Акустические измерения. Измеряем АЧХ подручными средствами

Перед тем как подходить к обзору комбиков для игры на улице хотелось бы разобраться с главным. С тем, как формируется звук, который мы слышим?
Звук в процессе формирования проходит примерно такой путь:

Звукосниматель или микрофон --->
предварительный усилитель --->
эквалайзер / набор эффектов --->
усилитель мощности --->
акустическая система.

Акустическая система(динамик) у нас находится на выходе. И хотя на картинке спикер занимает очень мало места - он формирует звук, а значит, во многом и определяет.

Другими словами: если акустическая система хреновая, то какой бы сигнал высокого качества не шел с УМ, мы услышим то, что соизволит передать АС. Стоит отметить, что иногда производители портативных комбиков забывают об этом, устанавливая на свои конструкции совершенно посредственные динамики, которые просто не в состоянии сделать звук качественным и хорошо передать то, что вы играете. Этим недостатком грешат многие комбики.
Однако:

АКУСТИКА В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ ОПРЕДЕЛЯЕТ ЗВУЧАНИЕ СИСТЕМЫ!
И является наиболее важным ее компонентом.
Вообще странно, что в музыкальной среде идёт много разговоров о , дереве и гитарах, наборах эффектов, пред. усилителях и усилителях мощности, проводах, но о динамиках и акустических системах упоминается очень мало.
Для меня же этот вопрос встал, прежде всего, когда стал разбирать проблемы плохого звучания портативной аппаратуры. Основная беда – маленькие невнятные, дешевые динамики с плохой чувствительностью.

В начале 90-х, когда Hi-End впервые стал появляться в России, имела место быть замечательная эмпирическая формула о распределении ресурсов. Выглядела она примерно так: 50% - акустика, 10% - все кабели, 40% - источник и усилитель.
И это в целом верно, т.к. именно правильно выбранная акустика является первоосновой, вокруг которой можно строить свою систему и получить качественный звук.

И так, давайте перейдём к динамикам:

Основные части динамика - магнит, катушка, мембрана(диффузор), рама(корзина, диффузородержатель). Основными составными частями, влияющими на звук, параметры, конфигурацию - назначение являются первые три.
Также хочется упомянуть сразу о параметрах, которые на динамиках указываются и по которым их можно выбрать. (А уж вникнем в суть каждого из них и как каждая часть динамика влияет на него - чуть позже.)

ПАРАМЕТРЫ ДИНАМИКА:

«Чувствительность» - это стандартное звуковое давление (SPL), которое развивает громкоговоритель. Оно измеряется на расстоянии 1 метр при подводимой мощности 1 Ватт на фиксированной частоте (обычно 1 кГц, если в документации на динамик не указано особо).
Чем выше чувствительность акустической системы, тем более громкий звук она способна выдать при заданной подводимой мощности. Имея АС с высокой чувствительностью, можно иметь не слишком мощный усилитель, и напротив, чтобы «раскачать» АС с малой чувствительностью, потребуется усилитель большей мощности.
Численное значение чувствительности, например, 90 дБ/Вт/м, означает, что эта АС способна создать звуковое давление в 90 дБ на расстоянии 1 м от динамика при подводимой мощности 1 Вт. Чувствительность обычных АС лежит в пределах от 84 до 102 дБ. Условно чувствительность 84-88 дБ можно назвать низкой, 89-92 дБ - средней, 94-102 дБ - высокой. Если измерения проводятся в обычном помещении, то к прямому излучению АС примешивается звук, отраженный от стен, повышая уровень звукового давления. Поэтому некоторые компании указывают для своих АС «безэховую» (anechoic) чувствительность, измеренную в безэховой камере. Понятно, что безэховая чувствительность - более «честная» характеристика.

«Диапазон воспроизводимых частот» указывает частотные границы, в пределах которых отклонение звукового давления не превосходит некоторых пределов. Обычно эти пределы указаны в такой характеристике, как «неравномерность АЧХ».

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика динамика.
Показывает уровень звукового давления динамика в зависимости от воспроизводимой частоты. Обычно представленна в виде графика. Вот пример АЧХ для динамика Celestion Vintage 30:

«Неравномерность АЧХ» - показывает неравномерность амплитуды в диапазоне воспроизводимых частот. Обычно от 10 до 18 дБ.

(Поправка - да, ± 3дБ - это характеристика АС, необходимая для более «честного» воспроизведения сигнала в указанном диапазоне.)

«Импеданс»(СОПРОТИВЛЕНИЕ) - полное электрическое сопротивление динамика, обычно 4 или 8 Ом. Некоторые динамики имеют импеданс 16 Ом, некоторые - не стандартные значения. 2, 6, 10, 12 Ом.

«Номинальная электрическая мощность» RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) - постоянная долговременная подводимая мощность. Обозначает ту мощность, которую громкоговоритель может выдержать в течение продолжительного периода времени без повреждения подвеса диффузора, перегрева звуковой катушки и других неприятностей.

«Пиковая электрическая мощность» - максимальная подводимая мощность. Обозначает ту мощность, которую громкоговоритель может выдержать в течение короткого времени(1-2 секунды) без риска повреждения.

