Ачх в автозвуке что это
Опубликовано: 18.05.2024
Почему мы до сих пор спорим о качестве звука? Казалось бы все очень просто! Все свойства звука, как звуковой волны, давно изучены. Звуковоспроизводящая аппаратура все совершеннее. Но одни меломаны упорно не верят в прогресс и предпочитают проверенные временем форматы и технику. Другие уповая на технические характеристики — убеждены что нашли формулу идеального звука.
Причины, как мне кажется лежат не совсем в плоскости науки и техники. Хотя многое можно описать цифрами и формулами, кроме одной важной составляющей аудиосистемы — человека. И несмотря на то, что наука дает ответ на взаимодействие органов чувств на ощущения звука, мы все равно слышим одно и тоже по разному. В силу субъективных причин (то есть присущих определенному субъекту и не обязательно — другому) обрабатываем звуковую информацию по разному. А уж интерпретируем, вообще, "кто во что горазд"!
Глава первая: Что же такое АЧХ?
Попытаюсь внести ясность в вопрос влияния одной из самых известных и важный характеристик аудиоаппартуры — Ампилитудно частотной характеристики (далее АЧХ) на воприятие звука.
Неофиты аудиофилы или меломаны, не желающие развивать свои знания в области звука уверены, что именно АЧХ способна описать звук! И мало того, ее ширина и равномерность залог правильного звука.
Что же представляет из себя эта почитаемая аудиофилами характеристика?
Если коротко, то она описывает зависимость уровня звукового давления (то есть амплитуды) от частоты. А если совсем просто, то громкость звука определенной частоты при подачи сигнала одного уровня.
И все бы ничего если бы в реальной технике встречалась плоская и неискаженная АЧХ. Но в жизни мы видим не это:
А наподобие этого:
Но это АЧХ, акустических систем, воскликнет "продвинутый" читатель и будет прав! АЧХ же усилителя обычно выглядит так:
Но тем не менее даже твердолобые знают, что разные и имеющие близкие к идеальной АЧХ усилители, звучат по-разному!
Об этом в другой раз. Сейчас же о том, почему АЧХ не в состоянии до конца описать звучание.
Конечно, взаимосвязь АЧХ — звук существует, но не совсем прямая. Точнее, даже не так. Взаимосвязь "АЧХ — тональный баланс" почти линейная. Но все равно с некоторыми оговорками.
Для понимание, что ровная АЧХ и достоверное воспроизведение тембра не одно и тоже мои рассказ.
Многие ошибаясь, предполагают, что тембр это звучание сигнала определенной частоты. Нет, дорогие мои, высота звука — вот звучание сигнала определенной частоты, иначе говоря тон! А тембр это набор определенных частот (тонов и обертонов) характерных для определенного инструмента, звука.
Казалось бы, логично предположить достоверно воспроизведем весь спектр звука — достоверно воспроизведем любой тембр.
Но даже в этом есть свои сложности!
Глава вторая: Музыка не синусоида!
Основная проблема — тембр любого музыкального инструмента (мы ведь музыку будем слушать?) ни нечто статическое, а он имеет характерные только ему изменения во времени. То есть нарастания (атака) и затухания сигнала.
А это уже АЧХ не описывает! А вот аппаратура, ой как по-разному способна передавать атаку и затухание звука.
Второй важный момент — Тембр это не только основной тон, в его состав входят обертоны. То есть незначительные по уровню (по сравнению с основным тоном) тоны, характерные только для этого инструмента или голоса.
Опять же вроде ничего сложного нет, если ровно воспроизвести все частоты, то тоны и обертоны не пострадают. Но! Дело в том, что обертоны имеют отличный (более низкий) уровень по сравнению с основным. И аппаратура уже не так линейно воспроизводит сигнал меньших уровней. И чем уровень ниже, тем кривее АЧХ мы имеем.
Обычной АЧХ это тоже не описать.
