Максимально просто о гармониках и проблемах, возникающих от них | Публикации

Анонс: Что такое гармонические искажения, гармоники и как они влияют на стабильность электроснабжения и качество электроэнергии в сети. Эмиссия гармонических искажений силовым оборудованием, проблемы технических средств компенсации реактивной мощности и фильтров гармоник.

В идеале любой источник питания, в том числе ТП распределительной сети, должен стабильно давать ток идеально синусоидального напряжения в каждом месте силовой сети абонента-потребителя, однако по ряду причин электросетевым компаниям часто бывает трудно обеспечить такие условия из-за эмиссии и трансмиссии гармонических искажений. Гармонические искажения тока, напряжения далеко не новость, но в настоящее время они представляют собой одну из основных проблем, вызывающих нарушения стабильности электроснабжения и качества электроэнергии в электроэнергетике.

В первых электроэнергетических системах гармонические искажения в основном вызывались насыщением трансформаторов, промышленных дуговых печей, мощных электросварочных аппаратов и т.  п., а сами гармоники представляли сравнительно небольшую проблему из-за консервативной конструкции силового оборудования. Сегодня все более широкое использование нелинейных нагрузок в силовых сетях промышленных и непромышленных объектов обуславливает увеличение объемов гармонических искажений в распределительных сетях, причем именно через распределительные сети из-за «перегенерации» искажений трансформаторами ТП электросетевой компании силовые сети абонентов обмениваются гармониками между собой, (трансмиссия).

Наиболее часто используемой нелинейной нагрузкой является, пожалуй, ШИМ-преобразователь, широко используемый в сталелитейной, бумажной и текстильной промышленности, в приводах управление скоростью электродвигателя.

Гистограмма амплитуд гармоник, генерируемых в шестипульсном ШИМ-преобразователе

Наряду с этим, свой вклад в засорение сетей гармониками вносят системы энергосберегающего освещения, электроника центров обработки данных, программно-технических комплексов АСУ, электрические транспортные системы, бытовые электроприборы и т.  д. К 2000 году было зафиксировано, что на электронные нагрузки приходилось около половины спроса на электроэнергию в США и развитых странах мира, а за два десятка лет нового века эта доля возросла до 70-80 %, и это вывело проблему гармонических искажений в перечень приоритетных и критических.

Для справки
Упрощенно, нелинейные нагрузки — это нагрузки, в которых форма волны тока не похожа на форму волны приложенного напряжения по ряду причин, например, из-за использования электронных переключателей, которые проводят ток только в течение части периода промышленной частоты и, следовательно, здесь закон Ома не может описать связь между напряжением и током. Среди наиболее распространенных нелинейных нагрузок — все типы выпрямительных устройств, в том числе источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения компьютеров, частотно-регулируемые приводы, электрические печи, люминесцентные лампы и т. д. Нелинейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала напряжения, перегрев трансформаторов и других силовых устройств, перегрузку по току проводов и клемм соединения оборудования, телефонные помехи, сбои в управлении микропроцессорами и пр.

Сам термин «гармоники» заимствован из области акустики, где он был связан с вибрацией струны или молекул воздуха с частотой, кратной базовой частоте, а гармоническая составляющая в системе питания переменного тока определяется как синусоидальная составляющая периодической формы волны, частота которой равна целому кратному основной частоте системы. Тогда гармоники в формах волны напряжения или тока можно представить, как идеально синусоидальные составляющие частот, кратных основной частоте: fn=(n)·f1, где n — порядок гармоники. Т. е. для наших сетей с f1=50 Гц частота третьей (n = 3) гармоники будет f3=3·50=150 Гц, пятой (n=5) f5=5·50=250 Гц, седьмой (n=7) f7=7·50=350 Гц и т. д. Хотя кривые зависимости тока на фундаментальной частоте и токов гармоник имеют форму синусоиды, результирующая кривая искажена из-за взаимного влияния токов разных частот (см. на рис. ниже).

Синусоиды тока фундаментальной частоты и токов 3, 5 и 7-й гармоник (сверху), результирующая кривая тока в силовой сети из-за взаимного влияния токов разных частот (снизу

Ситуация стала более сложной с применением конденсаторных батарей, используемых на промышленных предприятиях для коррекции коэффициента мощности, и энергокомпаниями для стабилизации напряжения вдоль распределительных линий. Результирующее реактивное сопротивление емкости образует колебательный контур с индуктивным реактивным сопротивлением системы на определенной (резонансной) частоте, которая может совпадать с одной из характеристических гармоник нагрузки, что обуславливает значительный наброс токов гармоник, перенапряжения, способные повредить изоляцию. По факту далеко не решает проблему в полном объеме использование активных фильтров гармоник (АФГ), по сути, тех же ШИМ-преобразователей (инвертеров), которые демпфируют гармоники противофазными токами «ниже» места присоединения, а для силовой сети «выше» остаются источниками эмиссии гармонических искажений.

Такая ситуация ставит перед инженерами сложную задачу по выявлению и исправлению чрезмерных уровней гармонических искажений формы сигналов тока и напряжения от стадии планирования до стадии проектирования энергетических и промышленных установок, что позволит не только поддерживать сети и оборудование в оптимальных условиях эксплуатации, но и предвидеть потенциальные проблемы с интеграцией, модернизацией нелинейных нагрузок, а также технических средств для нивелирования перетоков реактивной мощности и/или фильтров гармоник.

Искажения звука в аудио аппаратуре и меры борьбы с ними

Все искажения звука в аудио аппаратуре тесно взаимосвязаны между собой и их не всегда можно отделить друг от друга. Искажения звука подразделяются на линейные и нелинейные. Линейные — частотные искажения звука возникают в результате ограничения диапазона частот усилителя при неравномерности АЧХ более +- 1.5Дб. Дело в том, что наш слух обладает высокой чувствительностью к импульсным сигналам с фронтом длительностью несколько микросекунд. Для воспроизведения таких крутых фронтов сигнала в звуковом диапазоне (20-20000Гц) необходим усилитель с частотой воспроизведения не менее 100кГц, так как от этой максимальной частоты зависит скорость прохождения фронта импульсного сигнала. Психоакустикой определено, что гармоники человеческого голоса простираются до 60кГц, а музыкальных инструментов на много выше. Поэтому, эти неслышимые гармоники определяют основную тембровую окраску звука. Также психоакустикой доказано, что человек с трудом воспринимающий монотонный сигнал с частотой 10кГц легко распознаёт недостаток более высоких частот в музыкальном материале и голосе. Именно по этим причинам вся звукоусилительная аппаратура и акустические системы имеют определённые трудности в обеспечении натуральности и естественности звучания. Линейные — фазовые искажения звука возникают в результате неравномерности (более 5 градусов) формы импульсов сигналов в рабочем диапазоне частот усилителя. Восприятие звуковых сигналов одного и того же спектрального состава, но с разными начальными фазами гармоник не равноценно, так как изменение начальных фаз сопровождается изменением амплитуды суммарного сигнала. Для незаметности фазовых искажений полоса частот усилителя должна быть не уже 10 — 50000Гц, тогда фазовые искажения не будут превышать 2 градуса. Нелинейные — гармонические искажения звука возникают в результате неидеальности параметров активных элементов схемы и режимов их работы, а также от глубины обратной связи (ООС), от паразитных связей между каскадами, от самовозбуждения транзисторов и от недостатков любых других схемотехнических решений. Как известно, в транзисторном усилителе присутствуют нечётные гармоники и с подачей мгновенного сигнала крутизна выходных транзисторов уменьшается (транзисторы переходят в режим насыщения). Также при выходе усилителя за область безопасной работы и при ограничении сигнала возникают высшие гармонические составляющие. Для повышения линейности двухтактного усилителя необходима симметрия всех каскадов и введение местных ООС. Но, реальной — изначальной симметрии в двухтактных усилителях не существует. Потому, разброс параметров пар комплементарных транзисторов будет всегда сопровождаться гармоническими искажениями. При увеличение глубины ООС в несколько раз качество звука не улучшается, несмотря на значительное уменьшение нелинейных искажений. Однако, при очень глубокой ООС снижается устойчивость всего усилителя, и в области НЧ возникают задержки сигнала, а также увеличивается спад АЧХ на краях диапазона. Очевидно, что качество звучания определяется не глубиной ООС, а изначальной линейностью всего усилителя без ООС. Следовательно, ориентируясь на ламповые усилители мощности можно сделать вывод, что допустимый коэффициент гармонических искажений (без ООС) должен быть не более 4%. К тому же динамическая нелинейность транзисторов частично устраняется в схеме с общей базой и в каскоде. Поэтому желательно совместно таким включением транзисторов использовать генераторы стабильного тока, так как ток в цепи базы определяется внутренним сопротивлением источника тока и мало зависит от входного сопротивления проходных — сигнальных транзисторов. Нелинейные — переходные искажения звука первого рода (центральная отсечка — «ступенька») возникают в эмиттерных повторителях и имеют сильно выраженную S-образную форму. Для борьбы с ней в качестве источника сигнала выходных транзисторов рекомендуется применять генератор тока, а ток покоя выходных транзисторов выставлять более 50ма. Нелинейные — коммутационные искажения звука второго рода обусловлены индивидуальными различиями временных и частотных свойств мощных биполярных комплементарных транзисторов. Так как в момент перехода через ноль на крутых фронтах сигнала возникают временные задержки, вызванные процессом коммутации, которые приводят к переходным искажениям. При мгновенном усилении транзистора изменяется ток коллектора, который изменяется несколько раз в течении одного периода. Это явление сказывается на нелинейности амплитудной характеристики усилителя и порождает новые, специфические фазовые искажения звука. В силу особенностей р-n переходов подвижность носителей транзисторов p-n-p типа много хуже, чем транзисторов n-p-n типа. Ёмкости р-n переходов из-за конструктивных особенностей больше и требуют более мощных управляющих сигналов. Поэтому, для уменьшения нелинейности необходимо подключать выравнивающие резисторы и увеличивать входное сопротивление выходного каскада. Нелинейные — кроссоверные искажения звука обусловлены разным наклоном характеристики передачи транзисторов разной проводимости. Все переходные искажения звука можно минимизировать переводом усилителя в однотактный режим класса «А». Применение ООС не даёт существенного уменьшения переходных искажений, так как общее усиление на ВЧ частотах снижается, а усиления в окрестности нулевой точки не хватает. Нелинейные — интермодуляционные искажения звука возникают в результате нелинейности амплитудно частотной характеристики (АЧХ) аудио аппаратуры. При усилении звукового сигнала модулируются новые комбинации частот, которых в исходном сигнале нет, так как в конструкции усилителя применяются нелинейные элементы, на которых перемножается звуковой сигнал и образуются интермодуляционные искажения. Широкополосность исходного (без ООС) усилителя мощности — полная гарантия низких интермодуляционных искажений. Нелинейные — динамические искажения звука возникают в в результате запаздывания звукового сигнала по петле обратной связи и зависят от полосы пропускания исходного усилителя без ООС. Недостаточно высокая частота пропускания исходного (без ООС, меньше 30кГц) усилителя приводит к увеличению высших гармоник из-за снижения глубины общей ООС. Глубокая ООС срезает только «гладкие» искажения и является причиной динамических искажений и неустойчивой работы усилителя. Интерфейсные искажения звука возникают в результате подключения реальной нагрузки (АС) и соединительных кабелей. При подаче на АС мощных импульсных сигналов ток этих сигналов много раз превышает ток такой же амплитуды синусоидального сигнала, что уменьшает комплексное сопротивление АС и перегружает усилитель на импульсе. Короткие и толстые провода частично компенсируют эти искажения звука. Но обратный отклик от АС передаётся по обратной связи усилителя мощности и способствует образованию нелинейных искажений. Как выход из положения отказ от ООС. Если суммировать все искажения звука, то усилитель с минимальными искажениями должен работать без ООС в однотактном режиме класса «А», с граничной частотой 100кГц, при неравномерности АЧХ +-1.5Дб. Серийный усилитель «Grimmi» обладает всеми этими требованиями и имеет граничную частоту 200кГц, при неравномерности АЧХ -3Дб.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.           Мы не создаём иллюзий,           Мы делаем звук живым! Приборы для измерения искажений.

Наверх

Что измерять при гармонических искажениях?

Электрические сети в современный период все более подвергнуты так называемым гармоническим «загрязнениям», которые вызывают нежелательные последствия.

Характерным, на сегодняшний день, является значительное увеличение находящихся в эксплуатации электронных устройств: колоссальное количество персональных компьютеров, источников бесперебойного питания и другого электронного оборудования, в которых используются малогабаритные импульсные источники питания. Кроме того получили широкое распространение такие мощные электронные устройства, как электронные регуляторы скорости, зарядно-выпрямительные устройства и др.

 

Они представляют собой существенно нелинейную электрическую нагрузку и вызывают искажения синусоидальной формы кривых напряжения и тока, что приводит к возникновению гармонических «загрязнений» электрической сети. 

По этой причине в настоящее время электрические сети практически всех производственных предприятий и офисных зданий в той или иной степени «загрязнены». 

