Частотные искажения и частотная характеристика. 
Диапазон частот

В процессе усиления устройство не должно изменять формы кривой сигнала. Однако по разным причинам форма кривой колебаний на выходе усилителя может отличаться от формы кривой на входе, т. е. усилитель вносит искажения сигнала. При воспроизведении звука эти искажения влияют на его тембр, и чистоту, в телевизионных устройствах искажается изображение, в осциллографах искажается форма наблюдаемой или фотографируемой кривой.

В зависимости от причины появления искажений их делят на линейные (частотные и фазовые, обусловленные реактивными сопротивлениями) и нелинейные, вносимые нелинейными приборами, в первую очередь самими усилительными элементами.

Частотными искажениями называют изменения формы кривой сигнала из-за неодинакового усиления колебаний разной частоты.

Как уже говорилось, колебания звуковой частоты представляют собой сложный сигнал, который может рассматриваться как сумма синусоидальных составляющих разной частоты. Если коэффициенты усиления для этих составляющих различны, то в суммарной кривой нарушается соотношение между амплитудами этих составляющих, что приводит к изменению тембра звука. Например-, если слабее усиливаются высокочастотные составляющие сигнала, то звук становится глухим, лишенным звонкости, басящим; если же в меньшей степени усиливаются низкочастотные составляющие сигнала, то звук приобретает металлический тембр, резкий и звенящий, лишенный сочности, бархатистости и глубины.

Тембр того или иного инструмента или голоса зависит от присущих этому инструменту обертонов (гармонических составляющих с чаcтотой, кратной частоте основного тона) и от их изменения во времени при нарастании и спадании звука. При больших частотных искажениях нарушается естественное соотношение между ними и основным тоном, и звучание одного голоса или инструмента становится мало отличимым от другого.

При усилении речевого сигнала большие частотные искажения могут привести к ухудшению разборчивости речи.

Для определения частотных искажений пользуются амплитудно-частотной характеристикой, называемой сокращенно частотной.

Частотная характеристика представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала.

Обычно коэффициенты усиления на граничных частотах меньше, чем на средних, и характеристика является плавной кривой со спадами к нижним и верхним частотам. Если частотных искажений нет, то характеристика параллельна оси абсцисс.

Для построения частотной характеристики пользуются логарифмическим масштабом для оси частот, так как при большой разнице в величине частот линейный (равномерный) масштаб неудобен. Логарифмический масштаб позволяет искусственно растянуть область малых частот и сжать область больших. Для этого по оси абсцисс откладывают отрезки, пропорциональные логарифму частоты, а пишут величину частоты в герцах. Коэффициент усиления можно откладывать по оси ординат в отвлеченных числах или в децибелах. Если входное напряжение поддерживается для всех частот постоянным, то для снятых экспериментально характеристик допускается откладывать по оси ординат величину выходного напряжения, которое при этом условии пропорционально коэффициенту усиления.

Средняя частота может быть выбрана в области средних частот (от 300 до 3000 Гц), в пределах которой реактивные элементы мало влияют на работу усилителя, или вычислена, как среднее геометрическое для значений граничных частот.

При испытаниях усилителей записии воспроизведения звука за среднюю частоту принимают обычно 400 Гц.

Наибольший интерес представляют коэффициенты частотных искажений на граничных частотах, а также на тех частотах, где получаются (либо специально создаются) характерные подъемы или спады, пики или провалы.

Коэффициент частотных искажений всего усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений всех каскадов на данной Коэффициент частотных искажений, как и коэффициент усиления, удобно измерять в децибелах:

Таким образом, в децибелах коэффициент усиления легко определяется по частотной характеристике, как разность коэффициентов усиления на средней и на данной частотах .

При М[дБ] = 0 частотные искажения отсутствуют.

Рабочим диапазоном частот, или полосой пропускания, называется область частот от f_н до f_в, в пределах которой частотные искажения не превышают допустимой величин.

Для усилителей звуковой частоты, входящих в первоклассную аппаратуру киноустановок и радиовещательную аппаратуру высшего класса, допускается неравномерность усиления не более ±2 дБ (или ±25%), так как при этом частотные искажения незаметны на слух.

Диапазон частот звукового сигнала, воспринимаемого ухом человека, от 16 до 20 000 Гц, однако аппаратура для обеспечения равномерного усиления при таком широком диапазоне частот оказалась бы очень дорогой и громоздкой. Исследования показали, что некоторое ограничение частотного диапазона сверху и снизу не приводит к заметному ухудшению качества звучания речи и музыки, но упрощает устройство.

Усилители для высококачественной записи и воспроизведения звука имеют рабочий диапазон частот от 30—40 до 12 000—16 000 Гц, для передвижной звуковоспроизводящей аппаратуры —от 60—80 до 8000—10 000 Гц (а для воспроизведения фотографической фонограммы 16-лш кинофильма —до 5000—6000 Гц), для телефонии, где важна главным образом разборчивость речи, — от 200—300 до 3000— 5000 Гц.