על שמיעה, סאונד, ומה שמסביבם - פרק ט: על עיוותים ואלקטרוניקה

הפעם, אנחנו הולכים לראות איך האלקטרוניקה של המערכות שאנחנו משתמשים בהם מושפעת מהמעגלים שכלולים בתוך המגברים במערכת, שהם, בעצם, המנוע של הרמקולים שאנחנו רוקדים מולם ברחבה.

הגברה (Aplification) היא מרכיב קריטי בכל מערכת סאונד, ומשפיעה רבות על העוצמה והבהירות של פלט המערכת. עם זאת, ישנם היבטים בסיסיים רבים של הגברה שמתעלמים מהם ומהתפקידים שהם ממלאים. בפוסט הזה, ובזה שאחריו, נחקור בפירוט את מעגלי ההגברה שמניעים את הרמקולים במערכות סאונד מסחריות.

אבל בשביל שנבין איך האלקטרוניקה מתפקדת, אנו צריכים להבין איזה בעיות אנו מנסים לפתור, ומדוע הם מופיעות מלכתחילה.

בשני הפוסטים הקודמים חקרנו את המימד הזמניות של הסאונד ועד כמה הוא קריטי להאזנה מהנה ומלאה של מוזיקה. מעגל שהוא איטי להגיב יוצר בעיות קוליות ואובדן בהירות והגדרת-צליל. וגם, הזכרנו שיצירת רמקולים שהם באמת פרימיום, דורשת התמסרות מוחלטת לכל שרשרת האודיו, וליצירת מפרט מערכת ללא פשרות כדרך למניעת בעיות פאזה, ולסיפוק איכות קולית אמיתית. אבל בואו נביט רגע בבעיות שנתקל בהן, ובראש ובראשונה עיוות.

קצת על עיוות (Distortion)

בעולם האודיו, המונח עיוות (“דיסטורשן”) יכול להביע הרבה דברים, החל מהעידון והחום שמוסיפים שפופרות הריק של מגבר גיטרה ועד העיוות ההרסני שמתלווה להמרה דיגיטלית. לא משנה ההקשר, עיוות יכול להיות מוגדר ביסודו כשינוי מהאות המקורי.

כלל אצבע בתחום ההגברה המקצועית הוא שעיוות הוא שינוי רצוי בסאונד רק כאשר הוא מכוון. לדוגמה, הוספת “דיסטורשן” לגיטרה - אם כי הוא בהחלט שינוי מהאות המקורי - יכולה לשפר את המיקס כאשר מיישמים אותו בכוונה. מצד שני, כאשר האות מעוות שלא במתכוון, התוצאה היא פגיעה לא רצויה באיכות הצליל.

הערה לגבי עיצוב רמקולים באופן כללי: המטרה של כל רמקול היא לשחזר ולהגביר בשקיפות אות בלי לשנות אותו - במילים אחרות, בלי להכניס בו שום עיוות.

מנקודת מבט טכנית, ישנם שני סוגים של עיוות; עיוות ליניארי הוא שינוי פשוט באמפליטודה או בפאזה, ללא תדרים חדשים. עיוות לא לינארי גורם לשינוי בתדרים של האות - ואולי אפילו להכנסת תדרים חדשים - וכתוצאה מכך לשינוי באיכות הקולית. סוג אחרון זה - עיוות לא ליניארי - הוא מה שאנחנו מתכוונים אליו, בדרך כלל, כאשר אנחנו משתמשים במונח "עיוות".

עיוות יכול לבוא במגוון צורות, מסיבות שונות, והשפעות קוליות שונות. שני הסוגים הקשורים ישירות למעגלי ההגברה במערכת הם עיוות הרמוני ועיוות לא הרמוני.

עיוות הרמוני (Harmonic Distortion):

המונח "הרמוניה" מתייחס להתנהגות ספציפית כמעט בכל הצלילים שאנחנו שומעים. במילים פשוטות, ההרמוניות של הצליל (המכונות גם "צלילי על" או "חלקיות") הן כפולות של התדר הנמוך ביותר של הצליל (המכונה תדר היסוד). יחד עם התדר הבסיסי, הסדרה ההרמונית של הצליל מעניקה לו את האיכות הטונאלית שלו, או הגוון (Timber). מבנה הרמוני פשוט מוצג באיור בתמונה מטה:

להרמוניות השונות באיור יש קשר ספציפי:

• השורה העליונה מייצגת את ההרמוניה הראשונית, הנקראת גם היסוד (Fundemental). זהו רכיב התדר הנמוך ביותר של הצליל.

• השורה השנייה מציגה צורת גל שהיא פי שניים מהתדירות של היסוד, עם אורך גל השווה ל-1/2 מהיסוד הנקראת "הרמוניה זוגית”.

