Что такое сигнал и что такое шум
Физика звука? Что такое громкость? Разбор
Если вы когда-нибудь подбирали себе музыкальную колонку, то сталкивались с тем, что сделать это не так-то просто, особенно если вы не специалист в звуковой аппаратуре. И еще ладно, если вы можете послушать акустику в магазине, но если такой возможности нет, то как понять?
Чем больше Ватт, тем громче, так? Но ведь громкость в децибелах…
Громкость в децибелах или ваттах, частотный диапазон — что это все означает? А если спросить про соотношение сигнал/шум? И это не говоря о том, что звучание — это дело вкуса.
Насколько качественный у музыкальных колонок звук? Насколько мощный бас? Сможет ли колонка раскачать комнату, дачу или целый район? Почему и как мы слышим, и как производители это учитывают и превращают в лайфхаки. Сегодня разберемся в том, как подобрать себе оптимальную акустику.
Что такое звук?
Для начала давайте ненадолго вернемся на урок физики и вспомним, что вообще такое звук. Это механические колебания, распространяющиеся по воздуху, жидкости или даже по твердому телу в виде волн. Но для нас звук, это в большинстве случаев — просто колебание давления в воздухе.
Давление меняется, наши барабанные перепонки улавливают эти изменения и мы слышим звук!
Соответственно, чем сильнее перепады давления, тем звук громче. Казалось бы, все просто. Но здесь физика начинает смешиваться с человеческими ощущениями и все становится сложнее.
Восприятие громкости
Сперва о том, что такое децибелы. Все думают, что это что-то там про громкость. На самом деле дБ — это универсальная штука для обозначения величин в очень широких диапазонах. Потому что децибелы отображаются в логарифмической шкале, и формула у них соответствующая: логарифм отношения двух значений. То есть логарифм показывает не насколько громкий звук, а на сколько порядков этот звук мощнее базового уровня.
Например, утверждение «громкость звука составляет 30 дБ» означает, что интенсивность звука в 1000 раз превышает порог слышимости звука человеком. Но и в данном случае не все так просто. Изменения давления в воздухе измеряется в децибелах, но вот наше восприятие громкости в другой величине — фонах!
Начнем с того, что все частоты мы слышим по-разному. Дело в том, чувствительность нашего уха к разным частотам сильно разная. Поэтому, громкость, это скорее про наши ощущения, чем про давление.
Фон (др.-греч. φωνή звук)
Фоны — это такие кривые громкости которые были построены по усредненным ощущениям людей с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет включительно. На этот счет даже есть ГОСТ, стандарт ISO 226. Поэтому не переживайте — все официально. Люди были проверены с вымытыми ушами.
Шкала фонов отличается от шкалы децибелов тем, что в ней значения громкости коррелируют с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах.
Например, тон с частотой 1000 Гц мы начинаем слышать при значении 0 децибел, то есть прямо на пороге слышимости. А тон с частотой 20 Гц мы начнем слышать только в районе 80 децибел.
Поэтому в басовитых колонках нужны большие и мощные динамики для низких частот. В JBL Partybox 310 таких динамиков целых два, по 176 мм каждый. Но и за высокие частоты тут отвечают два динамика, естественно, диаметром поменьше — 65 мм.
Кстати, с этими кривыми есть интересный момент. Если нанести на график звуки разных языков, то окажется, что наша речь попадает как раз в провал на графике — примерно от 250 до 5000 герц. То есть у нас от природы есть своеобразный аппаратный усилитель речи. А свистящие призвуки мы слышим громче всего. Именно поэтому они нас так бесят.
Во-вторых, мы воспринимаем громкость нелинейно. Тихие звуки мы различаем между собой гораздо лучше, чем громкие.
Ватты
Окей, с тем, что такое громкость и её восприятием мы разобрались. Но как понять, с какой громкостью будут звучать акустика и хватит ли нам этой громкости, чтобы раскачать нужное помещение?
