выходе усилителя подключается эквивалент нагрузки активной R_h или С_н.

Рисунок 1.93 – Схема соединения для определения основных параметров усилителя

Параллельно эквивалентной нагрузке на выходе усилителя вк­лючают вольтметр PV2, измеряющий напряжение на выходе усилителя. Для определения максимального выходного напряжения применяется осциллограф. По форме искажения сигнала определяется U_{вых. макс.} Для определения динамического диапазона усилителя, следует подать с выхода генератора сигнал с частотой 1000 Гц, на вход усилителя установки. На выходе генератора напряжения установить минимальное напряжение. Измерить напряжение на нагрузке. Строим амплитудную характеристику. (рисунок 1.94 )

По амплитудной характеристике определяем динамический диапазон усилителя

Для определения номинальной мощности усилителя применяем амплитудную характеристику усилителя ( рисунок 1.94) и схему соединения приборов, приведенная на рисунке 1.95. Перегиб амплитудной характеристики (точка а) обычно отвечает номинальной мощности, а также коэффициенту гармоники выходного напряжения, который указывается в технических условиях.

где U_{вх.макс.1000} — максимальное напряжение в токе а ;

R_н — сопротивление нагрузки.

3. Для определения диапазона воспроизводимых частот строят частотную характеристику усилителя.

Рисунок 1.95 – Схема соединения для определения диапазона воспроизводимых частот и полосы частот

Параллельно эквивалентной нагрузке на выходе усилителя вк­лючают вольтметр PV2, измеряющий напряжение на выходе усилителя. Для снятия частотной характеристики устанавливается частота генератора 1000 Гц и на вход испытуемого усилителя подается нап­ряжение, значение которого соответствует 0,3 от номинального значе­ния входного напряжения для данного усилителя. Такое входное напряжение выбирают для того, чтобы не выйти за пределы амплитудной характеристики, а следовательно, не исказить ре­зультаты измерений. Частотную характеристику усилителя измеряют при исходной мощности значительно более малой номинальный, что устраняет какие-либо перегрузки усилителя.

Если усилитель сравнительно простой и не имеет каких-либо регуляторов тембра, то регулятор громкости ставят на максимум и во время снятия частотной характеристики его положения не изменяют.

Измеряем напряжение на выходе усилителя, то есть на нагружающем сопротивлении R_н вольтметром PV2. Результаты измерения записываем в таблицу 1.1. Изменение частоты генератора от частоты 1000 Гц и вниз до 20 Гц. После опять устанавливаем частоту на генераторе 1000 Гц (для проверки стабильности частоты) и увеличиваем частоту до 20000 Гц.

Таблица 1.2. – Частотная характеристика усилителя.

Условия измерений R_н=_____________,U_вх =________

f, Гц

Uвих, В

Uf / U1000

Uf / U1000, дБ

Строим частотную характеристику усилителя ( рисунок 1.96).

Проводим горизонтальную прямую на уровне — 3 дБ, что отвечает общепринятому допуску на неравномерность частотной характеристики. И определяем полосу пропускания П усилителя.

4. Определение чувствительности усилителя.

Под параметром «чувствительность» принято понимать то напряжение НЧ сигнала, который необходимо подать на вход усилителя, чтобы получить на нагрузке номинальную исходную мощность. Чувствительность входа определяют на частоте 1000 Гц. Регулятор громкости (усиления ) при этом устанавливается в положение максимальной громкости и положение других регуляторов, соответствующем номинальным условиям.

5 Определяем пределы регулировки громкости измеряют при указанных выше условиях. Вначале измеряют напряжение на выходе усилителя. Поло­жение движка регулятора громкости изменяют в пределах плавной регулировки до тех пор, пока напряжение на входе усилителя не изме­нится скачком. Затем снова измеряют выходное напряжение.

Результаты измерения определяется значением пределы регулиро­вки громкости D_г, вычисленного в децибелах по формуле

где U_{вых max}— напряжение на выходе усилителя, когда регулятор громкости находится в положе­нии максимальной громкости;

U_{вых min} — напряжение на выходе усилителя, ког­да регулятор громкости находится в по­ложении минимальной громкости.

6. Определяем пределы регулятора тембра – по низшим и высшим частотам. Пределы регулировки тембра (см. рисунок 1.95) определяют на частотах указанных в технических условиях при входном напряжении, значение которого равня­ется 0,3 от номинального значения напряжения.

