Minden, amit tudni akart a hangtorzításról – 1. rész

Amikor bármilyen jelről beszélünk, legyen szó hangról, videóról vagy adatról, akkor az elkövetett változtatásoknak és hibáknak valósága van. arra a jelre, amikor az áthalad különböző elektronikus alkatrészeken, vezetőkön vagy mágneses mezőkön. Míg aggodalomra ad okot, amikor azt halljuk, hogy egy komponens torzítást okoz, vagy ha torzítási specifikációkat olvasunk, a torzítás a természet része, és egyszerűen elkerülhetetlen. Amíg a torzítás el nem éri a jelentős szintet az analóg jelben, addig nem lehet sem hallani, sem látni.

A hangtorzítás alapjaival kezdve

Ezt szem előtt tartva teremtsünk alapot az audiojel tulajdonságainak megfigyeléséhez és megértéséhez az elektromos és frekvenciatartományban. Ez az információ szolgál majd a torzítás megértésének alapjául a cikk második részében.

Bármely jel, legyen az egyenáram (DC) vagy váltakozó áram (AC), kétféleképpen elemezhető – időtartományában vagy frekvenciatartományában. A két megfigyelési tartomány közötti különbség megértése drámaian leegyszerűsíti a mobilelektronikai iparban tevékenykedő bárki életét.

Amikor egy jelet figyelünk meg az időtartományban, akkor a jel időhöz viszonyított amplitúdóját nézzük. Általában voltmérőt vagy oszcilloszkópot használunk az időtartományban lévő jelek vizsgálatára. Amikor egy jelet a frekvenciatartományban veszünk figyelembe, az egyes frekvenciák amplitúdóját (vagy erősségét) hasonlítjuk össze, vagy a jelen belüli frekvenciacsoportokat. Számítógépen vagy kézi/asztali eszközökön RTA-t (valós idejű elemzőt) használunk a frekvenciatartomány megtekintésére.

egyenáram

Az elektromos jel amplitúdójának elemzésekor összehasonlítjuk a jelet egy referenciával; az alkalmazások 99%-ában a referencia földelésként ismert. Egyenáramú jel esetén a feszültség szintje állandó marad a testreferenciához és az időhöz képest. Még ha vannak is ingadozások, akkor is egyenáramú jel.

Ha egy egyenáramú jel frekvenciatartalmát felvázolná, azt látná, hogy az egész 0 hertzen (Hz). Az amplitúdó nem változik az idő függvényében.

Vegyük figyelembe autója vagy teherautója egyenáramú akkumulátorának feszültségét. Ez egy viszonylag állandó érték. Ami az amplitúdót az idő függvényében illeti, 12,7-12,9 volt körül mozog egy teljesen feltöltött akkumulátoron, kikapcsolt járműnél. Amikor a jármű jár és a generátor töltődik, ez a feszültség körülbelül 13,5–14,3 voltra nő. Ezt a növekedést az okozza, hogy a generátor áramot táplál vissza az akkumulátorba, hogy feltöltse azt. Ha a generátor által termelt feszültség nem haladja meg az akkumulátor nyugalmi feszültségét, akkor nem folyik áram, és az akkumulátor nem töltődik fel.

Váltóáram

AC jel – idő

Ha egy váltakozó áramú jelet nézünk, például egy 1 kHz-es hangot, amelyet az érzékenységvezérlők beállítására használnánk erősítő, valami egészen mást látunk. Egy ilyen tiszta teszthang esetében a hullámforma szinuszos alakú, az úgynevezett szinuszhullám. Ha egy szinuszhullámot nézünk egy oszcilloszkópon, egy simán gördülő hullámformát látunk, amely éppúgy meghaladja a referenciafeszültségünket, mint lent.

AC jel – Frekvencia

Most már bölcs dolog ugyanezt a jelet a frekvenciatartomány szemszögéből nézni. A frekvenciatartomány grafikonja, ha nincs torzítás, egyetlen frekvenciát fog mutatni. Az audiojelet tekintve a frekvenciamérés amplitúdója (vagy magassága) attól függ, hogy az adott frekvencia mennyire hangos a felvételi technológiánk vagy mérőeszközünk határaihoz képest.

Hang

Amikor hallgatunk valakit, aki beszél vagy játszik egy hangszeren, egyszerre több különböző frekvenciát hallunk. Az emberi agy képes dekódolni a különböző frekvenciákat és amplitúdókat. Tapasztalataink, valamint az egyik fül és a másik fül frekvenciájának és időbeli válaszának különbségei alapján meg tudjuk határozni, hogy mit hallunk, és a hang saját magunkhoz viszonyított helyét.

Az audiojel időtartomány-tartalmának elemzése viszonylag egyszerű. Oszcilloszkópot használnánk a hang hullámformájának megfigyelésére. A szkóp megmutatja nekünk a jel feszültségét az idő függvényében. Ez egy hatékony eszköz az audiokomponensek közötti jelátvitel megértéséhez.

Zongorahang

Középső C – idő

Nézzük meg egy olyan hang amplitúdó- és frekvenciatartalmát, amelyet a legtöbben jól ismerünk. A következő grafikon egy zongora középső C (C4) hangjának felvételének első 0,25 másodperce az időtartományban. Ez a kalapács első találatát jelenti a húrnak. Ha megnézi a kisebb grafikont a nagyobb felett, látni fogja, hogy a hangjegy sokkal messzebbre nyúlik, mint ez a kezdeti 0,25 másodperces szegmens.

Középső C – Frekvencia

Tudjuk, hogy ennek a jegyzetnek az alapfrekvenciája 261,6 Hz, de ha megnézzük a frekvenciatartomány grafikonjait, akkor látni, hogy számos további és fontos frekvencia van jelen. Ezeket a frekvenciákat harmonikusoknak nevezzük. Ezek az alapfrekvencia többszörösei, és ezeknek a felharmonikusoknak az amplitúdója az, amitől egy kis álló zongora hangja különbözik a nagyzongorától és a hárfától vagy a gitártól. Ezeknek a műszereknek ugyanaz az alapvető középső C-frekvenciája, 261,6 Hz; harmonikus tartalmuk másként szólaltatja meg őket. Ennél a zongorahangfelvételnél azt láthatjuk, hogy 523 Hz-en egy nagy tüske, majd egyre kisebb tüskék 790 Hz-en, 1055 Hz-en, 1320 Hz-en és így tovább.

Szinusz és négyzet alakú hullámformák

Minden hanghullámforma alap- és harmonikus frekvenciák összetett kombinációjából áll. A legalapvetőbb, mint említettük, a tiszta szinuszhullám. A szinuszhullámnak csak egyetlen frekvenciája van. A spektrum másik végén egy négyszöghullám található. A négyszöghullám egy alapfrekvenciából, majd páratlan sorrendű harmonikusok végtelen kombinációjából áll, exponenciálisan csökkenő szinteken. Tartsa ezt szem előtt, mert később fontos lesz, amikor a torzításról kezdünk beszélni.

Zajjelek

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!