Частотные искажения
Усилители звука должны обеспечивать в результате аппаратной обработки неискаженный по своей форме выходной сигнал (амплитуда может изменяться). Как правило, на входе звуковой сигнал — это совокупность разных частотных синусоидальной сигналов, а также их производных. Для качественного усиления и последующего воспроизведения все компоненты входного сигнала должны быть усилены в одинаковой мере.
Иначе говоря, необходима фиксация одинакового частотного коэффициента усиления. На графике (см. выше) частотная характеристика идеального сигнала в полосе пропускания отображается как ровная линия. Если наблюдаются провалы или «горбы», то сигнал искажается.
Рис. 7. АЧХ усилителя, у которого наблюдается более значительное усиление высокочастотных сигналов.
На рисунке выше (рис. 7) продемонстрирована АЧХ усилителя, у которого наблюдается более значительное усиление высокочастотных сигналов по сравнению с низкочастотным сигналом, где наблюдается более ровная линия. Следовательно, в искаженном сигнале на выходе будут превалировать высокие частоты.
АЧХ наушников
Разберем на примере амплитудно-частотной характеристики наушников на что стоит обращать внимание при оценке качества звучания той или иной АС. Итак, напомним, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависимость уровня звукового давления от частоты воспроизводимого выходного сигнала
Итак, напомним, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависимость уровня звукового давления от частоты воспроизводимого выходного сигнала.
В технических данных наушников указывается их рабочий диапазон частот. Как правило, в пределах указанного диапазона частота воспроизведения звука наушниками должна быть хорошей. Неверно полагать, что вне этого диапазона воспроизведения звука не будет. Оно будет, но заметно тише.
Частотный диапазон, в пределах которого качество звука соответствует заявленному, отмечается с помощью крайних точек. За пределами указанных точек наблюдается существенное отклонение от усредненных данных. Как правило, рабочий диапазон частот должен сопровождаться указанием этого отклонения. Ниже приведен пример правильного выделения 2-х диапазонов звуковых частот:
- 19-13700 Гц — 6 дБ;
- 8.5-26600 Гц —12 дБ.
Рис. 3. Правильное выделение 2-х диапазонов звуковых частот.
При этом применяются индивидуальные методики определения диапазона звуковых частот, которые не учитывают инструментальный анализ. Более подробно об АЧХ наушников можно почитать на сайте doctorhead.ru.
Нижняя частота воспроизведения
Разброс значений в диапазоне низких частот составил от -6 до -20 дБ. Сектор ниже 10 Гц оказался очень чувствительным к внешнему шуму м вибрациям. Кроме того, на конечный результат влияло и положение наушников. Если фиксировался небольшой спад в сторону 10 Гц, то показатель нижней частоты фиксировался как 5 Гц. В случае большего спада его необходимо определять на уровне -12 дБ.
Проверка ряда заявлений, что наушники могут уверенно воспроизводить звук с частотой в 1 Гц, показали, что уже при небольшой уровне громкости анализируемым изделий не хватает запаса хода.
Вывод: предельное ограничение по нижней частоте определяется не по спаду амплитудно-частотной характеристики, а по конструктивным особенностям наушников. Так, модели с длительным и пологим спадом АПХ нижний порог границы достигает 5 Гц. В таких наушниках при средней громкости отсутствуют хрипы звука вследствие низкой амплитуды. А вот у изделий с высокими басами и с отсутствием спада АЧХ в обозначенном диапазоне — порог 20 Гц.
Верхняя частота воспроизведения
Анализ верхних частот показал, что сопоставимые с заявленными производителями верхние границы можно достичь при отклонении от общего уровня на примерно -15 ~ -20 дБ. При настройке звука эквалайзером — подъеме диапазона высоких частот, отклонения вниз составляли порядка -3 или -6 дБ.
