O widoczności zniekształceń. Sztuka dźwięku

KSIĄŻKI I ARTYKUŁY
Darmowa biblioteka / Katalog / Sztuka dźwięku

O widoczności zniekształceń

Sztuka dźwięku

Cała historia reprodukcji dźwięku ewoluowała od prób zbliżenia iluzji do oryginału. I choć droga została przebyta, to wciąż bardzo, bardzo daleko do pełnego zbliżenia się do dźwięku na żywo. Można zmierzyć różnice w wielu parametrach, ale wiele z nich pozostaje poza zasięgiem wzroku twórców sprzętu. Jedną z głównych cech, na którą zawsze zwraca uwagę konsument niezależnie od pochodzenia, jest współczynnik zniekształceń nieliniowych (THD).

A jaka wartość tego współczynnika w miarę obiektywnie świadczy o jakości urządzenia? Niecierpliwi mogą od razu znaleźć próbę odpowiedzi na to pytanie na końcu. Co do reszty, kontynuujmy.

Współczynnik ten, zwany także współczynnikiem całkowitego zniekształcenia harmonicznego, jest procentowym stosunkiem efektywnej amplitudy składowych harmonicznych na wyjściu urządzenia (wzmacniacza, magnetofonu itp.) do efektywnej amplitudy sygnału częstotliwości podstawowej po przyłożeniu sygnału sinusoidalnego o tej częstotliwości na wejście urządzenia. Pozwala zatem ilościowo określić nieliniowość charakterystyki przenoszenia, która objawia się występowaniem w sygnale wyjściowym składowych widmowych (harmonicznych), których nie ma w sygnale wejściowym. Innymi słowy, następuje jakościowa zmiana w widmie sygnału muzycznego.

Oprócz obiektywnych zniekształceń harmonicznych występujących w słyszalnym sygnale dźwiękowym, istnieje problem zniekształceń, których nie ma w prawdziwym dźwięku, ale które są odczuwalne na skutek subiektywnych harmonicznych występujących w ślimaku przy wysokich wartościach ciśnienia akustycznego. Aparat słuchowy człowieka jest systemem nieliniowym. Nieliniowość słyszenia objawia się tym, że w przypadku narażenia na działanie błony bębenkowej dźwięku sinusoidalnego o częstotliwości f, w aparacie słuchowym generowane są harmoniczne tego dźwięku o częstotliwościach 2f, 3f itd. Ponieważ te harmoniczne nie występują w głównym tonie wpływającym, nazywane są harmonicznymi subiektywnymi.

Naturalnie to jeszcze bardziej komplikuje pojęcie maksymalnego dopuszczalnego poziomu harmonicznych w ścieżce audio. Wraz ze wzrostem intensywności tonu podstawowego wielkość subiektywnych harmonicznych gwałtownie wzrasta i może nawet przekroczyć intensywność tonu podstawowego. Okoliczność ta daje podstawy do przypuszczenia, że dźwięki o częstotliwości mniejszej niż 100 Hz są odbierane nie same z siebie, lecz ze względu na tworzone przez nie subiektywne harmoniczne, mieszczące się w zakresie częstotliwości powyżej 100 Hz, tj. ze względu na nieliniowy słuch. Fizyczne przyczyny powstałych zniekształceń sprzętowych w różnych urządzeniach mają różny charakter, a udział każdego z nich w ogólnym zniekształceniu całej ścieżki nie jest taki sam.

Zniekształcenia współczesnych odtwarzaczy CD mają bardzo niskie wartości i są prawie niezauważalne na tle zniekształceń innych bloków. W przypadku systemów akustycznych największe znaczenie mają zniekształcenia w zakresie niskich częstotliwości powodowane przez głowicę basową, a norma określa wymagania jedynie dla drugiej i trzeciej harmonicznej w zakresie częstotliwości do 250 Hz. A w przypadku bardzo dobrze brzmiącego systemu głośników mogą one mieścić się w granicach 1% lub nawet nieco więcej. W magnetofonach analogowych głównym problemem związanym z fizyczną podstawą nagrywania na taśmie magnetycznej jest trzecia harmoniczna, której wartości są zwykle podawane w instrukcjach w celach informacyjnych. Jednak maksymalna wartość, przy której zawsze dokonuje się np. pomiarów poziomu hałasu, wynosi 3% dla częstotliwości 333 Hz. Zniekształcenia części elektronicznej magnetofonów są znacznie mniejsze.

