Почему я должен использовать логарифмический горшок для аудио приложений?

32

Просто стало очень любопытно, читая этот ответ от Спехро Пефхани . Там Спехро комментирует, что следует использовать логарифмический горшок для аудио приложений. Так что я погуглил за это.

Лучшей статьей, которую я смог найти, была статья «Разница между аудио и линейными потенциометрами» [1], которая теперь, кажется, была удалена с исходного сайта.

Там они сказали это:

Линейный против Аудио

Потенциометры, или «горшки» для энтузиастов электроники, различаются по тому, насколько быстро изменяется их сопротивление. В линейных горшках величина сопротивления изменяется по прямой схеме. Если повернуть или сдвинуть его на полпути, его сопротивление будет на полпути между минимальными и максимальными настройками. Это идеально подходит для управления освещением или вентилятором, но не для управления звуком. Регуляторы громкости должны обслуживать человеческое ухо, которое не является линейным. Вместо этого логарифмические горшки увеличивают свое сопротивление на кривой. На полпути громкость все равно будет умеренной, но она будет резко увеличиваться по мере увеличения громкости. Это соответствует тому, как слышит человеческое ухо.

Ну, я не удовлетворен.

  • Что это значит, что человеческое ухо не линейно?
  • Как изменения логарифмического сопротивления в горшке связаны со звуковыми волнами и как работает человеческое ухо?

[1] Оригинальная (теперь неработающая) ссылка была http://techchannel.radioshack.com/difference-audio-linear-potentiометры-2409.html .

Рикардо
источник
5
может быть полезным en.wikipedia.org/wiki/Psychoacoustics
Кенни
3
Этот вопрос, кажется, не по теме, потому что он не связан с электронным дизайном, он скорее о звуковых волнах и о том, как их воспринимает человеческое ухо.
alexan_e
17
@alexan_e Хотя этот вопрос требует некоторых знаний по физиологии (что не по теме), он в конечном итоге задает вопрос: «Почему вместо линейной конусности используется логарифмическое выражение?» То есть дизайн электроники вопрос, это просто сообщило , биология. Проектирование электроники часто связано с тем, как сконструировать что-то, что может быть использовано человеком, и, к лучшему или к худшему, которое требует вклада из других областей исследования.
Джелтон
5
@alexan_e Я не говорю, что мы должны принимать вопросы, которые задают исключительно о физиологии, но это вопросы, которые спрашивают: «Как я могу достичь Х в дизайне электроники?» где X требует внешних областей обучения, должно быть по теме. Смелые вопросы действительно не по теме, и в идеале ОП должен задавать их на подходящем сайте. Тем не менее, вы не можете быть хорошим инженером-электронщиком, если вы работаете в черном ящике. Некоторое понимание смелых вопросов и ответов на них неотъемлемо является частью выбора компонентов и производительности конечного устройства.
Джелтон
8
Это актуальный вопрос, и его не следует закрывать
Энди,

Ответы:

23

Учти это: -

введите описание изображения здесь

Уровень звука измеряется в дБ, а увеличение / уменьшение сигнала на 10 дБ приравнивается к удвоению / уменьшению вдвое громкости, воспринимаемой ухом / мозгом.

Посмотрите на картинку выше и спросите себя, какой выбор лучше для плавного (в сочетании с обширным) регулятора громкости. Ниже приведены кривые Флетчера Мансона, показывающие полный диапазон децибел, которые человек может комфортно слышать. Обратите внимание, что если ваша стереосистема не является очень мощной, диапазон 100 дБ «примерно правильный» для регулировки громкости. Кривые Флетчера Мансона также связывают громкость с высотой звука. Также обратите внимание, что все кривые нормализованы до 1 кГц с шагом 10 дБ:

введите описание изображения здесь

Примерно через каждые 10% хода стеклоочистителя на потенциометре LOG можно уменьшить / увеличить громкость на 10 дБ, тогда как горшок LIN должен будет полностью переместиться в среднее положение, прежде чем он уменьшит громкость всего на 6 дБ! Когда линейный горшок приближается к нижнему концу своего хода (до 1% движения влево), он будет совершать массивные скачки в затухании дБ всего за крошечное движение, поэтому будет очень трудно точно установить громкость на низком уровне.

