Что такое АЧХ (амплитудно частотная характеристика) в звуке

Для анализа качества воспроизведения звука наушниками и другими акустическими устройствами используется амплитудно-частотная характеристика в виде графика. Для каждого элемента, передающего звук, измеряется этот параметр и по нему определяется, насколько правильное воспроизведение дает система.

амплитудно частотная характеристика

Что такое АЧХ в звуке

Сложный звук представляет собой ряд колебаний разной частоты. Для него сохраняются шаги между уровнями частот, которые можно измерить и наглядно отобразить с помощью графика. Это и будет амплитудно-частотная характеристика. Так, АЧХ в звуке – это график зависимости амплитуды выходного и выходного сигнала от частоты, выраженной в децибелах.

Также АЧХ рассматривается и как фильтр, ослабляющий или усиливающий сигнал, искажающий его. В этом случае на линии АЧХ исходного сигнала будут периодические амплитудные выступы разной величины, что свидетельствует о неидеальном частотном отклике. Динамики устройств с таким откликом играют звуки в меньшем или большем диапазоне, чем должны. Это влияет на восприятие звука. Он может сопровождаться гулом или шумом, звучание исполнителя может затихать или искажаться.

Человек слышит звуки не в бесконечном диапазоне частот, а в пределах от 20 Гц до 20 кГц. В зависимости от уровня частоты выделяют высокие, низкие и средние частоты. По АЧХ определяют, на каких из них звучание будет правильным, а где нужно что-то изменить. В программах для измерения АЧХ, при описании параметров аудиотехники, в научной литературе используется общая классификация частот:

  • нижние, средние и верхние басы (Low, Mid, Upper Bass) – от 20 до 160 Гц;
  • нижние, центральные и верхние средние частоты (Lower, Middle, Upper Midrange) – от 160 до 1280 Гц;
  • нижние, средние, верхние высокие частоты (Lower, Middle, Upper Treble) – от 1,28 кГц до 10,2 кГц;
  • верхняя октава (Top Octave) – от 10,2 кГц до 20,4 кГц.

Чтобы звучание правильно воспринималось слухом человека, у каждого устройства уровень громкости имеет определенные значения  для соответствующего диапазона частот. Неправильный выбор акустики приводит к плохому звучанию – с помехами, шумом, резко меняющимися высокими или низкими звуками и др. Один из параметров выбора техники – это ровная АЧХ.  Но так как это редкость, интересно исследование причин, которыми объясняются изменения формы графика. К ним относятся:

  • некачественные материалы, из которых сделаны элементы акустической цепи;
  • нагрев кабеля из-за несоответствия номинальной и подаваемой мощности (увеличение температуры вызывает незначительные изменения в графике, но иногда искажения звука довольно существенны, например, когда амплитудные колебания частые);  
  • неправильные настройки цифровых фильтров (ЦФ), когда динамики воспроизводят звуки на не предназначенных для них частотах.

Для выбора и правильной настройки аппаратуры желательно уметь правильно построить график АЧХ. Его назначение – отразить информацию об особенностях воспроизведения сигнала и восприятия его человеческим слухом.

Что показывает АЧХ

Для определения лучшей модели наушников или сравнения нескольких видов аудиоаппаратуры среди анализируемых параметров есть и выражение отношения уровня громкости к частоте сигнала в виде АЧХ. Ее расшифровка показывает спектр частот, на которых звучание будет идеальным, а также его возможное ухудшение, дисбаланс, другие искажения. При этом по амплитуде изменения кривой можно узнать, насколько сильными будут искажения звука.

Соотношение частот и источников звука
соотношение частот и источников звука

График АЧХ строится в квадратной системе координат, в которой по горизонтальной оси откладывают значения частот диапазона слышимости — от низких к высоким, а по вертикальной оси – громкость звучания в дБ.

Правильное звучание дает идеальная АЧХ. Так называется график в виде ровной горизонтальной линии. Но важно знать, что изобразить такой график можно, если рассчитать его математически. У реальных динамиков, наушников и других устройств амплитудно-частотная характеристика отличается от идеальной.

Устройства, воспроизводимые звук, должны иметь частотную характеристику, которая близка к линейной. Если отклонения большие, то динамик не может правильно воспроизводить звуки в соответствующих пропорциях. По этой причине ухудшается качество звука, некоторые участки слышатся глухо, другие, наоборот, и насыщенность звука уменьшается.

график АЧХ
график АЧХ

Если посмотреть на любой график АЧХ, то на некоторых участках он соответствует линейной АЧХ. В этом спектре частот звучание будет точным и правильным. Резкий уход от линейности вверх свидетельствует о том, что звук на этих частотах слишком громкий. Если же график имеет большое отклонение вниз, то звук будет слабым. Небольшая амплитуда громкости обеспечивает качественное звучание. Поэтому график должен быть плавным и без резких колебаний.