Zarówno w przypadku akustyki, jak i w przypadku magnetofonów analogowych, ze względu na to, że zniekształcenia mają głównie charakter dolny, ich subiektywna widoczność znacznie spada ze względu na efekt maskowania (polegający na tym, że wyższa częstotliwość jest lepiej słyszalna z dwóch jednocześnie sygnały dźwiękowe). Zatem głównym źródłem zniekształceń na twojej ścieżce będzie wzmacniacz mocy, w którym z kolei główną jest nieliniowość charakterystyk przenoszenia elementów aktywnych: tranzystorów i lamp próżniowych, a we wzmacniaczach transformatorowych nie- dodawane jest również zniekształcenie liniowe transformatora, związane z nieliniowością krzywej namagnesowania. Oczywiście z jednej strony zniekształcenie zależy od kształtu nieliniowości charakterystyki przenoszenia, ale także od charakteru sygnału wejściowego.

Na przykład odpowiedź przenoszenia wzmacniacza z miękkim obcinaniem przy dużych amplitudach nie spowoduje żadnych zniekształceń sygnałów sinusoidalnych poniżej poziomu obcinania, a gdy sygnał wzrośnie powyżej tego poziomu, pojawią się zniekształcenia i będą się zwiększać. Ten charakter ograniczenia dotyczy głównie wzmacniaczy lampowych, co w pewnym stopniu może być jednym z powodów preferowania takich wzmacniaczy przez słuchaczy. I tę cechę NAD wykorzystał w serii swoich rewelacyjnych wzmacniaczy z „miękkim ograniczaniem” produkowanych od początku lat 80-tych: możliwość włączenia trybu z imitacją obcinania lamp stworzyła pokaźną armię fanów wzmacniaczy tranzystorowych NAD.

Natomiast charakterystyczne wycięcie we wzmacniaczu, charakterystyczne dla modeli tranzystorowych, będzie zniekształcać sygnały muzyczne i sygnały o małych falach sinusoidalnych i będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem poziomu sygnału. Zatem zniekształcenie zależy nie tylko od kształtu charakterystyki przenoszenia, ale także od rozkładu statystycznego poziomów sygnału wejściowego, który dla programów muzycznych jest bliski sygnałowi szumu. Dlatego oprócz pomiaru SOI za pomocą sygnału sinusoidalnego istnieje możliwość pomiaru zniekształceń nieliniowych urządzeń wzmacniających za pomocą sumy trzech sygnałów sinusoidalnych lub szumowych, co w świetle powyższego daje bardziej obiektywny obraz zniekształceń.

Niestety te ostatnie nie zyskały międzynarodowego uznania i szerokiej dystrybucji. Tak zwany „paradoks tranzystora” w przekonujący sposób ukazuje niedostatecznie rozwiniętą technikę pomiaru SOI. Bo jak wytłumaczyć, że zgodnie z wynikami licznych subiektywnych badań, wzmacniacze lampowe z SOI, setki, a nawet tysiące razy większe od tranzystorowych, mają wyraźną preferencję? Analiza składu widmowego zniekształceń wzmacniaczy lampowych i tranzystorowych wskazuje na ich znaczną różnicę: we wzmacniaczach lampowych największy udział w zniekształceniach mają harmoniczne niskiego rzędu, a ich intensywność proporcjonalnie maleje wraz ze wzrostem liczby harmonicznych, w tranzystorze widmo jest znacznie szersze, a intensywność poszczególnych składników nie wykazuje żadnej regularności.

Oczywiście, biorąc pod uwagę efekt maskowania, wpływ zniekształceń niskiego rzędu na subiektywny odbiór składowych harmonicznych zostaje osłabiony, a tym samym uwydatniona zostanie rola wyższych harmonicznych. Zatem dla dokładniejszej oceny odkształceń konieczne byłoby wprowadzenie współczynników wagowych przy wyznaczaniu efektywnej amplitudy odkształceń przy sumowaniu harmonicznych oraz zwiększenie wpływu wyższych harmonicznych. Nie ma jednak ogólnie przyjętych metod takich pomiarów. Dla typowej postaci nieliniowości typu „step” poziom odczuwalności zniekształceń dla ucha dla sygnału sinusoidalnego wynosi 0,1%, a dla sygnałów muzycznych 1%.

