Воспроизведение звука и музыки: какие частоты используют и зачем их ограничивают
Содержание
Содержание
Собаки слышат до 45 кГц, кошки — до 79 кГц, дельфины и летучие мыши — выше 100 кГц, а человеческое ухо едва в состоянии услышать несчастные 20 Кгц, а чаще — всего 16-17 кГц. Почему все так? И зачем тогда гордые значения воспроизводимых частот типа «16 Гц — 40 кГц» на аудиотехнике? На каких частотах вообще звучат музыкальные инструменты и человеческий голос? Об этом ниже.
Что такое частота звука?
Звуковая волна, как и любая другая, имеет две главные характеристики — амплитуда и частота. Если к поплавку на озере привязать карандаш и устроить так, чтобы он чертил на движущейся бумаге свою траекторию (как кардиометр или сейсмограф), то получится синусоида:
Почему мы слышим хуже кошки?
Звуковые волны могут иметь любую частоту колебаний, но человеческое ухо улавливает их в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 Кгц. На самом деле, в идеальных лабораторных условиях некоторые слышат аж до 12–16 Гц, а те, кто не слышит, могут уловить низкочастотные колебания телом. А вот с высокими частотами все хуже. Лишь немногие смогут уловить 20 кГц, большинство же слышат лишь до 16-17 кГц, и с возрастом это значение падает до 8–10 кГц.
Более того, человеческое ухо наиболее чувствительно к диапазону от 2 до 5 кГц — это так называемая зона разборчивости. Чувствительность к волнам на разных участках спектра различается. Любой может записаться на аудиометрию — обследование слуха, чтобы получить аудиограмму — кривую чувствительности своих ушей по частотам. Правда, в медицине она измеряется в диапазоне от 125 Гц до 8 кГц, но даже в таком укороченном отрезке у всех будет видна неравномерность слуха. Чувствительность ушей зависит даже от времени дня и настроения.
Кроме того, воспринимаемая громкость зависит от частоты звука. К примеру, на малой громкости низкие и высокие частоты слышны хуже. Это как раз следствие того, что человеческое ухо заточено под средние частоты, позволяющие распознавать речь. Эффективная коммуникация — одно из главных эволюционных преимуществ человека, поэтому эволюция и наделила нас тем слуховым диапазоном, что мы имеем.
В свою очередь, эволюционные преимущества других животных могут отличаться. К примеру, летучие мыши ориентируются в пространстве, издавая и улавливая ультразвук, поэтому и слышат до 200 кГц. А большая восковая моль часто становится добычей летучих мышей, поэтому ей пришлось развить слуховой диапазон до 300 кГц, чтобы избегать встреч с ужасом, летящим на крыльях ночи. Кошка слышит ультразвук, потому что многие грызуны общаются на высоких частотах, а киты слышат инфразвук, чтобы общаться самим, потому что низкочастотные волны лучше передаются на большие расстояния.
Фундаментальная частота голоса мужчины — в районе 80-150 Гц, женщины — 150-250 Гц. Однако телефонные линии обрезают в звуке все, что ниже 300 Гц и выше 3,5 кГц. Почему? Потому что кроме фундаментальной частоты есть еще обертона. Это призвуки, которые появляются из-за того, что у человека звучат не только голосовые связки, но и гортань, голова, да и все тело целиком. Обычно они находятся выше основного тона, поэтому так и называются.
У мужчин обертона голоса достигают 4 кГц, у женщин — 5-6 кГц. Они сильно влияют на звучание, благодаря им мы можем отличить одного человека от другого и даже определить по голосу его телосложение. Соответственно, именно они, а не фундаментальный тембр, важны для телефонных переговоров.
Частоты музыки
Бас гитара, как и контрабас, обычно настраиваются в ми контроктавы — это 41 Гц, гитара — на октаву выше, 82 Гц. Скрипка, один из самых писклявых инструментов в оркестре, начинается с соль малой октавы (196 Гц) и заканчивается на ля четвертой октавы (440 Гц). Диапазон большинства фортепиано — от ля субконтроктавы (27,5 Гц) до до 5 октавы (523 Гц).
Как можно заметить, диапазон большинства музыкальных инструментов находится довольно низко по спектру, не выше 4-5 кГц. Зачем тогда вообще что-то выше условных 5 кГц в аудиотехнике?
К слову, первые граммофоны умели воспроизводить от 170 до 2 000 Гц, а с появлением электронной записи их диапазон расширился на 2,5 октавы — от 100 до 5 000 Гц. То есть как раз, чтобы воспроизводить диапазон голоса и большинства инструментов в оркестре. А другой музыки в 20-х годах прошлого века и не было.
