Аудио жүйелердің өнімділігін өлшеу әдістері

Кіріспе

Жүйе өнімділігін бағалау тәсілдері

Аудио жүйе өлшемдері – жүйе өнімділігін бағалаудың бір тәсілі болып табылады. Бұл өлшемдер бірнеше мақсатта жүргізіледі. Дизайнерлер жабдықтың сипаттамаларын анықтау үшін өлшемдер жасайды. Ал техникалық қызмет көрсету инженерлері жабдықтың техникалық талаптарға сәйкес жұмыс істеп тұрғанын немесе аудио жолындағы жиынтық ақаулар қабылданатын шекте мекенін анықтау үшін өлшемдер жүргізеді. Аудио жүйе өлшемдері көбінесе психоакустикалық принциптерді қолдана отырып, жүйені адамның есту қабілетімен байланысты түрде өлшеуге мүмкіндік береді.

Субъективтілік пен жиілік салмағы

Субъективті жарамды әдістер 1970 жылдары Ұлыбритания мен Еуропада тұтынушылық аудиода кеңінен танымал болды. Бұл компакт-кассета таспасының, dbx және Dolby шуды азайту технологияларының енгізілуімен байланысты болды, олар көптеген негізгі инженерлік өлшемдердің жеткіліксіздігін көрсетті. CCIR 468 салмақты квази-пик шуының және салмақты квази-пик вау мен флаттердің сипаттамалары кеңінен қолданылды, сондай-ақ бұрмалауды өлшеу үшін жарамдырақ әдістерді табуға тырысылды. Психоакустикаға негізделген өлшемдер, мысалы шуды өлшеу кезінде, көбінесе салмақты сүзгілер қолданылады. Адам есту қабілеті әртүрлі жиіліктерге әртүрлі сезімтал екені белгілі, бұл тең дыбыс деңгейлерінің қисықтары арқылы көрсетілген, бірақ осы қисықтардың дыбыс түріне байланысты өзгеретіні жиі ескерілмейді. Мысалы, таза тон үшін өлшенген қисықтар кездейсоқ шу үшін өзгеше болады. Сондай-ақ, құлақ 100-200 мс-ден қысқа импульстарға, үздіксіз дыбыстарға қарағанда нашар жауап береді. Сондықтан, шу импульстар немесе қысқаша жарылыстар қамтығанда, квази-пик детектор ең дұрыс нәтижелерді береді, бұл әсіресе цифрлық жүйелердегі шуға тән. Осы себептерге байланысты, BS, IEC, EBU және ITU стандарттарына субъективті жарамды өлшеу әдістерінің жиынтығы енгізілді. Аудио сапасын өлшеудің осы әдістерін әлемнің көп бөлігінде хабар тарату инженерлері, сондай-ақ кейбір аудио мамандары пайдаланады. Дегенмен, кейбіреулер үздіксіз тон үшін ескі А салмақты стандартын жиі қолданады. Аудио сапасын бағалау үшін бір өлшем жеткіліксіз. Инженерлер әртүрлі түрдегі бұзылыстарды талдау үшін бірнеше өлшемдерді қолданады. Мысалы, аналогты таспа машинасының сынағында вау мен флаттерді, таспа жылдамдығының ұзақ мерзімдегі өзгерістерін, сондай-ақ бұрмалау мен шуды тексеру қажет. Цифрлық жүйені сынағанда, жылдамдық өзгерістерін тексеру әдетте қажет емес, себебі цифрлық схемадағы сағаттардың жоғары дәлдігі бар. Бірақ алиасинг пен уақыт джиттерін тексеру жиі қажет, өйткені олар көптеген жүйелерде дыбыстың сапасын нашарлатады. Субъективті жарамды әдістер тыңдау сынақтарымен кең ауқымды жағдайларда жақсы сәйкес келетіні дәлелденгеннен кейін, олар әдетте басымдыққа ие болады. Стандартты инженерлік әдістер ұқсас жағдайларды салыстыру кезінде әрқашан жеткілікті емес. Мысалы, бір CD ойнатқыш RMS әдісімен немесе тіпті A салмақты RMS әдісімен өлшенгенде екінші CD ойнатқыштан жоғары шу деңгейін көрсетуі мүмкін, бірақ 468 салмағы қолданылғанда оның дыбысы тынышрақ болып шығып, шу деңгейі төмендеуі мүмкін. Бұл жоғары жиіліктерде немесе тіпті 20 кГц-ден жоғары жиіліктерде шудың көп болуына байланысты болуы мүмкін, ал адам құлағы оларға аз сезімтал болғандықтан бұл маңызды емес. (Құқық қалыптастыру туралы қараңыз.) Dolby B осылай жұмыс істейді және оның енгізілу себебі де осы. Кассетадағы шу, негізінен жоғары жиіліктегі және жазылған жолдың кішкентай өлшемі мен жылдамдығына байланысты болмайтын, субъективті түрде әлдеқайда аз маңызды болуы мүмкін. Шу 10 дБ-ға үнсіз естіледі, бірақ А салмағының орнына 468 салмағы қолданылмаса, оның жақсырақ екенін өлшеу қиын.

