2.1 Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АХЧ) устройства описывает соотношение между частотой и амплитудой сигнала на его входе и выходе. АХЧ используют в качестве характеристики звукового устройства.

На рис. 2.1 показана система, включающая некий блок обработки сигнала (черный ящик), о параметрах которого ничего не известно. На вход этого блока подается сигнал с генератора синусоидальных волн (частоту можно изменять), а на выходе черного ящика стоит некое устройство, которое измеряет уровень сигнала в децибелах.

Рис. 2.1. Система для измерения частотной характеристики

Идеальный генератор продуцирует сигнал, который имеет одинаковый уровень на любой частоте, поэтому, уровень входного сигнала, поступающего в черный ящик остается постоянным (реальные устройства не всегда характеризуются такой линейностью). При изменении частоты входного сигнала, индикатор уровня будет регистрировать возможные изменения уровня сигнала на выходе черного ящика. Если отметить значения уровня сигнала для каждой частоты, то получиться кривая, изображенная на рис. 2.2.

Рис. 2.2. График амплитудно-частотной характеристики
(зависимость относительного уровня сигнала от частоты)
для черного ящика, показанного на рис. 2.1

На этом графике виден диапазон частот, которые пропускает черный ящик, а также возможные колебания уровня сигнала на выходе в этом диапазоне частот. При построении данного графика АЧХ было сделано допущение, что уровень входного сигнала, подаваемого на тестируемое устройство, во всем диапазоне частот был постоянным, и именно поэтому он характеризует ту точность, с которой устройство передает сигнал с входа на выход. Чем меньше отклонение между уровнями сигналов на выходе и входе, тем в большей степени выходной сигнал будет соответствовать входному.

Примечание:

1. Если на вход тестируемого устройства подается сигнал, уровень которого в диапазоне используемых частот изменяется, то в график, иллюстрирующий зависимость уровня сигнала от частоты, вносят поправки или специально регулируют уровень входного сигнала таким образом, чтобы он оставался постоянным. Полученная в этом случае кривая называется нормализованной.

2. Термин амплитудно-частотная характеристика применяется только в отношении устройств для обработки сигнала и датчиков т.е. для устройств, через которые проходит сигнал. Когда говорят об устройствах, предназначенных для генерации сигналов (генератор, музыкальные инструменты и т.п.), правильнее использовать термин частотный диапазон.

Способы записи АЧХ в спецификации звуковых устройств

Наиболее простой способ записи АЧХ выглядит следующим образом:

Амплитудно-частотная характеристика: 30 Гц 18 кГц, ±3 дБ.

Обратите внимание, что обязательно указывается не только частотный диапазон (30 Гц 18 кГц), но и допустимый разброс значений уровня сигнала (+3 или -3 дБ), который определяет максимальное отклонение уровня выходного сигнала в указанном диапазоне при постоянном уровне входного сигнала.

Приведение АЧХ без указания допустимого разброса значений бессмысленно, так как в этом случае придется только догадываться о том, как данное устройство влияет на сигнал: в его АЧХ может быть много всплесков и провалов, которые будут сильно изменять сигнал. Часто, если разброс значений уровня сигнала не указан, предполагают, что он равен ±3 дБ, но это достаточно вольное допущение, и обычно отсутствие столь важной характеристики в спецификации должно настораживать. На рис. 2.3 показано, как определить разброс значений уровня сигнала по графику АЧХ.

Рис. 2.3. Определение разброса значений уровня сигнала по графику АЧХ

Некоторые аудиоустройства, например усилители мощности или линейные усилители, имеют очень ровные (линейные) АЧХ (рис. 2.4). В таких случаях частотный диапазон определяют по точкам, в которых уровень выходного сигнала уменьшается относительно среднего (опорного) значения на 3 дБ.

Рис. 2.4. График линейной амплитудно-частотной характеристики

АЧХ устройства, график которой приведен на рис. 2.4, может быть записана следующим образом:

Амплитудно-частотная характеристика: 20 Гц 30 кГц, +0, -3 дБ.

Если частотный диапазон устройства намного шире диапазона частот, воспринимаемого человеком (20 Гц 20 кГц), то в спецификации АЧХ указывается девиация частоты, т.е. общее отклонение от опорного уровня сигнала. АЧХ устройства, график которой приведен на рис. 2.5, может быть записана следующим образом:

Амплитудно-частотная характеристика: 20 Гц 20 кГц, +0, -1 дБ.

