¿Cuánto Distorsión podemos escuchar con la música?
Un estudio experimental de Axiom
por Alan Lofft, Ian Colquhoun y Tom Cumberland
En el proceso de encontrar los amplificadores, altavoces y subwoofers para llevar a los placeres de la música de alta fidelidad en nuestros hogares, nos encontramos con una lista de especificaciones técnicas que incluyan medidas de distorsión. La distorsión se considera que cualquier ruido no deseado o deformación de la señal de audio que la amplificación dispositivo y reproducir la música podría causar. los culpables incluyen cualquier equipo en la cadena de reproducción a través del cual pasa la señal de audio en el camino de convertirse en sonido en su sala de estar y llegar a sus oídos. Trabajando hacia atrás, esto incluye altavoces y subwoofers, amplificadores (transistor o tubo), grabadoras de masterización, preamplificadores, procesamiento de señales digitales (DSP), los chips analógicos y digitales, grabadoras de mesas de mezclas y micrófonos. Es un tema muy amplio, pero para estas pruebas nos hemos centrado en el potencial de altavoz de subgraves y las distorsiones y su audibilidad con la reproducción de música, el uso de tonos puros como una señal de prueba de ruido.
Debbie Swinton
Debbie Swinton, el análisis de las configuraciones de audio
durante una de nuestras sesiones de escucha.
Las listas y los números de técnicas que propone describir la distorsión que introduce un dispositivo - al igual que el porcentaje comúnmente indicado de distorsión armónica total más ruido (0,03% THD + N) parecen bastante abstracto en la página. Podemos escanear los porcentajes o mirar los gráficos de la distorsión relativa frente a un amplificador o de salida de altavoz a diversos niveles de escucha, pero es difícil imaginar lo que esas cifras representan en condiciones de escucha en el mundo real. Vamos a escucharlo con la música? La cantidad de distorsión podemos tolerar o incluso detectar? ¿Hay algunos tipos de distorsión que son más audibles que otros? ¿Cuánto se tarda distorsión (y en qué frecuencias) antes de que se entromete y arruina la experiencia de escucha? ¿Hay beneficios o sanciones a la reducción de los niveles de distorsión que ya son inaudibles? Por ejemplo, en la década de 1970, una de las consecuencias no deseadas de la prisa por reducir la distorsión en los amplificadores de estado sólido en etapa inicial mediante la adición de grandes cantidades de retroalimentación negativa al circuito (hacer esto redujo los niveles de distorsión del amplificador para infinitamente bajos números como 0,001% THD) dado lugar a un tipo de distorsión transitoria denominada distorsión de intermodulación (TIM), descubierto por primera vez por el investigador finlandés Matti Otala. En los transitorios musicales repentinos en un amplificador de estado sólido usando grandes cantidades de retroalimentación negativa, TIM podría excitar el amplificador en oscilación, lo que resulta en una distorsión de alta frecuencia audible y desagradable. En consecuencia, la pena de ver los números de distorsión con precaución al tomar una decisión de compra. Los números de distorsión cada vez más bajos pueden no contribuir a una mejor calidad de sonido.
En situaciones de la vida real, todos estamos muy familiarizados con la distorsión como extraños, noisea no deseada de células timbre del teléfono o de la gente de tos durante un concierto, para el fondo exampleor estruendo de aire acondicionado, equipos de circulación de aire en un auditorio durante los pasajes silenciosos de un recital.
La historia del sonido grabado y reproducido siempre ha sido la mejora de la grabación y la reproducción de equipos para reducir la distorsión y deshacerse de los ruidos extraños y artefactos que nos distraen de disfrute musical. Por lo que cualquier ruido que no es parte de la señal de música original debe ser visto como una distorsión, incluyendo que añadida por el medio de grabación analógica. La era LP tuvo su ranura buches más los estallidos irritantes y los clics de las imperfecciones de vinilo de prensado y el polvo acumulado. Incluso las cintas maestras originales alimentados para grabar-tornos de corte contenían silbido de alta frecuencia, este último todavía audible en muchas reediciones en CD de los maestros de las primeras cintas que no han sido procesados a través de los dispositivos de reducción de ruido (en la eliminación del ruido, estos dispositivos pueden introducir otros artefactos audibles que pueden degradar la señal!). Mirando hacia atrás, muchos de nosotros jugado y disfrutado discos de vinilo desde hace décadas, ya que era la única grabación práctico y decente de resonancia y de bajo costo y medio de reproducción disponibles. Sin embargo, en retrospectiva, es sorprendente la cantidad de ruido y distorsión toleramos junto con nuestra música.