• צורת הגל בשורה השלישית היא פי שלושה מהתדירות של היסוד, עם אורך גל השווה ל-1/3 מהיסוד הנקראת "הרמוניה אי-זוגית”.

• השורות הרביעית, החמישית והשישית מציגות צורות גל שהן חלוקות נוספות של היסוד (1/4, 1/5 ו-1/6 בהתאמה). כמו בשורות הקודמות, חלוקות זוגיות (1/4 ו-1/6). ) נקראות "הרמוניות זוגיות", בעוד שחלוקות אי-זוגיות (1/5) הן "הרמוניות אי-זוגיות".

כל הצלילים מורכבים מאלמנטים הרמוניים סינוסואידים אלה, אשר יחד קובעים את הגוון של הצליל. לדוגמה, מוסיקה המופקת מפסנתר וסקסופון; שניהם בעלי תוכן הרמוני, אך החוזק היחסי של ההרמוניות הפרטיות שלהם שונה, ששילובם מעניק לכל כלי את הטון הייחודי שלו. לעתים קרובות ניתן להבדיל בין צלילים לפי עוצמת ההרמוניות הזוגיות שלהם בהשוואה להרמוניות האי-זוגיות שלהם.

הערה: לכל הצלילים שאנחנו שומעים יש מידה מסוימת של תוכן הרמוני, למעט חריג אחד בולט; גל סינוס, שהטון הטהור שלו נובע מהעובדה שגל סינוס הוא פשוט גובה צליל היסוד, ללא תוכן הרמוני זוגי או אי-זוגי נוסף. ועוד הערה: הרמוניות משתרעות מהטווח הנשמע ועד לטווח הבלתי נשמע, כאשר משרעת ההרמוניות בדרך כלל פוחתת בהדרגה.

כאשר אנו משתמשים במונח עיוות הרמוני, אנו מתכוונים לכל תהליך שמשנה את ההרמוניות המקוריות של האות הנכנס. בדרך כלל, זה כרוך בהגברה של הרמוניות קיימות, אך זה גם יכול לכלול מדי פעם הכנסת צלילים הרמוניים חדשים.

עיוות הרמוני זוגי (Even Harmonic Distortion):

לכל תהליך שמשנה את ההרמוניה הזוגית (ההרמוניה השניה, הרביעית, השישית וכן הלאה…) של אות מסוים קוראים באופן כללי: עיוות הרמוני זוגי. בתרחישי הפקה, הגברת ההרמוניות הללו נוטה להניב צליל מלא ועגול יותר. הגברה באמצעות שפופרות-ריק מציגה סוג כזה של התנהגות ולפעמים מופעלת במיוחד על ידי מוזיקאים כדי "לחמם" את הצליל. עם זאת, עבור מערכות השמעה, עיוות מסוג זה - כמו כל עיוות - אינו רצוי.

מנקודת מבט טכנית, עיוות הרמוני זוגי נובע מהפרעות או שינויים בחציי אורך גל היסוד. במילים אחרות, זה נובע משינוי חצי אחד של מחזור (דחיסה או קלישה) של האות. במערכות השמעה, עיוות הרמוני זוגי יכול להיווצר על ידי דרייברים של דחיסה בתדר גבוה, עקב לחץ קול גבוה בתוך המכשיר (עיוות הרמוני שני הוא פונקציה של לחץ אקוסטי).

עיוות הרמוני אי-זוגי (Odd Harmonic Distortion):

כל תהליך שמשנה את ההרמוניות האי-זוגיות (שלישית, חמישית, שביעית וכן הלאה…) נקראת עיוות הרמוני אי-זוגי. הגדלת המשרעת (אמפליטודה) של הרמוניות אלו נוטה לייצר צליל רווי ואגרסיבי יותר. הקלטה לקלטת אודיו, למשל, מגבירה באופן טבעי את ההרמוניות האי-זוגיות הללו, וכך גם מגברים מבוססי מצב מוצק (Solid State Amplifiers). באופן כללי, עיוות הרמוני אי-זוגי גורם לשינוי “גרגירי” (ולרוב אף גורם לאפקט המזכיר דיבור עם אף סתום) בצליל.

עיוות הרמוני אי-זוגי נובע מהפרעות או שינויים בשני אורכי החצי של גל היסוד (זאת אומרת גם בחלקי הדחיסה וגם בחלקי הקלישה של כל מחזור). במערכות השמעה, עיוות הרמוני אי-זוגי נגרם בדרך כלל על ידי אי-לינאריות של מעגלי המגבר ועל ידי הנעת יתר (Over-Drive) של פלט המגבר.