Гармонические «загрязнения» электросетей могут приводить к целому ряду повреждений электротехнического оборудования и к нанесению значительного ущерба технологическим процессам, главными из которых являются следующие :

1. Выход из строя конденсаторов, используемых для улучшения cos Ф электросети, а также в электролюминесцентных светильниках. 

2. Выход из строя в результате перегрева нулевых проводов из-за того, что в них суммируются токи всех третьих гармоник, при этом ток нулевого провода может более чем в два раза превысить номинальное значение фазного тока. 

3. Перегрев мощных силовых трансформаторов.  

4. Перегрев электродвигателей. 

5. Искажения электромеханических характеристик электродвигателей. 

6. Ложное срабатывание устройств токовой релейной защиты, перегрев предохранителей, ложное срабатывание защиты из-за наличия токов утечки. 

7. Повреждение межобмоточной изоляции в трансформаторах и электродвигателях. 

8. Перегрев питающих проводов и электрических кабелей. 

9. Недостоверные показания измерительных приборов и некоторых датчиков обратной связи в системах автоматизации технологических процессов.

Гармонические «загрязнения» даже кратковременного характера могут привести к сгоранию конденсаторов и к помехам в работе электронной аппаратуры.

В ряде случаев при использовании электронных устройств высокой мощности гармоники, возникающие на одном производственном предприятии, могут передаваться к другим предприятиям через общие сети электропитания и именно там причинять вред. 

Практика показала, что значительная часть электриков недостаточно знакома с областью показателей, характеризующих гармонические искажения, существующими стандартами на эти параметры, а также с аппаратурой, используемой для их измерения и необходимой для их своевременного выявления.  

В настоящей статье приводятся определения основных параметров гармоник, указаны приборы для измерения этих параметров и предупредительной сигнализации. Эти приборы могут осуществить также защитное отключение конденсаторов, включение различных ступеней фильтров и частичный сброс нагрузок.

Уровень гармонических искажений характеризуется следующими параметрами: 

1. Спектр гармоник – включает в себя действующие значения ( RMS AC ) напряжений и токов гармоник до 40-й или 63-й. Результаты измерений можно получить как в форме таблиц, так и соответствующих графиков.
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM. 

2. Коэффициент гармонических искажений по напряжению – THD ( V )% (Voltage Total Harmonic Distortion).
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091.  

3. Коэффициент гармонических искажений по току — THD ( I )% (Current Total Harmonic Distortion).
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091. 

4. Коэффициент гармонических искажений с учетом максимально потребляемого тока за определенный период Т – TDD % ( Total Demand Distortion ). 

В большинстве случаев можно принять, что максимально потребляемый ток I DEM за определенный период Т — равен номинальному. При этом указанный период Т может изменяться от 1 минуты до 60 минут.
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH. 

5. Коэффициент дополнительного нагревания трансформаторов из-за гармонических искажений- (К- Factor ) 

Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения или частичный сброс нагрузок трансформаторов могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091, PM 130EH, RPM 072E.
 
Измерения токов, напряжений, мощностей и других параметров. 

Для измерения истинных значений параметров ( True RMS AC ) при наличии гармонического «загрязнения» сети необходимы приборы, позволяющие осуществлять большое число мгновенных замеров текущих значений кривой, как правило, не менее 32 замеров за период. Такие измерения могут выполняться приборами PM 172E, PM 172EH, PM 130 EH. 

Когда имеется потребность в измерении True RMS AC с учетом гармоник до 63-й, необходимо осуществить не менее 128 замеров за период. Такие измерения могут выполняться приборами PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091. 

Фирма SATEC изготовляет широкий набор приборов, основанных на новых технологиях, которые могут осуществлять измерения в электросетях, сильно «загрязненных» гармониками. Такие приборы способны измерять весь комплекс параметров, требуемых для того, чтобы охарактеризовать уровень гармоник и проверить их соответствие стандартам. 

1. РМ 296 – имеет внутреннюю память, может осуществлять гармонический анализ, включая спектры напряжения, тока и мощности с учетом гармоник до 63-й. Он позволяет также выполнить анализ помех в сети, гармоник ограниченного времени действия, и различных событий, связанных с отличием от разрешенных стандартом значений параметров сети (напряжение, ток, частота, THD и др.). 

Этот прибор рекомендуется для измерений на особо ответственных объектах с чувствительным оборудованием, как например, в больницах, аэропортах, производственных предприятиях с непрерывным технологическим циклом, а также в помещениях с большим скоплением народа ( большие торговые центры, крупные офисные здания и др.). 

2. PM 172E, PM 172EH, RPT 091, C 191 HM, PM 130 EH – в дополнение к обычным параметрам измеряют TDD ( I )%, THD ( I )%, THD ( U )%. Эти приборы рекомендуется устанавливать в местах, где прогнозируются значительные гармонические искажения, например, в производственных предприятиях с большим количеством регуляторов частоты, в крупных офисных зданиях и т.д. 

Заключение. 

1. Внедрение современной электронной техники вызывает значительное «загрязнение» электрических сетей гармониками, причем именно сама эта техника в наибольшей степени чувствительна к этим «загрязнениям».  

2. Только цифровые измерительные приборы с применением микропроцессоров способны в этих условиях осуществлять достоверные измерения ( True RMS AC ) токов, напряжений и мощностей. 

3. Для обеспечения надлежащей работы оборудования и предотвращения повреждений необходимо регулярно определять уровень гармоник в сети путем измерения следующих параметров: THD , TDD , K — Factor и гармонического спектра как для постоянно присутствующих гармоник, так и для гармоник с ограниченным временем действия. 

4. Необходимо постоянно измерять ток в нулевом проводе питающей сети и получать предупреждающие сигналы при его выходе за пределы нормы. 

5. В фирме SATEC разработан весь набор измерительных приборов, позволяющих выполнять измерения гармоник, осуществлять предупредительную сигнализацию, включать фильтры, отключать конденсаторы и осуществлять частичное отключение нагрузок.

Распечатать

Гармонические искажения что это

Гармонические искажения являются важным параметром генераторов, так как в ряде случаев они определяют внеполосные излучения. С помощью анализатора спектра можно легко оценить уровень каждой гармоники, а по их амплитудным соотношениям судить о характере искажений. Спектрограмма позволяет выявить гармоники до десятого порядка. Точное гармоническое искажение можно получить, сопоставляя другие гармоники и суммируя их мощности; однако это дает небольшой выигрыш в точности.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Искажения сигнала
• Коэффициент нелинейных искажений
• нелинейные искажения
• Нелинейные искажения
• Гармонические искажения в линии питания переменного тока
• Коэффициент гармоник
• Гармоники тока и напряжения в электросетях
• Нелинейные искажения
• 6. 2. Искажения в усилителях

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Лекция 43. Нелинейное искажение

Искажения сигнала

ГОСТ широко применяется при определении уровня содержания гармоник в знакопеременных сигналах. Согласно указанному стандарту, параметр h можно ограничить числом Коэффициент THD позволяет одним числом выразить степень искажений, влияющих на ток или напряжение в любом месте электроустановки.

Ниже представлена эквивалентная формула, которая является более наглядной и удобной в применении, если известно полное действующее значение:. Коэффициент THD, отражающий одним значением степень искажения формы тока или напряжения, является важным показателем.

Спектр отображает отдельные гармоники, влияющие на искаженный сигнал коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения см. ГОСТ На рис. Персональные инструменты Создать учётную запись Представиться системе. Просмотры Статья Обсуждение Просмотр История. На других языках.

Главная страница Поиск и просмотр информации Новости. Обновление и редактирование «Песочница» Свежие правки Справка. Материал из Руководство по устройству электроустановок. Перейти к: навигация , поиск. Общие правила проектирования электроустановок Подключение к распределительной сети высокого напряжения Подключение к низковольтной распределительной сети Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения Распределение в системах низкого напряжения Защита от поражения электрическим током Выбор сечения и защита проводников Низковольтная распределительная аппаратура Защита от перенапряжений в низковольтных сетях Энергоэффективность в электрических сетях Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник Управление гармониками Зачем нужно обнаруживать и устранять гармоники?

Категория : Chapter — Управление гармониками. Последнее изменение этой страницы: , 14 ноября Отказ от ответственности Описание WikiElectro Политика конфиденциальности. Суммарный коэффициент гармонических искажений THD Материал из Руководство по устройству электроустановок Перейти к: навигация , поиск Общие правила проектирования электроустановок.

Подключение к распределительной сети высокого напряжения. Подключение к низковольтной распределительной сети. Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения.

Распределение в системах низкого напряжения. Защита от поражения электрическим током. Выбор сечения и защита проводников. Низковольтная распределительная аппаратура. Защита от перенапряжений в низковольтных сетях. Энергоэффективность в электрических сетях.

Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник. Управление гармониками. Зачем нужно обнаруживать и устранять гармоники? Стандарты, регламентирующие гармонические искажения Причины появления гармонических искажений Основные виды воздействий гармоник на электроустановки Воздействие гармоник — резонанс Воздействие гармоник -увеличенные потери Воздействие гармоник — перегрузки оборудования Воздействие гармоник — возмущения, влияющие на чувствительные нагрузки Воздействие гармоник -экономические последствия Основные показатели гармонических искажений и принципы их измерения Показатели гармоник — коэффициент мощности Показатели гармоник — крест-фактор Параметры мощности и гармоники Гармонический спектр и гармоническое искажение Суммарный коэффициент гармонических искажений THD Практическая ценность различных показателей гармонических искажений Измерение показателей гармоник Устройства обнаружения гармоник Способы ослабления гармоник Основные рекомендации по ослаблению гармоник Фильтрация гармоник Метод ослабления гармоник Специальные устройства для ослабления гармоник.

Особые источники питания и нагрузки. Электроустановки жилых помещений и коттеджей. Электромагнитная совместимость ЭМС.

Коэффициент нелинейных искажений

ГОСТ широко применяется при определении уровня содержания гармоник в знакопеременных сигналах. Согласно указанному стандарту, параметр h можно ограничить числом Коэффициент THD позволяет одним числом выразить степень искажений, влияющих на ток или напряжение в любом месте электроустановки. Ниже представлена эквивалентная формула, которая является более наглядной и удобной в применении, если известно полное действующее значение:.

Это значит, что если на выходе с любой системы присутствуют гармонические искажения, то эта система обладает некоторой нелинейностью, что.

нелинейные искажения

Нелинейные искажения вызваны нелинейностью системы обработки и передачи сигнала. Эти искажения вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь например, через усилитель или трансформатор , вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на её выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Частотные искажения вызваны неидеальностью амплитудно-частотной характеристики системы обработки и передачи сигнала. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики , количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений. Фазовые искажения вызваны неидеальностью фазо-частотной характеристики системы обработки и передачи сигнала. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи. Искажения формы сигнала из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения при быстрых изменениях входного напряжения.

Нелинейные искажения

Завершены работы на студии в с. Музычи, под Киевом. Владелец этой студии попросил нас не ограничиваться консультациями по акустике и сделать все «по максимуму». Поэтому мы были задействованы в проектировании и изготовлении коммутации, системы электропитания и пр. Новые Анены, Молдова.

Правила форума.

Гармонические искажения в линии питания переменного тока

Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала , отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала. КНИ — безразмерная величина и выражается обычно в процентах. Кроме КНИ, уровень нелинейных искажений часто выражают и через коэффициент гармонических искажений КГИ или K Г — величину, выражающую степень нелинейных искажений устройства усилителя и др. Интересно, что в западной литературе обычно пользуются КГИ, тогда как в отечественной литературе традиционно предпочитают КНИ. Для многих стандартных сигналов КГИ может быть подсчитан аналитически. Например, симметричный прямоугольный сигнал меандр с изначальным КГИ в

Коэффициент гармоник

Различают два вида нелинейности: нелинейность степенного типа и нелинейность из-за амплитудного ограничения. Первая характеризуется зависимостью где коэффициенты пропорциональности; мгновенные значения первичного сигнала; у — мгновенное значение вторичного. Амплитудное ограничение бывает сверху и снизу центральное. При ограничении сверху рис. Амплитудное ограничение для сигналов с большой и небольшой амплитудами: а ограничение сверху; б шизу центральное Сигналы с амплитудами больше ограничиваются. При центральном ограничении рис.

Суммарный коэффициент гармонических искажений (КНИ) является где V п это напряжение RMS на п — й гармоники и п = 1 является основной.

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Акустические системы. Blu-Ray проигрыватели. Медиа плееры.

Нелинейные искажения

Если в устройстве отсутствует прямая пропорциональность между мгновенными значениями входного и выходного сигналов, то возникающие искажения называются нелинейными. Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности амплитудных характеристик электронных ламп, транзисторов, диодов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, элементов устройств. Нелинейные искажения характеризуются гармоническими и случайными статистическими комбинационными составляющими, появляющимися в спектре выходного сигнала. Различают частотно-независимые и частотно-зависимые нелинейные искажения. Если характеристика передачи звена одинакова на всех частотах, то искажение называют частотно-независимыми.