Глава третья: Психоакустика — лженаука? Или обмануть меня не сложно, я сам обманываться рад!
"Технари от звука" не верят во влияние восприятия звука нашим мозгом от определенных условий. Они априори считают, что мозг это спектроанализатор и мы слышим звуки, так же как их фиксирует измерительная техника.
Но слух можно, а иногда и нужно обмануть! Например плавный и равномерный спад на краях АЧХ, то есть на высоких и низких частотах слух переносит легче и воспринимает АЧХ, как более широкую. А при резких скачках и спадах "обрезает" воспринимаемую АЧХ.
Тихие звуки маскируются более громкими. Если громкость звука резко падает, то человек на мгновение "глохнет".
Искажения на средних частотах более заметны ухом.
Так что зная эти законы (а поверьте производители их знают) можно сделать звучание компонента с более узким АЧХ не только благозвучней, но и субъективно шире, чем при прослушивании аппарата имеющего более широкую, но резко обрезанную АЧХ.
Заключение: АЧХ от Лукавого.
Получается, что АЧХ вообще не нужна? И она ничего не описывает? Если пытаться заменить "чтением" АЧХ прослушивание — несомненно! Если использовать, как инструмент дополняющий прослушивание, то почему бы и нет. Но полностью строить выводы на ее основе, как мы видим, не точнее чем предсказывать погоду. Вроде и взаимосвязь есть и опыт подсказывает, что май — не месяц снегопадов, однако реальная жизнь преподносит сюрпризы, а слух говорит о том, что криво на графиках, не всегда плохо на слух.
Таким образом, мощность акустической системы — это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом — благодаря высокому уровню искажений, на втором — благодаря нештатному режиму работы колонки.
Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:
RMS ( Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.
Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.
Чувствительность
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.
Западные производители предпочитают указывать диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц - 16 кГц (±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц - 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).
Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20 - 20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.
Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц - 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц - 10000 Гц. Сравнивать диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.
Нелинейные искажения, коэффициент гармоник
Гармонические искажения - это, попросту, такие искажения, которые кратны основному тону сигнала. Паразитные гармоники в спектре придают звучанию новый тембр и ведут к невосполнимым потерям в звуке. Обычно гармонические искажения измеряются подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц. С помощью специального фильтра в звуковом сигнале находят лишние гармоники и определяют их мощность.
Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.
Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.
Полное электрическое сопротивление, импеданс
Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.
В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.
Корпус колонки, акустическое оформление
Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.
Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.
Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.
Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.
Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.
Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.
Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.
Для анализа качества воспроизведения звука наушниками и другими акустическими устройствами используется амплитудно-частотная характеристика в виде графика. Для каждого элемента, передающего звук, измеряется этот параметр и по нему определяется, насколько правильное воспроизведение дает система.
Что такое АЧХ в звуке
Сложный звук представляет собой ряд колебаний разной частоты. Для него сохраняются шаги между уровнями частот, которые можно измерить и наглядно отобразить с помощью графика. Это и будет амплитудно-частотная характеристика. Так, АЧХ в звуке – это график зависимости амплитуды выходного и выходного сигнала от частоты, выраженной в децибелах.
Правильное звучание дает идеальная АЧХ. Так называется график в виде ровной горизонтальной линии. Но важно знать, что изобразить такой график можно, если рассчитать его математически. У реальных динамиков, наушников и других устройств амплитудно-частотная характеристика отличается от идеальной.
Устройства, воспроизводимые звук, должны иметь частотную характеристику, которая близка к линейной. Если отклонения большие, то динамик не может правильно воспроизводить звуки в соответствующих пропорциях. По этой причине ухудшается качество звука, некоторые участки слышатся глухо, другие, наоборот, и насыщенность звука уменьшается.
Если посмотреть на любой график АЧХ, то на некоторых участках он соответствует линейной АЧХ. В этом спектре частот звучание будет точным и правильным. Резкий уход от линейности вверх свидетельствует о том, что звук на этих частотах слишком громкий. Если же график имеет большое отклонение вниз, то звук будет слабым. Небольшая амплитуда громкости обеспечивает качественное звучание. Поэтому график должен быть плавным и без резких колебаний.
Учитывая это свойство графика, при обзорах техники называют диапазон частот, на которых звук хорошо слышен. Поэтому производители в технические характеристики своей продукции вынуждены включать эту информацию из АЧХ. Они указывают верхний и нижний предел частотного диапазона и неравномерность графика. Например, значение «40 Гц – 15 кГц (±5 дБ)» говорит о том, что идеальный звук устройство будет давать в указанном диапазоне частот, а ниже 40 Гц и выше 15 кГц резко увеличится неравномерность. На графике АЧХ это будет выглядеть так: подъем линии до уровня 40 Гц, потом плавная синусоида и резкий уход линии вниз с 15 кГц.
В идеальном варианте на выходе приемника аудиосистемы сигнал не меняется и соответствует входному. Но на практике любые компоненты вносят искажения, что проявляется на графике амплитудными колебаниями. Искажения 1 – 2 дБ на слух не воспринимаются, до 3 дБ почти незаметны, а более этого значения уже дают хорошо слышимые отклонения. Какими они будут, зависит от того, вверх или вниз идет график, на высоких или низких частотах отмечаются амплитудные колебания:
- подъем в области низких частот – гудение, неясное бубнение;
- спад в диапазоне низких частот – насыщенность звука басами;
- подъем в области высоких частот – свист, шипение;
- спад в районе высоких частот – тусклый, тихий звук.
Поэтому при выборе колонок, наушников и других модулей или систем акустической техники не нужно ориентироваться только на диапазон частот, указанный производителем. Важно узнать полосу частот, в которой АЧХ будет равномерна.
Для исправления ошибок в звучании нужно увеличить относительно плоский участок графика корректировкой акустической системы, например, изменением расположения ее частей или использованием усилителя низкой частоты (УНЧ) и других дополнительных устройств. После внесения заданных поправок ошибка не будет повторяться. Чтобы убедиться в этом, еще раз измеряют АЧХ.
Как правильно измерить АЧХ
В физике АЧХ определяют аналитически, то есть рассчитывают по формулам, например, с помощью функция Фурье. В радиоэлектронике для ее определения используют осциллограф и микрофон. Часто вместе с АЧХ элемента рассчитывают и фазово-частотную характеристику (ФЧХ). Но для выбора аппаратуры она менее информативна.
Для измерения АЧХ используются специальные стенды с микрофоном. Сигнал подается на динамик и записывается микрофоном. После этого с помощью программы ARTA и других подобных составляется график.
Потом программа ARTA генерирует и анализирует сигнал, полученный через микрофон. Она работает по методу поочередного воспроизведения сигнала разных частот и строит график по амплитудам сигнала с измерительного микрофона. При первом использовании настраивают программу, выбирая одноканальный метод и активируя режим непрерывного воспроизведения и снятия АЧХ в реальном времени. Другие настройки программы такие:
- тип обработки графика – сглаживание сигнала;
- тип сигнала – розовый шум;
- подгонка осей, чувствительность микрофона и другие характеристики – индивидуально.
Большинство программ, работающих как звуковой анализатор, выполняют быстрые преобразования Фурье для колебаний и разбивают их на частоты. Для расчетов ряда Фурье используют программу Mathcad (Маткад) и онлайн-сервисы. Для измерения акустики больших помещений удобнее использовать компьютер, а для маленьких, например, салона авто – смартфон. Его проще настроить, но важно, чтобы положение телефона не изменялось в ходе исследования. Также нужно убрать внешние шумы.
Чтобы дома или в салоне авто прослушивать любимые треки в чистом виде, изучают амплитудно-частотную характеристику разных отделов акустики. Она отражает искажения звучания в виде изменений в графике.
