Misurazioni del sistema audio
Analog electricalEdit
Frequency response (FR) Questa misurazione indica quale livello di uscita della gamma di frequenze per un componente audio rimarrà ragionevolmente costante (entro un intervallo di decibel specificato o non più di un certo numero di dB dall’ampiezza a 1kHz). Alcuni componenti audio come i controlli di tono sono progettati per regolare il volume del contenuto del segnale a frequenze particolari, ad esempio, un controllo basso permette l’attenuazione o l’accentuazione del contenuto di segnale a bassa frequenza, nel qual caso la specifica può specificare la risposta in frequenza è presa con controlli di tono “flat” o disabilitato. I preamplificatori possono anche contenere equalizzatori, filtri per esempio per riprodurre LP che richiedono la correzione della risposta in frequenza RIAA, nel qual caso la specifica può descrivere quanto la risposta corrisponda allo standard. In confronto, gamma di frequenza è un termine talvolta usato di altoparlanti e altri trasduttori per indicare le frequenze che sono utilizzabili, senza normalmente specificare un intervallo di decibel. La larghezza di banda di potenza è anche correlata alla risposta in frequenza, indicando la gamma di frequenze utilizzabili ad alta potenza (poiché le misure di risposta in frequenza sono normalmente prese a bassi livelli di segnale, dove le limitazioni della velocità di rotazione o la saturazione del trasformatore non sarebbero un problema. Un componente che ha una risposta in frequenza “piatta” non cambierà la ponderazione (cioè, intensità) del contenuto del segnale attraverso l’intervallo di frequenza specificato. L’intervallo di frequenza spesso specificato per i componenti audio è compreso tra 20 Hz e 20 kHz, che riflette ampiamente l’intervallo uditivo umano (la frequenza udibile più alta per la maggior parte delle persone è inferiore a 20 kHz, con 16 kHz più tipico). I componenti con risposte di frequenza “piatte” sono spesso descritti come lineari. La maggior parte dei componenti audio sono progettati per essere lineari su tutta la loro gamma operativa. Amplificatori a stato solido ben progettati e lettori CD possono avere una risposta in frequenza che varia da solo 0.2 dB tra 20 Hz a 20 kHz. Gli altoparlanti tendono ad avere risposte in frequenza molto meno piatte di questa. Distorsione armonica totale (THD) Materiale musicale contiene toni distinti, e alcuni tipi di distorsione coinvolgono toni spuri al doppio o triplo delle frequenze di quei toni. Tale distorsione armonicamente correlata è chiamata distorsione armonica. Per l’alta fedeltà, questo di solito dovrebbe essere < 1% per i dispositivi elettronici; elementi meccanici come gli altoparlanti di solito hanno livelli ineludibili più alti. La bassa distorsione è relativamente facile da ottenere nell’elettronica con l’uso di feedback negativi, ma l’uso di alti livelli di feedback in questo modo è stato oggetto di molte controversie tra gli audiofili. Essenzialmente tutti gli altoparlanti producono più distorsione rispetto all’elettronica, e la distorsione dell ‘ 1-5% non è inaudita a livelli di ascolto moderatamente forti. Orecchie umane sono meno sensibili alla distorsione delle basse frequenze, e livelli sono di solito dovrebbe essere sotto il 10% a riproduzione ad alto volume. La distorsione che crea solo armoniche di ordine pari per un ingresso di onda sinusoidale è talvolta considerata meno fastidiosa della distorsione di ordine dispari. Potenza di uscita La potenza di uscita per gli amplificatori è idealmente misurata e quotata come potenza massima di Root Mean Square (RMS) per canale, a un livello di distorsione specificato a un particolare carico, che, per convenzione e regolamento governativo, è considerata la misura più significativa della potenza disponibile sui segnali musicali, sebbene la musica reale, senza clipping, abbia un alto rapporto picco-media, e di solito medie ben al di sotto del massimo possibile. La misura comunemente data di PMPO (peak