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 конечную А мплитудно — Ч астотную Х арактеристику (АЧХ ) А кустической C истемы (АС ) влияет множество факторов. В том числе АЧХ динамика, его добротность, выбранный тип и материал корпуса, демпфирование и т.д. и т.п.. Но сегодня рассмотрим еще один интересный нюанс, вносящий свою 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, при которых линейные размеры корпуса меньше длины волны звука, 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 звуковых волн внутри колонки. На АЧХ колонок отрицательно сказываются острые углы, впадины и выступы, т.е. на них наблюдается максимумы неравномерности звукового поля. 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 достигает 10 дБ на первом максимуме (~500Гц). Связанно это с тем, что длина волны соответствует(равна) линейным размерам корпуса. Следующие максимумы соответствуют удвоенной, утроенной и т.д. частотам. Такая картина возникает из-за вклада передней панели (на которой расположен излучатель). Отражение происходит между передней и задней панелями что приводит возникновению интерференционной картины между ними.

По это причине АС имеющей форму цилиндра с динамической головкой на боковой панели (рис. б ) имеет более равномерную АЧХ. Передняя панель в данном случае создает рассеянное поле во внутреннем объеме, а 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, т.к. также возникает 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 и упрощает решение этой задачи, все же пластик не самый лучший материал для корпуса высококачественной акустической системы.

Положительный результат дает использование мастик и подобных материалов, нанесение которых в углы и стыки приводит к их скруглению и линеарезации АЧХ колонок. Так же для улучшения АЧХ применяется демпфирование внутреннего объема акустической системы.

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

Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape. Звучание в целом понравилось, но остался непонятен один момент. Согласно инструкции, в них имеется переключение эквалайзера. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их, и решил выяснить это при помощи измерений.

Итак, мы хотим измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников — это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие — тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры.

Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука — какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.

(Под катом — много картинок).

Подготовка

Вот такой микрофон у меня нашёлся среди старых гаджетов. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.

Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.

У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:

Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:

Windows — немецкий, извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.

Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал — так называемый розовый шум. Розовый шум — это звук, содержащий весь спектр частот, причём равной мощности по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).

Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:

Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):

Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:

Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса — хорошо, а при измерениях будет только мешать.

Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA — по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.

При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:

Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху — примерно так наушник охватывает человеческое ухо:

Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Можно начинать.

Измерения

Запускаем программу TrueRTA и видим:

Основная часть окна — поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа — настройки графиков и измерений. Сверху — ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики (меню View → Background Color → White).

Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать указанное количество измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).

Сделав настройки, производим первое измерение — это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:

Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:

Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -40dBu, и выставляем (регулятор dB Bottom в правой части окна) нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала.

Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.

Запускаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10...0dBu:

Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.

Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню View → Save to Memory → Save to Memory 1 или нажав Alt+1). В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 в верхней части окна включать или отключать показ этих графиков на экране.

Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.

Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый — синим:

Останавливаем измерение (плеер можно не выключать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.

Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:

Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (если очень хорошо присмотреться):

Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!

На этом, в принципе, можно заканчивать работу и делать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет . (Теперь понятно, почему его не получалось услышать).

Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?

Бонусные измерения

Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:

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

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.

Питер Мэпп

Выбирая акустическую систему для конкретного применения, следует учитывать множество факторов – механических, климатических, эстетических, акустических и электрических. Два последних можно объединить вместе под общим названием – электроакустические параметры. Именно под этим углом зрения рассматривается проблема выбора громкоговорителя в данной статье. К основным электроакустическим параметрам, которые необходимо принимать во внимание при определении или оценке пригодности устройства для данного применения, относятся частотная характеристика, акустическая мощность, диаграмма направленности, угол покрытия, направленность, чувствительность, импеданс, искажения и мощность. Существует также много других параметров (фазовая характеристика, компрессия мощности), и каждый заслуживает отдельной статьи, однако наша задача – дать о них лишь общее представление.

Следует отметить, что ни один из параметров не является определяющим при выборе громкоговорителя. Некоторые из них взаимосвязаны, другие являются взаимоисключающими, таким образом, выбор должен делаться с учетом множества факторов. Очень часто идеального устройства просто не существует, поэтому необходимо найти компромиссное решение – так же, как и при разработке, и изготовлении самого устройства. Хорошей отправной точкой для поиска могут стать частотная характеристика и полоса пропускания.

