Наши статьи

[olegm]

Интересная статья попалась на overсlockers, запощу ее здесь.

Оригинал тут https://overclockers.ru/blog/remont_accumulyatora_noutbuka/show/116036/pochemu-polosa-propuskaniya-usilitelej-zvuka-i-akustiki-ot-20-gc-do-20-kgc-nedopustimo-mala

Человеческий слух, как известно, способен услышать звуковые колебания, не выходящие за пределы 20 Гц-20 кГц. У людей разных возрастов из-за изменений в слуховом аппарате этот предел разный. После 40 лет большинство людей уже не слышат звуки свыше 16 кГц, а после 50 лет свыше 13 кГц. Но все же считается, что человек слышит звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

  Исходя из этих возможностей человеческого слуха все ширпотребовские звуковые усилители и акустические системы проектируются и производятся способными воспроизводить звуки, не выходящие за пределы этого частотного диапазона (20 Гц-20 кГц). А зачастую имеют и ещё более узкий диапазон.

 

 

  Такая ширина полос усилителей и акустики считается вполне достаточной для воспроизведения без потерь и искажений слышимых человеком звуков. Будь то музыка, речь человека, звуки природы. Все вроде бы логично, раз эти полосы полностью перекрывают диапазон слышимых звуков, то и все звуки будут воспроизведены в первозданном виде без каких-либо искажений. И нет никакой необходимости в воспроизведении частот, выходящих за пределы слышимости.

 Все это было бы справедливо, если бы все усиливаемые звуковыми усилителями и воспроизводимые акустикой звуки состояли только лишь из синусоидальных сигналов. Но на самом деле это не совсем так. Вернее, совсем не так. 

 

 

Проблематика усиления музыкальных звуков

  Все звуки музыкальных инструментов являются источником сигналов сложной формы. Такой сигнал кроме основного звука определенной частоты содержит и много призвуков на частотах выше основного. Они называются обертонами, по сути это ничто иное как гармоники. 

  Их частоты кратны частоте основного звука и зачастую выходят за верхний предел диапазона слышимых звуков. Естественно, что сами по себе обертоны вне диапазона слышимых звуков слышимы не будут. Но будучи наложенными на основной сигнал, так же как и слышимые, придают ему особый индивидуальный звуковой окрас. Звук становится богаче, прозрачнее и воздушнее. Именно благодаря обертонам мы и отличаем звуки одинаковой частоты, издаваемые пианино и скрипкой. 

  Чтобы до конца было понятно, приведу еще пример. У нас есть сложный звук в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов (меандр) с частотой следования 2 кГц. 

  Необходимо этот сигнал без искажений усилить и воспроизвести. Нам известно, что любой сигнал, форма которого отличается от синусоидальной, имеет в своем составе гармоники. То есть является суммой гармонических синусоидальных колебаний (рядом Фурье) разной амплитуды и частоты. Частоты этих гармоник кратны частоте первой основной гармоники (основного сигнала) и простираются достаточно далеко по оси частот. Но чем выше их частота, тем меньше их амплитуда и результирующий вклад в формирование правильной формы сигнала. Поэтому достаточно просуммировать только определённую часть гармоник для получения практически правильной формы сигнала. В нашем случае периодической последовательности прямоугольных импульсов достаточно первых пятидесяти гармоник. 

 

   Теперь посчитаем, какая должна быть верхняя граница полосы пропускания звукового усилителя, чтобы он мог усилить 50-ю гармонику нашей последовательности импульсов (меандра). Особенность меандра состоит в том, что он состоит только из нечетных гармоник, а четные отсутствуют. Поэтому 50-й по счету гармоникой будет 99 нечетная гармоника меандра. Итого ее частота составит 2 кГц х 99 = 198 кГц.