Этот вопрос не менее каверзный. Громкость в децибелах на колонках никогда не указывается. Зато указывается мощность в Ваттах. Например, в характеристиках JBL Partybox 310 можно найти значение полной выходной мощности — 240 Вт RMS.
Что это значит? Оказывается, мощность тоже бывает разная.
Тут важно обратить на буковки RMS — это значит предельная синусоидальная мощность или Rated Maximum Sinusoidal. Если по-простому, колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. То есть реально на пределе сил. В основном именно такой показатель указывают все приличные производители.
Но нам нужно чтобы музыкальная колонка могла работать более одного часа, поэтому вычислим другой показатель, который называется просто синусоидальная мощность. Это уже такая мощность, при которой колонка сможет бесконечно долго работать без повреждений. Она обычно процентов на 25 меньше RMS.
Итого получается, что наш монстр может выдавать примерно 180 Вт! Кстати, важный момент, часто на дешевых колонках указывают всякие запредельные мощности типа 1000 Вт, но не RMS а PMPO — не путать с PIMP.
PMPO — Peak Music Power Output. Это еще один способ указания мощности. Но проблема в том, что это такая мощность, которую динамик сможет выдержать в течение 1-2 секунд. Поэтому внимательно изучайте какого типа Ватты вам продают.
В JBL Partybox 310 — 240 RMS или примерно 180 Вт чистой мощности. Но много это или мало?
Смотрите, например, у маленькой, но громкой JBL Charge мощность: 30 Вт RMS. Такой колонки хватит, чтобы раскачать небольшое помещение до 20 квадратных метров.
240 Вт RMS хватит на целый спорт зал, а с учетом что тут Тут Bluetooth 5.1 и можно подрубить вторую вторую колонку, чтобы они работали в паре, то можно и концерт устроить.
Вообще эта колонка много чего умеет. Звук можно передать не только по Bluetooth, но и через AUX-вход, а также можно воткнуть USB-флешку и переключать треки прямо с колонки или через специальное приложение Partybox App.
Через это же приложение, можно стримить музыку и управлять светом: тут куча вариантов подсветки. Или даже можно настроить караоке — для этого есть микрофонные входы. Микрофон у JBL тоже есть — PBM100. Он довольно простой, зато его специально создавали под линейку Partybox. У него кардиоидная диаграмма направленности, поэтому слышно только голос, никаких посторонних шумов.
Также прямо в колонке есть целая панель звуковых эффектов. Получается настоящий передвижной караоке. Колонка тяжелая, конечно, но тут есть ручка, как в чемодане, и колесики — очень удобно придумали. Что важно, есть защита от брызг IPX4. А значит и на природе можно устроить движ.
Кстати, ёмкость аккумулятора 72 Вт*ч. Его хватит на 5 часа работы, если врубать музыку на полную, в экстренных условиях, например, на улице с низкой температурой можно рассчитывать на 2-3 часа работы. А в негромком чилл-режиме колонка может проработать до 18 часов.
Ладно, с громкостью и мощностью понятно, а как же с качеством звука?
Тут есть два способа. Первый — просто послушать разные колонки и подобрать себе по вкусу, потому что у каждого свои предпочтения, свои любимые жанры и в конце концов, свой слух.
Второй способ — посмотреть на амплитудно-частотную характеристику звука колонки. Она показывает то, как громко динамики воспроизводят звуки разных частот, а если точнее, то насколько равномерно громкость распределена по частотам. Самому провести замер АЧХ не очень просто, но в интернете обычно можно найти тесты АЧХ на популярные гаджеты.
В идеальном случае АЧХ должна быть почти П-образной с резким возрастанием на самых низких частотах, горизонтальной линией к высоким частотам и падением где-нибудь в районе 20 килогерц. В реальности даже очень дорогие студийные или сценические акустические системы дают не идеальную АЧХ, а в доступных обычному покупателю устройствах она будет сильно отличаться от идеала. Здесь нужно смотреть на то, чтобы на графике не было сильных проседаний, чаще всего это заметно в басах, то есть самых низких частотах, которые расположены слева на графике.