Однако, как и в случае с человеческим голосом, решающую роль играют обертона. Они также зависят от «телосложения» инструмента — его габаритов, плотности дерева или металла, массы и т. п. Ведь когда нажимаешь клавишу ля на фортепиано — звучит не чистый синус, а весь инструмент целиком, включая и ноты ля в других октавах — они начинают колебаться в унисон. На этом эффекте основано звучание ситара — у него есть дюжина резонирующих струн, производящих характерный звон.
Более того, даже части самой струны, кратные ее длине, начинают колебаться в унисон. К примеру, половина, треть, четверть, пятая части струны будут издавать обертона на октаву или несколько октав выше фундаментальной частоты.
Обертона, которые кратны основному тону, называют гармоническими, или, попросту, гармониками. Именно они придают инструменту свой уникальный характер звучания, именно в них вся красота, именно количеством обертонов хороший инструмент отличается от плохого. Благодаря обертонам и гармоникам музыка предстает перед нами во всей полноте. Для них и нужен этот, на первый взгляд, пустой участок от 5 до 20 кГц.
Частотный диапазон у аудиотехники
Производители аудиотехники всегда стремились расширить диапазон воспроизводимых частот, чтобы добиться красоты и величественности звучания настоящих инструментов. Во времена ламповой техники верхняя граница едва достигала 12 кГц. Магнитная запись повысила порог до 15 кГц, но даже этот показатель могла выдать только студийная магнитная пленка с высокой скоростью протягивания ленты. У бытового катушечного магнитофона верхняя граница воспроизводимых им частот падает до 10–12 кГц, а в кассетных магнитофонах — и того меньше.
Все изменилось с появлением цифровой записи и CD, позволивших кодировать весь диапазон от 20 Гц до 20 кГц. Но вновь откатилось с появлением интернета и mp3, срезающих значительную часть верхов во имя меньшего объема файлов.
При этом сделать колонки, воспроизводящие весь диапазон, оказалось проще. Одни из первых студийных мониторов на рынке, Altec 604, в некоторых модификациях уже могли воспроизводить от 20 Гц до 22 кГц, а это 70-е годы прошлого века. Большинство современных колонок без проблем воспроизводят до 20 кГц, а нижняя планка зависит от диаметра вуфера, конструкции фазоинвертора и наличия саба.
Также нередко встречаются колонки с диапазоном до 30–40 кГц. Но нужно всегда смотреть на АЧХ, чтобы понять, на какой громкости они могут эти частоты воспроизводить, и будет ли их вообще слышно.
Тем не менее, многие обладатели колонок и наушников с расширенным частотным диапазоном (от 5/10/15 Гц до 30/40/50 кГц) утверждают, что они звучат ярче и/или глубже. Правда, чтобы это услышать, нужно воспроизводить музыку, в которой есть соответствующая информация. К примеру, ютуб режет все, что выше 16 кГц, mp3 даже в 320 bpm режет до 19 кГц, а стандарт CD (16 bit 44.1 кГц) срезает все, что выше 22 кГц. Расширенным диапазоном могут похвастаться стандарты типа DVD-Audio, Super Audio CD, DSD и некоторые другие, но музыки в таких форматах не так уж и много.
Если же наушники еще и беспроводные, то диапазон частот дополнительно ограничен кодеками Bluetooth. Даже Aptx-HD имеет потолок в 19 кГц, и только LDAC от Sony умеет транслировать музыку в высоком разрешении, но многие жалуются на слабое качество сигнала в таком режиме.
Жанры музыки и частоты
Стоит сказать, что не всегда гармоники и обертона делают музыку лучше. Слышимый диапазон можно представить себе, как тесный лифт, инструменты — как его посетителей, а обертона и гармоники — как их вес и габариты. В этом случае оркестр будет похож на группу детей — большинство инструментов не обладают большим диапазоном и занимают строго свое место, поэтому их может поместиться много.
Но в той же рок-музыке звучание инструментов многократно усиливается, обертонов становится слишком много, это больше похоже на сумоистов в пуховиках. Чтобы уместить их в лифт, нужно убрать лишнее — снять пуховики. Этим занимается звукорежиссер — он ограничивает частотный диапазон каждого инструмента фильтрами хай-пасс и лоу-пасс, а с помощью эквалайзера убирает ненужные и выделяет нужные гармоники.