Теперь можно рассмотреть, как каждая из частей динамика влияют на параметры динамика и на звук - в целом. :) Но об этом в следующих статьях.

Другие параметры динамика – такие, как размер и материал мембраны. И их влияние на свойства и звук. Рассмотрим в другой статье.

Кирилл Труфанов
Гитарная мастерская.

ВведениеВряд ли я сделаю открытие, назвав тему тестирования компьютерной акустики одной из самых непопулярных в компьютерной прессе. Если проанализировать большинство обзоров, то можно прийти к заключению, что все они носят чисто описательный характер и состоят, как правило, из перекомпиляции пресс-релизов с переписыванием основных технических параметров, любованием корпусного исполнения, да крайне субъективных итоговых оценок, не подкрепленных какими-либо доказательствами. Причина такой "нелюбви" – отсутствие в распоряжении тестеров таких специализированных средств измерения, как аудиоанализаторы, чувствительные микрофоны, милливольтметры, генераторы звуковых сигналов и пр. Подобный набор оборудования стоит приличных денег, и по сей причине по карману далеко не каждой тестовой лаборатории (тем более что компьютерная акустика стоит несоизмеримо мало по сравнению с подобной измерительной техникой). Кроме того, тестер, безусловно, должен обладать "правильными ушами" и, желательно, иметь представление о качественном звуке не по своему бытовому музыкальному центру, а по звучанию симфонического оркестра в зале консерватории, например. Как бы то ни было, компьютерная акустика хоть и не претендует занять место hi-end и радовать слух пользователя достоверной передачей тембров, в точности передавая эмоциональное содержимое звуковой картины, но должна хотя бы не искажать звучание ряда инструментов, не вносить дискомфорт в сознание слушателя. Объективно, человеческое ухо, конечно же, нивелирует большинство искажений, выделяя и восстанавливая звуковую картину даже из треска динамика радиотрансляционного репродуктора, однако при прослушивании того же произведения на более качественной акустике, слушатель начинает различать новые и дополнительные детали, какие-то музыкальные оттенки (вроде того, что “…если взглянуть вооруженным глазом, то можно заметить три звездочки!..”). Наверное, и по этой причине тоже, к выбору компьютерной акустики стоит подходить более серьезно и осознанно.
В последнее время число пользователей, желающих оснастить свой компьютер действительно качественными акустическими системами, неуклонно растет. Чтобы облегчить Вам задачу выбора, мы решили развить эту тему на страницах нашего сайта, а для того, чтобы обзоры не носили чисто субъективный характер, не строились лишь на личных предпочтениях автора-тестера, F-Center оснастил тестовую лабораторию специальным прибором – аудиоанализатором PRO600S производства французской фирмы Euraudio. Давайте рассмотрим этот прибор чуть подробнее.

Аудиоанализатор Euraudio PRO600S

Аудиоанализатор Euraudio PRO600S представляет собой компактное мобильное устройство, предназначенное для произведения электроакустических измерений в режиме реального времени. Его корпус выполнен из прочной пластмассы, а эргономичные выступы по бокам обеспечивают определенный комфорт при работе "в полевых условиях". Для стационарной установки на штатив предусмотрено специальное крепление в днище прибора. Вообще, в мире существует достаточно много аналогичных по назначению приборов, однако, основное и выгодное отличие Euraudio PRO600S – его полная автономность. Внутри аудиоанализатора есть собственный аккумулятор, позволяющий пользоваться прибором в удалении от электрических сетей (заряда аккумулятора хватает приблизительно на четыре часа автономной работы). Интересный факт: именно этот мобильный аудиоанализатор взят на вооружение установщиками автомобильной акустики, ввиду чего предусмотрен вариант запитки прибора от прикуривателя. При стационарном использовании к PRO600S подсоединяется внешний 12В источник питания.
Для измерения акустических параметров в настройках аудиоанализатора выбирается либо встроенный, либо подключаемый внешний микрофон, а для проведения электрических измерений – линейный вход. Встроенный микрофон используется в тех случаях, когда высокой точности измерений не требуется (например, при первичной настройке системы). Если поставлена задача снятия более точных параметров, либо есть нужда в особом позиционировании микрофона к динамику АС, к прибору можно подключить внешние высокочувствительные микрофоны. В нашем распоряжении есть два таких микрофона. Первый – микрофон фирмы Neutrik (удачная замена встроенного микрофона), второй – специальный микрофон Linearx M52, предназначенный для измерения высоких уровней звукового давления (High-SPL Microphone). Разъемы этих внешних микрофонов соответствуют стандарту AES/EBU (если не ошибаюсь, это сокращения от American Electromechanical Society / European Broadcasting Union) и подключаются к XLR-разъему аудиоанализатора через специальный экранированный переходной кабель.

