Шум и динамический диапазон

Введение

Обычно шум намного лучше слышен при использовании наушников, чем при использовании колонок, и является популярной темой жалоб именно среди владельцев наушников.

Существует множество заблуждений о том, откуда берется шум, характеристиках и методах его сравнения.

Что такое шум?

Технически шум — это всё, кроме полезного сигнала. Обычно нас интересуют шумы лишь в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Внутри этого диапазона ухо более чувствительно к одним частотам, чем к другим. Наиболее распространенный слышимый шум по природе своей совершенно случаен и воспринимается как широкополосное шипение. Низкочастотный гул на частотах сети электропитания (50 или 60 Гц) также иногда может быть слышен. Все цифровые устройства, в особенности компьютеры и мобильные телефоны, могут создавать шумы на определенных частотах, воспринимаемые как скрип, щелчки, гул и т. д.

Источники шума

Слышимый шум может возникать, и зачастую возникает в сигнальном тракте, начиная с используемых при записи микрофонов. Вот наиболее распространенные его источники:

• Звукозапись — Микрофонные предусилители и другое оборудование, используемое во время записи, часто вносит слышимые шумы. Но есть множество технологий, используемых для уменьшения их слышимости. Шумоподавление (англ. Noise Gate), например, используется для исключения шума в моменты, когда отсутствует полезный сигнал (от микрофона или инструмента). Практически все записи, сделанные до начала 80-х проходили мастеринг с использованием аналоговой пленки, которая вносит значительное шипение. И даже цифровые записи могут содержать шум, вносимый электроникой в процессе передачи и обработки сигнала. Также, само собой, высоким уровнем шума обладает винил.


• ЦАП — теоретически идеальный 16-битный ЦАП имеет соотношение сигнал/шум равное 96 дБ, но некоторые ЦАП'ы не дотягивают до максимальных показателей 16-битного формата. 24-битные ЦАП обычно обладают точностью соответствующей всего 16-ти битам, самые же лучшие из них едва достигают 21 бит (эффективное количество двоичных разрядов). В особенности это касается ЦАП встроенных в ПК. Некоторые ЦАП также вносят большое количество собственных шумов — интермодуляций, шумов квантования (хотя их можно рассматривать как искажения, так как они имеют место только при наличии полезного сигнала).


• Усилитель мощности — Даже нетбук или портативный плеер имеют встроенный усилитель мощности для наушников (в некоторых случаях он уже включен в чип ЦАП). Любой усилитель вносит шум, вопрос лишь в том, слышен этот шум, или нет. Даже самые дорогостоящие внешние усилители для наушников могут вносить значительное количество шума. Кроме того, конечно же, усиливаются шумы, поступающие на вход усилителя вместе с сигналом.


• Шумы накапливаются — Хотя иногда очевиден некий основной источник шума, шум также может вноситься в равной степени несколькими компонентами. В таком случае шумы суммируются.

Замеры шумов

Есть два основных метода измерения шумов. Первый подразумевает измерение абсолютного значения уровня шума, второй — уровня шума относительно некоторого заданного уровня сигнала. Величина децибел (дБ) частично была создана потому, что хорошо соответствует слуховому восприятию человека. Изменение громкости на 1 дБ — минимальное изменение, которое улавливается человеческим ухом. Изменение на 10 дБ воспринимается, грубо говоря, как увеличение (или уменьшение) громкости вдвое. Если устройство A имеет уровень шума −80 дБВ, а устройство B — −70 дБВ, второе будет иметь субъективно вдвое больший уровень шума:

• Абсолютный уровень шума — Обычно измеряется в микровольтах и представляет собой уровень на выходе в отсутствие полезного сигнала. Является показателем порога шумов, который представляет интерес с аналитической точки зрения, но слабо пригоден для субъективной оценки, когда важен уровень шумов относительно определенного уровня воспроизведения сигнала. Измерение абсолютного значения шума имеет смысл на выходе регулятора громкости.


• Относительный уровень шума — Более информативное значение, т. к. оно связывает уровень шума с некоторым фиксированным уровнем сигнала. Для этого существует несколько стандартных опорных уровней. Наиболее распространенными являются дБВ и dBu. Шум заданный в дБВ указывается относительно опорного уровня сигнала 1 В (действующее значение), а dBu — относительно 0.775 В. Оба уровня являются вполне приемлемыми для прослушивания с большинством полноразмерных наушников, вроде Sennheiser HD600.


• Соотношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio, SNR, S/N) — Еще более продвинутый способ представления, в основу которого заложен как уровень шума, так и опорный уровень сигнала. Наиболее корректным является представление в dBr (r — «relative», «относительно»), однако обычно используют просто дБ. К сожалению, многие разработчики не указывают опорный уровень сигнала. В таком случае, если указано только значение сигнал/шум, в качестве опорного уровня подразумевается максимальное абсолютное значение на выходе устройства — т. е. фактически мы получаем динамический диапазон. Но и это максимальное значение указывается далеко не всегда (см. Больше мощности).