Также стоит отметить, что банк LOG способен справиться только с таким большим динамическим диапазоном регулировки, прежде чем он сделает то же самое (ниже -100 дБ), но дело в том, что это вряд ли будет заметно на крошечном, тихом конце это путешествие.

Вы также можете заметить, что метки на банке, такие как CW и CCW, говорят вам, какой конец банка - это конец земли и конец большого объема. CW = по часовой стрелке, а CCW - по часовой стрелке конечные точки для стеклоочистителя.

Энди ака
источник
1
Кроме того, профессиональные линейные фейдеры используют «звуковой конус», который не является ни лог-ни, ни линейным, чтобы дать вам больше контроля, близкого к «номинальному нулю», где требуется точная настройка.
Джон Уотт
@Jon: Может ли это быть потому, что описанные отношения восприятия, перефразированные как «десятикратное увеличение интенсивности - это удвоение воспринимаемой громкости», на самом деле являются степенной кривой, а не экспоненциально-логарифмической? То есть не л о у д л е с с α лог ( я н т е н сек я т у )
LоUdNеssαяNTеNsяTY0,3
LоUdNеssαжурнал(яNTеNsяTY)
Бен Фойгт
@ BenVoigt, если это все, о чем ты думаешь, мы могли бы прояснить это задолго до этого. Смотрите 2-е дополнение к моему ответу.
Альфред Центавра
Нет, это потому, что инженеры по микшированию любят получать примерно правильный уровень в начале цепочки, а затем точно настраивать наиболее заметные стебли с лучшим разрешением. Это полностью эргономика вещь AFAIK!
Джон Ватт,
@JonWatte Вы хотите отрегулировать усиление примерно правильно на самой ранней стадии, чтобы максимизировать динамический диапазон. Каждая ступень добавляет шум, поэтому дальнейшее усиление будет увеличивать шум. (Или большое затухание на более поздней стадии позволит обрезать более ранние стадии)
эндолит
15

Что это значит, что человеческое ухо не линейно?

В этом контексте, если бы человеческое ухо было линейным, звуковая волна с удвоенной мощностью другого звучала бы вдвое громче.

Однако факт заключается в том, что звуковая волна должна в 10 раз превышать мощность другой волны, чтобы звучать в два раза громче.

Как изменения в журнале в сопротивлении горшка связаны со звуковыми волнами и как работает человеческое ухо?

Предположим, что потенциометр ( регулятор громкости ) изменяет мощность сигнала, подаваемого на громкоговоритель, и предположим, что усилитель может вырабатывать максимум 100 Вт.

Предположим, что горшок линейный, элемент управления равномерно помечен от 1 до 100, и мы начнем с того, что элемент управления установлен на 100 - на громкоговоритель подается мощность 100 Вт.

Чтобы уменьшить громкость вдвое , мы сократили бы мощность до 10 Вт, что потребовало бы поворота регулятора громкости на 90% против часовой стрелки до отметки «10» .

Чтобы снова уменьшить громкость вдвое , нам понадобится всего 1 Вт, что потребует поворота регулятора громкости до отметки «1» .

Чтобы снова уменьшить громкость вдвое , нам нужно всего 0,1 Вт и ... вы видите проблему?

Однако, если горшок был логарифмическим, интервал на ручке между 0,1 Вт и 1 Вт, 1 Вт и 10 Вт, а также 10 Вт и 100 Вт был бы одинаковым . Если бы было десять меток, равномерно распределенных, у нас было бы что-то вроде:

0, 1mmw, 10mmw 100mmw, 1mW, 10mW, 100mW, 1W, 10W, 100W

Таким образом, мы переходим от отсутствия звука к едва слышимым, удваиваем, удваиваем, удваиваем, удваиваем и т. Д.