Микрофон Neutrik



High-SPL-микрофон Linearx M52



Разъем для подключения внешнего микрофона

Линейный вход аудиоанализатора позволяет проводить измерения электрических (и акустических) контуров. Этот вход может быть подключен к линейным выходам предусилителей, микшерских пультов, CD-плееров, эквалайзеров и т.п. Исключение составляют лишь выходы усилителей мощности, высокий электрический потенциал которых может вывести электронику прибора из строя. При проведении измерений с помощью линейного входа уровни на ЖК-дисплее индицируются в дБв.

Режим измерения электрических контуров по линейному входу

Управление прибором осуществляется при помощи элементарной системы экранного меню и немногочисленных кнопок на его лицевой панели. Пятидюймовый монохромный ЖК-дисплей имеет разрешение 240х128 точек, обеспечивая легкое прочтение показаний. В других случаях, когда аудиоанализатор используется не в "полевых условиях", к нему можно подключить принтер или компьютер. Для этого он располагает интерфейсными портами IEEE1284 (LPT) и RS-232 (COM).

На задней панели аудиоанализатора находится: линейный вход (1), встроенный микрофон (2), выключатель питания (3), разъем для подключения внешнего ИП (4), COM-порт (5), LPT-порт (6)

Выбор источника входного сигнала в меню Input Selection производится между встроенным микрофоном (Internal Microphone), внешним третьоктавным микрофоном (1/3 Oct External Microphone), внешним High-SPL-микрофоном или линейным входом (Line Input).

Выбор источника входного сигнала

Режимов измерения несколько: режим выявления амплитудно-частотной характеристики акустической системы, максимального уровня звукового давления, соревновательный режим с подсчетом очков и режим для измерения электрических трактов. Метод "взвешивания" или "нагружения" (weighting) выбирается из меню Weighting SPL, которое состоит из пунктов A-weighting, C-weighting и Linear.

Выбор метода взвешивания



Режим для проведения соревнований по звуку

В общих чертах, дабы не утруждать читателя теоретическим материалом, это происходит так. Акустический сигнал, полученный аудиоанализатором с микрофона, направляется на его полосовые фильтры, которые занимаются усилением одних частот и сглаживанием (аттенюированием) других. Эти фильтры являются своего рода нагрузками. Различают два типа нагружения, которые обозначают литерами "А" и "С" (A- и C-weighting). Кривая "A" определяется приближенным инверсивным значением 40 фон ("phon" – единица эквивалентной громкости, равная 1 децибелу) эквивалентного контура громкости (equal loudness contour), а кривая "C" – 100 фон. Здесь низкие частоты атеннюируются, а частоты речевого диапазона (1 000 – 1 400 Гц) наоборот усиливаются. Режим "L" (Linear) обозначает отсутствие нагружения.

Кривые "А" и "С"

Далее я постараюсь наиболее популярно изложить суть измерения АЧХ.

Измерение АЧХ с помощью Euraudio PRO600S

Итак, прибор позволяет производить измерения амплитудно-частотных характеристик акустических систем по звуковому давлению в режиме реального времени. Если взять чисто гипотетически, то сам процесс измерения АЧХ можно было бы организовать следующим образом: последовательно изменяя частоту сигнала на входе, измерять текущее значение звукового давления на выходе. Для получения "не размытого" представления о форме АЧХ нужно провести такие замеры как минимум на тридцати отрезках частотной шкалы звукового спектра, отстоящих друг от друга не дальше трети октавы. Такой вот "ручной" режим измерения займет значительное время, что можно позволить лишь при тестировании отдельно взятой АС, да и то, если не прибегать к каким-либо дополнительным подстройкам в процессе (чтобы не прокатываться затем вновь по всем частотам). Именно поэтому в акустических лабораториях используется метод измерения АЧХ по звуковому давлению в режиме реального времени (RTA – Real Time Analyzing). Здесь вместо отдельных сигналов на вход системы подается единый сигнал, равномерно насыщенный по всему спектру частот звукового диапазона (от 20 до 20 000 Гц), который называется "розовым шумом" (pink noise). На слух такой сигнал напоминает звук ненастроенного радиоприемника или шум водопада. Акустическая система воспроизводит "розовый шум", который, в свою очередь, улавливается микрофоном аудиоанализатора, после чего направляется на его полосовые фильтры, вырезающие из спектра узкую полосу частот (каждый свою), ширина которой составляет треть октавы. Например, первый фильтр настроен на полосу от 20 до 25 Гц, второй – от 25 до 31,5 Гц и т.д. Усиленный сигнал по каждой полосе диапазона отображается на ЖК-дисплее аудиоанализатора в виде столбика-уровня. Для перекрытия диапазона частот от 20 до 20 000 Гц потребуется тридцать полосовых фильтров. Понятно, что и индикатор прибора должен отображать все тридцать уровней. Большая часть ЖК-дисплея Euraudio PRO600S занята этими третьоктавными столбиками, перекрывающими звуковой диапазон от 25 до 20 000 Гц. На дисплее прибора шкала частот отображается в логарифмическом виде, что соответствует выражению высоты тона в октавах пропорционально логарифму отношения частот (экранное разрешение таково, что один пиксел на дисплее прибора равняется одному децибелу).
Справа на экране находится индикатор общего уровня звукового давления, который оформлен в виде столбика-уровня с продублированным сверху цифровым значением. Использующийся метод нагружения индицируется под этим столбиком.