Как правило, каждый производитель самостоятельно принимает решение об настройке звука эквалайзером при опубликовании заявленных АЧХ. Ориентировка по графикам показывает границу верхней частоты воспроизведения в пределах -18 дБ. Определение точных частот и уровня пиков и провалов делать не стоит, так как многое зависит от того, как были надеты наушники.
Рис. 4. АЧХ наушников при подаче 1 В при разной глубине посадки в ушную раковину.
При частоте свыше 10 кГц могут наблюдаться большой разброс характеристик. Это зависит как раз от того, как наушники зафиксированы в ушной раковине. Даже миллиметровое или меньше смещение уже существенным образом отражается на качестве звука.
На графике амплитудно-частотной характеристики ярко выражено несколько резонансных пиков. В зависимости от того насколько глубоко наушник находится в ухе, а также от индивидуальных физиологических особенной ушной раковины будет ощущаться тот или иной резонансный пик. Именно поэтому лучше всего выбирать те изделий, в которых данные показатели резонансов или сглажены или не так ярко выражены.
Кроме того, на коробках наушников указываются предельные значения частот, вне которых наблюдается спад, сама амплитудно-частотная характеристика не указывается. Например, для указания звуковых характеристик усилителей, демонстрирующих более плавную и ровную АЧХ, указываются пороговые значения частот в дБ. Так, формат 20Гц — 20кГц — 3дБ фиксирует диапазон от 20 Гц до 20 кГц как устойчивый, вне которого амплитуда сигнала будет заметно меньше 3 дБ.
Да. Если купили наушники, типа затычки, плохого качества, то вы можете улучшить звучание только заменив амбушюры — со стандартных силиконовых на из пенного материала, и вы получите более лучшую звуковую картину. Появятся глубокие басы и качественные верха.
Как связан анализ Фурье и музыка
До сих пор я рассказывал вам как АЧХ наушников оказывает влияние на воспроизведение тех или иных звуковых частот. Но это ещё не всё, для того чтобы учесть весь комплекс причин, влияющих на качество звучания музыки, мы должны узнать о том, что такое анализ Фурье и как он связан со звучанием наушников.
Не буду углубляться в математику и физику, а просто сразу сообщу вам готовый результат, чтобы вы имели представление о том, как работает звук. Представьте себе, что вы слышите сложную мелодию, которую исполняет один инструмент. Вам кажется, будто вы слышите только звучание инструмента и больше ничего, но это не совсем так. Да, вы слышите звук и ваш мозг обрабатывает его так, чтобы вы понимали, что слышите, а для этого он проводит довольно сложную работу. Анализ (или преобразование) Фурье на математическом языке показывает, как можно представить сложную форму звукового сигнала как набор из более простых синусоидальных волн. Таким образом, можно даже очень сложный звуковой сигнал разложить на несколько более простых, которые нам будет легко записать и воспроизвести. Это, кстати, одна из причин, которая позволяет определённым алгоритмам серьёзно экономить память для хранения музыки в сжатом виде, например, MP3 или AAC.
Преобразование Фурье
Дело в том, что даже если мы возьмем для примера игру на виолончели и музыкант сыграет ноту C, мы легко замерим, что основная частота звучания этой ноты будет иметь значение 261 Гц, однако, будут созданы гармонические колебания, которые мы зафиксируем на частотах 522 Гц, 783 Гц, 1044 Гц и т.д. Каждое последующее гармоническое колебание будет звучать всё тише и тише, пока мы вовсе не перестанем его различать.
Таким образом, становится понятно, что даже воспроизведение одной простой ноты на одном инструменте – это целый набор из различных простых синусоидальных волн, которые звучат одновременно.
Теперь мы подходим к тому, с чего начали статью – к частотной характеристике.