עיוות הרמוני כולל (Total Harmonic Distortion):

כפי שהשם מרמז, עיוות הרמוני כולל (THD) הוא סיכום כל העיוותים בכל הרמות ההרמוניות. סיכום זה נקבע על ידי השוואת המשרעות (אמפליטודות) היחסיות של הרמוניית המקור עם המשרעות (אמפליטודות) של אותם הרמוניות בשלב הפלט.

כל אי התאמה בסיכומי המדידות האלו היא עיוות הרמוני ותורם לסך כל העיוות. באופן כללי, עיוות הרמוני כולל (Total Harmonic Distortion) מתייחס ליכולת שחזור האות של מערכת וכולל כל עיוות שישנה את הגוון של הצליל בפלט הסופי. העיוות ההרמוני הנמוך ביותר האפשרי הוא המטרה אליה נכוון למען איכות שמע ברורה ומדויקת.

עיוות לא הרמוני (Non-Harmonic Distortion)

המונח עיוות לא הרמוני מתייחס לכל שינוי של צליל היוצר תדרים שאינם חלק מהסדרה ההרמונית של הצליל המקורי (כלומר שאינם כפולות של הצליל הבסיסי). עיוות זה מכונה בדרך כלל עיוות אינטרמודולרי (Intermodulation Distortion (IMD)). עיוות לא הרמוני הוא רעש זר לתוכן המקורי, ולמרות שמדי פעם נעשה בו שימוש מכוון ביצירת המוזיקה, הוא לחלוטין לא רצוי במערכות הגברה באשר הן.

עיוות אינטרמודולרי מתרחש כאשר אות המקור מורכב משני תדרים או יותר במערכת לא ליניארית. התדרים מקיימים אינטראקציה במספר דרכים - לדוגמה, בתרחיש פשוט (המשמש לעתים קרובות לבדיקת מערכת) נוצרים שני גלי סינוס משני תדרים שונים (Fa ו-Fb) כאשר “F” מתייחס ליסוד (fundemental) וa וb מתיחסים לאינטרמודלוציה הנוספת.

זה גורם בתחילה למה שנקרא אינטרמודולציה מסדר שני, וכולל את הקומבינציות הבאות:

• Fa+Fb=Fc

• Fa-Fb=Fd

• Fb-Fa=Fe

הצגת שלושת התדרים החדשים הללו (Fc, Fd ו-Fe) תהיה מדאיגה מספיק, אבל העיוות לא נעצר שם. ככל שהקלט למערכת גדל, או כאשר לאותות יש תוכן הרמוני, גוונים מרובים יכולים להתערבב זה עם ההרמוניות של זה, וליצור אינטרמודולציה מסדר 3, 4 ו-5 ועוד. משני צלילים בלבד, ניתן ליצור עשרות תדרים חדשים. אפשר לראות זאת וויזואלית בתמונה מטה

.

הערה: כאשר האות מוגבר, העיוות האינטרמודולרי גדל במשרעת מהר יותר מהאות המקורי. לדוגמה, עבור כל 1dB של עלייה באות המקורי, העיוות מסדר 3 גדל ב-3dB! בשלב מסוים, משרעת העיוות יכולה לפגוש - ולאחר מכן לחרוג - מהמשרעת של האות המקורי. זה נקרא יירוט מסדר שלישי. למרבה המזל זה לא קורה בדרך כלל בעולם האמיתי וזאת יותר שיטה תיאורטית לקביעת האיכות הקולית של המכשיר.

במצבים מעשיים, עיוות אינטרמודולרי נגרם לעתים קרובות על ידי מערכת ההשמעה עצמה עקב תגובה איטית של רכיבים שונים במגבר (כולל הגברה ושיכוך לא מספק). חלק ניכר מהעיוות הזה נופל באופן טבעי מחוץ לתחום הנשמע, כך שחלק ניכר ממנו מסונן בקלות ללא בעיות. עם זאת, חלק מה-IMD - במיוחד אינטרמודולציה מסדר שלישי - נוטה ליפול קרוב מאוד לתדר הבסיסי, ממש בטווח התדרים הנשמע. זה גורם לרעש לא רצוי שאינו קשור לאות המקורי, מה שמוביל להתנהגות קולית בלתי צפויה.

עיוות בעולם האמיתי (Distortion in the real world):

למרות שעיוות עשוי לפעמים להיות כלי שימושי לעיצוב צלילים בידי מוזיקאי או מפיק, הוא אף פעם לא רצוי להשמעת אודיו ברזולוציה גבוהה, ומדידה וזיהוי עיוותים חיונית למהנדס סאונד מקצועי.

אז איך מודדים עיוות?

