Измерение характеристик акустических систем

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.:freq_far1

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.freq_far2

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.freq_near1

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:freq_far3

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):freq_near2

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:freq_all

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:freq_total


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.

facebook comments:

Комментариев еще нет.

Оставить комментарий