Гармоники могут быть довольно тихими, но они не менее важны для качества восприятия музыки
Именно теперь нам понятно почему так важно, чтобы АЧХ изменялась плавно и не более чем на 3 Дб – это нужно, чтобы гармонические колебания от каждого инструмента не звучали громче, чем основная частота звучания, не искажая тем самым мелодию. Думаю, теперь вы поняли, почему в одних наушниках очень приятно слушать акустические инструменты, в других электронную музыку, а в иных можно слушать любые жанры
Всё это происходит от того насколько сильно они искажают гармонические колебания каждого инструмента, как естественно они звучат. И, как понятно, самой простой музыкой считается танцевальная электронная, т.к. звуки, из которых она создана, имеют очень мало гармонических колебаний, т.к. они были синтезированы искусственно и поэтому наушникам с ним справляться легко. В то же время качественно воспроизвести звук живых инструментов гораздо сложнее и справляются с этим далеко не все модели
Думаю, теперь вы поняли, почему в одних наушниках очень приятно слушать акустические инструменты, в других электронную музыку, а в иных можно слушать любые жанры. Всё это происходит от того насколько сильно они искажают гармонические колебания каждого инструмента, как естественно они звучат. И, как понятно, самой простой музыкой считается танцевальная электронная, т.к. звуки, из которых она создана, имеют очень мало гармонических колебаний, т.к. они были синтезированы искусственно и поэтому наушникам с ним справляться легко. В то же время качественно воспроизвести звук живых инструментов гораздо сложнее и справляются с этим далеко не все модели.
Почему получить плоскую частотную характеристику крайне сложно?
К сожалению, получить идеальный звук в современных условиях невозможно, и идеально плоская АЧХ всё ещё остаётся лишь мечтой, не взирая на то какие технологии используются при создании наушников.
Вся проблема заключается в том, что наушники — это механические устройства, а у любого механического устройства есть ограничения, заданные законами физики.
Также стоит учитывать сочетание различных компонентов в аудиосистеме: ЦАП, усилитель и наушники. Каждый из компонентов вносит собственные искажения и результат может быть очень разным и, что самое неприятное – непредсказуемым.
Например, нужно учитывать собственное сопротивление каждого из компонентов цепи, их сочетания и как они взаимодействуют друг с другом, также физические свойства драйвера наушников, его акустическое оформление и т.д. В результате мы всегда будем иметь те или иные искажения, но в удачном случае мы можем добиться того, что эти искажения будут либо крайне мало заметны на слух, либо незаметны вовсе и именно в этом заключается наша цель – подобрать идеальные наушники и аудио оборудование так, чтобы вы были крайне довольно результатом их работы.
Обычно производитель указывает на упаковке или в инструкции к наушникам результаты измерения АЧХ, по которой мы можем косвенно судить о том, как они будут звучать. Но никогда не может предсказать как именно конкретные наушники будут работать с вашим аудио оборудованием, именно по этой причине никогда не стоит выбирать наушники лишь по графику АЧХ. Этот график был получен на тестовом стенде производителя (условия произведения замеров нам не сообщают), в этот график затесались и огрехи микрофонов, которыми снимали воспроизводимый звук.
АЧХ нам нужна для того, чтобы мы убедились, что на всём её протяжении нет резких перепадов более чем на 6 Дб. Именно значение 6 Дб мы будем считать значимым, т.к. такой перепад легко воспринимается человеческим слухом. Если вы видите на графике АЧХ наушников, что в определённых местах разница составляет более 6 Дб от среднего значения, значит эти наушники вносят явное искажение в звук и далее всё зависит от вашего вкуса, нравится ли вам подобное искажение или нет.
Сравнение идеального сигнала (зелёная линия), наушников с хорошей АЧХ (жёлтая линия) и с худшей АЧХ (красная линия)
Но есть ещё одна особенность – скорость изменения частотной характеристики
Как мы уже знаем, она в любом случае не будет линейной, но для нашего восприятия крайне важно, чтобы колебания происходили плавно, а не резко. Чем более плавным будет изменение графика АЧХ, тем лучше будут звучать наушники, более естественно
Таким образом, чтобы сделать первый отсев наушников при выборе, нам нужны те модели, АЧХ которых изменяется плавно и не более чем на 3 Дб от среднего значения. Именно такие наушники нужно оставить для второго тура выборов – личного прослушивания перед покупкой.
