Измерение характеристик акустических систем | rush-speakers

В обзоре «НАШИ АС ИЗНУТРИ» была затронута частично тема технических характеристик АС. Какие измеряемые характеристики АС существуют, и степень их важности затронуты вкратце в том же обзоре. В этой статье я постараюсь более подробно  остановиться на процессе измерений, его тонкостях и нюансах.

Причиной написания данного материала послужил с одной стороны интерес к звучанию наших АС, с другой – споры и некоторые разногласия аудио-энтузиастов по поводу того какие характеристики жизненно важные для звучания а какие второстепенны, и как должны выглядеть характеристики АС для обеспечения хорошего звучания. Как показывает практика – просто «выложить» результаты измерений не достаточно для выводов о реальном звучании АС. Поэтому их необходимо сопровождать описанием условий и методов, с помощью которых они проводились, так как это существенно влияет на результаты измерений.

Честно говоря,  я противник оценки качества звучания по характеристикам и графикам, и не вижу альтернативы живому прослушиванию. Но всё же, попробую изложить основные приёмы и методы измерений которыми мы пользуемся при настройке наших АС.

Итак – тональный баланс, как важнейший критерий качества звучания АС.

В графическом представлении его выражает АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) – зависимость звукового давления АС от частоты. В «идеале» тон любой высоты АС воспроизводит с одинаковой громкостью. Так ведёт себя «идеальная» АС при измерениях в «идеальных» условиях. На самом деле измерить достоверно АЧХ  АС не имея «идеальных» условий, т.е. «безэховой камеры» трудно, но можно. Сложность в том, что разные методы и разные условия измерений накладывают свой отпечаток на результаты, т.е. измерения одних и тех же АС в разных условиях или разными методами дают разную АЧХ. Вина тому – отражения звуковых волн в помещении, где проводятся измерения. А так как АЧХ отражённых сигналов сильно изменяется и регистрируется измерительным микрофоном с наложением на полезный прямой сигнал, получаемые результаты это АЧХ не только АС, а характеристика АС в определённых акустических условиях. Полагаю, нет надобности повторяться, почему настройка АС под конкретные акустические условия опираясь лишь на результаты измерений – ошибка. Задача измерений – найти максимально точно поведение АЧХ именно АС среди мешающих отражений.

Существует несколько автоматизированных методов измерений АЧХ.

Вкратце об их преимуществах и недостатках:

1. Измерения с помощью «свип-тона». На АС подаётся сигнал синусоидальной формы постоянной амплитуды, который плавно «скользит» или ступенчато изменяется по частоте, микрофон регистрирует максимальный уровень звукового давления в каждой частотной области. Метод прост в использовании, недостатком является трудно-понятная АЧХ состоящая из серии пиков-провалов очень большой амплитуды до 10-15 дБ. Обеспечивает нестабильный результат, сильно зависящий от условий измерений, положения АС и микрофона. Дальнейшая «пост-обработка» результатов измерений с помощью различных алгоритмов сглаживания не дают точного представления об АЧХ, а лишь «прилизывают» неравномерность в разной степени.
2. Измерения с помощью шумового сигнала, «розовый шум». Этот тип сигнала характеризуется равной мощностью в любой частотной области (например, в диапазонах равных 1 октаве: 50-100Гц, 500-1000Гц, 5-10кГц мощность сигнала одинакова). Поэтому он наиболее подходящий из всех видов шумовых сигналов. Шумовой сигнал подаётся на АС и охватывает либо весь диапазон, либо выборочно какую-то область. Так как шумовой сигнал – это набор случайных импульсов непрерывно меняющихся во времени, микрофон регистрирует средний уровень, усреднение происходит на протяжении всего времени измерений.  Таким образом, удаётся частично, но не полностью компенсировать влияние отражённых звуковых волн.

Очевидно, что оба этих метода не дают полностью достоверную картину измерений. Поэтому, для повышения точности измерений используются дополнительные меры. Используя 2-й метод как более гибкий, измерения проводятся не в одной точке – микрофон непрерывно с равными интервалами перемещается наподобие маятника относительно АС в горизонтальной плоскости.