Частотные характеристики снимают в таких усилителях не менее три раз. Сначала оба регулятора тембра устанавливают в положения, которые отвечают наибольшему завалу крайних низших и высших частот. Полученная характеристика может иметь вид кривой, обозначенный на рисунку 1.97, цифрой 1. Потом ручка обоих регуляторов тембра возвращают в другое крайнее положение, которое отвечает максимальному низших и высших частот, а измерению делают при входном напряжении, что в десять раз (на 20 дБ) меньше номинального. Эта характеристика может иметь вид кривой 2, на рисунку 1.97. После этого ручки обоих регуляторов устанавливают в среднее положение и делают третье измерение. Если получена характеристика или отвечает близкая к кривой 3, то на этом измерению заканчивают. Если она значительно отличается от этой кривой, тогда путем проб находят такие положения ручек регуляторов, при котором характеристика выходит наиболее прямолинейной, и на ручках регуляторов делают соответствующие оценки.

Рисунок 1.97 — Частотная характеристика тембра

Из графика, рисунок 1.97 видно что для усилителя, имеющего такие характеристики, предел регулирования тембра на низких частотах f_н = 70 Гц, а на высшей, равной f_в = 7500 кГц. Регулировка тембра осуществляется в пределах +5 дБ до — 10 дБ.

Значение пределов регулировки тембра (подъёма и спада) D на частотах F_н и F_b определяют в децибелах по формуле

где U_вых — выходное напряжение соответственно на часто­тах F_h и F_b при заданных положениях регу­ляторов тембра (подъёма и спада); U₁₀₀₀— выходное напряжение на частоте 1000 Гц, при Р_вых = Р_ном .

7. Коэффициент гармоник измеряют с помощью специальных при­боров — измерителей нелинейных искажений или анализаторов спек­тра (рисунок 1.95) Измерения производят на частотах, указанных техническими условиями. По шкале измерителя нелинейных искажений можно непосредственно определить коэффициент гармоник.

8. При определении коэффициента интермодуляционных искаже­ний необходимо использовать два измерительных генератора для установки частот, на которых производятся измерения. В зависимости от частотного диапазона усилителя значения этих частот указываются в нормативно-технической документации. Например, для низкочастотных усилителей, имеющих диапазон 40 Гц. 16 кГц, в соответствии с ГОСТ 23849-87 эти частоты составляют соответственно 250 Гц и 8 кГц.

Схема измерения (рисунок 1.98) состоит из генера­торов, сумматора гармоник, анализатора спектра и испытуемого усилителя.

Рисунок 1. 98 – Схема соединения приборов для измерения интермодуляционных искажений

На выходе первого генератора устанавливается напряжение, значение которого равняется 0,8 от номинального значения напряже­ния; а на выходе второго — 0,2 ·U_ном. С помощью регулято­ра громкости в нагрузке устанавливают мощность равную номинальной. Анализатором спектра измеряют выходное напряжение при следующих комбинациях частот : (F₂+F₁), (F₂ — F_l), (F₂+2F₁),(F₂-2F1).

Результатом измерения является значение коэффициента интер­модуляционных искажений, вычисленное по формуле

Рассмотренная выше методика выполнения отдельных операций рекомендована ГОСТ 23849-87 » Аппаратура радиоэлектронная быто­вая, методы измерения электрических параметров усилителей звуковой частоты «.

Целью калибровки измерительных усилителей является определе­ние их пригодности в соответствии с заданными метрологическими характеристиками. Калибровка средств измерений, в том числе и из­мерительных усилителей, производится на основании действующей нормативно-технической документации, государственным стандартом Украины. Основополагающими документами в вопросах калибровки и испытания измерительных усилителей являются ДСТУ 3989-2000.Метрологія. Калібрування засобів вимірювальної техніки. Основні положення, організація, порядок проведення та оформлення результатів. Калибровка осущест­вляется периодически органами государственной или ведомствен­ных метрологических служб. ДСТУ 2708:2006. Метрологія. Повірка засобів вимірювальної техніки. Організація та порядок проведення. ДСТУ 3406:2006. Метрологія. Державні випробування засобів вимірювальної техніки. Основні положення, організація, порядок проведення і розгляду результатів.