music power out) è in gran parte priva di significato e spesso utilizzata nella letteratura di marketing; alla fine degli anni ‘ 60 ci furono molte polemiche su questo punto e il governo degli Stati Uniti (FTA) richiese che le cifre RMS fossero citate per tutte le apparecchiature ad alta fedeltà. Music power ha fatto un ritorno negli ultimi anni. Vedere anche Potenza audio. Le specifiche di potenza richiedono che sia specificata l’impedenza di carico, e in alcuni casi verranno fornite due cifre (ad esempio, la potenza di uscita di un amplificatore di potenza per altoparlanti sarà tipicamente misurata a 4 e 8 ohm). Per fornire la massima potenza al carico, l’impedenza del driver dovrebbe essere il complesso coniugato dell’impedenza del carico. Nel caso di un carico puramente resistivo, la resistenza del conducente deve essere uguale alla resistenza del carico per ottenere la massima potenza di uscita. Questo è indicato come adattamento di impedenza. Distorsione di intermodulazione (IMD) La distorsione che non è armonicamente correlata al segnale amplificato è la distorsione di intermodulazione. Si tratta di una misura del livello di segnali spuri derivanti dalla combinazione indesiderata di diversi segnali di ingresso di frequenza. Questo effetto deriva da non linearità nel sistema. Livelli sufficientemente elevati di feedback negativo possono ridurre questo effetto in un amplificatore. Molti credono che sia meglio progettare l’elettronica in modo da ridurre al minimo i livelli di feedback, anche se questo è difficile da raggiungere mentre soddisfa altri requisiti di alta precisione. L’intermodulazione nei driver degli altoparlanti è, come con la distorsione armonica, quasi sempre più grande che nella maggior parte dell’elettronica. L’IMD aumenta con l’escursione del cono. La riduzione della larghezza di banda di un driver riduce direttamente l’IMD. Ciò si ottiene dividendo la gamma di frequenza desiderata in bande separate e impiegando driver separati per ciascuna banda di frequenze e alimentandoli attraverso una rete di filtri crossover. I filtri crossover a pendenza ripida sono più efficaci nella riduzione dell’IMD, ma possono essere troppo costosi da implementare utilizzando componenti ad alta corrente e possono introdurre distorsioni di suoneria. La distorsione dell’intermodulazione negli altoparlanti multi-driver può essere notevolmente ridotta con l’uso del crossover attivo, sebbene aumenti significativamente il costo e la complessità del sistema. Rumore Il livello di rumore indesiderato generato dal sistema stesso, o da interferenze da fonti esterne aggiunto al segnale. Hum di solito si riferisce al rumore solo alle frequenze della linea elettrica (al contrario del rumore bianco a banda larga), che viene introdotto attraverso l’induzione dei segnali della linea elettrica negli ingressi degli stadi di guadagno. O da alimentatori non adeguatamente regolati. Crosstalk L’introduzione di rumore (da un altro canale di segnale) causato da correnti di terra, induttanza vagante o capacità tra componenti o linee. La diafonia riduce, a volte notevolmente, la separazione tra i canali (ad es., in un sistema stereo). Una misurazione della diafonia produce una cifra in dB rispetto a un livello nominale di segnale nel percorso che riceve l’interferenza. La diafonia è normalmente solo un problema nelle apparecchiature che elaborano più canali audio nello stesso chassis. Common-mode rejection ratio (CMRR) Nei sistemi audio bilanciati, ci sono segnali uguali e opposti (difference-mode) negli ingressi, e qualsiasi interferenza imposta su entrambi i conduttori verrà sottratta, annullando tale interferenza (cioè, il modo comune). CMRR è una misura della capacità di un sistema di ignorare tali interferenze e soprattutto ronzio al suo ingresso. Generalmente è significativo solo con lunghe linee su un input o quando esistono alcuni tipi di problemi di loop di massa. Gli ingressi sbilanciati non hanno resistenza di modo comune; il rumore indotto sui loro