К примеру, электрогитары, вокал и рабочий барабан обычно ограничивают от 100–150 Гц до 8–12 кГц, бас и бочку — от 20–40 Гц до 6–10 кГц и т. п. Да, звучание каждого инструмента становится менее богатым, но за счет этого в общем миксе они не мешают, а дополняют друг друга.
Появление синтезаторов дало возможность сделать чистый синус без обертонов, и уже потом обогатить его нужным количеством гармоник. Это позволило создать очень густой и четкий бас глубиной до 20 Гц, что невозможно проделать с живыми инструментами.
Заключение
Теперь понятно, почему музыка в высоком разрешении — это по большей части всякий джаз, кантри и классика, где сведение выполняется по минимуму, либо вообще отсутствует. Вполне возможно, что такая музыка в ультравысоком разрешении будет звучать максимально живо и естественно в наушниках, играющих от 4 Гц до 51 кГц.
В некоторых жанрах электронной музыки также встречается бас в районе инфразвука. Однако чаще всего электроника, рок и метал не содержат информации за пределами слышимого диапазона. Там все лишние обертона заботливо вырезал господин звукорежиссер, а те, что как-то выжили, добил мастеринг-инженер. Зато осталась самая сочная часть, которую будут отлично воспроизводить любые колонки и наушники.
Как узнать герцовку трека
Как же он в этом может Вам помочь? Практически на всех автомобильных усилителях «крутилка» фильтров HPF и LPF имеет слишком широкий разброс по частоте, например, от 10 Гц до 10 000 Гц, и порой крайне затруднительно поймать точно необходимый срез.
Как пользоваться тон генератором.
1. Для начала на вход усилителя нужно подать аудиосигнал с устройства (ПК, смартфон и т.д.), подключенного к интернету и воспроизводящего звук.
2. Все остальные устройства от входа усилителя нужно отключить.
3. Убедившись, что звук с подключенного к усилителю устройства воспроизводится можно начинать настройку фильтров усилителя.
Рассмотрим настройку фильтров усилителя на примере двухполосной системы, построенной на поканальном подключении к 4-х канальному усилителю.
Допустим, высокочастотники (твитера) подключены на выходы усилителя 1 и 2. Подключаем на соответствующие входы усилителя тонренератор.
Теперь нужно настроить мидбас.
Переключаем устройство с тонгенератором с входов 1 и 2 на входы 3 и 4.
Сначала настраиваем HPF на частоте, к примеру 65 Гц (настраивается так же как и для твитера). После того как настройка HPF закончена, переходим к настройке LPF (фильтра низких частот).
Устанавливается частота, например те же 4000 Гц, на тонгенераторе. Ручкой регулятора LPF на усилителе устанавливаем значение, ниже заданной частоты тонгенератора.
Включаем тонсигнал и медленно поворачиваем регулятор вперед.
Все остальные компоненты системы настраиваются точно так же.
Что такое частота обновления экрана монитора и как она влияет на восприятие
Содержание
Содержание
Частота обновления экрана — один из самых неоднозначных параметров монитора. Одни утверждают, что чем она выше, тем лучше, а малая частота снижает качество изображения и вредит зрению. Другие уверены, что высокая частота — это для тех, кому деньги девать некуда, и что глаз все равно не различает частоту выше 25 Гц. Истина, как всегда, где-то посредине.
Что такое частота обновления экрана?
Вне зависимости от того, что мы видим на экране — статичную картинку или динамичный видеоролик — монитор постоянно выводит на экран серию изображений. Просто в первом случае все кадры будут более-менее одинаковы, а во втором расположение деталей на экране будет меняться от кадра к кадру, создавая иллюзию движения. Частота же смены кадров и есть «частота обновления экрана».
Совсем как в кино, поэтому многие вспоминают про стандартные для кинофильмов 24 кадра в секунду, т.е. 24 Гц. Если в кинотеатре никто не жалуется на «низкую частоту обновления», так зачем на мониторе нужно больше?
Существует устойчивый миф, что 24 Гц — это максимальная частота, воспринимаемая человеческим глазом. И что именно поэтому выбран такой стандарт для кино, а более высокая частота кадров просто не имеет смысла.
Развеять этот миф очень просто — достаточно запустить на компьютере какую-нибудь игру, позволяющую задавать скорость вывода кадров на экран (FPS). Игру лучше выбрать попроще, чтобы видеосистема уверенно обеспечивала высокий FPS. Попробуйте выставить в ней сначала FPS 24 и понаблюдать, а потом выше — например, 50. В динамичных сценах разница будет очевидна.