Para todos excepto unos pocos, la introducción de sistemas de grabación y reproducción digital desterró las distorsiones más molestos de la grabación de un disco analógico y el ruido playbackgroove, silbido de cinta, garrapatas y pops, lentas y rápidas (irregularidades en la velocidad y trémolo, respectivamente), la placa giratoria hacer ruido, distorsión y el seguimiento de las veces severas limitaciones dinámicas de reproducción de la capsula del tocadiscos. Este último estableció un tipo de compresión dinámica cuando las cosas se pusieron demasiado fuerte y / o contenidos demasiados bajos para los surcos de un disco de vinilo para contener. (A excepción de unas pocas grabaciones directas al disco, prácticamente todo lo grabado en vinilo se procesó a través de un limitador o un compresor dinámico, de lo contrario no hay ningún cartucho fono jugaría las ranuras.)
Altavoces y subwoofers son dispositivos analógicos, pero las tres últimas décadas del diseño de altavoces han visto mejoras graduales en la reducción de la distorsión potencial. Sin embargo, la persistente pregunta sigue siendo: ¿cuándo se convierten en forma audible significativa distorsión?
Esto es lo que el axioma principal objetivo fue determinar, y que lo haga en un entorno experimental controlado mediante pruebas de escucha ciegos y no ciegos con un grupo de oyentes de edades comprendidas entre 22 y 60. Estas pruebas fueron una versión más formal, científicamente controlado de pone a prueba el axioma hizo en los mismos sujetos décadas atrás.
Los efectos de ocultación
Los informes anecdóticos y la sabiduría convencional han sugerido que la distorsión puede convertirse en un problema grave en niveles inferiores al 1%. De hecho, algunos críticos y oyentes han reclamado para detectar problemas técnicos perceptibles a una fracción de este valor. Mientras que los investigadores anteriores que utilizan señales de prueba de onda senoidal y la reproducción de los auriculares han informado de los umbrales de detección muy por debajo del nivel del 1%, la investigación que utilizan programa real materialmusicand reproducción altavoz indicar que los efectos de ocultación de la música pueden ocultar la distorsión audible hasta que se incrementa a niveles muy por encima del nivel del 1% y los oídos comienzan a detectar su presencia. Los efectos de enmascaramiento perceptual de otras frecuencias musicales han sido bien documentados: Cuando una tranquila arpa sounda musical, por ejemplo- está cerca en frecuencia a una sección de signala trombón más fuerte musical, saythen simplemente no se oye el arpa porque potentes máscaras de sonido de los trombones de los delicados tonos del arpa. Este fenómeno constituye la base de los sistemas de codificación perceptual, como Dolby Digital, DTS, MP3, Windows Media y otros esquemas de reducción de datos, lo que reduce drásticamente la cantidad de almacenamiento de datos requerida para señales de música y bandas sonoras complejas de múltiples canales en DVD y otros medios digitales. Tales esquemas de reducción de datos o algoritmos se denominan con pérdidas debido a las grandes cantidades de datos se descartan, lo que libera espacio adicional para el almacenamiento de audio y vídeo en el disco. Otros sistemas de grabación como un CD, SACD y DVD-Audio no tienen pérdidas, porque no hay datos se descartan.
La distorsión y los efectos de ocultación de la música son especialmente importantes con el altavoz y la reproducción subwoofer, ya que estos dos dispositivos son los verdaderos productores de sonido en la sala de escucha. Y debido a que utilizan conjuntos de motores de pistón, la excursión mecánica de bobinas móviles, diafragmas, conos y cúpulas los hace más susceptibles a los movimientos no deseados y otras distorsiones en su misión de presionar y mover las moléculas de aire para crear ondas de sonido audibles.
