Измерение ачх нч в домашних условиях тестером. Гитарные динамики - назначение, параметры, конфигурация (Vol.1). На что влияет форма АС

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 .

Сравнительное тестирование стереоколонок Edifier и Microlab (апрель 2014)

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука , издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы - это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом - благодаря высокому уровню искажений, на втором - благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS (Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе - активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая .

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

АЧХ

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Западные производители предпочитают указывать диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц - 16 кГц (±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц - 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).

Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20 - 20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.

Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц - 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц - 10000 Гц. Сравнивать диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

Полное электрическое сопротивление, импеданс

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.

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.

Методика создания акустических систем (часть №7)

Настройка АЧХ

Этап 1.

Начнем настройку с самого простого. Изучаем область низких частот. Здесь для двухполосной АС с ФИ проблем не будет.

Естественно, измеряем полностью собранную, со звукопоглотителем внутри, прилично загерметезированную "колонку" с выведенными и помеченными кабелями отдельно от ВЧ и НЧ головок. Рекомендую проложить их наружу на время измерения через щелевой ФИ, изготовив эти кабели достаточно длинными. Разумеется, полочная акустическая система установлена по критерию: 100 см от пола до центра ВЧ динамика.

Для начала измерьте АЧХ в ближней зоне (микрофон в нескольких сантиметрах от диффузора НЧ динамика). При этом ФИ надо превратить в закрытый ящик. Для этого туго забейте его выход синтепоном или ватином (осторожно, не оборвите провода от громкоговорителей!). Зарисуйте полученную характеристику. Пример на Рис. 27.

В процессе измерений сохраняйте неизменным расстояние между диффузором и микрофоном.

Этап 2.

Измерьте АЧХ на расстоянии 1,5-2 м качающимся микрофоном по изложенной методике. Затем освободите ФИ от заглушающих материалов и повторите измерения. Определите приращение отдачи по НЧ, связанное с работой ФИ и зарисуйте АЧХ этого приращения. Результаты Ваших измерений могут выглядеть так, как изображено на Рис. 28.

Изобразите на Рис. 27 ход АЧХ с учетом действия ФИ, добавляя к измеренным значениям приращения, известные для каждого значения частоты сигнала, сверяясь с Рис. 28.

Теперь вы можете увидеть АЧХ вашей АС на низких частотах так же достоверно, как при измерениях в безэховой камере. Эта информация позволяет принять необходимые меры, если НЧ воспроизводятся слишком неравномерно.

Например, подъем, возможный в области 80-160 Гц с максимумом в районе 100-125 Гц чаще всего связан с излишней высокой добротностью громкоговорителя в конкретном акустическом оформлении. Если подъем превышает +2дБ в диапазоне шире одной третьоктавной полосы (допустим: на 100 Гц - +3 дБ и на 125 Гц - +2 дБ), то имеет смысл оснастить динамик "панелью акустистического сопротивления" (ПАС).

Наиболее эффективный способ создания ПАС - заклеивание окон диффуззородержателя двумя слоями синтепона. Трение воздуха в порах материала снизит добротность АС и уменьшит отдачу на НЧ, особенно в области резонанса громкоговорителя, что и требуется в данном случае. Заклеивать окна громкоговорителя - нелегко. Нужно постараться надежно приклеить "заплатки" по периметру окон и не облить клеем движущиеся части динамика.

Рекомендую на этапе сборки корпуса разделить трубу ФИ на две равные части продольной перегородкой по всей длине этой трубы. Места соприкосновения этой перегородки с деталями корпуса, образующим ФИ, нужно проклеить ПВА для герметизации и исключения дребезга от вибраций корпуса.

ФИ из двух труб позволит, при необходимости, заблокировать одну трубу туго забив ее звукопоглотителем. Это понадобится, если область и величина подъема НЧ при помощи ФИ окажется слишком велики. "Половинный" ФИ настроен ниже по частоте и поднимает "бас" в меньшей степени.