В кино это не так заметно из-за того, что каждый кадр фильма снимается с некоторой выдержкой, поэтому движущиеся объекты будут смазаны. Это смягчает переход от кадра к кадру и дополнительно «убеждает» наш мозг в том, что объект движется.
Кстати, многие игры также научились «смазывать» объекты, обеспечивая более плавное движение при невысоком FPS. Этот эффект называется motion blur. А частота кадров в кино была выбрана скорее из экономических показателей: меньше частота кадров — короче пленка и проще механика киноаппарата и проектора. Нужна была частота, которая обеспечивает более-менее плавное движение на экране, но при этом не требует больших затрат. Почему именно 24? Потому что при такой частоте минутный расход пленки составлял ровно 30 ярдов, что упрощало расчет количества пленки и, соответственно, бюджета съемок.
60 Гц — мало или достаточно?
Еще один миф, связанный с частотой обновления экрана, — это вред для глаз. Дескать, мониторы с низкой частотой обновления мерцают, что ведет к усталости глаз и, в перспективе, даже к заболеваниям. Следует признать, что это не совсем миф — мерцающее изображение действительно вредно для зрения. И мониторы действительно могут мерцать. Вот только это никак не связано с частотой обновления экрана.
Раньше, когда все мониторы делались на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), причиной мерцания экрана действительно была частота обновления. В ЭЛТ люминофор на экране светится только в момент «пробегания» по нему электронного луча. Поэтому чем меньше была «частота монитора», тем заметнее мерцал экран. 60 Гц для такого монитора было совершенно недостаточно.
Однако изображение на экране ЖК-монитора не гаснет в промежутке между обновлениями кадров. Да, на некоторых мониторах заметно мерцание, но не из-за обновления экрана, а из-за режима работы ламп подсветки. Фактически, на статичном изображении нет никакой разницы между мониторами с частотой обновления в 60 Гц и 200 Гц. Если вы используете монитор для работы, в высокой частоте нет необходимости. 60 Гц вполне достаточно.
Не требуется высокая частота и в том случае, если вы любите смотреть видео на экране монитора. Несмотря на то, что кинопленка уже стала историей, стандарт в 24 кадра в секунду остается основным для видеоконтента. Качественное видео иногда снимают с частотой в 60 кадров/сек, а вот большая частота кадров встречается редко. Причины примерно те же, что и сто лет назад: чем больше частота кадров, тем больше объем файла и выше требования к камере и к производительности процессора плеера. Поэтому нет никакого смысла в мониторе с частотой обновления больше 60 Гц, если он нужен вам для просмотров фильмов. По крайней мере, пока.
Кому же нужна высокая частота?
В абзаце, где шла речь о 24 кадрах, не зря упоминалась компьютерная игра. Именно в динамичных играх наиболее заметно влияние частоты обновления. Но если вы любите после работы «погонять в танчики», не спешите бежать в магазин за 240-герцовым монитором. Сначала определитесь, действительно ли вам нужна высокая частота обновления.
А вот киберспортсменам высокая частота обновления действительно важна. Игрок с монитором на 100 Гц получает реальное преимущество перед теми, кто «сидит» на 60 герцах. Именно по этой причине появляются мониторы с частотой 240, 280 и даже 360 Гц.
Впрочем, не все способны воспользоваться эффектом от увеличения частоты обновления. Исследования показали, что мозгу достаточно 13 мс на то, чтобы распознать изображение, но вот на то, чтобы правильно отреагировать на полученный кадр, может потребоваться в десятки раз больше времени. Не стоит рассчитывать, что, сменив монитор, вы сразу и многократно улучшите свои игровые показатели.
Частота обновления и вертикальная синхронизация
Еще один аргумент в пользу высокой частоты обновления — с ее помощью можно устранить влияние рассинхронизации частоты обновления и FPS игры. Поскольку эти числа часто не совпадают, может случиться так, что перерисовка кадра игры попадет на момент обновления экрана. В итоге на одну половину экрана будет выведен предыдущий кадр, а на другую половину — последующий.
Если кадры сильно отличаются (например, когда игрок быстро движется или крутится на месте), на экране будут заметны неприятные рывки изображения. Переход на большую частоту не избавит от этого явления, но оно станет куда менее заметным за счет того, что «резаный» кадр будет демонстрироваться намного меньше.
Некоторые мониторы предлагают решить эту проблему без увеличения частоты обновления — при помощи технологий (G-Sync, V-Sync и Freesync), подгоняющих перерисовку кадра к обновлению экрана.
