Измерение амплитудно-частотной характеристики с помощью измерительного микрофона или что мы видим на АЧХ на самом деле.
Многие радиолюбители и профессионалы пользуются измерительными микрофонами и средствами измерения АЧХ и полагают, что увиденные на экране компьютера частотные характеристики соответствуют действительному звучанию акустической системы и объективно характеризуют её качество.
Что же мы видим на АЧХ на самом деле?
Рассмотрим физику явления.
Акустическая система излучает многочастотные звуковые волны, представляющие собой области сжатого и разряженного воздуха относительно атмосферного давления (101 325 Па) на доли Паскаля ±0,1…0,5 Па. Часто для лучшего понимания приводится следующая картинка:
Эта картинка соответствует реальности только для одной частоты т.е. синусоидального сигнала без высших гармоник.
Реальный музыкальный много частотный сигнал воспроизводимый динамической головкой представляет собой сумму всех составляющих гармоник звука т.е происходит модуляция и изменение формы сигнала.
Звук бас гитары амплитудно промодулирован звуком скрипки и всё это пульсирует с частотой бочки барабана и т.д. Все звуки просуммированны ещё на этапе записи если запись велась на отдельные микрофоны или прямо в помещении студии или концертного зала если запись велась на один микрофон (или стерео-микрофон). Отделить чистый звук отдельного инструмента с общей записи уже невозможно.
Воспроизведённые акустической системой волны отражаются от препятствий и отращённые волны складываются с первоначальными появляются стоячие волны, когда амплитуды прямой и обратной совпадают, но в общем случае они являются смешанными стоячими и бегущими т.к. многочастотный сигнал имеет неограниченный набор гармоник, синусоид каждая из который может быть как бегущей так и стоячей. В помещении в каждой точке пространства если в него поместить измерительный микрофон или слушателя может проявляться нормальное звуковоспроизведение на одних частотах и провалы и подъёмы уровня на других.
Поэтому измерительный микрофон помещают подальше от отражающих звук стен и препятствий.
Если допустить, что отражённых волн нет и звуковоспроизводящая система воспроизводит сигнал абсолютно точно, то мембрана измерительного микрофона выдаст тот же самый сигнал который выдавал записывающий (студийный, концертный и т.д.) микрофон.
Затем сигнал микрофона усиливается и преобразуется. Что ставят в схемах на входе блоков индикации обычно, правильно – диод и конденсатор!
Накапливающий конденсатор позволяет увидеть на индикаторе амплитуду быстроизменяющегося во времени сигнала. Аналогично были устроены допотопные спектроанализаторы только вместо одной полоски на канал там ставились 16..32 и больше. Сигнал на каждую полоску индикатора разделялся входным фильтром. Сейчас это делается программным путём, но принцип остаётся тот же. Входной фильтр каждой полоски индикатора имеет определённую конечную ширину. В идеальном случае, если мы подадим на вход частоту 1кГц то должен подняться индикаторный столбик соответствующий частоте 1 кГц, в реальности фильтры не настолько высокодобротные и поднимутся ещё несколько соседних столбиков индикации 800 Гц и 1,25 кГц и другие. Это явление называется растекание спектра:
Другими словами мало того, что программа АЧХ показывает только усреднённые амплитудные значения так ещё и частоту единичного сигнала точно показать не может.
А теперь вспомним про реальный звуковой мультичастотный сигнал, на два рисунка выше – в нём присутствуют как положительные, так и отрицательные мгновенные значения. Как пишут в инструкциях к радиприёмникам при смене батарей соблюдайте полярность. В данном представлении АЧХ полярность не учитывается. Мы все знаем как правильно соединять батарейки чтобы из двух 1.5 вольтовых сделать 3 В. Звуковые электрические сигналы точно так же соединяются и складываются с учётом «знака полярности». Под «знаком полярности» нужно понимать что сигнал переменный и полярность его непрерывно изменяется, как например положение секундной стрелки на часах – в данном случае это положение называется фазой, если в часах положение соответствующее 12 часам – назвать точка отсчёта, то 3 часа будет соответствовать 90°, 6 часов – 180°, 9 часов – 270°, полный круг – 360° или 0°. При движении стрелки в обратную сторону (от 12 часов к 9) к значениям градусов добавляется минус (-90°).
Теперь с учётом этого дополним информацию АЧХ информацией о фазе сигнала. В плоскости монитора ни одна программа АЧХ этого не отобразит.
Представим, что каждый столбик это стрелка часов двигающаяся в плоскости перпендикулярной плоскости монитора т.е. к нам или от нас, а мы видим её сбоку поэтому она имеет вид столбика.
В программе каждый столбик – это амплитуда сигнала без учёта фазы т.е. длина воображаемой стрелки. Это делает тот амплитудный детектор из диода и конденсатора выше.
Теперь уберём искажающие представление о действительности элементы – диод и конденсатор на входе и «столбики- стрелки» будут как выше так и ниже нулевого значения.
Следует помнить, что на рисунке только проекция движения непрерывно вращающихся столбиков-стрелок на плоскость рисунка. Так если стрелка направлена от нас и мы видим её «хвост» мы не имеет представления какой она длины, а на рисунке она будет точкой или нулём.
С какой угловой скоростью вращаются эти стрелки? 2πf – где f – частота соответствующая ей.
Как понятно, для представления сигнала изменяющего по амплитуде, времени (фазе) и зависящего от частоты одной плоскости недостаточно.
Об этом факте постоянно забывают радиолюбители или настойчиво умалчивают производители. В лучшем случае ФЧХ указывается на графике АЧХ, но кто на неё обращает внимание?
Тем более, что график ФЧХ представлен в неудобном для понимания виде, когда фаза проскакивает через границу -180° (+180°) она оказывается на другом конце графика (программа просто вычитает полный период, что математически правильно) но стоит понимать, что в реальности сигнал отстаёт на уже более чем полный период. А подсчитайте сколько это по времени, будет ли слышна ли эта задержка? Так для частоты например 40 Гц полный период будет равен T=1/40=0,025 c. Кто услышит задержку в 25 милисекунд? Я думаю большинство услышит.
Дополнительно к этому известно, что акустические системы являются нелинейными не минимально -фазовыми т.е. взяв производную функцию от фазочастотной мы не получим адекватную амплитудочастотную функцию.
Таким образом на сегодняшний день пока не создан инструмент полностью отражающий комплексный характер звуковых волн от мультичастотного нелинейного сигнала.
Принимая несколько допущений о неидеальности и неточности средств измерения, измерительным микрофоном и программным комплексом можно оценить работу акустических систем и выявить грубые ошибки, но полностью описать звук графиками АЧХ и ФЧХ нельзя.
Также нужно понимать, что каждый человек имеет слуховую систему с индивидуальными параметрами, эти параметры в большинстве неизвестны.
Инженер пытается создать систему с ровной АЧХ и пологой ФЧХ, а в итоге звук такой системы не нравится конкретному слушателю. Так же слух имеет свойство подстраиваться и привыкать. Когда радиолюбитель чувствует, что его акустическая система звучит не так как надо, он заменив конденсаторы и провода на аудиофильские всех убеждает, что теперь система стала звучать лучше. Это может быть и так, инструментально доказать это «лучше» пока не удаётся. Также обычно выясняется, что системы «улучшенные» одним любителем совсем не нравятся другим и подлежат последующему «улучшению».
Комментарии (1)