А если ограничиться диапазоном, на краях которого АЧХ спадает на 3 дБ, тогда спецификация могла бы быть записана так:

Амплитудно-частотная характеристика: 10 Гц 40 кГц, +0, -3 дБ

Рис. 2.5. График линейной АЧХ устройства с очень широким диапазоном частот

Октавные соотношения и измерения

Иногда для измерения АЧХ используют музыкальные интервалы октавные или треть октавные. Эти методы менее точны, чем описанный выше, но они обеспечивают хорошую корреляцию с особенностями слуха человека и часто применяются для характеристики колонок (уровень сигнала в этом случае можно регулировать октавными или треть октавными эквалайзерами или фильтрами).

Октава это определенный музыкальный интервал между двумя тонами, соотношение частот которых равно 2:1. Человек такие звуки воспринимает равными по высоте (поэтому ноты каждой октавы имеют одинаковое название).

Октавный интервал на верхних частотах гораздо шире, чем на нижних. Так, например, звук, который на октаву выше звука с частотой 40 Гц, имеет частоту 80 Гц (т.е. интервал октавы равен 40 колебаниям), а звук, который на октаву выше звука с частотой 1 кГц, частоту 2 кГц (т.е. интервал октавы равен 1000 колебаниям). Но мы воспринимаем такие звуковые колебания одинаково! Дело в том, что чувствительность нашего слуха к звуковым частотам носит логарифмический характер. Поэтому на графиках АЧХ, в том числе и на тех, что были приведены выше, для частоты используется логарифмическая шкала, на которой значение каждого последующего деления на порядок превышает предыдущее (10, 100, 1000 и т.д.).

Октавные и треть октавные измерения позволяют разделить шкалу звуковых частот, которую мы не воспринимаем как линейную, на равные для нашего слуха интервалы. При снятии амплитудно-частотной характеристики для каждого интервала средний уровень сигнала записывается в виде гистограммы (рис. 2.6). Частоты центрального диапазона отстоят друг от друга на 1/3 октавы. Частоты, указанные на горизонтальной оси, являются стандартными для измерений с помощью треть октавных интервалов: такие же частоты используются для фильтров в треть октавных графических эквалайзерах. Данный стандарт называется ISO (International Standards Organization Международная организация по стандартизации). Частоты, измеряемые с помощью анализатора спектра сигналов стандарта ISO, и частоты, регулируемые октавными и треть октавными эквалайзерами совпадают.

При проведении подобных измерений в качестве тест-сигнала используют не синусоидальную волну, а специальный сигнал, который называется розовый шум.

Розовый шум это псевдослучайный широкополосный сигнал, в котором суммарная мощность на всех частотах в пределах любой октавы равна суммарной мощности на всех частотах в пределах любой другой октавы. По звучанию он очень напоминает водопад.

Рис. 2.6. Частотная характеристика, измеренная
с помощью треть октавных интервалов

Верхние октавы занимают больший частотный диапазон, чем нижние, поэтому уровень розового шума на высоких частотах падает. То есть, уровень розового шума на любой верхней частоте ниже, чем на любой нижней, поэтому его суммарная мощность на всех частотах в пределах любой октавы равна суммарной мощности на всех частотах в пределах любой другой октавы. При использовании сигнала розовый шум в качестве тестового выходной сигнал измеряемого устройства фильтруется по октавным или треть октавным интервалам, и суммарная мощность в каждом интервале измеряется отдельно.

Следует отметить, что подобные измерения дают достоверную общую характеристику АЧХ устройства, но не позволяют регистрировать максимальные и минимальные уровни сигнала в узком диапазоне частот. В комнате с сильной реверберацией такие измерения в большей степени будут характеризовать само помещение, а не тестируемый громкоговоритель.

2.2 АЧХ реальных устройств воспроизведения звука

Реальная аудиосистема представляет собой целую сеть различных устройств, через которые должен пройти сигнал прежде, чем он достигнет слушателей. Каждая составляющая системы может иметь свою АЧХ, и в большей или меньшей степени изменять сигнал. Общая АЧХ системы зависит от АЧХ всех элементов в цепи прохождения сигнала.

Электрические цепи и кабели

Кабели являются самыми простыми элементами аудиосистемы и обычно имеют линейные АЧХ, однако на предельных частотах они могут ухудшаться. Стабильность АЧХ определяется конструкцией кабеля, его длиной и типом электрической схемы, к которой он подключен.

Типичный аудиокабель состоит из одного или двух проводников сигнала и экранирующего проводника в изоляционной оплетке (рис. 2.7).