  Соответственно в полосу пропускания ширпотребовских звуковых усилителей и акустики, которая составляет 20 Гц – 20 кГц войдут только 1-я (2 кГц), 3-я (6 кГц), 5-я (10 кГц), 7-я (14 кГц) и 9-я (18 кГц) нечетные гармоники. Только они будут усилены и воспроизведены, и их явно недостаточно для получения правильной формы исходного сигнала. То есть звуковой усилитель и акустика с такими узкими полосами пропускания сильно исказят наш меандр, даже на такой невысокой частоте, как 2 кГц. 

Формирование меандра из первых шести гармоник (сигнал на выходе узкополосного усилителя)

Формирование меандра из первых шести гармоник (сигнал на выходе узкополосного усилителя)

  Фронты у такого сигнала станут пологими, так как скорость нарастания и спада сигнала сильно уменьшиться, вершины сигналов приобретут провалы и всплески.  А что тогда говорить про более высокую частоту. 

  Из всего вышесказанного вполне очевидно, что чем шире полоса пропускания усилителя, тем быстрее сможет нарастать и спадать сигнал на его выходе и тем выше будет его быстродействие. То есть между шириной пропускания усилителя и его быстродействием имеется прямая зависимость, шире полоса – выше быстродействие. 

Звуковые усилители с расширенными полосами пропускания

   Многие читатели скажут, что не существует звуковых усилителей, способных усиливать сигналы с частотами до 200 кГц, и уж тем более выше. 

  Но я скажу, что такие усилители есть. Например, «TiERRA» - сверхбыстродействующие усилители российской компании Prorphetmaster Audio с очень широкой полосой пропускания от 0 Гц до 8000 кГц (8 мегагерц), вы только вдумайтесь в эти цифры.

Сверхбыстродействующий усилитель TiERRA   И это не единичный пример, вот еще усилитель попроще: «HAFLER DH-220» с полосой пропускания от 3 Гц до 160 кГц, что весьма недурно. Его качество звучания несопоставимо выше ширпотребовских усилителей. И ведь на самом деле подобных звуковых усилителей не так уж и мало.

   Но почему-то все считают стандартом полосу пропускания звуковых усилителей от 20 Гц до 20 кГц. Хотя еще в СССР был ГОСТ 24388-88, который предписывал усилителям первой группы сложности иметь полосу пропускания от 20 Гц до 25 кГц. А усилителям нулевой группы сложности, высокой верности воспроизведения от 10 Гц до 40 кГц. Об этом все забыли. 

 

Важность быстродействия цепей отрицательной обратной связи в усилителях

    Существует еще один немаловажный фактор, которому требуется подобная широкая полоса пропускания звуковых усилителей или же их высокое быстродействие, что в общем то одно и тоже. Этим фактором является быстродействие цепей отрицательной обратной связи (ООС). 

   Наличие цепей ООС в усилителях, это техническая необходимость. Эти цепи значительно, я бы сказал, глобально, уменьшают искажения усиливаемого сигнала. Через них часть сигнала проходящего через тракт усилителя поступает с его выхода на вход для соответствующего изменения коэффициента усиления и минимизации искажений.

  При узкой полосе пропускания усилителя низкое быстродействие имеют и все цепи ООС. Будучи медленными, они не успевают отреагировать на поступающий усиливаемый сигнал с крутыми фронтами. Это приводит к тому, что сигнал поступает на вход усилителя с его выхода с запаздыванием. Соответственно регулировка коэффициента усиления усилителя производится также с запаздыванием. В результате этого каждая начальная часть нового усиливаемого сигнала (импульса) на протяжении этого запаздывания будет усиливаться с максимальным искажением. 

Искаженный цепями ООС меандр на выходе усилителя

  И хоть длительность этих искажений и невелика, слушатели с хорошим слухом услышат их отчетливо. 

  Поэтому в таком широкополосном усилителе, как «TiERRA», характеристики которого я приводил выше, подобные искажения будут отсутствовать вовсе, а в более простых, с полосой до 160 кГц будут крайне незначительны и на слух восприниматься не будут.

