4.8 / 5 ( 46 голосов )
Если человек хочет приобрести хорошие наушники, опираясь не только на внешний вид, но и качество звучания, то ему следует обязательно изучить вопрос, что такое амплитудно-частотная характеристика. Этот термин применим ко всем без исключения аудиоустройствам (наушники, усилители, колонки, стереосистемы, магнитолы и т.д.). Расшифровка и описание частоты АЧХ некоторым может показаться сложным, поэтому постараемся рассказать все максимально просто и доступно.
- Что такое АЧХ наушников?
- Тонкости измерений
- Анализ Фурье
- Типы АЧХ наушников
- Как выбрать наушники по АЧХ
- АЧХ для разных видов наушников
Что такое амплитудно-частотная характеристика
Чтобы понимать и разбираться в том, как та или иная аппаратура или АС работает необходимо хотя бы в общих чертах знать, что такое амплитудно-частотную характеристика звука. АЧХ (сокращенная аббревиатура параметра) — фундаментальный показатель в аудиотехнологиях, содержащий достаточно много важной информации.
Амплиту́дно-часто́тная характери́стика (АЧХ) — зависимость амплитуды выходного сигнала некоторой системы от частоты её входного гармонического сигнала. WikiPedia
От того, насколько АС обладает качественной амплитудно-частотной характеристикой, в конечном итоге, зависит то, какой звук будет принят человеческим ухом. Учитывая универсальность и диапазон человеческого слуха (от 20 Гц на низких частотах и до 20 кГц на высоких) АЧХ должна стремиться к максимально к идеальной (пунктирная линия 3), то есть линейной (см. график ниже).
Рис. 1. Пример амплитудно-частотной характеристики.
В реальности же, как правило, наблюдается искаженная АЧХ (линии 1 и 2 на графике выше). В том случае, если АЧХ с заметными искажениями, то остальные компоненты аудиоаппаратуры не смогут в правильной пропорции воспроизвести звуки на низких, средних и высоких частотах. А именно правильное соотношение звука в разных диапазонах лает его насыщенным и богатым, приятным человеческому уху.
Сопротивление или импеданс
Итак, по порядку. Сопротивление или импеданс. В одних случаях указывается одно, в других — другое, и в этом есть определенное лукавство. Да, если подсоединить омметр к клеммам акустического кабеля, мы получим требуемые 4, 6 или 8 Ом с точностью ±10%. Только вот беда, это измерение некорректно: мы используем постоянный ток, а нас интересует сопротивление переменному току в звуковом диапазоне частот. И заметим: голосовая катушка динамика по определению не может иметь линейное (не зависящее от частоты) электрическое сопротивление — ведь это индуктивность! А если учесть, что у динамика есть резонансные частоты, и в составе колонки таких динамиков несколько, плюс все это объединяет и вовсе нелинейная схема кроссовера, то измеренное нами сопротивление постоянному току становится просто ориентировочной цифрой.
График замера импеданса (сопротивления)
Корректным параметром становится импеданс, под которым, как правило, имеется в виду сопротивление переменному току — в нашем случае различное на разных частотах. Чаще всего, он представляется в виде графика такой зависимости. В серьезных моделях колонок такой график часто прилагается. Для колонок сопротивлением 8 Ом на определенных частотах импеданс может «проседать» втрое — скажем, до 2-3 Ом — и это способно стать серьезной проблемой для работы подключенного к колонке усилителя. Более-менее ровная кривая импеданса у многополосной системы — признак серьезного уровня разработки АС.
Сравнение АЧХ двух АС
Для большего понимания при чтении сравним амплитудно-частотные характеристики двух акустических систем. Результат тестирования колонок отображен с помощью графика. По горизонтальной оси отмечен диапазон частот, а по вертикальной оси — отклонения в децибелах. Отметим, что отклонение в 1 дБ — минимальное различимое изменение звука, а 3 дБ — хотя и небольшое, но заметное колебание громкости. Так же вертикальная шкала — логарифмическая, так что усиление звука от 0 до 10 дБ означает двукратное усиление громкости, а не десятикратное в случае с линейной осью.
Рис. 2. Сравнение АЧХ двух акустических систем. 1-я пара колонок — синий цвет, вторая пара АС — оранжевый
Как видно из графиков, 1-я пара колонок демонстрирует отличную отличная частотная характеристика, практически выдерживающая плоскую горизонтальную линию в диапазоне от 40 Гц до 11 кГц. Сильных провалов либо отклонений вверх или вниз на всей линейке диапазонов не наблюдается, а отклонения укладываются в 1–2 дБ.