• Вольты, дБВ, dBu, dBr — Измерение шумов в вольтах возможно только для получения абсолютных значений. Измерение в дБВ соответствует опорному уровню 1 В, что упрощает расчеты; эта величина обычно используется в области профессионального аудио. В потребительской среде используется dBu с опорным уровнем 0.775 В, что связано с усложнением расчетов. В случае с dBr опорным уровнем может быть любое значение, включая указанные выше.

Динамический диапазон

Как пояснялось выше, динамический диапазон — это по сути то же самое, что соотношение сигнал/шум при максимальном выходном уровне. Это соотношение (положительное значение) между самым громким неискаженным сигналом на выходе и уровнем на выходе при отсутствии воспроизведения. Теоретический динамический диапазон 16-битного аудио равен 96 дБ, и обычно это служит проверкой динамического диапазона: в идеале качество воспроизведения оборудования должно быть не хуже точности формата, в котором представлена запись. Для устройств с высоким выходным уровнем сигнала нередко можно увидеть значения динамического диапазона и выше, и это вполне реально. Исследования, например, проведенные Мейером и Мораном, показали, что динамический диапазон 96+ дБ является прозрачным для любых нормальных условий прослушивания. Единственный способ выявить шумы — поднять громкость до запредельных значений. Использование цифровых (программных) средств регулировки громкости перед подачей на 16-битный ЦАП и последующее увеличение громкости также может сделать шумы слышимыми. В таких случаях динамического диапазона в 110 дБ должно быть достаточно, чтобы сохранить шум за пределами слышимости.

Установка громкости

В настройке громкости есть некоторые интересные нюансы, и некоторые из которых не очевидны:

• Шум на входе — Все шумы, подаваемые на вход регулятора громкости, по мере увеличения громкости будут усиливаться, т. е. они не будут маскироваться музыкой. Абсолютное значение шума при этом увеличивается, но соотношение сигнал/шум остается прежним, т. к. вместе с шумом усиливается и уровень полезного сигнала.


• Шумы усилителя — В зависимости от того, в каком месте схемы устройства расположен регулятор, он может влиять или не влиять на уровень шума. Например, цифровой контроль громкости влияет только на шум, содержащийся в самой записи. Интересно, что некоторые устройства с аналоговым регулятором громкости имеют наибольший уровень шума при половинной громкости — например, FiiO E9. Обычно это происходит потому, что вы слышите собственные тепловые шумы

регулятора громкости, и вариант с половинной громкостью в данном случае является наименее благоприятным. Это характерно для схем, в которых регулятор громкости размещен перед каскадами усиления. Когда же громкость регулируется после усиления, практически весь шум является входным относительно регулятора громкости и уменьшается с уменьшением уровня громкости.

• Фиксированный шум — усилители также имеют составляющую шума, которая не зависит от положения регулятора громкости. Обычно это шумы, источником которых являются элементы, находящиеся после регулятора громкости, и в правильно разработанном усилителе их всегда можно свести к минимуму (до неслышимого уровня).

Понятие слышимости шума

Иногда слышимый шум определяется как шум, который воспринимается в предельных условиях, например: сигнал не воспроизводится, наименее благоприятные установки громкости и усиления, максимально тихое помещение, сверхчувствительные наушники. Простейшими рекомендациями может послужить уровень шумов -96 дБ (невзвешенное значение) относительно максимального разумного уровня громкости — в соответствии с динамическим диапазоном 16-битного формата. Таким образом, если выходной пиковый уровень звукового давления равен 110 dBSPL (см. Больше мощности), а шум находится на 96 дБ ниже, он будет совершенно неслышим. Это легко достигается использованием менее чувствительных наушников, однако трудноосуществимо со сверхчувствительными внутриканальными мониторами. Некоторые примеры:

• HD600 — 2.3 В для 110 дБ => 36 мкВ или –88 дБВ шума


• GRADO SR80 — 0.7 В для 110 дБ => 11 мкВ или –88 дБВ шума


• U.E. TripleFi 10 — 0.1 В для 110 дБ => 1.6 мкВ или –116 дБВ шума

Слышимость шума на практике

На практике тесты показывают, что шум на 85 дБ ниже, чем уровень громкости сигнала равный 110 дБ, является достаточно тихим для большинства слушателей (уровень шума 25 dBSPL). Таким образом устанавливается ограничение –105 дБВ (–102.8 dBu) или 5.6 мкВ для чувствительных внутриканальных мониторов. В случае с наиболее чувствительными мониторами в действительно тихой комнате некоторые люди могут всё равно слышать при этом уровне некоторый шум, но если быть реалистом, этого вполне достаточно. Если вы хотите быть уверены, что не услышите никаких шумов даже с самыми чувствительными наушниками, используйте в качестве целевого значение –110 дБВ (–107.8 dBu).

