Что можно определить по ачх
Аудиофилия. И это все о ней. АЧХ.
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:
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.
Почему АЧХ наушников такие кривые и как их правильно читать
Содержание
Содержание
Как правильно читать АЧХ наушников? Что на него влияет, какая АЧХ воспринимается как ровная, что такое кривая Хармана? Наконец, как поправить их звучание за минуту и без эквалайзера? Об этом далее.
Проблема с АЧХ наушников
С АЧХ колонок все просто — чем она ровнее, тем более нейтральный звук будет в итоге. Однако чтобы получить максимум нейтральности, понадобится заглушить комнату несколькими кубометрами минваты. Вариант не для каждого.
И тут на помощь приходят наушники, которые выносят влияние комнаты за скобки. Однако если посмотреть на их АЧХ, то почти всегда на графике будут американские горки с гигантскими горбами и провалами. К примеру, ниже — частотная характеристика Beyerdynamic DT 990.
Почему, не смотря на кривую АЧХ, их используют многие звукорежиссеры для сведения музыки? Как правильно читать их АЧХ и корректно предугадывать, какая модель лучше подойдет под свои вкусы? И главное — как исправить звучание?
Если начать разбираться, то с наушниками все оказывается намного сложнее, чем с колонками. На их тембральный баланс влияет куча вещей — от самой конструкции и амбушюр до строения ушной раковины, уровня громкости прослушивания музыки, условий прослушивания и даже возраста слушателя.
Влияние головы и ушей
Если посадить человека перед источником звука, то аудиоволны будут огибать голову и плечи с искажениями. Исследователи установили, что есть целый набор связанных с телом человека искажений, именуемых Head-related transfer function (HRTF):
1. Влияние самой головы. Она заглушает высокие частоты, но не создает проблем для средних и низких.
2. Плечи и шея. Также создают акустическую тень.
3-4. Ушная раковина. Она не просто так имеет сложную форму — человеку так проще локализовать звук. Однако форма ушей коверкает АЧХ звуковой волны — приподнимает верхнюю середину и сглаживает самые высокие частоты.
5. Слуховой канал. Вместе с наушником он образует закрытую систему, в которой появляются резонансы.
HRTF будут немного отличаться для левого и правого уха. Значения будут меняться в зависимости от направления, откуда исходит звук (волны, дующие прямо в лицо, ведут себя иначе, чем волны, дующие в бок). Для охватывающих наушников нужно имитировать влияние головы и плеч, для внутриканальных придется добавить имитацию влияния ушной раковины.
Результатом всех этих исследований стали компенсирующие кривые АЧХ, учитывающие HRTF. Они чувствительны к положению источника. Колонки обычно располагаются перед слушателем и образуют с ним треугольник. Драйверы наушников стреляют прямо в ухо и образуют со слушателем ровную линию. Поэтому компенсирующих кривых несколько, в зависимости от типа измерений:
Итого, синус с ровной АЧХ на подходе к барабанной перепонке превращается в один из графиков выше. АЧХ наушников измеряется на манекене с ушами, в которых встроены микрофоны. Следовательно, чтобы получить корректные измерения, нужно вычесть из сырого графика влияние искусственной головы, воспользовавшись одной из кривой выше. Чем ровнее будет итоговый график, тем ровнее будут наушники.
Для примера — одни из самых нейтральных по звуку наушников Sennheiser HD 600, использующихся во многих студиях как референсные. Слева — сырой график без компенсации, справа — с компенсацией.
Во-первых, все это вносит очевидную путаницу в понимание графиков АЧХ — не всегда указано, как проводились измерения, и была ли применена компенсация. Во-вторых, даже на компенсированном графике виден провал на 1-2 кГц и изрезанность на верхах. Провал — это имитация влияния плеч и торса, а изрезанность — резонансы, которые возникают в закрытом пространстве, образуемом ухом и наушником. Небольшая изрезанность — норма, на слух она не ощущается.
Влияние предпочтений и кривая Хармана
Эксперименты с HRTF не учитывают важной вещи — вкусовых предпочтений. В конце концов, нейтральность и сбалансированность звучания — вещи субъективные. Поэтому в начале двухтысячных инженеры Тодд Велти и Шон Оливер Харман с десятых годов проводят исследования на группах слушателей, чтобы выяснить, какая АЧХ будет восприниматься наиболее нейтральной и сбалансированной, но с учетом предпочтений большинства.
Для экспериментов был использован метод двойного слепого прослушивания разных наушников. Слушатели не знали ни их модели, ни как они выглядят. Хотели даже замораживать уши и виски, чтобы исключить тактильные ощущения, но юристы не позволили. На основе предпочтений слушателей была выведена усредненная кривая, которая теперь носит имя Хармана. Она немного отличается для охватывающих и внутриканальных наушников.
После публикации исследований многие производители выпустили модели, настроенные под эту кривую. Из внутриканальных — это JBL Live 200, 500, и 650, Samsung Galaxy Buds, JBL Reflect Flow, из охватывающих наушников самые известные — AKG N700 NC, K361, и K371.
АЧХ Galaxy Buds+, настроенных по кривой Хармана
Не утихают и споры относительно того, нужно ли ориентироваться на эту кривую при создании наушников, ведь АЧХ некоторых известных и любимых слушателями моделей сильно с ней расходятся. Некоторые считают, что в кривой слишком задран бас, а перепад более 10 Дб на средних частотах сильно окрашивает звук.
Влияние психоакустики
Наш слух не линеен и наиболее чувствителен к участку 1-5 кГц, а наименее — к самым низким и самым высоким частотам. Например, звук на частоте 3 кГц громкостью 20 Дб будет ощущаться таким же, как низкочастотный гул частотой 60 кГц и громкостью 50 Дб. Иными словами, на малой громкости бас и верха хуже улавливаются. Однако эта чувствительность меняется в зависимости от громкости звука. При громкости в 100 Дб восприятие уже становится практически линейным. Здесь нужно отметить, что, по данным ВОЗ, наушники обычно слушают на громкости 75–105 Дб.
Исследования на эту тему имели место еще в 30-х годах прошлого века, полученные измерения носят вид графиков — кривые равных громкостей. Их нужно учитывать при выборе наушников — если нравится слушать громко, то раздутый бас некоторых моделей будет еще более раздутым. И наоборот — недостаток баса в открытых студийных наушниках будет компенсироваться высокой громкостью.
Другой элемент психоакустики — эффект маскировки одного звука другим, если они оба на одинаковых частотах. К примеру, низкочастотный гул электрички будет заглушать бас и бочку. Из-за этого эффекта подъем на низких частотах — обычное дело в наушниках для улицы и города с плохой звукоизоляцией. Чем лучше звукоизоляция, тем меньшее усиление низких частот понадобится. Лучше всего с проблемой справляется система активного шумоподавления.
Влияние конструкции и амбушюр
Наушники и ухо создают закрытую систему и работают подобно сабвуферу. Чем герметичнее образовавшееся пространство, тем на большее количество низких частот можно будет рассчитывать из-за эффекта окклюзии — бас накапливается в замкнутом пространстве. Хорошая новость в том, что влияние конструкции позволяет довольно сильно изменить звучание простой модификацией — сменой амбушюр.
Охватывающие наушники
Охватывающие наушники бывают открытыми и закрытыми. Последние менее комфортны при длительном ношении, зато обладают отличной звукоизоляцией и, как правило, большим количеством низких частот.
Внутриканальные наушники
Как правило, частотный отклик внутриканальных наушников имеет более выраженный спад на высоких частотах, имитирующий влияние ушной раковины. Материал амбушюр здесь также имеет значение:
В последнее время набирают популярность внутриканальные наушники типа IEM — In Ear Monitors, ушные мониторы. Музыканты используют такие, чтобы слышать себя на сцене, но встречаются и модели для потребителей, чтобы слушать музыку. Разница в АЧХ — наушники для музыкантов могут сильно красить сигнал, например, акцентировать диапазон 2-5 кГц, чтобы выделить вокал. Прежде, чем покупать такие, полезно будет узнать их частотную характеристику.
Заключение
График АЧХ может быть полезен при выборе наушников. При этом всегда следует помнить, что разброс в измерениях довольно велик, и форма ушей у каждого своя. Поэтому такие изменения относительны — для кого-то яркие наушники будут тусклыми. Наконец, частотная характеристика говорит лишь о тембральном балансе, но не расскажет о детальности, динамике, транзиентах и других важных параметрах звучания наушников.
Конечно, самый верный путь — послушать все самому, но не всегда есть такая возможность. Поэтому куда полезнее кривых АЧХ будут тесты наушников на макете с помощью музыкальных треков и прямое сравнение нескольких моделей с оригинальной записью. Так можно своими ушами услышать, что делает со звуком та или иная модель.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Спектр сигнала.
При обсуждении переменного тока в одной из предыдущих статей (ссылка) мы познакомились с понятием гармонической (синусоидальной) функции. А бывают ли негармонические функции и сигналы и как с ними работать? В этом нам и предстоит сегодня разобраться 🙂 Кроме того, мы рассмотрим важнейшее понятие — амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) сигналов.
Гармонические и негармонические сигналы.
Здесь A — амплитуда сигнала, w — циклическая частота, а \phi — начальная фаза. Вы спросите — а как же синус? Разве синусоидальный сигнал не является гармоническим? Конечно, является, дело в том, что sin\alpha = cos(\frac<\pi><2>\medspace-\medspace \alpha) — то есть сигналы отличаются начальной фазой, соответственно, синусоидальный сигнал не противоречит определению, которое мы дали для гармонических колебаний 🙂
Вторым подклассом периодических сигналов являются негармонические колебания. Вот пример негармонического сигнала:
Как видите, несмотря на «нестандартную» форму, сигнал остается периодическим, то есть его форма повторяется через интервал времени, равный периоду.
Для работы с такими сигналами и их исследования существует определенная методика, которая заключается в разложении сигнала в ряд Фурье. Суть методики состоит в том, что негармонический периодический сигнал (при выполнении определенных условий) можно представить в виде суммы гармонических колебаний с определенными амплитудами, частотами и начальными фазами. Важным нюансом является то, что все гармонические колебания, которые участвуют в суммировании, должны иметь частоты, кратные частоте исходного негармонического сигнала. Возможно это пока не совсем понятно, так что давайте рассмотрим практический пример и разберемся чуть подробнее 🙂 Для примера используем сигнал, который изображен на рисунке чуть выше. Его можно представить следующим образом:
Давайте изобразим все эти сигналы на одном графике:
В этой формуле U_k — амплитуда, а \phi_k — начальная фаза k-ой гармоники. Как мы уже упомянули чуть ранее, частоты всех гармоник кратны частоте первой гармоники, собственно, это мы и видим в этой формуле 🙂 U_0 — это нулевая гармоника, ее частота равна 0, она равна среднему значению функции за период. Почему среднему? Смотрите — среднее значения функции синуса за период равно 0, а значит при усреднении в этой формуле все слагаемые, кроме U_0 будут равны 0.
Амплитудный спектр сигнала.
Совокупность всех гармонических составляющих негармонического сигнала называют спектром этого сигнала. Различают фазовый и амплитудный спектр сигнала:
Давайте рассмотрим амплитудный спектр поподробнее. Для визуального изображения спектра используют диаграммы, представляющие из себя набор вертикальных линий определенной длины (длина зависит от амплитуды сигналов). На горизонтальной оси диаграммы откладываются частоты гармоник:
По горизонтальной оси могут откладываться как частоты в Гц, так и просто номера гармоник, как в данном случае. А по вертикальной оси — амплитуды гармоник, тут все понятно. Давайте построим амплитудный спектр сигнала для негармонического колебания, которое мы рассматривали в качестве примера в самом начале статьи. Напоминаю, что его разложение в ряд Фурье выглядит следующим образом:
У нас есть две гармоники, амплитуды которых равны, соответственно, 2 и 1.5. Поэтому на диаграмме две линии, длины которых соответствуют амплитудам гармонических колебаний. Фазовый спектр сигнала строится аналогично, за той лишь разницей, что используются начальные фазы гармоник, а не амплитуды.
Итак, с построением и анализом амплитудного спектра сигнала мы разобрались! Давайте перейдем к следующей теме сегодняшней статьи — к понятию амплитудно-частотной характеристики.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).
АЧХ является важнейшей характеристикой многих цепей и устройств — фильтров, усилителей звука и т. д. Даже простые наушники имеют свою собственную амплитудно-частотную характеристику. Что же она показывает?
АЧХ — это зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты входного сигнала. Как мы выяснили в первой части статьи, негармонический периодический сигнал можно разложить в ряд Фурье. Но нас сейчас интересует, в первую очередь, аудио-сигнал, и выглядит он следующим образом:
Как видите, ни о какой периодичности здесь не идет и речи! Но, к счастью, существуют специальные алгоритмы, которые позволяют представить звуковой сигнал в виде спектра входящих в него частот. Мы сейчас не будем подробно разбирать эти алгоритмы, это тема для отдельной статьи 🙂 Просто примем тот факт, что они позволяют нам осуществить такое преобразование с аудио-сигналом.
Соответственно, мы можем построить диаграмму амплитудного спектра звукового сигнала. А пройдя через какую-либо цепь (к примеру, через наушники при воспроизведении звука) сигнал будет изменен. Так вот амплитудно-частотная характеристика как раз и показывает, какие изменения будет претерпевать входной сигнал при прохождении через ту или иную цепь. Давайте обсудим этот момент чуть поподробнее…
Итак, на входе мы имеем ряд гармоник. Амплитудная-частотная характеристика показывает, как изменится амплитуда той или иной гармоники при прохождении через цепь. Рассмотрим пример АЧХ:
Разберемся поэтапно, что же тут изображено… Начнем с осей графика АЧХ. По оси y мы откладываем величину выходного напряжения (или коэффициента усиления, как на данном рисунке). Коэффициент усиления мы откладываем в дБ, соответственно величина, равная 0 дБ, соответствует усилению в 1 раз, то есть амплитуда сигнала остается неизменной.
По оси x откладываются частоты входного сигнала. Таким образом, в рассматриваемом случае для всех гармоник, частоты которых лежат в интервале от 100 до 10000 Гц, амплитуда не изменится. А сигналы всех остальных гармоник будут ослаблены.
Практические примеры АЧХ аудио-устройств.
Частотный диапазон аудио-устройств обычно разбивают на низкие, средние и высокие частоты. Приблизительно это выглядит так:
Именно такую терминологию обычно можно встретить в разных программах-эквалайзерах, используемых для настройки звука. Теперь вы знаете, что красивые графики из таких программ являются именно амплитудно-частотными характеристиками, с которыми мы познакомились в сегодняшней статье 🙂
В завершении статьи посмотрим на пару АЧХ, полученных в программном эквалайзере:
Здесь мы можем видеть амплитудно-частотную характеристику усилителя. Причем усилены будут преимущественно средние частоты диапазона.
А здесь ситуация совсем другая — низкие и верхние частоты усиливаются, а в области средних частот для гармоник с частотой 500 Гц мы наблюдаем значительное ослабление.
А здесь усиливаются только низкие частоты. Аудио-аппаратура с такой АЧХ будет обладать высоким уровнем басов 🙂
На этом мы заканчиваем нашу сегодняшнюю статью… Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!