Вторя пара АС (оранжевая линия) отмечена резким всплеском в диапазоне верхних частот. В районе 6 кГц «горб» говорит о том, что в данном диапазоне колонки продемонстрируют резкий раздражающий звук.
Характеристическая чувствительность (Sensitivity, Efficiency)
Отношение среднего звукового давления, развиваемого акустической системой в заданном диапазоне частот (обычно 100 — 8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС категории Hi — Fi уровень характеристической чувствительности составляет 86 — 90 дБ (в технической литературе вместо дБ часто указывается дБ/м/Вт). В последние годы появились высококачественные широкополосные АС с высокой чувствительностью 93 — 95 дБ/м/Вт и более. Параметр определяющий, какой динамический диапазон, то есть отношение максимального звукового давления, к минимальному, выраженное в децибелах, способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку.
АЧХ наушников
Разберем на примере амплитудно-частотной характеристики наушников на что стоит обращать внимание при оценке качества звучания той или иной АС.
Итак, напомним, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависимость уровня звукового давления от частоты воспроизводимого выходного сигнала.
В технических данных наушников указывается их рабочий диапазон частот. Как правило, в пределах указанного диапазона частота воспроизведения звука наушниками должна быть хорошей. Неверно полагать, что вне этого диапазона воспроизведения звука не будет. Оно будет, но заметно тише.
Частотный диапазон, в пределах которого качество звука соответствует заявленному, отмечается с помощью крайних точек. За пределами указанных точек наблюдается существенное отклонение от усредненных данных. Как правило, рабочий диапазон частот должен сопровождаться указанием этого отклонения. Ниже приведен пример правильного выделения 2-х диапазонов звуковых частот:
- 19-13700 Гц — 6 дБ;
- 8.5-26600 Гц —12 дБ.
Рис. 3. Правильное выделение 2-х диапазонов звуковых частот.
Манипуляция производителей может заключаться в том, что у ряда моделей (как правило, недорогих) демонстрируется узкий диапазон качественного воспроизведения звука, а у более дорогих вариаций АС — наоборот, широкий.
При этом применяются индивидуальные методики определения диапазона звуковых частот, которые не учитывают инструментальный анализ. Более подробно об АЧХ наушников можно почитать на сайте doctorhead.ru.
Нижняя частота воспроизведения
Разброс значений в диапазоне низких частот составил от -6 до -20 дБ. Сектор ниже 10 Гц оказался очень чувствительным к внешнему шуму м вибрациям. Кроме того, на конечный результат влияло и положение наушников. Если фиксировался небольшой спад в сторону 10 Гц, то показатель нижней частоты фиксировался как 5 Гц. В случае большего спада его необходимо определять на уровне -12 дБ.
Проверка ряда заявлений, что наушники могут уверенно воспроизводить звук с частотой в 1 Гц, показали, что уже при небольшой уровне громкости анализируемым изделий не хватает запаса хода.
Вывод: предельное ограничение по нижней частоте определяется не по спаду амплитудно-частотной характеристики, а по конструктивным особенностям наушников. Так, модели с длительным и пологим спадом АПХ нижний порог границы достигает 5 Гц. В таких наушниках при средней громкости отсутствуют хрипы звука вследствие низкой амплитуды. А вот у изделий с высокими басами и с отсутствием спада АЧХ в обозначенном диапазоне — порог 20 Гц.
Верхняя частота воспроизведения
Анализ верхних частот показал, что сопоставимые с заявленными производителями верхние границы можно достичь при отклонении от общего уровня на примерно -15 ~ -20 дБ. При настройке звука эквалайзером — подъеме диапазона высоких частот, отклонения вниз составляли порядка -3 или -6 дБ.
Как правило, каждый производитель самостоятельно принимает решение об настройке звука эквалайзером при опубликовании заявленных АЧХ. Ориентировка по графикам показывает границу верхней частоты воспроизведения в пределах -18 дБ. Определение точных частот и уровня пиков и провалов делать не стоит, так как многое зависит от того, как были надеты наушники.
Рис. 4. АЧХ наушников при подаче 1 В при разной глубине посадки в ушную раковину.
При частоте свыше 10 кГц могут наблюдаться большой разброс характеристик. Это зависит как раз от того, как наушники зафиксированы в ушной раковине. Даже миллиметровое или меньше смещение уже существенным образом отражается на качестве звука.
На графике амплитудно-частотной характеристики ярко выражено несколько резонансных пиков. В зависимости от того насколько глубоко наушник находится в ухе, а также от индивидуальных физиологических особенной ушной раковины будет ощущаться тот или иной резонансный пик. Именно поэтому лучше всего выбирать те изделий, в которых данные показатели резонансов или сглажены или не так ярко выражены.