Частотная характеристика

Рис. 1. АЧХ акустической системы в разных масштабах

Полоса пропускания и частотная характеристика громкоговорителя оказывают наибольшее влияние на его звучание. Существует много определений и методов измерения частотной характеристики. Многие стандарты и методы рассчитаны на изделия класса Hi-Fi и им подобные и в некоторых случаях не совсем подходят для промышленных звуковых систем или систем общего назначения. Практически повсеместно под частотной характеристикой понимается осевая характеристика, измеренная на расстоянии 1 м. В случае крупногабаритных устройств расстояние может составлять 2 м и более. Однако для чувствительности всегда берется расстояние в 1 м.

Методы измерения изложены в ряде промышленных и международных стандартов, таких как AES и IEC. При проведении измерений могут использоваться такие сигналы, как гармонические колебания, розовый шум с полосой 1/3 октавы (или уже), белый шум (также с полосой 1/3 октавы или уже). MLS-сигналы, которые широко применяются в настоящее время, также попадают в эту категорию, поскольку их спектр фактически совпадает со спектром белого шума.

Форма представления данных в значительной степени стандартизована, тем не менее будьте осторожны – истинное звучание может оказаться совсем не таким, каким мы его представляли, глядя на график частотной характеристики. Пример тому показан на рис. 1. На первый взгляд, громкоговоритель, характеристика которого изображена на верхнем графике, может показаться предпочтительней, поскольку имеет более гладкую характеристику. Однако посмотрев на вертикальную шкалу, вы поймете, что кривые построены в разных масштабах. На самом деле оба графика относятся к одному и тому же громкоговорителю. Данные с высокой степенью подробности часто сглаживаются на графиках. И хотя такое представление данных позволяет показать вид кривой в целом, оно также может ввести в заблуждение, поскольку при этом оказываются скрытыми такие детали, как резонансные пики и спады характеристики, которые являются характерными признаками нежелательных резонансов, дифракции/интерференции звука в помещении или плохой настройки разделительных фильтров.

Частотная характеристика обычно снимается в безэховых условиях, если не указано иное. Поэтому снова убедитесь, что вы прочли подписи в паспорте АС, сделанные петитом. Хороший пример приведен на рис.2. На самом деле в данных производителя этой акустической системы отсутствует график частотной характеристики, но указано, что неравномерность составляет всего ±3 дБ. Однако, согласно написанному петитом, измерения являются усредненными для комнатных условий, что совсем не одно и то же, как видно из рис. 2.

Частотная характеристика обычно снимается на оси, совпадающей с основным направлением излучения. И хотя это дает хорошее представление о потенциально возможной характеристике в данном направлении, тем не менее в случае различных коммерческих систем и общественных систем оповещения большинство слушателей будет находиться под углом к этой оси. Поэтому для детальной оценки пригодности громкоговорителя необходима частотная характеристика, измеренная под различными углами к основной оси в пределах номинального угла покрытия с шагом 10–15°, которая изображается в виде семейства кривых. При работе в больших и сложных, с акустической точки зрения, помещениях полезно также использовать характеристики направленности. На рис. 3 представлены частотные характеристики для высококачественного контрольного громкоговорителя, снятые на основной оси и под разными углами к ней, которые показывают очень хороший результат.

Акустическая мощность

Характеристика излучаемой громкоговорителем акустической мощности (не путать с мощностью) – очень полезный, но редко указываемый параметр. Она показывает суммарную акустическую мощность, излучаемую на выходе. Хотя частотные характеристики, снятые в безэховых условиях, могут дать правдивую картину о потенциально возможных характеристиках в хороших акустических условиях и в пределах критического расстояния от громкоговорителя, однако в некоторых случаях, например в помещении с высоким временем реверберации или для распределенных систем в помещениях, многие слушатели вполне могут оказаться за пределами критического расстояния. Следовательно, поле реверберации становится преобладающим, что в большей степени зависит от суммарной излучаемой звуковой мощности, нежели от осевой частотной характеристики.

