Чому я повинен використовувати логарифмічний горщик для аудіо-додатків?

32

Щойно цікавився, читаючи цю відповідь від Спехро Пефані . Там Spehro зауважує, що слід використовувати логарифмічний горщик для аудіо-додатків. Тож я за це погуглився.

Найкращою статтею, яку я міг знайти, була названа «Різниця між аудіо та лінійними потенціометрами» ^[1], яка зараз, здається, була видалена з оригінального веб-сайту.

Там вони сказали це:

Лінійний проти аудіо

Потенціометри, або «горщики» для любителів електроніки, диференціюються тим, наскільки швидко змінюється їх опір. У лінійних горщиках величина опору змінюється прямим малюнком. Якщо повернути або пересунути його наполовину, його опір буде на півдорозі між його мінімальними та максимальними параметрами. Це ідеально підходить для керування фарами або вентилятором, але не для звукових елементів керування. Контроль гучності повинен задовольняти людське вухо, що не є лінійним. Натомість логарифмічні горщики збільшують опір на кривій. На півдорозі гучність все ще буде помірною, але вона різко збільшиться, коли ви продовжуватимете збільшувати гучність. Це відповідає тому, як чує вухо людини.

Ну, я не задоволений.

Що це означає, що вухо людини не лінійне?
Як зміни зрубу в опорі горщика стосується звукових хвиль і як працює людське вухо?

^{[1] Оригінальним (зараз розірваним) посиланням було http://techchannel.radioshack.com/difference-audio-linear-potentiometers-2409.html .}

potentiometer sound

— Рікардо
джерело

5

може бути корисною en.wikipedia.org/wiki/Psychoacoustics

— kenny

3

Це питання видається поза темою, оскільки воно не пов’язане з електронним дизайном, це швидше про звукові хвилі та те, як людське вухо сприймає їх.

— alexan_e

17

@alexan_e Хоча для запитання потрібні певні знання з фізіології (що є поза темою), в кінцевому підсумку він запитує: "Навіщо використовувати логарифмічний замість лінійної конусності?" Те є дизайн електроніки питання, це просто повідомило , біологія. Дизайн електроніки часто стосується того, як спроектувати щось корисне для людини, а для кращого чи гіршого, що потребує вкладу з інших галузей дослідження.

— JYelton

5

@alexan_e Я не кажу, що ми повинні приймати запитання, які задаються виключно щодо фізіології, але це питання, які задають "Як мені виконати X в дизайні електроніки?" де X вимагає зовнішніх полів вивчення, має бути тематичним. Сміливі запитання справді поза темою, і ОП в ідеалі має їх задавати на відповідному сайті. Однак ви не можете бути хорошим інженером з електроніки, якщо працюєте в чорному ящику. Деяке розуміння сміливих питань та їх відповідей є невід'ємною частиною вибору компонентів та продуктивності пристрою.

— JYelton

8

Це питання є актуальним, і його не слід закривати

— Енді ака

23

Враховуйте це: -

введіть тут опис зображення

Рівень звуку вимірюється в дБ, а збільшення / зменшення сигналу на 10 дБ прирівнюється до подвоєння / зменшення гучності, сприйнятого вухом / мозку.

Подивіться на малюнок вище і запитайте себе, який кращий вибір для плавного (у поєднанні з великим) регулятора гучності. Нижче наведені криві Флетчера Мансона, що показують повний спектр децибел, який людина може комфортно чути. Зауважте, що якщо ваша стереосистема не є дуже потужною, діапазон 100 дБ є "приблизно правильним" для регулювання гучності. Криві Флетчера Мансона також відносять гучність до висоти звуку. Зауважте також, що всі криві нормалізуються до 1 кГц за 10 дб: -

введіть тут опис зображення

Приблизно кожні 10% ходу склоочисника на потенціометрі LOG можуть зменшити / збільшити гучність на 10 дБ, тоді як LIN горщик повинен буде переміститися до його середнього положення, перш ніж зменшити гучність лише на 6 дБ! Коли лінійний горщик знаходиться біля нижнього кінця його ходу (нижній 1% руху вліво), він здійснюватиме масивні стрибки в ослабленні dB лише невеликим рухом, отже, дуже важко точно встановити гучність на низькому рівні.