Это дополнение предназначено для ответа на вопрос, поднятый в довольно длинной ветке комментариев. Согласно @BenVoigt, гипотетический аттенюатор, предложенный выше, не регулирует уровень звука равномерно.

@Alfred: Я повторю свой предыдущий комментарий, так как ясно, что вы замаскировали его: "ваш циферблат имеет" громкость 1, 2, 4, 8, 16, 32 ... 1024 "в виде одинаково расположенных тиков. Один щелчок на нижняя часть - это изменение на 1 единицу громкости. Один щелчок вверху - это изменение на 512 единиц громкости. " 1 и 512 - это совершенно разные изменения.

Поскольку я не смог убедить Бена в его ошибке и не смог убедить меня в своей ветке комментариев, я бы хотел обсудить этот спор в этом добавлении.

Согласно этому источнику , заметная разница в интенсивности звука составляет около 1 дБ:

примерно 1 децибел - это просто заметная разница (JND) в интенсивности звука для нормального человеческого уха.

Если интенсивность звука изменяется на 1 дБ, мы просто замечаем изменение громкости.

Таким образом, из этого следует, что если наш гипотетический ступенчатый аттенюатор отрегулировал затухание с шагом 1 дБ, то регулировка управления на 1 шаг сделает звук заметно заметно громче или мягче для человеческого уха.

Другими словами, этот аттенюатор плавно регулирует громкость звука с заметными приращениями во всем диапазоне.

Итак, вместо 10 равномерно распределенных шагов, как я дал выше, представьте 100 равномерно распределенных шагов на элементе управления.

Каждый шаг изменяет мощность на 1 дБ; поворот ступени управления CW на 1 увеличивает мощность в 1,2589 ...; Поворот контрольной CCW на 1 шаг уменьшает мощность в 0,79433 ...

(1,2589 ...)10знак равно10

Но это отличается от предыдущего аттенюатора только разрешением, то есть мы только увеличили количество (равномерно расположенных) меток между оригинальными метками.

Кроме того, в теме спрашивается, является ли это логарифмическим аттенюатором.

Я прямо сказал, что отношения, которые вы описываете, не являются линейными и не логарифмическими, это степень.

Yзнак равножурнал(Икс)Иксзнак равно10Y

Тот факт, что мы можем сказать, что в вышеуказанном аттенюаторе количество шагов, необходимых для изменения мощности на некоторый коэффициент, пропорционально логарифму этого фактора.

Например, для изменения мощности в 5 раз, например, для увеличения мощности с 1 Вт до 5 Вт, необходимо повернуть регулятор

10журнал(5)7

7 шагов.

Таким образом, количество шагов (или изменение угла в горшке) является логарифмическим по степени.


2-е дополнение, чтобы обратиться к дальнейшим комментариям.

Согласно @BenVoigt, ответы, приведенные здесь, вводят в заблуждение или просто неверны:

Но после прочтения любого из этих ответов у меня складывается общее впечатление, что логарифмическое сопротивление инвертирует биологический ответ, а затем более внимательно изучаю описанную математику и осознаю, что это не так.

Я хочу продемонстрировать, что логарифмический горшок - это то, что является желательным, но не потому, что он инвертирует биологический отклик (что, я не думаю, что кто-либо утверждал, и это не то, что желательно, как я покажу ниже).

LК

Lзнак равно2журналК

КL

Для нашего ступенчатого аттенюатора 1 дБ относительная мощность определяется как:

Кзнак равно10N/10

Объединяя два предыдущих уравнения, мы получаем, что относительная громкость равна

Lзнак равно2N/10

Таким образом, для каждого шага громкость увеличивается в 1,0718 ... или уменьшается в 0,93303 ...

