Як рожевий шум використовується у тестуванні аудіо обладнання?
Рожевий шум використовується в тестуванні аудіо обладнання для імітації фонових шумів у навколишньому середовищі; він слугує для відтворення шумів, з якими ми стикаємося в реальному житті.
Навіщо в аудіо середовищі взагалі імітувати фоновий шум? І навіщо для цього потрібен саме рожевий шум?
Справа в тому що шум — це частина повсякденного життя. Коли ми тестуємо мікрофони в аудіосередовищі (середовищі випробування аудіо обладнання, тобто сукупності всіх чинників які можуть впливати на звук), ми хочемо змоделювати реальні умови. У реальному світі ви стикаєтеся з безліччю фонових шумів: звук двигунів поїздів, літаків, гуркіт автомобілів, гудіння кондиціонерів, обертання вентиляторів...
Коли ви використовуєте мікрофон, у ідеалі він не повинен записувати жоден із цих шумів. Тому проводиться тестування мікрофонів, щоб визначити, скільки з цих фонових шумів вони записують.
Бажано, щоб мікрофони записували якомога менше цих шумів і лише ті сигнали, які потрібні користувачеві. Ось де в гру вступає рожевий шум.
Рожевий шум імітує реальні шуми, які мікрофон не повинен записувати. Отже, під час тестування, коли ми виконуємо тест з рожевим шумом, відтворюючи його у фоновому режимі для мікрофона, ми перевіряємо здатність мікрофона до шумозаглушення — тобто його здатність не записувати фонові шуми.
Якщо мікрофон записує велику кількість рожевого шуму — у нього погана здатність до шумозаглушення.
Якщо мікрофон записує дуже мало рожевого шуму — у нього відмінна здатність до шумозаглушення.
Ось чому рожевий шум використовують в аудіолабораторіях для тестування.
Лише рожевого шуму зазвичай не достатньо для тестування в аудіолабораторії, тому що різні мікрофони мають різне підсилення. Якщо мікрофон має більше підсилення, ніж інший, він очевидно записуватиме більше шуму, але також і більший сигнал (тобто бажаний сигнал, який користувач хоче записати). Тому поширеним є тестування співвідношення між підсиленням бажаного сигналу та шуму. Це називається співвідношення сигнал/шум, Signal-to-Noise Ratio, SNR. Таким чином ми отримуємо справедливий спосіб порівняння мікрофонів, навіть якщо в них абсолютно різне підсилення.
Поширений спосіб тестування в аудіолабораторіях — це спочатку програти сигнал частотою 1 кГц, який мікрофон повинен повністю підсилити. Після того, як ми програємо цей сигнал, ми його вимикаємо і вмикаємо рожевий шум. Це, знову ж таки, той сигнал, який мікрофон не повинен записувати або має записати на дуже низькому рівні, оскільки він імітує фоновий шум, який зустрічається в реальному житті. Таким чином ми можемо протестувати співвідношення сигнал/шум мікрофона. Чим більше різниця між рівнем записаного сигналу і рівнем записаного шуму — тим краще, адже це означає, що мікрофон голосно записав потрібний сигнал і дуже тихо — шум, який нам не потрібен.
Погляньмо на візуальний приклад цього тестування:
Гарнітура A — найкраща в шумозаглушенні. Вона записує найменшу кількість рожевого шуму, що означає, що в реальному житті вона записуватиме найменше фонових шумів.
Гарнітура B записує на 10 дБ більше шуму, ніж гарнітура A. Порівняно з гарнітурою A, вона має посередню здатність до шумозаглушення.
Гарнітура C — найгірша в шумозаглушенні. Вона записує найбільшу кількість рожевого шуму, що означає, що в реальному житті вона записуватиме найбільше фонових шумів.
Це три різні гарнітури під тестами. Для простоти і ясності всі гарнітури мають однакове підсилення, тому вони записують сигнал 1 кГц на одному рівні — 20 dB. Однак у них різна здатність до шумозаглушення. Гарнітура A записує найменше рожевого шуму, тож вона найкраща в шумозаглушенні. Якщо йти від гарнітури B до гарнітури C, здатність до шумозаглушення погіршується. Гарнітура C має найгірше шумозаглушення, оскільки вона записує найбільше рожевого шуму, а гарнітура B — посереднє шумозаглушення, десь між A і C.
Ось як працює тестування з рожевим шумом: рожевий шум програється на однаковому рівні для різних мікрофонів, і мікрофон, який записує найменше цього шуму у фоні, показує найкращі результати у сфері шумозаглушення.
Це найпростіший й базовий спосіб налаштування рожевого шуму в аудіолабораторії для тестування шумозаглушення. Вищенаведені результати, однак, показують лише середній рівень підсилення шуму на всіх частотах — приблизно від 20 Гц до 20 кГц. Якщо бажаєте, ви можете піти ще глибше в аналіз.
Якщо провести частотний аналіз шумового сигналу, можна дізнатися, на яких саме частотах мікрофон найбільше блокує шум, а на яких — пропускає його. Це може бути дуже корисно для аудіоінженерів, які намагаються покращити роботу гарнітур. Якщо інженер зможе з'ясувати, на яких частотах гарнітура записує найбільше шуму, він може спробувати змінити конструкцію, щоб вона краще пригнічувала шум на цих частотах — і таким чином покращити загальну ефективність шумозаглушення.
Як білий шум використовується у тестуванні аудіо?
