En enkel bild för musikalitet

[Anders65]

Hej,

 

Jag funderar då och då utanför boxen (eller rättare sagt rätt ofta), och nu på ett gammalt kärt problem att mätningar eller specifikationer ofta stämmer dåligt med det vi upplever. Något tanken återkommer till då och då. Jag skulle vilja belysa problemet ur en kanske ny synvinkel. Det kanske inte löser några problem, men jag får lite lättare att tänka med denna synvinkel.

 

Musik handlar inte bara om att kunna återge alla dess frekvenser med en korrekt nivå med låg distortion oavsett volym samt att minimera störningar som exempelvis brus. Det krävs mycket mer än så för att vi ska få en bra musikalisk upplevelse. Visst har de akustiska egenskaperna en högst avgörande betydelse, men det finns mycket även innan högtalaren och rummet.

 

Även om det finns lite mätningar kring dynamiska egenskaper, så frågar jag mig hur många mätningar som visar de dynamiska egenskaperna ur ett tidsperspektiv? Jag har inte sett så mycket mätningar på hur en musiksignal eller en relevant förenkling av en sådan påverkas genom signalkedjan. För kablar är det visserligen ganska enkelt genom att studera impedanser, kapacitanser och induktanser, men det är betydligt svårare för olika typer av apparater. Det jag kan relatera till som mäts ibland är stig- och falltider.

 

Vi mäter många bra och relevanta saker, men långt ifrån alla aspekter som har med något så fundamentalt att göra som att följa en musiksignal. Och det är ju det detta handlar om. När vi spelar musik vill vi vanligen att återuppspelningen ska motsvara den inspelade signalen så precist som möjligt (jag exkluderar akustik här). Det kan låta enkelt, men det är förstås inte trivialt. Vi har två dimensioner som behövs för att beskriva signalen. Tid och nivå. Problemet ur ett lyssningsperspektiv är att vår hörsel kan urskilja mycket små varianser i båda dessa dimensioner. Vi jagar (tyvärr) svaren med mätningar och specifikationer som inte tar utgångspunkt i hur väl en apparat följer musiksignalen. Ofta används inte ens en relevant förenkling av musiksignalen. Jag gjorde ett enkelt diagram för att försöka förklara hur jag tänker (en ovanlig typ av diagram - har inte sett något liknande, men hoppas det går att förstå ändå).

 

Det är ett vad jag kallar avvikelsediagram där den gröna punkten i mitten representerar den korrekta musiksignalen i varje ögonblick när vi spelar musik. Den ligger med andra ord ALLTID i mitten när vi följer musiken över tid. Medan den svarta punkten kommer att röra sig i både X och Y-led under tiden som musiken spelar (antaget normal, icke ideal situation). Tänk att djupet i diagrammet motsvarar tiden som går när musiken spelar (även den svarta punkten ska ses som en cylinder som böjs i X-  resp Y-led beroende på hur musiksignalen påverkas av apparaten). Notera att axlarna är i relativ nivå respektive relativ tid. Detta betyder att jag nollställer exempelvis förstärkningen i dB och latensen i systemet eftersom dessa är ointressanta här.

 

Den svarta punkten är exempelvis signalen ut från förstärkaren. Beroende på hur musiksignalen förändras så kommer den svarta pricken flytta sig eller röra sig. Idealt ligger den svarta precis på den gröna oavsett mätpunkt i signalvägen, oavsett musik, och oavsett volyminställning. Kom på några exempel kring hur detta kan underlätta tanken,

• Har vi ett amplitudbrus kommer den svarta punkten jittra vertikalt när vi följer med musiken. 
• Har vi ett fasbrus så kommer den svarta punkten jittra horisontellt. Syns inte på vanliga mätningar.
• Har vi en ojämn frekvensgång kommer den svarta punkten ligga fel vertikalt beroende på frekvens.
• Har vi en olinjäritet kommer den svarta punkten ligga fel vertikalt beroende på amplituden
• Har vi en icke konstant grupplöptid över frekvensområdet kommer den svarta ligga fel horisontellt vid vissa frekvenser. Syns inte på vanliga mätningar.
• Har vi fasfel/jitter som beror på sampling eller klockning så kommer den svarta jittra horisontellt. Syns inte på vanliga mätningar.
• Har vi en PLL som inte är optimal så kommer den svarta ligga fel horisontellt beroende på frekvens. Syns inte på vanliga mätningar.
• Har vi ett problem i en apparat uppstår ibland kombinationer av ovanstående.

 

Problemet är att vi säger att det ser bra ut när vi bara tittar vertikalt. Vilket på sätt och vis - som bilden försöker illustrera bara är "halva"sanningen. THD, som exempel, ger bara en bild av hur mycket den svarta rör sig vertikalt vid de övertoner som täcks in av mätningen. Vi optimerar så att den svarta punkten ska ligga i nivå med den gröna, men vi tittar sällan på vad som händer längs X-axeln. Till det bör man även se hur den svarta rör sig för att få en "komplett" bild över hur musiksignalen påverkats där man mäter.

 

Diagrammet hjälper inte till med svårigheter att förstå saker som mikrodynamik eller transparens. Har gjort lite försök i området, men inte lyckats än.

 

/Anders

 

 

 

 

 

 

[calle_jr]

Väldigt kul att du tar dig an detta @Anders65.

Stort område.