Нелинейными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные нелинейностью зависимости между вторичным и первичным сигналами в стационарном режиме. В системе с нелинейной передаточной характеристикой возникают спектральные составляющие, которых не было на входе — продукты нелинейности.

6.2. Искажения в усилителях

Поговорим начистоту. Если вас интересует управление двигателем, то, вероятно, вам важно качество выходного сигнала вашего управляющего устройства. Вы думаете о скорости, крутящем моменте и положении. Все это верно, пока проблемы с входным сигналом не привели к серьезному повреждению оборудования, дополнительным расходам или снижению производительности. Вот теперь вас начнут беспокоить гармонические искажения. Они вызваны нагрузками, потребляющими токи, которые не обязательно являются синусоидальными. Такие искажения могут повлиять на любое оборудование, подключенное к источнику питания:.

Они годами использовались в промышленных установках для точного управления процессами. Коммерческие системы HVAC часто существенно отличаются от производственных установок. В большинстве установок HVAC преобразователь частоты делит питание переменного тока с чувствительным электронным оборудованием, таким как компьютеры, телекоммуникационные сети, освещение и генераторов тактовых импульсов. Когда система HVAC применяется в аэропорту, больнице или в исследовательском центре, объем чувствительного оборудования значительно увеличивается.

Показатели гармонических искажений и принципы измерений | Руководство по устройству электроустановок | Оборудование

• эксплуатация
• монтаж
• РЗиА
• заземление
• конденсатор

Содержание материала

• Руководство по устройству электроустановок
• Методология
• Нормы и правила
• Установленные мощности нагрузки
• Мощность нагрузки установки
• Контроль и регулирование потребляемой мощности
• Энергоснабжение при высоком напряжении
• Процедура создания новой подстанции
• Подстанция абонента с измерениями на стороне низкого напряжения
• Подстанция абонента с измерениями на стороне высокого напряжения
• Создание распределительных понижающих подстанций
• Низковольтные потребители — подключение
• Низковольтные распределительные сети — подключение
• Подсоединение потребителей к сети
• Качество поставляемого напряжения
• Распределение в системах низкого напряжения
• Надежность системы электропитания в системах низкого напряжения
• Защитные и аварийные устройства
• Заземляющие соединения в системах низкого напряжения
• Определение стандартизованных систем заземления в системах низкого напряжения
• Характеристики систем TT, TN и IT
• Критерии выбора систем TT, TN IT
• Выбор метода заземления в системах низкого напряжения
• Монтаж заземляющих электродов в системах низкого напряжения
• Оборудование установки в системах низкого напряжения
• Перечень внешних воздействий в системах низкого напряжения
• Защита оборудования закрытого типа в системах низкого напряжения
• Защита от поражения электрическим током
• Защита от прямого прикосновения
• Защита от косвенного прикосновения
• Защита имущества от ущерба вследствие пробоя изоляции
• Реализация системы TT
• Реализация системы TN
• Реализация системы IT
• Устройства защитного отключения
• Защита цепей
• Определение сечения провода для открытой прокладки
• Определение падения напряжения
• Ток короткого замыкания
• Частные случаи тока короткого замыкания
• Защитный заземляющий провод
• Нейтральный провод
• Низковольтная распределительная аппаратура
• Низковольтные коммутационные аппараты
• Выбор низковольтной коммутационной аппаратуры
• Автоматический выключатель
• Выбор автоматического выключателя
• Согласование характеристик автоматических выключателей
• Защита от перенапряжений
• Устройства защиты от перенапряжений
• Стандарты защит от перенапряжений
• Выбор устройств защиты от перенапряжений
• Повышение коэффициента мощности и фильтрация гармоник
• Зачем повышать коэффициент мощности?
• Методы повышения коэффициента мощности
• Выбор места установки компенсирующих конденсаторов
• Выбор оптимального уровня компенсации
• Компенсация на зажимах трансформатора
• Повышение коэффициента мощности асинхронных двигателей
• Влияние гармоник
• Блоки конденсаторов
• Обнаружение и устранение гармоник
• Последствия Ih гармоник для электроустановок
• Показатели гармонических искажений и принципы измерений
• Измерение гармонических показателей
• Способы ослабления гармоник
• ИБП
• Защита трансформаторов низкого напряжения
• Осветительные цепи
• Асинхронные двигатели
• Коттеджи, жилые и особые помещения
• Ванные и душевые комнаты
• Рекомендации, относящиеся к специальным установкам и помещениям
• Рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости
• Принципы и конструкции систем заземления
• Механизмы электромагнитной связи
• Рекомендации по электропроводке

Страница 64 из 77

5 Основные показатели гармонических искажений и принципы измерений
Для количественного измерения и оценки гармонических искажений форм токов и напряжений используются несколько показателей, в частности:
коэффициент мощности
пик-фактор или коэффициент амплитуды
мощность нелинейных искажений
гармонический спектр
величины гармонических искажений
Эти показатели следует использовать при определении любого необходимого корректирующего действия.
Коэффициент мощности Определение
Коэффициент мощности (PF) представляет собой соотношение между активной мощностью (P) и полной мощностью (S).

Его часто путают с параметром:
где
P1 = активная мощность тока основной частоты S1 = полная мощность тока основной частоты
Параметр cos ф относится только к основной сетевой частоте и поэтому отличается от коэффициента мощности PF, который учитывает наличие в электроустановке гармоник.
Интерпретация коэффициента мощности
Первым признаком наличия в электроустановке значительного количества гармоник является то, что замеренный коэффициент мощности PF отличается (меньше) от замеренной величины cos ф.
Пик-фактор
Определение
Пик-фактор или коэффициент амплитуды — это отношение величины амплитуды тока или напряжения (Im или Um) к его действующему значению.
Для синусоидального сигнала пик-фактор равен соответственно 2.
Для несинусоидального сигнала пик-фактор может быть или больше или меньше 2. В последнем случае такие значения пик-фактора свидетельствуют об отличии формы кривой напряжения от синусоидальной, т.е. о наличии искажений.
Интерпретация пик-фактора
Для тока, потребляемого нелинейными нагрузками, величина пик-фактора значительно превышает 2. Обычно она составляет от 1,5 до 2, но в критических случаях может даже достигать 5. Большая величина пик-фактора свидетельствует о наличии больших переходных сверхтоков, способных вызывать ложные срабатывания защитных устройств.
Параметры мощности и гармоники Активная мощность
Активная мощность (P) сигнала, содержащего гармоники, является суммой активных мощностей отдельных гармоник тока и напряжения одного и того же порядка.
Реактивная мощность
Реактивная мощность определяется исключительно для основной частоты, т.е. Q = U1 x I1 x sin ф1
Мощность искажений
При наличии гармоник мощность искажений D определяется как D = (S2 — P2 — Q2)1/2, где S — полная мощность.
Гармонический спектр и гармоническое искажение Принцип
Каждый тип устройства, порождающего гармоники, потребляет ток гармоники определенной формы (определенной амплитуды и фазового сдвига).
Эти параметры, особенно амплитуда каждой гармоники, имеют существенное значение для анализа.
Искажение, вносимое отдельной гармоникой (или гармоническое искажение h-ого порядка)
Искажение, вносимое отдельной гармоникой, определяется процентным соотношением амплитуд гармоник h-ого порядка и сигнала основной частоты (коэффициент n-ой гармоники (см. ГОСТ 13109-97)).
Гармонический спектр
Отображая амплитуду каждой гармоники в функции ее частоты, можно получить график, называемый спектром гармоник.
На рис. L12 представлен пример спектра гармоник прямоугольного сигнала. Действующее значение
Действующее значение тока и напряжения может быть рассчитано в функции действующего значения гармоник разных порядков.
Суммарный коэффициент гармонических искажений (THD)
Термин «суммарный коэффициент гармонических искажений» THD (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (см. ГОСТ 13109-97)) широко применяется при определении уровня содержания гармоник в знакопеременных сигналах.
Определение THD
Для сигнала y коэффициент THD определяется как:

Это согласуется с определением, приведенным в стандарте IEC 61000-2-2. Отметим, что это значение может превышать 1.
Согласно указанному стандарту, параметр h можно ограничить числом 50. Коэффициент THD позволяет одним числом выразить степень искажений, влияющих на ток или напряжение в любом месте электроустановки. Обычно THD выражается в процентах.
Суммарный коэффициент искажений по току или напряжению



Рис. L12. Спектр гармоник прямоугольного сигнала напряжения U (t)
Для гармоник тока эта формула имеет вид:

Ниже представлена эквивалентная формула, которая является более наглядной и удобной в применении, если известно полное действующее значение:

Для гармоник напряжения формула имеет вид:

Связь между коэффициентом мощности и THD (рис. L13)
Коэффициент THD, отражающий одним значением степень искажения формы тока или напряжения, является важным показателем. Спектр отображает отдельные гармоники, влияющие на искаженный сигнал (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (см. ГОСТ 13109-97)).

5.6 Использование различных показателей
Показатель THDu характеризует искажение формы напряжения.
Ниже приведены несколько значений THDu и соответствующие им явления, происходящие в электроустановке.
THDu < 5% — нормальная ситуация, отсутствие сбоев в работе оборудования
5-8% — значительное загрязнение сети гармониками, возможны некоторые сбои в работе
> 8% — большая степень загрязнения сети гармониками, возможны сбои в работе оборудования. Требуется проведение тщательного анализа и установка компенсирующих устройств.
Показатель THDi характеризует искажение формы тока.
Устройство, вносящее гармонические возмущения, обнаруживается посредством замеров THDi на входах и выходах различных цепей и соответственно отслеживания путей протекания гармоник.
Ниже приведены несколько значений THDi и соответствующие им явления, происходящие в электроустановке:
THDi < 10% — нормальная ситуация, отсутствие сбоев в работе оборудования
10-50% — значительное загрязнение сети гармониками с опасностью повышения температуры и обусловленной этим необходимостью перехода на кабели большего сечения и более мощные источники питания
> 50% — большая степень загрязнения сети гармониками, возможны сбои в работе оборудования. Требуется проведение тщательного анализа и установка компенсирующих устройств.
Коэффициент мощности
Используется для того, чтобы оценить: насколько необходимо повысить мощность источника питания рассматриваемой электроустановки.
Пик-фактор (коэффициент амплитуды)
Используется для оценки способности генератора (или источника бесперебойного питания) обеспечивать мгновенные токи большой величины. Например, компьютерное оборудование потребляет ток с сильно искаженной формой волны, для которого пик-фактор может достигать значений 3-5.
Спектр (разложение сигнала на отдельные гармоники)

PF
Рис. L13. Изменение        в функции THDi для случая,
cos ф
когда THDu = 0
Дает другое представление электрических сигналов и может использоваться для оценки степени их искажения.

• Назад
• Вперед

• Назад
• Вперед

• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Оборудование
• org/ListItem»> Руководство по устройству электроустановок

Читать также:

• Комплектные конденсаторные установки
• Рабочее место при монтаже и наладке вторичных цепей
• Конденсаторные установки
• Инструкция по эксплуатации ограничителей перенапряжения (ОПН)
• Эксплуатация электрических машин и аппаратуры

Элементы психоакустики. Часть 2

Часть 2

Мы совершенно справедливо считаем, что одним из главных достоинств звуковоспроизводящего тракта является его линейность. С глубоким удовлетворением отмечаем тот факт, что помещение с хорошей точностью можно считать системой линейной. И в этой связи в продолжение психоакустической темы обязательно следует обсудить вопросы, связанные с нелинейностью восприятия звуковых образов как неотъемлемом свойстве слуховой системы. Здесь же уместно будет сказать несколько слов и об эффекте маскировки.

Нелинейность

Одним из наиболее неприятных последствий воздействия аппаратуры звуковоспроизведения на сигнал первоисточника принято считать нелинейные искажения. То есть те, что обусловлены нелинейностью тракта, одно из проявлений которой — искажение формы элементарного гармонического воздействия. Если тракт линеен, то при подаче на его вход простого тонального сигнала на выходе мы получим такой же чистый тон, который может отличаться от входного только амплитудой и фазой. Изменение же формы гармонического синусоидального сигнала всегда есть следствие нелинейности передающего тракта. Если мы применим к искаженному таким образом сигналу преобразование Фурье, то обнаружим, что кроме основной составляющей (с частотой входного сигнала) в спектре искаженного присутствует в простейшем случае набор гармонических компонент (гармоник) с частотами, кратными частоте входного сигнала.

