АЧХ в акустике: что это такое и как влияет на звук
Содержание
Содержание
Пожалуй, каждый интересовался графиком АЧХ своих новеньких колонок или наушников. Но что он дает на самом деле? Как его правильно читать и как им пользоваться? Что на него влияет, как его измерить самостоятельно и нужно ли добиваться идеально ровной АЧХ? Об этом ниже.
Что такое АЧХ, как его измеряют
Амплитудно-частотная характеристика в аудиотехнике говорит о том, какую громкость выдаст девайс на каждой из частот слышимого спектра — от 20 Гц до 20 кГц. В английском языке используют термин frequency response — частотный отклик. Визуально он представляется в виде графика, где на оси X расположен слышимый спектр частот в герцах, а на оси Y — громкость в децибелах. К примеру, на картинке выше изображен график АЧХ колонок Sony SS-CS5.
Чтобы измерить АЧХ, нужно «скормить» прибору набор синусоид одинаковой громкости по всему спектру. Есть специальные генераторы таких тестовых сигналов, впрочем, найти их в записи можно даже на ютубе. Если прогнать этот сигнал через колонку, расположенную в помещении с ровной АЧХ, и записать результат микрофоном (нужно ли говорить, что весь аудиотракт для записи должен обладать ровной АЧХ?), то получится тот самый график. Звучит страшно, но на деле все не так сложно — для бытовых целей достаточно самого простого измерительного микрофона, поставленного вплотную к динамику и подключенного к аудиокарте. Если динамиков в колонке несколько — каждый из них измеряется отдельно.
Производители акустики высокой верности измеряют АЧХ в безэховых камерах с помощью микрофонов, установленных на роботизированной руке. Она позволяет измерить частотный отклик на разных расстояниях и в разных плоскостях за секунды.
АЧХ наушников измеряется с помощью манекена, подобного тому, который используется для записи бинаурального аудио. Он представляет собой модель человеческой головы с ушными раковинами среднестатистической формы, в которых расположены микрофоны.
Частотный отклик усилителя или ресивера можно измерить либо с помощью динамика с идеально ровной АЧХ, либо в обход него — с помощью эквивалента нагрузки, который втыкается напрямую в аудиокарту (без нагрузки усилитель сгорит).
Какой разброс АЧХ считается ощутимым на слух
Полученный график расскажет о тембральном балансе аудиоприбора. Как правило, бытовые колонки не обладают ровной АЧХ. Горбы и пики на некоторых участках будут окрашивать звук.
Насколько это будет слышно? Если рассматривать на примере колонок, то относительно ровной АЧХ будут обладать лишь студийные мониторы. Относительно — потому, что отклонение от ровной линии у них может колебаться в пределах 2–5 Дб в ту или иную сторону. К примеру, на рисунке выше изображена АЧХ мониторов Adam T5V.
Исходя из этого можно заключить, что отчетливо слышными становятся горбы и провалы на АЧХ более 2–5 Дб. Но здесь нужно понимать одну важную вещь — это сглаживание. Обычно даже у студийных мониторов график АЧХ больше похож не на прямую ровную линию, а на кардиограмму с небольшими, но частыми холмами и впадинами. Однако человеческое ухо не слышит настолько детально, чтобы различить эти неровности. Поэтому программы, измеряющие АЧХ, обладают функцией сглаживания, чтобы привести график к тому виду, как его воспринимает человеческое ухо. Оно указывается в долях октавы — например, сглаживание в 1\12 октавы означает, что график будет с шагом в одну ноту.
Конечно, здесь производители аудиотехники видят для себя прекрасную лазейку для ухищрений — если сгладить слишком сильно, например, до целой октавы, то график будет обманчиво ровным. Даже если к колонкам прилагается график АЧХ, очень редко указывается, какое сглаживание было использовано. Поэтому энтузиасты часто измеряют АЧХ наиболее популярных аудиоприборов и делятся результатами на форумах и в соцсетях.
