オーディオの歪みについて知りたいことのすべて - パート 2
オーディオの歪みに関する最初の記事で概説した概念を理解できたなら、これはケーキ。そうでない場合は、戻ってもう一度読んでください。最初は少し複雑かもしれません。
歪みのないオーディオ分析
アンプやプロセッサなどのオーディオ コンポーネントの仕様を見ると、THD+N と呼ばれる仕様が表示されます。 THD+N は、Total Harmonic Distortion plus Noise を表します。この説明に基づいて、歪みはデバイスを通過する波形の形状を変化させると考えるのが妥当です。
以下の 2 つのグラフは、周波数ドメインと時間ドメインで比較的純粋な 1kHz トーンを示しています。
高調波歪みの考察
純粋な 1 kHz の正弦波をオーディオ トラックとして録音し、周波数領域から見ると、 1 kHz の基本周波数で単一のスパイク。プロセスがこの信号を歪めるとどうなりますか? 1.2か1.4kHzになるか？いいえ。従来の歪みは、基本周波数を除去したり動かしたりしません。ただし、追加の周波数が追加されます。 2 kHz または 3 kHz の少し、5 kHz の小さなもの、7 kHz のわずかなものがあるかもしれません。高調波が多いほど、「高調波歪み」が多くなります。
比較的低品質の機器で再生および録音した後、波形に小さな変化があることがわかります。低周波振動と高周波振動の両方が基本の 1 kHz トーンに追加されます。
信号クリッピング
前回の記事で、方形波の周波数成分には無限の奇数次高調波が含まれていると述べました。オーディオについて話すとき、方形波の周波数成分を理解することが重要なのはなぜですか?答えは、シグナル クリッピングを理解することにあります。
オーディオ機器の AC 電圧の限界に達すると、悪いことが起こります。波形は増加しようとするかもしれませんが、波形の上部と下部でフラット スポットが得られます。方形波がどのように生成されるかを考えてみると、基本周波数の無限高調波を組み合わせて方形波の平らな上部と下部を作成する必要があります。この時間領域グラフは、クリッピングが激しい信号を示しています。
オーディオ信号をクリップすると、オーディオ信号に方形波のような動作が導入されます。基本周波数より上のギャップを埋めるために、より多くの高周波コンテンツを追加しています。クリッピングは、録音、ソース ユニット内、ソース ユニットの出力、プロセッサの入力、プロセッサの内部、プロセッサの出力、アンプの入力、またはアンプの出力で発生する可能性があります。増幅器。設定を間違える可能性は現実にあるため、専門家によるオーディオ システムの取り付けと調整をお勧めする多くの理由の 1 つです。
頻度の内容
クリップされた 1 kHz 波形の周波数成分の分析を始めましょう。周波数領域と時間領域から見た穏やかなクリップと、同じ観点から見たハード クリップを見ていきます。この例では、OEM オーディオ システムの周波数応答テストに使用するデジタル インターフェイスを提供します。
これは、元の 1 kHz オーディオ信号の周波数と時間領域のグラフです。単一のトーンは、周波数グラフで予想される単一のスパイクとして表示され、波形は時間領域グラフで滑らかです:
低歪み解析
以下のグラフは、デジタル インターフェイスの入力段でのクリッピングによるオーディオ信号の歪みを示しています。時間領域では、波形の上部にいくつかの小さなフラット スポットが見られます。周波数領域では、2、3、4、5、6 kHz 以上で追加のコンテンツを確認できます。このクリッピングまたは歪みのレベルは、CEA-2006A 仕様がパワー アンプの測定に許可する基準を簡単に超えてしまいます。クリッピングによってハーモニクスが追加されると、1 kHz トーンの変化を聞くことができます。ピュアな音色から酸っぱい音色に変化します。すばらしい実験です。
高歪み解析
以下のグラフは、テスト デバイスへの入力をクリップできる上限を示しています。 1 kHz の正弦波がより方形波のように見えることがわかります。滑らかでローリングする波形はなく、基本信号と同じ周波数 (1 kHz) で極端から極端に電圧がジャンプするだけです。周波数ドメインの観点から見ると、オーディオ信号にはかなりの高調波が存在します。これはあまり良い音ではなく、オーディオ信号のどこで発生するかによっては、機器の損傷につながる可能性があります。 2 kHz、4 kHz などの小さなスパイクに注目してください。それらについては後で説明します。
音声の歪みによる機器の損傷
ここで、この物理学と電気理論のすべてが功を奏し始めます。音楽を聴いている場合、オーディオ信号はほぼ無限の数の異なる周波数で構成されていることがわかります。楽器が異なれば高調波周波数成分も異なります。もちろん、それぞれが多くの異なる音を、場合によっては一度に多く演奏できます。それを分析すると、どれだけのことが起こっているかがわかります。