В простейшем случае музыкальный сигнал включает основной тон и набор гармонических компонент (гармоник или обертонов) с частотами, кратными его частоте

Для многих систем (в общем случае нелинейных) существует некоторый диапазон амплитуд входного воздействия, в пределах которого эти системы можно считать вполне линейными (или пренебречь имеющимися искажениями за их малостью). К таковым смело можно отнести и компоненты системы звуковоспроизведения. Как правило, с повышением амплитуды входного сигнала нелинейные искажения увеличиваются. Так, например, у обычных колонок нелинейность становится тем существеннее, чем больше смещение диффузора электродинамического преобразователя — перестает работать «школьный» закон Гука, устанавливающий линейную зависимость между деформацией упругого подвеса (смещением диффузора) и силами упругости. Именно поэтому нелинейные искажения АС растут с понижением частоты сигнала, ведь для создания одного и того же уровня звукового давления амплитуда смещения диффузора на низких частотах должна быть больше, чем на высоких. В качестве меры нелинейных искажений используют, в частности, коэффициент гармоник (Кг), который определяется как отношение квадратного корня суммы мощностей (квадратов среднеквадратичных значений) гармонического набора (за вычетом мощности основной гармоники) к среднеквадратичному значению основной гармоники. Выражается Кг обычно в процентах. Напомним на всякий случай, что искажения, вносимые помещением, мы договорились считать сугубо линейными.

Нелинейность тракта и слух

Восприимчивость слуха к нелинейным искажениям сильно зависит от их характера, проявляющегося, в частности, в структуре гармонического рисунка. Так, основная энергетика искажений может концентрироваться во второй и третьей гармониках, а может быть распределена между гармониками более высоких порядков. По мнению ряда исследователей, слух более чуток именно к последним. При раскладе в пользу старших гармонических компонент слух будто бы способен замечать искажения с коэффициентом гармоник, составляющим чуть ли не сотые и даже тысячные доли процента, что, конечно, должно оправдывать повышенные требования к полупроводниковым элементам тракта, для которых характерна именно такая специфика искажений. А те, что связаны с перекачкой энергии в гармоники низких порядков, становятся заметными на слух при Кг около 1%.

Заметность искажений сильно зависит от характера музыкального материала и способа его обработки при записи. Так, при воспроизведении многих записей (например, рок концерта на стадионе) слушатель может не почувствовать и 10-процентных искажений тракта. Гораздо более высока чувствительность слуха к искажениям т. н. акустической музыки (оркестр)

Следует иметь в виду, что заметность искажений сильно зависит от характера музыкального материала… и от способа обработки исходного сигнала при формировании звуковых дорожек в студии звукозаписи. Скажем, при воспроизведении многих записей, выполненных в современной стилистике, слушатель может не почувствовать и 10-процентных искажений тракта. Заметность нелинейных искажений в значительной степени связана с тем, что в нелинейных системах спектральные составляющие, присутствующие во входном сигнале, начинают взаимодействовать между собой, порождая в спектре выходного сигнала компоненты разностных и суммарных частот. Особенно хорошо слышны разностные…

Психоакустика нелинейности

Казалось бы, чувствительность слуха к появлению паразитных призвуков должна означать высокую меру линейности самой слуховой системы, по крайней мере до этапа аналого-цифрового преобразования в спиральном ганглии (см. раздел «Конструкция уха»). Однако это совершенно не так. Единственный более или менее линейный элемент в периферических отделах — наружное ухо (фрагмент от ушной раковины до барабанной перепонки). Более того, нелинейность различных звеньев слуховой системы не только выявляется в ходе нетривиальных измерений на биологических препаратах и на живых организмах животных, но и обнаруживается в ходе сравнительно несложных психоакустических экспериментов. Музыканты с хорошо тренированным слухом отлично улавливают объективно отсутствующие тоны разностных частот, имеющихся в спектре исходного сигнала тональных компонент. Проделать соответствующий эксперимент совсем нетрудно, достаточно лишь воспроизвести одновременно две ноты на, скажем, струнном смычковом инструменте. Наличие, как их иногда называют, фантомных гармоник у чистого тона с фиксированной частотой устанавливают с помощью дополнительного тонального сигнала, частота которого плавно меняется. Опыт основывается на способности слуховой системы четко реагировать на эффект биений, возникающий при наличии двух тональных сигналов с очень близкими значениями частот. Именно эта способность используется при настройке музыкальных инструментов по камертону (исчезновение биений соответствует совпадению частот камертона и настраиваемого инструмента). При приближении частоты дополнительного тона к тем, что кратны частоте основного, слух уверенно регистрирует упомянутый эффект биений, что подтверждает факт наличия субъективных гармоник. Более того, можно достаточно точно оценить амплитуду эквивалентного гармонического сигнала, чей уровень ощущения совпадает с уровнем ощущения гармонических компонент: эффект биений максимален при совпадении амплитуд двух сигналов.

Эффект биений, возникающий при наличии двух тональных сигналов с очень близкими значениями частот, используется при настройке музыкальных инструментов по камертону (исчезновение биений соответствует совпадению частот камертона и настраиваемого инструмента)

Нелинейные искажения слуха резко увеличиваются при росте амплитуды сигнала, но, главное, они заметны и при весьма умеренных уровнях звукового давления. По мнению ряда исследователей, фантомные гармонические компоненты, компоненты суммарных и особенно разностных частот регистрируются уже при уровнях исходных стимулов ниже 40 дБ. Так, коэффициент «наведенных» гармоник, выявленных методом биений с помощью дополнительного стимула, для чистого тона частотой 1 кГц и с уровнем звукового давления 60 дБ составляет приблизительно 4%. А эквивалентный уровень сигнала, вызывающий тот же уровень ощущения, что и вторая субъективная гармоника, чье возникновение обусловлено воздействием сигнала с уровнем звукового давления 100 дБ, составляет 88 дБ. То есть коэффициент гармоник здесь можно считать равным приблизительно 25%. На графике (рис. 1) показана зависимость эквивалентных уровней субъективных гармоник различных порядков от уровня чистого тона, измеренного у входа в слуховую систему. Невооруженным глазом видно, что нелинейность слуховой системы в целом выше, чем нелинейность средней аудиосистемы. Но не надо делать поспешных выводов. Хотя бы потому, что характер нелинейности слуховой системы в отдельных моментах сильно отличается от типичных проявлений в элементах аудиотракта.

О том, что преобразование смещений мембраны овального окна в деформации базилярной мембраны через происходящие в улитке гидродинамические процессы имеет нелинейный характер, написано немало формул самыми разными специалистами, начиная с основателя принятой в настоящее время модели этого преобразования (модели бегущей волны) физика Дьёрдя Бекеши (на фото)

Механизмы нелинейности слуха

Механизмов нелинейности в слуховой системе предостаточно, в том числе и гипотетических. При относительно линейном поведении наружного уха среднее ухо при повышенных уровнях звукового давления уверенно проявляет свой нелинейный характер. Форма сигнала смещений мембраны овального окна отличается от чистой гармонической формы колебаний барабанной перепонки (при строго тональном воздействии на входе слуховой системы). По мнению большинства исследователей, это связано с рефлекторным сокращением одной из двух мышц, находящихся в полости среднего уха, а именно мышцы, прикрепленной к стремечку (m. stapedius), при больших уровнях сигнала. Его пороговое значение, при котором регистрируется это сокращение, составляет 80 дБ. Дальше упругость stapedius только возрастает, оберегая мембрану овального окна улитки от чрезмерных деформаций.

Нелинейность преобразования смещений мембраны овального окна в деформации базилярной мембраны через происходящие в улитке гидродинамические процессы описывается немалым числом формул, созданных самыми разными специалистами, начиная с венгерского (по рождению) физика Бекеши, отца-основателя принятой в настоящее время модели этого преобразования (модели бегущей волны). Однако полной ясности в данном вопросе нет и по сей день. Некоторые эксперименты, проведенные на препаратах улитки человека, вообще показали, что улитка ведет себя как вполне линейная система. Вместе с тем опыты на живых мартышках свидетельствуют о существенной нелинейности этого преобразования. Не будем вдаваться в детали деятельности экспериментаторов, отметим лишь их вполне однозначный вывод, что в отличие от препаратов живая улитка как при повышенных амплитудах звуковых стимулов, так и, наоборот, при низких уровнях звукового давления ведет себя как существенно нелинейная система. В общем-то, на поверхности лежит вывод о причастности к процессу эфферентных связей, то есть тех, что обеспечивают контроль центральными отделами слуховой системы движений базилярной мембраны через посредничество наружных волосковых клеток. Уточним, что внутренние волосковые клетки, как рецепторы, передают информацию о смещении мембраны в центральные отделы по афферентным (восходящим) каналам. При низких уровнях звуковых стимулов центральные отделы как бы подгоняют слух, искусственно повышая его чувствительность, а на высоких — придерживают, охраняя хрупкие сенсорные структуры.

Рис. 1. Зависимость эквивалентных уровней звукового давления субъективных гармоник различных порядков от уровня чистого тона, измеренного у входа в наружное ухо. Параметр кривых — порядок гармоник

В целом можно сказать, что нелинейность слуха как неотъемлемое его свойство, включенное в систему формирования звуковых образов, скорее расширяет возможности слуховой системы, чем сужает их. Однако если вы, тестируя домашнюю аудиосистему, подадите на ее вход одновременно два чистых тона с частотами, например, 1 и 1,5 кГц и явно обнаружите присутствие постороннего на частоте 500 Гц, не торопитесь сразу осуждать электронику…

Маскировка

Вдогонку несколько слов об эффекте маскировки. Порог слышимости сигналов различной частоты в тишине определяется нижним графиком в системе кривых равной громкости. Он, напомним, устанавливает значения уровней звукового давления, ниже которых сигналы не воспринимаются слухом. В присутствии мешающих звуковых стимулов порог слышимости полезного сигнала может возрастать. Это смещение порога (разница между порогом слышимости в присутствии мешающего стимула (маскера) и порогом слышимости в тишине) называется маскировкой. В роли мешающих стимулов могут выступать как широкополосные шумы, так и тональные сигналы. Отдельные спектральные компоненты сигнала со сложной структурой способны маскировать другие, менее выраженные, входящие в состав того же сигнала.

Рис. 2. Кривые маскировки тональных сигналов различных частот и уровней. По оси абсцисс отложена частота маскируемого тона, по оси ординат — величина маскировки. Параметр кривых — превышение уровня маскируемого тона над его порогом слышимости в тишине, в децибелах. Над каждым графиком указана частота маскируемого тона

Для примера на рис. 2 приведены кривые маскировки тональных сигналов в присутствии маскирующих тонов различной амплитуды и частоты. Первое, что бросается в глаза, — асимметрия (по частотной оси относительно частоты маскирующего тона) кривых маскировки, проявляющаяся более отчетливо с повышением уровня маскера. Оказывается, существенно более эффективной является маскировка высокочастотных сигналов низкочастотными, чем наоборот. Это важнейшее свойство слуховой системы весьма актуально, в частности, в приложении к проблемам акустики небольших помещений. Сильнейшая неравномерность частотной характеристики (передаточной функции) помещения в нижней части спектра, обусловленная явлениями низкочастотных резонансов и антирезонансов, приводит к тому, что нижние компоненты спектра воспроизведенного в этом помещении сигнала маскируют соседние более высокочастотные, которые в иных условиях были бы отлично слышны. Именно поэтому эффект бубнения столь раздражает квалифицированного аудиолюбителя.

Второй момент, обращающий на себя внимание при изучении кривых маскировки, это наличие локальных минимумов, совпадающих по частоте с частотами субъективных гармоник. То есть здесь мы начинаем обнаруживать замаскированный сигнал по эффекту биений с фантомными гармоническими составляющими маскирующего тона. Таким образом, наличие минимумов на кривых маскировки является прямым следствием нелинейности слуховой системы. Кстати, чувствительность сильно нелинейной слуховой системы к значительно меньшей нелинейности звуковоспроизводящего тракта отчасти объясняется реакцией слуха на вполне линейные биения объективных и субъективных гармоник.

Если два коротких сигнала следуют один за другим, то различимость одного на фоне другого зависит от разности амплитуд сигналов, их длительности и интервала. Тут мы сталкиваемся с явлением временной маскировки. Причем имеют место эффекты как прямой, так и обратной маскировки. В первом случае предшествующий сигнал маскирует следующий за ним, а при обратной маскировке роль маскера выполняет второй сигнал.

Продолжение следует…

Осталось осветить еще несколько важных положений психоакустической темы, которым будет посвящен третий раздел предлагаемого материала.

Алексей Тихонов, кандидат физ.-мат. наук, генеральный директор компании Home Cinema Hall

Редакция Hi-Fi.ru

Теги: Кубок России среди ветеранов

Подписывайтесь на нашу ленту в Яндекс.Дзен

Что такое искажение звука и THD и почему это важно?

Искажение звука — это термин, с которым знакомо большинство людей, во многом благодаря Джими Хендриксу, Эдди Ван Халену и всем, кто пытался подражать им, включив свои усилители на 11. Но что такое искажение, что его вызывает и почему это враг аудиофилов?

Люди обычно могут распознать слышимое искажение, хотя оно проявляется по-разному. Искажение варьируется от тонкой, едва заметной окраски до слабого «пуха» до неприятного жужжания на определенных нотах или частотах — оно может быть настолько сильным, что звучит так, как будто что-то действительно сломано. Чаще всего искажения появляются, когда мы увеличиваем громкость, и на это есть причины.

Как вы определяете искажение?

