Коэффициент гармоник (ака THD) электретных микрофонов. Схема Линквитца и другие

Коэффициент гармоник или что за зверь этот THD? Давайте разбираться.
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, Кг или THD в англ. литературе) – это мера искажения формы сигнала, вызванная присутствием гармоник.
Попробую объяснить «на пальцах» для начинающих. Например, у нас есть усилитель, купленный на Aliexpress…

1. Вместо введения.
И так, есть усилитель:
На вход подаётся синусоида 1 кГц (график зелёного цвета):
Усилитель «от себя» добавляет к сигналу 3-ю гармонику (кривуля красным цветом).

В результате на выходе усилителя получается сумма полезного сигнала и привнесённых усилителем гармоник (график чёрным цветом).
Сигнал далее поступает на акустические системы, и мы его благополучно слышим.

Словом, чем меньше (ниже) параметр THD усилителя (АС, микрофона и т.д.), тем лучше.
Замер THD усилителей технической сложности не представляет.
А вот с замерами THD акустических систем всё сложно.

На низких частотах искажения динамиков достигают 10% и выше! Естественно, хитрые производители умалчивают эти значения.
А продвинутые радиолюбители, естественно, очень хотят знать. ;)

Нормативная база:
1. ГОСТ 16123-88 Микрофоны Методы измерений электроакустических параметров
2. ГОСТ Р 53575-2009 (МЭК 60268-5:2003) Громкоговорители Методы электроакустических испытаний
Это для тех, кто хочет и может выполнить всё абсолютно правильно.

Замер АЧХ особых сложностей не вызывает: достаточно иметь в наличии достоверно откалиброванный или проверенный измерительный микрофон.
Это позволяет увидеть АЧХ акустической системы (АС), фазовые характеристики и т.д.
А вот с измерением коэффициента гармоник Кг возникают вопросы.

В предыдущем обзоре были проверены два динамических микрофона
по сравнению с измерительными ECM999 и RFT mk102:
Напоминаю, что цифры в таблице выше — это суммарный Кг динамика и микрофона.

Условия замеров без изменений:
— пассивная АС, подключенная к активной F&D
— уровень сигнала 1В (действующее значение; примерно 0,25 Вт на динамик)
— частоты 160, 400, 1000, 2500 Гц (синус)
— замер в нескольких см от диффузора

Ссылки на подобную тематику:
— 1-я часть на тему нелинейных искажений микрофонов
— Пред для электретного микрофона
— Выбираем измерительный микрофон
— Измерительный микрофон ВПМ-101 с конденсаторным капсюлем М101

Проверка ещё нескольких вариантов на базе электретных капсюлей из доступных обычным радиолюбителям.
Надеюсь, кто-то найдёт для себя оптимальный вариант.

2. Электретный капсюль без дополнительных элементов.
Подключение — непосредственно на микрофонный вход ПК.

Качественный капсюль ф6мм, отрезанный от микрофона-петлички + штеккер ф3,5мм.
Естественно, само по себе оно работать не будет:
при подключении к микрофонному входу ПК (или ноутбука) подаётся питание около +2,5В,
и схема «собирается» до полной:
С учётом встроенного в капсюль полевого транзистора, получается простейший усилительный каскад с общим истоком.

Кг по частотам:
Словом, для замеров Кг такое простое решение НЕ годится.

Что есть из готовых (заводских) вариантов?

3. Копия микрофона BM-700(800)
Подключение — XLR через АЦП Alctron XU-2 (усиление на 9:00).
Кг по частотам:
Более-менее сносный Кг только на частоте 2,5 кГц. ((

Примечание: по доработке BM-700 будет отдельный обзор.

4. Samson C02
По слухам — на али продают не оригинальные C02.
После ряда экспериментов я не могу утверждать, что у меня в руках фейк.
Да, шумок на выходе самсонов C02 присутствует.
Но уровень шумов полностью соответствует используемому типу капсюля (электретный ф16мм).
Мне очень любопытно протестировать настоящий C02.
И вообще, такой существует? Где его найти??
Не удивлюсь, если настоящий C02 окажется по звуку 1в1, как и «фейковый».

Поэтому тестировал, что есть:
Тоже не айс.
Непонятно, кто «накидал» гармоник, капсюль или схема.

В схеме есть резистор в цепи истока Q1, поэтому Кг схемы должен быть очень незначительным
Симулятор и вовсе показал THD=0,00 % для схемы.

5. Схема Линквитца
Осталось проверить схему, на которую самые большие надежды.
Идея простая: заставить работать полевик внутри капсюля не по схеме «общий исток»,
а по схеме «общий сток», т.е. истоковый повторитель:

Встречается множество вариантов с применением операционных усилителей:
или

Нехороший момент, когда разрезаешь дорожку между корпусом капсюля и истоком (минусом): требуется обеспечить надёжный контакт с алюминиевым корпусом.

Я использовал 3см кусок медной трубки подходящего диаметра.
Со стороны установки капсюля пришлось рассверлить внутреннее отверстие сверлом ф6,0мм на глубину 3мм. Т.о. капсюль сначала входит по скользящей, а потом происходит заклинивание.

Трубочку припаял к джеку ф6,3мм:
Далее припаял проводники от выводов капсюля:
Капсюль в корпусе в сборе:
Схему поместил в дюралевый корпус, который используется для таких экспериментов:
Питание коробочки — от LiIon аккумулятора 3,7В:

Результаты замеров:
На 160 Гц — очень хорошо.
На частотах 400, 1000 и 2500 Гц — совсем грустно.
Чудо не произошло. А жалко. ©

6. Базовая схемы с XLR выходом
Я собрал её попробовать по двум причинам:
1) послушать на предмет шумов
2) померять THD
Собрал на макетке побольше, затем на макетке поменьше, чтобы запихнуть в корпус от динамического микрофона LG:
Капсюль ф10 мм.

Вот что получил:
Странно, но разброс значений незначительный.

Оставил схему как референсную по шумам, THD и по чувствительности.

7. Микрофон Philips ME570 из недавнего обзора.
Схема в очередной раз была изменена на свой вкус:
Капсюль поменял на всенаправленный ф10мм.

Питание изменил на 4В от LiIon аккумулятора:

THD по частотам:
Сравнив цифры с RFT mk102, остался доволен результатом.

8. Выводы
Потратив кучу времени на эксперименты, я имею право сделать некоторые выводы.

Коэффициент гармоник в первую очередь зависит от первичного приёмника звукового давления, т.е. непосредственно от микрофонного капсюля.

В меньшей степени коэффициент гармоник зависит от схемотехники. Если сложится, определюсь с какой-нибудь схемой и попробую собрать хоть какую-то статистику.

Схема Линктвитца разочаровала.
Нет никакого смысла резать дорожку электретного капсюля, чтобы получить посредственный результат. Во первых, никаких выдающихся характеристик схема не показала.
Во-вторых, если уж очень хочется, можно собрать макет с 16мм капсюлем и подходящем полевике. Поиграться и… разобрать.

В конечном итоге выбор микрофона для измерения THD производится банальным перебором вариантов.
Всего то требуется суметь разобраться в куче цифр и выбрать. ))
Для меня сейчас два победителя: доработанный Philips570 и BM-700 с 2,2кОм в истоке.

Всем удачных экспериментов!