Was verursacht dieses seltsame Geräusch in einem Paar Walkie-Talkies?

Es heißt Feedback . Folgendes passiert:

Wenn Alice auf TRANSMIT drückt, schaltet es das Mikrofon in ihrem Funkgerät ein und beginnt damit, alle Geräusche zu übertragen, die auf das Mikrofon treffen. Wenn Bobs Radio auf RECEIVE steht, wird sein Lautsprecher eingeschaltet und es spielt alles ab, was es in diesem Moment empfängt – in diesem Fall das Audiosignal, das vom Mikrofon in Alices Radio gesendet wird, das auf jede Schallquelle in der Nähe von Alice reagiert.

Als Alice sich Bob nähert, beginnt ihr Mikrofon, Geräusche aus Bobs Lautsprecher zu erkennen, die ihr Radio dann an Bobs Radio überträgt, das es über Bobs Lautsprecher wiedergibt, was vom Mikrofon in Alices Radio aufgenommen wird usw. usw. und die Das Signal wird herum und herum und herum geschleift und wird die ganze Zeit stärker, während Alice sich Bob nähert.

Der kritische Fall für die beste Schleife tritt auf, wenn ein Ton in der Schleife eine Wellenlänge in der Luft hat, die ungefähr gleich dem Abstand zwischen den beiden Funkgeräten ist, was bei 10 Fuß etwa 100 Hz, bei 1 Fuß 1000 Hz und bei 1 Zoll etwa 12.000 Hz entspricht Hz, so dass die Tonhöhe des Feedbacks höher und höher wird, wenn sich die Funkgeräte einander nähern.

Die Antwort von Niels Nielsen beschreibt das Phänomen der Audiorückkopplung ziemlich gut, aber ich bin nicht von ihrer Erklärung Ihrer Beobachtung überzeugt, dass die Tonhöhe des Rückkopplungsquietschens ansteigt, wenn die Radios zusammengebracht werden.

Insbesondere wenn der Ton, den Sie gehört haben, eine Wellenlänge hatte, die dem Abstand zwischen den Radios entspricht, wie die Antwort von Niels zu implizieren scheint, würden Sie erwarten, zunächst ein leises Brummen zu hören , das nur dann zu einem "hohen Kreischen" ansteigt Die Funkgeräte sind sehr nahe beieinander, nur wenige Zentimeter voneinander entfernt. Aber in der Praxis habe ich beobachtet (und was Sie auch zu beschreiben scheinen), dass der Ton bei einer ziemlich hohen Frequenz beginnt, sobald die Radios nahe genug zusammengebracht werden, um überhaupt eine Rückkopplung zu erzeugen, und nur moderat mit ihrer Entfernung ansteigt nimmt ab.

Stattdessen vermute ich, dass der ansteigende Tonhöheneffekt hauptsächlich durch die Frequenzgänge der Lautsprecher und des Mikrofons Ihres Radios erzeugt wird. Diese Reaktionen neigen dazu, ihren Höhepunkt bei einer ziemlich hohen Frequenz zu erreichen, wahrscheinlich irgendwo zwischen 1 kHz und 10 kHz, und fallen mehr oder weniger allmählich sowohl darüber als auch darunter ab.

^{Frequenzgangkurven zweier hochwertiger professioneller Mikrofone (Oktava 319 und Shure SM58) auf einer Log-Log-Skala. Originalbild von Gregory Maxwell (© 2005) über Wikimedia Commons , verwendet unter der Lizenz CC BY-SA 3.0 .}

Wenn nun Ihre Funkgeräte eingeschaltet und nahe genug zusammengebracht werden, steigt die Loop-Verstärkung bei allen Frequenzen*, einfach weil das Mikrofon seinen Ton umso lauter aufnimmt, je näher es am Lautsprecher ist. Irgendwann überschreitet die Schleifenverstärkung für eine bestimmte Frequenz 100 % und beginnt bei dieser Frequenz zu schwingen. Und diese anfänglich dominante Frequenz ist diejenige, für die der Frequenzgang Ihres Lautsprechers und Ihres Mikrofons, miteinander multipliziert, am höchsten ist.

Als nächstes passiert, dass die Lautstärke der dominanten Frequenz exponentiell ansteigt, bis sie so laut wird, dass sie zu übersteuern beginnt oder allgemeiner durch andere Nichtlinearitäten in Ihrer Rückkopplungsschleife verzerrt wird. Das wird irgendwann immer passieren, weil sonst die Lautstärke unendlich steigen würde, was natürlich physikalisch unmöglich ist. Und das in der Praxis in nur wenigen Rückkopplungszyklen, also im Bruchteil einer Sekunde.