THD mierzy się w zakresie częstotliwości od 40 Hz do 16 kHz i w zakresie poziomów od nominalnego poziomu wyjściowego do minus 23 dB. THD nowoczesnych wzmacniaczy mieści się zwykle w zakresie od 0,001 do 296. W przypadku wzmacniaczy klasy Hi-Fi międzynarodowe standardy (IEC 581-6 i inne) ustalają standard zniekształceń na poziomie 0,7%. Aby sprawdzić widoczność zniekształceń w domowym systemie, można skorzystać ze specjalnych nagrań z wprowadzonym, ściśle ustalonym poziomem zniekształceń. Na przykład testowa płyta CD „MY DISC” (Sheffield Lab) zawiera kilkanaście utworów z oddzielnymi nagraniami sinusoidalnymi i muzycznymi o poziomach zniekształceń 0,03%, 0,1% i tak dalej, ze stopniowo rosnącym zniekształceniem aż do 10%.

Jestem pewien, że rezultaty słuchania takich nagrań będą dla wielu niesamowite.

Autor: Aleksiej Grudinin

Polecamy ciekawe artykuły Sekcja Sztuka dźwięku:

▪ Ewolucja systemów dźwięku przestrzennego – od mono do 3D

▪ Nagrywanie muzyki z komputera na magnetofon

▪ Co to jest RIAA, MM i MC

Zobacz inne artykuły Sekcja Sztuka dźwięku.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Pułapka powietrzna na owady 01.05.2024

Rolnictwo jest jednym z kluczowych sektorów gospodarki, a zwalczanie szkodników stanowi integralną część tego procesu. Zespół naukowców z Indyjskiej Rady Badań Rolniczych i Centralnego Instytutu Badań nad Ziemniakami (ICAR-CPRI) w Shimla wymyślił innowacyjne rozwiązanie tego problemu – napędzaną wiatrem pułapkę powietrzną na owady. Urządzenie to eliminuje niedociągnięcia tradycyjnych metod zwalczania szkodników, dostarczając dane dotyczące populacji owadów w czasie rzeczywistym. Pułapka zasilana jest w całości energią wiatru, co czyni ją rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska i niewymagającym zasilania. Jego unikalna konstrukcja umożliwia monitorowanie zarówno szkodliwych, jak i pożytecznych owadów, zapewniając pełny przegląd populacji na każdym obszarze rolniczym. „Oceniając docelowe szkodniki we właściwym czasie, możemy podjąć niezbędne środki w celu zwalczania zarówno szkodników, jak i chorób” – mówi Kapil ... >>

Zagrożenie śmieciami kosmicznymi dla ziemskiego pola magnetycznego 01.05.2024

Coraz częściej słyszymy o wzroście ilości śmieci kosmicznych otaczających naszą planetę. Jednak do tego problemu przyczyniają się nie tylko aktywne satelity i statki kosmiczne, ale także pozostałości po starych misjach. Rosnąca liczba satelitów wystrzeliwanych przez firmy takie jak SpaceX stwarza nie tylko szanse dla rozwoju Internetu, ale także poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa kosmicznego. Eksperci zwracają obecnie uwagę na potencjalne konsekwencje dla ziemskiego pola magnetycznego. Dr Jonathan McDowell z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics podkreśla, że firmy szybko wdrażają konstelacje satelitów, a liczba satelitów może wzrosnąć do 100 000 w następnej dekadzie. Szybki rozwój tych kosmicznych armad satelitów może prowadzić do skażenia środowiska plazmowego Ziemi niebezpiecznymi śmieciami i zagrożenia dla stabilności magnetosfery. Metalowe odłamki ze zużytych rakiet mogą zakłócać jonosferę i magnetosferę. Oba te systemy odgrywają kluczową rolę w ochronie i utrzymaniu atmosfery ... >>