У многих, кто занимается автозвуком, при построении своей системы возникает множество вопросов, особенно у новичков (я тоже к ним отношусь). На слух настроить систему очень сложно. На некоторые вопросы поможет ответить снятая АЧХ в салоне авто, но парень я деревенский, и никаких установочных судий у нас рядом нет. Пришлось выкручиваться самому. Многие думают, что без дорогостоящего оборудования и определённых знаний АЧХ снять невозможно, но это не так. У кого есть желание и немного терпения может сделать это своими силами почти без затрат. Только точность измерения будет зависеть от линейности микрофона, но это ничто по сравнению с тем, что творится в нашем авто (АЧХ салона).
С помощью замеров мы сможем:
1. Определить АЧХ динамиков, пищалок и прочее.
2. Согласовать по уровню правый и левый канал.
3. Согласовать по частоте и сфазировать динамики, например мидбас с сабвуфером (среднечастотниками).
4. Определить оптимальное размещение сабвуфера и порта в багажнике, хоть для SPL, хоть для SQ, кстати, от направления многое зависит.
5. Настроить эквалайзер ГУ для устранения пиков и провалов.
6. Определить передаточную функцию салона своего автомобиля для дальнейшего проектирования, например, сабвуфера в спикершопе, думаю, и боевой короб можно прикинуть.
7. И многое другое, на что фантазии хватит, я даже АЧХ наушников замерял.
Внимание! Все замеренные величины предложенным мною способом будут относительными — т.е. +-10dB например, а не абсолютными, например — максимум SPL сабвуфера 140dB. Фазу сигнала я мерить ещё не научился к сожалению.
Нам понадобятся:
1. Ноутбук или компьютер со встроенной звуковой картой.
2. Разъём Jack 3,5( как в наушниках), кабель jack 3,5 — 2 RCA, если подключать к усилителю, либо jack 3,5 — jack 3,5 — для подключения к ГУ через AUX.
3. Измерительный микрофон. Нам нужен капсюль конденсаторного типа, такие микрофоны обычно ставят в телефонные гарнитуры. Они имеют сравнительно гладкую АЧХ и широкий диапазон измеряемых частот.Электретный микрофон
4. Батарея 9в типа "Крона", тумблер или выключатель.
5. Провод экранированный, хватит 2 метра.
6. Программа ARTA.
7. Неполярный конденсатор 1-10мкф, резистор 10-15кОм, паяльник.
Сам конденсатор без внешнего питания работать не будет. Нужно спаять вот такую нехитрую схему, минус микрофона находится на корпусе, не перепутайте! Конденсатор крохотный, его лучше поместить в трубку, например ПВХ. Батарея должна находиться близко к микрофону для избежания наводок.
Подключаем микрофон, шнурок одной стороной к ноутбуку, другой к усилителю(ям) автомобиля.
Располагаем микрофон в зоне прослушивания музыки, обычно на уровне головы водителя:
либо расположим согласно статье журнала "Автозвук": Способ замера
Принцип действия программы ARTA заключается в генерации сигнала (розовый шум, свип тон и пр.) и одновременном анализе этого сигнала, полученного через микрофон и не только. Я пользуюсь демо-версией программы, она меня вполне устраивает:
Офф. сайт программы ARTA
В ссылке есть файл демоверсии и манул на английском. Можете изучить, но я расскажу, как быстро освоить функции, которые нам необходимы. Громкость динамиков и микрофона на компьютере ставим 30% (потом можно изменять до нужного значения), убираем галочку "усиление микрофона", если такая имеется. Запускаем программу, жмем «Continue in Demo mode», откроется окно программы.
1. Выбираем одноканальный метод измерения. В окне активируем режим "Fr1"(т.е. непрерывное воспроизведение шума и снятие АЧХ в режиме реального времени).
2. Правой кнопкой мыши открываем меню, выбираем тип сглаживания графика.