Как зависит характер звучания от равномерности АЧХ
Чтобы говорить подробнее о характере звучания, нужно разобраться, за что отвечают разные диапазоны частот на графике АЧХ. Весь слышимый спектр можно разделить на низкие, средние и высокие частоты. В свою очередь, каждый из этих диапазонов (довольно условно) тоже можно разделить на три части:
Средние частоты:
Верхние частоты:
Эта информация поможет определить характер звучания акустики по ее АЧХ. К примеру:
Идеально ровная АЧХ — это хорошо или плохо?
Короткий ответ — смотря для чего. К примеру, для сведения музыки звукорежиссеру нужна идеально ровная АЧХ колонок и наушников. Сводить музыку на колонках с кривой АЧХ не только сложно, но и бессмысленно — можно добиться неплохого звучания конкретно на этих колонках, но на любой другой акустике микс рассыпется и будет звучать совсем не так, как задумывалось.
Однако для большинства слушателей колонки с ровным частотным откликом будут звучать пресно, скучно и безлико. Обычно хочется, чтобы качало посильнее, чтобы инструменты словно выпрыгивали из динамиков, чтобы верха были мягкими и шелковистыми, середина — жирной и объемной, бас — глубоким и упругим. Это понимают и производители колонок, поэтому сознательно подкрашивают звучание своей аудиотехники (как на графике выше — заметны горбы на низких, средних и высоких частотах).
То же самое встречается и в профессиональной аудиотехнике. К примеру, если подключить гитарный усилитель к обычной колонке, то звук будет похож на пчелиный улей рядом с пилорамой. Однако динамик в гитарном кабинете обладает очень кривой АЧХ и работает как фильтр, убирая все неприятные пилящие частоты и оставляя только приятное уху рычание. То же и с микрофонами — многие культовые модели обладают кривой АЧХ. К примеру, Shure SM58 наделен горбами в районе 2–8 Гц, чтобы подчеркнуть частоты вокала.
Что влияет на АЧХ кроме параметров самой акустической системы
На АЧХ влияет куча вещей. Особенно ярко это иллюстрируют наушники. Частотный отклик наушников вообще никогда не бывает ровной линией. К примеру, АЧХ дефолтных студийных наушников для сведения музыки Sennheiser HD600 по идее должна быть ровной, но измерения демонстрируют существенные провалы и горбы.
Почему так? Во-первых, музыка прямо возле уха воспринимается по-иному, чем музыка вдалеке. Те же внутриканальные наушники нередко имеют спад в районе высоких частот, потому что на пути звука нет никаких преград, обеспечивающих натуральное снижение высоких частот. В итоге приходится снижать их искусственно.
Во-вторых, наши голова, ушная раковина и слуховой канал имеют свои АЧХ и резонансы, которые обостряются в закрытом объеме, формируемом ухом и наушниками.
Исследования в этой области привели к созданию кривой Хармана — графика АЧХ наушников, который слушатели находят наиболее приятным. Этот график обновлялся несколько раз, кроме того, он отличается для накладных (OE) и внутриканальных (IE) устройств.
Далеко не все производители учитывают кривую Хармана при создании наушников, однако АЧХ множества топовых моделей сильно ее напоминает. Пожалуй, самыми известными среди них будут AKG K361 и K371.
С колонками также нужно повозиться, чтобы услышать ровную отдачу по всем частотам. Да, студийные мониторы бывают довольно ровными по всему спектру, и влияние ушной раковины не настолько существенное, однако всю малину портит помещение.
К примеру, маленькая комната будет гудеть на низких частотах из-за комнатных мод — стоячих басовых волн, которые особенно любят скапливаться в углах. Габариты помещения, материалы стен и отделки, мебель, точка прослушивания и точки расположения самих колонок — все это вносит свою лепту в формирование частотного отклика.