ЦАП вносит минимум искажения, можно сказать, что все современные ЦАПы вообще не вносят искажений в сигнал.
С усилителями всё сложнее, но, опять же, современные модели имеют довольно ровные характеристики довольно близкие к идеальным.
Но помните, что чем ниже собственное сопротивление наушников, тем больше они чувствительны к искажению сигнала усилителя. Именно по этой причине высококлассные наушники имеют высокое значение сопротивления, которое достигает значения 300 Ом, а в некоторых случаях даже 600 Ом. Одна из причин создания таких наушников как раз заключается в том, чтобы максимально уменьшить влияние искажения сигнала, которое происходит в усилителе, на результирующий звук. Это не значит, что все низкоомные наушники плохие, это лишь значит, что чем ниже сопротивление наушников, тем более качественным должен быть усилитель.
Что такое фильтр?
Фильтр – это схема, которая удаляет или «отфильтровывает» определенный диапазон частотных компонентов. Другими словами, он разделяет спектр сигнала на частотные составляющие, которые будут передаваться дальше, и частотные составляющие, которые будут блокироваться.
Если у вас нет большого опыта анализа частотной области, вы можете быть не уверены в том, что представляют собой эти частотные компоненты и как они сосуществуют в сигнале, который не может иметь несколько значений напряжения одновременно. Давайте рассмотрим краткий пример, который поможет прояснить эту концепцию.
Давайте представим, что у нас есть аудиосигнал, который состоит из идеальной синусоидальной волны 5 кГц. Мы знаем, как выглядит синусоида во временной области, а в частотной области мы не увидим ничего, кроме частотного «всплеска» на 5 кГц. Теперь предположим, что мы включили генератор на 500 кГц, который вносит в аудиосигнал высокочастотный шум.
Сигнал, видимый на осциллографе, будет по-прежнему представлять собой только одну последовательность напряжений с одним значением на момент времени, но он будет выглядеть по-другому, поскольку его изменения во временной области теперь должны отражать как синусоидальную волну 5 кГц, так и высокочастотные колебания шума.
Однако в частотной области синусоида и шум являются отдельными частотными компонентами, которые присутствуют одновременно в этом одном сигнале. Синусоидальная волна и шум занимают разные участки представления сигнала в частотной области (как показано на диаграмме ниже), и это означает, что мы можем отфильтровать шум, направив сигнал через схему, которая пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты.
Рисунок 3 – Представление аудиосигнала и высокочастотного шума в частотной области
Частота среза
Диапазон частот, для которого фильтр не вызывает значительного ослабления, называется полосой пропускания, а диапазон частот, для которых фильтр вызывает существенное ослабление, называется полосой задерживания. Аналоговые фильтры, такие как RC фильтр нижних частот, переходят из полосы пропускания в полосу задерживания всегда постепенно. Это означает, что невозможно идентифицировать одну частоту, на которой фильтр прекращает пропускать сигналы и начинает их блокировать. Однако инженерам нужен способ, чтобы удобно и кратко охарактеризовать амплитудно-частотную характеристику фильтра, и именно здесь в игру вступает понятие частоты среза.
Когда вы посмотрите на график амплитудно-частотной характеристики RC фильтра, вы заметите, что термин «частота среза» не очень точен. Изображение спектра сигнала, «разрезанного» на две половины, одна из которых сохраняется, а другая отбрасывается, неприменимо, поскольку затухание увеличивается постепенно по мере того, как частоты перемещаются от значений ниже частоты среза к значениям выше частоты среза.
Частота среза RC фильтра нижних частот фактически является частотой, на которой амплитуда входного сигнала уменьшается на 3 дБ (это значение было выбрано, поскольку уменьшение амплитуды на 3 дБ соответствует снижению мощности на 50%). Таким образом, частоту среза также называют частотой -3 дБ, и на самом деле это название является более точным и более информативным. Термин полоса пропускания относится к ширине полосы пропускания фильтра, и в случае фильтра нижних частот полоса пропускания равна частоте -3 дБ (как показано на диаграмме ниже).