Это известный метод «качающегося микрофона». Вся прелесть его в том, что он позволяет ещё более нивелировать перепады звукового давления вследствие отражений. Также учитывается не только осевая АЧХ, но захватываются частично и боковые АЧХ, что также важно для оценки диаграммы направленности. Существует ещё ряд мер для уточнения результатов, о них дальше на примерах измерений АЧХ.

Так как «одним махом» получить достоверно АЧХ во всём диапазоне сразу не возможно, далее привожу поэтапно измерения на примере полочной модели «

AS-2S»

Этап 1. Измерения АЧХ в дальней зоне.

АС и микрофон расположены максимально далеко от стен для минимизации их влияния в средне-высокочастотном диапазоне. Расстояние от АС до микрофона 1.5м.:

Первое что бросается в глаза, глядя на измерения –  сильно заниженный уровень НЧ примерно до 300-400 Гц. и общая его неравномерность в этом диапазоне. Причина – расположение АС и микрофона практически в центре помещения, уровень отдачи на НЧ при таком расположении минимален. Неравномерность в низкочастотной области есть всегда и с этим нужно смириться, она в разной степени себя проявляет серией пиков-провалов в зависимости от расположения АС и микрофона, площади, высоты помещения, его конфигурации, акустических условий (мебель и т.п.). Есть некоторые зависимости поведения АЧХ на низких частотах. Например – хорошо заметный провал АЧХ в районе 200 Гц, который повторяется в разных точках одного помещения. Это взаимодействие АС с высотой помещения, точнее – высоты установки НЧ излучателя относительно пола и потолка. В данном случае высота НЧ-динамика от пола 85 см., высота потолка 2.6 м. У напольных АС, с расположением НЧ-излучателей невысоко от пола провал меньше заметен, но общая отдача на низких частотах также должна быть заниженной при таком расположении АС.

Поэтому судить об АЧХ АС на низких частотах по измерениям в дальней зоне сложно, нужно знать точное поведение АЧХ  в конкретных условиях и учитывать поправки на эти условия. С достаточной точностью измерения отражают АЧХ на средних и высоких частотах – примерно от 300-400 Гц и выше по диапазону. Поведение частотной характеристики – это плавная кивая, условно протянутая сквозь «змейку»  спадов и подъёмов на характеристике. Интересен в первую очередь именно характер поведения, который отражает эта кривая, на характеристике он показан пунктирной линией. В процессе измерений «змейка» непрерывно «пляшет» вокруг этой средней линии, задача измерений состоит в определении хода АЧХ – поведения именно этой усреднённой линии, на которую «нанизаны» мелкие отклонения АЧХ. Средняя линия не должна иметь глобальных наклонов и перегибов а также пиков и провалов шире 1/3 октавы.

Небольшой подъём на характеристике от 300 Гц до 2-2.5 кГц при измерениях одиночной АС нужен, так как при работе в паре, наклон общей АЧХ выравнивается. Если этого не учесть, АЧХ пары АС будет иметь обратный уклон.

Общий уровень ВЧ при измерениях сильно зависит от расстояния АС-микрофон. Если следовать общим правилам измерений с расстояния 1 м. от АС по оси ВЧ излучателя, можно руководствоваться тем, что ВЧ при этом должны быть вровень с СЧ. На самом деле рекомендации выдерживать расстояние в 1м. от АС и располагать микрофон строго по оси ВЧ динамика при измерениях не всегда оправдываются. Дело в том что измеряемая АЧХ интересна не только в одной конкретной точке и на определённом расстоянии. Её поведение зависит от многих факторов: взаимное расположение излучателей, их размер, рабочий частотный диапазон, форма и размеры самой АС. Например, АС с несколькими излучателями на СЧ будет иметь разные АЧХ на расстоянии 1м. и 1.5-2м. То же касается и АС с большими излучателями НЧ-СЧ. Поэтому, для сравнительно близкой зоны прослушивания (1м. и меньше) такие АС не годятся, и АЧХ в таком случае разумно измерять на большем расстоянии, которое соответствует их рабочей зоне. При этом следует делать поправку на спад ВЧ с увеличением расстояния от АС, т.е. измерения например с 1.5 м. должны показывать спад ВЧ на 2-2.5 дБ, с расстояния 2 м – 3-4 дБ.

