Измерение и оценка качества звуковых систем

Введение

Средства количественной оценки производительности системы. Измерения аудиосистемы служат для количественной оценки производительности системы. Эти измерения проводятся с несколькими целями. Разработчики используют их для определения характеристик оборудования. Инженеры по обслуживанию – для проверки соответствия оборудования спецификациям или для оценки того, находятся ли совокупные недостатки аудиоканала в пределах допустимых значений. При измерениях аудиосистем часто учитываются психоакустические принципы, чтобы оценивать систему с точки зрения восприятия человеческим слухом.

Субъективность и частота

Субъективно обоснованные методы получили распространение в потребительской аудиотехнике в Великобритании и Европе в 1970-х годах, когда появление компактных кассет, систем шумоподавления dbx и Dolby выявило неудовлетворительность многих базовых инженерных измерений. Особенно широко стали применяться спецификации взвешенного квазипикового шума CCIR 468 и взвешенного квазипикового вау и флаттера, и предпринимались попытки найти более валидные методы измерения искажений. Измерения, основанные на психоакустике, такие как измерение шума, часто используют весовой фильтр. Общеизвестно, что человеческий слух по-разному чувствителен к различным частотам, что демонстрируют равные по громкости кривые, но недостаточно осознается, что эти кривые меняются в зависимости от типа звука. Например, измеренные кривые для чистых тонов отличаются от кривых для случайного шума. Ухо также менее эффективно реагирует на короткие импульсы длительностью менее 100–200 мс, чем на непрерывные звуки, поэтому квазипиковый детектор оказался наиболее репрезентативным при наличии в шуме щелчков или импульсов, что часто встречается в цифровых системах. По этим причинам был разработан набор субъективно обоснованных методов измерения и включен в стандарты BS, IEC, EBU и ITU. Эти методы измерения качества звука используются инженерами вещания по всему миру, а также некоторыми аудиопрофессионалами, хотя более старый стандарт A-взвешивания для непрерывных тонов по-прежнему широко используется другими. Ни одно измерение не может полностью оценить качество звука. Вместо этого инженеры используют серию измерений для анализа различных типов деградации, которые могут снизить достоверность звучания. Таким образом, при тестировании аналогового магнитофона необходимо проверять вау и флаттер, а также изменения скорости ленты в течение длительного времени, наряду с искажениями и шумом. При тестировании цифровой системы проверка изменений скорости обычно считается ненужной из-за точности тактовых генераторов в цифровых схемах, но тестирование на алиасинг и временной джиттер часто желательно, поскольку они вызывали слышимые искажения во многих системах. Как только субъективно обоснованные методы демонстрируют хорошую корреляцию с результатами прослушивания в широком диапазоне условий, они обычно принимаются в качестве предпочтительных. Стандартные инженерные методы не всегда достаточны при сравнении аналогичных устройств. Например, один CD-плеер может показывать более высокий уровень шума, чем другой, при измерении методом RMS или даже A-взвешенным методом RMS, но звучать тише и показывать более низкие значения при использовании 468-взвешивания. Это может быть связано с тем, что в нем больше шума на высоких частотах или даже на частотах выше 20 кГц, к которым человеческое ухо менее чувствительно. (См. формирование шума). Этот эффект лежит в основе работы Dolby B и объясняет, почему она была внедрена. Кассетный шум, который был преимущественно высокочастотным и неизбежным из-за небольшого размера и скорости записи дорожки, мог быть субъективно значительно менее заметным. Шум казался на 10 дБ тише, но не показывал значительного улучшения при измерении, если не использовалось 468-взвешивание вместо A-взвешивания.

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.

Механические

Вау и флаттер. Эти измерения связаны с физическим движением в компоненте, главным образом в механизме привода аналоговых носителей, таких как виниловые пластинки и магнитная лента. "Вау" – это медленные колебания скорости (несколько Гц), вызванные длительным отклонением скорости двигателя, в то время как "флаттер" – более быстрые колебания скорости (несколько десятков Гц), обычно вызванные механическими дефектами, такими как неточность формы цапфы лентопротяжного механизма. Измерение выражается в процентах, и чем меньше значение, тем лучше. Гудение (Rumble). Мера низкочастотного (десятки Гц и более) шума, создаваемого проигрывателем аналоговой системы воспроизведения. Оно вызвано несовершенством подшипников, неравномерностью обмоток двигателя, вибрациями в приводных ремнях у некоторых проигрывателей, а также внешними вибрациями (например, от транспорта), передающимися через крепление проигрывателя и далее на фонокорректор. Чем меньше значение, тем лучше.