Рисунок 8 – Данная диаграмма показывает общие особенности амплитудно-частотной характеристики RC фильтра нижних частот. Ширина полосы пропускания равна частоте -3 дБ.
Как объяснялось выше, пропускающее низкие частоты поведение RC фильтра обусловлено взаимодействием между частотно-независимым импедансом резистора и частотно-зависимым импедансом конденсатора. Чтобы определить подробности амплитудно-частотной характеристики фильтра, нам нужно математически проанализировать взаимосвязь между сопротивлением (R) и емкостью (C); мы также можем манипулировать этими значениями, чтобы разработать фильтр, который соответствует точным спецификациям. Частота среза (fср) RC фильтра нижних частот рассчитывается следующим образом:
\
Давайте посмотрим на простой пример. Значения конденсаторов являются более сдерживающими, чем значения резисторов, поэтому мы начнем с распространенного значения емкости (например, 10 нФ), а затем воспользуемся формулой для определения необходимого значения сопротивления. Цель состоит в том, чтобы разработать фильтр, который будет сохранять аудиосигнал 5 кГц и подавлять шум 500 кГц. Мы попробуем частоту среза 100 кГц, а позже в этой статье мы более тщательно проанализируем влияние этого фильтра на обе частотные составляющие.
\
Таким образом, резистор 160 Ом в сочетании с конденсатором 10 нФ даст нам фильтр, который дает амплитудно-частотную характеристику, близкую к необходимой.
Почему так важна частотная характеристика
Современный Hi-Fi стандарт говорит нам о том, что хорошая аудио система не должна вносить никакого искажения в сигнал, на выходе мы должны получить тоже самое, что на входе. Это касается абсолютно всех компонентов, которые участвуют в процессе воспроизведения звука: ЦАП, усилитель, наушники и иные процессы, которые могут влиять на звук в процессе его обработки.
Амплитудно-частотная характеристика — это не единственное мерило качества звучания, но одно из самых главных, которые оказывает заметное влияние и потому ему уделяют так много сил при проектировании и производстве аудио устройств.
Амплитудно-частотная характеристика не так сильно влияет на разные частоты, которые мы привыкли называть басом, средними или высокими частотами, но гораздо больше оказывает влияние на баланс звука, на характер его подачи, на общее впечатление от прослушивания. Именно от этой характеристики зависит то, как мы воспримем звук на эмоциональном уровне, это не подвластно интеллекту, распознавание звуковых образов происходит в подсознании, а его обмануть невозможно. По этой причине слушая одну и ту же запись в разных наушниках вы ощутите совершенно разные эмоции. В тех наушниках, которые имеют хорошую АЧХ, вы услышите изначальный замысел композитора, в то время как в наушниках, с сильно искажённым АЧХ вы услышите просто звук, без смысла и эмоциональной нагрузки.
При выборе наушников нужно обязательно обращать внимание на график АЧХ, однако, это лишь первый шаг, перед покупкой нужно обязательно послушать их, чтобы убедится, что они звучат так, как вам нравится
Фазо-частотная характеристика
ФЧХ расшифровывается как фазо-частотная характеристика, phase response — фазовый отклик. Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.
Разность фаз
Думаю, вы не раз слышали такое выражение, как » у него произошел сдвиг по фазе». Это выражение не так давно пришло в наш лексикон и обозначает оно то, что человек слегка двинулся умом. То есть было все нормально, а потом раз! И все :-). И в электронике такое тоже часто бывает) Разницу между фазами сигналов в электронике называют разностью фаз. Вроде бы «загоняем» на вход какой-либо сигнал, а выходной сигнал ни с того ни с сего взял и сдвинулся по времени, относительно входного сигнала.