Режим измерения АЧХ по звуковому давлению в режиме реального времени

При измерении АЧХ существует возможность изменения времени интегрирования (Integration Time), другими словами, времени реагирования аудиоанализатора на изменение звуковой обстановки. Для этого предусмотрено три режима: Fast (125 мс), Slow (1 с) и Long (3 с). В любой момент измерения можно приостановить, а текущие показания аудиоанализатора окажутся "замороженными". Теперь, если нажать на одну из пяти пронумерованных кнопок, показания дисплея запишутся в соответствующую номеру кнопки ячейку памяти. Такая возможность оставлена для передачи данных от аудиоанализатора принтеру.
В комплект поставки прибора входит компакт-диск с сервисной программой Euraudio, которая достаточно проста. Она лишена какой-либо аналитической части и требуется, в основном, для представления результатов тестирования на компьютере. Кроме этого, программа переводит показания третьоктавных фильтров в цифровой вид, записывая данные с разделителями в текстовом файле (для преобразования в любую известную электронную таблицу).

При измерении АЧХ, дабы не внести искажения от предусилителей какой-либо аудиокарты, испытуемая акустическая система подключается непосредственно к линейному выходу CD-проигрывателя, а тестовый сигнал "розовый шум" считывается со специального компакт-диска IASCA.
Определение относительной неравномерности АЧХ производится так: на основе полученных с помощью аудиоанализатора данных, находится максимальный перепад между соседними полосовыми частотными фильтрами, после чего вычисляется разница между ними. Учитывая тот факт, что в наших тестированиях принимают участие мультимедийные акустические системы, класс которых на порядок отличается от класса качественной бытовой аудиоаппаратуры (многие системы просто-напросто не работают в диапазоне 20 – 20 000 Гц), то подсчет неравномерности АЧХ мы решили ограничить отрезком от 50 до 15 000 Гц. На основании показателя неравномерности АЧХ можно говорить о качестве той или иной акустической системы. Частота раздела определялась визуально, по снятой АЧХ. Кстати, по картинке можно узнать и о настройках порта фазоинвертора сабвуфера и о частотах настройки полосовых фильтров системы.
Измерение максимального уровня звукового давления производилось следующим образом: к прибору подключается SPL-микрофон, из меню выбирается соответствующий режим измерений, и активизируется опция сохранения пиковых значений. Далее, с компакт-диска IASCA запускается тестовый трек SPL Competition, который "заставляет" систему работать на максимально возможных допустимых значениях. В ходе данного этапа, на дисплей аудиоанализатора выводится (и остается, как пик) лишь максимальный достигнутый уровень звукового давления. Именно по этому параметру можно судить о способности той или иной акустической системы "перевернуть Ваши внутренности" при прослушивании на максимальных значениях громкости.

Режим измерения максимального уровня звукового давления

По окончании тестирования, некоторые результаты измерений записывались в таблицу, глядя на которую достаточно легко понять, какая же система заслуживает внимания. Итак, проведение измерений с помощью аудиоанализатора позволяют нам судить о максимальном уровне звукового давления, относительной неравномерности АЧХ, частотах раздела и реальном диапазоне воспроизводимых частот акустической системой. По последнему параметру можно проверить расхождения заявленных производителем характеристик с теми, которые получились у нас.

Измерение импеданса

Аудиоанализатор, как я уже говорил, оснащен линейным входом, оформленным в виде RCA-разъема. Благодаря этому, прибор позволяет не ограничиваться лишь акустическими тестами, измеряя уровень звукового давления при получении данных с микрофона. С помощью этого линейного входа можно подключиться вразрез электрической цепи акустической системы и измерить (приближенно, конечно), к примеру, импеданс и коэффициент гармонических искажений.
Импеданс – это очень полезная функция, с помощью которой можно проверить способность динамика корректно работать при данном уровне усиления и отметить резонансные частоты низкочастотного динамика. Для проведения измерения, на вход усилителя акустической системы подается тестовый сигнал "pink noise". Взгляните на приведенный ниже рисунок: усилитель не должен включаться по мостовой схеме (т.е. его отрицательный полюс должен быть общей землей). Резисторы 4 и 8 Ом используются для калибровки. Сначала выбирается резистор 4 Ом, производится увеличение громкости до проявления читаемых уровней сигнала на дисплее аудиоанализатора (обычно такой уровень представляет собой прямую линию). После этого выбирается режим 8 Ом, и уровни выставляются для него. Затем переключатель устанавливается в положение для тестирования динамика, и путем сравнения этих двух линий оценивается его импеданс во всем акустическом диапазоне, отыскивается резонансная частота (или частоты).

Схема измерения импеданса

Примечание: к сожалению, на данный момент мы не успели подготовить стенд для определения импеданса, поэтому результаты по данному этапу будут доступны несколько позднее.