Акустические системы с расширенными полосами пропускания

  Со звуковыми усилителями теперь понятно. А что с акустикой? Ведь для таких высококлассных усилителей нужна и соответствующая акустика.

  Читатели скажут, что акустика с таким широким диапазоном уж точно не существует. А я скажу, что есть. Например, акустика ELAC BS 244 c диапазоном до 50 кГц.

Акустика  ELAC BS 244

 Еще пример, акустика KEF LS50 Meta с диапазоном до 45 кГц. 

Акустика KEF LS50 Meta

  А для расширения частотного диапазона узкополосных акустических систем применяются дополнительные высокочастотные головки, называемые супертвитерами. Например, супертвитер ALLB Music позволяет расширить частотный диапазон до 55 кГц.

Супертвитер ALLB Music

  Надеюсь, что статья была вам интересна. Пишите в комментариях, пользовались ли вы когда-нибудь звуковыми усилителями и акустическими системами с расширенными полосами пропускания. И достаточно ли в вашей звуковой аппаратуре имеющейся ширины полосы пропускания от 20 Гц до 20 кГц. 

[Мусатов Костя]

Настолько ненаучный подход, что плакать хочется....

[olegm]

58 минут назад, Мусатов Костя сказал:

Настолько ненаучный подход, что плакать хочется....

А каков научный подход? Слышим не больше 20 кгц, остальное маркетинг?

[Игвин]

1 час назад, Мусатов Костя сказал:

Настолько ненаучный подход, что плакать хочется....

Не споря с частностями (которые явно натянуты), скажу что общий вывод верный.
Полосу надо делать шире.
Причем измерять её в сквозном тракте, уже собранном, а не в компонентах по отдельности.

[Игвин]

9 минут назад, olegm сказал:

А каков научный подход? Слышим не больше 20 кгц, остальное маркетинг?

ИМХО, нет. Не маркетинг. Необходимость.

[владлен]

А что даёт широкая полоса усилителя при ограничениях в источнике? Что усиливать?

Меандр с CD выглядит гораздо хуже на выходе чем с генератора.

[Baculum]

2 минуты назад, владлен сказал:

А что даёт широкая полоса усилителя при ограничениях в источнике? Что усиливать?

Ну формально чем шире полоса пропускания - тем выше линейность на рабочем участке, но это опять же вопрос формулировки ТТХ. Можно сказать, что усилок пропускает от постоянки до мегагерца, а можно привести 20-20 с неравномерностью например в тысячные доли дБ.

[Игвин]

2 минуты назад, владлен сказал:

А что даёт широкая полоса усилителя при ограничениях в источнике? Что усиливать?

Меандр с CD выглядит гораздо хуже на выходе чем с генератора.

На меандр с CD смотреть не надо, это вредно.
Чтобы понимать, ПОЧЕМУ он такой, надо хорошо знать теорию.
Но вот на простой вопрос, на какой частоте следует резать частоту на выходе восстанавливающего фильтра ЦАПа, если диапазон CD ограничен частотой 22,5 кГц, не существует простого ответа. Точнее, существует, но только теоретически. Практические же фильтры, даже по крутой аппроксимации (скажем, Чебышева), отнюдь не обладают идеальной АЧХ в полосе пропускания. А уж монотонно-фазовый Бессель так тем более.
Имея на частоте 22 кГц завал в -3dB, мы имеем на частоте 16 кГц уже слышимый завал.
И это только самый очевидный пример...

6 минут назад, Baculum сказал:

Можно сказать, что усилок пропускает от постоянки до мегагерца, а можно привести 20-20 с неравномерностью например в тысячные доли дБ.

