Все, что вы хотели знать об искажении звука. Часть 1

Когда мы говорим о любом сигнале, будь то аудио, видео или данные, существует сопровождающая реальность для внесенных изменений и ошибок. к этому сигналу, когда он проходит через различные электронные компоненты, проводники или магнитные поля. Хотя мы беспокоимся, когда слышим, что компонент вносит искажения, или когда читаем характеристики искажений, искажения являются частью природы и просто неизбежны. Пока какое-либо искажение не достигнет значительного уровня в аналоговом сигнале, его нельзя ни услышать, ни увидеть.

Начнем с основы аудио искажения

Имея это в виду, давайте создадим основу для наблюдения и понимания свойств аудиосигнала в электрической и частотной областях. Эта информация послужит основой для понимания искажения во второй части этой статьи.

Любой сигнал, будь то постоянный ток (DC) или переменный ток (AC), можно анализировать двумя способами — во временной области или в частотной области. Понимание разницы между этими двумя областями наблюдения значительно упростит жизнь любому, кто связан с индустрией мобильной электроники.

Когда мы наблюдаем сигнал во временной области, мы смотрим на амплитуду сигнала относительно времени. Обычно мы используем вольтметр или осциллограф для просмотра сигналов во временной области. Когда мы рассматриваем сигнал в частотной области, мы сравниваем амплитуду (или силу) отдельных частот или групп частот внутри сигнала. Мы используем RTA (анализатор реального времени) на компьютере или портативных/настольных устройствах для просмотра частотной области.

Постоянный ток

При анализе амплитуды электрического сигнала мы сравниваем сигнал с эталоном; в 99 % приложений эталон известен как земля. Для сигнала постоянного тока уровень напряжения остается постоянным по отношению к опорному заземлению и во времени. Даже если есть колебания, это все равно сигнал постоянного тока.

Если бы вы нанесли на карту частотный состав сигнала постоянного тока, вы бы увидели, что все это соответствует частоте 0 герц (Гц). Амплитуда не меняется со временем.

Давайте рассмотрим напряжение батареи постоянного тока вашего автомобиля или грузовика. Это относительно постоянное значение. Что касается зависимости амплитуды от времени, то она составляет около 12,7–12,9 вольт при полностью заряженной батарее с выключенным автомобилем. Когда автомобиль работает и генератор заряжается, это напряжение увеличивается примерно до 13,5–14,3 вольт. Это увеличение вызвано тем, что генератор переменного тока подает ток обратно в аккумулятор для его зарядки. Если бы напряжение, создаваемое генератором, не превышало бы напряжение батареи в состоянии покоя, ток не протекал бы, и батарея не заряжалась бы.

Переменный ток

Сигнал переменного тока — время

Если мы посмотрим на сигнал переменного тока, такой как тон 1 кГц, который мы будем использовать для настройки элементов управления чувствительностью на усилитель, мы видим что-то совсем другое. В случае такого чистого тестового тона форма сигнала имеет синусоидальную форму, называемую синусоидой. Если мы посмотрим на синусоиду на осциллографе, мы увидим плавно катящуюся форму волны, которая простирается точно так же выше нашего опорного напряжения, как и ниже.

Сигнал переменного тока — частота

Теперь целесообразно взглянуть на этот же сигнал с точки зрения частотной области. График частотной области, если нет искажений, будет показывать одну частоту. Применительно к звуковому сигналу амплитуда (или высота) измерения этой частоты зависит от того, насколько громкой является эта отдельная частота по сравнению с ограничениями нашей записывающей технологии или измерительного устройства.

Аудио

Когда мы слушаем, как кто-то говорит или играет на музыкальном инструменте, мы одновременно слышим множество разных частот. Человеческий мозг способен декодировать различные частоты и амплитуды. Основываясь на нашем опыте и различиях в частоте и временной характеристике между одним и другим ухом, мы можем определить, что мы слышим, и местоположение звука относительно нас самих.

Анализ содержания звукового сигнала во временной области относительно прост. Мы будем использовать осциллограф для наблюдения за звуковой волной. Осциллограф покажет нам напряжение сигнала в зависимости от времени. Это мощный инструмент для понимания передачи сигнала между аудиокомпонентами.

Фортепианная нота

Средняя до – Время

Давайте посмотрим на амплитуду и частоту звука, хорошо известного большинству из нас. Следующий график представляет собой первые 0,25 секунды записи средней ноты C (C4) фортепиано во временной области. Это представляет собой начальный удар молоточка по струне. Если вы посмотрите на меньший график над большим, вы увидите, что заметка простирается намного дальше, чем этот начальный сегмент 0,25 секунды.

Средний C — Частота

Мы знаем, что основная частота этой ноты составляет 261,6 Гц, но если вы посмотрите на графики в частотной области, мы можем видим, что присутствует несколько дополнительных и важных частот. Эти частоты называются гармониками. Они кратны основной частоте, и именно амплитуда этих гармоник отличает звук маленького пианино от рояля, арфы или гитары. Все эти инструменты имеют одинаковую основную среднюю частоту C 261,6 Гц; их гармоническое содержание заставляет их звучать по-разному. В случае с этой записью фортепианной ноты мы видим большой всплеск на частоте 523 Гц, затем все более мелкие всплески на частотах 790 Гц, 1 055 Гц, 1 320 Гц и т. д.

Синусоиды и прямоугольные сигналы

Каждая звуковая волна состоит из сложной комбинации основных и гармонических частот. Самый простой, как мы уже упоминали, это чистая синусоида. Синусоида имеет только одну частоту. На другом конце спектра находится прямоугольная волна. Прямоугольная волна состоит из основной частоты, затем из бесконечной комбинации гармоник нечетного порядка с экспоненциально уменьшающимися уровнями. Имейте это в виду, так как это станет важным позже, когда мы начнем обсуждать искажение.

Шумовые сигналы

Noise is a term that describes a collection of random sounds or sine waves. However, we can group a large collection of these sine waves together and use them as a tool for testing audio systems. When we want to measure the frequency response of a component like a signal processor or an amplifier, we can feed a white noise signal through the device and observe the changes it makes to the amplitudes of different frequency ranges.

White Noise – Time

You may be asking, what exactly is white noise? It is a group of sine waves at different frequencies, arranged so the energy in each octave band is equal to the bands on either side. We can view white noise from a time domain as shown here.

White Noise – Frequency

We can also view it from the frequency domain, as displayed in this image.

Variations In Response

The slight undulations in the frequency graph are present because it takes a long time for all different frequencies to be played and produce a ruler-flat graph. On a 1/3-octave scope, the graph would be essentially flat.

Foundation For Time And Frequency Domains

There we have our basic foundation for understanding the observation of signals in the time domain and the frequency domain. We have also had our first glimpse into how harmonic content affects what we hear. Understanding these concepts is important for anyone who works with audio equipment, and even more important to the people who install and tune that equipment. Your local mobile electronics specialist should be very comfortable with these concepts, and can use them to maximize the performance of your mobile entertainment system.

If you’ve made it this far and want to learn even more about audio distortion, click here for Part 2 of this article!