Варто також зазначити, що горщик LOG здатний впоратися лише з настільки динамічним діапазоном регулювання, перш ніж він зробить те саме (нижче -100 дБ), але справа в тому, що це навряд чи буде помітно на крихітному тихому кінці його подорож.

Ви також можете відзначити, що позначення на горщику, такі як CW і CCW, вказують вам, який кінець горщика є основним і великим. CW = тактова частота та CCW - це протидіюча кінцева точка для склоочисника.

— Енді ака
джерело

1

Крім того, професійні лінійні фейдери використовують "звуковий конус", який не є ні журналом, ні лінією, щоб забезпечити більше контролю, близького до "номінального нуля" там, де потрібна тонка настройка.

— Джон Уотт

л о у г н е с с \propto i н т е н с i т у^{0,3}

$loudness \propto intensity^{0.3}$

л о у г н е с с \propto журнал (i н т е н с i т у)

$loudness \propto \log(intensity)$

— Ben Voigt

@BenVoigt, якщо це все, що стосується вашої суєти, ми могли б прояснити це ще задовго. Дивіться другий додаток до моєї відповіді.

— Альфред Кентаврі

Ні, це тому, що інженери, що змішують, люблять отримувати рівень приблизно прямо на ланцюжку, а потім тонко налаштовують найвизначніші стебла з кращою роздільною здатністю. Це цілком ергономічна річ AFAIK!

— Джон Ватт

@JonWatte Ви хочете налаштувати коефіцієнт підсилення приблизно правильно на самому ранньому етапі, щоб максимально збільшити динамічний діапазон. Кожна ступінь додає шум, тому збільшення рівня надбавки згодом також посилить доданий шум. (Або багато ослаблення на більш пізньому етапі дозволить зрізати більш ранні етапи)

— endolith

15

Що це означає, що вухо людини не лінійне?

У цьому контексті, якби вухо людини було лінійним, звукова хвиля з подвоєною силою іншого звучала б удвічі голосніше.

Однак факт полягає в тому, що звукова хвиля повинна мати 10-кратну силу іншої, щоб звучати вдвічі голосніше.

Як зміни зрубу в опорі горщика стосується звукових хвиль і як працює людське вухо?

Припустимо, що потенціометр ( регулювання гучності ) змінює потужність сигналу, що подається на гучномовець, і припустимо, що підсилювач може виробляти максимум 100 Вт.

Припустимо, горщик лінійний, управління рівномірно позначено від 1 до 100, а ми починаємо з керування, встановленого на 100 - потужність 100 Вт направляється на гучномовець.

Щоб удвічі зменшити гучність, ми зменшимо вихід до 10 Вт, що вимагатиме повернення регулятора гучності на 90% CCW до позначки "10" .

Щоб знову вдвічі зменшити гучність, нам потрібно лише 1 Вт, що вимагатиме повернення регулювання гучності до позначки «1» .

Щоб знову вдвічі зменшити гучність, нам би хотілося всього 0,1 Вт і ... чи бачите ви проблему?

Якби горщик був логарифмічним, відстань між ручкою між 0,1 Вт і 1 Вт, 1 Вт і 10 Вт, 10 Вт і 100 Вт було б однаковою . Якби було десять марок, рівномірно розташованих, ми мали б щось на кшталт:

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

Таким чином, ми переходимо від звуку до ледве чутного, подвійного, подвійного, подвійного, подвійного, і т.д. ...

Цей додаток стосується питання, порушеного в досить довгій темі коментарів. За словами @BenVoigt, запропонований вище гіпотетичний аттенюатор не регулює рівень звуку рівномірно.