Чтобы удовлетворить этому условию, полоса должна быть гораздо шире.
См. выше.
В то же время, формально, достаточно обеспечить завал в -3dB при аппроксимации по Баттерворту на частоте 22 кГц, чтобы на частоте 16 кГц уже был совершенно несущественный завал.
Ну, и мы так сделаем, а потом подключим на выход ДАКа усилитель через некий кабель, и на входе усилителя сигнал "увидит" ФНЧ первого порядка с частотой среза к примеру 50 кГц... Казалось бы, пустяк... Но как он сложится с первым завалом, и что получится? Никто ж не знает заранее, где начнется реальный завал в уже собранной системе. А если ещё посмотреть АЧХ акустически, а именно ту АЧХ, которую мы СЛЫШИМ? Поэтому сразу предложил измерять сквозную АЧХ.

Те же соображения работают внизу диапазона.
Но там ещё и фазовые набеги появляются значительные.
Вот тут уже можно смотреть меандр, полки которого (скажем при частоте повторения 10 Гц) не должны быть сильно завалены. Заваленные полки свидетельствуют, что НЧ область звукового сигнала воспроизводится неверно, а при этом измерения АЧХ на синусе ничего такого не показывают.

[x'tall]

49 минут назад, olegm сказал:

А каков научный подход? Слышим не больше 20 кгц, остальное маркетинг?

Вы подняли очень спорную тему. Сродни уже отгремевшим залпами флуда "что такое хай-энд" или "натуральный звук". ИМХО, такое обсуждать имеет смысл ТОЛЬКО после проверки "ушек" обсуждаемого и убедившись, что он В СОСТОЯНИИ услышать обсуждаемый предмет и ему это ДЕЙСТВИТЕЛЬНО нужно. В приличном тракте, позволяющим проделать ряд экспериментов с полосой пропускания, динамикой, разрешением и средней частотой системы. Делается это неспешно, перемежая чашечками кофе. В остальных случаях, без обид, это не закончится ничем.

[владлен]

1 час назад, olegm сказал:

А каков научный подход? Слышим не больше 20 кгц, остальное маркетинг?

Понять что реально слышим. И как правильно измерять слышимый диапазон. Синус это просто и доступно, но не факт что правильно. Слышать "воздух" это какой диапазон?

[Alexander M]

4 часа назад, olegm сказал:

...достаточно ли в вашей звуковой аппаратуре имеющейся ширины полосы пропускания от 20 Гц до 20 кГц. 

это что-то из прошлого века? Такую еще выпускают?)

 

[Васильев Игорь]

Spectral Audio выпускают такие усилители. Чем то они руководствуются, делая это.

[Baculum]

17 минут назад, Васильев Игорь сказал:

Spectral Audio выпускают такие усилители. Чем то они руководствуются, делая это.

Мне казалось у них наоборот, в смысле совсем не 20-20, а примерно так: DC to 2.5 MHz -3 dB

[Мусатов Костя]

2 часа назад, olegm сказал:

А каков научный подход? Слышим не больше 20 кгц, остальное маркетинг?

Научный подход требует делать выводы исходя из проверенных утверждений, например результатов чужих исследований. Тут же человек ставил задачу обосновать свой вывод о необходимости широкой полосы. Вывод то есть, а вот с обоснованием получилось неудобно.

Если речь идет о транзисторных усилителях с ООС, то выполнение ряда других технических требований, предъявляемых к работе усилителя автоматически приводит к расширению полосы его пропускания. Например, если усилитель с ООС будет иметь граничную частоту 20 кГц, то это означает, что на ВЧ у него не будет запаса по усилению в петле ООС и подавления искажений не будет, что будет означать появление интермодов в СЧ диапазоне от сигналов ВЧ диапазона. 

Второе, это ссылки на форму сигнала. Слух у человека не работает как микрофон. Ни на каком этапе слухового восприятия нет прямого преобразования звуковых колебаний. Условно говоря, на первом же этапе производится спектроанализ входного сигнала и уже его результаты возбуждают слуховые нервы. Собственно для контроля этого производились исследования по сравнению слуховых ощущений от сигналов, состоящих из гармонически связанных частей, но с разными фазовыми соотношениями. При этом осциллографическая форма сигналов оказывается совсем разная. А на слух они не отличимы.