Тестовый аудиодиск IASCA Competition CD

Начну с того, что в конце 70-х годов производители акустики сознательно пытались провести аналогии между аудиоаппаратурой и… утюгами, крайне активно внедряя в умы потребителей наборы технических требований, выполнение которых гарантирует (якобы) высочайшее качество звучания аппаратуры. Уже тогда, производителей, пытающихся сделать ставку только на объективные параметры, называли "объективистами". Однако в начале 80-х годов всех их ждало разочарование в виде падения спроса и общего снижения объемов продаж на аудиоаппаратуру, несмотря на то, что "объективные параметры" постоянно улучшались, а качество звучания, почему-то, наоборот, становилось хуже. Такая общая тенденция дала толчок рождению движения субъективистов, чей лозунг поверг многих ортодоксов в шок: "Если между объективными параметрами и субъективными оценками есть противоречия, то результат объективных измерений учитывать не следует". Однако по сегодняшним меркам, тогдашний лозунг субъективистов оказался достаточно взвешенным. Хотя слуховое восприятие может нас подвести, оно, тем не менее, является самым чувствительным инструментом оценки качества звучания. Саму же оценку невозможно дать без прослушивания различных тестовых музыкальных композиций (симфонической и инструментальной музыки, хора мальчиков и знаменитого тенора, джазовых и роковых композиций), поэтому многими звукозаписывающими компаниями были разработаны специальные сборники, вроде того, о котором дальнейшее повествование.
Наш тестовый музыкальный диск можно назвать универсальным. Он используется как для определения объективных параметров (некоторые дорожки используются в качестве источника тестового сигнала), так и для построения субъективных оценок от прослушивания. Это компакт-диск IASCA Competition CD от достаточно известной международной ассоциации International Audio Sound Challenge Association .

На этом диске размещено 37 аудиотреков, а некоторые дорожки носят аннотационный характер, доводя до слушателя то, на что следует обратить внимание при прослушивании. Кстати, информация об этом диске есть в базе данных CDDB, поэтому после установки в CD-проигрыватель компьютера, из Интернет загружаются заголовки всех его треков. Порядок размещения записей на диске подчиняется определенному закону, т.е. фонограммы разбиты на группы по оцениваемым характеристикам звучания (тональная чистота, спектральный баланс, звуковая сцена и т.д.). Многие записи взяты из известных музыкальных архивов, таких как Telarc, Clarity, Reference, Sheffield и Mapleshade. Ниже приведен список дорожек IASCA Competition CD.

Плей-лист IASCA Competition CD

Сегодня можно встретить колонки практически любой формы. Но как это влияет на звук. Рассмотрим основные формы акустически систем, и то почему круглая колонка будет звучать лучше чем квадратная или цилиндрическая.

На итоговую А мплитудно — Ч астотную Х арактеристику (АЧХ ) А кустической C истемы (АС ) влияет множество факторов. Это и АЧХ динамика, его добротность, выбранный тип и материал корпуса, демпфирование и т.д. и т.п.. Но сегодня рассмотрим еще один интересный нюанс, вносящий корректировку в конечную АЧХ — форма акустической системы.

На что влияет форма АС

Сама по себе форма колонки снаружи особого значения не имеет, важно то, что она определяет форму внутреннего объема АС. На низких частотах линейные размеры корпуса меньше длины волны звука, поэтому форма внутреннего объема значения не имеет.

А вот на средних частотах дифракционные эффекты вносят существенный вклад. Для упрощения далее подразумевается закрытая акустическая конструкция.

Под дифракционными эффектами подразумевается взаимное усиление и гашение отраженных и прямых звуковых волн внутри колонки.

На АЧХ колонок отрицательно сказываются острые углы, впадины и выступы. На них неравномерности звукового поля максимальны.

А вот скругления и разравнивания оказывают положительное влияние на форму АЧХ. Если быть более точным, то более округлые формы оказывают минимальное воздействие на линейность АЧХ.

Цилиндрические колонки АЧХ

Самые худшие результаты дает корпус в виде горизонтального цилиндра (рис. а )

Положение центра излучающей головки условно изображено точкой.

Неравномерность АЧХ колонки, показанной на рисунке а достигает 10 дБ на первом максимуме (~500Гц). Связанно это с тем, что длина волны сопоставима с линейными размерами корпуса. Следующие максимумы соответствуют удвоенной, утроенной и т.д. частотам.

Такая картина возникает из-за отражения между передней (с динамиком ) и задней стенок корпуса. Это приводит к возникновению интерференционной картины между ними. Конкретные частоты максимумов и минимумов зависят от реальных размеров колонки.

АС имеющая форму цилиндра, но с динамической головкой на боковой панели (рис. б ) имеет более равномерную АЧХ. Передняя панель в данном случае создает рассеянное поле во внутреннем объеме. Верхняя и нижняя стенки влияют мало, т.к. находятся не на одной оси с излучателем.

Круглая колонка и квадратная колонка

Корпус кубической формы (рис. в ) также создает сильно неравномерную АЧХ. В данном случае возникает близкая интерференционная картина.

Самое минимальное влияние на форму АЧХ оказывает сферическая акустика (рис. г ). В корпусе такой формы рассеяние звука происходит одинаково во всех направлениях.