@Alfred: Я повторюю свій попередній коментар, оскільки ви чітко заскрипили його: "ваш циферблат має" гучність 1, 2, 4, 8, 16, 32 ... 1024 "як свої однаково розташовані кліщі. Один клік на знизу - зміна одиниці гучності. Один клацання вгорі - це зміна 512 одиниць гучності. " 1 і 512 є значно різними змінами.

Оскільки я не зміг переконати Бена в його помилці, а також Бен не зміг переконати мене в моєму коментарі, я хотів би вирішити цю суперечку в цьому додатку.

За даними цього джерела , помітна різниця в інтенсивності звуку становить близько 1 дБ:

приблизно 1 децибел - це лише помітна різниця (JND) в інтенсивності звуку для нормального людського вуха.

Якщо інтенсивність звуку змінюється на 1 дБ, ми просто помічаємо зміну гучності.

Таким чином, випливає, що якби наш гіпотетичний ступінчастий аттенюатор відрегулював ослаблення з кроком по 1 дБ, регулювання керування на 1 крок зробило б звук просто помітно гучнішим або м'якшим для людського вуха.

Іншими словами, цей аттенюатор плавно регулює гучність звуку , лише з помітними кроками, на всьому діапазоні.

Отже, замість 10 рівномірно розташованих ступенів, як я вказав вище, уявіть 100 рівномірно розташованих кроків на контролі.

Кожен крок змінює потужність на 1 дБ; повернення керування CW 1 крок збільшує потужність в коефіцієнт 1,2259 ...; Повернення керування CCW на 1 крок зменшує потужність на коефіцієнт 0,79433 ...

$(1.2589...)^{10} = 10$

Але це відрізняється від попереднього аттенюатора лише роздільною здатністю, тобто ми лише збільшили кількість (рівномірно розташованих) знаків між початковими позначками.

Крім того, запитання в потоці полягає в тому, чи це логарифмічний аттенюатор.

Я прямо сказав, що відносини, які ви описуєте, не є лінійними та не логарифмічними, це сила.

$y = \log(x)$ $x = 10^y$

Цей факт можна сказати, що у наведеному вище аттенюаторі кількість кроків, необхідних для зміни потужності на якийсь фактор, пропорційна логарифму цього коефіцієнта.

Наприклад, для зміни потужності на коефіцієнт 5, наприклад, для збільшення потужності з 1 Вт до 5 Вт, потрібно повернути управління

10 журнал (5) \approx 7

$10 \log(5) \approx 7$

7 кроків.

Отже, кількість ступенів (або зміна кута горщика) логарифмічна по силі.

Другий додаток для подальших коментарів.

За словами @BenVoigt, відповіді, наведені тут, є оманливими або явно неправильними:

Але я отримую загальне враження, читаючи будь-яку з цих відповідей, що логарифмічний опір інвертує біологічну відповідь, а потім придивіться до описаної математики і зрозумію, що це неправда.

Я хочу продемонструвати, що логарифмічний горщик - це те, що бажано, але не тому, що він перевертає біологічну реакцію (на яку я не вірю, що хтось стверджував, і не те, що бажано, як я покажу нижче).

$l$ $k$

л = 2^{журнал к}

$l = 2^{\log k}$

$k$ $l$

Для нашого ступінчастого аттенюатора 1dB відносна потужність задається:

к = 10^{н / 10}

$k = 10^{n/10}$

Поєднуючи попередні два рівняння, маємо, що відносна гучність є

л = 2^{н / 10}

$l = 2^{n/10}$

Таким чином, для кожного кроку гучність збільшується на коефіцієнт 1,0718 ... або зменшується на коефіцієнт 0,93303 ...

Але це ми хочемо . Ми не хочемо, щоб гучність збільшувалася на фіксовану кількість з кожним кроком, ми хочемо, щоб відносна гучність збільшувалась на фіксовану кількість з кожним кроком.

Таким чином, необхідність логарифмічного аттенюатора.

