Все, что вы хотели знать об искажении звука. Часть 2

Если вы смогли уловить концепции, изложенные в первой статье об искажении звука, то эта будет частью кекс. Если нет, вернитесь и прочитайте еще раз. В первый раз это может быть немного сложно.

Анализ неискаженного звука

При просмотре спецификаций аудиокомпонентов, таких как усилитель или процессор, вы должны увидеть спецификацию, называемую THD+N. THD+N означает полное гармоническое искажение плюс шум. Основываясь на этом описании, разумно предположить, что искажение меняет форму сигнала, проходящего через устройство.

Два графика ниже показывают относительно чистый тон 1 кГц в частотной и временной областях:

Гармонические искажения

Если мы запишем чистую синусоиду частотой 1 кГц в качестве звуковой дорожки и посмотрим на нее в частотной области, мы должны увидеть один пик на основной частоте 1 кГц. Что происходит, когда процесс искажает этот сигнал? Она становится 1,2 или 1,4 кГц? Нет. Обычные искажения не устранят и не сдвинут основную частоту. Но это добавит дополнительные частоты. У нас может быть немного 2 кГц или 3 кГц, крошечный, но 5 кГц и чуть-чуть 7 кГц. Чем больше гармоник, тем больше «гармонических искажений».

Вы можете видеть небольшие изменения в форме сигнала после воспроизведения и записи на относительно низкокачественном оборудовании. К основному тону 1 кГц добавляются как низкочастотные, так и высокочастотные колебания.

Отсечение сигнала

В нашей предыдущей статье мы упомянули, что частотный состав прямоугольной волны включает бесконечные гармоники нечетного порядка. Почему важно понимать частотный состав прямоугольной волны, когда мы говорим об аудио? Ответ заключается в понимании ограничения сигнала.

Когда мы достигаем предела напряжения переменного тока нашего аудиооборудования, происходят плохие вещи. Форма волны может попытаться увеличиться, но мы получим плоские точки сверху и снизу формы волны. Если мы вспомним, как создается прямоугольная волна, то потребуется бесконечная гармоника основной частоты, чтобы объединиться, чтобы создать плоскую вершину и основание прямоугольной волны. На этом графике во временной области показан сигнал с сильным ограничением.

Когда вы отсекаете аудиосигнал, вы вводите поведение, подобное прямоугольной волне, в аудиосигнал. Вы добавляете все больше и больше высокочастотного контента, чтобы заполнить пробелы выше основной частоты. Клиппинг может возникать при записи, внутри устройства-источника, на выходах устройства-источника, на входах процессора, внутри процессора, на выходах процессора, на входах усилителя или на выходах усилитель. Вероятность неправильной настройки реальна, и это одна из многих причин, по которой мы рекомендуем поручить установку и настройку вашей аудиосистемы профессионалу.

Часто задаваемый контент

Давайте начнем анализировать частотный состав обрезанного сигнала частотой 1 кГц. Мы рассмотрим мягкий клип с точки зрения частоты и времени, а жесткий клип — с той же точки зрения. Для этого примера мы предоставим цифровой интерфейс, который мы используем для тестирования частотной характеристики аудиосистем OEM.

Вот графики частоты и временной области нашего исходного аудиосигнала 1 кГц еще раз. Один тон отображается как ожидаемый одиночный всплеск на частотном графике, а форма сигнала плавная на графике во временной области:

Анализ малых искажений

На приведенных ниже графиках показаны искажения аудиосигнала из-за клиппирования на входном каскаде нашего цифрового интерфейса. Во временной области вы можете увидеть несколько небольших плоских точек в верхней части сигнала. В частотной области вы можете увидеть дополнительный контент на частотах 2, 3, 4, 5, 6 кГц и выше. Этот уровень отсечения или искажения легко превысит стандарт, который допускает спецификация CEA-2006A для измерения усилителя мощности. Вы можете услышать изменение тона 1 кГц, когда добавляются дополнительные гармоники из-за ограничения. Звук меняется с чистого тона на кисловатый. Это отличный эксперимент.

Анализ больших искажений

На приведенных ниже графиках показан верхний предел того, насколько сильно мы можем обрезать входные данные для нашего тестового устройства. Вы можете видеть, что синусоида частотой 1 кГц больше похожа на прямоугольную волну. Здесь нет гладкой, катящейся волны, просто напряжение, которое скачет от одной крайности к другой с той же частотой, что и наш основной сигнал — 1 кГц. С точки зрения частотной области в звуковом сигнале теперь присутствуют значительные гармоники. Это будет звучать не очень хорошо и, в зависимости от того, где это происходит в звуковом сигнале, может привести к повреждению оборудования. Следите за этим небольшим всплеском на 2 кГц, 4 кГц и так далее. Мы сейчас объясним их.

Повреждение оборудования из-за искажения звука

Теперь вот где вся эта физика и электрическая теория начинают окупаться. Если мы слушаем музыку, мы знаем, что звуковой сигнал состоит из почти бесконечного числа различных частот. Разные инструменты имеют разное содержание гармоник и, конечно же, каждый из них может играть много разных нот, иногда несколько одновременно. Когда мы анализируем это, мы видим, как много всего происходит.