Аудиосигнал передается по центральному проводнику (проводникам). Экранирующий проводник подсоединяется к земле цепи и предназначен для подавления большинства наводок статического электричества и помех на радиочастотах. Экранирование, как правило, не уменьшает фоновые шумы, возникающие вследствие электромагнитных помех, а вот скручивание проводников (витая пара) в симметричной цепи является лучшим способом для подавления шумов такого рода.

Рис. 2.7. Конструкция обычного аудиокабеля

Влияние кабеля на АЧХ, как правило, обусловлено тем, что между проводником сигнала и экранирующей оплеткой кабеля, а также между проводниками возникает электрическая емкость. А, поскольку сам кабель обладает определенным сопротивлением, это приводит к тому, что он начинает работать, как НЧ-фильтр (вырезает высокие частоты) и приглушает звук. Эффект приглушения пропорционален длине кабеля и зависит от выходного сопротивления цепи, к которой подключен кабель. Для передачи сигналов по очень длинным кабелям применяются специальные линейные усилители мощности. В кабелях некоторых видов между проводниками может возникать значительная индуктивность, и при определенном сопротивлении (и индуктивности) они могут работать как ВЧ-фильтр (вырезать нижние частоты). Поэтому для каждой конкретной задачи следует подбирать кабели нужного типа.

Современная схемотехника позволяет создавать электронные схемы с заданными характеристиками, и, если устройство не предназначено для изменения частотного спектра сигнала (например, регуляторы тембра), его АЧХ стремятся сделать линейной.

На рис 2.8. приведен график АЧХ для типичного качественного усилителя мощности аудиосигналов. В диапазоне звуковых частот АЧХ этого усилителя абсолютно линейная, она начинает падать только на границе этого диапазона.

Рис. 2.8. АЧХ типичного усилителя мощности аудиосигналов

Для уменьшения АЧХ в области низких частот (точка а на рис. 2.8) иногда используют так называемые обрезные фильтры: они отсекают сверхнизкие частоты, которые могут повредить колонки или вызывать нежелательные искажения.

Для снижения уровня АЧХ в области высоких частот (точка б на рис. 2.8) применяют фильтры временных интермодуляционных искажений, которые уменьшают эти искажения и отсекают сверхвысокие частоты, которые могут повредить ВЧ-динамики.

Практически все процессоры аудиосигналов характеризуются линейной АЧХ. Исключение составляют цифровые процессоры, на вход и выход которых, чтобы избавиться от искажений, связанных с цифровой обработки сигнала, устанавливают НЧ-предфильтры. Все аналоговые процессоры аудиосигналов, если на этапе их разработки не была поставлена особая задача, должны иметь линейную АЧХ.

Микрофоны

Современные технологии позволяют создавать микрофоны с линейными АЧХ во всем диапазоне звуковых частот. Но часто эти устройства используют не только в качестве простых звукоснимателей, но и для придания звуку определенных характеристик, поэтому их АЧХ могут иметь отклонения. Так, например, на графике АЧХ микрофона может присутствовать широкий всплеск, соответствующий уровню сигнала 3 6 дБ, с максимумом в области 2 5 кГц. Микрофоны с такой АЧХ позволяют добиться эффекта присутствия и более отчетливого звучания речи.

В АЧХ микрофонов конденсаторного типа часто присутствует всплеск на частотах в 8 10 кГц, такие микрофоны обеспечивают более резкое и яркое воспроизведение широкого диапазона звуковых сигналов.

Для АЧХ микрофонов ленточного типа характерен всплеск, обеспечивающий эффект присутствия, и небольшой подъем АЧХ в области низких частот, как правило, в районе 200 Гц. Такие микрофоны делают звучание более теплым, их часто используют для усиления звука инструментов и голоса певцов.

АЧХ динамических микрофонов, как правило, резко снижается на октаву при частоте 10 кГц и плавно в области низких частот, начиная со 100 Гц. На АЧХ таких микрофонов может влиять угол падения звуковой волны, поэтому звуки, приходящие сбоку, могут воспроизводиться иначе, чем те, которые поступают под прямым углом, особенно сильно этот эффект проявляется у направленных микрофонов (рис. 2.9). Микрофоны для систем усиления звука могут иметь нелинейные АЧХ со множеством резонансов, их часто применяют для сольного вокала, так как они придают звучанию более яркий характер, или для отдельных инструментов, чтобы выделить их на фоне сложной комбинации партий других инструментов. Но из-за этих же характеристик такие микрофоны могут оказаться непригодным для воспроизведения звука от нескольких инструментов или голосов, и их лучше не использовать в качестве общих микрофонов для записи.