Вращение ручки громкости может привести к появлению искажений.

Во-первых, давайте определим, что мы подразумеваем под искажениями в общих чертах:

• Искажения приводят к изменению формы звуковой волны, что означает, что выходной сигнал отличается со входа.
• Если в систему воспроизводится одна частота (тестовый тон), а выход состоит из нескольких частот, нелинейный искажение.
• Если есть какой-либо выходной сигнал, который не масштабируется с приложенным уровнем входного сигнала, это шум, и мы рассматриваем его отдельно от искажения.

Аудиосигналы искажаются примерно так же, как искажается изображение, когда оно проходит через грязный или сломанный объектив, или когда изображение становится насыщенным или «засветленным». Искажение может возникать в нескольких точках цепочки аудиосигнала как при записи, так и при воспроизведении.

Что вызывает искажение?

alvaro ortiz Слишком маленькая мощность усилителя — это плохо.

Сигнал искажается, когда выход аудиоустройства не отслеживает вход с идеальной точностью. Чисто электронные компоненты нашей сигнальной цепи (усилители, ЦАП), как правило, гораздо более точны, чем электроакустические компоненты, известные как преобразователи. Преобразователи преобразуют электрические сигналы в механические движения для создания звука, как громкоговоритель, или , наоборот, , как микрофон. Подвижные части и магнитные элементы преобразователей обычно становятся очень жесткими.0018 нелинейный вне узкого рабочего диапазона. Однако, если вы заставите электронику усилить сигнал сверх их возможностей, все может быстро начать звучать плохо.

Искажение творчески используется в производстве музыки, но это отдельная тема. Здесь мы сосредоточимся на искажении при воспроизведении звука, также известном как путь воспроизведения, что означает, как вы слушаете через динамики или наушники. Для точного воспроизведения звука, что на самом деле является основной целью продуктов HiFi, все искажения считаются плохими, и производители оборудования стремятся устранить их как можно больше.

Как количественно определяется искажение?

Sam Moqadam Искажение, создаваемое источником звука, является важным элементом определенных музыкальных жанров, но мы оставим это на потом!

Наш входной сигнал — это аудиофрагмент, который мы хотим воспроизвести, также известный как «программный материал» — по крайней мере, если бы мы субъективно описывали любые искажения, которые могут присутствовать. Однако в SoundGuys мы стараемся избегать субъективных описаний, когда существуют хорошие объективные показатели. Мы собираемся сделать объективные измерения!

Когда мы хотим охарактеризовать аудиосистемы, мы используем тестовые тоны (синусоиды) или синусоидальные развертки. Это простые аудиосигналы, состоящие из синусоидальных волн на определенных частотах. Сами по себе тестовые сигналы не звучат музыкально, но на самом деле являются основными строительными блоками всех сложных музыкальных сигналов и позволяют нам создавать точные, воспроизводимые и стандартизированные тесты. С помощью тестовых тонов мы можем более эффективно наблюдать и описывать характер любого искажения сигнала, создаваемого нашим устройством во время теста.

Что такое линейное искажение?

Частотную характеристику часто можно рассматривать как фильтр, который может усиливать или ослаблять входной сигнал.

Строго говоря, любое устройство, не имеющее идеально ровной АЧХ, производит линейных искажений. Этот тип искажения сигнала не позволяет точно воспроизвести исходный спектральный состав сигнала. Идеальная частотная характеристика обычно представляет собой плоскую линию, не имеющую линейных искажений. Имейте в виду, однако, что идеальный ответ может не быть плоской линией, в зависимости от предполагаемого применения устройства.

Также возможно изменить форму звуковой волны без изменения частотного содержания вообще, искажая относительную синхронизацию прихода различных частот (это происходит, например, в кроссоверах пассивных громкоговорителей). Вы можете использовать прямоугольные волны, чтобы проверить это, так как изменения их формы выявляют ошибки синхронизации, а просмотр формы волны быстро выявляет проблемы. Графики зависимости фазы от частоты также могут выявить это временное искажение. Идеальные устройства, которые не вносят фазовых или временных ошибок, называются 9.0018 линейная фаза.

Что такое нелинейные искажения?

Как нелинейная передаточная функция изменяет форму входного синусоидального сигнала, что приводит к нелинейным искажениям.

Идеальная синусоида состоит только из одной частоты, хотя реальные устройства создают нелинейности, которые добавляют гармоники и немного или сильно искажают сигнал. Нелинейности присущи устройствам, у которых характеристика ввода-вывода не является прямой линией (например, на рисунке выше). Гармоническое искажение — это добавление новых тонов к звуковому сигналу. Эти продукты искажения возникают на частотах, кратных частоте исходного сигнала, и гармонически связаны с исходным тоном. Когда сигнал представляет собой одиночную синусоидальную волну (тон) с частотой f1, гармонические тона имеют частоту f2, f3 и т. д., кратные исходному тону.

Например, основной сигнал частотой 1 кГц, подвергшийся нелинейному искажению, будет производить энергию на частоте 2 кГц (вторая гармоника), 3 кГц (третья гармоника), 4 кГц (четвертая гармоника) и так далее.

Что такое THD?

Общее гармоническое искажение (THD) представляет собой сумму всех гармоник, измеренных на выходе продукта. Измерение THD суммирует все продукты искажения путем сложения дополнительной гармонической энергии в одно значение, выраженное либо в процентах (которые мы обычно показываем в логарифмической шкале), либо в виде значения дБ, представляющего долю энергии. по сравнению с основным или полезным сигналом. Отношение THD будет представлять собой процентное значение менее 100% или отрицательное значение в децибелах. Например, 1% THD эквивалентен -42 дБ, 89% THD составляет -1 дБ. При выполнении этих измерений анализатор должен иметь значительно более низкий THD, чем тестируемое устройство.

Вот видео, которое позволяет вам услышать эффект увеличения THD, применяемого к музыке и тестовым сигналам.

THD — наиболее распространенная метрика искажения, с которой вы столкнетесь. На самом деле, термины THD и искажение часто используются взаимозаменяемо, хотя это упрощение, поскольку существует много типов искажений.

Как типичные наушники измеряют THD?

Ниже приведены некоторые реальные примеры THD, измеренные в наушниках с помощью нашей акустической тестовой головки. Как видите, результаты нанесены на график с логарифмической шкалой частот по оси x, как и график частотной характеристики.

Вот пример, состоящий из двух разных наушников-вкладышей от Sennheiser (IE 300, IE 900), которые, судя по их частотным характеристикам, имеют довольно схожие характеристики:

одни и те же продукты показывают нам, что инженеры по продукту добились заметных улучшений, уменьшив нелинейные искажения, создаваемые наушниками более высокого уровня.

Почему

SoundGuys не предоставляет графики THD для каждого продукта?

Хотя наш стандартный тест наушников предоставляет нам информацию о многих параметрах производительности, включая искажения, мы обычно не публикуем все данные, которые мы собираем. На самом деле мы редко говорим о THD в наших обзорах наушников по двум причинам:

• Измеренный THD, по-видимому, не коррелирует особенно с субъективными впечатлениями наших обозревателей.
• Редко можно найти коммерчески доступные наушники, в которых гармонические искажения являются проблемой, на которую стоит обратить внимание.

В настоящее время мы не включаем все наши измеренные данные, чтобы наши обзоры были максимально сосредоточены на том, что вам нужно знать, без добавления ненужных деталей или повода для недопонимания. Это означает, что вы получаете очищенную версию данных о производительности продукта, подготовленную нашими экспертами по звуку.

Далее: Что такое дизеринг и зачем он нужен?

Теория и практика Gamry Instruments

* Обратите внимание, что THD доступен только в версии программного обеспечения 7. 8.4 или выше

В данных рекомендациях по применению обсуждается полное гармоническое искажение (THD), которое имеет общие характеристики со спектроскопией электрохимического импеданса (EIS). Оба имеют общие экспериментальные основы, но различаются анализом данных измерений.

Кроме того, мы рассматриваем различия между линейными и нелинейными характеристиками сигнала. В отличие от EIS, THD также может анализировать нелинейные характеристики сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT). Мы показываем, как нелинейность может повлиять на измеренные данные и как THD можно использовать для проверки нелинейного поведения.

Тот факт, что большинство электрохимических систем, таких как топливные элементы, нелинейны, делает THD полезным инструментом. Это помогает выявить любое нелинейное поведение, указывающее на нежелательные побочные реакции, которые могут нанести ущерб системе и измеренным данным.

Теория

Сходства между EIS и THD

Полное гармоническое искажение — это расширенная версия спектроскопии электрохимического импеданса. Оба метода основаны на синусоидальном переменном сигнале (управляемый ток или регулируемое напряжение), который подается на электрохимическую систему. Сигнал возбуждения Е _t можно выразить через частоту и время t:

E ₀ — амплитуда приложенной синусоидальной волны, а ω — радиальная частота, которая также может быть выражена через частоту f, как показано на Уравнение 2:

Измеренный сигнал I _t дает синусоидальный отклик с той же частотой, но амплитуда I ₀ может быть другой, а фазовый угол f может быть сдвинут (см. также рисунок 1).

Рисунок 1 . Синусоидальный сигнал возбуждения (зеленый) и сигнал линейного отклика (синий).

Однако обратите внимание, что уравнение 3 справедливо только в том случае, если наблюдаемая система дает линейную характеристику сигнала.

Для получения дополнительной информации о теории спектроскопии электрохимического импеданса см. примечания по применению Гэмри: Основы спектроскопии электрохимического импеданса.

Наконец, импеданс Z электрохимической системы можно рассчитать для каждой частоты методом, аналогичным закону Ома:

Линейная и нелинейная

Как упоминалось выше, уравнения 3 и 4 действительны только в том случае, если наблюдаемая система обеспечивает линейную характеристику сигнала. Любое отклонение от линейности может привести к ошибочным или даже неверным данным измерений.

В реальных приложениях электрохимические системы ведут себя строго нелинейно. Однако систему можно считать линейной, применяя достаточно малую амплитуду переменного тока. Тогда наблюдаемая система называется псевдолинейной. Этот метод позволяет рассчитать импеданс, даже если система в целом сильно нелинейна (см. также рис. 2).

Рисунок 2 . Диаграмма поляризационной кривой, иллюстрирующая наблюдаемый псевдолинейный диапазон во время экспериментов EIS и THD.
Наблюдаемая область показывает также происхождение диаграмм Лиссажу.

Линейность не может быть гарантирована, если амплитуда переменного тока установлена ​​неправильно. Приложенная амплитуда переменного тока 5–10 мВ может быть знакома многим, кто проводит эксперименты с ЭИС. Однако эти значения могут быть неприменимы для любой изучаемой системы, и они часто используются просто потому, что они установлены по умолчанию в программном обеспечении.

Например, энергетические системы высокой мощности лучше всего измерять с помощью регулируемых по току сигналов переменного тока с амплитудой в несколько ампер, тогда как коррозионную систему, вероятно, лучше всего изучать с помощью регулируемых по потенциалу сигналов переменного тока с амплитудой 10 мВ или менее. При неправильной настройке измерения могут привести либо к искажению данных EIS (слишком маленькая амплитуда переменного тока), либо к нелинейным результатам измерений (слишком большая амплитуда переменного тока). В результате расчет импеданса может быть неточным, неточным или даже недействительным, если уравнения 3 и 4 недействительны.

Любые данные измерений импеданса, которые слишком искажены, т. е. нелинейны, могут привести к искажению результатов.

Однако в EIS нет количественных методов проверки линейности измеренного отклика сигнала. Качественный мониторинг диаграмм Лиссажу (см. также рис. 2) — отображение измеренного сигнала в сравнении с приложенным сигналом — обычно является единственным способом оценки состояния системы. Программное обеспечение Gamry Instruments отображает эти кривые во время экспериментов EIS и THD для каждой частоты, но они не предоставляют реальных параметров, с которыми можно работать позже.

Напротив, THD анализирует любые нелинейности в измеряемой системе и предоставляет параметр, который можно использовать для последующих оценок.

THD дает информацию о нелинейном поведении

Как упоминалось выше, полное гармоническое искажение является полезным методом для анализа любого нелинейного поведения системы.

Это можно сделать с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Измеренный сигнал преобразуется из временной области (см. рисунок 1) в частотную область. Преобразованные данные могут отображаться в так называемом спектре БПФ, в котором величина ответного сигнала отображается в зависимости от частоты.

На рис. 3 показан спектр БПФ идеального синусоидального сигнала. Как видно из графика, на основной частоте f приложенного сигнала появляется только один пик.

Рисунок 3 . БПФ-спектр идеального синусоидального сигнала. Исходный сигнал во временной области показан вверху справа.

На рис. 4 показан спектр БПФ искаженного нелинейного синусоидального сигнала. Самый большой пик можно наблюдать на основной частоте f ₁ сигнала. Дополнительные пики появляются при целых кратных основной частоте (f ₂  = 2·f ₁ , f ₃  = 3·f ₁ , f ₄  = 4·f ₁ и т. д.). Пики называются гармониками и отражают нелинейное поведение сигнала. Величина гармоник тем больше, чем более нелинейным является сигнал.