Для того, чтобы определить разность фаз, должно выполняться условие: частоты сигналов должны быть равны. Пусть даже один сигнал будет с амплитудой в Киловольт, а другой в милливольт
Неважно! Лишь бы соблюдалось равенство частот. Если бы условие равенства не соблюдалось, то сдвиг фаз между сигналами все время бы изменялся
Для определения сдвига фаз используют двухканальный осциллограф. Разность фаз чаще всего обозначается буквой φ и на осциллограмме это выглядит примерно так:
Строим ФЧХ RC-цепи в Proteus
Для нашей исследуемой цепи
Для того, чтобы отобразить ее в Proteus мы снова открываем функцию «frequency response»
Все также выбираем наш генератор
Не забываем проставлять испытуемый диапазон частот:
Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы»
Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out
И теперь главное отличие: в колонке «Ось» ставим маркер на «Справа»
Нажимаем пробел и вуаля!
Можно его развернуть на весь экран
При большом желании эти две характеристики можно объединить на одном графике
Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фаз между входным и выходным сигналом составляет 45 градусов или в радианах п/4 (кликните для увеличения)
В данном опыте при частоте более 100 КГц разность фаз достигает значения в 90 градусов (в радианах π/2) и уже не меняется.
Строим ФЧХ на практике
ФЧХ на практике можно измерить также, как и АЧХ, просто наблюдая разность фаз и записывая показания в табличку. В этом опыте мы просто убедимся, что на частоте среза у нас действительно разность фаз между входным и выходным сигналом будет 45 градусов или π/4 в радианах.
Итак, у меня получилась вот такая осциллограмма на частоте среза в 159,2 Гц
Нам надо узнать разность фаз между этими двумя сигналами
Весь период — это 2п, значит половина периода — это π. На полупериод у нас приходится где-то 15,5 делений. Между двумя сигналами разность в 4 деления. Составляем пропорцию:
Отсюда х=0,258п или можно сказать почти что 1/4п. Следовательно, разница фаз между двумя этими сигналами равняется п/4, что почти в точности совпало с расчетными значениями в Proteus.
Если Вы лучше воспринимаете информацию через видео, то к Вашему вниманию:
АЧХ (Амплитудно-частотная характеристика)
http-equiv=”Content-Type” content=”text/html;charset=UTF-8″>yle=”text-align: justify;”>Любой сложный звук состоит из ряда различных по частоте колебаний, соотношения уровней которых для данного звучания являются совершенно определенными.
Естественно, что при звукопередаче первичные соотношения между частотными компонентами звука должны быть сохранены. В связи с этим, качество любого участка звукового канала оценивается его амплитудночастотной характеристикой, для обозначения которой часто используют аббревиатуру АЧХ. Под АЧХ понимают график зависимости коэффициента передачи от частоты сигналов, подаваемых на вход данного участка канала или отдельного звукотехнического устройства. Коэффициент передачи — это отношение величин сигналов на выходе усилителя и его выходе.
Подадим на вход какого-либо усилителя переменное напряжение звуковой частоты и, поддерживая неизменным его уровень, начнем менять частоту колебаний, контролируя уровень выходного напряжения. В идеальном случае усиленное выходное напряжение усилителя на всех частотах должно было бы быть одинаковым по величине. Графически частотная характеристика такого усилителя — прямая линия, параллельная оси частот, на рисунке ниже — кривая «а».
Но в реальных условиях частотная характеристика во всем диапазоне звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) прямолинейной не бывает из-за наличия в схеме индуктивностей и емкостей, меняющих свое сопротивление переменному току при изменении его частоты.
Частотную характеристику можно построить, если по оси абсцисс отложить в логарифмическом масштабе частоты, а по оси ординат выраженные в децибелах значения отношений коэффициентов передачи на соответствующих частотах к коэффициенту передачи на средней частоте, например, на частоте 1000 Гц. Частотная характеристика обычно имеет понижения как в области низших так и в области высших частот звукового диапазона (кривая «б»).