 

Hoppas att det inte vilseleder, men vi har varit inne på liknande diskussioner tidigare med utgångspunkt från olika fenomen och funktionssätt, tex signalens tröghet. Dynamiska förlopp med resistiva (vertikalaxeln) och reaktiva (horisontalaxeln) delar, som är dominerande på olika sätt kopplat till spänning och ström.

Mycket intressant att bringa mer klarhet i detta.

 

[Anders65]

Tack @calle_jr.

 

Om man som för diagrammet tar bort förstärkning och latens mellan musiksignalen som motsvaras av den gröna pricken och den uppmätta signalen och bara titta på den horisontella variansen får man en slags reaktans för systemet. Då blir det som en kabels reaktans. Det finns dock en skillnad där en passiv funktion som en kabel har ett linjärt beroende till reaktans, medan ett aktivt system både har ett linjärt och ett icke linjärt beroende.

 

Men det intressanta vore att hitta metoder att mäta/beräkna egenskaper som relaterar till den horisontella axeln. För den vertikala har vi ju redan tillräckligt bra mätmetoder tycker jag nog. Och, system-reaktans om jag får kallad det så, skulle kunna vara en del i det. 

 

Tänker lite högt här... Om man ser musiksignalen som en tidsreferens och med mycket hög samplingsfrekvens tar fram punkter för tidsskillnaden mellan musiksignalen (referensen) och mätsignalen och interpolerar mellan punkterna så får man en kurva som visar en relativ dynamisk tidsavvikelse (skulle kanske kunna kallas systemets reaktanskurva). Eftersom aktiva system har icke linjära komponenter så borde man ta fram specifika testsignaler och analysera spektrumet på avvikelsekurvan och på så sätt få en bild över systemet dynamiska tidsrelaterade distortion. Eller krånglar jag till det här kanske...?

 

 

[calle_jr]

22 hours ago, Anders65 said:

Om man ser musiksignalen som en tidsreferens och med mycket hög samplingsfrekvens tar fram punkter för tidsskillnaden mellan musiksignalen (referensen) och mätsignalen och interpolerar mellan punkterna så får man en kurva som visar en relativ dynamisk tidsavvikelse (skulle kanske kunna kallas systemets reaktanskurva). Eftersom aktiva system har icke linjära komponenter så borde man ta fram specifika testsignaler och analysera spektrumet på avvikelsekurvan och på så sätt få en bild över systemet dynamiska tidsrelaterade distortion.

Men vad är ”musiksignalen”?

Spontant borde man utgå från Ohms lag;

i(t) = Cdu/dt + u(t)/R + L∫u(t)dt

 

I så fall behöver man väl bestämma vad det är man plottar tidsskillnaden för; spänning, ström, impedans, effekt…?

För mig skulle det kännas straight forward att plotta magnitud i tidsdomänen för spänning ut jämfört med in.

Fast jag är långt ifrån säker.

[Anders65]

Resonerar lite kring musiksignalen och transporten till högtalaren. Vet inte om det bidrar så mycket, men kanske ändå kan bringa lite klarhet kring hur jag tänker kring spänning, ström mm.

 

När musiksignalen ska omvandlas till en mekanisk rörelse hos högtalarelementen så går det åt energi. Det är spänningen som ger en ström som gör att konen i elementen rör sig på ett sätt som ska motsvara musiksignalens spänning. Om vi inför en strömtröghet eller med andra ord en induktans i kretsen som driver konen så får vi en tidsrelaterad distortion. Induktans är en konsekvens av att de tar tid att bygga upp det magnetiska fältet som skapas när det går en växlande ström genom en ledare. Det är just därför jag minimerar induktansen i mina högtalarkablar. Men tittar vi på slutsteget så är även dess utsteg en del i den kretsen. Konsekvensen där blir att utimpedansen hos utsteget bör vara så konstant som möjligt inom minst 20-20kHz. I den kretsen finns även EMK med som ytterligare en faktor.

 

Om vi tittar på övriga delar i signalkedjan så är spänningen vanligen överlägset dominerande enheten som representerar transporten av musiksignalen. För kablar blir det då istället kapacitiv last tillsammans med källimpedans som skapar motsvarande "tröghet" som när vi tittade på kretsen som driver högtalaren. Notera att jag skriver tröghet för att hålla tanken kvar i tidsdomänen. Det är därför man ofta vill minimera kapacitansen i signalkablar och inte på grund av frekvensgången. Denna påverkas minimalt inom det hörbara området så länge man håller sig inom normala värden på källimpedans och kabelkapacitans.

 

För ex en DAC eller ett försteg kanske man kan mäta grupplöptid på spänning vs frekvens för att få en bild över dess "späningströghet"?

[Anders65]

Tog och gjorde lite nya mätningar på förstärkaren (min prototyp). Blev lite fundersam kring att grupplöptiden sticker iväg under 500 Hz, vilket inte känns helt bra. Det har sin förklaring i konstruktionen som ex DC-servot. Men å andra sidan när man tittar man på fasvridningen så får man en annan bild över problemet. Men trots allt hade jag gärna sett en jämnare grupplöptid mellan 1-5 kHz. Även om jag inte funderat på om det kan få en hörbar påverkan på ljudet så vill jag nog fixa det till nästa gång..

 

Frekvenssvepet är mest med för att visa relationen med fasgången. Att jag valt så hög bandbredd på förstärkaren som -3dB vid 500 kHz beror på att jag ville ha en liten fasvridning upp till 20 kHz.