Этап 2. Измерения в дальней зоне.

 Измерительный микрофон и АС расположены недалеко от стен.

По этим измерениям уже можно судить о реальном уровне отдачи АС на низких частотах. Но не о реальной частотной характеристике внутри НЧ диапазона, о ней на следующем этапе. Пунктирной линией на АЧХ примерно от 30 Гц до 200 Гц обозначен средний уровень отдачи на низких частотах, от 300 Гц до 2 кГц средний уровень СЧ. Задача этого этапа измерений в определении баланса НЧ-СЧ. Как видно, АЧХ на СЧ и особенно ВЧ  имеет несколько другой характер в сравнении с предыдущими измерениями. Связано это с влиянием отражений от ближайших поверхностей стен.

Фиолетовым и жёлтым – частотные характеристики АС в одних и тех-же условиях, за исключением того что жёлтая АЧХ измерена с закрытым портом резонатора (об этом чуть позже).  Кстати, видимые отличия АЧХ в СЧ-ВЧ диапазоне на том же графике – результат колебаний АЧХ во время измерений, о которых упоминалось выше. Т.е. «рисунок» характеристик отличается в разные моменты времени, но поведение АЧХ, её характер чётко прослеживаются.

Этап 3. Измерения АЧХ низкочастотной области в ближней зоне.

Микрофон практически вплотную к диффузору НЧ- динамика. Порт фазоинвертора (ФИ)закрыт.

Чтобы получить реальную АЧХ всей АС в низкочастотной области, с учётом действия фазоинвертора, нужно проделать несложные действия. Вернёмся для этого к предыдущим измерениям в дальней зоне:

Это фрагмент из предыдущих измерений в диапазоне 20 Гц…500 Гц, пунктиром обозначен средний уровень отдачи НЧ. Величина «а» в децибелах между двумя измерениями – это уровень отдачи фазоинвертора. Добавив эту величину «а» в каждой частотной области к измерениям в ближней зоне, получим реальную АЧХ работы всей АС на низких частотах (белая сплошная линия):

В данном случае фазоинвертор «подхватывает» работу НЧ-динамика начиная примерно от 150 Гц и «продлевает» ровный участок АЧХ в сторону низких частот, добавляя примерно 5 дБ на частоте своей настройки (45 Гц). Пунктиром обозначен средний уровень НЧ.

Таким образом мы провели серию необходимых измерений, дающих представление о реальной АЧХ акустической системы. При желании их можно совместить и увидеть АЧХ АС во всём диапазоне:

Зелёным цветом – характеристика измерений в дальней зоне (этап 1), фиолетовым и жёлтым – этап 2, белым – этап 3.

Совмещение характеристик дальней и ближней зон выполняется по среднему уровню отдачи НЧ (пунктирная линия). Таким образом, результирующая АЧХ – это кривая, проходящая от начала частотной шкалы и до 300-500 Гц по контуру ближних замеров (белая кривая), далее от 300-500 Гц и до конца частотной шкалы по контуру дальних замеров (зелёная кривая). Отбросив лишнее, результирующая АЧХ будет выглядеть следующим образом:

---

Несколько слов в заключение.

Для измерений необходимо использовать шумомер или отдельный микрофон с линейной АЧХ, либо если она имеет отклонения, обязательно учитывать это соответствующими поправками. Большинство программных спектро-анализаторов позволяют вносить корректирующую АЧХ измерителя (mic. calibration correction). Я использую спектро-анализатор TrueRTA, измеритель звукового давления Center 325 совместно с таблицей поправок АЧХ именно к этой модели шумомера, которая учитывает собственную неравномерность АЧХ микрофона и взвешивающего фильтра «С» (у данной модели отсутствует линейная шкала измерений). Это позволяет достоверно измерять АЧХ во всём диапазоне.