Это означает, что усиление бывает меньше на низших и высших частотах по сравнению с усилением на средних. В таких случаях обычно говорят, что частотная характеристика в этих областях имеет завалы. Если усиление на каких-то частотах больше, чем на средней, то говорят, что частотная характеристика на этом участке имеет подъем.
Как АЧХ влияет на качество воспроизведения
Подъемы и завалы в области высших и низших звуковых частот — суть частотные искажения. Они субъективно воспринимаются обычно так:
- завалы высших частот (от 3-4 кГц и выше) придают звучанию тусклость, ухудшают разборчивость речи;
- излишнее усиление (подъем) высших частот приводит к подчеркиванию шипящих и свистящих звуков и к неестественно резкому звучанию музыки, раздражающему слух;
- завал низших частот (100-200 Гц и ниже) лишают звучание полноты, сочности, нарушают красоту тембра, а их чрезмерное усиление вызывает ощущение неприятного, бубнящего звучания.
О неравномерности АЧХ
Величина неравномерности частотной характеристики в диапазоне звуковых частот нормируется. При нормировании учитывается заметность искажений на слух. Для студийной части тракта звукового вещания (радио и телевидения) и для профессиональных студий звукозаписи неравномерность частотной характеристики в рабочем диапазоне частот (для оборудования высшего класса качества — от 30 до 15000 Гц) не должна превышать 1 дБ, т. е. коэффициенты передачи на разных частотах не должны отличаться друг от друга более чем на 12%.
При проектировании звукового тракта, состоящего из нескольких усилителей и отрезков длинных соединительных линий, приходится принимать меры к тому, чтобы все участки имели частотную характеристику, близкую к прямолинейной. Если этого не удается добиться прямым путем, обычно используется метод компенсации частотных искажений. Этот метод заключается в том, что последовательно с вносящим искажения элементом включается специальный корректирующий элемент, частотная характеристика которого является, как бы зеркальным отображением частотной характеристики, которую требуется исправить. Например, если длинная линия, благодаря наличию ёмкости между двумя её проводами «заваливает» высокие частоты на 10 дБ, то последовательно с ней включается корректирующий элемент (контур), поднимающий высокие частоты на те же 10 дБ. Результирующая частотная характеристика в этом случае будет прямолинейной.
на RSS блога и следите за новыми статьями New Style Sound.
Измерения
Для измерений АЧХ наушники одеваются (или вставляются) на специальный стенд с измерительным микрофоном. В нашей лаборатории используются стенды HDM1, SFS и IECS. На наушники подается специальный сигнал, который записывается микрофоном. После записи специализированный софт рассчитывает АЧХ. Для получения графиков на Personal Audio используется ARTA с использованием теста с периодическим шумом (для наушников). Полученная АЧХ в ARTA экспортируется в текстовом формате, после чего импортируется в RAA. В RAA проводится коррекция данных с компенсацией влияния внутреннего сопротивления усилителя, используемого при тестировании наушников. После отрисовывается конечный график.
Визуализация амплитудно-частотной характеристики фильтра
Наиболее удобным способом оценки влияния фильтра на сигнал является изучение графика его амплитудно-частотной характеристики. На этих графиках, часто называемых графиками Боде, амплитуда (в децибелах) откладывается по вертикальной оси, а частота – по горизонтальной оси; горизонтальная ось обычно имеет логарифмический масштаб, поэтому физическое расстояние между 1 Гц и 10 Гц такое же, как физическое расстояние между 10 Гц и 100 Гц, между 100 Гц и 1 кГц и так далее. Такая конфигурация позволяет нам быстро и точно оценить поведение фильтра в очень широком диапазоне частот.
Рисунок 10 – Пример графика амплитудно-частотной характеристики
Каждая точка на кривой указывает амплитуду, которую будет иметь выходной сигнал, если входной сигнал имеет величину 1 В и частоту, равную соответствующему значению на горизонтальной оси. Например, когда частота входного сигнала равна 1 МГц, амплитуда выходного сигнала (при условии, что амплитуда входного сигнала равна 1 В) будет 0,1 В (поскольку –20 дБ соответствует уменьшению в десять раз).