Рисунок 4 . БПФ-спектр неидеального искаженного синусоидального сигнала. Исходный сигнал во временной области показан вверху справа.

Полученные данные БПФ можно использовать для расчета так называемого коэффициента THD. Мы будем называть это либо THD _E , если измеренный сигнал представляет собой потенциал, или THD _I для токового отклика. Коэффициент THD описывает отношение между среднеквадратичным значением (RMS) амплитуд гармоник (Y _n ) и среднеквадратичным значением основной частоты (Y ₁ ). Общее уравнение для коэффициента THD выглядит следующим образом:

 

EQ5

Обычно вычисления выполняются до 10 ^-го -го порядка (n = 10). Как показывает уравнение, коэффициент THD увеличивается, чем больше гармоники по отношению к основной амплитуде, т. е. чем более нелинейна характеристика сигнала. Например, коэффициент THD, равный 40 %, означает, что среднеквадратичное значение гармоник составляет 40 % от среднеквадратичного значения основной гармоники. Совершенно линейный сигнал, как показано на рисунке 3, дает коэффициент 0 %.

Коэффициент THD рассчитывается для каждой частоты аналогично импедансу Z. Затем его можно построить в зависимости от частоты приложенного синусоидального сигнала, как показано на рисунке 7.

Обратите внимание, что расчеты THD не ограничиваются синусоидальными сигналами, но могут быть применяется к любым непрерывным сигналам, таким как прямоугольные или треугольные сигналы. Также имейте в виду, что существуют разные определения коэффициента THD и способов его расчета. Некоторые описывают демонитатор уравнения 5 с данными как о основной частоте, так и о гармониках. Другие определения также добавляют шума к расчетам.

Экспериментальный

В этом разделе показаны результаты измерения системы с использованием различных амплитуд переменного тока для получения наборов линейных и нелинейных данных.

Для этого использовалась литий‑ионная батарея CR2032 номинальной емкостью 40 мА·ч. Перед каждым измерением аккумулятор заряжали до 3,6 В, а затем потенциостатически выдерживали при этом потенциале в течение 4 ч. После этого были проведены гальваностатические эксперименты THD в диапазоне частот от 10 кГц до 1 мГц. Постоянный ток был установлен на 0 А, в то время как амплитуда переменного тока варьировалась. Амплитуда приложенного тока была установлена ​​на 4 мА (0,1 C-скорость) и 10 мА (0,25 C-скорость) для достижения более линейного отклика. Для создания нелинейного отклика использовались большие амплитуды 20 мА (0,5 C-степень) и 40 мА (1 C-степень).

THD доступен как опция для потенциостатических и гальваностатических сценариев.

На рисунке 5 показаны диаграммы Боде соответствующих экспериментов THD. Данные линейного импеданса показаны оранжевым цветом, а наборы нелинейных данных отмечены синим цветом.

Рисунок 5 . Диаграммы Боде монетной ячейки с использованием различных амплитуд переменного тока. () 4 ​​мА, () 10 мА, () 20 мА, () 40 мА.
Оранжевые оттенки представляют линейные, а синие оттенки представляют нелинейные данные измерений.

Кривые с наименьшими амплитудами достаточно хорошо перекрываются во всем диапазоне частот. Даже кривая с амплитудой 20 мА стабильна примерно до 40 мГц. Однако различия становятся более очевидными на более низких частотах, где импеданс увеличивается в большей степени, чем больше становятся амплитуды приложенного переменного тока. При очень больших амплитудах затрагивается даже область высоких частот, так как измеренный импеданс постоянно показывает более высокие значения.

Также обратите внимание, что эксперимент с амплитудой 40 мА (скорость 1 C) пришлось прекратить досрочно. Причина в том, что большой ток разряжал батарею на низких частотах настолько, что достигался критический потенциал. Продолжение эксперимента могло необратимо повредить клетку.

На рис. 6 показаны соответствующие графики Найквиста. Для простоты показаны только два графика с использованием амплитуд переменного тока 4 мА (оранжевый) и 40 мА (синий).

Рис. 6. Диаграммы Найквиста монетной ячейки с различными амплитудами переменного тока. () 4 мА, () 40 мА.
Оранжевые оттенки представляют линейные, а синие оттенки представляют нелинейные данные измерений.

В соответствии с результатами диаграммы Боде, графики Найквиста действительно показывают большие различия в области низких частот. Полукруг данных нелинейных измерений простирается дальше, как и часть, связанная с диффузией, на очень низких частотах.

Помимо диаграмм Боде и Найквиста, эксперименты THD также предоставляют информацию о линейном поведении измеренного сигнала. На рис. 7 показаны соответствующие коэффициенты THD, которые автоматически рассчитываются для каждой частоты.

Аналогично диаграммам Боде, показанным на рис. 5, высокочастотная область аналогична (более линейна) для всех амплитуд возбуждения. Напротив, низкочастотная область показывает большие различия. THD _E увеличивается при использовании амплитуд 20 мА и еще больше увеличивается при амплитуде 40 мА, указывая на то, что измеренный отклик сигнала становится сильно нелинейным в области более низких частот.

Рисунок 7 . THD _E — кривые ячейки типа «таблетка», использующие различные амплитуды переменного тока. () 4 ​​мА, () 10 мА, () 20 мА, () 40 мА.
Оранжевые оттенки представляют линейные, а синие оттенки представляют нелинейные данные измерений.

Линейная характеристика сигнала в более широком диапазоне частот может быть достигнута только путем применения более низких амплитуд сигнала. Как показано на рисунке 7, кривые с меньшими амплитудами демонстрируют небольшие значения THD _E в широком диапазоне частот, что позволяет получить более точные и воспроизводимые результаты импеданса.

Для фактора THD, определяющего, является ли измеренный сигнал линейным или нелинейным, не задано заданное значение. Коэффициент THD лучше всего использовать в качестве индикатора поведения системы.

Резюме

Высококачественные данные импеданса могут быть получены только путем применения амплитуд переменного тока, которые достаточно малы для получения линейной характеристики, но достаточно велики, чтобы обеспечить хорошее отношение сигнал/шум в наблюдаемом диапазоне частот.

Наши эксперименты показали, как могут изменяться результаты измерений при использовании различных амплитуд переменного тока. В частности, амплитуды, которые слишком велики для наблюдаемой системы и вызывают нелинейный отклик, демонстрируют различия, которые можно увидеть на графиках Боде и Найквиста. Обе кривые сдвинуты по сравнению с действительными результатами. Отклонения, как правило, более значительны в низкочастотной области, где большие амплитуды переменного тока больше нарушают электрохимическое равновесие.

Total Harmonic Distortion является полезным методом измерения, который предоставляет количественную информацию об измеренном отклике сигнала. Эта дополнительная информация в виде так называемого коэффициента THD может помочь оценить, является ли измеренный сигнал нелинейным – что в конечном итоге приводит к неточным, неточным или даже недействительным результатам – или является ли отклик сигнала линейным, что приводит к достоверным данным об импедансе. .

Полное гармоническое искажение: теория и практика. Ред. 1.1 15 апреля 2021 г. © Copyright 2021Gamry Instruments, Inc.  

Хотите PDF-версию этого указания по применению?

Пожалуйста, заполните следующую форму, и мы отправим ссылку на ваш почтовый ящик!

Этот сайт использует файлы cookie. Вы можете прочитать, как мы их используем, в нашей политике конфиденциальности.

Закрыть

Полное гармоническое искажение | Универсал Аудио

Что такое THD и как его измеряют?

THD расшифровывается как Total Harmonic Distortion и может использоваться для оценки степени нелинейности системы. Измерение THD можно выполнить, подав синусоидальную волну на вход системы и измерив полную энергию, которая появляется на выходе системы на гармониках входной частоты. Синусоидальный вход используется, потому что синусоиды содержат энергию только на одной частоте; выходная энергия, которая появляется на любой другой частоте, является, таким образом, результатом нелинейности или изменяющегося во времени поведения системы. Энергия, которая появляется точно на гармониках входной частоты, почти наверняка генерируется нелинейностями в системе. Другие периодические тестовые сигналы или широкополосные сигналы не идеальны для измерения THD, поскольку энергия, содержащаяся во входном сигнале, может маскировать энергию, создаваемую нелинейностями в системе. Поэтому важно иметь чистый входной сигнал, т. е. такой, в котором почти вся энергия содержится на одной частоте.

Чтобы выполнить истинное измерение THD, энергия должна быть измерена отдельно на гармониках входного сигнала. Амплитуды на каждой частоте гармоники возводятся в квадрат, а затем суммируются. Квадратный корень суммы представляет собой значение THD. Иногда это значение представляется в виде доли (процента) от амплитуды входного сигнала. Чтобы сделать возможным измерение THD, при измерении можно учитывать только конечное число гармоник. Для слабой нелинейности обычно имеет место спад энергии на более высоких гармониках, так что большая часть энергии THD содержится в низких гармониках. Для серьезных нелинейностей необходимо учитывать много гармоник, чтобы получить точное измерение.

В большинстве случаев величина THD будет зависеть от амплитуды входного сигнала. Для систем с насыщением следует ожидать, что уровни THD будут увеличиваться с увеличением амплитуды сигнала. Для систем с перекрестным искажением возможно, что относительные уровни THD будут падать с увеличением входной амплитуды. На рис. 1 показаны входные и выходные сигналы для нелинейной системы. Входной сигнал представляет собой чистую синусоиду, в то время как выходной сигнал имеет несколько компонентов искажения низкого порядка, что в сумме составляет около 31% THD. Справа отложены спектры входного и выходного сигналов. В этой системе нет аддитивного шума или механизма модуляции, поэтому вся энергия на выходе содержится в гармониках входной частоты.

Рис. 1: Блок-схема фленджера и фейзера

Во многих случаях оценка коэффициента нелинейных искажений получается путем измерения так называемого общего гармонического искажения плюс шум или коэффициента нелинейных искажений + шум. Цифры THD+N получаются путем измерения общей энергии, присутствующей на выходе, за исключением энергии на входной частоте. Обычно это измерение выполняется путем пропускания выходного сигнала системы через режекторный фильтр, который устраняет энергию на входной частоте, и измерения полной энергии на выходе режекторного фильтра. Если предполагается, что нелинейность является основным источником внеполосной энергии, значительна энергия будет только на гармониках входной частоты. Таким образом, режекторный фильтр будет адекватным, если он имеет значительное подавление на входной частоте и достаточно узок, чтобы обеспечить близкое к единице усиление на второй гармонике входной частоты.

Чтобы выполнить истинное измерение THD, энергия должна измеряться отдельно на гармониках входного сигнала.

Измерения THD+N могут быть выполнены проще, чем измерения THD, поскольку нет необходимости отдельно рассчитывать энергию на нескольких частотах. Поскольку измерения THD+N включают в себя непрерывный спектр, а не дискретные (гармонические) спектральные точки, значения THD+N отражают системный шум, перекрестные помехи и помехи на выходах, а также нелинейности. Из-за этого THD+N можно использовать в качестве общего показателя качества системы.

Для значений THD+N, в которых преобладает шум, можно ожидать, что относительные измеренные значения будут уменьшаться по мере роста амплитуды сигнала. Для измерений, в которых преобладают нелинейности, относительные измеренные значения будут увеличиваться с увеличением амплитуды сигнала. Для систем, производящих как шум, так и нелинейные искажения, минимальное значение THD+N будет получено при амплитуде входного сигнала, при которой выходной сигнал значительно выше минимального уровня шума, но ниже уровней, при которых возникают значительные искажения.

На рис. 2 показаны формы входного и выходного сигнала для нелинейной системы с аддитивной шумовой составляющей. Верхний правый график показывает логарифмический спектр формы выходного сигнала. Минимальный уровень шума для системы можно увидеть в нижней части графика. На нижнем правом графике показаны значения THD и THD+N. На показатель THD в действительности не влияет присутствие шума, и он имеет значение, подобное показанному на рисунке 1. Однако THD+N показывает более высокое значение из-за широкополосной энергии, содержащейся в шуме.

Рис. 2: Передаточная функция для элемента задержки фленджера

Соответствующим показателем искажения является IMD или измерение интермодуляционных искажений. IMD измеряется с использованием суммы двух или более синусоид в качестве входного сигнала. Как правило, частоты, объединенные на входе, не связаны гармонически. При наличии на входе нескольких частот нелинейность системы создает продукты искажения в виде сумм и разностей кратных частот входных сигналов. Таким образом, компоненты интермодуляционных искажений не гармонически связаны, а разделены более низкой из двух входных частот. Это удобно, поскольку позволяет исследовать многие компоненты искажения в узкой полосе пропускания. При использовании методов THD необходимо использовать низкочастотные входные сигналы для создания множества компонентов искажения в узкой полосе частот. Если измеряемая система не поддерживает низкие частоты, измерение THD становится затруднительным.

Дополнительную информацию о THD и THD+N см. в «Руководстве по аудиоизмерениям» компании Audio Precision, написанном Бобом Метцлером. Доступно для скачивания.