Чтоб вы понимали масштаб явления. Если сравнить АЧХ этой колонки и iPhone 12 Pro, то будет наглядно видно, почему смартфоном комнату не раскачать и он будет звучать пискляво, хоть и громко. Но точных студийных замеров АЧХ для нашей колонки в интернетах, к сожалению, нет.
Соотношение сигнал/шум
Наконец, качество звука показывает соотношение сигнала к шуму. Это говорит нам о том, насколько полезный сигнал, то есть звуки песни или кино, превосходит шум, который неминуемо есть в любой акустике. Его можно заметить самому, если не подавать на колонку или усилитель никакой звук и выкрутить громкость на максимум. Соотношение сигнала к шуму измеряют в децибелах и чем оно больше, тем лучше. Условно можно сказать, что 80 децибел — хороший уровень, 100 — High End. В этой колонке соотношение — 90 децибел, что очень даже хорошо.
Итоги
Сегодня мы узнали гораздо больше о звуке и о том, на что стоит обратить внимание при выборе музыкальных колонок в комнату, на дачу или для выездов на природу. В то же время мы узнали о JBL Partybox 310, которая является представителем мощных и универсальных колонок, которые подойдут для тусовки дома или на природе. Это своеобразный чемоданчик звука с подсветкой, встроенным аккумулятором, высокой громкостью и неплохим качеством. В общем, и для дома, и для пикника.
Виды шумов отношение сигнал/шум
Случайный процесс колеблется вокруг какого-то среднего значения, и значение это называется математическим ожиданием. Насколько сильно значение случайного процесса могут отличаться от мат. ожидания описывает параметр дисперсия — мера разброса случайной величины. Также в качестве меры разброса употребляется среднеквадратичное отклонение, также именуемое стандартным отклонением, значение его квадратный корень из дисперсии.
На рисунке представлены нормальные распределения четырех случайных процессов с разными значениями математического ожидания и дисперсии. В случае большего значения дисперсии, колокол Гауссовского распределения более широкий и низкий, что говорит о большей вероятности выпадения экстремальных значений и меньшей вероятности значений близких к мат. ожиданию.
В качестве меры скорости изменения случайного процесса может использоваться автокорреляционная функция, или просто корреляционная функция. Она описывает зависимость взаимосвязи сигнала с его сдвинутой во времени копией от величины временного сдвига.
В случае нулевого сдвига, сигналы полностью совпадают и значение автокорреляционной функции максимально. При увеличении расхождения это значение уменьшается. Причем для слабо изменяющихся во времени сигналов спад функции происходит медленнее чем для быстро изменяющихся.
Математическое ожидание, дисперсия, автокорреляционная функция это примеры численных характеристик, которыми можно описать случайный процесс. Законы изменения реальных физических величин весьма сложны, и для того чтобы мы могли описывать их доступным нам математическим аппаратом, нам часто приходится делать определенные допущения.
При описании сигналов случайными процессами, мы часто оговариваем свойства стационарности и эргодичности. Стационарным называется процесс в том случае, когда его плотность вероятности не зависит от временного сечения, то есть его статистические характеристики, мат ожидания, дисперсия, корреляционная функция не будут зависеть от времени. Стационарный процесс считается эргодическим, если для определения его характеристик вместо усреднения по ансамблю реализации, мы можем использовать усреднение по времени одной реализации, на практике нам обычно доступна только одна реализация случайного процесса.
Спектральная плотность мощности
Спектральная плотность мощности по определению это распределение мощности сигнала в зависимости от частоты, то есть мощность приходящаяся на единичный интервал частоты. Мы можем рассматривать спектральную плотность мощности как еще одну меру скорости изменения случайного процесса, она связана с корреляционной функции случайного процесса, теоремы Винера — Хинчина — Колмагорова.