Третье, уже не раз люди отдавали предпочтение источникам сигнала или усилителям с ограниченной полосой, но не имеющих проблем с линейностью. Те же ламповые усилители слушают с удовольствием и не жалуются на ограниченную полосу или винил или магнитофон. 

Потому получается, что вывод условно правильный, а обоснование некорректное. Да и вывод больше является следствием других требований. Ну, например, мой транзисторный усилитель имеет полосу гораздо шире 20 кГц, у него первый полюс располагается выше 20 кГц. Полоса усилителя вообще оказывается около 2 МГц. Но такая полоса может вызывать проблемы по ЭМ совместимости. Потому по входу и выходу стоят фильтры примерно на 200-250 кГц. Получается ответ на вопрос "нужна ли такая широкая полоса?" - нет, она получается при решении других задач. 

[М.и.х.а.и.л]

Не претендую на глубокие познания в рассматриваемой теме, поэтому приведу слова Дэвида Уилсона (Wilson Audio), которые он сказал во время интервью, когда журналист поинтересовался его мнением относительно супертвитеров:

" Я вообще не понимаю, зачем они нужны. Информации на УЗЧ мало, воспроизвести ее сложно. Гораздо больше пользы от дополнительного твитера подзвучки на тыльной стороне колонок, расширяющего диаграмму направленности."

 

[promtxt]

5 часов назад, olegm сказал:

Но все же считается, что человек слышит звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Ошибочно считается , - наш слух намного тоньше , чем было принято считать
https://arxiv.org/pdf/1208.4611.pdf

 

[irharry]

17 минут назад, М.и.х.а.и.л сказал:

" Я вообще не понимаю, зачем они нужны. Информации на УЗЧ мало, воспроизвести ее сложно. Гораздо больше пользы от дополнительного твитера подзвучки на тыльной стороне колонок, расширяющего диаграмму направленности."

 Высокочастотные звуки, в том числе те, которые находятся за пределами диапазона человеческого слуха, в сочетании с полнодиапазонным звуком стимулируют большую альфа-активность, таламическую циркуляцию и реакцию вознаграждения в мозгу. (Цутому, 2000 г.).

Исследователи мозга в Киотском университете провели исследование, которое показало, что музыка, содержащая высокие частоты выше слышимого диапазона, оказывает значительное влияние на активность мозга. Они выявили увеличение притока крови к определенным центрам мозга наряду с повышенной электрической активностью.

Этот тип звука также заставлял людей чувствовать себя более счастливыми и позитивными. Субъекты чувствовали, что полнодиапазонный звук, содержащий высокие частоты, был мягче, более реверберативным, с лучшим балансом инструментов, более приятным для слуха и богаче нюансами, чем звук, из которого были удалены высокие частоты.

Было обнаружено, что эти звуки вызывают активацию глубоко лежащих структур мозга, включая ствол мозга и таламус. Кроме того, было обнаружено, что звук, содержащий гиперзвуковые высокие частоты, усиливает эмоциональное удовольствие испытуемых от прослушивания музыки.

 

[М.и.х.а.и.л]

1 минуту назад, irharry сказал:

Высокочастотные звуки, в том числе те, которые находятся за пределами диапазона человеческого слуха, в сочетании с полнодиапазонным звуком стимулируют большую альфа-активность, таламическую циркуляцию и реакцию вознаграждения в мозгу. (Цутому, 2000 г.).

Когда встречусь с Дэвидом Уилсоном обязательно ему это расскажу! А то так и будет продолжать "лажовую" акустику делать.

[irharry]

2 минуты назад, М.и.х.а.и.л сказал:

Когда встречусь с Дэвидом Уилсоном обязательно ему это расскажу!