ingressi appare direttamente come rumore o ronzio. Gamma dinamica e rapporto segnale-rumore (SNR) La differenza tra il livello massimo di un componente può ospitare e il livello di rumore che produce. Il rumore di ingresso non viene conteggiato in questa misura. È misurato in dB. La gamma dinamica si riferisce al rapporto tra volume massimo e minimo in una data sorgente di segnale (ad esempio, musica o materiale di programma) e questa misurazione quantifica anche la gamma dinamica massima che un sistema audio può trasportare. Questo è il rapporto (solitamente espresso in dB) tra il rumore di fondo del dispositivo senza segnale e il segnale massimo (di solito un’onda sinusoidale) che può essere emesso a un livello di distorsione specificato (basso). Dai primi anni 1990 è stato raccomandato da diverse autorità, tra cui l’Audio Engineering Society, che le misurazioni della gamma dinamica siano effettuate con un segnale audio presente. Ciò evita misurazioni discutibili basate sull’uso di supporti vuoti o circuiti di muting. Rapporto segnale-rumore (SNR), tuttavia, è il rapporto tra il rumore di fondo e un livello di riferimento arbitrario o livello di allineamento. In apparecchiature di controllo “professionali”, questo livello di riferimento è di solito +4 dBu (IEC 60268-17), anche se a volte 0 dBu (UK ed Europa – EBU livello di allineamento standard). “Livello di test”, “livello di misurazione” e “livello di line-up” significano cose diverse, che spesso portano a confusione. Nelle apparecchiature “consumer”, non esiste uno standard, sebbene siano comuni -10 dBV e -6 dBu. Diversi media presentano tipicamente diverse quantità di rumore e altezza libera. Anche se i valori variano ampiamente tra le unità, una tipica cassetta analogica potrebbe dare 60 dB, un CD quasi 100 dB. La maggior parte dei moderni amplificatori di qualità hanno >110 dB gamma dinamica, che si avvicina a quella dell’orecchio umano, di solito preso come circa 130 dB. Vedere i livelli del programma. Distorsione di fase, ritardo di gruppo e ritardo di fase Un componente audio perfetto manterrà la coerenza di fase di un segnale su tutta la gamma di frequenze. La distorsione di fase può essere estremamente difficile da ridurre o eliminare. L’orecchio umano è in gran parte insensibile alla distorsione di fase, sebbene sia squisitamente sensibile alle relazioni di fase relative all’interno dei suoni uditi. La natura complessa della nostra sensibilità agli errori di fase, unita alla mancanza di un test conveniente che fornisca una valutazione di qualità facilmente comprensibile, è la ragione per cui non fa parte delle specifiche audio convenzionali. I sistemi di altoparlanti multi-driver possono presentare distorsioni di fase complesse, causate o corrette dai crossover, dal posizionamento del driver e dal comportamento di fase del driver specifico. Risposta ai transienti Un sistema può avere una bassa distorsione per un segnale di stato stazionario, ma non su transienti improvvisi. Negli amplificatori, questo problema può essere ricondotto agli alimentatori in alcuni casi, a prestazioni insufficienti ad alta frequenza o a un eccessivo feedback negativo. Le misure correlate sono la velocità di rotazione e il tempo di salita. La distorsione nella risposta ai transienti può essere difficile da misurare. Molti progetti di amplificatori di potenza altrimenti buoni sono stati trovati per avere tassi di rotazione inadeguati, secondo gli standard moderni. Negli altoparlanti, le prestazioni di risposta ai transienti sono influenzate dalla massa e dalle risonanze dei driver e delle custodie e dal ritardo di gruppo e dal ritardo di fase introdotti dal filtraggio incrociato o dall’inadeguato allineamento temporale dei driver dell’altoparlante. La maggior parte degli altoparlanti genera una notevole quantità di distorsione transitoria, anche se alcuni progetti sono meno inclini a questo (ad esempio altoparlanti elettrostatici, tweeter ad arco al plasma, tweeter a nastro e custodie a tromba con