Zestalanie substancji sypkich 30.04.2024

W świecie nauki istnieje wiele tajemnic, a jedną z nich jest dziwne zachowanie materiałów sypkich. Mogą zachowywać się jak ciało stałe, ale nagle zamieniają się w płynącą ciecz. Zjawisko to przyciągnęło uwagę wielu badaczy i być może w końcu jesteśmy coraz bliżej rozwiązania tej zagadki. Wyobraź sobie piasek w klepsydrze. Zwykle przepływa swobodnie, ale w niektórych przypadkach jego cząsteczki zaczynają się zatykać, zamieniając się z cieczy w ciało stałe. To przejście ma ważne implikacje dla wielu dziedzin, od produkcji leków po budownictwo. Naukowcy z USA podjęli próbę opisania tego zjawiska i zbliżenia się do jego zrozumienia. W badaniu naukowcy przeprowadzili symulacje w laboratorium, wykorzystując dane z worków z kulkami polistyrenowymi. Odkryli, że wibracje w tych zbiorach mają określone częstotliwości, co oznacza, że tylko określone rodzaje wibracji mogą przemieszczać się przez materiał. Otrzymane ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum

Fotony zamiast elektronów dla rewolucyjnych procesorów 18.01.2021

IBM jest tego pewien, że nowoczesne możliwości obliczeniowe klasycznych architektur procesorowych się wyczerpały. Co więcej, stały się przeszkodą w rozwoju systemów uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji. Przełom obserwowany jest w rozwoju fotoniki krzemowej i obliczeń pamięciowych, gdzie dane są przetwarzane tam, gdzie są przechowywane. A dziś IBM udowodnił, że znalazł drogę do elektroniki przyszłości, w której fotony będą latać przez obwody zamiast elektronów.

IBM połączył siły z naukowcami z kilku krajów, aby opracować i wdrożyć optyczny system obliczeniowy do przyspieszania sieci neuronowych. W szczególności firma stworzyła „fotoniczny rdzeń tensorowy”, który jest zdolny do wykonywania tak zwanej operacji splotu – operacji matematycznej na dwóch funkcjach, która daje trzecią funkcję – w jednym kroku czasowym. Zwykle jest to proste dodawanie lub mnożenie, ale przetwarzanie pojedynczego fragmentu danych wymaga miliardów takich operacji, więc małe opóźnienia i niskie zużycie są podstawowymi wymaganiami dla takich systemów.

Wykonywanie operacji na danych w pamięci to dodatkowa możliwość zaoszczędzenia zarówno zużycia, jak i opóźnień, ponieważ dane nie muszą być przesyłane do procesora iz powrotem. W projekcie IBM dane były przechowywane i przetwarzane w komórkach pamięci opartych na pamięci zmiany fazy.

Kolejnym krokiem do przyspieszenia przetwarzania danych jest multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM). Innymi słowy, dane były przesyłane do bloku pamięci w postaci światła o różnych długościach fal. Takie podejście umożliwia zarówno rozszerzenie kanału transmisji danych (rozszerzenie częstotliwości), jak i równoległe wykonywanie operacji na strumieniu danych fotonowych. Tam, gdzie elektrony płynęły sekwencyjnie w obwodach, obwody fotoniczne umożliwiają równoległy przepływ danych i jednoczesne przetwarzanie każdego z przepływów. To ogromne przyspieszenie przetwarzania danych!

W ramach eksperymentu utworzono macierz 9 x 4 z maksymalnie czterema wektorami wejściowymi na krok czasowy, z których każdy był transmitowany jako promieniowanie świetlne o różnej długości fali. W przypadku operacji MAC (multiply-accumulate) macierz wykazała wydajność 2 TOPS/s przy częstotliwości modulacji 14 GHz. IBM spodziewa się, że proponowany projekt obwodu pomoże osiągnąć wydajność obwodów fotonicznych w pamięci na poziomie PetaMAC/s na mm2 (tysiące bilionów operacji MAC), która jest o trzy rzędy wielkości wyższa niż dzisiejszy poziom 1 TOPS/mm2 dla prądu elektronika.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Xenon - zbawiciel komórek nerwowych

▪ Sztuka powstała w Afryce

▪ Produkcja akumulatorów litowo-jonowych wzrośnie o 390%

▪ lekarstwo na karalucha

▪ Dysk SSD WD Blue SN550 2 TB NVMe

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Mikrofony, mikrofony radiowe. Wybór artykułów

▪ artykuł Głodny i spragniony. Popularne wyrażenie

▪ artykuł Jak żydowska dziewczynka wygrała konkurs fotograficzny dla aryjskich dzieci? Szczegółowa odpowiedź

▪ artykuł Operator maszyny plecionki (tkacz). Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy

▪ artykuł Pasywne systemy fotowoltaiczne. Postanowienia ogólne. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

▪ artykuł Zgadywanie sumy liczb na kostce. Sekret ostrości

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn