W przypadku specyfikacji technicznej wzmacniaczy i amplitunerów producenci zawsze podają parametr określany jako THD lub THD+N. W niniejszym artykule wyjaśnimy jego znaczenie, wpływ na brzmienie, sposób pomiaru oraz możliwe do uzyskania wartości. Opiszemy też zjawiska zachodzące podczas wzmacniania sygnału we wzmacniaczu. Dowiemy się, dlaczego parametr THD jest ważny oraz jak powinniśmy interpretować uzyskane wyniki.
Niemal wszystkie dźwięki, które słyszymy oprócz tonu podstawowego składają z się z tzw. harmonicznych. To właśnie harmoniczne nadają instrumentom muzycznym wyjątkową barwę i pozwalają słuchaczowi na rozróżnianie ich. Na przykład skrzypce strojone są na częstotliwość 440Hz, natomiast harmoniczne, czyli wielokrotność tonu podstawowego w przypadku tego instrumentu mają częstotliwość 880Hz, 1220Hz i 1760Hz.
Składowe harmoniczne możemy podzielić na parzyste i nieparzyste. Pierwsze są odbierane przez ludzki słuch jako dźwięki ciepłe i przyjemne pomimo tego, że teoretycznie zaburzają neutralność dźwięku. Właśnie obecność parzystych harmonicznych, które produkowane są przez stopnie końcowe wzmacniacza lampowego sprawia, iż brzmienie takich konstrukcji jest ocieplone i przyjemne dla ucha. Inaczej wygląda sprawa w przypadku nieparzystych harmonicznych, które są odbierane przez człowieka raczej niekorzystnie. Mogą zaburzać czystość i klarowność dźwięku.
Parametr THD (ang. Total Harmonic Distortion) określa współczynnik zniekształceń harmonicznych. Wskazuje on procentową zawartość harmonicznych w sygnale audio.
Powstaje zatem pytanie jaka jest przyczyna powstawania harmonicznych oraz jak wpływają one na brzmienie? Harmoniczne powstają na skutek nieliniowej charakterystyki wzmacniacza. Urządzenie nie tylko wzmacnia harmoniczne już istniejące, ale tworzy też takie, których wcześniej nie było w sygnale wejściowym.
Skoro wiemy już całkiem sporo o harmonicznych oraz sposobie ich powstawania czas wytłumaczyć jak dokonuje się ich pomiaru. Niezbędny jest do tego generator sygnału sinusoidalnego, który wytwarza sygnał o określonej częstotliwości. W przypadku pomiaru THD najczęściej stosuje się częstotliwość 1kHz. Po wzmocnieniu tego sygnału przez wzmacniacz dokonuje się pomiaru sygnału wyjściowego za pomocą analizatora widma. Nowsze urządzenia mają opcję obliczenia całkowitego poziomu zniekształceń, co znacznie ułatwia i upraszcza pomiary. W przypadku starszych urządzeń proces pomiaru nieco się komplikuje, gdyż należy każdą składową harmoniczną wycinać za pomocą filtra wąskopasmowego, a następnie zmierzyć jej amplitudę. Następnie, po zsumowaniu wszystkich harmonicznych, współczynnik THD obliczany jest na podstawie wzoru, który uwzględnia stosunek energii harmonicznych wytworzonych przez urządzenie do energii wszystkich harmonicznych włączając w to podstawową.
Najczęściej współczynnik THD podawany jest w procentach, ale nie jest to jedyny poprawny sposób. Istnieje wzór wykorzystujący logarytmy, który pozwala przeliczyć wartość THD z procentów na decybele.
Dotychczas mówiliśmy o współczynniku THD, lecz czytając specyfikacje techniczne urządzeń czasami spotykamy parametr THD+N. Jest to nic innego jak współczynnik zniekształceń harmonicznych wraz z szumem. Różnica w pomiarze polega na tym, że podczas pomiaru z sygnału usuwa się częstotliwość podstawową, a następnie oblicza się stosunek sygnału odfiltrowanego do sygnału nieodfiltrowanego.
Bardzo ważną rzeczą jest prawidłowa interpretacja uzyskanych wyników. Niewiele powie nam samo określenie liczbowe, np. THD=0.5%, gdyż jak już wyjaśniliśmy inaczej wpływają na odbiór dźwięku parzyste harmoniczne, inaczej nieparzyste. To z kolei sprawia, że dwa wzmacniacze o takim samym współczynniku THD mogą charakteryzować się zdecydowanie różnym brzmieniem. Posłużmy się przykładem. Wahamy się pomiędzy zakupem dwóch wzmacniaczy o takim samym współczynniku THD. Dopiero podczas analizy wykresu charakterystyki możemy dowiedzieć się, że pierwszy z porównywanych wzmacniaczy posiada wzmocnioną drugą harmoniczną, która lekko ociepla dźwięk i sprawia, że odbiór jest przyjemny. W drugim natomiast dominują wyższe nieparzyste harmoniczne, które negatywnie wpływają na odbiór dźwięku przez człowieka.
Wzmacniacz stereo - Musical Fidelity
Producenci wzmacniaczy rzadko dołączają do specyfikacji wzmacniaczy rozkład harmonicznych na wykresie. Zdecydowanie częściej ograniczają się do podania jedynie wartości liczbowej. Często jednak branżowe pisma audio przeprowadzają własne pomiary ukazujące zniekształcenia harmoniczne. Warto korzystać z takich materiałów, gdyż jest duża szansa, że prezentowane są prawidłowe wyniki pomiarów bez „marketingowych” poprawek.
Na zakończenie warto dodać, że producenci zdają sobie sprawę z obecności harmonicznych w sygnale wyjściowym. Problem dotyczy zwłaszcza wzmacniaczy tranzystorowych, w których dominują nieparzyste harmoniczne. Częściowym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Aby było to możliwe wzmacniacz musi posiadać duże wzmocnienie. Negatywnie wpływa to jednak na liniowość urządzenia. Drugi sposób wykorzystywany przez konstruktorów polega na wprowadzaniu lokalnych sprzężeń. Każde rozwiązanie wymaga od konstruktorów dużej wiedzy oraz lat praktyki w projektowaniu tego typu rozwiązań.