Однако изготовление круглой колонки достаточно трудоемкий процесс. Хотя использование современных материалов, таких как пластмассы упрощает решение этой задачи.

Но все же пластик не самый лучший материал для корпуса высококачественной акустической системы.

Как улучшить звук некруглой колонки

Положительный результат дает использование мастик. Если нанести такие материалы в углы и стыки, это приведет к их скруглению. Благодаря этому АЧХ колонок станет линейнее.

Так же для улучшения АЧХ применяется демпфирование внутреннего объема поглощающими материалами. Они гасят лишние звуковые волны, поэтому возникает меньше переотражений.

Даже сферическая акустика, обладающая наилучшей АЧХ имеет спад в низкочастотной области. Наиболее эффективным решением этой проблемы может стать .

Материал подготовлен исключительно для сайта

Согласно «законсервированному» ГОСТу (16122-78), акустическая система любого типа характеризуется такими показателями, как чувствительность, диапазон воспроизводимых частот и неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в этом диапазоне. На что обращать внимание в первую очередь? И все ли можно поверить алгеброй?

Чувствительность измеряется при подведении к акустической системе синусоидального напряжения амплитудой 1 В некой частоты, при этом микрофон располагается на расстоянии 1 м. Тогда, измеряя развиваемое звуковое давление последовательно, шаг за шагом во всем слышимом диапазоне частот (по умолчанию 20–20000 Гц), получим АЧХ по чувствительности.

Диапазон воспроизводимых частот определяется на основе полученной АЧХ. Например, если в области низких частот глобальный спад начинается на 100 Гц, достигая на 60 Гц, скажем, –40 дБ, то нижняя граница рабочего диапазона находится исходя из некого спада, задаваемого правилами, принятыми в той или иной стране. Таким образом, в нашем примере нижняя граница злополучного диапазона может быть 80 Гц, а может 70 Гц, тут уж как правила потребуют.

Неравномерность АЧХ вычисляется подобно среднеквадратичному отклонению в математической статистике, то есть сначала оценивают среднее значение амплитуды в пределах частотного диапазона, а потом прикидывают болтанку кривой АЧХ вокруг полученного среднего. Чем больше неравномерность, тем хуже. В идеале АЧХ представляет собой прямую линию без наклона, однако в реальном мире ничего идеального не существует.

Использование АЧХ, измеренной по чувствительности, удобно для оценки неравномерности, но совершенно неприемлемо при сравнении акустических систем, имеющих разное электрическое сопротивление, которое, в свою очередь, зависит от частоты. Как следствие разного сопротивления, акустические системы потребляют разную мощность при подведении равного напряжения (соотношение между мощностью, сопротивлением, силой тока и напряжением можно найти в учебнике физики). Другими словами, среднее значение амплиутды «по чувствительности» для таких акустических систем будет, мягко говоря, «кто в лес, кто по дрова». Поэтому Международная электротехническая комиссия (МЭК) при измерении АЧХ требует подводить не напряжение, а электрическую мощность, равную 1 Вт. Излучать же акустическая система будет иную (звуковую) мощность, грубо говоря, в соответствии с «персональным» КПД на разных частотах.

Замечу, что понятие «заморской» чувствительности несколько отличается от доставшегося нам со времен СССР. Чувствительность «по-ихнему» измеряется в децибелах (дБ), а «наша» - в паскалях (Н/м2). Нетрудно пересчитать из нашей относительно стандартного нулевого уровня звукового давления (210–5 Па).

Отдельного упоминания требует оптимальность разрешения по частоте, или, упрощенно говоря, шага между измеренными точками АЧХ. Пыльные от времени узкоспециализированные измерители стандартно-гостированной АЧХ выполнены на аналоговой базе и проходят частотный диапазон со скоростью, увеличивающейся по мере роста частоты. Таким образом, получают зависимость от частоты, близкую к логарифмической. У «аналоговых» АЧХ разрешение на низких частотах хорошее, на высоких - плохое (там скорость пробегания слишком высока, чтобы регистратор успевал дотошно фиксировать амплитуду сигнала с микрофона). Скоростной график определяется утвержденными правилами, ну и динамическими возможностями аналоговой аппаратуры, конечно. Продвинутые АЧХ сегодня вычисляются посредством специальных звуковых анализаторов, в которых уживаются как высокоточная цифра, так и малошумный аналог. Высококачественные звуковые анализаторы, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, умопомрачительно дороги. Далеко не всякая российская фирма может себе позволить измерительный анализатор, выложив за него столько же, сколько за новехонькую иномарку. Для полноты картины упомяну цену измерительного микрофона с предусилителем (в комплект анализатора не входят): в две тысячи вечнозеленых еще уложиться надо. Зато хитроумная методология измерения позволяет в большинстве случаев обойтись без акустически заглушенной камеры, поскольку стоимость последней для измерения АЧХ акустических систем просто разорительна. Разрешение по частоте у таких анализаторов превосходит требуемое по действующим на сей момент правилам, впрочем, предусмотрена возможность варьирования, так сказать, в исследовательских целях. Кстати, частота изменяется линейно (!), что дает массу преимуществ, а затем анализатор пересчитывает накопленный массив в логарифмическую шкалу для отображения на стандартизованном графике.