3. Подгоняем оси для лучшего отображения.
4. Выбираем тип сигнала – розовый шум.
5. Частота дискретизации.
6. Выбираем количество точек измерения ( большее значение – медленнее считает)
7. Типа обработки графика, сглаживание.
8. Настройка микрофона.
9. Тип отображения графика.
На картинке показаны мои настройки — так удобнее, в вашем случае они могут быть другими. Изменив значение чувствительности микрофона можно вывести график на «0dB» для наглядности.
Измерения АЧХ динамиков проводят в специальных безэховых камерах, но в нашем случае можно замерить на улице вдали от стен, где переотражения будут минимальными.
Для настройки своей системы я согласовал по уровню правый и левый канал:
Потом согласовал по частоте мидбас с СЧ-ВЧ и с сабвуфером.(пришлось перекинуть клеммы сабвуфера, так как был в противофазе с мидами)
, но гладкая АЧХ покажется скучной, особенно в дороге, поднимаем НЧ диапазон
теперь намного лучше.
Для настройки системы полезно почитать статью А.Шихатова: Мастер 12 вольт
Ради интереса даже АЧХ своих любимых наушников снял:
Можете глянуть небольшое видео самого процесса, извините за ошибки и качество:
Данная статья написана для общего понимания процесса, возможно, я допустил ошибки, поправьте! По замечаниям и предложениям пишите в комментариях. Если сильно сомневаетесь в нелинейности микрофона, то его нелинейность, пусть даже -+3dB ничто, по сравнению с неравномерностью АЧХ салона авто.
Всем успехов и хороших выходных.
Человеческая жизнь наполнена самыми разными звуками. И если многие столетия человек слышал естественные, природные звуки, то по мере развития технологий он приобщился к миру звуков, издаваемых самыми разными акустическими системами (АС).
Амплитудно-частотная характеристика
В подробной статье мы расскажем, что такое амплитудно-частотная характеристика. На разных примерах разберем как АЧХ влияет на звучание акустики, наушников и усилителя.Что такое амплитудно-частотная характеристика
Чтобы понимать и разбираться в том, как та или иная аппаратура или АС работает необходимо хотя бы в общих чертах знать, что такое амплитудно-частотную характеристика звука. АЧХ (сокращенная аббревиатура параметра) — фундаментальный показатель в аудиотехнологиях, содержащий достаточно много важной информации.
От того, насколько АС обладает качественной амплитудно-частотной характеристикой, в конечном итоге, зависит то, какой звук будет принят человеческим ухом. Учитывая универсальность и диапазон человеческого слуха (от 20 Гц на низких частотах и до 20 кГц на высоких) АЧХ должна стремиться к максимально к идеальной (пунктирная линия 3), то есть линейной (см. график ниже).
Рис. 1. Пример амплитудно-частотной характеристики.
В реальности же, как правило, наблюдается искаженная АЧХ (линии 1 и 2 на графике выше). В том случае, если АЧХ с заметными искажениями, то остальные компоненты аудиоаппаратуры не смогут в правильной пропорции воспроизвести звуки на низких, средних и высоких частотах. А именно правильное соотношение звука в разных диапазонах лает его насыщенным и богатым, приятным человеческому уху.
Сравнение АЧХ двух АС
Для большего понимания при чтении сравним амплитудно-частотные характеристики двух акустических систем. Результат тестирования колонок отображен с помощью графика. По горизонтальной оси отмечен диапазон частот, а по вертикальной оси — отклонения в децибелах. Отметим, что отклонение в 1 дБ — минимальное различимое изменение звука, а 3 дБ — хотя и небольшое, но заметное колебание громкости. Так же вертикальная шкала — логарифмическая, так что усиление звука от 0 до 10 дБ означает двукратное усиление громкости, а не десятикратное в случае с линейной осью.