— Альфред Кентаврі
джерело

Побічне запитання: Чи є "мікромВт" переважнішим, ніж мкВ, для мікрохвильових частот? Я раніше не бачив цієї конвенції.

— JYelton

2

μ μ F = p F

$\mu \mu F = pF$

Те, що ви описали, - це владні відносини, а не логарифмічні. тобто голосність = інтенсивність <sup> 0,3 </sup> Це пряма лінія на графіку журналу журналу, тоді як відношення журналу утворює пряму лінію на лінійному графіку журналу.

— Ben Voigt

@BenVoigt, у своїй відповіді я зазначаю два моменти: (1) взаємозв'язок між сприйнятою гучністю та інтенсивністю звуку не є лінійним (інтенсивність в 10 разів сприймається як 2x гучний) і (2) таким чином, лінійний контроль гучності був би абсолютно марним, хоча логарифмічний обсяг має сенс. Я не отримую зв'язку між вашими пунктами та моєю відповіддю.

— Альфред Кентаврі

Ні, логарифмічний елемент контролю не скасовує (або "враховує") нелінійність описаного вами типу. Ви справді стверджуєте, що люди хочуть логарифмічного діапазону гучності, а логарифмічний потенціометр забезпечує це? Можливо, оскільки ваше останнє речення описує експоненційну прогресію. Але я отримую загальне враження, читаючи будь-яку з цих відповідей, що логарифмічний опір інвертує біологічну відповідь, а потім придивіться до описаної математики і зрозумію, що це неправда.

— Ben Voigt

11

Енді відповів на це, і наприкінці натякнув, що горщики A-конічні (колоди) не є ідеальними. Ось порівняння між ідеальною відповіддю до журналу і тим, що насправді робить справжній комерційний журнал (взятий звідси ):

введіть тут опис зображення

Це двосегментне кусочно-лінійне наближення до ідеального конуса колоди (пунктирна лінія). Сира, але це робить роботу досить добре у багатьох випадках.

Зверніть увагу також на плоскі біти в кінці рівномірної лінійної кривої горщика. Ось тоді склоочисник підходить до кінців руху в будь-якому напрямку.

Часто в цей час впроваджується електронний контроль гучності, який має постійні кроки ослаблення або посилення дБ.

$4\cdot10^6$

— Спехро Пефаній
джерело

Сприйняття гучності не зовсім логарифмічне, особливо в галасливих умовах. Зміна 3dB в гучності сигналу, який ледве чутний над зовнішнім шумом, може бути величезною. Крім того, зміна рівня 3dB в рівні сигналу, яка є достатньо гучною, щоб дещо спотворитись, може мати величезний вплив на рівень спотворень. Зважаючи на те, що більшість людей не піклуються про точні налаштування між "нічим" та "чітко чутними", має сенс конденсувати цей діапазон. Зважаючи на те, що люди часто хочуть, щоб речі були якомога голоснішими, не надто сильно спотворюючи, має сенс розширити цей діапазон.

— supercat

5

Хоча на це питання було адекватно відповідено, я знайшов деякі відповіді заплутаними, і це для мене щось особливе, тому ось спроба більш простої відповіді:

Що це означає, що вухо людини не лінійне?

Людське вухо сприймає інтенсивність інакше, ніж світ насправді. У світі звук має властивість під назвою "Гучність" (або інтенсивність звуку), яку ми сприймаємо як " Гучність ". Подвоєння в обсязі не призводить до подвоєння гучності, і саме це називається "нелінійним".

Як зміни зрубу в опорі горщика стосується звукових хвиль і як працює людське вухо?

Ідея використання горщиків з косинцем полягає в тому, що вони більш чітко копіюють сприйняття реальності людського вуха: коли ми переміщуємо горщик на фіксовану кількість, ми хочемо сприймати однакову кількість змін, незалежно від того, звідки почався горщик. (до речі, людське вухо - це не єдине, що сприймає речі таким чином. Більшість людського сприйняття керується так званим законом Вебера-Фехнера , але слух особливо чутливий, оскільки найгучніший звук, який ми можемо з комфортом слухати, - це приблизно 1 в мільйон разів голосніше тихого звуку, який ми можемо почути.)