Прежде чем приступить к калибровке, необходимо ознакомиться с технической документацией для данного усилителя и методикой его калибровки. После этого выбирают образцовые и вспомогательные средства измерений и решают вопрос о согласовании входных и вы­ходных параметров этих средств и испытуемого усилителя. Калибровка проводится с использованием более точных образцовых средств измерений. Минимально допустимым отношением погрешности об­разцовых и поверяемых средств считают 1:3. При выборе образцо­вого средства измерений учитывается не только его точность вооб­ще, но и оценивается степень достоверности определения погреш­ностей образцового и калиброванного средства измерений. В качестве средств измерений при калибровке измерительных усилителей исполь­зуются вольтметры, аттенюаторы, измерители нелинейных искаже­ний, анализаторы спектра, измерители частотных и переходных ха­рактеристик, измерительные генераторы. Кроме того, для калибровки усилителей выпускается установка типа К2-41, используемая в диапазоне частот 20 Гц. 200 кГц, которая позволяет устанавливать отношение напряжений от 10 до 10 6 с относительной погрешностью измерения 0,3 %.

Калибровка усилителей состоит из внешнего осмотра, опробова­ния (проверка работоспособности), определения метрологических характеристик и параметров. Основными операциями определения метрологических характеристик и параметров являются определе­ния: погрешности коэффициента усиления на частоте F (ее значе­ние указывается в стандарте или техническом описании прибора; для низкочастотных усилителей — 1 кГц); неравномерности час­тотной характеристики относительно частоты F; коэффициента гар­моник выходного напряжения; напряжения шумов усилителя, при­веденного ко входу. Погрешность установки коэффициента усиле­ния определяется методом замещения с помощью образцового ат­тенюатора или установки К2-41 путем непосредственного отсчета погрешности по шкале индикатора. Методика проведения других операций аналогична рассмотренным выше методам электрических измерений при испытании усилителей.

Амплитудная характеристика и динамический диапазон реального и идеального диапазон усилителя

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость амплитуды сигнала (напряжения, тока или мощности) на выходе усилителя от амплитуды сигнала на его входе и является второй важнейшей характеристикой реального усилителя.

Для идеального усилителя эта зависимость всегда линейны, так как его коэффициент усиленияКпостоянен: U_вых= К·U_вх.Поэтому амплитудная характеристика идеального усилителя представляет прямую линию из начала координат (прямая «а» на рис.3), тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен коэффициенту усиления:

Кривая бна рис.3 соответствует типичной амплитудной характеристике реального усилителя. Она линейна лишь в определённом диапазоне входных напряжений, а именно при U_вх1 U_вх U_вх2. Только в пределах этого диапазона коэффициент усиления постоянен, амплитудные искажения сигнала отсутствуют и усилитель подобен идеальному.

Этот диапазон входных напряжений от U_вх1 до U_вх2, в пределах которого отсутствуют нелинейные (амплитудные) искажения, назы­вается динамическим диапазоном усилителя. Его часто выражают в децибелах:

.(5)

Вне этого диапазона амплитудная характеристика становится нелинейной, и если амплитуды гармоник входного сигнала выходят за пределы этого диапазона, то будут наблюдаться амплитудные искажения формы усиливаемого сигнала.

Условия усиления биосигнала без существенных искажений. Диапазон амплитуд и полоса частот биоэлектрических сигналов, поступающих с поверхности тела человека при регистрации электрокардиограмм (ЭКГ), электромиограмм (ЭМГ), электроэнцефалограмм (ЭЭГ).

Для правильного (без искажений) усиления исследуемого сигнала реальным усилителем, необходимо выполнитьдва условия:

1) Частотный спектр усиливаемого сигнала должен полностью попадать в полосу пропускания усилителя.

2) Диапазон амплитуд усиливаемого сигнала должен находиться в пределах динамического диапазона усилителя.

Диапазон амплитуд и полоса частот биоэлектрических сигналов, поступающих с поверхности тела человека при регистрации электрокардиограмм (ЭКГ), электромиограмм (ЭМГ), электроэнцефалограмм (ЭЭГ)приведен в таблице 1.

Таблица 1 Амплитудные и частотные параметры электрокардиограммы (ЭКГ), электромиограммы (ЭМГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ)

Электрограммы	Частотный спектр, Гц	Амплитуды электрограмм, мВ	Необходимый коэффициент усиления
ЭКГ	0,5 – 400	0,1 – 5,0	10 4
ЭМГ	1,0 – 1000	0,01 – 50	10 3 —10 5
ЭЭГ	1,0 – 300	0,01 – 0,5	10 5 – 10 6

Данные взяты из книги Самойлов В.О. Медицинская биофизика/С-Пб, «СпецЛит», 2004г.

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.