Рис. 2. Сравнение АЧХ двух акустических систем. 1-я пара колонок — синий цвет, вторая пара АС — оранжевый
Как видно из графиков, 1-я пара колонок демонстрирует отличную отличная частотная характеристика, практически выдерживающая плоскую горизонтальную линию в диапазоне от 40 Гц до 11 кГц. Сильных провалов либо отклонений вверх или вниз на всей линейке диапазонов не наблюдается, а отклонения укладываются в 1–2 дБ.
Вторя пара АС (оранжевая линия) отмечена резким всплеском в диапазоне верхних частот. В районе 6 кГц «горб» говорит о том, что в данном диапазоне колонки продемонстрируют резкий раздражающий звук.
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.
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.
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.
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.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя
Коэффициент усиления при частотном изменении сигнала, определяет частотные характеристики усилителя. Непосредственно сама зависимость выходного напряжения (или коэффициента усиления), отмечается по вертикальной оси (ордината), представлен ниже (рис.1). По горизонтальной оси (абсцисса) откладывается величина частоты.
Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя.
Частота фиксируются в логарифмическом масштабе (нелинейном). Это растягивает (расширяет) график на низких частотах и сужает диапазон высоких частот.
График четко фиксирует падение уровня коэффициента усиления в низкочастотной и высокочастотной областях. При этом демонстрируется четкая линейная стабильность величины в среднечастотной области. На среднюю область, находящуюся между частотами f1(20 Гц) и f2 (20 кГц), приходится полоса пропускания усилителя. Указанные частоты f1 и f2 соотносятся с точками a1 и a2.
Еще эти точки называют точки по уровню 3 дБ, соответственно а1 — нижняя точка по уровню 3 дБ, а2 — верхняя точка. На указанную область приходиться 70% максимального выходного напряжения усилителя. При этом выходная мощность усилителя в указанных частотах ровно в 2 раза меньше. Это дало второе название указанным позициям, а именно: точки по уровню половинной мощности.
Для гарантированного усиления звука во всем диапазоне (20 Гц–20 кГц), доступного человеку, необходимо чтобы усилитель звуковой частоты обладал более широкой полосой пропускания. Причем внутри обозначенной области величина коэффициента усиления УЗЧ должна быть постоянной. За пределами указанной полосы усилительный эффект может падать.
Естественные природные звуки, как и человеческая речь, а также музыка — это сложнейший симбиоз совершенно разных звуков в различных диапазонах. Именно поэтому, чем выше способность усилителя в более широком диапазоне преобразовать сигнал без искажения — тем качество усилительного прибора выше. УЗЧ с ограниченной (узкой) пропускающей полосой исказит значительное количество звуков, что и демонстрируют простые усилители.
Различают 2 типа звуковых искажений, по частоте и по амплитуде.
Амплитудные искажения
У любого усилителя существует предельный параметр (порог) выходного сигнала, запрещенный для превышения. В случае превышения такого значения происходит искажение амплитуды, выражающееся в сглаживании «горба» звукового сигнала. Сглаживаться могут как положительные, как отрицательные, так и оба сигнальных пика.
Рис. 6. Три варианта амплитудных искажений.
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.
Выводы
Производители идут на ухищрения, дабы повысить продажи своей техники. Надо понимать, что не стоит смотреть на АЧХ, как на панацею. Её, например, могут снимать в безховых камерах, как на фото ниже.
Рис. 8. Безэховая камера в университете Бингемтон. Фото с сайта binghamton.edu.
Необходимость понимания графиков амплитудно-частотной характеристики, содержащей спектр разных параметров, обусловлена качественным определением полосы пропускания изделий, их избирательность. Как итог, более глубокое понимание работы устройств.
Хотя ширина частотного диапазона и не является доказательством качества предлагаемых наушников или акустических систем, конечный пользователь может более качественно определять диапазоны частот в полосе от 10 Гц до 45 кГц для самых различных моделей изделий.
Читайте также: