Вимірювання характеристик акустичних систем

В огляді «НАШІ АС ЗСЕРЕДИНИ» була порушена частково тема технічних характеристик АС. Які вимірювані характеристики АС існують, і ступінь їх важливості порушені коротко в тому ж огляді. У цій статті я постараюся більш детально зупинитися на процесі вимірювань, його тонкощах і нюансах.

Причиною написання даного матеріалу послужив з одного боку інтерес до звучання наших АС, з іншого - суперечки і деякі розбіжності аудіо-ентузіастів з приводу того які характеристики життєво важливі для звучання а які другорядні, і як повинні виглядати характеристики АС для забезпечення гарного звучання. Як показує практика - просто «викласти» результати вимірів не достатньо для висновків про реальний звучанні АС. Тому їх необхідно супроводжувати описом умов і методів, за допомогою яких вони проводилися, так як це суттєво впливає на результати вимірювань.

Чесно кажучи, я противник оцінки якості звучання за характеристиками і графіками, і не бачу альтернативи живому прослуховування. Але все ж, спробую викласти основні прийоми і методи вимірювань якими ми користуємося при налаштуванні наших АС.

Отже - тональний баланс, як найважливіший критерій якості звучання АС.

У графічному поданні його висловлює АЧХ (амплітудно-частотна характеристика) - залежність звукового тиску АС від частоти. У «ідеалі» тон будь-якої висоти АС відтворює з однаковою гучністю. Так поводиться «ідеальна» АС при вимірах в «ідеальних» умовах. Насправді виміряти достовірно АЧХ АС не маючи «ідеальних» умов, тобто «Безлунній камери» важко, але можна. Складність в тому, що різні методи і різні умови вимірювань накладають свій відбиток на результати, тобто вимірювання одних і тих же АС в різних умовах або різними методами дають різну АЧХ. Вина тому - відображення звукових хвиль в приміщенні, де проводяться вимірювання. А так як АЧХ відбитих сигналів сильно змінюється і реєструється вимірювальним мікрофоном з накладенням на корисний прямий сигнал, одержувані результати це АЧХ не тільки АС, а характеристика АС в певних акустичних умовах. Вважаю, немає потреби повторюватися, чому настройка АС під конкретні акустичні умови спираючись лише на результати вимірювань - помилка. Завдання вимірювань - знайти максимально точно поведінка АЧХ саме АС серед заважають віддзеркалень.

Існує кілька автоматизованих методів вимірювань АЧХ.

Коротенько про їх переваги та недоліки:

1. Вимірювання за допомогою «свип-тону». На АС подається сигнал синусоїдальної форми постійної амплітуди, який плавно «ковзає» або поступово змінюється по частоті, мікрофон реєструє максимальний рівень звукового тиску в кожній частотній області. Метод простий у використанні, недоліком є ​​важко-зрозуміла АЧХ що складається з серії піків-провалів дуже великої амплітуди до 10-15 дБ. Забезпечує нестабільний результат, сильно залежить від умов вимірів, положення АС і мікрофона. Подальша «пост-обробка» результатів вимірювань за допомогою різних алгоритмів згладжування не дають точного уявлення про АЧХ, а лише «прилизувати» нерівномірність в різному ступені.
2. Вимірювання за допомогою шумового сигналу, «рожевий шум». Цей тип сигналу характеризується рівною потужністю в будь-який частотної області (наприклад, в діапазонах рівних 1 октаві: 50-100Гц, 500-1000Гц, 5-10кГц потужність сигналу однакова). Тому він найбільш вподобаний з усіх видів шумових сигналів. Шумовий сигнал подається на АС і охоплює або весь діапазон, або вибірково якусь область. Так як шумовий сигнал - це набір випадкових імпульсів безупинно мінливих в часі, мікрофон реєструє середній рівень, усереднення відбувається протягом усього часу вимірювання. Таким чином, вдається частково, але не повністю компенсувати вплив відбитих звукових хвиль.

Очевидно, що обидва цих методу не дають повністю достовірну картину вимірювань. Тому, для підвищення точності вимірювань використовуються додаткові заходи. Використовуючи 2-й метод як більш гнучкий, вимірювання проводяться не в одній точці - мікрофон безперервно з рівними інтервалами переміщається на зразок маятника щодо АС в горизонтальній площині. Це відомий метод «хитається мікрофона». Вся принадність його в тому, що він дозволяє ще більше нівелювати перепади звукового тиску внаслідок відображень. Також враховується не тільки осьова АЧХ, але захоплюються частково і бічні АЧХ, що також важливо для оцінки діаграми спрямованості. Існує ще ряд заходів для уточнення результатів, про них далі на прикладах вимірювань АЧХ.

Так як «одним махом» отримати достовірно АЧХ у всьому діапазоні відразу не можливо, далі наводжу поетапно вимірювання на прикладі полочной моделі «AS-2S»

Етап 1. Вимірювання АЧХ в дальній зоні.

