AF – Częstotliwość dźwiękowa
AF, czyli częstotliwość dźwiękowa (ang. Audio Frequency), to zakres od 20 Hz do 20 000 Hz, który odpowiada dźwiękom słyszalnym przez człowieka. To właśnie to pasmo znajduje zastosowanie w systemach nagłośnieniowych, komunikacji analogowej oraz w niemal każdym urządzeniu audio, które spotykasz na co dzień – od telefonu, przez radio, aż po profesjonalny sprzęt muzyczny. W pracy z układami elektronicznymi niskiego i średniego napięcia, sygnały AF są podstawą toru audio, a dziś postaram się przybliżyć Ci, jak są generowane, przetwarzane i gdzie dokładnie je spotykamy.
Zakres częstotliwości dźwiękowej
Pasmo 20 Hz – 20 kHz to standardowa granica dla przeciętnego ucha. W rzeczywistości słyszalność tych granic zależy od wielu czynników – wieku, stanu zdrowia, a także środowiska odsłuchowego. Dźwięki poniżej 20 Hz określane są jako infradźwięki, a powyżej 20 kHz – ultradźwięki. Chociaż nie mieszczą się już w zakresie AF, mają znaczenie np. w wykrywaniu wad materiałowych czy systemach czujników, ale to temat na inny rozdział.
Struktura sygnału AF i jego przetwarzanie
Sygnał AF może mieć postać fali sinusoidalnej, trójkątnej, prostokątnej lub złożonej – zależnie od źródła. Mikrofon przekształca fale akustyczne na sygnał elektryczny, który następnie trafia do wzmacniacza, filtrów, a czasem do procesora DSP. Wzmacniacze audio, pracujące w zakresie AF, muszą zachowywać odpowiednią liniowość oraz minimalizować szumy i zniekształcenia harmoniczne. Parametry takie jak THD (Total Harmonic Distortion), SNR (Signal-to-Noise Ratio) czy odpowiedź impulsowa są kluczowe przy ocenie jakości toru audio.
Systemy analogowe i cyfrowe
W systemach analogowych, jak klasyczne wzmacniacze tranzystorowe czy lampowe, sygnał AF jest przetwarzany bez konwersji na dane cyfrowe. W systemach cyfrowych, natomiast, następuje próbkowanie sygnału przy częstotliwości co najmniej dwukrotnie większej niż najwyższa częstotliwość w sygnale – zgodnie z twierdzeniem Nyquista. Dla audio CD stosuje się próbkowanie 44,1 kHz, co pozwala wiernie odwzorować dźwięki do około 22 kHz. W podobny sposób działa przesył dźwięku w systemach Bluetooth, gdzie stosuje się kodeki takie jak SBC, AAC czy aptX, zoptymalizowane właśnie pod kątem pasma AF.
Rola filtrów i korekcji
W torze audio istotną rolę pełnią filtry dolnoprzepustowe, pasmowe oraz korektory. Filtracja pozwala wyeliminować szumy spoza pasma słyszalnego, a korekcja tonalna umożliwia dopasowanie charakterystyki sygnału do akustyki pomieszczenia lub preferencji użytkownika. Na przykład equalizer graficzny dzieli pasmo AF na kilkanaście przedziałów i pozwala na indywidualne wzmocnienie lub tłumienie każdego z nich.
Przykłady urządzeń operujących w zakresie AF
- Mikrofony (dynamiczne, pojemnościowe)
- Głośniki i zestawy audio
- Wzmacniacze operacyjne i mocy w torze niskonapięciowym
- Karty dźwiękowe i konwertery A/C i C/A
- Transmisja przewodowa (np. telefonia analogowa) i bezprzewodowa (Bluetooth, Wi-Fi audio)
AF a inne zakresy częstotliwości
Choć AF jest często omawiany osobno, w rzeczywistości jest ściśle powiązany z innymi pasmami. Przykładowo, sygnał AF często służy jako źródło informacji dla modulacji w systemach RF – czyli w zakresie częstotliwości radiowych. W radiu FM, audio z mikrofonu zostaje zamienione na sygnał AF, a następnie zmodulowane na wyższą częstotliwość nośną. To samo dotyczy AM czy DAB. W technice komunikacyjnej sygnał AF można uznać za podstawową warstwę informacyjną, która później zostaje zakodowana, przetworzona i nadana. Co ciekawe, niektóre układy mikroprocesorowe, jak kodeki dźwiękowe w systemach embedded, zawierają osobne bloki przetwarzania AF, zintegrowane z ADC i DAC, które odpowiadają za kompletny tor audio – od wejścia po wyjście.
W analizatorach widma sygnałów dźwiękowych obserwujemy strukturę harmonicznych, a ich obecność mówi nam o charakterystyce źródła – na przykład czysty ton sinusoidalny z generatora będzie mieć tylko jedną linię widmową, natomiast dźwięk instrumentu muzycznego – wiele, nawet kilkadziesiąt. Tego typu analiza sygnału AF jest też wykorzystywana w medycynie (audiometria), automatyce (czujniki akustyczne), a także w inteligentnych systemach rozpoznawania mowy.
Choć dziś koncentrujemy się na częstotliwości dźwiękowej, warto wspomnieć, że w praktyce projektowania urządzeń audio nie można pominąć zagadnień z zakresu VF (Voice Frequency), szczególnie tam, gdzie mamy do czynienia z sygnałami głosu przetwarzanymi w systemach telekomunikacyjnych. Jutro przejdziemy właśnie do VF i zobaczymy, czym różni się od pełnego pasma AF oraz jak projektuje się układy transmisyjne zoptymalizowane pod kątem mowy.