Общий вид этой кривой амплитудно-частотной характеристики станет вам очень знакомым, если вы будете проводить больше времени со схемами фильтров. Кривая почти идеально плоская в полосе пропускания, а затем, по мере приближения частоты входного сигнала к частоте среза, скорость ее спада начинает увеличиваться. В конечном итоге скорость изменения затухания, называемая спадом, стабилизируется на уровне 20 дБ/декада, то есть уровень выходного сигнала уменьшается на 20 дБ при каждом увеличении частоты входного сигнала в десять раз.
Оценка производительности фильтра нижних частот
Если мы построим амплитудно-частотную характеристику фильтра, который мы разработали ранее в этой статье, то увидим, что амплитудный отклик на 5 кГц, по сути, равен 0 дБ (т.е. почти нулевое затухание), а амплитудный отклик на 500 кГц составляет приблизительно –14 дБ (что соответствует коэффициенту передачи 0,2). Эти значения согласуются с результатами расчетов, которые мы выполнили в предыдущем разделе.
Поскольку RC фильтры всегда имеют плавный переход от полосы пропускания к полосе задерживания, а затухание никогда не достигает бесконечности, мы не можем разработать «идеальный» фильтр, то есть фильтр, который не влияет на необходимый синусоидальный сигнал и полностью устраняет шум. Вместо этого у нас всегда есть компромисс. Если мы сместим частоту среза ближе к 5 кГц, то получим большее затухание шума, но так же и большее затухание полезного синусоидального сигнала, который мы хотим отправить на динамик. Если мы переместим частоту среза ближе к 500 кГц, то получим меньшее затухание на частоте полезного сигнала, но так же и меньшее затухание на частоте шума.
Практика – реальные результаты
Можно наблюдать большую неравномерность в области верхних средних и нижних высоких частот.
Ровные АЧХ, признанные в домашних системах для полноразмерных наушников
Тут АЧХ близка к прямой и жалоб на субъективный подъем диапазона в области 3 от слушателей нет. Как согласовываются мнения, полученные в студиях и домашних системах, где альтернативой служат акустические системы высокого класса с довольно ровными АЧХ? Дело в том, что в студии наушники слушаются на большой громкости, а дома на невысокой. Исходя из кривых равной громкости, при большей громкости, область в районе 3 кГц воспринимается громче, поэтому при выборе наушников надо учитывать, с какой громкостью они будут слушаться.
Ровная АЧХ для вставных наушников с высокой шумоизоляцией в области низких частот
Благодаря хорошей шумоизоляции, при небольшой громкости наушники могут воспроизвести весь спектр частот и искусственные спады и подъемы на АЧХ не требуются.
Предпочтительная АЧХ для вставных наушников с низкой шумоизоляцией в области низких частот.
В метро и другом транспорте, низкочастотный гул достаточно высок, что бы заглушить низкочастотную составляющую в музыкальной композиции. По этой причине басовитые модели пользуются большей популярностью и воспринимаются ровными. В параметрах порой указывается уровень шумоизоляции, но, как правило, в средне и высокочастотном диапазоне.
АЧХ акустических систем (колонок)
Разных систем акустики отличается и методика измерения АЧХ. Так для динамиков, устанавливаемых в различных колонках (в отличие от наушников) акустические характеристики считаются верными в случае снятия показаний при минимальном отражении эха от стен. Это осуществляется, как правило, либо на открытом пространстве, либо в камере с нулевым эхо.
Параметры наушников замеряются на специальном стенде, амплитудные характеристики которого зависят от того, как он сконструирован. Поэтому при фиксации рабочего диапазона частот необходимо указывать как само отклонение, так и данные стенда. Логично, что сравнивать диапазоны частот акустических систем можно только при замерах на одном стенде. Однако, на практике используют стенды с различающимися конструкциями, поэтому рекомендуется достигать сопоставимых показателей данных АЧХ.