На приведённом выше примере – полочная 2-полосная АС фазоинверсного типа.  Измерения АЧХ в дальней зоне на НЧ  акустических систем закрытого типа ограничиваются одним замером, так как не нужно отдельно учитывать работу резонатора.

Для напольных АС с отдельным НЧ-излучателем зона стыковки с соседней СЧ-полосой может попасть в зону провала АЧХ на низких частотах (см. этап 1).  Это несколько усложняет задачу измерений и настройки. Нужно держать «в уме» точную характеристику поведения «комнатной» АЧХ в конкретных условиях и делать на неё поправку в процессе измерений и настройки.

Некоторые спектро-анализаторы позволяют внести неравномерность АЧХ акустических условий (room curve correction) в виде корректирующей таблицы, «комнатной АЧХ» и учитывать её автоматически при измерениях. Но не нужно забывать, что эта таблица соответствует конкретному размещению АС и микрофона в конкретных акустических условиях, и даже при незначительных изменениях этих условий придётся заново создавать корректирующую таблицу.

Метод измерений АЧХ на открытом воздухе вне помещения позволяет избежать влияния отражений, что может показаться упрощением задачи, но он имеет свои неудобства. Измерения в дальнем поле достоверны только в СЧ-ВЧ области. А так как НЧ почти отсутствуют в таких условиях, невозможно оценить общий баланс АЧХ без НЧ.

Отдельные измерения в дальнем поле (этап 2) можно исключить, совместив его с измерениями этапа 1. Но для этого нужно точно знать и учитывать поведение АЧХ на низких частотах в конкретных акустических условиях. Например, определив его по измерениям настроенных АС.

Баланс НЧ и СЧ достаточно «скользкий» момент при настройке АС, одних только измерений недостаточно. К тому же разное положение микрофона и АС меняет картину АЧХ, поэтому необходимо также контролировать балансировку «на слух». Например, на вышеприведённом графике АЧХ может показаться завышенной область НЧ в диапазоне 80-160 Гц с пиком на 125 Гц. Поэтому для более точного определения баланса НЧ-СЧ следует проводить тестовое прослушивание. Если отдача баса действительно завышена,  на слух это проявляется «утяжелением» звучания. При ещё большем избытке баса, могут проявляться мешающие «гудящие» или «урчащие» призвуки. Недостаток НЧ на слух проявляется как упрощённое звучание, уменьшение масштаба, страдает «фундамент» звучания.

Нужно также учитывать важность расстановки АС и слушателей в конкретных акустических условиях, так как они сильно влияют на звучание баса и баланса его с остальным диапазоном. Так как тема обустройства комнаты для прослушивания музыки или просмотра фильмов очень обширна, она заслуживает отдельного внимания. Надеюсь, изложенная информация по теме измерений АЧХ станет вам полезна, а некоторые практические советы по обустройству помещения постараюсь изложить в отдельном обзоре.

АЧХ акустических систем. Описание методов вычисления и интерпретации — Ferra.ru

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.

Сколько способов мы можем измерить частотную характеристику?

Программное обеспечение APx500 предоставляет множество способов измерения частотной характеристики или способности аудиоустройства воспроизводить аудиосигналы в интересующем диапазоне частот. Если бы вам нужно было квалифицировать аудиоустройство с помощью одного измерения, этим измерением, скорее всего, была бы частотная характеристика. Поскольку это такой фундаментальный показатель, наше программное обеспечение предоставляет множество способов измерения частотной характеристики.