Subjectively valid methods came to prominence in consumer audio in the UK and Europe in the 1970s, when the introduction of compact cassette tape, dbx and Dolby noise reduction techniques revealed the unsatisfactory nature of many basic engineering measurements. The specification of weighted CCIR 468 quasi peak noise, and weighted quasi peak wow and flutter became particularly widely used and attempts were made to find more valid methods for distortion measurement. Measurements based on psychoacoustics, such as the measurement of noise, often use a weighting filter. It is well established that human hearing is more sensitive to some frequencies than others, as demonstrated by equal loudness contours, but it is not well appreciated that these contours vary depending on the type of sound. The measured curves for pure tones, for instance, are different from those for random noise. The ear also responds less well to short bursts, below 100 to 200 ms, than to continuous sounds such that a quasi peak detector has been found to give the most representative results when noise contains click or bursts, as is often the case for noise in digital systems. For these reasons, a set of subjectively valid measurement techniques have been devised and incorporated into BS, IEC, EBU and ITU standards. These methods of audio quality measurement are used by broadcast engineers throughout most of the world, as well as by some audio professionals, though the older A weighting standard for continuous tones is still commonly used by others. No single measurement can assess audio quality. Instead, engineers use a series of measurements to analyze various types of degradation that can reduce fidelity. Thus, when testing an analogue tape machine it is necessary to test for wow and flutter and tape speed variations over longer periods, as well as for distortion and noise. When testing a digital system, testing for speed variations is normally considered unnecessary because of the accuracy of clocks in digital circuitry, but testing for aliasing and timing jitter is often desirable, as these have caused audible degradation in many systems. Once subjectively valid methods have been shown to correlate well with listening tests over a wide range of conditions, then such methods are generally adopted as preferred. Standard engineering methods are not always sufficient when comparing like with like. One CD player, for example, might have higher measured noise than another CD player when measured with a RMS method, or even an A weighted RMS method, yet sound quieter and measure lower when 468 weighting is used. This could be because it has more noise at high frequencies, or even at frequencies beyond 20 kHz, both of which are less important since human ears are less sensitive to them. (See noise shaping.) This effect is how Dolby B works and why it was introduced. Cassette noise, which was predominately high frequency and unavoidable given the small size and speed of the recorded track could be made subjectively much less important. The noise sounded 10 dB quieter, but failed to measure much better unless 468 weighting was used rather than A weighting.

Механикалық

Уоу және флаттер – Бұл өлшемдер компоненттердегі физикалық қозғалысқа байланысты, көбінесе винил пластинкалары және магниттік таспа сияқты аналогтық медианың жетектеу механизміне. "Уоу" – бұл баяу жылдамдық өзгерісі (бірнеше Гц), ол жетектеу мотор айналу жылдамдығының ұзақ мерзімдік ауытқуынан туындайды, ал "флаттер" – жылдам жылдамдық өзгерісі (бірнеше ондаған Гц), көбінесе таспа тасымалдау механизмінің дөңгелегінің пішінсіздігі сияқты механикалық ақаулардың салдарынан пайда болады. Өлшем пайызбен (%) беріледі, және көрсеткіш неғұрлым төмен болса, соғұрлым жақсы.