Что происходит, когда мы начинаем клипировать наш музыкальный сигнал? Мы получаем искаженные гармоники всех звуковых сигналов. Представьте, что вы отсекаете синусоидальные волны 1,0 кГц, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 и 1,5 кГц одновременно и в разной степени. Каждый из них добавляет к сигналу гармоническое содержание. Мы очень быстро добавляем к сигналу намного больше высокочастотной энергии, чем было в оригинальной записи.

Если мы думаем о наших динамиках, мы обычно делили их обязанности на два или три частотных диапазона — бас, средние и высокие частоты. Для этого примера предположим, что мы используем коаксиальный динамик с кроссовером верхних частот, установленным на 100 Гц. Твитеры — самые хрупкие из динамиков нашей аудиосистемы — воспроизводят определенный объем аудиоконтента выше 4 кГц в зависимости от значения пассивной кроссоверной сети. Количество энергии, которую получают твитеры, пропорционально музыке и мощности, которую мы посылаем на среднечастотный динамик.

Если мы начинаем искажать аудиосигнал в любой точке, мы начинаем добавлять гармоники, что означает дополнительную работу для твитеров. Внезапно у нас появляется этот резкий, пронзительный, искаженный звук и много больше энергии передается в твитеры. Если мы превысим их пределы тепловой мощности, они выйдут из строя. На самом деле, перегоревшие твитеры кажутся обычным явлением в индустрии мобильной электроники. Но их не должно быть.

Больше искажений

Ниже приведен график частотной области трех синусоидальных волн, воспроизводимых одновременно. Синусоиды имеют частоту 750 Гц, 1000 Гц и 1250 Гц. Это исходный файл воспроизведения, который мы создали для этого теста:

После того, как мы воспроизвели три синусоиды на нашем компьютере и снова записали их через наш цифровой интерфейс, вот что мы увидели. Давайте проясним:этот сигнал не был клиппингом:

Вы можете видеть, что это довольно беспорядок. То, что вы видите, называется интермодуляционными искажениями. Происходят две вещи. Мы получаем гармоники исходных трех частот. Они представлены пиками на частотах 1500, 2000 и 2500 Гц. Мы также получаем шум, основанный на разнице между частотами. В этом случае мы видим кратные 250 Гц — 250 Гц, 500 Гц, 1500 Гц и так далее. Вы когда-нибудь задумывались, почему некоторые части аудиооборудования звучат лучше, чем другие? Бинго!

По мере того, как мы увеличиваем уровень записи, мы начинаем обрезать входную схему до нашего цифрового интерфейса и создавать еще больше высокочастотных гармоник. Вы можете увидеть результаты этого здесь:

Теперь, чтобы показать, что происходит, когда вы отсекаете сложный аудиосигнал, и почему люди продолжают взрывать твитеры, вот тот же сигнал из трех синусоидальных волн, максимально сильно обрезанный в нашем цифровом интерфейсе:

Вы можете увидеть обширный высокочастотный контент выше 5 кГц. Не забывайте — у нас никогда не было информации выше 1250 Гц в оригинальной записи. Представьте себе современную сжатую музыкальную дорожку с почти полным спектром звука, воспроизводимую с обрезкой. Высокочастотный контент был бы сумасшедшим. Неудивительно, что так много замечательных маленьких твиттеров отдали свои жизни из-за неправильно настроенных систем.

Несколько последних мыслей об искажении звука

Существует миф о том, что отсечение аудиосигнала создает постоянное напряжение, и что это постоянное напряжение нагревает звуковые катушки динамиков и приводит к их выходу из строя. Учитывая то, что мы рассмотрели на графиках частотной области в этой статье, теперь вы можете видеть, что это довольно далеко от сигнала постоянного тока. На самом деле это просто огромное количество высокочастотного аудиоконтента.

Интермодуляционные искажения — деликатный вопрос. Очень немногие производители даже проверяют свое оборудование на высокий уровень интермодуляционных искажений. Если используемый вами компонент, например динамик или усилитель, создает интермодуляционные искажения, избавиться от них невозможно. Ваш единственный выбор — заменить его на более качественный продукт с лучшим дизайном. Каждый продукт имеет некоторое количество искажений. Сколько вы можете прожить, зависит от вас.

Искажений, вызванных обрезанием аудиосигнала, очень легко избежать. После того, как ваш установщик завершил окончательную настройку вашей системы, он или она может посмотреть на сигнал между каждым компонентом вашей системы на осциллографе, когда система находится на максимальном уровне воспроизведения. Зная, каковы верхние пределы для напряжения (будь то в следующем устройстве в звуковой цепочке или в динамике в отношении его максимальной тепловой мощности), ваш установщик может настроить структуру усиления системы, чтобы исключить вероятность ограничения сигнала или перегрева. динамик. Результатом стала система, которая великолепно звучит и прослужит долгие годы, а твитеры не будут принесены в жертву богам автомобильной аудиотехники.

Это была вторая часть нашей серии из двух частей «Все, что вы хотели знать об искажении звука». Если вы пропустили это, нажмите здесь, чтобы перейти к части 1.