Ниже перечислены не менее 10 способов измерения частотной характеристики с кратким описанием того, почему каждый из них может использоваться:

1. 1. Частотная характеристика
2. 2. Непрерывная развертка
3. 3. Акустический ответ
4. 4. Производственные испытания громкоговорителей
5. 5. Ступенчатая развертка частоты
6. 6. Развертка полосы пропускания
7. 7. Многоцветный
8. 8. Передаточная функция — сигнал белого шума
9. 9. Передаточная функция – Речевой сигнал
10. 10. Анализатор сигналов (БПФ) – белый шум

На этом графике показана частотная характеристика драйвера наушников, измеренная с использованием каждого из следующих методов:

Рис. 1: Частотная характеристика в программном обеспечении APx500

Первые четыре метода используют один и тот же метод обработки сигнала. Частотная характеристика , Непрерывная развертка , Акустическая характеристика и Производственный тест громкоговорителя основаны на методе экспоненциальной синусоидальной развертки или ЛЧМ, впервые предложенной Анджело Фариной в 2000 году.

9 0033 Частотная характеристика обеспечивает простейшую управление и простейшие результаты. Если вы просто хотите быстро найти частотную характеристику устройства, то это измерение для вас. Поскольку он основан на нашем сигнале щебета, он исключительно быстр и дает результаты всего за доли секунды. Однако он обеспечивает только частотную характеристику.

Непрерывная развертка не ограничивается частотной характеристикой. В дополнение к результатам, предоставляемым частотной характеристикой, он добавляет фазовую характеристику, различные способы наблюдения за искажениями, возможность просмотра импульсной характеристики тестируемого устройства и, что уникально для Audio Precision, мы также можем найти перекрестные помехи устройства как функция частоты.

Непрерывная развертка обеспечивает все эти результаты для очень быстрого стимулирующего сигнала щебета

Акустического отклика и Производственный тест громкоговорителей основывается на непрерывном сканировании, добавляя функции и результаты, полезные в ситуациях, когда измеряются акустические преобразователи, динамики или микрофоны. Во-первых, как акустическая характеристика, так и производственные испытания громкоговорителей позволяют применить временное окно или строб к импульсной характеристике. Это можно использовать для исключения акустических отражений, возникающих при проведении измерений в безэховом пространстве. Кроме того, они добавляют результаты Rub и Buzz, характерные для электродинамических динамиков.

Производственный тест громкоговорителя дополнительно оптимизирован за счет добавления возможности измерять не только частотную характеристику, искажения, фазовую характеристику, импульсную характеристику, а также шум и шум динамика, но также добавляет характеристику импеданса и параметры Тиле-Смолла динамик, снова используя стимулирующий сигнал щебета.

Ступенчатая развертка частоты , пожалуй, самый классический способ найти частотную характеристику устройства. Синусоидальная волна генерируется и перемещается от одной точки частоты к другой. В программном обеспечении APx500 это измерение может возвращать частотную характеристику, THD+N (искажения и шум), THD (только искажения) и фазовую характеристику устройства. По сравнению с измерениями, использующими чирп, ступенчатая развертка довольно медленная. Однако они являются единственным решением для измерения искажений и шума в зависимости от частоты. Кроме того, ступенчатая развертка по частоте — это просто

де-факто является стандартом для многих устройств, и для целей сравнения часто требуется использовать это измерение.

Развертка полосы пропускания также представляет собой измерение ступенчатой ​​развертки по синусоиде, однако в этом контексте измерения можно использовать фильтр с потенциально высокой избирательностью для отслеживания основного сигнала стимула. Это может быть особенно полезно при измерении акустических устройств. Измерение ступенчатой ​​развертки частоты выполняет измерение широкополосного или нефильтрованного отклика. Шум и искажения включены в результат. Развертка полосы пропускания, особенно при использовании самого избирательного режима, «ширины окна», может исключить эти несвязанные сигналы.