Мало кто из производителей указывает эти столь необходимые характеристики, и немногие из нынешних стандартов требуют их измерения, не говоря уж об их упоминании, тем не менее эта информация очень важна для точного расчета потенциальной разборчивости речи и быстрого определения вероятных характеристик поля реверберации. Нижняя кривая на рис. 3 является редким примером проведения подобного рода измерений. Существует масса споров и разногласий по поводу того, какова должна быть идеальная характеристика мощности. Очевидно одно – она должна быть гладкой и существенно плоской, возможно имеющей небольшой спад на высоких частотах. Обратите внимание – акустическая мощность обязательно станет параметром, значимость которого будет возрастать.

Характеристики направленности

После того как вы приняли решение о том, подходит ли вам данный громкоговоритель по своим частотным характеристикам, следующим шагом должна стать проверка характеристик направленности и углов покрытия. Для некоторых громкоговорителей систем оповещения часто указывается угол покрытия на одной частоте. Однако в реальной ситуации акустическое излучение громкоговорителя будет значительно меняться с частотой, а значит и угол покрытия также будет иметь сильную частотную зависимость. Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 4), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат (рис. 5). При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты. Изменение угла покрытия для различных уровней ослабления (3, 6 и 9 дБ) показано на рис. 6, но рис. 7, вероятно, является наиболее информативным, где вдоль оси Х откладывается частота (нижняя часть графика), вдоль оси Y – угол покрытия. Цветом показан уровень затухания как функция от угла и частоты. На рис. 7 представлена характеристика направленности двухполосной акустической системы в вертикальной плоскости. При этом видно уменьшение угла покрытия с увеличением частоты (белая область резко сокращается при возрастании частоты примерно до 1 кГц и остается практически постоянной, когда начинает сказываться преобладание излучения CD-рупора). На частоте порядка 500 Гц наблюдается значительный боковой лепесток (белая часть рис. 7, указывающая вверх). В основе этого графика лежат базовые трехмерные диаграммы направленности, однако используется форма представления, обеспечивающая хорошую наглядность. Еще одним способом представления данных является изображение в виде трехмерной фигуры (рис. 8). В этом случае также виден вертикальный боковой лепесток. Построение трехмерной диаграммы направленности – задача сложная, связанная с обработкой больших объемов данных, но полученная полнота представления о характеристиках громкоговорителя стоит затраченных усилий. Более того, данные с высокой степенью подробности могут эффективно использоваться в таких программах по проектированию звуковых систем, как EASE, из которой и были взяты приведенные данные. В то же время двумерные диаграммы направленности все еще широко используются в тех случаях, когда надо быстро посмотреть, удовлетворяет ли покрытие конкретного устройства требованиям к работе вблизи. Диаграммы направленности могут строиться с различными разрешениями по частоте и углу. Некоторые стандарты предусматривают шаг по частоте в 1 октаву, однако сейчас становится нормой шаг в 1/3 октавы по частоте и 5° по углу. Возможно, что оптимальными являются диаграммы с шагом 1/3 октавы и октавными центрами на частотах 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4 и 8 кГц. Разрешение с шагом в одну октаву слишком грубое и может давать большую погрешность. В любых серьезных технических характеристиках должен присутствовать график зависимости ширины диаграммы направленности от частоты. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя обычно берется по уровню -6 дБ. Ее часто путают с углом излучения, который используется в стандарте IEC на громкоговорители (IEC 60268-5). Это угол, при котором уровень падает на 10 дБ, что, конечно же, неприемлемо для коммерческих или профессиональных звуковых систем. Чтобы преодолеть эту проблему, IEC ввела понятие угла покрытия, который фактически является шириной диаграммы направленности по уровню -6 дБ, названной другим именем. Угол покрытия должен определяться на частоте 4 кГц, хотя могут указываться и другие частоты. Чем раньше мы придем к тому, что будем указывать угол покрытия для всего диапазона частот, тем лучше, поскольку немногие из производителей приняли вариант с частотой 4 кГц, а в тех случаях, где все же указывается угол покрытия на одной частоте (обычно в более дешевых моделях), чаще используется 1кГц.