più punti di ingresso). Fattore di smorzamento Un numero più elevato è generalmente ritenuto migliore. Questa è una misura di quanto bene un amplificatore di potenza controlla il movimento indesiderato di un driver altoparlante. Un amplificatore deve essere in grado di sopprimere le risonanze causate dal movimento meccanico (ad esempio, inerzia) di un cono altoparlante, in particolare un driver a bassa frequenza con massa maggiore. Per i driver degli altoparlanti convenzionali, ciò implica essenzialmente garantire che l’impedenza di uscita dell’amplificatore sia vicina allo zero e che i cavi degli altoparlanti siano sufficientemente corti e abbiano un diametro sufficientemente grande. Il fattore di smorzamento è il rapporto tra l’impedenza di uscita di un amplificatore e i cavi di collegamento alla resistenza CC di una bobina, il che significa che i cavi degli altoparlanti lunghi e ad alta resistenza riducono il fattore di smorzamento. Un fattore di smorzamento pari o superiore a 20 è considerato adeguato per i sistemi di rinforzo del suono dal vivo, poiché l’SPL del movimento del driver correlato all’inerzia è inferiore di 26 dB rispetto al livello del segnale e non verrà ascoltato. Il feedback negativo in un amplificatore riduce la sua impedenza di uscita effettiva e quindi aumenta il suo fattore di smorzamento.
MechanicalEdit
Wow e flutter Queste misurazioni sono legate al movimento fisico in un componente, in gran parte il meccanismo di azionamento di supporti analogici, come dischi in vinile e nastro magnetico. “Wow “è una variazione a bassa velocità (pochi Hz), causata dalla deriva a lungo termine della velocità del motore di azionamento, mentre” flutter ” è una variazione di velocità più veloce (poche decine di Hz), solitamente causata da difetti meccanici come l’out-of-rotondità del cabestano di un meccanismo di trasporto del nastro. La misura è data in % e un numero inferiore è migliore. Rombo La misura del rumore a bassa frequenza (molte decine di Hz) apportato dal giradischi di un sistema di riproduzione analogico. È causato da cuscinetti imperfetti, avvolgimenti irregolari del motore, vibrazioni nelle bande di guida in alcuni giradischi, vibrazioni ambientali (ad esempio dal traffico) che vengono trasmesse dal montaggio del giradischi e quindi alla cartuccia phono. Un numero inferiore è meglio.
DigitalEdit
Si noti che i sistemi digitali non soffrono di molti di questi effetti a livello di segnale, anche se gli stessi processi si verificano nei circuiti poiché i dati gestiti sono simbolici. Finché il simbolo sopravvive al trasferimento tra i componenti e può essere perfettamente rigenerato (ad esempio, mediante tecniche di modellazione a impulsi) i dati stessi vengono mantenuti perfettamente. I dati sono tipicamente bufferizzati in una memoria, ed è cronometrato da un oscillatore a cristallo molto preciso. I dati di solito non degenerano mentre passano attraverso molte fasi, perché ogni fase rigenera nuovi simboli per la trasmissione.
I sistemi digitali hanno i loro problemi. La digitalizzazione aggiunge rumore, che è misurabile e dipende dalla profondità di bit audio del sistema, indipendentemente da altri problemi di qualità. Gli errori di temporizzazione negli orologi di campionamento (jitter) provocano una distorsione non lineare (modulazione FM) del segnale. Una misurazione della qualità per un sistema digitale (Bit Error Rate) si riferisce alla probabilità di un errore nella trasmissione o ricezione. Altre metriche sulla qualità del sistema sono definite dalla frequenza di campionamento e dalla profondità di bit. In generale, i sistemi digitali sono molto meno soggetti a errori rispetto ai sistemi analogici; tuttavia, quasi tutti i sistemi digitali hanno ingressi e/o uscite analogiche, e certamente tutti quelli che interagiscono con il mondo analogico lo fanno. Questi componenti analogici del sistema digitale possono subire effetti analogici e potenzialmente compromettere l’integrità di un sistema digitale ben progettato.