Многотональный анализатор использует множество тонов, но вместо дискретного перехода от одного тона к другому он воспроизводит все тона одновременно. Мультитон звучит как орган, на котором кто-то одновременно держит все клавиши. Преимущества многотонального сигнала заключаются в том, что он может быть очень быстрым, как измерение на основе ЛЧМ, но в то же время он также может измерять шум и другие негармонически коррелированные сигналы, такие как ступенчатая развертка частоты. Недостатки мультитона заключаются в том, что пик-фактор намного выше, чем у чистой синусоидальной волны, и что результат шума, TD+N (общие искажения и шум), не совпадает с THD+N (общие гармонические искажения и шум), потому что он включает продукты гармонических искажений и интермодуляционных искажений.

Это делает нетривиальным сравнение результатов TD+N и THD+N.

Передаточная функция предоставляет очень интересную альтернативу для измерения частотной характеристики устройства. Все ранее описанные измерения основаны на использовании синусоидального стимула. Это может быть проблемой, поскольку многие современные устройства связи, такие как мобильные телефоны, включают алгоритмы адаптивной обработки сигналов, которые пытаются подавлять синусоидальные волны и другие сигналы, не являющиеся речью. Это делает поиск частотной характеристики мобильного телефона или микрофона, встроенного в умный динамик, в лучшем случае вводящим в заблуждение, а в худшем — бесполезным. Передаточная функция работает, находя корреляцию между сигналом источника или стимула и ответным сигналом. Сигналы могут быть совершенно произвольными. Единственное требование к передаточной функции состоит в том, что сигнал стимула должен иметь энергию в интересующем диапазоне частот. Широкополосный шум — отличный сигнал для тестирования, но с большей пользой можно использовать записи реальной человеческой речи.

При использовании речевых сигналов важно осознавать, что реальная человеческая речь обычно не содержит большого количества энергии ниже 100 Гц или выше 4–10 кГц. Кроме того, вы обычно должны усреднить многосекундную речь, чтобы сделать полезное измерение.

Анализатор сигналов обычно не предназначен для измерения частотной характеристики, но его можно использовать и для этого. Если вы воспроизводите сигнал белого шума (равная энергия на частоту), вы можете прочитать частотную характеристику непосредственно из спектра БПФ. Это может потребовать большого усреднения, но устройство с плоской частотной характеристикой будет иметь плоский спектр.

Со всеми описанными выше измерениями, вот несколько заключительных моментов, о которых следует помнить при измерении частотной характеристики:

По разрешению – вышеуказанные методики измерения также разбиваются по линии разрешения. Все измерения на основе щебета и функция передачи обеспечивают очень высокое разрешение измерений, при этом тысячи точек измерения возвращаются за относительно короткое время измерения. Ступенчатая развертка частоты и Multitone практически не могут обеспечить более 100 или около того точек измерения.

По помехозащищенности – Измерения на основе ЛЧМ, многотональный сигнал и полосовая развертка по частоте обеспечивают высокую устойчивость к некоррелированному шуму. Это может быть очень полезно, например, при измерении динамиков в далеко не идеальной акустической среде. Ступенчатая развертка частоты, передаточная функция и анализатор сигналов не исключают шум из измерения, и результаты могут быть искажены наличием шума окружающей среды, особенно при проведении акустических измерений.

Скорость измерения — Для нахождения только частотной характеристики типичного устройства, скорее всего, нет метода быстрее, чем щебет, воплощенный в частотной характеристике, акустической характеристике, непрерывной развертке и тесте производства громкоговорителя. Мультитон — второй по скорости метод, который должен быть всего на 100 миллисекунд или около того медленнее, чем чириканье. Ступенчатая развертка частоты, полосовая развертка частоты, передаточная функция и анализатор сигналов будут самыми медленными методами измерения.

 

Измерения громкоговорителей Стандарт: осевая частотная характеристика

1. Главная
2. Исследования АВ
3. Конструкция громкоговорителя
Стандарт измерения громкоговорителей
4. : наша процедура объективного анализа характеристик громкоговорителей
5. Стандарт измерений громкоговорителей: осевая частотная характеристика

Джоэл Фауст — 21 апреля 2013 г.