Он собирается к вам в Самару? 

[М.и.х.а.и.л]

1 минуту назад, irharry сказал:

Он собирается к вам в Самару?

Шутка!

[irharry]

3 минуты назад, М.и.х.а.и.л сказал:

Шутка!

 когда журналист поинтересовался его мнением относительно супертвитеров:

А я уж подумал, что это он Вам сказал. Впрочем , какая разница. Вы не верите во влияние супертвитера, а у меня стоит Fostex FT96Н и прекрасно дополняет звучание акустики.

[Мусатов Костя]

15 минут назад, irharry сказал:

 Высокочастотные звуки, в том числе те, которые находятся за пределами диапазона человеческого слуха, в сочетании с полнодиапазонным звуком стимулируют большую альфа-активность, таламическую циркуляцию и реакцию вознаграждения в мозгу. (Цутому, 2000 г.).

Исследователи мозга в Киотском университете провели исследование, которое показало, что музыка, содержащая высокие частоты выше слышимого диапазона, оказывает значительное влияние на активность мозга. Они выявили увеличение притока крови к определенным центрам мозга наряду с повышенной электрической активностью.

Этот тип звука также заставлял людей чувствовать себя более счастливыми и позитивными. Субъекты чувствовали, что полнодиапазонный звук, содержащий высокие частоты, был мягче, более реверберативным, с лучшим балансом инструментов, более приятным для слуха и богаче нюансами, чем звук, из которого были удалены высокие частоты.

Было обнаружено, что эти звуки вызывают активацию глубоко лежащих структур мозга, включая ствол мозга и таламус. Кроме того, было обнаружено, что звук, содержащий гиперзвуковые высокие частоты, усиливает эмоциональное удовольствие испытуемых от прослушивания музыки.

 

У вас есть ссылка на публикацию. А то звучит как-то.... 

В свое время были публикации по чувствительности слуха к ультразвуку и их начали раскручивать. Но потом пришло опровержение - нашли что проблема была в излучателях, которые давали в звуковом диапазоне интермоды и именно их и слышали испытуемые.

[Васильев Игорь]

1 час назад, Baculum сказал:

а примерно так: DC to 2.5 MHz -3 dB

я это и имел ввиду

[М.и.х.а.и.л]

6 минут назад, irharry сказал:

Вы не верите во влияние супертвитера, а у меня стоит Fostex FT96Н и прекрасно дополняет звучание акустики.

Не "не верю", а не слышу прироста качества. Я даже собирал супертвитеры для своей акустики. Да, эффект есть, изменения в звучании слышно, но вот качество звучания стало хуже. Возможно сказалась интерференция между штатным ВЧ и супертвитером. После долгих неудачных экспериментов отказался от супертвитеров. В вашем случае, возможно, что дело не в том, что Fostex воспроизводит частоты выше 30кГц, а в том, что он помогает вашей акустике на частотах 10-15 кГц. Но в любом случае, если Вам нравится, значит так и должно быть, я не в коем случае не против.

[Васильев Игорь]

55 минут назад, Мусатов Костя сказал:

Научный подход требует делать выводы исходя из проверенных утверждений, например результатов чужих исследований. Тут же человек ставил задачу обосновать свой вывод о необходимости широкой полосы. Вывод то есть, а вот с обоснованием получилось неудобно.

 Полоса усилителя вообще оказывается около 2 МГц. Но такая полоса может вызывать проблемы по ЭМ совместимости. Потому по входу и выходу стоят фильтры примерно на 200-250 кГц. Получается ответ на вопрос "нужна ли такая широкая полоса?" - нет, она получается при решении других задач. 

Это обратная сторона медали)

У Spectral тоже может  возникнуть подобная проблема - поэтому они рекомендуют свои кабели с ценником ого го, в составе которых что то вроде подобного фильтра.