Кроме того, на коробках наушников указываются предельные значения частот, вне которых наблюдается спад, сама амплитудно-частотная характеристика не указывается. Например, для указания звуковых характеристик усилителей, демонстрирующих более плавную и ровную АЧХ, указываются пороговые значения частот в дБ. Так, формат 20Гц — 20кГц — 3дБ фиксирует диапазон от 20 Гц до 20 кГц как устойчивый, вне которого амплитуда сигнала будет заметно меньше 3 дБ.
В случае с наушниками на АЧХ может влиять банально посадка на уши для накладных и глубина осадки для затычек, форма и материал амбушюр.
Да. Если купили наушники, типа затычки, плохого качества, то вы можете улучшить звучание только заменив амбушюры — со стандартных силиконовых на из пенного материала, и вы получите более лучшую звуковую картину. Появятся глубокие басы и качественные верха.
Электрическая (акустическая) мощность (Power Handling)
Мощность определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении. Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:
Характеристическая
При которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. В рекомендациях МЭК значение этого уровня установлено 94 дБ на расстоянии 1 метр.
Максимальная (предельная) шумовая или паспортная (Power Handling Capacity)
При которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.
Максимальная (предельная) синусоидальная (Maximum Sinusoidal Testing Power, Rated Maximum Sinusoidal Power)
Мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительно работать без механических и тепловых повреждений.
Максимальная (предельная) долговременная (Long Term Maximum Input Power)
Мощность, которую акустика выдерживает без механических и тепловых повреждений в течение одной минуты, при таком же испытательном сигнале, как и для паспортной мощности. Испытания повторяются 10 раз с интервалом в 1 минуту.
Максимальная (предельная) кратковременная (Short Term Maximum Input Power)
Мощность, которую выдерживает АС при испытании шумовым сигналом с таким же распределением, как и для паспортной мощности, в течение 1 секунды. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 минуту.
Пиковая (максимальная) музыкальная мощность или «музыкальная» (Peak Music Power Output – PMPO)
Излюбленный параметр производителей, озабоченных сбытом своей, часто не очень качественной, аппаратуры. Методика измерения, определяемая немецким стандартом DIN 45500, следующая: на АС подается кратковременный (менее 2 секунд) сигнал частотой ниже 250 Гц. Акустика считается прошедшей испытания, если при этом нет заметных на слух(!) искажений. Данная методика позволяет упомянутым выше производителям снабжать свои изделия яркими наклейками с такими примерно текстами: «P.M.P.O. …» (или «Musical Power…») «…100!», «…200!» и даже… «…1000 Wt!». Понятно, что этот параметр слабо характеризует реальное качество воспроизведения звука.
При выборе пары усилитель плюс АС, желательно, чтобы реальная максимальная мощность акустической системы превышала мощность усилителя приблизительно на 30 и более процентов. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики, по причине подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня. Например с усилителем мощностью 50 Вт на канал, можно использовать колонки с паспортной мощностью 75 Вт каждая. Какая мощность усилителя достаточна для качественного воспроизведения звука? Во многом это определяется параметрами помещения, характеристиками акустических систем, потребностями самого слушателя. С большой степенью приблизительности считается, что для современных жилых помещений среднего размера мощность усилителя должна быть не менее 20 Вт.
АЧХ акустических систем (колонок)
Разных систем акустики отличается и методика измерения АЧХ. Так для динамиков, устанавливаемых в различных колонках (в отличие от наушников) акустические характеристики считаются верными в случае снятия показаний при минимальном отражении эха от стен. Это осуществляется, как правило, либо на открытом пространстве, либо в камере с нулевым эхо.
Параметры наушников замеряются на специальном стенде, амплитудные характеристики которого зависят от того, как он сконструирован. Поэтому при фиксации рабочего диапазона частот необходимо указывать как само отклонение, так и данные стенда. Логично, что сравнивать диапазоны частот акустических систем можно только при замерах на одном стенде. Однако, на практике используют стенды с различающимися конструкциями, поэтому рекомендуется достигать сопоставимых показателей данных АЧХ.
Количество каналов
Диапазон хороших колонок во многом зависит от количества каналов. Динамики разного размера способны воспроизводить только определенный диапазон частот. При этом наблюдается такая закономерность: чем больше диаметр, тем более басовито может «гудеть» такой излучатель.