Как добиться большей равномерности АЧХ
Даже большинство звукозаписывающих студий, построенных с нуля, имеют неровности в частотном отклике, которые корректируются с помощью акустических панелей, басовых ловушек, диффузоров и поглотителей различных конструкций. Несколько самых простых способов улучшить звук в комнате можно найти в этой статье, а здесь собраны более профессиональные методы. Но не стоит ждать многого — даже кубометры минваты способны лишь немного сгладить горбы и провалы, но кардинально ситуацию не изменят.
Если же ничего не помогает, тогда приходится править дело программными методами — с помощью эквалайзеров. В профессиональных студиях это отдельные приборы с цифровым интерфейсом, которые помещаются в цепи перед мониторами. Для хоум-студий есть VST-плагины с той же функцией.
В бытовых целях можно использовать программные эквалайзеры смартфонов, плееров и ПК. Главное, о чем нужно помнить при эквализации — лучше убавлять, чем прибавлять.
К эквалайзеру нужно относиться как к набору плохих усилителей — добавление громкости на определенной частоте добавит искажений.
Это справедливо даже для очень точных и прозрачных студийных эквалайзеров, чего уж говорить про дефолтные в смартфоне.
К примеру, если в наушниках не хватает баса — это можно трактовать как избыток средних и высоких частот. Лучше их чуть убавить, а потом добавить общей громкости, чем прибавлять непосредственно бас — так получится более чистый и приятный уху звук. И только если убавлением не получается достичь желаемого — тогда стоит аккуратно прибавить недостающие частоты. Из этого правила есть исключения — например, когда нужно компенсировать конкретный и ярко выраженный провал в узком диапазоне частот. Но даже в этом случае стоит действовать аккуратно и прибавлять по 1–2 Дб.
Заключение
График АЧХ позволяет понять общий тембральный баланс выбранного девайса и может стать отправной точкой для его коррекции эквалайзером. Однако сравнивать график АЧХ от одного производителя с графиком другого производителя будет некорректно, потому что каждый измеряет частотный отклик по-своему и никогда не сообщает, как именно. Куда большую пользу могут принести измерения, выполненные энтузиастами и ресурсами об аудиотехнике — как правило, они не стесняются рассказывать о методе измерений. Также на ютубе популярны сравнения записей звучания колонок и наушников, с помощью которых можно составить общее представление о тембральном балансе и характере звука.
Однако наилучшим измерительным прибором для рядового покупателя будут его собственные уши. Как уже говорилось выше, они, как и художественные вкусы, у всех разные. Прежде, чем покупать дорогие колонки или наушники, стоит послушать их в выставочном зале, либо найти владельца такого же девайса в Интернете.
Оптимальная амплитудно – частотная характеристика осциллографа
Традиционно принято считать, что оптимальной для осциллографа амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в полосе пропускания нижних частот является характеристика, близкая к гауссовой. Аргументом в пользу этого служит то обстоятельство, что при такой характеристике происходит быстрое протекание процесса установления сигнала и обеспечивается самое малое при данной полосе пропускания время нарастания. При этом предполагается, что эти характеристики (быстрое установление сигнала и малое время нарастания) означают наиболее точное воспроизведение формы входного сигнала. В данной статье рассматривается это предположение и дается сравнение погрешностей, свойственных нескольким типам АЧХ, которые обычно имеют современные осциллографы с высокими характеристиками.
В качестве примера рассматривается осциллограф с полосой пропускания
6 ГГц, хотя это обсуждение применимо к осциллографу с любой полосой пропускания. Рассматриваются три типа АЧХ, которым соответствуют переходные характеристики (ПХ), приведенные на рисунке 1.
1. Близкая к гауссовой (красная кривая ПХ, время нарастания tr = 58 пс)
2. Максимально плоская (характеристика Баттерворта высокого порядка) (синяя кривая ПХ, tr = 82 пс)
3. Максимально плоская с коррекцией нелинейности (линеаризацией) фазовой характеристики (малиновая кривая, tr = 71 пс) (см. приложение «Что такое линейная фазовая характеристика и почему это имеет важное значение»).
На рисунке 1 приведены переходные характеристики, соответствующие этим трем типам амплитудно – частотных характеристик осциллографа.
Рисунок 1 – Переходные характеристики, соответствующие АЧХ близкой к гауссовой (1), максимально плоской (2) и максимально плоской с коррекцией фазовой характеристики (3).
На рисунке 2 приведены гауссова и максимально плоская высокого порядка частотные характеристики осциллографа. Максимально плоская АЧХ с коррекцией нелинейности фазовой характеристики идентична (по модулю) максимально плоской АЧХ осциллографа.
Рисунок 2 – Гауссова и максимально плоская АЧХ осциллографа
Фазо-частотные характеристики (ФЧХ) для трех рассматриваемых типов АЧХ показаны на рисунке 3. Линейная составляющая изменения фазы исключена из каждой ФЧХ, поскольку она определяет только время задержки сигнала.
Рисунок 3 – Фазо-частотные характеристики, соответствующие гауссовой, максимально плоской и максимально плоской с коррекцией ФЧХ частотным характеристикам
И снова традиционные представления могут указывать на то, что АЧХ близкая к гауссовой является наилучшим вариантом, поскольку она обеспечивает наибольшую скорость нарастания переходной характеристики. Однако поскольку АЧХ близкая к гауссовой обычно трудно реализуется на практике, в большинстве осциллографов используется АЧХ близкая к максимально плоской, переходная характеристика которой не имеет выброса до фронта, а только выброс за фронтом (т. к. нет коррекции фазовой характеристики).
Оставляя на время традиционные представления, можно проанализировать точность измерения параметров сигналов с различными временами нарастания (длительностями фронтов). На рисунке 4 приведены переходные характеристики, представляющие реакцию на входной сигнал в виде перепада напряжения, соответствующие полосам пропускания 3 и 5 ГГц. Если с помощью таких сигналов исследовать три рассматриваемых типа АЧХ, можно оценить точность измерения для каждой из них.
Рисунок 4 – Переходные характеристики (реакция на входной сигнал в виде перепада напряжения), соответствующие полосам частот входного сигнала 3 и 5 ГГц
Прежде всего следует посмотреть, как влияют три рассматриваемых типа АЧХ на входной сигнал с полосой частот, равной 1/2 полосы пропускания осциллографа. Обычно такое соотношение полос близко к предельному значению, при котором можно рассчитывать на точное воспроизведение входного сигнала. На рисунке 5 показан результат воздействия перепада напряжения с временем нарастания 115 пс (полоса частот 3 ГГц) на тракты с тремя различными типами АЧХ. Рисунок 5 позволяет вычислить относительную погрешность времени нарастания (длительности фронта) для каждого типа АЧХ:
| Тип АЧХ | Время нарастания входного сигнала tr, пс | Измеренное время нарастания tr, пс | Погрешность, % |
| Гауссова | 115 | 128 | — 11,3 |
| Максимально плоская | 115 | 122 | — 6,1 |
| Максимально плоская с коррекцией ФЧХ | 115 | 117 | — 1,7 |
Рисунок 5 – Переходные характеристики для трех различных типов АЧХ при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 115 пс (эквивалентная полоса частот 3 ГГц)
Проведенный анализ отчетливо показывает, что максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики обеспечивает наиболее точное измерение времени нарастания входного сигнала. Однако это значение необязательно является надежной оценкой качества осциллографа. Если АЧХ осциллографа имеет неравномерность в виде максимума на некоторой частоте, для некоторых видов сигнала точность измерения времени нарастания может быть выше, но в общем случае, когда важна погрешность измерения мгновенных значений напряжения, точность будет хуже. Для анализа качественных показателей различных типов АЧХ более подходит способ построения графика погрешности мгновенного значения напряжения в зависимости от времени. График строится путем вычитания временной формы измеренного сигнала из априорно известного входного сигнала; это позволяет определить зависимость погрешности мгновенного значения напряжения от времени. Временной сдвиг между этими двумя сигналами произвольно регулируется так, чтобы обеспечить приблизительно равные положительные и отрицательные значения погрешности (см. рисунок 6).
Рисунок 6 – Погрешность мгновенного значения напряжения в зависимости от времени для трех различных типов АЧХ при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 115 пс (эквивалентная полоса частот 3 ГГц)
Из рисунка 6 видно, что наибольшую погрешность, около 5 %, дает максимально плоская АЧХ, а наименьшую, около 1,7 %, максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики. Гауссова АЧХ занимает промежуточное положение и дает погрешность около
2,7 %. Это еще раз показывает, что наилучшей АЧХ является максимально плоская с коррекцией фазовой характеристики. Теперь предполагается, что нужно измерить параметры более высокоскоростного сигнала с полосой частот 5 ГГц и временем нарастания 70 пс. Известно, что для точного измерения такого сигнала необходим осциллограф с полосой пропускания 10 ГГц; но такие осциллографы, работающие в реальном времени, в настоящее время на рынке отсутствуют. Итак, анализ погрешности выполняется для трех рассматриваемых типов АЧХ при времени нарастания входного сигнала 70 пс (эквивалентная полоса частот 5 ГГц).
На рисунке 7 показан результат для трех различных типов АЧХ, когда на вход подается перепад напряжения с временем нарастания 70 пс. Рисунок 7 позволяет вычислить относительную погрешность времени нарастания для каждого типа АЧХ.
Измеренное время нарастания tr, пс
Рисунок 7 – Переходные характеристики для трех различных типов АЧХ с полосой пропускания 6 ГГц при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 70 пс (эквивалентная полоса частот 5 ГГц)
Как и раньше, можно построить для этого случая график погрешности мгновенного значения напряжения в зависимости от времени (см. рисунок 8)
Рисунок 8 – Погрешность мгновенного значения напряжения в зависимости от времени для трех различных типов АЧХ при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 70 пс (эквивалентная полоса частот 5 ГГц)
Этот анализ является хорошей иллюстрацией возможностей служившего моделью осциллографа с полосой пропускания 6 ГГц в части точности воспроизведения входного сигнала (погрешность менее 20 %). Гауссова и максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики дают очень сходные результаты, тогда как максимально плоская АЧХ без коррекции фазы заметно хуже.
Заключение
Традиционно считается, что для наилучшей точности измерения осциллограф должен иметь гауссову амплитудно – частотную характеристику, но на самом деле это не совсем так. Действительно, гауссова характеристика хороша для осциллографа. Однако максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики дает значительно лучшие результаты с точки зрения точности представления входного сигнала. Осциллограф компании Agilent 54855A Infiniium имеет максимально плоскую АЧХ с коррекцией фазовой характеристики. Значительно худшим вариантом частотной характеристики для осциллографа является максимально плоская АЧХ без коррекции фазы (которой соответствует переходная характеристика, не имеющая выброса до фронта, а только выброс за фронтом). Эта характеристика дает большую погрешность, чем гауссова или максимально плоская с коррекцией фазы, и даже при более широкой полосе пропускания качество измерений не улучшается.
Один спорный вопрос заключается в том, что многие специалисты считают, что переходная характеристика, имеющая выброс до фронта и за фронтом, как раз не является нормальной. Это мнение основано лишь на том, что это не та характеристика, к которой традиционно привыкли. Но реальность состоит в том, что осциллограф с таким типом АЧХ безусловно обеспечивает самую высокую возможную точность. Кроме того, крутой срез максимально плоской АЧХ позволяет осциллографам, работающим в реальном времени, иметь полосу пропускания, приближающуюся к полосе Найквиста с частотой среза равной 1/2 частоты дискретизации без проблемы устранения эффекта наложения.
