Vse, kar ste želeli vedeti o popačenju zvoka – 1. del

Ko govorimo o katerem koli signalu, pa naj gre za zvok, video ali podatke, obstaja spremljevalna realnost za spremembe in napake na ta signal, ko gre skozi različne elektronske komponente, prevodnike ali magnetna polja. Medtem ko smo zaskrbljeni, ko slišimo, da komponenta povzroča popačenje, ali ko beremo specifikacije popačenja, je popačenje del narave in je preprosto neizogibno. Dokler kakršno koli popačenje v analognem signalu ne doseže znatne ravni, ga ni mogoče slišati ali videti.

Začetek z osnovo pri popačenju zvoka

S tem v mislih ustvarimo osnovo za opazovanje in razumevanje lastnosti zvočnega signala v električni in frekvenčni domeni. Te informacije bodo služile kot osnova za razumevanje izkrivljanja v drugem delu tega članka.

Vsak signal, bodisi enosmerni (DC) ali izmenični (AC), je mogoče analizirati na dva načina – v časovni ali frekvenčni domeni. Razumevanje razlike med tema dvema domenama opazovanja bo dramatično poenostavilo življenje vsakomur, ki je vključen v industrijo mobilne elektronike.

Ko opazujemo signal v časovni domeni, gledamo amplitudo signala glede na čas. Običajno bi uporabili voltmeter ali osciloskop za opazovanje signalov v časovni domeni. Ko obravnavamo signal v frekvenčni domeni, primerjamo amplitudo (ali moč) posameznih frekvenc ali skupin frekvenc znotraj signala. Za pregled frekvenčne domene uporabljamo RTA (analizator v realnem času) v računalniku ali ročnih/namiznih napravah.

Enosmerni tok

Pri analizi amplitude električnega signala primerjamo signal z referenčnim; v 99 % aplikacij je referenca znana kot zemlja. Za enosmerni signal ostane nivo napetosti konstanten glede na ozemljitveno referenco in čas. Tudi če so nihanja, je to še vedno enosmerni signal.

Če bi narisali frekvenčno vsebino enosmernega signala, bi videli, da je vse pri 0 hertzih (Hz). Amplituda se ne spreminja glede na čas.

Razmislimo o enosmerni napetosti baterije vašega avtomobila ali tovornjaka. Je razmeroma konstantna vrednost. Kar zadeva amplitudo v odvisnosti od časa, je okoli 12,7-12,9 voltov na popolnoma napolnjenem akumulatorju, ko je vozilo izklopljeno. Ko vozilo teče in se alternator polni, se ta napetost poveča na približno 13,5 do 14,3 voltov. To povečanje je posledica tega, da alternator vrača tok v akumulator, da ga napolni. Če napetost, ki jo proizvaja alternator, ne bi bila višja od napetosti mirovanja baterije, tok ne bi tekel in baterija se ne bi ponovno napolnila.

Izmenični tok

AC signal – čas

Če pogledamo signal izmeničnega toka, na primer ton 1 kHz, ki bi ga uporabili za nastavitev kontrol občutljivosti na ojačevalnik, vidimo nekaj zelo drugačnega. V primeru čistega preskusnega tona, kot je ta, ima valovna oblika sinusoidno obliko, imenovano sinusni val. Če pogledamo sinusni val na osciloskopu, vidimo gladko valovno obliko, ki se razteza prav toliko nad našo referenčno napetostjo kot pod njo.

AC signal – frekvenca

Zdaj je pametno ta isti signal pogledati z vidika frekvenčne domene. Graf frekvenčne domene bo, če ni popačenja, prikazoval eno frekvenco. Kar zadeva zvočni signal, je amplituda (ali višina) te meritve frekvence odvisna od tega, kako glasna je posamezna frekvenca glede na omejitve naše snemalne tehnologije ali merilne naprave.

Zvok

Ko poslušamo nekoga, ko govori ali igra glasbilo, slišimo veliko različnih frekvenc hkrati. Človeški možgani so sposobni dekodirati različne frekvence in amplitude. Na podlagi naših izkušenj ter razlik v frekvenci in časovnem odzivu med enim in drugim ušesom lahko določimo, kaj slišimo, in lokacijo zvoka glede na nas.

Analiza vsebine časovne domene zvočnega signala je relativno enostavna. Za opazovanje zvočne valovne oblike bi uporabili osciloskop. Obseg nam bo pokazal napetost signala v odvisnosti od časa. To je močno orodje v smislu razumevanja prenosa signala med zvočnimi komponentami.

Nota za klavir

Srednji C – Čas

Oglejmo si vsebino amplitude in frekvence zvoka, ki ga večina od nas dobro pozna. Naslednji graf je prvih 0,25 sekunde posnetka klavirskega srednjega tona C (C4) v časovni domeni. To predstavlja začetni udarec kladiva na vrvico. Če pogledate manjši graf nad večjim, boste videli, da se bankovec razteza veliko dlje od tega začetnega segmenta 0,25 sekunde.

Srednji C – frekvenca

Vemo, da je osnovna frekvenca te note 261,6 Hz, a če pogledate grafe frekvenčne domene, lahko vidite, da je prisotnih več dodatnih in pomembnih frekvenc. Te frekvence imenujemo harmonike. So večkratniki osnovne frekvence in amplituda teh harmonikov je tisto, zaradi česar se zvok majhnega pokončnega klavirja razlikuje od koncertnega klavirja ter od harfe ali kitare. Vsi ti instrumenti imajo enako osnovno srednjo frekvenco C 261,6 Hz; zaradi njihove harmonske vsebine zvenijo drugače. V primeru tega posnetka klavirske note lahko vidimo velik skok pri 523 Hz, nato vse manjše skoke pri 790 Hz, 1055 Hz, 1320 Hz in tako naprej.

Sinusna proti kvadratni valovni obliki

Vsaka zvočna valovna oblika je sestavljena iz kompleksne kombinacije osnovnih in harmoničnih frekvenc. Najosnovnejši, kot smo omenili, je čisti sinusni val. Sinusni val ima samo eno frekvenco. Na drugem koncu spektra je kvadratni val. Kvadratni val je sestavljen iz osnovne frekvence, nato neskončne kombinacije neparno urejenih harmonikov na eksponentno padajočih ravneh. Imejte to v mislih, saj bo postalo pomembno kasneje, ko bomo začeli razpravljati o popačenju.

Hrupni signali

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!