При программной симуляции получения АЧХ на компьютере (с помощью звуковой карты) сигнал задающего генератора заменяется смоделированным в цифре сигналом. Как правило, используют скользящий тон (sweep tone), плавно пробегающий все звуковые частоты. В смоделированном сигнале частота звука возрастает практически идентично классическому измерителю АЧХ. Данный цифровой сигнал проигрывается в реальном времени (без пауз), а ЦАП аудиокарты выдает аналоговый сигнал, который поступает (через усилитель) на колонки; далее звук, излучаемый колонками, регистрируется через микрофон с предусилителем и записывается посредством АЦП той же звуковой карты. Ясно, что карта должна быть реально полнодуплексной, чтобы одновременно (на самом деле, с задержкой) озвучивать и записывать. Каждый преобразователь, усилитель и микрофон (а равно и помещение как акустический резонатор) имеет свою АЧХ, поэтому для получения корректной характеристики собственно колонок должны быть идеальными либо АЧХ всех преобразователей, либо все отклонения нужно учитывать. Записываемый в цифре сигнал тут же обрабатывается программой, которая может выдавать изменение во времени либо пиковой магнитуды, либо среднеквадратичной мощности записанного сигнала. А поскольку заранее известно, как изменяется частота в этом сигнале, то АЧХ вроде бы уже в кармане. Однако чтобы корректно определить и пиковую магнитуду, и среднеквадратичную мощность, надо задать интервал времени, в течение которого эти штуковины будут вычисляться. Задашь малый интервал - получишь АЧХ, близкую к реальной, но искаженную всякими нехорошими неровностями. Задашь большой интервал - получишь АЧХ, и близко не имеющую ничего общего с реальной, зато гладенькую, легко интерпретируемую даже чайником. Причем в случае фиксированного интервала наибольшая погрешность от причесывания-выравнивания будет выплывать по мере логарифмического роста частоты. Ясно, что для улучшения разрешения по частоте придется удлинять моделируемый сигнал, а это приведет к нарушению «гостированных» правил измерения АЧХ.

Есть еще одна тонкость. Любое физическое устройство обладает задержкой отклика во времени. В частности, диффузор динамика колонки не может мгновенно реагировать на возмущения. Чем больше масса диффузора и жестче его подвес, тем реакция потенциально хуже. Посмотрите «под лупой» на отклик микрофона во времени, например, на ударное воздействие, и вы увидите весьма непростой переходной процесс. Несмотря на отмеченные проблемы, программная симуляция позволяет вычислять АЧХ довольно близко к стандарту, но сейчас речь об ином. Похоже, стандартик-то устарел! Конечно, можно продолжать все лучше программно имитировать доисторические аппаратные измерители АЧХ, однако давайте зрить в корень. Увеличивая разрешение по частоте, получаешь четкое объяснение тому, над чем десятки лет ломали копья многочисленные интерпретаторы АЧХ.

Самое сложное и коварное кроется вот в чем. Как известно, невозможно в принципе точно определить частоту и время одновременно (так называемая неопределенность Гейзенберга). То есть, чтобы определить значение частоты, необходимо наблюдать сигнал в течение достаточного промежутка времени. Чем больше этот промежуток, тем точнее можно определить частоту, и наоборот. А так как в тестовом sweep-сигнале частота постоянно меняется, то погрешность будет тем меньше, чем медленнее нарастает частота. График изменения значения частоты известен точно, поскольку заложен в программную процедуру генерирования тестового сигнала или звукового файла. Последнее дезориентирует. Частоты в регистрируемом микрофоном сигнале поплывут относительно смоделированного и озвученного сигнала из-за многочисленных промежуточных преобразований. Так что опять приходим к необходимости замедления изменения частоты в sweep-сигнале.

Вместо тестового сигнала скользящего тона частенько используют белый шум. И для динамиков безопаснее, и с точки зрения обработки проще. Но… Тут опять есть свои «но». Для разложения зарегистрированного сигнала в спектр применяется процедура быстрого преобразования Фурье (FFT). Чтобы минимизировать погрешности случайной природы, приходится проводить усреднение результатов FFT, получаемых в разные моменты времени. Чем больше спектров усредняется, тем меньше погрешность вычисления АЧХ. Чтобы улучшить разрешение по частоте, увеличивают длину временного окна для FFT, то есть увеличивают объем выборки. В стремлении получить высокое разрешение на низких частотах объем выборки задирают за 65536. Однако на низких частотах динамики озвучивают составляющие белого шума с заниженной акустической мощностью. А это приводит к неправдоподобным завалам на низах у такой АЧХ.

Наконец, АЧХ можно получить, генерируя дельта-импульс и вычисляя модуль комплексного FFT от регистрируемой передаточной функции. Тут придется подбирать интервал повторения импульса, чтобы усреднением спектров минимизировать погрешности. По ряду причин этот метод больше подходит для АЦП, нежели для акустических систем.

