Импульсная характеристика / меандр

Импульсная характеристика

Импульсная характеристика представляет собой реакцию на единичный импульс минимально возможной продолжительности. В общем представлении, импульсная характеристика - это показатель точности воспроизведения формы звуковой волны.

Так как форма волны импульсной характеристики в первую очередь зависит от амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и затухающих резонансов и реверберации самих наушников и камеры стенда, то визуальная наглядность параметров непосредственно на импульсной характеристике крайне низкая. Для получения большинства характеристик используется быстрое преобразование Фурье и другие математические алгоритмы с анализом полной длины импульса.

Полная длина импульса - это около 5 секунд, в то время как визуально обычно импульс показывается продолжительностью в 2-4 миллисекунды. По вертикали визуальная подробность не превышает 40-45 дБ. Таким образом, для наглядного вида используется альтернативный вид из суммы модулей полуволн импульсной характеристики, построенной в логарифмическом масштабе, где и видно, что после 2-4 мс колебания продолжаются.

Визуальное определение АЧХ и резонансов по импульсной характеристике было актуально лишь в "докомпьютерные" времена. Сегодня на импульсной характеристике смотрят только одинаковую или разную полярность излучателей и возможный высокочастотный резонанс, если отсутствует график затухающих резонансов (ватерфол, сонограмма, динамический спектр).

Существует мнение, что по импульсной характеристике "сразу все видно", а ее отсутствие - это сокрытие правды. В отчеты RAA импульсная характеристика добавилась для развеивания этого заблуждения и возможности увидеть все взаимосвязи.

В специализированном ПО по импульсной характеристике обычно выставляют виртуальное начало и конец воспроизведения сигнала для построения из импульса АЧХ, фазочастотной характеристики (ФЧХ) / группового времени задерживания (ГВЗ), ватерфолов и прочих графиков.

Переходная характеристика и меандр

Альтернативным отображением импульса является переходная характеристика и меандр.

Переходная характеристика (Step Response, ступенчатый сигнал, реакция на ступеньку) представляет собой реакцию на ступенчатый сигнал. Если импульс в основном визуально показывает точность построения волны в высокочастотной области, то переходная характеристика позволяет увидеть закономерности в среднечастотной и низкочастотной области.

Меандр представляет собой чередующийся прямоугольный сигнал, который аналогично зависит от АЧХ и резонансов. Сигнал будет "прямоугольным" только при ровной АЧХ (без компенсации под целевую кривую). Так как субъективно ровные наушники обычно не обладают ровной АЧХ, то и меандр будет всегда отдаленно напоминать прямоугольник.

В идеализированной системе переходная характеристика - это прямоугольный сигнал, где линия остается горизонтальной на любом временном участке. Т.к. микрофон реагирует на изменение звукового давления, то запись постоянного давления невозможна. Дополнительно на входе большинства аудиоустройств принудительно отсекается постоянное напряжение и переходная характеристика всегда выглядит как убывающий колебательный процесс.

Взаимосвязь АЧХ, импульса, ступеньки и меандра

Импульсная характеристика, переходный процесс и меандр на графике обычно нормализуются к 100%, отличаясь только формой. При записи же напрямую, в зависимости от АЧХ меняется не только форма но и амплитуда сигнала, что обычно не показывается.

Некоторые пользователи стараются увидеть на меандре такую характеристику, как "скорость" по аналогии с параметром Slew Rate от усилителей, но из-за того, что форма сигнала напрямую зависит от АЧХ, то и видно в итоге не скорость, а тональный баланс, затухающие резонансы и ГВЗ, где чем больше высоких частот, тем обычно и выше "скорость".

Взаимосвязь АЧХ, импульса, ступеньки и меандра от полярности излучателей

Дополнительное влияние на форму сигнала оказывает фазочастотная характеристика, что актуально для многодрайверных наушников, где можно определить относительную полярность включения излучателей между собой. В примере в наушниках переключатель инвертирует низкочастотную секцию.

Что импульсная характеристика может показать

Выше уже была упомянута "скорость", как характеристика из мира усилителей. В целом, "скорость" обычно рассматривается в разных контекстах и взаимосвязях. Основные взаимосвязи без учета АЧХ будут как:

Микродинамика на импульсе

Микроданамика - атаки инструментов на малой громкости, что дает хорошую детализацию звука. Здесь можно выделить две составляющие: наилучшее ФЧХ/ГВЗ, отвечающие за передачу атаки и нелинейные искажения в области средних и малых амплитуд на передаточной характеристике. Импульс напрямую не может показать эти характеристики, но при анализе его спектра это можно посмотреть на ФЧХ и ГВЗ. Нелинейные искажения в свою очередь графиках искажений от уровня сигнала.

Макродинамика на импульсе

Атака на большой громкости, где не смазываются ударные. В целом ровно то, что и с микродинамикой, но искажения здесь должны рассматриваться для максимальной амплитуды на передаточной характеристике.

Равномерный фронт звуковой волны на импульсе

Если представить фронт звуковой волны как некую поверхность, то этот фронт можно разделить послойно для каждой частоты. В идеале эти "частотные слои" должны быть плоскими и двигаться одновременно. Но на деле так не происходит. Какие-то частоты воспроизводятся раньше (обычно высокие), какие-то позже (обычно низкие). Такую зависимость на импульсе не видно, но видно по спектру импульса на ФЧХ и ГВЗ.

Дополнительно на некоторых частотах возникают резонансы, на пути от излучателя по конструкции наушников и заканчивая взаимодействием с ушной раковиной и ушным каналом. На этих участках плоскость такого частотного фронта как бы размазывается или становится толще. На ГВЗ это будет выглядеть как запаздывание, но более понятный вид даст ватерфол - последовательных спектров от анализа импульсной характеристики. В целом, если будет сильно выражен какой-то один высокочастотный резонанс - то его можно будет увидеть непосредственно на импульсной характеристике и рассчитать его частоту (ранее это наиболее удобно вычисляли через подбор частоты меандра).

Еще можно рассмотреть фронт каждого частотного диапазона иначе. После взаимодействия с ушной раковиной фронт будет "сминаться/искривляться". Причем здесь искривление получат только те частотные фронты, где длина волны будет меньше, чем геометрические размеры криволинейной поверхности уха. После того, как произойдет искривление фронта и он как скомканнаябумага дойдет до барабанной перепонки или микрофона, мы получим многослойный фронт, в котором скомканные слои будут не только складываться, но и вычитаться из-за разницы фаз (интерференции). Таким образом, по неравномерности графиков АЧХ, ФЧХ и ГВЗ мы увидим вероятную степень скомканности этих слоев. Но совершенно точно не восстановим этот фронт как поверхность в пространстве.

На этом фоне возникает и другой вопрос - а какая допустимая "толщина" частотного фронта? У нас же барабанная перепонка располагается под углом в ушном канале и ее размеры далеки от бесконечно малой точки, а соответственно есть и временной предел "толщины", меньше которого размытие фронта будет несущественно.

Итог - что видно и не видно на импульсной характеристике

Таким образом, подводя итог, непосредственно на импульсной характеристике (и альтернативных видах в виде переходной характеристики):

Можно увидеть

• Полярность включения излучателей
• Доминирующий высокочастотный резонанс

Нельзя увидеть

• Скорость
• Фронт волны в пространстве

На спектре импульсной характеристики можно увидеть

• АЧХ
• ФЧХ/ГВЗ
• Ватерфол

Косвенно и частично

• "Скорость" на основе АЧХ, ФЧХ/ГВЗ и Ватерфола