音楽信号をクリップし始めるとどうなりますか?歪んだすべてのオーディオ信号の高調波を取得します。 1.0 kHz、1.1、1.2、1.3、1.4、および 1.5 kHz の正弦波をすべて同時に異なる量でクリッピングするとします。それぞれが高調波成分を信号に追加します。元の録音よりもはるかに多くの高周波エネルギーを信号にすばやく追加します。
スピーカーについて考えると、通常、その役割を低音域、中音域、高音域の 2 つまたは 3 つの周波数範囲に分けます。この例では、ハイパス クロスオーバーを 100 Hz に設定した同軸スピーカーを使用していると仮定します。トゥイーターは、オーディオ システム スピーカーの中で最も壊れやすいものですが、パッシブ クロスオーバー ネットワークの値に基づいて、4 kHz を超える一定量のオーディオ コンテンツを再生しています。ツイーターが得る電力量は、音楽とミッドレンジ スピーカーに送る電力に比例します。
どこかでオーディオ信号を歪ませ始めると、ハーモニクスを追加し始めます。これは、ツイーターの負担が増えることを意味します。突然、耳障りで、甲高い、歪んだ音がたくさん聞こえてきます。 より多くのエネルギーがツイーターに送られます。彼らの火力処理限界を超えると、彼らは失敗します。実際、ツイーターの吹き飛ばしは、モバイル エレクトロニクス業界では日常茶飯事のようです。しかし、そうすべきではありません。
さらなる歪み
以下は、同時に再生されている 3 つの正弦波の周波数領域グラフです。正弦波は 750 Hz、1000 Hz、および 1250 Hz です。これは、このテスト用に作成した元の再生ファイルです:
コンピューターで 3 つの正弦波トラックを再生し、デジタル インターフェイスで再度録音した後、次のようになりました。はっきりさせておきます:この信号はクリッピングしていません:
かなり混んでいることがわかります。あなたが見ているものは、相互変調歪みと呼ばれています。 2 つのことが起こっています。元の 3 つの周波数の高調波を取得しています。これらは、1500、2000、および 2500 Hz のスパイクで表されます。また、周波数の違いに基づいてノイズが発生しています。この場合、250 Hz の倍数が表示されます。つまり、250 Hz、500 Hz、1500 Hz などです。一部のオーディオ機器のサウンドが他の機器よりも優れている理由を考えたことはありますか?ビンゴ！
録音レベルを上げると、入力回路をデジタル インターフェイスにクリップし始め、さらに高周波の倍音を作成します。ここでその結果を見ることができます:
ここで、複雑なオーディオ信号をクリップするとどうなるか、また、人々がツイーターを爆破し続ける理由を示すために、同じ 3 正弦波信号をデジタル インターフェースにできるだけ強くクリップしたものを示します。
5 kHz を超える高周波数成分が広範囲に見られます。忘れないでください。元の録音には 1250 Hz を超える情報はありませんでした。クリッピングを使用して再生される、ほぼフル スペクトルのオーディオを備えた最新の圧縮音楽トラックを想像してみてください。高周波コンテンツはクレイジーです。不適切に構成されたシステムが原因で、これほど多くの驚くべき小さなツイーターが命を落としたのも不思議ではありません。
音声の歪みに関する最後の考察
オーディオ信号をクリッピングすると DC 電圧が発生し、この DC 電圧がスピーカーのボイス コイルを加熱して故障の原因になるという神話があります。この記事の周波数ドメイン グラフで調べたことを考えると、DC 信号からかなり離れていることがわかります。実際、それは単純に大量の高周波オーディオ コンテンツにすぎません。
相互変調歪みはデリケートな問題です。高レベルの相互変調歪みについて機器をテストするメーカーはほとんどありません。使用しているスピーカーやアンプなどのコンポーネントが相互変調歪みを生成する場合、それを取り除く方法はありません。唯一の選択肢は、より高品質でより優れた設計の製品と交換することです。どの製品にも多少の歪みがあります。どれだけ我慢できるかはあなた次第です。
オーディオ信号のクリッピングによる歪みは、非常に簡単に回避できます。インストーラーがシステムの最終調整を完了すると、システムを最大再生レベルにして、システム内の各コンポーネント間の信号をオシロスコープで見ることができます。電圧の上限を知っていれば (オーディオ チェーンの次のデバイスまたは最大熱出力処理能力に関するスピーカーに)、インストーラーはシステム ゲイン構造を調整して、信号のクリッピングや過熱の可能性を排除できます。スピーカー。その結果、優れたサウンドと何年にもわたって持続するシステムが実現し、ツイーターをカーオーディオの神々に捧げることはありません。
これは、「オーディオの歪みについて知りたいすべて」の 2 回シリーズのパート 2 でした。見逃した方は、ここをクリックしてパート 1 をご覧ください。