Білий шум використовується в аудіотестуванні для того, щоб з'ясувати, як мікрофон реагує на кожну частоту в межах заданої смуги частот. Оскільки білий шум програє всі частоти в смузі з однаковою амплітудою, це дозволяє звукоінженеру побачити, який підсилення мікрофон створює для кожної окремої частоти в межах цієї смуги.
Наприклад, звукоінженер може захотіти дізнатися, як мікрофон реагує на аудіосмугу від 20 Гц до 20 кГц. У такому випадку інженер може програти білий шум на певному рівні (стандартно — 94 dBSPL), і дати мікрофону записати цей сигнал. Оскільки білий шум містить усі частоти в межах смуги, він надає зразки запису (дані) роботи мікрофона для кожної частоти у цій смузі.
Білий шум — це єдиний тип шуму, який може протестувати, як мікрофон реагує на амплітуду сигналу пропорційно, тому що це єдиний шум, який надає однакову амплітуду або потужність для всіх частот у смузі.
Рожевий шум також містить широкий спектр частот, але сигнали в ньому мають різну потужність, тому його не можна використовувати для пропорційного тестування частотної характеристики мікрофона.
Отже, щоб отримати частотну характеристику мікрофона — тобто дізнатися, як він реагує по амплітуді на всі частоти в смузі — необхідно програти білий шум, поки він записує.
Нижче представлена гарнітура, яка записала сигнал білого шуму:
У цьому сигналі присутні всі частоти смуги. У даному випадку, оскільки ми тестуємо мікрофон, ми розглядаємо аудіосмугу від 20 Гц до 20 кГц. Однак зараз ми не можемо побачити окрему реакцію мікрофона на кожну частоту. Щоб побачити, як мікрофон реагує на кожну частоту, потрібно виконати частотний аналіз записаного шумового сигналу — тобто сигналу, який наведено вище. Коли ми проводимо частотний аналіз, ми можемо побачити індивідуальну реакцію мікрофона на кожну частоту.
Графік нижче — це той самий сигнал білого шуму, але тепер розміщений у частотній області, щоб ми могли проаналізувати амплітуду шумового сигналу в dB для кожної окремої частоти.
Після того, як ми провели частотний аналіз записаного шумового сигналу, ми можемо побачити частотну характеристику мікрофона гарнітури на всіх частотах у межах аудіосмуги.
Частотний аналіз здатності мікрофона до шумозаглушення
Проведення частотного аналізу шумового сигналу, який записує мікрофон, важливе для того, щоб з’ясувати, на яких частотах мікрофон найефективніше пригнічує шум, а на яких — найгірше.
Використовуючи цей метод, інженер може виявити, на яких частотах гарнітура найгірше справляється з шумозаглушенням, і відповідно, перепроектувати гарнітуру так, щоб вона краще пригнічувала шум на цих частотах. Таким чином, можна покращити загальну здатність гарнітури до шумозаглушення.
Нижче наведено графік, що показує шумові сигнали, які записали три гарнітури:
Усі гарнітури були піддані одному й тому ж рівню рожевого шуму. Рожевий шум імітує фонові шуми, які гарнітури повинні пригнічувати. Отже, гарнітура, яка записує найменше шуму, має найкраще шумозаглушення. Ми можемо побачити, що гарнітура C має найкраще шумозаглушення, а гарнітура A — найгірше, при цьому гарнітура B займає проміжне положення.
Нижче подано графік частотної характеристики гарнітур. Графік вище показує шумовий сигнал у співвідношенні сили сигналу до часу, а графік нижче — це ті самі шумові сигнали, але у співвідношенні сили до частоти. Таким чином, ми можемо побачити, як саме мікрофони в гарнітурах реагують на кожну окрему частоту в межах досліджуваної смуги — від 20 Гц до 20 кГц.
На основі цього графіка ми можемо чітко побачити, яка гарнітура має найкраще шумозаглушення. Гарнітура C записує найменший сигнал, отже вона пригнічує найбільше шуму. Натомість гарнітура A записує найбільший сигнал, тож вона має найгірше шумозаглушення. Але це не головна причина, чому ми звертаємося до графіка частотного аналізу, адже ми могли б визначити рівень загального шумозаглушення, просто поглянувши на графік у часовій області.
Причина, чому ми аналізуємо графік саме у частотній області, — це можливість побачити, на яких конкретно частотах гарнітури найкраще пригнічують шум, а на яких — найгірше. У більшості випадків усі гарнітури набагато краще справляються з низькочастотним шумом, ніж із високочастотним.
Погляньмо особливо на фіолетову гарнітуру A. Можна побачити разючу різницю в рівнях пригнічення низьких частот у порівнянні з високими. У значному діапазоні низьких частот — приблизно від 20 Гц до 45 Гц і від 80 Гц до 300 Гц — гарнітура C має найкраще шумозаглушення серед усіх. Проте в середньому та високочастотному діапазоні — від 300 Гц аж до приблизно 15 кГц — вона має найгірше шумозаглушення, оскільки записує найбільше шуму з-поміж усіх гарнітур.
Таким чином, інженер дізнається, що потрібно покращити шумозаглушення саме у частотному діапазоні від 300 Гц до 15 кГц, щоб підвищити ефективність гарнітури C. Саме тому частотний аналіз є таким важливим.
Джерела:
What is Pink Noise Used For in Audio Testing? - Learning about Electronics
What is White Noise Used For in Audio Testing? - Learning about Electronics
Frequency Analysis of the Noise Cancellation Ability of a Microphone - Learning about Electronics