Но это то, что мы хотим . Мы не хотим, чтобы громкость увеличивалась на фиксированную величину с каждым шагом, мы хотим, чтобы относительная громкость увеличивалась на фиксированную величину с каждым шагом.

Таким образом, необходим логарифмический аттенюатор.

Альфред Центавра
источник
Дополнительный вопрос: является ли "mmw" предпочтительнее, чем µw для микроватт? Я не видел эту конвенцию раньше.
Джелтон
2
μμFзнак равнопF
То, что вы описали, является властным отношением, а не логарифмическим. т.е. громкость = интенсивность <sup> 0,3 </ sup> Это прямая линия на графике логарифмического журнала, в то время как логарифмическая зависимость образует прямую линию на графике логарифмического логарифма.
Бен Фойгт
@BenVoigt, в своем ответе я делаю два замечания: (1) связь между воспринимаемой громкостью и интенсивностью звука не является линейной (10-кратная интенсивность воспринимается как 2-кратная громкость) и (2), таким образом, линейный регулятор громкости будет совершенно бесполезным, в то время как логарифмический объем имеет смысл. Я не понимаю связь между вашими точками и моим ответом.
Альфред Центавра
Нет, логарифмическое управление не отменяет (или «не учитывает») нелинейность типа, который вы описываете. Вы действительно утверждаете, что люди хотят логарифмический диапазон громкости, и логарифмический потенциометр обеспечивает это? Возможно, поскольку ваше последнее предложение описывает экспоненциальную прогрессию. Но после прочтения любого из этих ответов у меня складывается общее впечатление, что логарифмическое сопротивление инвертирует биологический ответ, а затем более внимательно изучаю описанную математику и осознаю, что это не так.
Бен Фойгт
11

Энди ответил на это, и он намекнул в конце, что горшки с A-конусом (бревно) не идеальны. Вот сравнение между идеальным ответом журнала и тем, что фактически делает реальный коммерческий банк журнала (взято отсюда ):

введите описание изображения здесь

Это двухсегментное кусочно-линейное приближение к идеальной конусности бревна (пунктирная линия). Грубый, но он делает работу достаточно хорошо во многих случаях.

Обратите внимание также на плоские биты в конце даже линейной (конусообразной) кривой. Вот когда стеклоочиститель приближается к концам движения в любом направлении.

Часто в эти дни применяется электронная регулировка громкости с постоянными шагами затухания или усиления в дБ.

4106

Спехро Пефхани
источник
Восприятие громкости не совсем логарифмическое, особенно в шумной обстановке. Изменение громкости сигнала на 3 дБ, которое едва слышно по сравнению с окружающим шумом, может быть огромным. Кроме того, изменение уровня сигнала на 3 дБ, которое достаточно громкое для некоторого искажения, может оказать огромное влияние на уровень искажения. Исходя из того, что большинство людей не заботятся о точной настройке между «ничем» и «четко слышимым», имеет смысл сократить этот диапазон. Исходя из того, что люди часто хотят, чтобы все было как можно громче без особых искажений, имеет смысл расширить этот диапазон.
суперкат
5

Хотя на этот вопрос был дан адекватный ответ, я нашел некоторые ответы запутанными, и это что-то особенное для меня, поэтому вот попытка более простого ответа:

Что это значит, что человеческое ухо не линейно?

Человеческое ухо воспринимает интенсивность иначе, чем мир на самом деле. В мире звук имеет свойство, называемое «громкость» (или интенсивность звука), которое мы воспринимаем как « громкость ». Удвоение громкости не приводит к удвоению громкости, и это то, что называется «нелинейным».

Как изменения в журнале в сопротивлении горшка связаны со звуковыми волнами и как работает человеческое ухо?

