sobota, 14 maja 2016

Odpowiedź impulsowa i skokowa głośników, przetwarzanie transientów

Dźwięki muzyki składają się z trzech elementów: ataku czyli transientu, fazy podtrzymania i wygasania. Szarpnięcie struny kostką może wyglądać tak:

Rys. 1.

Dźwięk może się więc składać głównie z ataku. Gra na skrzypcach z kolei zawiera długie fazy podtrzymania i krótkie wygasania, fortepian może mieć długie fazy wygasania.

Atak jest najsłabszą stroną głośników i dziwnym zbiegiem okoliczności nie podaje się zniekształceń dla tej fazy, ale dla podtrzymania. Gdyby zmierzyć zniekształcenia dla transientu, raczej nie mogłyby być mniejsze niż kilkanaście procent.

Rys.2. Odpowiedź głośnika na impuls.

Zafalowań po impulsie nie powinno być wcale, a te które są można oszacować na kilkanaście procent.

Jeszcze gorzej sprawy wyglądają, jeśli chodzi o atak przy odpowiedzi na stopień.

Rys. 3. Odpowiedź głośnika na stopień.

Także tu są widoczne zniekształcenia, ale ważniejsze jest rozwarstwienie w czasie. Głośnik niskośredniotonowy spóźnia się w stosunku do wysokotonowego.

Dla porównania sygnał (stopień) podawany do głośników:

Rys. 4. Sygnał testowy - stopień - sterujący głośnik na rysunku 3.

Podobieństwo jest niewielkie lub żadne.

Wykres wodospadowy pokazuje już w całej okazałości, że sygnał swoje, a kolumna swoje. Ten wykres bardzo przypomina wodospad pokazujący wygasanie dźwięku w pomieszczeniu, jedynie skala czasu jest inna. Dla niższych częstotliwości po 1 ms rezonanse są słabsze od sygnału wejściowego zaledwie o kilka dB.

Rys. 5.Skumulowane widmo zanikania dźwięku (czas narastania 0.15ms)

Widać na tych wykresach, że kolumna emituje dźwięk wtedy, kiedy już nie powinna. Niestety nie ma przetwornika bez masy, z kolei nie ma systemu o pewnej masie, który nie miałby rezonansów itd.

Jest wiele powodów, że głośniki dość kiepsko przetwarzają transienty czyli sygnały o nieregularnej i nieustalonej amplitudzie. Masa wiąże się z bezwładnością. Dochodzi do tego niewystarczająca sztywność. Z kolei membrany bardzo sztywne bardziej rezonują. Głośnik napędza energia pola magnetycznego. Żeby uzmysłowić sobie o co chodzi najprościej wziąć do ręki dwa magnesy - pole magnetyczne jest elastyczne, nie jest sztywne. Więc napędzamy głośniki jakby popychając je przez coś, co się ugina i amortyzuje. O jakiejś szczególnej precyzji takiego napędu nie można mówić.

Zniekształcenia fazy ataku są znacznie większe niż dla pomiarów sygnałami ciągłymi. Głośnik przetwarzając sygnał o charakterze powtarzających się cykli o stałej amplitudzie radzi sobie bardzo dobrze o ile nie będzie przeciążony. Jednak nawet głośnik przetwarzający sinusoidę zniekształca ją w odniesieniu do pierwszego okresu. Ruch membrany jest spóźniony, a amplituda mniejsza niż dla następnych cykli. Także gwałtowne urwanie się sygnału nie spowoduje natychmiastowego zaniku drgań i odnosi się to do głośników niskotonowych i w pewnym stopniu do średniotonowych.

Problem w tym, że muzyka składa się głównie z transientów. I dlatego głośniki nie brzmią naturalnie. Można się o tym przekonać mając do dyspozycji mikrofon i zestaw wzmacniacz/głośniki. Głos osoby mówiącej do mikrofonu brzmi inaczej niż mówiącej bez niego. Jest wiele czynników powodujących zmianę brzmienia, ale jednym z ważniejszych jest słabe przetwarzanie transientów przez głośniki i rozwarstwienie w czasie czyli zły timing.

Na szczęście dla większości słuchaczy nie znają oni dźwięku instrumentów grających na żywo, chodzi o instrumenty akustyczne. Również mało kto słyszał wokalistów śpiewających live bez mikrofonu. A zresztą gdyby nawet, to mało kto zwraca uwagę na naturalne brzmienie. Przetwarzanie dźwięku w czasie produkcji nagrań i zmiana jego parametrów nikomu jakby nie wadzi. Wystarczy przesłuchać kilka płyt, włączyć radio albo telewizor. W ogóle wydaje się, że większość preferuje brzmienie sztuczne i nienaturalne. Większość osób może niechętnie, ale przyzna, że koncert orkiestry symfonicznej bardziej im odpowiada, jeśli jest słuchany przez radio.

Głośniki powodują zniekształcenia i zauważalną zmianę brzmienia. Sporo drobnych szczegółów nagrania zostanie zatarta. Po prostu przestają być czytelne, bo właśnie są transientami.

3 komentarze:

  1. No i tak to jest. Ludzie nie chcą czytać tego bloga bo nagle dowiedzieli by się, ze ich sprzęt nie był wart tej kasy.

    OdpowiedzUsuń
  2. Powiem więcej: nie mogą przestać czytać (bo dopiero niedawno na niego trafili) pomimo, że powinni już iść spać ;)

    OdpowiedzUsuń