Sve što ste željeli znati o izobličenju zvuka – 1. dio
Kada govorimo o bilo kojem signalu, bilo da se radi o audio, video ili podacima, postoji popratna stvarnost za promjene i pogreške na taj signal dok prolazi kroz različite elektroničke komponente, vodiče ili magnetska polja. Iako se zabrinjavamo kada čujemo da neka komponenta izaziva izobličenje ili kada čitamo specifikacije za izobličenje, izobličenje je dio prirode i jednostavno je neizbježno. Sve dok izobličenje ne dosegne značajnu razinu u analognom signalu, ne može se čuti niti vidjeti.
Počevši s temeljem izobličenja zvuka
Imajući to na umu, stvorimo temelje za promatranje i razumijevanje svojstava audio signala u električnoj i frekvencijskoj domeni. Ove informacije poslužit će kao temelj za razumijevanje distorzije u drugom dijelu ovog članka.
Bilo koji signal, bilo istosmjerna struja (DC) ili izmjenična struja (AC), može se analizirati na dva načina – u vremenskoj domeni ili frekvencijskoj domeni. Razumijevanje razlike između ove dvije domene promatranja dramatično će pojednostaviti život svakoga tko je uključen u industriju mobilne elektronike.
Kada promatramo signal u vremenskoj domeni, gledamo amplitudu signala u odnosu na vrijeme. Obično bismo koristili voltmetar ili osciloskop za promatranje signala u vremenskoj domeni. Kada razmatramo signal u frekvencijskoj domeni, uspoređujemo amplitudu (ili snagu) pojedinačnih frekvencija ili skupine frekvencija unutar signala. Koristimo RTA (analizator u stvarnom vremenu) na računalu ili ručnim/stacionarnim uređajima za pregled frekvencijske domene.
Istosmjerna struja
Kada analiziramo amplitudu električnog signala, uspoređujemo signal s referentnim; u 99% aplikacija, referenca je poznata kao zemlja. Za istosmjerni signal, razina napona ostaje konstantna u odnosu na referencu uzemljenja i vrijeme. Čak i ako postoje fluktuacije, to je još uvijek DC signal.
Kad biste nacrtali frekvencijski sadržaj istosmjernog signala, vidjeli biste da je sve na 0 herca (Hz). Amplituda se ne mijenja u odnosu na vrijeme.
Razmotrimo napon istosmjerne baterije vašeg automobila ili kamiona. To je relativno konstantna vrijednost. Što se tiče amplitude u odnosu na vrijeme, nalazi se oko 12,7-12,9 volti na potpuno napunjenoj bateriji dok je vozilo isključeno. Kada vozilo radi i alternator se puni, ovaj napon se povećava na oko 13,5 do 14,3 volta. Ovo povećanje je uzrokovano jer alternator vraća struju u bateriju kako bi je napunio. Ako napon koji proizvodi alternator nije bio viši od napona mirovanja baterije, struja ne bi tekla i baterija se ne bi ponovno punila.
Izmjenična struja
AC signal – vrijeme
Ako pogledamo AC signal, kao što je ton od 1 kHz koji bismo koristili za postavljanje kontrola osjetljivosti na pojačalo, vidimo nešto sasvim drugačije. U slučaju čistog ispitnog tona kao što je ovaj, valni oblik ima sinusoidalni oblik, koji se naziva sinusni val. Ako pogledamo sinusni val na osciloskopu, vidimo glatko kotrljajući valni oblik koji se proteže isto toliko iznad našeg referentnog napona koliko i ispod.
AC signal – frekvencija
Sada je mudro promatrati isti signal iz perspektive frekvencijske domene. Grafikon frekvencijske domene će, ako nema izobličenja, prikazati jednu frekvenciju. Što se tiče audio signala, amplituda (ili visina) tog mjerenja frekvencije ovisi o tome koliko je ta frekvencija glasna u odnosu na ograničenja naše tehnologije snimanja ili mjernog uređaja.
Audio
Kada slušamo nekoga kako govori ili svira glazbeni instrument, čujemo mnogo različitih frekvencija u isto vrijeme. Ljudski mozak je sposoban dekodirati različite frekvencije i amplitude. Na temelju naših iskustava i razlika u frekvenciji i vremenskom odzivu između jednog i drugog uha, možemo odrediti što čujemo i lokaciju zvuka u odnosu na sebe.
Analiza sadržaja vremenske domene audio signala je relativno jednostavna. Koristili bismo osciloskop za promatranje audio valnog oblika. Opseg će nam pokazati napon signala u odnosu na vrijeme. Ovo je moćan alat u smislu razumijevanja prijenosa signala između audio komponenti.
Nota za klavir
Srednji C – Vrijeme
Pogledajmo sadržaj amplitude i frekvencije zvuka koji većina nas dobro poznaje. Sljedeći grafikon je prvih 0,25 sekundi snimke srednje C (C4) note klavira u vremenskoj domeni. Ovo predstavlja početni udarac čekića o strunu. Ako pogledate manji grafikon iznad većeg, vidjet ćete da se nota proteže mnogo dalje od ovog početnog segmenta od 0,25 sekundi.
Srednji C – Frekvencija
Znamo da je osnovna frekvencija ove bilješke 261,6 Hz, ali ako pogledate grafikone frekvencijske domene, možemo vidite da je prisutno nekoliko dodatnih i važnih frekvencija. Te se frekvencije nazivaju harmonici. Oni su umnošci osnovne frekvencije, a amplituda tih harmonika ono je što čini zvuk malog uspravnog klavira drugačijim od glasovira, harfe ili gitare. Svi ovi instrumenti imaju istu osnovnu srednju C frekvenciju od 261,6 Hz; njihov harmonijski sadržaj čini da zvuče drugačije. U slučaju ove snimke klavirske note, možemo vidjeti veliki skok na 523 Hz, zatim sve manje skokove na 790 Hz, 1055 Hz, 1320 Hz i tako dalje.
Sinusni naspram pravokutnih valnih oblika
Svaki valni oblik zvuka sastoji se od složene kombinacije osnovnih i harmonijskih frekvencija. Najosnovniji je, kao što smo spomenuli, čisti sinusni val. Sinusni val ima samo jednu frekvenciju. Na drugom kraju spektra je kvadratni val. Kvadratni val sastoji se od osnovne frekvencije, zatim beskonačne kombinacije harmonika neparnog reda na eksponencijalno padajućim razinama. Imajte ovo na umu, jer će postati važno kasnije kada počnemo raspravljati o distorziji.
Signali buke
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!