АС і мікрофон розташовані максимально далеко від стін для мінімізації їх впливу в середньо-високочастотному діапазоні. Відстань від АС до мікрофона 1.5м .:

Перше що кидається в очі, дивлячись на вимірювання - сильно занижений рівень НЧ приблизно до 300-400 Гц. і загальна його нерівномірність у цьому діапазоні. Причина - розташування АС і мікрофона практично в центрі приміщення, рівень віддачі на НЧ при такому розташуванні мінімальний. Нерівномірність в низькочастотної області є завжди і з цим потрібно змиритися, вона по-різному себе проявляє серією піків-провалів в залежності від розташування АС і мікрофона, площі, висоти приміщення, його конфігурації, акустичних умов (меблі і т.п.). Є деякі залежності поведінки АЧХ на низьких частотах. Наприклад - добре помітний провал АЧХ в районі 200 Гц, який повторюється в різних точках одного приміщення. Ця взаємодія АС з висотою приміщення, точніше - висоти установки НЧ випромінювача щодо підлоги і стелі. В даному випадку висота НЧ-динаміка від статі 85 см. Висота стелі 2.6 м. У підлогових АС, з розташуванням НЧ-випромінювачів невисоко від підлоги провал менше помітний, але загальна віддача на низьких частотах також повинна бути заниженою при такому розташуванні АС.

Тому судити про АЧХ АС на низьких частотах за вимірюваннями в далекій зоні складно, потрібно знати точне поведінку АЧХ в конкретних умовах і враховувати поправки на ці умови. З достатньою точністю вимірювання відображають АЧХ на середніх і високих частотах - приблизно від 300-400 Гц і вище за діапазоном. Поведінка частотної характеристики - це плавна киваючи, умовно простягнута крізь «змійку» спадів і підйомів на характеристиці. Цікавий в першу чергу саме характер поведінки, який відображає ця крива, на характеристиці він показаний пунктирною лінією. В процесі вимірювань «змійка» безперервно «танцює» навколо цієї середньої лінії, завдання вимірювань полягає у визначенні ходу АЧХ - поведінки саме цієї усередненої лінії, на яку «нанизані» дрібні відхилення АЧХ. Середня лінія не повинна мати глобальних нахилів і перегинів а також піків і провалів ширше 1/3 октави.

Невеликий підйом на характеристиці від 300 Гц до 2-2.5 кГц при вимірах одиночній АС потрібен, так як при роботі в парі, нахил загальної АЧХ вирівнюється. Якщо цього не врахувати, АЧХ пари АС матиме зворотний ухил.

Загальний рівень ВЧ при вимірах сильно залежить від відстані АС-мікрофон. Якщо слідувати загальним правилам вимірювань з відстані 1 м. Від АС по осі ВЧ випромінювача, можна керуватися тим, що ВЧ при цьому повинні бути врівень з СЧ. Насправді рекомендації витримувати відстань в 1 м. від АС і розташовувати мікрофон строго по осі ВЧ динаміка при вимірах не завжди виправдовуються. Справа в тому що вимірювана АЧХ цікава не тільки в одній конкретній точці і на певній відстані. Її поведінка залежить від багатьох факторів: взаємне розташування випромінювачів, їх розмір, робочий частотний діапазон, форма і розміри самої АС. Наприклад, АС з декількома випромінювачами на СЧ матиме різні АЧХ на відстані 1м. і 1.5-2м. Те ж стосується і АС з великими випромінювачами НЧ-СЧ. Тому, для порівняно близькій зони прослуховування (1м. І менше) такі АС не годяться, і АЧХ в такому випадку розумно вимірювати на більшій відстані, яке відповідає їх робочій зоні. При цьому слід робити поправку на спад ВЧ зі збільшенням відстані від АС, тобто виміру наприклад з 1.5 м. повинні показувати спад ВЧ на 2-2.5 дБ, з відстані 2 м - 3-4 дБ.

Етап 2. Вимірювання в дальній зоні.

Вимірювальний мікрофон і АС розташовані недалеко від стін.

За цими вимірами вже можна судити про реальний рівень віддачі АС на низьких частотах. Але не про реальну частотній характеристиці всередині НЧ діапазону, про неї на наступному етапі. Пунктирною лінією на АЧХ приблизно від 30 Гц до 200 Гц позначений середній рівень віддачі на низьких частотах, від 300 Гц до 2 кГц середній рівень СЧ. Завдання цього етапу вимірювань у визначенні балансу НЧ-СЧ. Як видно, АЧХ на СЧ і особливо ВЧ має дещо інший характер порівняно з попередніми вимірами. Пов'язано це з впливом відображень від найближчих поверхонь стін.

Фіолетовим і жовтим - частотні характеристики АС в одних і тих-таки умовах, за винятком того що жовта АЧХ виміряна з закритим портом резонатора (про це трохи пізніше). До речі, видимі відмінності АЧХ в СЧ-ВЧ діапазоні на тому ж графіку - результат коливань АЧХ під час вимірювань, про які згадувалося вище. Тобто «Малюнок» характеристик відрізняється в різні моменти часу, але поведінка АЧХ, її характер чітко простежуються.

Етап 3. Вимірювання АЧХ низькочастотної області в ближній зоні.