Направленность и индекс направленности

Рис. 9. Фрагмент технических характеристик акустической системы, в котором приведены основные акустические параметры, необходимые при ее выборе

Величина направленности громкоговорителя Q определяется как отношение звукового давления, измеренного в заданной точке на основной оси, к звуковому давлению, которое создает в той же точке ненаправленный (точечный) источник, излучающий такую же акустическую мощность, как и громкоговоритель в условиях свободного поля. Индекс направленности Di равен 10 Log Q. При использовании Q для расчета предельной разборчивости часто забывают или не отдают себе отчета в том, что Q громкоговорителя меняется в зависимости от угла излучения. Следовательно, при расчетах в направлении, отличном от основного направления излучения, должны использоваться другие значения Q. На рис. 9 показан фрагмент технических характеристик громкоговорителя, в котором приведены главные акустические параметры, необходимые при выборе громкоговорителя.

Импеданс

Импеданс громкоговорителя – еще одна очень важная характеристика. Он также имеет сильную частотную зависимость, следовательно его график должен приводиться всегда. Удивительно, как много восьмиомных громкоговорителей в действительности не являются таковыми. А когда используются линейные согласующие трансформаторы на 70 и 100 В, частотная характеристика еще более необходима. Хотя в большинстве случаев комбинация громкоговоритель + трансформатор будет обеспечивать нормальную нагрузку на 1 кГц, на более низких частотах этого может не быть. В табл. 1 приведены результаты недавнего тестирования небольших громкоговорителей для системы оповещения, проведенного в лаборатории (линия 100 В). На рис. 10 показан график импеданса громкоговорителя с плохим согласованием.

Даже в тех случаях, когда трансформатор не используется, необходимо знать, как данный громкоговоритель нагружает усилитель. И хотя величина импеданса по модулю обычно приводится, и этого требуют стандарты, фазовая характеристика также должна указываться, чтобы гарантировать, что нагрузка, которую мы собираемся подключать, не окажет вредного воздействия на работу усилителя возбудителя.

Чувствительность

Чувствительность громкоговорителя по напряжению часто путают с эффективностью. Чувствительность обычно определяют как уровень звукового давления, измеренный на основной оси на расстоянии 1 м при подаче на вход 1 Вт (например, 90 дБ, 1 Вт / 1 м). Измерения проводятся в безэховых условиях или в условиях свободного поля. В действительности рассеивается не вся мощность в 1 Вт, поскольку не только импеданс будет меняться с частотой, но и фаза, которая не принимается во внимание. Для восьмиомного громкоговорителя мощность в 1 Вт номинально эквивалентна напряжению возбуждения в 2,83 В (P=E2/R), и эта величина часто приводится.

Будьте внимательны, поскольку указанное напряжение возбуждения также иногда используется с четырех- омными громкоговорителями. В этом случае эквивалентная входная мощность равна 2 Вт, что может дать ошибочное увеличение чувствительности на 3 дБ. Напряжение возбуждения должно быть 2 В. Реальное значение чувствительности будет зависеть от ширины полосы пропускания системы или ширины полосы подаваемого сигнала.

И опять будьте осторожны при сравнении громкоговорителей и при проведении расчетов, поскольку общепринятой ширины полосы не существует. Могут приводиться значения чувствительности для однополосных или, что еще хуже, для одночастотных сигналов. Эти значения будут выше, чем для широкодиапазонных сигналов.

Чувствительность также зависит от гладкости частотной характеристики и от эффективного диапазона частот рассматриваемого устройства. Эффективный диапазон частот определяется как "диапазон частот, ограниченный указанными верхним и нижним пределами, в котором частотная характеристика громкоговорителя, измеренная на основной оси с использованием гармонических (или эквивалентных) сигналов, уменьшается не более чем на 10 дБ от уровня звукового давления, усредненного в полосе в 1 октаву или более (определяется производителем) в области максимальной чувствительности." При определении частотных пределов малыми провалами на частотной характеристике, которые уже 1/9 октавы по уровню -10 дБ, пренебрегают. И хотя это определение прекрасно подходит для высококачественных изделий с номинально плоскими характеристиками, оно может не подходить для многих систем PA и тревожной сигнализации, и устройства, имеющие характеристику с выраженными пиками, могут получить очевидное преимущество.