Diese nichtlineare Verzerrung unterdrückt die anfängliche Resonanzfrequenz und verhindert, dass ihre Lautstärke über einen bestimmten Punkt hinaus weiter zunimmt, hat aber auch einen anderen Effekt: Sie erzeugt Obertöne bei Vielfachen der ursprünglichen Frequenz. Und wenn diese Obertöne auch mit einer Verstärkung von über 100 % mitschwingen können, tun sie dies und werden lauter, bis auch sie anfangen zu schneiden und zu verzerren.

An dieser Stelle wird es nun ziemlich kompliziert, da die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen nichtlinear miteinander interferieren. Aber was ich intuitiv erwarten würde, ist, dass die endgültige Wellenform, zu der dieser nichtlineare Resonanzprozess zusammenlaufen wird, höchstwahrscheinlich etwas in der Nähe einer Rechteckwelle mit einer Grundfrequenz nahe der höchsten Frequenz ist, bei der das System mitschwingen kann , dh wo die Die (lineare, leise) Verstärkung der Mikrofon-Lautsprecher-Mikrofon-Schleife liegt knapp über 100 %.

Und wie ich bereits erwähnt habe, tendiert die kombinierte Frequenzgangkurve des Lautsprechers und des Mikrofons im Allgemeinen dazu, mehr oder weniger allmählich über ihre Spitzenfrequenz abzufallen. (Wie allmählich hängt stark von dem spezifischen Mikrofon und Lautsprecher ab, den Sie haben, und auch von der Elektronik zwischen ihnen.) Wenn Sie den Lautsprecher und das Mikrofon näher zusammenbringen, wird die Reaktionskurve skaliert, während die Form ansonsten mehr oder weniger gleich bleibt . Dadurch wird der Frequenzbereich vergrößert, über den eine Resonanz mit über 100 % Verstärkung möglich ist, und insbesondere sein oberes Ende auf eine höhere Frequenz angehoben. Und da die Nichtlinearitäten im System dazu führen, dass es mit ungefähr dieser Frequenz oszilliert, hören Sie die Tonhöhe des Rückkopplungsquietschens, das ansteigt, wenn Lautsprecher und Mikrofon näher zusammenrücken.

*) Technisch gesehen spielt auch die genaue Länge des Audiopfads zwischen Ihren Radios (und jede durch die Radios selbst eingeführte Phasenverschiebung) eine Rolle, da eine Frequenz, damit sie eine stabile Resonanz erfährt, am selben Punkt wieder an ihrem Ausgangspunkt ankommen muss Phase, wie sie sie ursprünglich verlassen hat. Wenn es keine Phasenverschiebung in den Radios selbst gibt, bedeutet dies effektiv, dass der Abstand zwischen den Radios ein Vielfaches der Wellenlänge der Resonanzfrequenz sein muss.

In der Praxis macht das aber kaum einen Unterschied, zumindest wenn die Radios nicht direkt nebeneinander stehen. Um den Grund dafür zu verstehen, beachten Sie, dass die Schallgeschwindigkeit in Luft etwa 340 m/s beträgt, was bedeutet, dass eine 10-kHz-Schallwelle eine Wellenlänge von etwa 3,4 cm (≈ 1,3 Zoll) hat. Wenn Ihre Empfänger beispielsweise genau 3,4 Meter voneinander entfernt sind, passen bei 10 kHz genau 100 Wellenlängen dazwischen, sodass 10 kHz tatsächlich eine Resonanzfrequenz für dieses System ist. Aber auch 9,9 kHz und 10,1 kHz, da für diese Frequenzen der Abstand zwischen Lautsprecher und Empfänger genau 99 bzw. 101 Wellenlängen beträgt, und das gilt auch für jede Frequenz, die zufällig ein Vielfaches der Grundfrequenz von 100 Hz für diesen Abstand ist .

Wenn Sie nun die Radios ein wenig bewegen, ändert sich auch diese Grundfrequenz ein wenig. Aber solange es ziemlich niedrig ist – sagen wir, ein paar hundert Hz – dann werden Sie wahrscheinlich immer noch viele ganzzahlige Vielfache davon im Resonanzbereich von ein paar kHz finden. Und eine davon – höchstwahrscheinlich die höchste – wird die Hauptfrequenz sein, die Sie im Rückkopplungsquietschen hören werden (zusammen mit den Obertönen, die durch die nichtlineare Verzerrung erzeugt werden).