Идея использования горшков с бревнами заключается в том, что они более точно копируют восприятие реальности человеческим ухом: когда мы перемещаем горшок на фиксированную величину, мы хотим ощущать одно и то же количество изменений, независимо от того, где горшок начинался. (кстати, человеческое ухо не единственное, что воспринимает вещи таким образом: большая часть человеческого восприятия управляется так называемым законом Вебера-Фехнера , но слух особенно чувствителен, потому что самый громкий звук, который мы можем комфортно слушать, составляет около 1 в миллион раз громче, чем самый тихий звук, который мы можем услышать.)

Это хорошо работает для регуляторов усиления (включая регуляторы усиления как часть эквалайзера или другой схемы), но не все в аудио должно быть конусообразным: например, баланс / панорамирование.

Бьорн Рош
источник
Это было бы легче читать, если бы он использовал блоки кавычек вместо блоков кода.
TRiG
Если предположить, что остальные ответы верны примерно с десятилетним уровнем интенсивности, соответствующим октаве громкости, то «Когда мы перемещаем горшок в два раза выше, мы хотим воспринимать вдвое больший объем, и журналы показывают, что» это неправильно.
Бен Фойгт
3

Относительно воспринимаемого аспекта слуха: это факт, что звуки кажутся громче пропорционально логарифму фактической интенсивности звука, а не прямо пропорционально. Это очень распространенный аспект восприятия окружающей среды всеми животными и людьми. Например, если у вас есть два веса, один весит 1 унцию, а другой весит 2 унции, вы можете использовать обе руки и сказать, что вес в 2 унции тяжелее. Однако, если у вас вес 1 фунт, а другой весит 1 фунт плюс 1 унция, вам будет очень трудно различить разницу.

В общем, неврологические процессы в восприятии настроены так, чтобы различать отношения между интенсивностью стимулов, а не субтрактивными различиями. Это означает, что вы действительно чувствительны к субтрактивным различиям в журнале интенсивности стимулов. Это также включает зрение, при котором глаз и мозг нормализуются по средней яркости и контрастности фона. И когда мы воспринимаем различия, это различия в соотношении относительно нормализованного среднего. Это включает в себя принципиально логарифмическую характеристику органов чувств плюс процессы временной адаптации в органах чувств человека, а также включает реляционную перенормировку и адаптационные реакции во многих слоях взаимосвязанных нейронов, которые обрабатывают информацию в нервной системе.

В зрении глаз должен уметь справляться с уровнями освещенности, которые варьируются от 10 ^ {- 4} до 10 ^ 6 кандел на квадратный метр из среды со звездной ночью до одного в полдень в солнечный день. Поэтому, учитывая эту шкалу в 10 порядков, представление визуального сигнала на сетчатке с использованием линейной системы было бы неразумным. (Это похоже на камеру, требующую более 32 бит двоичного представления на пиксель только для яркости без учета цвета.)

В области психофизики изучаются аспекты, связанные с восприятием раздражителей относительно реально измеренных раздражителей. Двумя важными концепциями являются кривые " только заметная разница" (JND), которые описывают, как понимание пороговой интенсивности для изменения, связанного с интенсивностью фона, и закон Вебера-Фехнера, который в основном просто утверждает, что большинство процессов восприятия чувствительны к соотношениям между интенсивностью стимулов ,

Можно видеть, что живые организмы должны обладать способностью приспосабливаться к среднему уровню стимулов окружающей среды - визуальным, слуховым или другим сенсорным воздействиям (например, в громкой среде, которая не должна постоянно вызываться незначительными изменениями), - но в то же время осознавать важные значительные изменения, которые могут иметь отношение к выживанию.

Кроме того, каждый орган чувств и нервный процесс имеют ограниченный динамический диапазон представления, а также уровень фонового внутреннего шума (типичные аспекты любого канала связи). Имеет смысл, что мозг пытается повторно нормализовать сенсорные входные сигналы, чтобы постоянно оптимизировать отношение сигнал-шум внутреннего представления, чтобы вероятность обнаружения соответствующих изменений была самой высокой. Это похоже на проблему представления аудиосигналов только в 8 битах - если вы можете точно представлять тихие сигналы, то громкие сигналы будут насыщать диапазон. Вот почему А-закон был изобретен.