Одно дополнительное замечание: при оценке частотной характеристики осциллографа пользователю необходимо оценить зависимость погрешности мгновенного значения напряжения от времени, а также точность измерения времени нарастания. Если рассматривать только точность времени нарастания, то АЧХ, имеющая подъем на некоторой частоте, может оказаться лучше с точки зрения точности измерения времени нарастания, но наиболее вероятно будет создавать значительно большую погрешность мгновенного значения напряжения в зависимости от времени, которая в конечном счете наиболее важна для оценки точности осциллографа. Особенно это относится ко многим стандартам высокоскоростных систем последовательной передачи данных, для испытания которых используются современные осциллографы.
Приложение. Что такое линейная фазовая характеристика и почему она имеет важное значение
Теория преобразования Фурье утверждает, что любой периодический сигнал во временной области представляет собой сумму гармонических составляющих основной частоты и высших гармоник с определенными амплитудными и фазовыми соотношениями. Это означает, что для точного, без искажений, воспроизведения входного сигнала осциллограф должен иметь возможность измерять амплитуды и фазы этих гармонических составляющих.
В качестве примера можно рассмотреть сигнал передачи данных со скоростью 2,5 Гбит/с, длительностями фронта и среза по уровням 10 – 90 % около 90 пс. Такой сигнал имеет частоту основной гармоники 1,25 ГГц и эквивалентную полосу частот около 4 ГГц. Тестовый сигнал состоит из основной гармоники с частотой 1,25 ГГц и всех нечетных гармоник. Для данного примера в рассмотрение включены третья (3,75 ГГц) и пятая (6,25 ГГц) гармоники, поскольку они могут быть корректно измерены осциллографом с полосой пропускания 6 ГГц.
На рисунке 1 показаны составляющая основной частоты и ее гармоники, которые составляют сигнал данных. Следует заметить, что составляющая основной частоты и ее гармоники находятся в фазе.
Рисунок 1 – Составляющая основной частоты 1,25 ГГц и гармоники сигнала данных
На рисунке 2 показан результат суммирования этих трех гармонических составляющих. Амплитудные и фазовые соотношения между основной составляющей и ее гармониками определяют форму сигнала данных. Если осциллограф воспроизводит эти амплитудные и фазовые соотношения без искажений, то сигнал на его экране будет иметь вид, показанный на рисунке 2. Это может выполнить осциллограф, имеющий плоскую АЧХ и линейную фазовую характеристику; переходная характеристика такого осциллографа имеет симметричные выбросы до фронта и за фронтом.
Рисунок 2 – Результат суммирования трех гармонических составляющих, показанных на рисунке 1
Однако если осциллограф имеет фазовую характеристику типичную для плоской АЧХ с довольно большой крутизной среза, то фаза пятой гармоники может увеличиться на 80 градусов. Переходная характеристика такого осциллографа не имеет выброса до фронта, а только выброс за фронтом. На рисунке 3 показана составляющая основной частоты и ее гармоники, причем начальная фаза пятой гармоники увеличена на 80 градусов.
Рисунок 3 – Составляющая основной частоты 1,25 ГГц и гармоники сигнала данных, где пятая гармоника имеет запаздывание по фазе на 80 градусов
Следует заметить, что на рисунке 3 пятая гармоника сдвинута вправо. При суммировании этих гармонических составляющих, формирующих сигнал данных, можно видеть заметное искажение его формы. Это видно из рисунка 4.
Рисунок 4 – Результат суммирования гармонических составляющих, показанных на рисунке 3
Пользователи высокоскоростных видеосистем знают, что линейность фазовой характеристики не менее важна для сохранения формы сигнала во временной области, чем равномерность АЧХ. Этот параметр частотной характеристики осциллографа, на который часто не обращают должного внимания, может привести к значительным погрешностям в измерениях, в то время как пользователи требуют все более высокой точности.
Майк МакТиг (Mike McTigue),
Agilent Technologies
mctigue@agilent.com
astena@astena.ru
390047, г. Рязань, Куйбышевское шоссе, д. 25, стр. 17
Любое использование материалов, их подборки, дизайна, элементов дизайна допускается только с согласия правообладателя. Вся информация на сайте носит справочный характер и не является публичной офертой