Sve što ste željeli znati o izobličenju zvuka – 2. dio

Ako ste uspjeli shvatiti koncepte navedene u prvom članku o izobličenju zvuka, onda će ovaj biti dio torta. Ako ne, vratite se i pročitajte još jednom. Prvi put može biti malo komplicirano.

Analiza neiskrivljenog zvuka

Kada gledate specifikacije za audio komponentu kao što je pojačalo ili procesor, trebali biste vidjeti specifikaciju koja se zove THD+N. THD+N je kratica za Total Harmonic Distortion plus Noise. Na temelju ovog opisa, razumno je misliti da izobličenje mijenja oblik valnog oblika koji prolazi kroz uređaj.

Dva grafikona u nastavku prikazuju relativno čisti ton od 1kHz u frekvencijskoj i vremenskoj domeni:

Pogled na harmonijsko izobličenje

Ako snimimo čisti sinusni val od 1 kHz kao audio zapis i pogledamo ga iz frekvencijske domene, trebali bismo vidjeti jedan šiljak na osnovnoj frekvenciji od 1 kHz. Što se događa kada proces iskrivi ovaj signal? Postaje li 1,2 ili 1,4 kHz? Ne. Konvencionalna izobličenja neće eliminirati ili pomaknuti osnovnu frekvenciju. No, to će dodati dodatne frekvencije. Možemo imati nešto malo od 2 kHz ili 3 kHz, malo od 5 kHz i mrvicu od 7 kHz. Što je više harmonika, to je više "harmonijskog izobličenja".

Možete vidjeti da postoje neke male promjene u valnom obliku nakon reprodukcije i snimanja pomoću opreme relativno niske kvalitete. Niskofrekventne i visokofrekventne oscilacije dodaju se osnovnom tonu od 1 kHz.

Odsijecanje signala

U našem prošlom članku spomenuli smo da frekvencijski sadržaj pravokutnog vala uključuje beskonačne harmonike neparnog reda. Zašto je važno razumjeti frekvencijski sadržaj kvadratnog vala kada govorimo o zvuku? Odgovor leži u razumijevanju odsijecanja signala.

Kad dosegnemo granicu izmjeničnog napona naše audio opreme, događaju se loše stvari. Valni oblik se može pokušati povećati, ali dobivamo ravnu točku na vrhu i dnu valnog oblika. Ako se prisjetimo kako se proizvodi kvadratni val, potrebni su beskonačni harmonici osnovne frekvencije da se kombiniraju kako bi se stvorio ravni vrh i dno kvadratnog vala. Ovaj grafikon u vremenskoj domeni prikazuje signal s jakim odsijecanjem.

Kada isječete audio signal, uvodite ponašanje poput kvadratnog vala u audio signal. Dodajete sve više i više visokofrekventnog sadržaja kako biste popunili praznine iznad osnovne frekvencije. Isječak se može dogoditi na snimci, unutar izvorne jedinice, na izlazima izvorne jedinice, na ulazima procesora, unutar procesora, na izlazima procesora, na ulazima pojačala ili na izlazima pojačalo. Šanse za pogrešne postavke su realne, što je jedan od mnogih razloga zašto preporučujemo da vaš audio sustav instalira i ugodi profesionalac.

Frekvencijski sadržaj

Počnimo analizirati frekvencijski sadržaj isječenog valnog oblika od 1 kHz. Nježni isječak promatrat ćemo iz frekvencijske i vremenske domene, a tvrdi isječak iz iste perspektive. Za ovaj primjer, pružit ćemo digitalno sučelje koje koristimo za testiranje frekvencijskog odziva audio sustava OEM-a.

Evo još jednom grafikona frekvencije i vremenske domene našeg izvornog audio signala od 1 kHz. Pojedinačni ton pojavljuje se kao očekivani pojedinačni skok na grafikonu frekvencije, a valni oblik je gladak na grafikonu vremenske domene:

Analiza niske distorzije

Grafikoni ispod pokazuju izobličenje audio signala zbog izrezivanja u ulaznom stupnju našeg digitalnog sučelja. U vremenskoj domeni možete vidjeti neke male ravne točke na vrhu valnog oblika. U frekvencijskoj domeni možete vidjeti dodatni sadržaj na 2, 3, 4, 5, 6 kHz i dalje. Ova razina izrezivanja ili izobličenja lako bi premašila standard koji dopušta specifikacija CEA-2006A za mjerenje pojačala snage. Možete čuti promjenu u tonu od 1 kHz kada se dodaju dodatni harmonici zbog isječka. Zvuk se mijenja iz čistog tona u onaj koji je kiselkast. To je izvrstan eksperiment za izvesti.

Analiza visokog izobličenja

Grafikoni ispod pokazuju gornju granicu koliko jako možemo orezati ulaz u naš testni uređaj. Možete vidjeti da tada sinusni val od 1 kHz izgleda puno više poput kvadratnog vala. Ne postoji glatki, kotrljajući valni oblik, samo napon koji skače iz jedne krajnosti u drugu na istoj frekvenciji kao naš osnovni signal – 1 kHz. Iz perspektive frekvencijske domene, sada su prisutni značajni harmonici u audio signalu. Neće zvučati baš dobro i, ovisno o tome gdje se to događa u audio signalu, može dovesti do oštećenja opreme. Pripazite na taj mali skok na 2 kHz, 4 kHz i tako dalje. Objasnit ćemo ih odmah.

Oštećenje opreme zbog izobličenja zvuka

Sada, ovdje se sva ova fizika i električna teorija počinju isplaćivati. Ako slušamo glazbu, znamo da je audio signal sastavljen od gotovo beskonačnog broja različitih frekvencija. Različiti instrumenti imaju različite harmonijske frekvencije i, naravno, svaki može svirati mnogo različitih nota, ponekad više odjednom. Kada to analiziramo, vidimo koliko se toga događa.