На оси Частотная характеристика является отправной точкой для измерения громкоговорителей, потому что она описывает первоначальный звук, который достигает уха слушателя из громкоговоритель. Хотя этот ответ самый показательный фактор в определении того, как звучит громкоговоритель, это только часть сложной звуковой картины, воспринимаемой слушателем. Другая часть слуховой сцены построен на взаимодействии громкоговорителя с помещением, которое воспроизводится. Громкоговорители излучают звук в комнату в различных трехмерных узорах, которые обычно различаются резко зависит от частоты. Это вызывает ряд взаимодействий, воспроизводимых только, среди прочего, вещи, сочетание расположения громкоговорителей, особенности прослушивания среды и точно расположенного слушателя. Уникальный слух слушателя получает шквал акустической информации, которая затем преобразуется в сигналы, передаваемые к мозгу. Мозг представляет собой сложную систему обработки сигналов, которая более или менее решает, как слушатель воспринимает полученные сигналы. Понимание того, как мозг обрабатывает звук является предметом постоянных исследований и содержит ключи к достижениям в области акустики.

Частотную характеристику громкоговорителя можно получить, предварительно измерив импульсивный ответ. Импульсный отклик, теоретически представляет собой выход громкоговорителя при подаче импульса сигнал, который длится в течение бесконечно короткого промежутка времени. Поскольку есть некоторые очевидные проблемы с генерации такого сигнала, его можно аппроксимировать, используя максимальную длину последовательность (MLS), состоящая из псевдослучайных импульсов. Круговая взаимная корреляция входа MLS с выходом громкоговорителя дает хорошее приближение к системе импульсивный ответ. Предполагая громкоговоритель представляет собой линейную инвариантную во времени (LTI) систему, импульс во временной области response характеризует частотную характеристику громкоговорителя через свойства преобразования Фурье. Поскольку все это делается с использованием цифровых сигналов, вычислительная эффективный алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) применяется для получения Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) импульсной характеристики. Для заинтересованного читателя, проверьте Массачусетского технологического института крутой галстук с курсом Алана Оппенгейма по обработке сигналов с дискретным временем (MIT Open Course Ware — Дискретная обработка сигналов).

Образец частотной характеристики по оси

Измерения частотной характеристики по оси проводятся с 2,83 VRMS. сигнал возбуждения на расстоянии, определяемом правильным суммированием всех драйверов в система. Это расстояние определяется путем последовательного проведения описанного ниже измерения с оконным режимом, начиная с 3-кратный наибольший размер источника и уменьшение измерения расстояние в шагах до одного шага до того, как отклонения отклика станут очевидными. Отклик SPL для всех измерений будет масштабируется до 1 метра математически.

Безэховая камера — предоставлено Microsoft

Точно измерение импульсной характеристики громкоговорителя — нетривиальная задача. Сложность заключается в том, что измерения должны проводиться в реальном пространстве, и это пространство оказывает определенное влияние на измерении. Один из многих полезным местом для проведения измерений громкоговорителей является безэховая камера. Безэховые камеры представляют собой большие помещения с очень толстый звукопоглощающий материал на всех поверхностях и обеспечивает хорошую оценку измерения в свободном пространстве вплоть до частоты среза, характерной для камеры. Безэховые камеры могут быть откалиброваны для измерять громкоговорители на частотах ниже частоты среза, что позволяет полностью измерения акустического спектра. К сожалению, они очень дороги строить. Простые смертные остаются измерять громкоговорители, использующие квазибезэховые методы, которые предназначены для приближения методы безэховых измерений.

Для измерения, сделанные в комнате, метод обработки сигнала, называемый оконным применяется только для использования той части измеренной импульсной характеристики, которая содержит данные до первого отражения звука от ближайшей поверхности (обычно потолок или пол). Вычисление длины свободного пробега отражения и деление на скорость звука определяет время отражения.