В любом случае, это биологическое и перцептивное обоснование того факта, что мы оцениваем интенсивность звука в логарифмическом масштабе.

Ссылка 1: Просто заметная разница концепции.

Ссылка 2: закон Вебера-Фехнера

Ссылка 3: А-закон

Robotbugs
источник
3

Многие другие объяснили, почему линейный горшок не так широко используется в качестве регулятора громкости, и обсудили различные доступные законы о горшках.

Что не было упомянуто, так это влияние на надежность закона о бревнах. В основном, горшок представляет собой углеродную или проводящую пластиковую дорожку, и все это механически. Нелинейные горшки имеют более тонкую дорожку на одном конце и поэтому со временем имеют тенденцию к ухудшению.

В про-аудио аппаратуре используется обычное «взлом», чтобы обойти это и разрешить использование линейного банка. Резистор от стеклоочистителя к земле линейного фильтра достаточно хорошо подделывает логарифмический закон.

Если вы думаете об этом - то, что люди хотят с помощью регулятора громкости, это то, что они становятся «громкими» с полным (или почти полным) звуком, «средним» в середине и «тихим» в нижней части. Никого не волнует, имеет ли каждый сегмент 10 дБ одинаковое угловое вращение.

На практике, если у вас есть линейный резистор 10 кОм и резистор заземлен на стеклоочистителе, вы получите схему, подобную этой:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Теперь Ra + Rb = 10k, и электронная таблица удобна для просмотра закона (вращение равно 0 для против часовой стрелки и 1 для полного хода - Rb - это всего лишь 10 * вращение. Я опускаю «k», поскольку здесь все просто нормализовано .)

Закон о горшках

Из опыта выясняется, что что-то около -15 дБ в середине (это не так точно) кажется правильным - и избавляет вас от ожидания ожидания появления этих специальных банков (также сокращает количество линий в вашей спецификации) и дает вам более надежный продукт. (Для этого вы хотите Rp = ~ 1k3 с потом в 10k.)

Учитывая, что точность большинства «бревенчатых» банков в любом случае ужасна, это просто прекрасно. Если вы делаете стерео громкость и заботитесь о том, чтобы делать снимки (вы должны это делать), то это также может быть немного более точным - или, возможно, вам лучше с переключенным аттенюатором.

danmcb
источник
Хорошее дополнение. Однако, возможно, график результирующего затухания в зависимости от положения банка будет легче читать, чем необработанные значения в электронной таблице.
тусклый
Спасибо. Ну, это не так информативно в конце. Как вы можете видеть, вы выбираете значение -25дБ или ВЫКЛ за последние 10% с этим выбором значения. Вы можете настроить это немного - лучше всего послушать и посмотреть, что работает (то есть звучит) лучше всего для приложения.
danmcb
1

Звучит это давление. Как воздушный шар. Вы слышите на своем радио громкость «Больше, чем чувство» на громкости «1», и вы на расстоянии 10 футов, затем вы перемещаетесь на 20 футов, вам нужно повернуть ручку вверх. Радио - центр шара, вы хотите, чтобы 5-футовый шар стал 10-футовым? Требуемый объем воздуха не просто удваивается, верно? Это намного больше. На самом деле, для воздушного шара его около 8 раз. Но наш мозг не работает так. Если вы переключите радиостанцию ​​с 1 на 8, то, поскольку вы переместились на 10 футов, это может показаться «неправильным». Итак, используйте бревно, затем измените его с 1 на 2, и вы услышите приятные звуки Бостона, звучащие в ваших ушах только на «правильной» громкости.

меловой
источник
Разве звуковая волна не будет сферой, почему мяч? Так что 4 раза, а не 8. (если на улице простой случай, то в помещении это еще меньше разницы)
Алексей Мартианов