Гром – аналогтық ойнату жүйесінің дискісінен таралатын төмен жиілікті (көптеген ондаған Гц) шудың өлшемі. Оның себебі – нашар сапалы подшипниктер, мотор орамдарының тегіс болмауы, кейбір дискілердегі жетектеу белдеулеріндегі дірілдер, дискіні орнату арқылы және содан кейін фонокартриджге берілетін бөлме дірілдері (мысалы, көлік қозғалысынан). Көрсеткіш неғұрлым төмен болса, соғұрлым жақсы.

Автоматтандырылған реттілік сынағы

Тізбектік сынақ – жабдықтың немесе сигнал жолының толық сапасын тексеру үшін автоматты түрде жасалған және өлшенген, жиілік жауабына, шуға, бұрмалануға және т.б. арналған сынақ сигналдарының белгілі бір тізбегін пайдаланады. 1985 жылы EBU стандарттаған 32 секундтық тізбек, жиілік жауабын өлшеу үшін 13 тонды (40 Гц–15 кГц, -12 дБ), бұрмалау үшін екі тонды (1024 Гц/60 Гц, +9 дБ), сондай-ақ кросстолк және компандерлік сынақтарды қамтиды. Синхрондау үшін 110 бодты FSK сигналымен басталатын бұл тізбек 1985 жылы CCITT стандарты O.33 ретінде бекітілді. Lindos Electronics бұл тұжырымдаманы кеңейтіп, FSK тұжырымдамасын сақтап, әрбір сынақты 110 бодты FSK ретінде берілетін идентификациялық белгіден басталатын «сегменттерге» бөлді, осылайша оларды нақты жағдайға сәйкес толық сынақтың «құрылыс блоктары» ретінде қарастыруға болады. Қай комбинация таңдалса да, FSK әр сегментті идентификациялап, синхрондауды қамтамасыз етеді, сондықтан желілер арқылы және тіпті спутниктік байланыс арқылы жіберілген тізбектік сынақтар өлшеу құралдарымен автоматты түрде жауап алады. Осылайша, TUND – бұл төрт сегменттен тұратын тізбек, ол бір минуттан кем уақытта сәйкестендіру деңгейін, жиілік жауабын, шу мен бұрмалауды тексереді. Wow және флаттер, Headroom және Crosstalk сияқты көптеген басқа сынақтар да сегменттерде немесе толығымен қолжетімді. Lindos тізбектік сынақ жүйесі қазір радиохабар тарату және аудио сынақтың көптеген басқа салаларында «де-факто» стандарт болып табылады, Lindos сынақ жиынтықтарымен 25-тен астам түрлі сегмент танылған, ал EBU стандарты енді қолданылмайды.

Санаға сай келмейтін?