Шум и усиление

Усилители для наушников имеют различные уровни усиления. Некоторые усилители имеют настройки усиления. Чем больше уровень усиления, тем больше будет усилен входной шум. Кроме того, зачастую, чем больше уровень усиления, тем больше уровень собственных шумов усилителя. Это одна из причин, по которой следует использовать минимальный возможный уровень усиления. Смотрите All About Gain.

Пример

Усилитель O2 показал следующие результаты (смотрите O2 Measurements:

• Шум в дБВ при 100% громкости — –112 дБВ unweighted и –115 дБВ A-Weighted


• Сигнал/шум по отношению к максимальному выходу — 130 dBr unweighted и –133 dBr A-Weighted по отношению к 7 В RMS максимуму. Эти цифры впечатляют, однако далеки от реальности, так как вряд ли кому-то понадобится значение на выходе близкое к 7 В.

Чувствительность наушников

Наушники значительно различаются между собой по чувствительности. Многие полагают, что увеличение чувствительности на 10 дБ также ухудшит соотношение сигнал/шум на 10 дБ, но зачастую это неправда. Так как наушники более чувствительны, необходим меньший уровень усиления и/или меньший уровень громкости. В обоих случаях уменьшается также и уровень шумов, потому соотношение сигнала и шума, имеющегося на входе усилителя, остается неизменным. Только фиксированный шум имеет непосредственное отношение к чувствительности наушников. Тепловые шумы регулятора громкости могут также несколько усложнить ситуацию, но по мере того как чувствительность наушников растет, важность уровня фиксированного шума растет (см. выше про предельные условия).

Спектр шума

Иногда вы можете видеть спектральный анализ шума. Средний шумовой порог на этих графиках намного меньше, чем указанный в характеристиках шум. На рисунке справа суммарный шум равен примерно –112 дБВ, но на графике шум лежит на уровне –150 дБВ. Причина такой большой разницы заключается в том, что –112 дБВ — это сумма шумовых составляющих в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Представьте, что вы рассыпали стакан сахара по полу. Это несколько изменит уровень пола. Но если вы соберете весь сахар в измерительную ёмкость, то сможете определить,, сколько сахара всего — так же работают и показатели в окнах на рисунке.

Частотный диапазон шума. Взвешивание

Обычно шум — это сумма мощностей в звуковой полосе частот. В идеале частотная полоса указывается для невзвешенных измерений. Взвешивание по типу A (A-weighting) часто используется для адаптации результатов под особенности человеческого слуха (различная чувствительность слуха на различных частотах), также оно ограничивает частотную полосу. Другим стандартом взвешивания является ITU-R 468. Для оборудования, имеющего тенденцию к большому количеству ультразвукового шума, вроде усилителей класса D и цифрового оборудования, иногда могут быть полезны дополнительные широкополосные замеры шума, вплоть до 100 кГц.

Сравнение показаний шума

Непосредственно сравнивать показания можно только в dBu, дБВ или dBr, при одинаковом уровне. Во всех измерениях должен быть использован одинаковый диапазон частот и одинаковый тип взвешивания. В противном случае вы не сможете сравнивать результаты без выполнения некоторых дополнительных расчетов, или же их нельзя будет сравнивать в принципе. Вот несколько примеров:

• RMAA — К сожалению, в основе концепции RightMark Audio Analyzer отсутствует понятие абсолютных значений. Потому программа не может рассчитать уровень шума относительно некоторого заданного значения. Она пытается вычислить динамический диапазон в dBFS, но эти результаты являются субъективными и могут варьироваться в зависимости от настроек устройства (уровень громкости, уровень записи и т. д.), калибровки и проч. Вообще, измерения шумовых характеристик с помощью RMAA редко бывают точными, и собственные шумы оборудования ПК зачастую больше, чем то, что вы хотите измерить. Некоторые параметры, анализируемые RMAA, собственно, присутствуют там «для галочки», и это один из них.


• дБВ и dBr — Если устройство A имеет уровень шума –100 дБВ, а устройство B — –108 dBr (опорный уровень 10 В), с первого взгляда кажется, что шумы устройства B на 8 дБ меньше. Но для A значение указано по отношению к 1 В, а для B — к 10 В. Разница равна 20*Log(10/1) = 20 дБ. Так что в действительности для B по отношению к 1 В уровень будет на 20 дБ выше, т. е. –88 дБВ. Смотрите базовые преобразования ниже.