Определяется длина свободного пробега отражения следующим уравнением:

Например, динамик на высоте 1,14 метра над землей с расстоянием до микрофона 1 метр дает длину свободного пути отражения примерно 1,49метров. Количество время до прихода первого отражения просто рассчитывается путем деления длина свободного пробега отражения по скорости звука. Это означает, что в этом примере мы можем использовать 4,3 мс импульсной характеристики или частоты до 230 Гц, учитывая скорость звука 344 м/с. Окно с длиной, равной времени стробирования, применяется к импульсной характеристике. Этот закрытый Ответ означает, что измерение, сделанное на расстоянии 1 метра, действительно только для частоты 230 Гц. до 20 кГц+. Аналогично Принцип неопределенности Гейзенберга, большая точность во временном окне дает меньшая точность частотной характеристики. Это означает, что при времени окна 4,3 мс частота разрешение составляет 230 Гц, что дает небольшое количество точек данных для низких частоты. Программное обеспечение интерполирует отсутствующие точки данных, но результаты потенциально могут пропустить важную дисперсию в низкочастотные данные.

Диаграмма расстояний микрофона

Есть несколько методов, используемых для получения низкочастотных данных. Первый обсуждаемый метод — это наземная плоскость. измерение. Этот метод измерения предполагает расположение громкоговорителя таким образом, чтобы основная акустическая ось громкоговоритель обращен к микрофону, расположенному на земле в большом открытом пространстве (обычно на открытом воздухе). Для одного баса динамик, громкоговоритель можно просто наклонить вертикально, чтобы выровнять измерительный микрофон на земле. В В случае громкоговорителя с несколькими басовыми драйверами линия драйверов должна быть параллельно плоскости земли с конусами, наклоненными непосредственно к измерению микрофон с высокочастотным драйвером, измеряемым непосредственно на оси с микрофоном.

Степень наклона приравнивается следующим образом:

Высота центральной оси динамика обычно равна высоте центра конус от земли. микрофон расстояние — это расстояние по земле от микрофона до акустического центр перегородки.

С измерительный микрофон примерно совпадает с землей, измерение равномерно включает отраженный от земли сигнал, называемый виртуальным изображение. Этот метод измерения обычно приводит к увеличению погрешности. увеличение частоты. Наземная плоскость измерения могут быть проведены для получения низкочастотных данных для подтверждения после техники ближнего поля или когда другие техники нецелесообразны.

второй метод, который можно использовать для получения низкочастотных данных для большинства громкоговорителей, это метод измерения ближнего поля. Этот метод включает измерение каждого минимума частотный элемент с кончиком микрофона очень близко к динамику. Это включает в себя измерение басовых драйверов, пассивных радиаторы и порты.

Моделирование шага перегородки

Для ближнего поля измерениях моделируется перегородка системы и ступенчатая дифракция перегородки. моделирование проводится для аппроксимации эффектов ступенчатой ​​​​дифракции перегородки. Длина волны звука зависит от частота с более высокими частотами, имеющими более короткие длины волн. Это означает, что высокие частоты отражаются перегородки, в то время как низкие частоты имеют тенденцию излучаться сферически хорошо выходит за пределы ширины перегородки. Как длина волны увеличивается (частота уменьшается) и достигает ширины перегородки, краевые дифракционные эффекты корпуса громкоговорителя становятся важными рассмотрение. Если переход от от полусферического (2*pi) до сферического (4*pi) излучения существенно ниже частоты окна, смоделированная ступенчатая дифракция на перегородке будет объединена с данные об отклике в ближнем поле. Смоделированный ступенчатая дифракция перегородки учитывает различное выравнивание драйвера, формы перегородки и краевые профили.

 

Перегородка Ступенчатая дифракционная характеристика

Для измерения ближнего поля, для каждого из них используются одни и те же настройки усиления микрофона. измерение. Если драйвер или порт расположенный сзади или сбоку громкоговорителя, уровень звукового давления настраивается в соответствии с разница в расстоянии от опорной плоскости. Уровень соответствовал измерениям ближнего поля и ступенчатая дифракционная модель комбинируется, создавая единую амплитудную характеристику включая комбинированную фазу и с учетом площади излучения диафрагмы.