Универсальных микрофонов не существует. Точные их характеристики определяются сложным набором конструктивных факторов, поэтому при выборе нужного следует очень внимательно изучить спецификацию и опробовать микрофон в работе.

Рис. 2.9. АЧХ типичного микрофона с кардиоидной характеристикой направленности

2.3 Колонки

Колонки относятся к таким элементам реальных звуковых систем, которые могут иметь самые различные АЧХ. Для них характерны узкие максимумы и минимумы в АЧХ в пределах 10 дБ и более, поэтому считается, что отклонение АЧХ на ±4 дБ при измерениях с помощью треть октавных диапазонов является очень хорошей характеристикой для этих устройств.

Такой допуск может показаться слишком большим, но следует учитывать, что динамики колонок работают с относительно высокой мощностью и создают довольно большое звуковое давление, поэтому в их конструкции должны быть заложены компромиссные решения, обеспечивающие высокую надежность и эффективность. Для воспроизведения полного диапазона звуковых частот в колонках устанавливается несколько динамиков, согласование которых в одном функциональном блоке является сложной задачей и влияет на АЧХ колонки.

Колонки для систем усиления звука можно разделить на два основных класса: широкополосные и специальные, предназначенные для работы в ограниченном диапазоне частот. Последние используются в дополнение к первым для расширения полосы воспроизводимых частот.

Как правило, АЧХ широкополосных колонок для систем усиления звука ограничена частотами 100 Гц и 10 15 кГц, и для большинства задач такого диапазона частот вполне достаточно. Некоторые небольшие колонки, например те, что используются в системах внутренней связи, имеют более узкий диапазон частот, но для усиления голоса принято использовать колонки с минимальным диапазоном воспроизводимых частот от 300 Гц до 3.5 кГц.

Самыми распространенными среди специализированных колонок являются сабвуферы и твитеры. Сабвуферы это громкоговорители, предназначенные для работы на частотах от 300 Гц до 30 Гц. Их используют для расширения АЧХ системы в области низких частот. Твитеры работают на частотах выше 5 8 кГц и предназначены для расширения АЧХ системы в области высоких частот.

Реальные громкоговорители представляют собой направленные устройства, т.е. они фокусируют излучаемый звук в определенном направлении. По мере удаления от основной оси громкоговорителя, уровень звука может уменьшаться, а его АЧХ становится менее линейной.

Дополнительная информация о частотных характеристиках колонок приведена в главе 13.

Чтобы соотнести АЧХ устройства или системы с ее звуковыми характеристиками, надо иметь представление о частотном диапазоне типичных источников звука.

2.4 Диапазон частот голоса и инструментов

Речь

Диапазон частот, соответствующий речи человека (от 100 Гц до 6 кГц), гораздо уже того, который он может воспринимать, причем максимальная мощность звуков речи приходится на частоты ниже 1 кГц, а около 80 % от общей мощности на частоты ниже 500 Гц. Звуков с высокими частотами в речи присутствует мало, но практически вся мощность согласных звуков приходится на частоты выше 1 кГц, поэтому потеря высоких частот может привести к снижению разборчивости речи.

Минимальный частотный диапазон для системы воспроизведения речи (например, обычного телефона) должен находиться в пределах от 300 Гц до 3.5 кГц. Разборчивость речи можно повысить, если в частотах 2 5 кГц на АЧХ будет всплеск, соответствующий эффекту присутствия, высотой 3 6 дБ.

К системам звукоусиления в отношении точности воспроизведения речи предъявляются более жесткие требования, чем к телефону, поэтому системы оповещения должны иметь достаточно линейную АЧХ хотя бы в диапазоне 100 Гц 8 кГц. Наличие в АЧХ таких систем пика, соответствующего эффекту присутствия тоже будет способствовать улучшению разборчивости речи, но он также может и увеличивать вероятность возникновения обратной связи (возбуждению системы звукозаписи).

Вокал и музыкальные инструменты

На диаграмме, приведенной на рис 2.10, отображены частотные диапазоны разных музыкальных инструментов и поставленного певческого голоса.

Звуки музыкальных инструментов имеют более сложные характеристики, чем речевые. Частотный диапазон и мощность определенного музыкального сигнала в большой степени зависят от количества звучащих инструментов и их расположения относительно друг друга, манеры исполнения и многих других факторов. Например, если в музыке какого то жанра основная мощность приходится на звуки с частотой 20 Гц 100 Гц, то в музыкальных произведениях, написанных в других стилях, такие звуки могут отсутствовать.