עיוות הרמוני מוחלט (THD) ועיוות הרמוני מוחלט בתוספת רעש (THD+N) הן המדידות הנפוצות ביותר לאותות שמע. הם זהים, פרט ל-+N, שכולל כל רעש שנוצר בנוסף להרמוניות שהשתנו.

כדי למדוד THD+N, אות (בדרך כלל גל סינוס) מוכנס לכניסת המכשיר הנבדק (DUT - device under test). עם הפלט, נעשה שימוש במסנן חריץ (Notch Filter) כדי להסיר את צליל הקלט, וכל האותות שנותרו מדווחים כמדידת THD+N, המייצגת את העיוות ההרמוני הכולל, בתוספת כל רעש אינהרנטי של ה-DUT ועיוות שיורי אחר.

לחלופין, ניתן למדוד עיוות הרמוני מוחלט בלבד (לא כולל רעש) על ידי השוואת הרמות של הרמוניות בודדות באות המקור הנכנס עם אלו של האות היוצא. זוהי מדידה של עיוות הרמוני בלבד, ואינה כוללת עיוותים אחרים שהוכנסו על ידי זמני תגובת המעגלים האלקטרונים (עליהם נדבר עוד בפוסט הבא), אובדן מידע קולי, תגובת הספק וכן הלאה.

עיוות מתבטא בדרך כלל כאחוז מאותות המוצא. עיוות לא הרמוני (אינטר-מודולרי (IMD)) ועיוות הרמוני אי-זוגי הופכים להיות נשמעים ב-0.1% (שווה לאמפליטודה של 60dB-), כאשר עיוות הרמוני זוגי הופך להיות נשמע ב-1% (שווה לאמפליטודה של 40db-).

התוצאה של עיוות:

ניתן להכניס עיוות למערכת במספר אופנים, וממגוון מקורות. עם זאת, לא משנה מה מקור העיוות, הוא משפיע על חווית המאזין במגוון דרכים, הכוללים:

• בהירות: תוכן בטווח התדרים הבינונים והגבוהים של צליל מסוים נותן לנו מידע חשוב על הגוון והמיקום של אותו צליל. לטווחי התדרים הללו יש בהכרח יותר צורות גל מורכבות עם פירוט רב יותר. בדיוק הפרט הזה מושפע לרעה הכי הרבה מהשפעות העיוות. זה מפחית מאוד את הבהירות של הצליל המשוחזר בטווחי התדרים שבהם אנו הכי זקוקים לו.

• מיסוך: כאשר העיוות מגיע לאחוזים נשמעים, כל מידע קולי מתחת לרמת העיוות אובד לחלוטין באות הפלט. אפילו עם IMD או עיוות הרמוני מינימלי, הדבר מביא להעלמה מלאה של מידע קולי מתחת ל 60dB- ו-40dB- בהתאמה. זה גורם לאובדן הפרטים והניואנסים באות המושמע לקהל.

• כיסוי: עיוות מפחית את בהירות הצליל, אך הנזק לא נעצר שם - האפקטים הקוליים הללו מתרבים ככל שהמרחק של המאזין מהרמקול גדל. לעומת זאת, אותות בעלי עיוות נמוך יותר (ברור ומדויק יותר) יעברו מרחקים גדולים יותר ללא אובדן בהירות.

• טון: עיוות יכול להשפיע על הטונאליות במספר דרכים. בפרט, עיוות לא הרמוני מתבטא לעתים קרובות כתוכן מתמשך בתדר גבוה, שלעתים קרובות מטעה כיוון שהוא נתפס כתדרים גבוהים באות המקורי.

מכיוון שרוב העיוותים האלה מתרחשים בשלב ההגברה, לכל מאמץ שיעשה מהנדס הסאונד לתקן בעיות אלו תהיה השפעה מינימלית (כיוון שהבעיה מתבטאת לאחר הפלט של המיקסר). חלק מיצרני הרמקולים מנסים לתקן את השינוי הזה בטונאליות באמצעות שימוש בעיבוד DSP, אבל זה רק מחמיר את הבעיה, שכן המרה ועיבוד דיגיטלי מביאים עיוות בעצמם.

הערה: היות שאודיו דיגיטלי (ושימוש בDSP) הם ממש שכיחים בתעשייה, אקדיש מאמר או שנים בעתיד לבעיות שמציג אודיו דיגיטלי מסורתי, ואכלול גם כמה מילים על הפתרונות של KV2 לדילמת האודיו הדיגיטלית. בגדול הדרך הטובה ביותר לטפל בבעיות אלו היא ללכת ישר למקור ולשפר את ההתנהגות של הרכיבים שעלולים ליצור עיוות מלכתחילה.

אבל איך מעגלים יוצרים עיוות וכיצד ניתן לתקן בעיה זו? זה כבר יהיה חומר לפוסט הבא.