Рассмотрим два синусоидальных сигнала разной частоты. Частотные области этих сигналов будут представлены двумя линиями. Положение линии на оси x говорит о величине частоты синусоиды, а длина линии, о ее мощности или амплитуде. Случайные процессы мы также можем рассматривать, как кусочки и отрезки различных синусоид, разной амплитуды и фазы, меняющейся быстро или медленно.
Спектр медленно изменяющегося случайного процесса содержит больше синусоид или спектральных компонент в левой части оси f, то есть в зоне низких частот. В то время как спектр быстро меняющегося процесса содержит больше компонент, большей амплитуды в правой части частотной оси.
Белый шум
Случайный процесс у которого область частот заполнено равномерно называется белым шумом.
Белый шум это стационарный случайный процесс, с равномерно распределенной спектральной плотностью мощности.
В таком процессе присутствуют компоненты изменяющиеся быстро, медленно, средне и ни одна из них не преобладает над другими.
Белый шум получил свое название по аналогии со спектром белого света. Известно, что белый цвет получается в результате сложения всех других цветов видимого диапазона.
Если в качестве аналогии и далее использовать видимый диапазон длин волн, то определенным цветом можно обозначить преобладание в спектре сигнала определенных компонент.
Если наложить красный светофильтр, то мы пропустим только более длинные волны, или более низкие частоты.
Если наложим синий фильтр, получим сигнал с относительно высокими частотами в спектре.
Цветовое обозначение частотного состава используется для описания так называемых цветных шумов, они никак не привязаны к какому-либо конкретному частотному диапазону и различаются только видом их спектральной плотности мощности. Цветные шумы, в том числе и белый шум это модели шумов, приближающие некоторые физические явления.
К примеру, процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в цепях постоянного тока приводят к фликкер-шуму, который достаточно успешно описывается моделью розового шума. Красный шум описывает броуновское движение, модель серого шума используется в псих акустике и так далее.
Аддитивный белый гауссовский шум
Аддитивный белый гауссовский шум:
На системы беспроводной связи и обработки сигналов воздействует множество разнообразных широкополосных шумов, не связанных друг с другом. По центральной предельной теореме, распределение их суммарного воздействия будет близко к нормальному, именно поэтому данная модель наиболее распространена в системах ЦОС и системах связи, и используется как модель канала передачи данных.
Отношение сигнал/шум
Шум в подобных системах конечно же является нежелательным явлением. Одной из мер качества системы является отношение сигнал-шум. Это безразмерная величина равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.
Отношение сигнал-шум часто измеряется в децибелах, для разных систем приемлемые значения этого отношения могут сильно отличаться, но в любом случае, чем выше этот показатель, тем лучше. Одна из задач цифровой обработки сигналов повышение отношения сигнал-шум, существуют разные способы повышения это фильтрация и усреднение.
Усреднение или когерентное накопление
Если мы сложим два одинаковых сигнала по фазе, то амплитуда результирующего сигнала будет вдвое больше. Положительные отсчёты сложатся с положительными, отрицательные с отрицательными.
Но сложить две реализации случайного процесса в фазе не получится, в каких-то точках произойдет усиление, каких-то ослабление шума. Проще говоря, при усреднении амплитуда шума не растет.
Накопление сигнала с шумом в matlab
Динамический диапазон и чувствительность
Динамический диапазон это характеристика системы, представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра. Сверху этот диапазон обычно ограничен порогом искажений, а снизу так называемым шумовым дном, или чувствительностью.
Чувствительность это численный параметр равный уровню сигнала различимого системы над шумами, если у системы хорошая чувствительность, значит она меньше восприимчива к внешним помехам, имеет меньший уровень собственных шумов, и за счет этого способны различать сигналы малой энергетики.