Поэтому профессионалам в области звукоусиления следует, в первую очередь, научиться анализировать музыкальный материал и использовать свой опыт, чтобы добиться качественного звучания. Для этого необходима длительная практика в прослушивании самых разных источников звука на разной аппаратуре. В работе звукорежиссера всегда важно очень внимательно слушать, исследовать то, что слышишь, запоминать впечатления и использовать их в дальнейшей работе.

Гармоники

Частотный диапазон музыкальных инструментов ограничен 4 кГц (рис. 2.10). Человек же может различать звуки гораздо более высоких частот, поэтому звучание систем с ограниченной АЧХ, в котором отсутствуют высокие звуки, он будет воспринимать тусклым и приглушенным. Такое явное несоответствие, вытекающее из частотных диапазонов, показанных на рис. 2.10, обусловлено тем, что в них не учтены гармоники музыкальных инструментов.

Рис. 2.10. Диапазон частот, воспроизводимых певческими голосами и различными музыкальными инструментами

Дело в том, что каждый музыкальный звук, который мы слышим, является сочетанием синусоидальных волн разных частот и амплитуд, соотношение которых и определяет характер (или тембр) звука. Результирующая звуковая волна может отображаться на осциллографе импульсами любой формы (треугольными, прямоугольными), причем иногда описать ее форму бывает очень трудно.

Звуковую волну, соответствующую музыкальной ноте определенной высоты, можно получить, объединив несколько синусоидальных волн с определенными параметрами. Набор таких синусоидальных волн называется гармониками, они имеют кратные частоты (т.е. расположены на частотах, полученных умножением исходной на целое число). Частота синусоидальной волны на той высоте, которую мы слышим как ноту, является основной и обычно (но не всегда) самой сильной (т.е. имеет максимальную амплитуду) в комбинации синусоидальных волн, из которых состоит звуковой сигнал сложной формы.

Кроме основной волны в гармонике присутствуют дополнительные синусоидальные волны, которые расположены на кратных более высоких частотах. Например, если частота основной волны гармоники соответствует 500 Гц, то дополнительные волны будут располагаться на частотах 1 кГц, 1.5 кГц, 2 кГц, 2.5 кГц и т.д. Графическая иллюстрация спектра звуков гармоники музыкального инструмента представлена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Гармоники открытой струны скрипки.
Низкие звуки имеют более плотные гармоники.

Обычно, чем выше гармоника, тем ниже ее амплитуда (или сила), поэтому высокие гармоники характеризуются более слабыми звуками, чем основная. Но иногда отдельные гармоники могут быть и громче основной, в таких случаях звук становится более резким, напоминающим те, что издают, например, гобой, кларнет.

Если компоненты синусоидальных волн характеризуются некратными частотами, то они будут восприниматься в виде шума, а не отдельных тонов. Такое звучание дают ударные инструменты, они производят звуки со сложным набором компонентов с некратными частотами.

Качество звука будет определяться соотношением амплитуд компонентов синусоидальных волн (независимо от того имеют ли они кратные или некратные частоты). Поэтому важно, чтобы звуковые системы имели линейную АЧХ, только в этом случае они не будут влиять на звучание инструментов.

2.5 Влияние акустических факторов

На АЧХ звуковой системы оказывает влияние среда, в которой она работает. Если они используются на открытом пространстве, то важными факторами являются ветер, температура и поглощение звуков воздухом. Ветер может отклонять распространяющуюся звуковую волну, а порывистый ветер модулировать звук. Под действием перепада температур звук также может отклоняться, причем в большей степени, чем при ветре. Воздух поглощает в основном волны с высокими частотами, так как мощность высокочастотных волн рассеивается быстрее, чем низкочастотных. Вот почему удаленные звуки мы воспринимаем приглушенными. Степень поглощения высокочастотной части спектра звуковой волны в воздухе зависит от относительной влажности воздуха.

Основными факторами, которые влияют на АЧХ системы, работающей внутри помещения, являются отражения от стен, потолка и пола, а также резонанс комнаты. Отражения не только вызывают реверберацию, но могут приводить к подавлению определенных частот (на АЧХ это проявляется в виде уменьшения уровня сигнала). Все эти эффекты придают звуку определенную окраску.

Влияние среды на звуковые системы подробно будет рассмотрено в главах 5 и 6.

Гари Дэвис, Ральф Джонс, Цифровое видео, N 5 (октябрь), 2002 г.