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 1

オーディオ、ビデオ、データなど、あらゆる信号について話すとき、変更やエラーが発生する現実が伴います。その信号は、さまざまな電子部品、導体、または磁場を通過する際に変換されます。コンポーネントが歪みをもたらすと聞いたり、歪みの仕様を読んだりすると心配になりますが、歪みは自然の一部であり、避けられません。歪みは、アナログ信号でかなりのレベルに達するまで、聞こえたり見えたりすることはありません。

音声歪みの基礎から始める

それを念頭に置いて、電気的および周波数ドメインでオーディオ信号の特性を観察および理解するための基礎を作成しましょう。この情報は、この記事のパート 2 で歪みを理解するための基礎となります。

直流 (DC) であれ交流 (AC) であれ、あらゆる信号は、時間領域または周波数領域の 2 つの方法で分析できます。これら 2 つの観察領域の違いを理解することで、モバイル エレクトロニクス業界に携わるすべての人の生活が劇的に簡素化されます。

時間領域で信号を観察する場合、時間に対する信号の振幅を見ています。通常、電圧計またはオシロスコープを使用して、時間領域で信号を調べます。周波数ドメインで信号を検討する場合、信号内の個々の周波数または周波数のグループの振幅 (または強度) を比較しています。コンピューターまたはハンドヘルド/ベンチトップ デバイスで RTA (リアルタイム アナライザー) を使用して、周波数ドメインを調べます。

直流

電気信号の振幅を分析する場合、信号を基準と比較します。アプリケーションの 99% では、リファレンスはグランドとして知られています。 DC 信号の場合、電圧レベルは接地基準および時間に対して一定のままです。変動があっても直流信号です。

DC 信号の周波数成分をグラフにすると、すべて 0 ヘルツ (Hz) であることがわかります。振幅は時間に対して変化しません。

車やトラックの DC バッテリー電圧を考えてみましょう。これは比較的一定の値です。振幅対時間に関しては、完全に充電されたバッテリーで車両をオフにして約 12.7 ～ 12.9 ボルトに収まります。車両が走行し、オルタネーターが充電されているとき、この電圧は約 13.5 ～ 14.3 ボルトに上昇します。この増加は、オルタネーターがバッテリーを充電するために電流をバッテリーに送り返すために発生します。オルタネーターによって生成された電圧がバッテリーの静止電圧よりも高くない場合、電流は流れず、バッテリーは再充電されません.

交流

交流信号 – 時間

1 kHz トーンなどの AC 信号を見ると、アンプ、私たちは何か非常に異なるものを見ています.このような純粋なテストトーンの場合、波形は正弦波と呼ばれる正弦波状になります。オシロスコープで正弦波を見ると、基準電圧より下と同じくらい上に伸びている滑らかなローリング波形が見えます。

交流信号 – 周波数

この同じ信号を周波数ドメインの観点から見ることが賢明です。歪みがなければ、周波数ドメイン グラフは単一の周波数を示します。オーディオ信号を考慮すると、その周波数測定値の振幅 (または高さ) は、その単一周波数が、当社の録音技術または測定デバイスの限界に対してどれだけ大きいかによって異なります。

オーディオ

誰かが話したり楽器を演奏したりするのを聞くと、同時に多くの異なる周波数が聞こえます。人間の脳は、さまざまな周波数と振幅を解読できます。私たちの経験と、片方の耳ともう一方の耳の間の周波数と時間応答の違いに基づいて、私たちが聞いているものと、自分自身に対する音の位置を判断できます。

オーディオ信号の時間領域コンテンツの分析は比較的簡単です。オシロスコープを使用してオーディオ波形を観察します。スコープは、信号電圧と時間の関係を示します。これは、オーディオ コンポーネント間の信号伝送を理解する上で強力なツールです。

ピアノの音符

ミドル C – 時間

私たちのほとんどがよく知っている音の振幅と周波数成分を見てみましょう。次のグラフは、時間領域でのピアノの中央 C (C4) ノートの録音の最初の 0.25 秒です。これは、ハンマーが弦に最初に当たったことを表します。大きい方のグラフの上にある小さい方のグラフを見ると、メモがこの最初の 0.25 秒のセグメントよりもはるかに長く伸びていることがわかります。

ミドル C – 頻度

この音の基本周波数が 261.6 Hz であることはわかっていますが、周波数領域のグラフを見ると、追加の重要な周波数がいくつか存在することがわかります。これらの周波数は高調波と呼ばれます。それらは基本周波数の倍数であり、これらのハーモニクスの振幅が、小さなアップライト ピアノのサウンドをグランド ピアノやハープやギターとは異なるものにしています。これらの楽器はすべて、261.6 Hz という同じ基本的な中間 C 周波数を持っています。それらの倍音成分により、サウンドが異なります。このピアノの音の録音の場合、523 Hz に大きなスパイクがあり、790 Hz、1055 Hz、1320 Hz などで徐々に小さなスパイクがあることがわかります。

正弦波 vs 方形波

すべてのオーディオ波形は、基本周波数と高調波周波数の複雑な組み合わせで構成されています。前述のように、最も基本的なものは純粋な正弦波です。正弦波には単一の周波数しかありません。スペクトルの反対側は方形波です。方形波は、基本周波数と、指数関数的に減少するレベルの奇数次高調波の無限の組み合わせで構成されます。これは後で歪みについて議論する際に重要になるので、覚えておいてください。

ノイズ信号

Noise is a term that describes a collection of random sounds or sine waves. However, we can group a large collection of these sine waves together and use them as a tool for testing audio systems. When we want to measure the frequency response of a component like a signal processor or an amplifier, we can feed a white noise signal through the device and observe the changes it makes to the amplitudes of different frequency ranges.

White Noise – Time

You may be asking, what exactly is white noise? It is a group of sine waves at different frequencies, arranged so the energy in each octave band is equal to the bands on either side. We can view white noise from a time domain as shown here.

White Noise – Frequency

We can also view it from the frequency domain, as displayed in this image.

Variations In Response

The slight undulations in the frequency graph are present because it takes a long time for all different frequencies to be played and produce a ruler-flat graph. On a 1/3-octave scope, the graph would be essentially flat.

Foundation For Time And Frequency Domains

There we have our basic foundation for understanding the observation of signals in the time domain and the frequency domain. We have also had our first glimpse into how harmonic content affects what we hear. Understanding these concepts is important for anyone who works with audio equipment, and even more important to the people who install and tune that equipment. Your local mobile electronics specialist should be very comfortable with these concepts, and can use them to maximize the performance of your mobile entertainment system.

If you’ve made it this far and want to learn even more about audio distortion, click here for Part 2 of this article!