Возьмем к примеру громкоговоритель, характеристика которого приведена на рис. 11. Определение чувствительности в этом случае оказалось делом довольно сложным, особенно из-за того, что импеданс непостоянен. Официально указывается чувствительность в 88 дБ. Способы измерения и оценки чувствительности, частотной характеристики и рабочего импеданса данных типов устройств нуждаются в дальнейшей проработке, исследованиях и стандартизации.

Мощность

Рис. 11. Пример АЧХ акустической системы

Номинальная мощность громкоговорителя также таит в себе массу подвохов. Результаты измерений зависят от типа испытательного сигнала, пик-фактора, ширины полосы сигнала и длительности испытания. Часто используются разные типы мощности (среднеквадратическая, программная или музыкальная). По логике вещей, должен применяться сигнал, имитирующий реальные сигналы, которые встречаются в жизни и могут использоваться в данной системе. Это сигналы типа розового шума с ограниченной полосой или белого шума с определенным пик-фактором (отношение пикового значения сигнала к среднему значению, обычно оно составляет 6 дБ). Путем длительного воздействия сигнала со средним уровнем проверяется температурная стойкость громкоговорителя. Кратковременные пиковые сигналы проверяют его механическую надежность (отклонение диффузора и диафрагмы). Длительность испытаний может меняться, но обычно она составляет 8 ч.

Наряду с измерением мощности необходимо измерять коэффициент компрессии мощности. При нагреве катушки громкоговорителя выходная мощность может значительно уменьшаться. При этом компрессия возрастает с увеличением подводимой мощности. Обычно коэффициент компрессии находится в пределах 0,5–4,5 дБ. Следовательно, когда мы берем чувствительность данного громкоговорителя для рассеиваемой мощности 1 Вт на расстоянии 1 м и используем максимально допустимое значение мощности для расчета соответствующего максимального уровня звукового давления, то можем получить огромную ошибку.

Альтернативные испытания по определению мощности заключаются в том, что на вход подается высокое напряжение на короткий и на длительный срок и определяется то максимальное входное напряжение, которое громкоговоритель может выдержать без повреждения. В краткосрочных испытаниях применяется специальный сигнал (так называемый program-shaped noise), который подается на 1 с 60 раз с интервалом между двумя подачами в 1 мин. В долгосрочных испытаниях сигнал подается на 1 мин с интервалом в 2 мин. Испытания повторяются 10 раз (IEC 60268-5).

Искажения

Искажения являются параметром, который часто не включается в технические характеристики, но важен для оценки нелинейности характеристик устройства и субъективного качества звучания. Существуют различные методы измерения разных видов искажений, включая суммарные гармонические искажения (THD), выборочные (например, вторая и третья гармоники) и интермодуляционные. Для определения некоторых тонких моментов, например, влияния материалов, из которых изготовлены диффузор и драйвер, начинают широко использоваться другие методики, такие как многочастотное возбуждение (multi sine-wave excitation).

Нужно быть чрезвычайно осторожным при сравнении результатов, поскольку разные производители используют в испытаниях разные уровни (мощности) в драйверах. Могут приводиться данные как по суммарным гармоническим искажениям, так и по второй и третьей гармоникам. Вообще говоря, вторая гармоника указывает на проблему асимметрии, в то время как третья гармоника, которая обычно более нежелательна с точки зрения субъективного качества звучания, говорит о наличии эффекта лимитирования в устройстве.

Искажения зависят от уровня сигнала. В табл. 2 в качестве примера приведены данные для высококачественной двухполосной акустической системы с 12-дюймовым НЧ-динамиком и CD-рупором. Номинальная мощность – 300 Вт.

При выборе громкоговорителя для конкретного применения многие характеристики заслуживают того, чтобы их приняли во внимание. Поэтому убедитесь, что исследовали все характеристики, которые непосредственно относятся к вашему случаю.

Питер Мэпп – независимый консультант в области акустики и разработки звуковых систем в Великобритании. С ним можно связаться по электронной почте: [email protected] .

Благодарим журнал “Sound&Video Contractor” за предоставленный материал. P.O. Box 12901, Overland Park, KS 66282-2901, www.svconline.com