ВАЖНЫЕ СИГНАЛЫ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВАШЕГО АНГЕЛА-ХРАНИТЕЛЯ (Декабрь 2021).
Table of Contents:
Возможно, вы столкнулись с указанной спецификацией продукта или, возможно, даже услышали или прочитали дискуссию о соотношении сигнал / шум. Часто сокращается как SNR или S / N, эта спецификация может показаться загадочной для среднего потребителя. В то время как математика за отношением сигнал / шум является технической, концепция не является, и это значение может повлиять на общее качество звука системы.
Объяснение отношения сигнал-шум
Отношение сигнал / шум сравнивает уровень мощности сигнала с уровнем мощности шума. Это чаще всего выражается как измерение децибел (дБ). Более высокие числа обычно означают лучшую спецификацию, так как есть более полезная информация (сигнал), чем есть нежелательные данные (шум).
Например, когда аудиокомпонент отображает отношение сигнал / шум 100 дБ, это означает, что уровень аудиосигнала на 100 дБ выше уровня шума. Соотношение сигнал-шум 100 дБ значительно лучше, чем значение, равное 70 дБ (или меньше).
Почему отношение сигнал-шум важно
Спецификации для соотношения сигнал / шум можно найти во многих продуктах и компонентах, которые касаются аудио, таких как динамики, телефоны (беспроводные или другие), наушники, микрофоны, усилители, приемники, проигрыватели, радиоприемники, CD / DVD / медиаплееры, Звуковые карты ПК, смартфоны, планшеты и многое другое. Однако не все производители легко знают это значение.
Пока входящий сигнал силен и значительно превышает уровень шума, звук будет поддерживать более высокое качество. Это то хорошее отношение сигнал-шум, которое люди предпочитают для четкого и точного звука.
Но если сигнал оказывается слабым, некоторые могут подумать просто увеличить громкость, чтобы увеличить выход. К сожалению, регулировка громкости вверх и вниз влияет как на уровень шума, так и на сигнал. Музыка может стать громче, но так же будет основной шум. Для достижения желаемого эффекта вам нужно будет увеличить только уровень сигнала источника. Некоторые устройства оснащены аппаратными и / или программными элементами, которые предназначены для улучшения отношения сигнал / шум.
К сожалению, все компоненты, даже кабели, добавляют некоторый уровень шума к звуковому сигналу. Это лучшие, которые предназначены для обеспечения минимального уровня шума, чтобы максимизировать коэффициент. Аналоговые устройства, такие как усилители и проигрыватели, обычно имеют более низкое отношение сигнал / шум, чем цифровые устройства.
Конечно, стоит избегать продуктов с очень слабыми отношениями сигнал-шум. Однако отношение сигнал / шум не должно использоваться в качестве единственной спецификации для измерения качества звука компонентов. Следует также учитывать частотную характеристику и гармонические искажения.
Что такое импеданс спикера и почему это имеет значение
Динамики имеют спецификацию импеданса, измеренную в омах. Узнайте, как 4-омные и 8-омные динамики создают аудио и как они используются.
Альянс Ultra HD: что это такое и почему это имеет значение
Ultra HD Premium: что это значит и почему это имеет значение? Наконец, миры технологий UHD и HDR TV получают определенную ясность.
СОДЕРЖАНИЕ
Определение
Отношение сигнал-шум определяется как отношение мощности в виде сигнала (значимый вход) к мощности фонового шума (бессмысленным или нежелательного входного сигнала):
Децибелы
Аналогичным образом SNR может быть выражено в децибелах как
Используя определение SNR
Использование правила частного для логарифмов
Подстановка определений ОСШ, сигнала и шума в децибелах в приведенное выше уравнение приводит к важной формуле для расчета отношения сигнал / шум в децибелах, когда сигнал и шум также выражаются в децибелах:
В приведенной выше формуле P измеряется в единицах мощности, таких как ватты (Вт) или милливатты (мВт), а отношение сигнал / шум представляет собой чистое число.