Нетрудно догадаться, что три перечисленные выше характеристики представляют собой стационарные оценки, то есть не учитывают динамику акустической системы. «Вот где собака порылась!» Эксперты (как талантливые самоучки, так и заносчивые снобы, вылупившиеся из богатеньких меломанов) сплошь и рядом пытаются однозначно интерпретировать зигзаги АЧХ, подглядывая в чужие шпаргалки и руководствуясь собственными слуховыми ощущениями. Интерпретация - занятие неблагодарное, поскольку АЧХ двух акустических систем могут походить друг на друга как близнецы-братья, а звучать эти системы будут по-разному. И не факт, что одинаково звучащие колонки во всех случаях будут иметь АЧХ как две капли воды. Увы, строгой однозначности здесь нет. Тогда получается, измеряемые АЧХ никому не нужны и ничегошеньки не говорят? Нет, это не так. Просто следует помнить, что стандартная АЧХ - всего лишь условное упрощенное отражение реальности (в своем роде срез грубого слепка), хотя и выполненное строго по неким правилам, замечу, тоже условным. Иногда близость полученной АЧХ к АЧХ истинной очень хорошая, а иногда, увы, очень плохая. Зарубим себе на носу: хотя АЧХ и есть результат объективных оценок-измерений, но ее трактовка - дело субъективное. Типа «закон, что дышло. Куда повернул, туда и вышло». Другими словами, график гостированной АЧХ сродни сообщениям об ошибках, выдаваемых нынешней Windows: ложное сообщение или нет, полная дурь или случайная смесь правды и кривды, определить может только опытный специалист.

Сами производители акустических систем втихаря используют динамические характеристики (например, основанные на wavelet-преобразовании), чтобы разобраться и понять, что и как улучшать в своих колонках. Покупателям же показывают по старинке лишь характеристики стационарные, то бишь замороженные во времени. Причем зачастую очень грамотно облагороженные и причесанные, чтоб у людей, непосвященных в тайны конкретных колонок, лишних вопросов не возникало.

Что касается активных акустических систем, то в отличие от пассивных, задачка усложняется, так как к динамике (поведению во времени) колонок добавляется динамика встроенного усилителя. А у последнего, как и у любого неизмерительного усилителя, коэффициент нелинейных искажений разный на разных частотах и уровнях мощности.

Измерение АЧХ акустических систем в домашних условиях.

Акустика для тестирования:
Напольные Tannoy Turnberry GR LE ,
АС центрального канала Tannoy Revolution XT Center ,
Полочные АС Canton Vento 830.2 ,
Настенные АС Canton Ergo 610 .


Размещение микрофона.






Блок схема подключения для измерения амплитудно частотной характеристики (АЧХ).


Для измерения использовались следующие устройства:
1. Измерительный микрофон Behringer ECM8000
2. Внешняя звуковая карта Tascam US-4x4
3. ПК Acer V5-572G, DELL INSPIRON 5010
4. Балансный кабель XLR-XLR (5м)
5. Два кабеля Inakusik Premium MiniJack - 2 RCA и MiniJack-MiniJack с адаптером 6.3мм (для калибровки звуковой карты)
6. ПО Room EQ Wizard 5.19 (REW).
АВ ресивер Yamaha RX-A3060 включен в режим Pure Direct.
Все акустические системы для исходных измерений по очереди подключались к клеммам вывода фронтальных каналов.
Перед началом измерений необходимо произвести калибровочные измерения звуковой карты. Для этого соединяются выход со звуковой карты ПК и вход Jack внешней звуковой карты.
Для калибровки уровня понадобится также шумомер, однако наши измерения производились с относительной привязкой к уровню, так как весь комплекс измерений проводился с целью дальнейшей корректировки АЧХ параметрическим эквалайзером ресивера и требовалось получить данные о ее неравномерности.
Для более точных измерений желательно также провести калибровку микрофона в специальной лаборатории или использовать микрофон, который уже поставляется с калибровочным файлом. Для используемых моделей на базе Behringer ECM8000 отклонения АЧХ составляют крайне малые величины особенно в области низких и средних частот.
Исходные измерения (без привязки уровня).
Режим Pure Direct.
Характеристика звуковой карты ПК Acer Aspire V5-572. АЧХ акустической системы центрального канала Tannoy Revolution XT Center.

АЧХ фронтальных систем Tannoy Turnberry GR LE в ближнем поле.



АЧХ каналов Surround Canton Vento 830.2 в ближнем поле (сглаживание 1/12 и 1/6).



АЧХ фронтальных каналов присутствия и тыловых каналов присутствия, Canton Ergo 610.

Другие прикладные измерения.
Canton Vento 830.2. Открытый и закрытый порт фазоинвертора. Влияние сеток в ближнем поле.



Влияние металлических сеток в Canton Ergo 610 и массивных матерчатых сеток в Tannoy Turnberry GR LE (на расстоянии 20см и 1 метр).



АЧХ Tannoy Turnberry GR LE (левый и правый канал). Изменение АЧХ в точке прослушивания при переключении ВЧ регулятора (+3дБ) на колонках.