Što se događa kada počnemo snimati svoj glazbeni signal? Dobivamo harmonike svih audio signala koji su izobličeni. Zamislite da isječete sinusne valove od 1,0 kHz, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 i 1,5 kHz, sve u isto vrijeme, u različitim količinama. Svaki od njih dodaje harmonijski sadržaj signalu. Vrlo brzo signalu dodajemo puno više visokofrekventne energije nego što je to bilo u izvornoj snimci.

Ako razmišljamo o našim zvučnicima, obično smo podijelili njihove dužnosti u dva ili tri frekvencijska raspona – bas, srednje i visoke tonove. Za potrebe ovog primjera, pretpostavimo da koristimo koaksijalni zvučnik s našom visokopropusnom skretnicom postavljenom na 100 Hz. Visokotonci – najosjetljiviji zvučnici našeg audiosustava – reproduciraju određenu količinu audio sadržaja iznad 4 kHz, na temelju vrijednosti mreže pasivne skretnice. Količina snage koju dobivaju visokotonci proporcionalna je glazbi i snazi ​​koju šaljemo srednjotonskom zvučniku.

Ako u bilo kojem trenutku počnemo distorzirati audio signal, počinjemo dodavati harmonike, što znači više posla za visokotonce. Odjednom, imamo taj grub, kreštav, izobličen zvuk i puno više energije se šalje visokotoncima. Ako prekoračimo njihovu granicu toplinske snage, oni neće uspjeti. Zapravo, pregoreni visokotonci izgledaju kao da su životna činjenica u industriji mobilne elektronike. Ali ne bi trebali biti.

Više izobličenja

Ispod je grafikon frekvencijske domene triju sinusnih valova koji se reproduciraju u isto vrijeme. Sinusni valovi su na 750 Hz, 1000 Hz i 1250 Hz. Ovo je izvorna datoteka za reprodukciju koju smo izradili za ovaj test:

Nakon što smo pustili zapis s tri sinusna vala preko našeg računala i ponovno ga snimili putem našeg digitalnog sučelja, evo što smo vidjeli. Razjasnimo:ovaj signal nije isjecao:

Vidite da je pravi nered. Ono što vidite naziva se intermodulacijska distorzija. Događaju se dvije stvari. Dobivamo harmonike izvorne tri frekvencije. Oni su predstavljeni šiljcima na 1500, 2000 i 2500 Hz. Također dobivamo šum na temelju razlike između frekvencija. U ovom slučaju vidimo višekratnike od 250 Hz – dakle 250 Hz, 500 Hz, 1500 Hz i tako dalje. Jeste li se ikada zapitali zašto neki dijelovi audio opreme zvuče bolje od drugih? Bingo!

Kako povećavamo razinu snimanja, počinjemo spajati ulazni sklop na naše digitalno sučelje i stvarati još više visokofrekventnih harmonika. Rezultate toga možete vidjeti ovdje:

Sada, da pokažemo što se događa kada isječete složeni audio signal i zašto ljudi stalno dižu visokotonce u zrak, evo istog signala s tri sinusna vala, ošišan što je moguće jače u naše digitalno sučelje:

Možete vidjeti opsežan visokofrekventni sadržaj iznad 5 kHz. Ne zaboravite - nikada nismo imali informacije iznad 1250 Hz u izvornoj snimci. Zamislite moderni komprimirani glazbeni zapis sa zvukom gotovo punog spektra, reproduciran s izrezom. Visokofrekventni sadržaj bio bi lud. Uistinu nije ni čudo što je toliko nevjerojatnih malih visokotonaca dalo svoje živote zbog neispravno konfiguriranih sustava.

Nekoliko zadnjih misli o izobličenju zvuka

Postoji mit da rezanje audio signala proizvodi istosmjerni napon i da taj istosmjerni napon zagrijava glasovne zavojnice zvučnika i uzrokuje njihov kvar. S obzirom na ono što smo ispitali u grafovima frekvencijske domene ovog članka, sada možete vidjeti da je prilično daleko od istosmjernog signala. Zapravo, to je jednostavno velika količina visokofrekventnog audio sadržaja.

Intermodulacijska distorzija je osjetljiva tema. Vrlo malo proizvođača uopće testira svoju opremu na visoku razinu intermodulacijskog izobličenja. Ako komponenta poput zvučnika ili pojačala koju koristite proizvodi intermodulacijska izobličenja, ne postoji način da ih se riješite. Vaš jedini izbor je zamijeniti ga kvalitetnijim i bolje dizajniranim proizvodom. Svaki proizvod ima određenu količinu izobličenja. S koliko možete živjeti ovisi o vama.

Izobličenje uzrokovano izrezom audio signala vrlo se lako izbjegava. Nakon što vaš instalater dovrši konačno podešavanje vašeg sustava, on ili ona mogu pogledati signal između svake komponente u vašem sustavu na osciloskopu sa sustavom na maksimalnoj razini reprodukcije. Znajući koje su gornje granice za napon (bilo da se radi o sljedećem uređaju u audio lancu ili o zvučniku s obzirom na njegovu maksimalnu toplinsku snagu), vaš instalater može prilagoditi strukturu pojačanja sustava kako bi eliminirao mogućnost prekida signala ili pregrijavanja zvučnik. Rezultat je sustav koji zvuči sjajno i trajat će godinama i godinama, a visokotonce neće žrtvovati bogovima zvuka u automobilu.

Ovo je bio 2. dio naše serije od dva dijela o "Sve što ste željeli znati o izobličenju zvuka". U slučaju da ste propustili, kliknite ovdje za 1. dio.