Однако, когда сигнал и шум измеряются в вольтах (В) или амперах (А), которые являются мерой амплитуды, их необходимо сначала возвести в квадрат, чтобы получить величину, пропорциональную мощности, как показано ниже:
Динамический диапазон
SNR обычно используется для обозначения среднего отношения сигнал / шум, поскольку возможно, что мгновенные отношения сигнал / шум будут значительно отличаться. Эту концепцию можно понять как нормализацию уровня шума до 1 (0 дБ) и измерение того, насколько «выделяется» сигнал.
Отличие от обычной мощности
В физике средняя мощность сигнала переменного тока определяется как среднее значение напряжения, умноженного на ток; для резистивных (не реакционноспособный ) цепей, где напряжение и ток находятся в фазе, это эквивалентно произведению среднеквадратичного напряжения и тока:
Альтернативное определение
Иногда SNR определяется как квадрат альтернативного определения, приведенного выше, и в этом случае оно эквивалентно более общему определению :
Измерения системы модуляции
Амплитудная модуляция
Отношение сигнал / шум в канале определяется выражением
Отношение выходной сигнал / шум (AM-приемника) определяется выражением
Модуляция частоты
Отношение сигнал / шум в канале определяется выражением
Отношение выходной сигнал / шум определяется выражением
Подавление шума
Когда характеристики шума известны и отличаются от сигнала, можно использовать фильтр для уменьшения шума. Например, синхронный усилитель может выделить сигнал с узкой полосой пропускания из широкополосного шума в миллион раз сильнее.
Когда сигнал постоянный или периодический, а шум случайный, можно улучшить отношение сигнал / шум путем усреднения измерений. В этом случае шум уменьшается как квадратный корень из числа усредненных отсчетов.
Цифровые сигналы
Коэффициент ошибок модуляции (MER) является мерой отношения сигнал / шум в сигнале с цифровой модуляцией.
Фиксированная точка
Для n- битных целых чисел с равным расстоянием между уровнями квантования ( равномерное квантование ) также определяется динамический диапазон (DR).
Предполагая равномерное распределение значений входного сигнала, шум квантования представляет собой равномерно распределенный случайный сигнал с размахом амплитуды одного уровня квантования, что составляет отношение амплитуд 2 n / 1. Тогда формула:
D р d B знак равно S N р d B знак равно 20 бревно 10 ( 2 п ) ≈ 6.02 ⋅ п <\ Displaystyle \ mathrm 
Эта взаимосвязь является источником таких утверждений, как « 16-битный звук имеет динамический диапазон 96 дБ». Каждый дополнительный бит квантования увеличивает динамический диапазон примерно на 6 дБ.
Предполагая полномасштабный синусоидальный сигнал (то есть квантователь спроектирован так, что он имеет те же минимальное и максимальное значения, что и входной сигнал), шум квантования приближается к пилообразной волне с размахом амплитуды одного уровня квантования. и равномерное распределение. В этом случае отношение сигнал / шум составляет примерно
S N р d B ≈ 20 бревно 10 ( 2 п 3 / 2 ) ≈ 6.02 ⋅ п + 1,761 <\ displaystyle \ mathrm
Плавающая запятая
Числа с плавающей запятой позволяют найти компромисс между отношением сигнал / шум для увеличения динамического диапазона. Для n-битных чисел с плавающей запятой, с nm битами в мантиссе и m битами в экспоненте :
Обратите внимание, что динамический диапазон намного больше, чем с фиксированной точкой, но за счет худшего отношения сигнал / шум. Это делает плавающую точку предпочтительной в ситуациях, когда динамический диапазон велик или непредсказуем. Более простые реализации с фиксированной точкой могут использоваться без ухудшения качества сигнала в системах с динамическим диапазоном менее 6,02 м. Очень большой динамический диапазон чисел с плавающей запятой может быть недостатком, поскольку требует более предусмотрительности при разработке алгоритмов.