Но и в этом решении есть минусы. Во-первых, технология должна поддерживаться как монитором, так и игрой. Во-вторых, при работе V-sync могут теряться некоторые кадры, что не нравится киберспортсменам.
Частота обновления и время отклика
Время отклика — это период, который требуется пикселям экрана для изменения цвета после получения соответствующей команды. Очевидно, что этот параметр связан с частотой обновления экрана: за время между сменами кадров экран должен не только успеть перерисоваться, но и некоторое время экспонироваться. К примеру, на частоте 100 Гц время демонстрации каждого кадра составляет 10 мс (1000 мс /100 Гц). Если время отклика монитора больше, то нет никакой пользы от высокой частоты обновления, даже наоборот — будет некоторый вред. Когда время отклика сравнимо со временем экспозиции кадра, в динамичных сценах пиксели не успевают «набрать» цвет и правильных цветов на экране вы просто не увидите. Зато заметите «след» старого изображения, отображающегося одновременно с новым.
Поэтому, выбирая монитор с высокой частотой обновления, смотрите, чтобы время отклика у него было минимальным и хотя бы не превышало интервал, необходимый на перерисовку кадра (1000 / частота в Гц).
Выводы
Высокая частота обновления монитора — это не то, что требуется каждому. Если вы не проводите часы за 3D-шутерами или симуляторами, вряд вы вообще ощутите эффект от увеличения частоты обновления. А вот киберспортсменам высокая частота обновления монитора даст реальное преимущество. Да и просто любители динамичных игр почти наверняка (если позволит производительность системы) заметят улучшение игрового процесса, которое последует за увеличением частоты.
Как узнать сколько Герц в мониторе, посмотреть герцовку и частоту обновления
Одной из важнейших характеристик монитора является частота его обновления или как ее еще называют «герцовка». Она измеряется в Герцах и обозначает количество обновлений экрана монитора за одну секунду.
Для большинства современных мониторов «Герцовка» экрана составляет 60 Герц. Это означает, что изображение на экране меняется 60 раз в секунду. У дорогих игровых мониторов частота обновления может составлять 100, 120, 144 или даже 240 Герц. Такая высокая частота нужна для того чтобы создавать более плавную и комфортную картинку в игре.
В этом материале мы расскажем о том, как узнать сколько Герц у вашего монитора и как изменить «герцовку», если монитор поддерживает такую возможность.
Частота обновления монитора в Windows 10
Если вы используете Windows 10, то для того чтобы узнать сколько Герц у вашего монитора вам нужно кликнуть правой кнопкой мышки по рабочему столу и в открывшемся меню выбрать «Параметры экрана».
В результате перед вами откроется раздел «Экран» вменю «Параметры». Здесь можно узнать используемое разрешение и ориентацию экрана, но информации о герцовке монитора здесь нет. Чтобы получить эту информацию нужно кликнуть по ссылке «Свойства графического адаптера», которая находится почти в самом низу окна.
В окне со свойствами графического адаптера нужно перейти на вкладку «Монитор». Здесь в выпадающем списке будет указана текущая частота обновления экрана.
Если монитор поддерживает несколько режимов работы с разным количеством Герц, то в данном выпадающем списке можно будет выбрать другую частоту. Если такой поддержки нет, то в списке будет доступна только одна частота. Например, на скриншоте вверху это 60 Герц.
Частота обновления монитора в Windows 7
Если вы используете Windows 7, то для того чтобы узнать сколько Герц в мониторе вам нужно пойти по немного другому пути. Для начала кликните правой кнопкой мышки по рабочему столу и выберите пункт «Разрешение экрана».
Дальше кликните по ссылке «Дополнительные параметры».
И в открывшемся меню перейдите на вкладку «Монитор».
Здесь, как и в Windows 10, есть выпадающее меню, в котором указано сколько Герц у монитора на данный момент. Также здесь можно выбрать другую герцовку, если это поддерживается вашим монитором.
Частота обновления монитора в настройках видеокарты
Также вы можете посмотреть сколько Герц у вашего монитора через настройки видеокарты. В случае видеокарты от NVIDIA для этого нужно кликнуть правой кнопкой по рабочему столу и перейти в «Панель управления NVIDIA».
Дальше нужно открыть раздел «Изменение разрешения».
В результате перед вами откроется окно, в котором будет указано текущее разрешение и частота обновления экрана.
В случае видеокарты от AMD нужно таким же способом открыть AMD Catalyst Control Center и перейти в раздел «Управление рабочим столом – Свойства рабочего стола» либо в раздел «Мои экраны – Свойства экрана».