Для того, чтобы передать звуковые частоты в полной мере, их разделяют по каналам, оснащая каждую несколькими динамиками под каждый диапазон. Сегодня самыми распространенными являются:
- Двухканальные – один НЧ динамик, плюс излучатель для СЧ и ВЧ;
- Трехканальные – по одному динамику на НЧ, СЧ и ВЧ.
Это касается не только стереофонических систем, но колонок 2.1. Разница лишь в том, что массивный НЧ динамик в последнем случае вынесен в отдельный корпус. Замечено, что звучит такая стереосистема лучше, так как «бочка» обычно располагается отдельно и не перебивает звук СЧ и ВЧ излучателей.
Это же справедливо по отношению к колонкам 5 1. Конструкция фронтальных и тыльных колонок у них обычно не различается, поэтому они воспроизводят те же звуковые частоты.
Впрочем, на позиционирование источника звука при просмотре фильма на ПК или домашнем кинотеатре, это никак не влияет, а именно для этого и устанавливается такая акустика.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя
Коэффициент усиления при частотном изменении сигнала, определяет частотные характеристики усилителя. Непосредственно сама зависимость выходного напряжения (или коэффициента усиления), отмечается по вертикальной оси (ордината), представлен ниже (рис.1). По горизонтальной оси (абсцисса) откладывается величина частоты.
Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя.
Частота фиксируются в логарифмическом масштабе (нелинейном). Это растягивает (расширяет) график на низких частотах и сужает диапазон высоких частот.
График четко фиксирует падение уровня коэффициента усиления в низкочастотной и высокочастотной областях. При этом демонстрируется четкая линейная стабильность величины в среднечастотной области. На среднюю область, находящуюся между частотами f1(20 Гц) и f2 (20 кГц), приходится полоса пропускания усилителя. Указанные частоты f1 и f2 соотносятся с точками a1 и a2.
Еще эти точки называют точки по уровню 3 дБ, соответственно а1 — нижняя точка по уровню 3 дБ, а2 — верхняя точка. На указанную область приходиться 70% максимального выходного напряжения усилителя. При этом выходная мощность усилителя в указанных частотах ровно в 2 раза меньше. Это дало второе название указанным позициям, а именно: точки по уровню половинной мощности.
Для гарантированного усиления звука во всем диапазоне (20 Гц–20 кГц), доступного человеку, необходимо чтобы усилитель звуковой частоты обладал более широкой полосой пропускания. Причем внутри обозначенной области величина коэффициента усиления УЗЧ должна быть постоянной. За пределами указанной полосы усилительный эффект может падать.
Естественные природные звуки, как и человеческая речь, а также музыка — это сложнейший симбиоз совершенно разных звуков в различных диапазонах. Именно поэтому, чем выше способность усилителя в более широком диапазоне преобразовать сигнал без искажения — тем качество усилительного прибора выше. УЗЧ с ограниченной (узкой) пропускающей полосой исказит значительное количество звуков, что и демонстрируют простые усилители.
Различают 2 типа звуковых искажений, по частоте и по амплитуде.
Амплитудные искажения
У любого усилителя существует предельный параметр (порог) выходного сигнала, запрещенный для превышения. В случае превышения такого значения происходит искажение амплитуды, выражающееся в сглаживании «горба» звукового сигнала. Сглаживаться могут как положительные, как отрицательные, так и оба сигнальных пика.
Рис. 6. Три варианта амплитудных искажений.
Коэффициент нелинейных искажений (Distortion, Total Harmonic, THD)
Характеризует появление в процессе преобразования, отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих искажающих его структуру, то есть, в конечном счете, точность воспроизведения. Важный параметр, так как «взнос» АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта как правило является максимальным. Например коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для акустики – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.
Частотные искажения
Усилители звука должны обеспечивать в результате аппаратной обработки неискаженный по своей форме выходной сигнал (амплитуда может изменяться). Как правило, на входе звуковой сигнал — это совокупность разных частотных синусоидальной сигналов, а также их производных. Для качественного усиления и последующего воспроизведения все компоненты входного сигнала должны быть усилены в одинаковой мере.
Иначе говоря, необходима фиксация одинакового частотного коэффициента усиления. На графике (см. выше) частотная характеристика идеального сигнала в полосе пропускания отображается как ровная линия. Если наблюдаются провалы или «горбы», то сигнал искажается.
Рис. 7. АЧХ усилителя, у которого наблюдается более значительное усиление высокочастотных сигналов.
На рисунке выше (рис. 7) продемонстрирована АЧХ усилителя, у которого наблюдается более значительное усиление высокочастотных сигналов по сравнению с низкочастотным сигналом, где наблюдается более ровная линия. Следовательно, в искаженном сигнале на выходе будут превалировать высокие частоты.
