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[综合讨论] 谐波失真、互调失真及差频失真的定义、公式及区别

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发表于 2023-12-20 15:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 BK声学与振动 于 2023-12-20 15:18 编辑

什 么 是 失 真

理想:

                               
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现实:






                               
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评估幅值非线性的方法有:

  • 谐波失真
  • 互调失真
  • 差频失真
对于一个理想的系统,输出信号应该等于输入信号乘以传递函数。但事实上系统中除了理想的输出信号之外,还会插入很多我们不想听到的杂音,或不真实的信号,这些都会给信号带来失真。而评估非线性失真的方法,就包含谐波失真、互调失真和差频失真,这三种失真方式。

谐 波 失 真


                               
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  • 使用纯音信号激励 , f1
  • 对频率是基波f1的整数倍信号进行分析
  • Hn就是n次谐波
  • 总谐波失真 (THD) 所有的失真分量相加
谐波失真的激励信号是一个纯音,在基波频率的整数倍频率上,会由于纯音的激励产生失真信号。所以如果对应于基波的n倍,也就是它的n次谐波,我们会得到一个总谐波失真(THD),就是把所有的谐波失真分量相加,再除以基波和所有谐波的量的总和,会得到一个百分数,也就是我们需要测的THD。


互 调 失 真



                               
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  • 使用两个规定幅值比的纯音信号激励
  • 一个纯音信号频率是按步进改变的 , f1
  • 一个纯音信号频率是固定的f2,f2甚低于f1
  • 对信号 f1 附近的边带进行频率分析
  • GB/T 12060.5 2011/IEC 60268 5:2007
  • 推荐设定:f2 < f1/8, f2和 f1 信号的幅值比为 4:1
互调失真会有一个变化着的纯音信号,它的频率是按步进改变的;同时我们会有一个调制信号,调制信号是一个固定频率的。通常调制信号的频率要远低于纯音激励信号,调制信号的幅值要远大于激励信号。

我们摘录了GB/T 12060.5-2011/IEC 60268-5:2007推荐的设定值,即激励信号开始频率点比调制信号的8倍再大一点,而调制信号和激励信号的幅值比是4:1。

大家也可以想象到,当两个信号的频率完全一致的时候,就会产生共振,在共振区域附近,信号的失真非常大,将会导致测量无意义。所以在做互调失真时,一定要注意,对于调制信号和激励信号的频率和幅值有一定的要求。


差 频 失 真


                               
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  • 使用两个等幅值的纯音信号作为激励
  • 这两个纯音信号的频率都是按步进改变的
  • 在 (f1+f2)/2附近边带进行频率分析
  • 包含低频的边带
  • GB/T 12060.5-2011/IEC 60268-5:2007
  • 推荐设定:f1-f2=80Hz, f2的最小值为f1和f2差值的两倍
差频失真是用两个改变的纯音信号作为激励,但是这两个纯音信号之间的频率是保持固定的频率差的。例如,还是以GB/T 12060.5-2011/IEC 60268-5:2007这两个标准里推荐的设定,如果频差是80赫兹的话,开始频率(即f2)的频率点,至少要是差频频差的两倍以上。

三种失真的计算公式


                               
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不同失真方法的区别


                               
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对于谐波失真,需要测量基波的整数倍,所以需要一个带宽较宽的数采,确保可以测量所有需要的谐波分量。举个例子,如果我们以前的声卡是到20kHz,如果要做到5次谐波,激励信号就只能到4kHz了,因为再往上,例如到5kHz,5次谐波就是25kHz,超出测量范围,就测不到5次谐波了。所以谐波失真更多是用于评价低频信号的失真方式。

当然,随着硬件技术的发展,例如B&K的3161型LAN-XI分析模块,可以测到204.8kHz的带宽,如果用来测5次谐波,一样可以做到40kHz,随着硬件技术提高,测量传声器和数采的测量频率范围都越来越宽,我们现在可以完成一个完整的可听声频段(20Hz~20kHz)的谐波失真测量。

互调失真与差频失真,可以更好地体现高频部分的非线性失真。由于低频部分受到调制信号频率以及两个激励信号频差的限制,无法完成更低频的非线性失真的测量。

所以,我们要合理利用三种失真方式来评价一个电声产品的非线性失真。



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