Barenaked Ladies
Phil Collins
El Procedimiento de Prueba
Dos selecciones de música rock / pop de rangetypical dinámico limitado de lo que hoy roca recordingswere seleccionados de Resultados de Phil Collins y álbumes Gordon Barenaked Ladies '. El rango dinámico limitado de +/- 5 dB nos permitió introducir el ruido sin tener que seguir el nivel de la música arriba y hacia abajo a lo largo de la canción. Las selecciones musicales de los CD se reproducen en estéreo en un par de altavoces de amplio espectro (Axioma M80ti de) que opera con un subwoofer axioma EP600. Tonos de onda senoidal pura a frecuencias fijas se jugaron más de un tercio del altavoz M80 y el subwoofer EP600 (todos los altavoces y subwoofers se ocultaron detrás de una cortina transparente acústicamente pero visualmente opaco), a aumentar gradualmente los niveles de sonoridad hasta que el oyente detecta su presencia y señalizan con una mano levantada que algo en la música no parece estar bien. se utilizaron Bryston y amplificadores de Yamaha Pro en la cadena de reproducción.
El primer grupo de ocho oyentes (Nivel medio de reproducción de 92 dB SPL) variaban de edad de 20 a 60 (+/- 3 dB) e incluyó una mezcla de macho y hembra auditioners elegido entre el personal de Axiom, así como un par de invitados que por casualidad visitará la planta Axiom en el norte de Ontario. Todos informaron de la agudeza auditiva normal. Cada oyente participó en sesiones de escucha individuales que normalmente duraban unos 20 a 25 minutos. Los ensayos se repitieron con un ocho oyentes adicionales a un nivel medio de 89 dB SPL, y un grupo adicional de ocho se ensayó a 86 dB SPL. Curiosamente, los resultados demostraron que el nivel medio de amplitud de la reproducción de música no afectó a la resultados de detección de ruido. En cada nivel de la prueba, la capacidad de los oyentes para detectar la distorsión del sonido depende de la intensidad relativa de la señal de ruido a la música, no en el volumen promedio total de la música.
La señal de ruido o distorsión de prueba consistió en tonos puros en las frecuencias fijas de 20 Hz, 40 Hz, 80, 120, 160, 200, 240 Hz y así sucesivamente, hasta un límite de alta frecuencia de 10 kHz. Las señales de prueba fueron elegidos para simular lo altavoces harían en condiciones normales de funcionamiento. Los tonos puros se jugaron durante el tercer y el altavoz de subgraves a aumentar gradualmente los niveles de sonoridad junto con la música de los altavoces estéreo y subwoofer. El tono de prueba se deja durante dos o tres segundos, luego se apaga por un período de tiempo similar, el tono de prueba que aumenta gradualmente en intensidad hasta que el oyente detecta el ruido, señala levantando su mano. El tono entonces reducirse en el nivel hasta que el oyente bajó su mano que indica que el tono no se oyó más. Esto se repite para verificar el nivel de ruido a la que el oyente detecta la distorsión. Los datos se registran para cada oyente y cada frecuencia de ensayo para los dos de las selecciones musicales y se representa en un gráfico. La Figura 1 muestra el resultado promedio final de los 24 oyentes.
Inicialmente, se les dijo a los oyentes individuales que levanten la mano si escucharon algo en la música que no me parece bien. A medida que procedieron las pruebas, los oyentes alternos se les dijo la naturaleza exacta de la teststhat íbamos a introducir un serie de tonos puros junto con la música a niveles cada vez más fuertes. También se especifica las frecuencias exactas y el orden de las señales de ruido, es decir, 20 Hz, 40 Hz, y así sucesivamente. Sorprendentemente, los resultados fueron los mismos si los oyentes se les dijo el procedimiento de prueba por adelantado o no. Las pruebas se repitieron a partir de los 10 kHz, moviéndose hacia abajo en frecuencia a un límite inferior de 20 Hz. una vez más, los resultados fueron los mismos si empezamos en la parte superior y se trasladó hacia abajo, o empezamos a 20 Hz y se trasladó hasta 10 kHz.