Автоматическое тестирование последовательности

Для проведения последовательного тестирования используется определенная последовательность тестовых сигналов для проверки частотной характеристики, шума, искажений и т.д., генерируемых и измеряемых автоматически для полной проверки качества оборудования или тракта передачи сигнала. В 1985 году EBU стандартизировала единую 32-секундную последовательность, включающую 13 тонов (40 Гц – 15 кГц при −12 дБ) для измерения частотной характеристики, два тона для проверки искажений (1024 Гц / 60 Гц при +9 дБ), а также тесты на перекрестные помехи и компрессию-расширение. Эта последовательность, начинавшаяся с 110-бодового сигнала FSK для синхронизации, также стала стандартом CCITT O.33 в 1985 году. Компания Lindos Electronics развила эту концепцию, сохранив использование FSK и разработав сегментированное последовательное тестирование, которое разделяет каждое испытание на «сегмент», начинающийся с идентификационного символа, передаваемого в виде 110-бодового сигнала FSK, чтобы эти сегменты можно было рассматривать как «строительные блоки» для создания комплексного теста, адаптированного к конкретной ситуации. Независимо от выбранной комбинации, FSK обеспечивает идентификацию и синхронизацию для каждого сегмента, благодаря чему последовательности тестов, отправляемые по сетям и даже через спутниковые каналы, автоматически обрабатываются измерительным оборудованием. Таким образом, TUND представляет собой последовательность из четырех сегментов, которая проверяет уровень настройки, частотную характеристику, шум и искажения менее чем за минуту, а также включает множество других тестов, таких как Wow и Flutter, Headroom и Crosstalk, доступных как в виде отдельных сегментов, так и в полном объеме. Система последовательного тестирования Lindos в настоящее время является «де-факто» стандартом в вещании и многих других областях аудиотестирования, с более чем 25 различными сегментами, поддерживаемыми тестовыми наборами Lindos, в то время как стандарт EBU больше не используется.

Не поддается количественному определению?

Многие аудиокомпоненты тестируются на производительность с использованием объективных и количественных измерений, например, THD, динамического диапазона и частотной характеристики. Некоторые полагают, что объективные измерения полезны и часто хорошо соотносятся с субъективной производительностью, то есть качеством звука, воспринимаемым слушателем. Флойд Туль провел обширную оценку акустических систем в рамках исследований в области акустической инженерии. В рецензируемом научном журнале Туль представил результаты, показывающие, что у испытуемых различается способность различать хорошие и плохие акустические системы, и что слепые тесты прослушивания более надежны, чем тесты с визуальным контролем. Он обнаружил, что испытуемые могут точнее воспринимать различия в качестве акустических систем при монофоническом воспроизведении через одну акустическую систему, в то время как на субъективное восприятие стереозвука больше влияют особенности помещения. В одной из работ Туля показано, что объективные измерения производительности акустических систем соответствуют субъективным оценкам, полученным в тестах прослушивания. Некоторые утверждают, что, поскольку человеческий слух и восприятие изучены не до конца, опыт слушателя следует ценить превыше всего. Это часто встречается в мире журналов, посвященных домашней аудиоаппаратуре. Высказываются сомнения в полезности слепых тестов прослушивания и общепринятых объективных показателей производительности, например, THD. Например, перекрестные искажения при заданном THD гораздо более заметны, чем искажения от насыщения при том же THD, поскольку генерируемые гармоники находятся на более высоких частотах. Это не означает, что дефект каким-то образом невозможно количественно оценить или измерить; просто одно значение THD недостаточно для его характеристики и требует осторожной интерпретации. Измерение THD на разных уровнях выходного сигнала позволило бы определить, является ли искажение искажением от насыщения (которое увеличивается с уровнем) или перекрестным (которое уменьшается с уровнем). Независимо от точки зрения, некоторые измерения исторически пользовались большим предпочтением. Например, THD является средним значением нескольких гармоник с одинаковым весом, хотя исследования показывают, что гармоники более низкого порядка труднее услышать на одном уровне по сравнению с гармониками более высокого порядка. Кроме того, считается, что гармоники четного порядка в целом труднее услышать, чем нечетного. Было опубликовано несколько формул, пытающихся соотнести THD с фактической слышимостью, однако ни одна из них не получила широкого распространения. Популярный журнал Stereophile продвигает утверждение о том, что любители домашней аудиоаппаратуры предпочитают тесты с визуальным контролем слепым тестам.

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.