Учитывая это свойство графика, при обзорах техники называют диапазон частот, на которых звук хорошо слышен. Поэтому производители в технические характеристики своей продукции вынуждены включать эту информацию из АЧХ. Они указывают верхний и нижний предел частотного диапазона и неравномерность графика. Например, значение «40 Гц – 15 кГц (±5 дБ)» говорит о том, что идеальный звук устройство будет давать в указанном диапазоне частот, а ниже 40 Гц и выше 15 кГц резко увеличится неравномерность. На графике АЧХ это будет выглядеть так: подъем линии до уровня 40 Гц, потом плавная синусоида и резкий уход линии вниз с 15 кГц.

В идеальном варианте на выходе приемника аудиосистемы сигнал не меняется и соответствует входному. Но на практике любые компоненты вносят искажения, что проявляется на графике амплитудными колебаниями. Искажения 1 – 2 дБ на слух не воспринимаются, до 3 дБ почти незаметны, а более этого значения уже дают хорошо слышимые отклонения. Какими они будут, зависит от того, вверх или вниз идет график, на высоких или низких частотах отмечаются амплитудные колебания:

  • подъем в области низких частот – гудение, неясное бубнение;
  • спад в диапазоне низких частот – насыщенность звука басами;
  • подъем в области высоких частот – свист, шипение;
  • спад в районе высоких частот – тусклый, тихий звук.

Поэтому при выборе колонок, наушников и других модулей или систем акустической техники не нужно ориентироваться только на диапазон частот, указанный производителем. Важно узнать полосу частот, в которой АЧХ будет равномерна.

Для исправления ошибок в звучании нужно увеличить относительно плоский участок графика корректировкой акустической системы, например, изменением расположения ее частей или использованием усилителя низкой частоты (УНЧ) и других дополнительных устройств. После внесения заданных поправок ошибка не будет повторяться. Чтобы убедиться в этом, еще раз измеряют АЧХ.

Как правильно измерить АЧХ

В физике АЧХ определяют аналитически, то есть рассчитывают по формулам, например, с помощью функция Фурье. В радиоэлектронике для ее определения используют осциллограф и микрофон. Часто вместе с АЧХ элемента рассчитывают и фазово-частотную характеристику (ФЧХ). Но для выбора аппаратуры она менее информативна.

Практическая цель измерения АЧХ — это согласование каналов по уровню слышимости и динамиков по частоте и фазе, настройка эквалайзера, а также правильное размещение элементов акустической системы в помещении для лучшего звучания музыки. Каждая неравномерность графика – это резонанс, ухудшающий слышимость трека, голоса. Такие места нужно найти, чтобы устранить искажения.

Для измерения АЧХ используются специальные стенды с микрофоном. Сигнал подается на динамик и записывается микрофоном. После этого с помощью программы ARTA и других подобных составляется график.

Для этого важно подобрать качественный измерительный микрофон, у которого будет линейная АЧХ и большой диапазон частот. Хороший вариант – микрофон, используемый в гарнитуре для смартфонов. Его располагают на уровне головы водителя и подключают с одной стороны к усилителю машины, с другой — к ноутбуку.

Потом программа ARTA генерирует и анализирует сигнал, полученный через микрофон. Она работает по методу поочередного воспроизведения сигнала разных частот и строит график по амплитудам сигнала с измерительного микрофона. При первом использовании настраивают программу, выбирая одноканальный метод и активируя режим непрерывного воспроизведения и снятия АЧХ в реальном времени. Другие настройки программы такие:

  • тип обработки графика – сглаживание сигнала;
  • тип сигнала – розовый шум;
  • подгонка осей, чувствительность микрофона и другие характеристики – индивидуально.

Также измерения выполняют с помощью телефона или компьютера и специальных программ: при использовании смартфона — AudioTool , Speedy Spectrum или RTA Pro, для компьютера или ноутбука — LspLab 3 или Room EQ Wizard.

Большинство программ, работающих как звуковой анализатор, выполняют быстрые преобразования Фурье для колебаний и разбивают их на частоты. Для расчетов ряда Фурье используют программу Mathcad (Маткад) и онлайн-сервисы. Для измерения акустики больших помещений удобнее использовать компьютер, а для маленьких, например, салона авто – смартфон. Его проще настроить, но важно, чтобы положение телефона не изменялось в ходе исследования. Также нужно убрать внешние шумы.

Чтобы дома или в салоне авто прослушивать любимые треки в чистом виде, изучают амплитудно-частотную характеристику разных отделов акустики. Она отражает искажения звучания в виде изменений в графике.

Ян Алаев

Инженер-электроник (по первому высшему образованию). Автор действующего российский радиотехнического форума forum.alaev.club. Стаж меломана - более 20 лет.

Добавить комментарий