Це добре працює для керування посиленням (включаючи управління посиленням як частину еквалайзера або іншої схеми), але не все в аудіо повинне бути націленим на запис: наприклад, управління балансом / панорами.

— Бьорн Рош
джерело

Це було б легше прочитати, якби він використовував блоки цитат замість блоків коду.

— TRiG

Якщо припустити, що інші відповіді правильні приблизно за десятиріччя інтенсивності, що відповідає октаві гучності, то "Коли ми переміщуємо горщик вдвічі вище, ми хочемо сприймати вдвічі більше гучності, і горщики з журналами дають нам це" неправильно.

— Ben Voigt

3

Що стосується перцептивного аспекту слуху: Фактом є те, що звуки здаються голоснішими пропорційно до журналу фактичної інтенсивності звуку, а не лінійно прямо пропорційними. Це дуже поширений аспект у всьому сприйнятті тваринами та людиною навколишнього середовища. Наприклад, якщо у вас є два ваги, той, який важить 1 унція, а другий важить 2 унції, ви можете використовувати обидві руки і сказати, що вага унції 2 важчий. Однак якщо у вас є вага 1 фунта і інший, який важить 1 фунт плюс 1 унція, вам буде дуже важко натиснути на дискримінацію різниці.

Взагалі неврологічні процеси сприйняття налаштовані на розрізнення співвідношення між інтенсивністю подразників та не віднімаючими різницями. Це означає, що дійсно ви чутливі до віднімаючих різниць в журналі інтенсивності подразників. Сюди також відноситься зір, де око і мозок нормалізуються для середньої яскравості та контрастності фону. І коли ми сприймаємо відмінності, це різниці у співвідношенні відносно нормованого середнього. Це включає принципово передачу журналу, характерну для органів почуттів, плюс процеси часової адаптації в органах почуттів людини, а також включає реляційну ренормалізацію та реакції на адаптацію у багатьох шарах взаємопов'язаних нейронів, які обробляють інформацію в нервовій системі.

У зорі очей повинен бути в змозі впоратися з рівнями світла, які переходять від 10 ^ {- 4} до 10 ^ 6 кандел на квадратний метр від навколишнього середовища з зоряною ніччю до одного опівдні у сонячний день. Отже, враховуючи цю шкалу 10 порядків, представляти візуальний сигнал на сітківці за допомогою лінійної системи було б нерозумно. (Це схоже на камеру, яка вимагає більше 32 біт бінарного представлення на піксель лише для яскравості, не враховуючи колір.)

Поле психофізики вивчає аспекти, пов'язані із сприйняттям подразників відносно фактично вимірюваних подразників. Дві важливі концепції - це просто помітна різниця криві, що (JND), які описують, як усвідомлення порогової інтенсивності зміни стосується фонової інтенсивності, і закон Вебера-Фехнера, який в основному просто говорить, що більшість сприйнятих процесів чутливі до співвідношення між інтенсивністю стимулів .

Видно, що живі організми повинні мати здатність пристосовуватися до середнього рівня стимулів навколишнього середовища - зорових, слухових чи інших сенсорних входів (наприклад, у гучному середовищі, щоб не постійно викликати незначні зміни) - але в той же час бути усвідомлюючи важливі істотні зміни, які можуть мати значення для виживання.

Крім того, кожен орган почуттів і нервовий процес має обмежений динамічний діапазон представлення, а також фоновий внутрішній рівень шуму (типові аспекти будь-якого каналу зв'язку). Має сенс, що мозок намагається повторно нормалізувати вхідні сенсорні сигнали, щоб постійно оптимізувати співвідношення сигналу та шуму внутрішнього подання, щоб вірогідність виявлення відповідних змін була найвищою. Це схоже на проблему представлення аудіосигналів лише у 8 бітах - якщо ви зможете точно представити тихі сигнали, то голосні будуть насичувати дальність. Ось чому був винайдений закон А.