— Дэйв Бернерс

Подробнее

5 основных причин, по которым микрофонные предусилители имеют значение

Имея на выбор десятки, если не сотни различных брендов, моделей, форм, размеров, вариаций и конфигураций, неудивительно, что микрофонные предусилители являются одними из самых неправильно понятых частей цепи аудиосигнала.

Измерение гармонических искажений: Влияние частоты дискретизации и частоты стимула на измеренную частоту гармоник (включая THD и Rub & Buzz)

Автор(ы): Steve F. Temme

Интерпретация измерений гармонических искажений может привести к путанице, и важно понимать данные, на которые вы смотрите, особенно взаимосвязь между частотой стимула и измеренной частотой гармоники. В этом кратком руководстве объясняется взаимосвязь между частотой дискретизации, частотой стимула и измеренными гармониками как для нормализованных, так и для обычных измерений гармонических искажений.

Понимание гармоник

На рис. 1 показано соотношение между основной гармоникой и ее гармониками. Обратите внимание, что частота второй гармоники в два раза превышает частоту основной частоты, 3-й гармоники в три раза больше частоты основной частоты, 4-й в 4 раза и так далее. Измерения искажений являются относительными и включают сравнение уровня гармоники с уровнем основной гармоники. Тестовый сигнал обычно развертывается до 20 кГц для измерения гармоник в диапазоне частот.

Рис. 1: Соотношение между основной гармоникой и ее гармониками для входного сигнала на частоте 1 кГц

Условные гармонические искажения

Полное гармоническое искажение (THD) — это процент общего сигнала, на который влияют искажения из-за гармоник сигналов согласно IEC. Это сумма мощностей всех гармоник, исключая основную, деленная на сумму мощностей всех гармоник, включая основную.

(метод IEC; метод IEEE просто использует h2 в качестве знаменателя)

Обычные кривые искажения строятся при соответствующей частоте возбуждения измеряемой основной частоты. Например, если основная частота равна 1 кГц, вторая гармоника на частоте 2 кГц сравнивается по уровню с основной частотой на частоте 1 кГц и строится на частоте 1 кГц.

Для обычного гармонического искажения максимальная частота продукта гармонического искажения ограничена частотой дискретизации звуковой карты.

2.1 — это настройка по умолчанию в SoundCheck, которая гарантирует, что вы работаете в линейном диапазоне фильтра сглаживания.

Например, если звуковая карта настроена на частоту дискретизации 48 кГц, псевдоним частоты равен 22 800 Гц, поэтому максимальная измеряемая частота 2-й гармоники составляет 11 400 Гц (7600 Гц для 3-й гармоники, 5700 Гц для 4-й и 4560 Гц для 5-й). Любые измерения полных искажений будут включать только продукты гармонических искажений, которые могут быть измерены вплоть до этой частоты. Например, используя приведенную выше звуковую карту, если вы вычисляете искажения с использованием гармоник со 2-й по 5-ю путем развертки до 20 кГц, общее гармоническое искажение, рассчитанное на частоте 5 кГц, будет включать гармоники со 2-й по 4-ю, но не 5-ю. Ниже 4,56 кГц он будет включать все выбранные продукты искажения.

Есть только два способа практически изменить это, чтобы увеличить максимальную измеренную частоту:

1. Увеличить частоту дискретизации вашей звуковой карты, если она установлена ​​ниже максимальной. В SoundCheck это делается в настройках оборудования.
2. Используйте звуковую карту или аудиоинтерфейс с более высокой частотой дискретизации. См. страницу аудиоинтерфейса на веб-сайте Listen, чтобы узнать о частоте дискретизации аудиоинтерфейсов, поддерживаемых Listen.

Нормализованные гармонические искажения (THD или Rub and Buzz)

Нормализованное гармоническое искажение рассчитывается с использованием гармоник на фактической измеренной частоте их сигналов с использованием приведенного ниже уравнения:

При измерении нормализованного искажения каждая измеренная гармоника сравнивается с основной гармоникой на фактической измеренной частоте гармоники. Например, при основной частоте 1 кГц вторая гармоника имеет частоту 2 кГц и сравнивается по уровню с основной частотой 2 кГц, а затем отображается на частоте 1 кГц. Точно так же 3-я гармоника, которая будет на частоте 3 кГц, сравнивается с уровнем основной частоты на частоте 3 кГц и включается в расчет искажений для частоты 1 кГц.

Для нормализованного гармонического искажения (THD или Rub and Buzz) максимальная частота продукта искажения ограничена максимальной частотой стимула.

Максимальная частота продукта гармонического искажения определяется соотношением частоты стимула и порядка измеряемой гармоники. В частности:

Например, при частоте стимула до 20 кГц произведение 2-й гармоники может быть измерено до 10 кГц, 3-й до 6,7 кГц, 4-й до 5 кГц, 5-й до 4 кГц и так далее. Это означает, что результат THD будет записан до 10 кГц, но он будет включать только все продукты гармонических искажений со 2-й по 5-ю до 4 кГц.

Для измерения нормализованного искажения, включающего до 10-й гармоники, необходимо измерить основную частоту на измеренной частоте 10-й гармоники, которая будет в 10 раз превышать основную частоту. Это означает, что при развертке до 20 кГц максимальная основная гармоника, которую можно измерить до 10-й гармоники, составит 2 кГц, поэтому 10-я гармоническая составляющая искажения будет включена только до 2 кГц.

При измерении THD обычно достаточно измерять гармоники со 2-й по 5-ю, поскольку гармоники более высокого уровня будут незначительными по уровню по сравнению с гармониками более низкого уровня (см. рис. 1). Развертка до 20 кГц означает, что все компоненты искажения будут включены до 4 кГц, а выше этого значения гармоники более высокого порядка будут удалены.

Измерения шумов и шумов обычно выполняются с использованием гармоник более высокого порядка, часто 10–15-го порядка. Это фактически делает диапазон, в который включаются все компоненты, довольно маленьким, и важно помнить при интерпретации результатов, что на частотах выше 1 кГц вы начинаете терять компоненты искажения.

Подробное объяснение того, как отображаются измерения искажений, см. в статье Стива Темме, озаглавленной How to Graph Distortion Measurements.

Примечание. Помните, что частотный диапазон вашего микрофона или преобразователя также может ограничивать измеряемые вами гармоники. Если важны измерения гармоник более высокого порядка в широком диапазоне частот, вам необходимо убедиться, что все компоненты в вашей установке поддерживают это.

Понимание общего гармонического искажения — блог качества электроэнергии

Белая бумага, сентябрь 2012 г.

Опубликовано Cowles Andrus, специалист по коммуникациям, Power Monitors Inc.

Электронная почта: [email protected]

: Emod Веб-сайт: http://www.powermonitors.com

РЕФЕРАТ

В этом документе обсуждаются причины полных гармонических искажений, способы их расчета, измерения и влияние на систему распределения электроэнергии.

Полное гармоническое искажение (THD) может быть сложной концепцией из-за сложности системы питания и множества ее отдельных компонентов. THD лучше понять, когда энергосистема определяется ее простейшими частями – источником питания и нагрузкой, как показано на рисунке 1.

Потребление тока в системе, качество электроэнергии в системе также часто влияет, в зависимости от типа нагрузки. Нагрузки могут быть как линейными, так и нелинейными. Линейная нагрузка потребляет ток синусоидальной формы с плавными переходами тока и напряжения, поэтому, как правило, это не искажает форму сигнала, как показано на рисунке 2.9.0172

 

Рис. 2. Идеальная синусоида с линейной нагрузкой, приложенной к источнику относительно линейны. Гармонические искажения обычно не вызываются самой системой производства или распределения электроэнергии и не были проблемой до 1960 года. Примерно в этот момент изменения в технологии начали способствовать изменению нагрузки потребителей. Нелинейные компоненты, такие как диоды и тринисторы (или тиристоры), начали внедряться в бытовые устройства и приборы.

Некоторые устройства, которые, как известно, создают нелинейные нагрузки на энергосистему, включают преобразователи переменного тока в постоянный, регуляторы скорости двигателя/регуляторы света, преобразователи частоты, копировальные аппараты, зарядные устройства, ИБП, а также такие устройства, как электросварочные аппараты, электронный балласт , и дуговая печь. Освещение с более высокой энергоэффективностью и отказ правительства от ламп накаливания побуждают потребителей заменять старые лампы накаливания компактными люминесцентными лампами (CFL), светодиодами (LED) и электронно-стимулированной люминесцентной лампой (ESL). Этот тип освещения, хотя и очень энергоэффективен, не обеспечивает линейной нагрузки, такой как лампы накаливания. Фактически, ESL превосходит по энергоэффективности КЛЛ и светодиоды, но имеет коэффициент мощности 0,9.от 5 до 0,99, где CFL и LED находятся в диапазоне от 0,5 до 0,8. Еще одним новым источником гармонических искажений является регулирование скорости двигателя, которое в настоящее время используется во многих высокоэффективных тепловых насосах. Эти нелинейные устройства создают нелинейную нагрузку на источник питания, что приводит к большим искажениям формы сигнала источника, как показано на рис. 3.

— линейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала, резко изменяя форму сигнала источника питания. Все синусоидальные волны состоят из гармоник, кратных основной форме волны. В Соединенных Штатах частота линии электропередачи составляет 60 Гц, поэтому кратные 60 Гц составляют синусоидальную форму сигнала мощности. Гармоники можно определить как устойчивое искажение основной частоты (например, 60 Гц для линий электропередач). Важно отметить, что синусоида состоит как из четных, так и из нечетных гармоник. Нелинейные нагрузки обычно вызывают более ярко выраженные и проблематичные гармоники нечетного порядка в системе распределения электроэнергии. Это связано с тем, что большинство электрических нагрузок, за исключением однополупериодных выпрямителей, создают симметричные формы тока. Это означает, что положительная половина сигнала является зеркальным отражением отрицательной половины. Это приводит к тому, что присутствуют только нечетные значения гармоник. Однополупериодный выпрямитель может создавать четные гармоники в дополнение к нечетным. Иллюстрация, показанная на рисунке 4, демонстрирует взаимосвязь между основной и нечетной гармониками, вызванными нелинейными нагрузками.

Рис. 4. Взаимосвязь между гармониками основного и нечетного порядка

Другим фактором, который иногда может вызывать усиление гармоник, являются батареи конденсаторов, которые используются для коррекции коэффициента мощности индуктивных нагрузок. Если резонанс конденсатора несколько кратен основной гармонике, это может усилить гармонические проблемы. При установке конденсаторных батарей важны тщательное проектирование и учет, а также важно контролировать THD и коэффициент мощности, поскольку индуктивная нагрузка может время от времени меняться в результате новых нагрузок, представленных заказчиками.

График на рис. 5 показывает отношение основной частоты и некоторых младших нечетных гармоник, которые складываются вместе, образуя равнодействующую.

 

отношение в процентах гармонических составляющих напряжения/тока к основной гармонике напряжения/тока. Когда опорное значение не указано (т. е. просто THD), обычно предполагается, что опорное значение является основным, а не THD-R, которое является другим измерением. Для энергосистем лучше использовать THD или THD-F. Ниже приведено уравнение, используемое для расчета THD, где Vn равно величине n -я гармоника.

Одной из основных причин для измерения THD и точной оценки его значения является то, что оператор может оценивать и контролировать уровень искажений системы с течением времени. Это позволяет оператору увидеть, какие изменения необходимо внести в энергосистему, прежде чем уровни искажений поднимутся до уровня, при котором они могут повредить систему.

Некоторые проблемы, которые может вызвать высокий THD, включают перегрев трансформаторов, проблемы с правильной работой 3-фазных двигателей, увеличение гистерезисных потерь, недопустимые потери между нейтралью и землей, снижение мощности кВА, неточные измерения мощности, помехи в системах связи, таких как телефон и радио, срабатывание выключателя и перегорание предохранителей, повреждение конденсаторных батарей, повреждение или помехи в электронике, и этот список можно продолжить.

Технологии и рост имеют тенденцию постепенно нагружать сеть все большим и большим количеством нелинейных нагрузок, что приводит к росту общего THD. Очень важно контролировать систему, чтобы предотвратить проблемы до того, как они отключат систему питания и приведут к повреждению критического оборудования. Увеличение содержания гармоник может потребовать оценки некоторых систем на предмет надлежащего снижения номинальных характеристик трансформатора или модернизации систем распределения электроэнергии с трансформаторами с номиналом K для уменьшения перегрева или преждевременных отказов.

С помощью ProVision и большинства регистраторов PMI можно выполнять и отображать точные измерения многих аспектов качества электроэнергии, включая полное гармоническое искажение. По умолчанию ProVision для THD имеет значение F или фундаментальный, но при желании оператора THD-R можно легко отобразить, щелкнув правой кнопкой мыши THD-F в режиме графика величины гармонического анализа. Если требуется более подробная информация о гармониках, нажмите клавишу F, пока курсор находится на графике. Это удаляет основную частоту, позволяя масштабировать график, делая меньшие, более высокие гармоники четко видимыми. Это может быть очень полезно в областях, где THD представляет собой проблему для качества электроэнергии, например, проблема, связанная с питанием, с перегревом 3-фазного двигателя или помехами связи. На рис. 6 показан пример отчета об анализе гармоник, используемого для сбора данных о светодиодной лампе.