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La figura 1, Detección de Distorsión vs Frecuencia ( click en la imagen para agrandar )
Las pruebas se repitieron con la música a niveles de audición promedio de 86 dB SPL, 89 y 92 dB, medidos en el asiento de audio con un medidor de presión de sonido calibrado profesionalmente. Subjetivamente, estos niveles variaron de normal a muy fuerte. Todos los oyentes se sentían cómodos con estos niveles de reproducción. En el gráfico de la Figura 1, la línea horizontal en 0 dB representa el nivel medio de la música. Rango dinámico ordinario entre +5 y -5 dB podría medirse durante la reproducción de las selecciones musicales. Los pequeños cuadrados en cada curva representan los puntos de frecuencia específicas de la distorsión de onda sinusoidal alimentado en la sala de escucha junto con la música. Como puede verse en la Figura 2, los resultados con las diferentes selecciones musicales seguimiento entre sí muy de cerca, lo que indica que la naturaleza de la música en particular no cambió significativamente los resultados.
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La figura 2, con resultados distintos materiales de referencia ( click en la imagen para agrandar )
Figura 1 muestra el promedio combinado de todos los resultados junto con una línea de tendencia en pendiente que representa la capacidad promedio de los sujetos de prueba para detectar la distorsión a niveles más bajos a medida que aumenta la frecuencia. El gráfico de la Figura 3 documenta las curvas de detección individuales para cada uno de los ocho oyentes en el nivel de escucha promedio de 92 dB. La congruencia es notable. Sólo una desviación obvia a 10 kHz, para el oyente más antigua de las pruebas, muestra cualquier desviación significativa lejos de las otras curvas de los oyentes. Incluso a frecuencias mucho más altas, 5 kHz por ejemplo, el tono de distorsión tenían que ser elevado a un promedio de apenas 30 dB por debajo del nivel de la música (alrededor del 3% de distorsión) antes de oyentes pudieran escucharlo junto con la música.
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La figura 3, Detección de Distorsión vs Frecuencia @ 92 dB ( click en la imagen para agrandar )
Los resultados
Si bien se ha reconocido desde hace años que el oído humano no es muy sensible a las frecuencias más graves, que debe ser reproducida con mucha más potencia e intensidad con el fin de ser oído, lo que estos resultados muestran que es nuestro umbral de detección de ruido ( compuestos de relación armónica y tonos de prueba no relacionadas armónicamente) es prácticamente inexistente en las frecuencias bajas. (los tonos de prueba de ruido son el ruido en el sentido de que no están relacionadas con tonos musicalmente se encuentran comúnmente en los instrumentos musicales.) en de hecho, los tonos de ruido en 20 Hz y 40 Hz tuvieron que ser aumentado a niveles más fuerte que la propia música antes de que incluso les dimos. Dicho de otra manera, nuestra capacidad de escuchar los tonos de frecuencia de prueba de ruido a frecuencias de 40 Hz y a continuación es extremadamente crudo. De hecho, los resultados muestran que estamos prácticamente sordos a estas distorsiones en esas frecuencias. Incluso en el medio grave a 280 Hz e inferiores, el ruido puede ser alrededor de -14 dB (20% de distorsión), alrededor de la mitad tan fuerte como la música en sí, antes de oír la misma.
Conclusión
pruebas de una amplia gama de oyentes masculinos y femeninos de diversas edades con audición normal de Axiom mostraron que la distorsión de baja frecuencia de un altavoz de subgraves o en toda la gama de señales de música es indetectable hasta que alcanza niveles brutos acercarse o superar los niveles de reproducción de música. Sólo en el rango medio hace nuestra umbral de audición para la detección de la distorsión a ser más aguda. Para la detección de la distorsión a niveles de menos de 10%, las frecuencias de prueba tenían que ser mayor que 500 Hz. A 40 Hz, los oyentes aceptadas% de distorsión 100 antes de que se quejaron. Los tonos de prueba de ruido tuvieron que llegar a los 8.000 Hz y por encima de antes del 1% de distorsión se hizo audible, tal es el efecto de enmascaramiento de la música. Los informes anecdóticos de la capacidad de los oyentes para escuchar la distorsión de baja frecuencia con la programación de música no están respaldadas por las pruebas de Axiom, al menos hasta que la distorsión cumple o excede el nivel de reproducción de música real. Estos resultados indican que el dónde de distortionat qué frecuencia se . occursis al menos tan importante como la forma o nivel mucho más global de la distorsión para el diseñador, esto presenta una paradoja interesante tener cuidado con: distorsión audible puede aumentar si se reduce la distorsión en el precio de elevar su frecuencia de ocurrencia.