Мікрофон практично впритул до дифузора НЧ динаміка. Порт фазоінвертора (ФЕ) закритий.

Щоб отримати реальну АЧХ всієї АС в низькочастотної області, з урахуванням дії фазоінвертора, потрібно виконати нескладні дії. Повернемося для цього до попередніх вимірів в дальній зоні:

Це фрагмент з попередніх вимірювань в діапазоні 20 Гц ... 500 Гц, пунктиром позначений середній рівень віддачі НЧ. Величина «а» в децибелах між двома вимірами - це рівень віддачі фазоінвертора. Додавши цю величину «а» в кожній частотній області до вимірювань в ближній зоні, отримаємо реальну АЧХ роботи всієї АС на низьких частотах (біла суцільна лінія):

В даному випадку фазоинвертор «підхоплює» роботу НЧ-динаміка починаючи приблизно від 150 Гц і «продовжує» рівну ділянку АЧХ в сторону низьких частот, додаючи приблизно 5 дБ на частоті своєї настройки (45 Гц). Пунктиром позначений середній рівень НЧ.

Таким чином ми провели серію необхідних вимірювань, що дають уявлення про реальну АЧХ акустичної системи. При бажанні їх можна поєднати і побачити АЧХ АС у всьому діапазоні:

Зеленим кольором - характеристика вимірювань в дальній зоні (етап 1), фіолетовим і жовтим - етап 2. білим - етап 3.

Поєднання характеристик дальнього і ближнього зон виконується за середнім рівнем віддачі НЧ (пунктирна лінія). Таким чином, результуюча АЧХ - це крива, що проходить від початку частотної шкали і до 300-500 Гц по контуру ближніх вимірів (біла крива), далі від 300-500 Гц і до кінця частотної шкали по контуру далеких вимірів (зелена крива). Відкинувши зайве, результуюча АЧХ буде виглядати наступним чином:

Кілька слів на закінчення.

Для вимірювань необхідно використовувати шумомір або окремий мікрофон з лінійної АЧХ, або якщо вона має відхилення, обов'язково враховувати це відповідними поправками. Більшість програмних спектро-аналізаторів дозволяють вносити коригувальну АЧХ вимірювача (mic. Calibration correction). Я використовую спектро-аналізатор TrueRTA, вимірювач звукового тиску Center 325 спільно з таблицею поправок АЧХ саме до цієї моделі шумомера, яка враховує власну нерівномірність АЧХ мікрофона і для зважування фільтра «С» (у даній моделі відсутній лінійна шкала вимірювань). Це дозволяє достовірно вимірювати АЧХ у всьому діапазоні.

На наведеному вище прикладі - полична 2-смуговий АС фазоінверсного типу. Вимірювання АЧХ в дальній зоні на НЧ акустичних систем закритого типу обмежуються одним виміром, так як не потрібно окремо враховувати роботу резонатора.

Для підлогових АС з окремим НЧ-випромінювачем зона стикування з сусідньої СЧ-смугою може потрапити в зону провалу АЧХ на низьких частотах (див. Етап 1). Це дещо ускладнює завдання вимірювань і настройки. Потрібно тримати «в умі» точну характеристику поведінки «кімнатної» АЧХ в конкретних умовах і робити на неї поправку в процесі вимірювань і настройки.

Деякі спектро-аналізатори дозволяють внести нерівномірність АЧХ акустичних умов (room curve correction) у вигляді коректує таблиці, «кімнатної АЧХ» і враховувати її автоматично при вимірах. Але не потрібно забувати, що ця таблиця відповідає конкретному розміщення АС і мікрофона в конкретних акустичних умовах, і навіть при незначних змінах цих умов доведеться заново створювати коригувальну таблицю.

Метод вимірювань АЧХ на відкритому повітрі поза приміщенням дозволяє уникнути впливу відображень, що може здатися спрощенням завдання, але він має свої незручності. Вимірювання в далекому полі достовірні тільки в СЧ-ВЧ області. А так як НЧ майже відсутні в таких умовах, неможливо оцінити загальний баланс АЧХ без НЧ.

Окремі вимірювання в далекому полі (етап 2) можна виключити, поєднавши його з вимірами етапу 1. Але для цього потрібно точно знати і враховувати поведінку АЧХ на низьких частотах в конкретних акустичних умовах. Наприклад, визначивши його за вимірюваннями налаштованих АС.

Баланс НЧ і СЧ досить «слизький» момент при налаштуванні АС, одних тільки вимірювань недостатньо. До того ж різне положення мікрофона і АС змінює картину АЧХ, тому необхідно також контролювати балансування «на слух». Наприклад, на наведеному вище графіку АЧХ може здатися завищеною область НЧ в діапазоні 80-160 Гц з піком на 125 Гц. Тому для більш точного визначення балансу НЧ-СЧ слід проводити тестове прослуховування. Якщо віддача баса дійсно завищена, на слух це проявляється «навантаженням» звучання. При ще більшому надлишку баса, можуть проявлятися заважають «гудуть» або «буркітливі» призвуки. Недолік НЧ на слух проявляється як спрощене звучання, зменшення масштабу, страждає «фундамент» звучання.