У будь-якому випадку це біологічне та перцептивне обґрунтування того, що ми судимо про інтенсивність звуку за логічною шкалою.

Посилання 1: Просто помітна концепція різниці.

Посилання 2: Закон Вебера-Фехнера

Посилання 3: А-закон

— Роботи
джерело

3

Багато інших пояснили, чому лінійний горщик не використовується в якості контролю гучності, і обговорили різні наявні закони про горщики.

Те, про що не було сказано, це вплив на надійність закону про журнал. В основному горщик - це вуглецева або електропровідна пластикова доріжка, і вся справа механічна. У нелінійних горщиків є тонша доріжка на одному кінці, і тому, як правило, більше погіршується з часом.

Існує звичайний "хак", який використовується в про-аудіо передачах, щоб обійти це, і дозволити використовувати лінійний горщик. Резистор від склоочисника до землі линкового горщика досить добре "підробляє" закон про колоду.

Якщо ви подумаєте над цим - те, що люди хочуть за допомогою регулювання гучності, - це те, що вони стають «голосними», коли він повністю (або майже), «середній» посередині і «тихий» внизу. Ніхто не турбується про те, чи має кожен сегмент 10 дБ однакове кутове обертання.

На практиці, якщо у вас є лінійний горщик розміром 10 к і ви поставите резистор на землю склоочисника, ви отримаєте схему так:

схематичні

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Тепер Ra + Rb = 10k, а електронна таблиця зручна для того, щоб побачити закон (обертання 0 для проти годинникової стрілки і 1 для повного вгору - Rb - це лише 10 обертів. Я залишаю "k", оскільки тут все нормалізується. .)

З досвіду виходить, що щось близько -15 дБ посередині (це не так точно) відчуває себе правильно - і рятує вас від очікування приїзду цих спеціальних горщиків (також зменшує рядки у вашій BOM), і отримує вам більш надійний продукт. (Для цього ви хочете Rp = ~ 1k3 з 10-літровим горщиком.)

Зважаючи на те, що точність більшості «колоданих» горщиків все одно жахлива, це просто чудово. Якщо ви робите стереотипний об'ємний горщик і дбаєте про зображення (слід), то це також може бути дещо точнішим - або, можливо, вам краще з комутаційним аттенюатором.

— danmcb
джерело

Приємне доповнення. Можливо, графік результуючого положення аттенуації проти горщика було б легше прочитати, ніж значення неочищених таблиць.

— тьма

Спасибі. Ну, зрештою, це не так інформативно. Як бачите, з цим вибором значення ви переходите від -25dB або OFF в останні 10%. Ви можете трохи налаштувати це - найкраще - слухати та бачити, що найкраще працює у програмі (тобто звуки).

— danmcb

1

Звуки - це тиск. Як повітряна куля. Ви шумуєте більше, ніж відчуваєте, що звук '1' на радіо, і ви за 10 футів, а потім рухаєтесь на відстані 20 футів, вам потрібно повернути циферблат. Радіо - це центр повітряної кулі, ви хочете, щоб повітряна куля на 5 футів стала 10-футовою кулею? Об'єм необхідного повітря не просто подвоюється, чи не так? Це набагато більше. Насправді, за повітряну кулю її близько 8 разів. Але наші мізки не працюють так. Змінивши радіотехнічний набір з 1 на 8, тому що ви пересунули 10 футів, здавалося б, «неправильно». Отож, використовуйте горщик з журналом, а потім змініть його з 1 на приблизно 2, і у вас з’являються солодкі звуки Бостона, які дзвонять у вуха лише на «правильну» гучність.

— Крейдяний
джерело

Якщо звукова хвиля не буде сферою, навіщо куля? Тож 4 рази, а не 8. (якщо на відкритому повітрі простий корпус, в приміщенні це ще менша різниця)

— Олексій Мартьянов