Jitter Una misura della variazione del periodo (jitter periodico) e del timing assoluto (jitter casuale) tra i tempi di clock misurati rispetto a un orologio ideale. Meno jitter è generalmente migliore per i sistemi di campionamento. Frequenza di campionamento Una specifica della velocità con cui vengono effettuate le misurazioni del segnale analogico. Questo è misurato in campioni al secondo, o hertz. Una frequenza di campionamento più elevata consente una maggiore larghezza di banda totale o una risposta in frequenza in banda passante e consente di utilizzare filtri anti-aliasing/anti-imaging meno ripidi nella banda di arresto, che a loro volta possono migliorare la linearità di fase complessiva nella banda passante. Profondità di bit In Pulse-code modulation audio, la profondità di bit è il numero di bit di informazioni in ogni campione. La quantizzazione, un processo utilizzato nel campionamento audio digitale, crea un errore nel segnale ricostruito. Il rapporto segnale-quantizzazione-rumore è un multiplo della profondità di bit. I CD audio utilizzano una profondità di bit di 16 bit, mentre i dischi DVD-Video e Blu-ray possono utilizzare l’audio a 24 bit. La gamma dinamica massima di un sistema a 16 bit è di circa 96dB, mentre per 24 bit è di circa 144 dB. Dither può essere utilizzato nel mastering audio per randomizzare l’errore di quantizzazione, e alcuni sistemi dither utilizzano Noise shaping a forma spettrale del rumore di fondo di quantizzazione. L’uso del dither sagomato può aumentare l’effettiva gamma dinamica dell’audio a 16 bit a circa 120 dB. Per calcolare la gamma dinamica teorica massima di un sistema digitale (Signal-to-quantization-noise ratio (SQNR)) utilizzare il seguente algoritmo per la profondità di bit Q: S Q N R = 20 log 10 log ( 2 Q ) ≈ 6.02 Q Q d B {\displaystyle \mathrm {SQNR} =20\log _{10}(2^{Q})\approx 6.02\cdot Q\ \mathrm {dB} \,\!}
Esempio: Un sistema a 16 bit ha 216 diverse possibilità, da 0 a 65.535. Il segnale più piccolo senza dithering è 1, quindi il numero di livelli diversi è uno in meno, 216-1. Quindi, per un sistema digitale a 16 bit, la gamma dinamica è 20 * log(216 − 1) ≈ 96 dB. Accuratezza/sincronizzazione del campione Non tanto una specifica quanto un’abilità. Poiché i dispositivi audio digitali indipendenti sono gestiti ciascuno dal proprio oscillatore a cristallo e non ci sono due cristalli esattamente uguali, la frequenza di campionamento sarà leggermente diversa. Ciò farà sì che i dispositivi alla deriva a parte nel tempo. Gli effetti di questo possono variare. Se un dispositivo digitale viene utilizzato per monitorare un altro dispositivo digitale, ciò causerà interruzioni o distorsioni nell’audio, poiché un dispositivo produrrà più o meno dati dell’altro per unità di tempo. Se due dispositivi indipendenti registrano contemporaneamente, uno ritarderà l’altro sempre di più nel tempo. Questo effetto può essere aggirato con una sincronizzazione di word clock. Può anche essere corretto nel dominio digitale utilizzando un algoritmo di correzione della deriva. Tale algoritmo confronta i tassi relativi di due o più dispositivi e rilascia o aggiunge campioni dai flussi di tutti i dispositivi che si allontanano troppo dal dispositivo master. La frequenza di campionamento varierà leggermente nel tempo, poiché i cristalli cambiano di temperatura,ecc. Vedi anche clock recovery Linearità La non linearità differenziale e la non linearità integrale sono due misure della precisione di un convertitore analogico-digitale. Fondamentalmente, misurano quanto sono vicini i livelli di soglia per ogni bit ai livelli teorici equidistanti.