Рис. 6. Пример отчета об анализе гармоник, использованного для сбора данных от Revolution для светодиодной лампы

 

легкий.

Все регистраторы PMI с функцией гармоник могут записывать ленточные диаграммы THD, которые дают минимальное, максимальное и среднее значение для каждого периода интервала.

Лампа накаливания 60 Вт

Тип CFL Light

Свет легкий.

На рис. 8 показана смешанная ленточная диаграмма с THD напряжения и тока. Верхний график — THD напряжения канала 1, а нижний график — THD тока канала 1. Совместное рассмотрение THD напряжения и тока может помочь определить, вносит ли отслеживаемая нагрузка вклад в THD напряжения или он просто на нее влияет. Рисунок 9показывает текущий ежедневный профиль THD. Как и другие ежедневные профили, профиль THD представляет собой среднее значение THD за 15 минут в течение «среднего» дня, рассчитанное путем усреднения за весь период записи. Здесь мы видим, что THD падает днем ​​и растет ночью. Это, вероятно, указывает на более линейные нагрузки в течение дня, а поскольку они отключаются ночью, микс смещается в сторону нелинейных гармонических нагрузок. В отличие от ленточных диаграмм THD, суточные профили THD всегда включены в записывающем устройстве с гармоническими возможностями, поэтому они могут быть полезны, если после завершения записи возникает вопрос THD.

Рисунок 8. График смешанного стриптиза с напряжением и током THD

Рисунок 9. Текущий профиль THD

. , представляет собой измерение амплитуд гармоник, вносимых нелинейной системой, относительно амплитуды основной частоты. Поскольку вводятся новые правила, помогающие сохранить наши природные ресурсы за счет повышения эффективности системы, важно иметь надлежащие системы мониторинга для оценки системы распределения электроэнергии. Иногда улучшения в одной области могут вызвать проблемы в другой области. Гармоники, вызванные нелинейными нагрузками, могут вызывать такие проблемы, как отказы трансформатора, чрезмерный нагрев двигателей, отказы электронных устройств и проблемы со связью, связанные с проникновением радиопомех и помех в систему связи. При наличии подходящего оборудования для мониторинга и интегрированного программного обеспечения, а также понимания основ качества электроэнергии можно постоянно и эффективно оценивать общее состояние системы и предотвращать потенциальные отказы системы.

 

Понимание полных гармонических искажений – Технический документ Загрузить

Что такое полные гармонические искажения в аудио и микрофонах? – Мой новый микрофон

Нравится вам это или нет, искажения – это то, к чему мы всегда должны прислушиваться в наших микрофонах, аудиоцепочке и воспроизведении. Количественно измерить искажение сложно, но полное гармоническое искажение обеспечивает достойный метод расчета искажения в аудиосигнале.

Что такое общее гармоническое искажение в аудио и микрофонах? Суммарное гармоническое искажение (THD) — это измерение гармонического искажения в аудиосигнале в виде процента совокупных обертонов, добавленных к основной частоте. Его проще всего измерить с помощью синусоиды. 1 % THD — это типичный порог при измерении максимального уровня звукового давления микрофона.

Давайте углубимся в определение полного гармонического искажения и обсудим его использование в микрофонах и аудио.

---

Что такое искажение звука?

Прежде чем мы перейдем к полному гармоническому искажению, давайте сначала рассмотрим искажение микрофона и звука в целом.

Искажение звука описывается как любая деформация аудиосигнала на выходе по сравнению с входом.

Обычно это связано с ограничениями электронных компонентов (аналоговых или цифровых).

Обратите внимание, что усиление само по себе увеличивает амплитуду аудиосигналов, не вызывая деформации сигнала. Поэтому усиление не означает искажение. Тем не менее, слишком большое усиление, безусловно, вытолкнет вышеупомянутые электронные компоненты за пределы их ограничений и вызовет искажение сигнала. Это часто нежелательно (например, в микрофонных сигналах и аудиомиксах), а иногда и преднамеренно (гитарные усилители и эффекты).

Звук может быть аналоговым или цифровым, и каждый тип имеет свои собственные искажения.

Цифровое искажение звука

Цифровое искажение (также называемое отсечением) часто звучит резко, чрезмерно сжато и может сильно исказить исходный аудиосигнал. Цифровой обрезки обычно избегают любой ценой, если только она не предназначена для создания особого эффекта.

В цифровом аудио мы используем полную шкалу децибел (dBFS) для обозначения амплитуды сигнала. 0 dBFS — это цифровой потолок, где все биты равны 1. Это называется потолком. Это абсолютная максимальная амплитуда цифрового аудиосигнала.

Любой пик (или впадина) сигнала, усиленный выше 0 дБ полной шкалы, эффективно сглаживается или «обрезается».

В результате получается резкий и чрезмерно сжатый выходной сигнал.

Аналоговое искажение звука

Хотя аналоговое искажение в своих экстремальных проявлениях также будет звучать резко и сжато, оно гораздо более щадящее, чем цифровое искажение.

Аналоговые искажения возникают, когда электронные компоненты, передающие аудиосигналы (переменное напряжение), перегружены. Когда сигнал слишком сильный для этих компонентов, он искажается.

Аналоговые искажения проявляются гораздо медленнее, чем цифровые, и звучат намного теплее, чем резко.

На самом деле часто стремятся к аналоговому искажению из-за насыщения. Насыщение сигнала — это эффект, который аналоговые искажения оказывают на создание или усиление гармоник аналогового сигнала. Насыщенность придает звуковым сигналам характер и является серьезной причиной, по которой многие слушатели предпочитают аналоговые аудиозаписи цифровым.

Искажение микрофона

Преобразователи микрофона по своей сути являются аналоговыми. Перегрузка любого из электрических компонентов микрофона приведет к искажению звука.

Диафрагмы микрофонов очень редко перегружаются (хотя ленточные диафрагмы могут быть подвержены этому при очень высоких уровнях звукового давления). Скорее, именно активная электроника в микрофонах больше всего перегружена.

Дополнительные искажения могут возникнуть на уровне микрофонного предусилителя, если к сигналу применено усиление. Мы должны убедиться, что мы не применяем слишком много усиления, чтобы избежать искажений.

Цифровое искажение микрофонных сигналов может произойти, когда сигнал преобразуется в цифровое аудио с помощью АЦП аналого-цифрового преобразователя. Эти АЦП обычно предназначены для аудиоинтерфейсов, но также могут быть встроены в цифровые микрофоны (например, USB-микрофоны).

Чтобы узнать больше об аналоговых и цифровых микрофонах, ознакомьтесь с моей статьей Являются ли микрофоны аналоговыми или цифровыми устройствами? (Конструкции микрофонных выходов).

---

Синусоидальное искажение

Первое, на что следует обратить внимание в отношении общего гармонического искажения (THD), это то, что оно измеряется в процентах, а не в абсолютном значении.

THD измеряется относительно одночастотного звукового сигнала (синусоидальная волна).

Синусоидальная волна

Когда синусоидальная волна искажается, ее форма обычно становится все более и более прямоугольной:

Сильно искаженная синусоида

Синусоидальная волна с максимально возможным искажением принимает форму прямоугольной волны. Это на самом деле физически невозможно в реальности, но довольно хорошо представляет идею невероятно искаженной синусоиды.

Прямоугольная волна

Синусоидальная волна имеет одну частоту и не содержит гармоник.

Идеальная прямоугольная волна, однако, содержит бесконечный ряд нечетных целочисленных гармоник. Амплитуды четных целочисленных гармоник равны нулю, а нечетные целочисленные гармоники рассчитываются по следующей формуле:

A _N = 2A ₀ [2 / (π · N)]

A _N — Amplith of A _N . — амплитуда основной частоты
n — номер гармоники

Обратите внимание, что для прямоугольных сигналов амплитуда «нулевой гармоники» или основной частоты (A ₀ ) составляет половину значения от пикового корыто. Например, прямоугольная волна с пиком в 1 В и впадиной в 0 В будет иметь:
A ₀ = 0,5 В
A ₁ = 0,63 В
A ₂ = 0 В (четная целочисленная гармоника)
A ₃ = 0,21 В
и так далее3 состоит в том, чтобы показать, что когда синусоидальная волна искажается, создаются гармоники!

Имея это в виду, давайте посмотрим на полное гармоническое искажение.

---

Что такое полное гармоническое искажение?

Полное гармоническое искажение определяется как отношение суммы мощностей всех гармоник к мощности их основной частоты.

В уравнении выглядит следующее:

THD = (√v ₁ ² +V ₂ ² +V ₃ ² +·,)).

В ₀ среднеквадратичное напряжение основной частоты
В _n среднеквадратичное напряжение гармоник диапазоны. Однако он становится чрезмерно сложным, если не измеряется с помощью синусоиды одной частоты.

Важно отметить, что слышимый диапазон человеческого слуха составляет от 20 Гц до 20 000 Гц. Следовательно, любые гармоники выше 20 кГц не влияют на наше восприятие искажения сигнала и, как правило, не учитываются.

Например, если бы у нас была фундаментальная частота 400 Гц, наши слышимые гармоники будут:

• F ₀ = 400 Гц
• F ₁ = 800 Гц
• F ₂ = 1600 ГЗ
• F ₂ = 160016 ГЗ
• F ₂ = 1600 ГЗ
• F ₂ = 1600 ГЗ
• F ₂ = 1600 Гц
• F ₂ = 800 Гц
• F _.
• F ₃ = 3200 Гц
• F ₄ = 6400 Гц
• F ₅ = 12 800 Гц
• F ₆ = 25 600 Гц, но мы никогда не услышим его, поэтому его мощность обычно не учитывают при расчетах.

Итак, из того, что мы собрали выше, чистая синусоида будет иметь только основную частоту и, следовательно, будет иметь КНИ 0%.

Однако, поскольку эти синусоидальные волны искажаются, возникают гармоники, и фактор THD становится фактором.

При экстремальном искажении [идеальной] прямоугольной волны коэффициент нелинейных искажений равнялся бы колоссальным 48,3%. С таким количеством искажений становится понятно, что прямоугольная волна звучит так явно иначе, чем синусоида.

Обычно значения 1% THD достаточно, чтобы заметить и сказать, что сигнал искажен. Однако, как мы уже обсуждали, на самом деле мы способны вычислять THD только для синусоидальных волн. Звуки реального мира сложны, и THD очень сложно вычислить, хотя звуки реального мира можно разбить на серию синусоидальных волн.

---

THD и максимальный уровень звукового давления

Так почему же THD так важен для нас, любителей аудио и микрофонов?

Общее гармоническое искажение используется для расчета максимальных уровней звукового давления микрофонов.

Обычно производители микрофонов используют 1% THD в качестве предела для измерения максимального уровня звукового давления, хотя некоторые используют его ниже до 0,5%.

По сути, на микрофон воздействует тон частотой 1 кГц (синусоидальная волна).

Это можно сделать через калиброванный громкоговоритель с нулевыми искажениями на диафрагме микрофона. В качестве альтернативы сигнал переменного тока частотой 1 кГц может быть введен непосредственно в схему микрофона на выходе капсюля. Помните, что диафрагма редко, если вообще когда-либо, перегружается, и поэтому ее можно обойти.

Амплитуда синусоидальной волны 1 кГц увеличивается (либо по уровню звукового давления через динамик, либо по среднеквадратичным значениям напряжения при прямом введении). Амплитуда чистой синусоидальной волны увеличивается до тех пор, пока выход микрофона не покажет установленный процент общего гармонического искажения.

На данный момент производители знают, что микрофон начнет искажать на частоте 1 кГц при определенном уровне звукового давления или напряжении переменного тока. Производители берут этот SPL или напряжение для расчета теоретического SPL как максимальный уровень звукового давления микрофона.

Для получения дополнительной информации о максимальном звуковом давлении, ознакомьтесь с моей статьей Что на самом деле означает максимальный уровень звукового давления микрофона?

---

Что такое уровень микрофона? Уровень микрофона — это типичный и ожидаемый уровень аналогового аудиосигнала для профессиональных микрофонных выходов и входов микрофонного предусилителя. Номинальный уровень микрофона обычно составляет от 1 до 100 милливольт переменного тока (от -60 до -20 дБВ). Сигналы микрофонного уровня нуждаются в усилении, чтобы достичь линейного уровня для использования в микшерных консолях и DAW.

Чтобы узнать больше о микрофонных сигналах и микрофонном уровне, ознакомьтесь со следующими статьями My New Microphone:
• Что такое звуковой сигнал микрофона с точки зрения электричества?
• Выводят ли микрофоны микрофонный, линейный или инструментальный сигналы?

Что такое усиление микрофона? Усиление микрофона увеличивает амплитуду сигнала микрофона.