Көптеген аудио компоненттері объективті және сандық өлшемдер арқылы, мысалы, THD, динамикалық диапазон және жиілік жауабы арқылы сыналады. Кейбіреулер объективті өлшемдердің пайдалы және көбінесе субъективті өнімділікпен, яғни тыңдаушының сезетін дыбыс сапасымен байланысты екенін санайды. Флойд Туль акустикалық инженерлік зерттеулерде динамиктерді кеңінен бағалаған. Сарапшылар қараған ғылыми журналында Туль зерттеушілердің жақсы динамиктерді жаман динамиктерден ажырата алатынын және соқыр тыңдау сынақтарының көру сынақтарынан сенімдірек екенін көрсеткен. Ол зерттеуге қатысушылар монофониялық ойнату кезінде бір динамик арқылы динамик сапасының айырмашылығын дәлірек анықтай алатынын, ал стереофониялық дыбыстың субъективті қабылдануы бөлме әсерлеріне көбірек тәуелді екенін анықтады. Тульдің бір мақаласы динамик өнімділігінің объективті өлшемдері тыңдау сынақтарындағы субъективті бағалаулармен сәйкес келетінін көрсетті. Кейбіреулер адамның есту және қабылдауы толыққанды түсініксіз болғандықтан, тыңдаушының тәжірибесіне ең басты назар аудару керек деп санайды. Мұндай пікір үйдегі аудио өнімдері туралы жарияланымдарда жиі кездеседі. Соқыр тыңдау сынақтарының және жалпыға ортақ объективті өнімділік өлшемдерінің, мысалы, THD-ның пайдалылығы күмәнді. Мысалы, белгілі бір THD деңгейіндегі кроссовер бұрмалануы сол THD деңгейіндегі кесу бұрмалануынан әлдеқайда естіледі, себебі туындайтын гармоникалар жоғары жиілікте болады. Бұл ақаудың қандай да бір жолмен өлшенбейтін немесе анықталмайтын екенін білдірмейді; тек бір THD саны оны сипаттау үшін жеткіліксіз және оны сақтықпен түсіндіру қажет. THD өлшемдерін әртүрлі шығыс деңгейлерінде жүргізу бұрмаланудың кесу (деңгеймен өсетін) немесе кроссовер (деңгеймен төмендейтін) екенін анықтауға мүмкіндік береді. Қандай көзқарас болмасын, кейбір өлшемдер тарихи тұрғыдан басымдыққа ие болған. Мысалы, THD – бұл бірнеше гармоникалардың тең салмақты орташасы, тіпті зерттеулер төменгі ретті гармоникаларды жоғары реттілермен салыстырғанда бір деңгейде естудің қиын екенін көрсетсе де. Сонымен қатар, жұп гармоникаларды есту, әдетте, тақ гармоникалардан қиынға соғады. THD-ны нақты естілу қабілетімен байланыстыруға тырысатын бірқатар формулалар жарияланған, бірақ олардың ешқайсысы кеңінен қолданылмаған. Көпшілікке арналған Stereophile журналы үйдегі аудио әуесқойларының соқыр сынақтарға қарағанда көру сынақтарын ұнататынын алға тартады.

Many audio components are tested for performance using objective and quantifiable measurements, e. g., THD, dynamic range and frequency response. Some take the view that objective measurements are useful and often relate well to subjective performance, i. e., the sound quality as experienced by the listener. Floyd Toole has extensively evaluated loudspeakers in acoustical engineering research. In a peer reviewed scientific journal, Toole has presented findings that subjects have a range of abilities to distinguish good loudspeakers from bad, and that blind listening tests are more reliable than sighted tests. He found that subjects can more accurately perceive differences in speaker quality during monaural playback though a single loudspeaker, whereas subjective perception of stereophonic sound is more influenced by room effects. One of Toole's papers showed that objective measurements of loudspeaker performance match subjective evaluations in listening tests. Some argue that because human hearing and perception are not fully understood, listener experience should be valued above everything else. This is often encountered in the world of home audio publications. The usefulness of blind listening tests and common objective performance measurements, e. g., THD, are questioned. For instance, crossover distortion at a given THD is much more audible than clipping distortion at the same THD, since the harmonics produced are at higher frequencies. This does not imply that the defect is somehow unquantifiable or unmeasurable; just that a single THD number is inadequate to specify it and must be interpreted with care. Taking THD measurements at different output levels would expose whether the distortion is clipping (which increases with level) or crossover (which decreases with level). Whichever the view, some measurements have been historically favoured. For example, THD is an average of a number of harmonics equally weighted, even though research identifies that lower order harmonics are harder to hear at the same level, compared with higher order ones. In addition, even order harmonics are said to be generally harder to hear than odd order. A number of formulas that attempt to correlate THD with actual audibility have been published, however, none have gained mainstream use. The mass market consumer magazine Stereophile promotes the claim that home audio enthusiasts prefer sighted tests than blind tests.