• dBu в дБВ — Эти значения схожи. Для преобразования из дБВ в dBu уменьшите модуль значения на 2.2 дБ. Для обратного преобразование увеличьте модуль на 2.2 дБ.


• dBr (400 мВ) в dBv — Я обновил результаты своих собственных замеров, преобразовав dBr с опорным уровнем 400 мВ в дБВ (опорный уровень 1 В). Для такого преобразования модуль значения надо увеличить на 8 дБ (для обратного — уменьшить).


• Базовые преобразования — Суть заключается в добавлении или вычитании 20 * Log( Vref1 / Vref2) дБ. Чем ниже опорный уровень, тем больше будет относительный показатель шума. Также уровень может задаваться по отношению к мощности (вместо напряжения). В этом случае значение рассчитывается как 10 * Log ( Pref1 / Pref2 ).
  • дБВ в Вольты — 10^( дБВ / 20 )
  • –96 дБ в Вольты — 10^( –96/20 ) = 16 мкВ ( 0.000016 В)
  • Вольты в дБВ = 20 * log ( В )


• Различные типы взвешивания — Невозможно в точности сравнивать значения, плученные с использованием различного взвешивания, т. к. они зависят от частотного распределения шума. Например, усилитель со значительным уровнем гула будет иметь меньшее взвешенное значение шума, чем усилитель с равномерно распределенным шумом. В большинстве случаев, однако, следует ожидать, что взвешивание по типу А даст значение уровня шумов на 3–6 дБ ниже, чем невзвешенное.

Импеданс источника

Тепловые шумы зачастую являются главным источником шумов в предусилителях и усилителях для наушников. А они пропорциональны импедансу входной цепи, включающей также и источник. Чем выше импеданс источника, тем больше шумы. Так, например, усилитель для наушников исправно работает от источника с импедансом 100 Ом, но использование источника с импедансом 10 кОм может легко привести к слышимым шумам. В данном случае шумы, которые вы слышите, в действительности продуцируются входным устройством, а не усилителем..

Измерение шумов

Так как значение уровня шумов является суммой составляющих в диапазоне звуковых частот, а также обычно является очень низким, измерить его точно — весьма проблематично. Лучшее high-end оборудование для ПК может иметь достаточно низкую шумовую полку, но в то же время редко позволяет делать замеры при максимальном значении на выходе устройства. И, что еще более важно, звуковое оборудование ПК не позволяет установить абсолютное значение — в В, дБВ и т. п. Лишь немногие цифровые мультиметры имеют достаточное разрешение и достаточно низкий уровень собственных шумов для замеров с точностью до мкВ в диапазоне 20—20000 Гц. Теоретически можно временно откалибровать 24-битную звуковую карту, используя точный измерительный прибор и соответствующие тестовые сигналы. Но здесь есть множество нюансов, зависящих от используемого ПО. Импеданс источника также является проблемой. Разработчики предпочитают при измерениях замыкать входные контакты устройства для получения лучших показателей шума, однако более близкие к реальным результаты можно получить, подключив на вход шунтирующее сопротивление близкое по значению к импедансу типичного источника. Если же вы попытаетесь использовать реальный источник, его шумы будут включены в результат измерений (как в случае с RMAA). При тестировании ЦАП необходимо использовать сигналы очень низкого уровня, так как если на ЦАП совсем ничего не подавать, он полностью отключится и покажет результаты, не соответствующие действительности. Практически любой качественный звуковой анализатор сможет исключить этот низкоуровневый сигнал из результатов, оставив только шум.

Измерения с помощью RMAA

Даже если вам удалось откалибровать уровни, вы всё равно не знаете, какие преобразования происходят внутри программы RMAA. Это магический «черный ящик», без какой-либо заслуживающей доверия документации, описывающей, каким образом программа рассчитывает выходные значения. Какой частотный диапазон был использован? Является результат взвешенным или невзвешенным? Плюс ко всему, в результаты включен неизвестный нам уровень шумов используемого оборудования. В итоге, лучшим способом измерить шумы является использование анализаторов Audio Precision и Prism Sound.

Заключение

Шумы на уровне –105 дБВ (по отношению к 1 В) практически всегда оказываются неслышимыми. Уровень шумов в районе -95 дБВ является приемлемым для большинства слушателей. Значения уровня шумов, заданные в других величинах должны быть предварительно преобразованы в дБВ или аналогичные единицы, прежде чем их можно будет сравнивать. Результаты, полученные с помощью RMAA, обычно неинформативны, т. к. по ним нельзя определить абсолютные значения. RMAA может определить лишь динамический диапазон, и то не всегда, т. к. зачастую сложно правильно настроить уровни без специального оборудования.

Оригинал статьи на английском: Noise & Dynamic Range