Настраивал, крутил, в REW красиво, а на громкости сабвуфер вдруг начал «хрипеть», хотя по АЧХ ничего не изменилось. АЧХ тут ничего и не покажет. Что случилось, видно на спектре, и этот случай хорошо объясняет, что такое спектр вообще.
Как понять спектр без формул?
Представь, что ты смотришь на звук через призму. Белый свет раскладывается на радугу, звук на частоты. Осциллограф показывает, как давление меняется во времени, спектр показывает, из каких тонов это давление сложено. Математически это делает преобразование Фурье, на практике кнопка RTA в REW или анализатор в процессоре.
У чистого синуса в спектре одна линия. У ноты инструмента линия основного тона и лесенка обертонов. У шума сплошная полоса: белый шум ровный по частотам, розовый спадает на 3 дБ на октаву.
Случай из машины: хрип на громкости
Типовая история. Сабвуфер на громкости начинает звучать грязно. Подаём синус 100 Гц и смотрим спектр на выходе. Пока усилитель в запасе, в спектре одна линия на 100 Гц. Добавили гейн вдвое, и вершины синуса начали срезаться: клиппинг. На спектре сразу появляются новые линии на 300, 500, 700 Гц и выше.
Я посчитал этот пример в python: синус усилен в два раза и ограничен по уровню. Третья гармоника вышла всего на 12,9 дБ ниже основного тона, пятая на 26,9 дБ, седьмая на 35,8 дБ. Суммарно это около 23% искажений. Симметричное срезание даёт только нечётные гармоники, чётных на графике нет.
Самое неприятное: 300–700 Гц это уже территория СЧ динамика. Сабвуфер, у которого фильтр стоит на 80 Гц, вдруг начинает играть на середине, и звук «вылезает» из багажника, локализуется сзади. Эквалайзер тут бессилен: частоты рождаются после него, в усилителе. Лечение одно: снизить гейн или уровень, взять усилитель мощнее.
Чем спектр отличается от АЧХ?
АЧХ описывает систему: как она пропускает каждую частоту. Спектр описывает сигнал: что в нём есть прямо сейчас. RTA с розовым шумом показывает спектр на микрофоне, и если шум ровный, этот спектр совпадает с АЧХ системы. Отсюда путаница. Но на музыке спектр всё время меняется, а АЧХ системы остаётся одной и той же.
Что ещё видно на спектре в машине
- Дорожный шум: основная энергия в басу, поэтому на ходу бас «съедается» первым.
- Искажения динамиков. Гармоники на свипе показывают, с какой частоты динамик можно пускать. У меня так проверены ESB 9.4m: меньше 1% искажений от ~150 Гц во фри-эйр.
- Спектр трека. Если в записи нет ничего ниже 40 Гц, сабвуфер там не заиграет, как его ни настраивай.
Разрешение спектра
Анализатор делит частоты на полосы. Узкие полосы (1/24 октавы) показывают каждую гармонику отдельно, третьоктавные сглаживают и ближе к тому, как слышит ухо. Для поиска искажений бери узкое разрешение, для тонального баланса широкое. Одинаковый сигнал на разном сглаживании выглядит так по-разному, что новички спорят о том, чего нет.
Спектрограмма: спектр во времени
Если снять много спектров подряд и сложить их в картинку, получится спектрограмма или водопад. По ней видно, какие частоты долго не гаснут после сигнала: гулкие моды салона, звенящие двери. В REW это отдельная вкладка, и после замера АЧХ стоит заглядывать туда хотя бы на басу.
На чём спотыкаются со спектром
- Смотреть только АЧХ и не проверять спектр на громкости. Клиппинг на АЧХ не виден.
- Сравнивать RTA на музыке с целевой кривой. Для этого нужен розовый шум или свип.
- Путать гармоники от клиппинга с «недостатком верха» и поднимать ВЧ эквалайзером.
Когда первый раз открываешь анализатор в REW, обычно всплывает ещё вот что.
Спектр в машине снимают измерительным микрофоном в точке прослушивания и анализатором RTA, например в REW или в самом процессоре. Для оценки баланса подают розовый шум и смотрят со сглаживанием около 1/3 октавы. Для поиска искажений подают синус или свип и включают узкое разрешение, 1/24 октавы и мельче.
Симметричный клиппинг срезает верх и низ синуса одинаково, а такая форма волны раскладывается только на нечётные гармоники: 3f, 5f, 7f. Если срезание несимметричное, например одна полуволна ограничивается раньше другой, в спектре появляются и чётные гармоники. В примере статьи синус 100 Гц, усиленный вдвое и обрезанный, дал около 23% искажений.
Розовый шум несёт одинаковую энергию в каждой октаве, поэтому на анализаторе с октавными или третьоктавными полосами он выглядит ровной линией. Белый шум ровный по каждому герцу, и на таком анализаторе он растёт на 3 дБ на октаву вверх. Если подать белый шум, система покажется задранной по ВЧ, хотя она ровная.
Разрешение спектра по частоте равно частоте дискретизации, делённой на размер окна FFT. При 48 кГц и FFT на 65536 точек шаг около 0,73 Гц, а при 4096 точках уже около 11,7 Гц, и на басу соседние линии сольются. Длинное окно точнее по частоте, но медленнее реагирует на изменения сигнала.
Гармоника привязана к сигналу: сдвинул тестовый тон, и она переехала вместе с ним на 2f или 3f, а при росте громкости она растёт быстрее основного тона. Резонанс салона или мода сидит на одной частоте при любом сигнале. На спектрограмме резонанс виден как полоса, которая долго не гаснет после сигнала.
Спектр пригодится уже на шаге «Изучаем теорию»: без него трудно понять, откуда берутся искажения и почему шум съедает бас. Чтобы сравнивать измеренный спектр с целью, собери её в E.BAEV.Targets и экспортируй в REW.
Видишь в RTA непонятные пики? Покажи скриншот в Telegram-чате, разберём, гармоника это или салон.
Источники
- Л. Беранек, «Акустика» (русский перевод, 1965)
- В. К. Иофе, В. Г. Корольков, М. А. Сапожков, «Справочник по акустике», 1979
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
- И. А. Алдошина, «Основы психоакустики» (цикл статей, журнал «Звукорежиссёр», 1999–2000)
См. также: Гармоники, Нелинейные искажения, Белый шум, Октава.