Кстати, перегородка в ФИ несколько улучшает жесткость корпуса. Поэтому, для укрепления задней стенки, перегородку стоит сделать длиннее трубы ФИ и "дотянуть" до верхней крышки АС (если ФИ выходит назад и вниз).

Разумеется, рейка перегородки должна на всем протяжении быть прочно склеена с деталями корпуса АС. Эскиз ФИ с перегородкой - на Рис. 29.

Признаком избыточной эффективности ФИ является подъем более +2дБ на протяжении хотя бы 2-х третьоктавных полос в диапазоне от 40 до 100 Гц. Наиболее вероятен максимум в области 50-80 Гц.

Для выравнивания хода АЧХ на НЧ следует использовать результаты измерений в ближней зоне, с учетом поправок, учитывающих действие ФИ. Если избыток отдачи наблюдается только в пределах одной третьоктавной полосы. Но величина подъема превышает +3дБ - имеет смысл принять п речисленные выше меры по выравниванию АЧХ.

Этап 3.

Теперь приступим к измерению АЧХ Ваших АС в широком диапазоне частот. В процессе настройки нет смысла охватывать диапазон шире, чем 40 Гц - 16 кГц. Маловероятно, что полочная АС будет "страдать&qu t; избытком отдачи при воспроизведении сигналов ниже 40 Гц. Если же АС почти не излучает звук ниже 40 Гц - ничего страшного. Даже напольные АС редко эффективны в диапазоне 20-30 Гц. Расширение полосы вниз от 80 Гц до 40 Гц очень заметно. Расширение полосы от 40 до 20 Гц - гораздо менее заметно.

Замеры в избыточно широкой полосе напрасно расходуют Ваше время, силы, ресурс аппаратуры, в том числе шумомера. Быстрее всего у шумомера изнашивается переключатель чувствительности, который, по совместительству, является выключателем питания. В процессе работы приходится часто пользоваться этим переключателем.

Берегите оборудование и свои силы, которые пригодятся для выполнения трудной задачи по выравниванию АЧХ в основном диапазоне частот. В процессе уточняющей настройки разумно дополнительно сузить контролируемый диапазон до 100 Гц-10 кГц, в отдельных случаях - даже до 125-8000 Гц.

Предположим, что Вы измеряете АЧХ уже хорошо настроенной АС. Скорее всего результат будет выглядеть так, как показано на Рис. 30.

Не похоже на привычные, почти идеальные характеристики приводимые производителями? Одна из причин кажущейся "кривизны" - сильно растянутая шкала уровня звукового давления (2 дБ на "клетку"). Все отклонения видны, как под увеличительным стеклом.

Кроме того, эта реальная АЧХ гораздо информативнее обычных "показушных" графиков, ничего не говорящих о звучании. Стереопара АС будет иметь ровную АЧХ на СЧ, если обеспечить показанный на Рис. 30 наклон характеристик в этой области звукового спектра при настройке одиночной АС.

Крутизна наклона соответствует приращению среднего уровня примерно на 1 дБ с ростом частоты от 300 Гц до 2-2,5 кГц. Необходимо научиться примерно усреднять ход АЧХ, научиться видеть среднюю линию, относительно которой строится реальная характеристика отклоняющаяся в разных третьоктавных полосах "вверх" и "вниз".

Чем точнее проведена средняя линия, тем меньше, в среднем, величина отклонений от нее реальной АЧХ. Чем шире анализируемый отрезок в частотной области, тем грубее аппроксимация прямой линией.

Точнее отражает ситуацию изображение среднего уровня в виде плавно изгибающейся кривой. Эта кривая хорошо согласуется со слуховым восприятием особенностей тембрального баланса АС. При оценке тембра звучания слух игнорирует локальные неравномерности АЧХ. Тем не менее, следует, по возможности, уменьшать локальные неравномерности. При этом улучшается натуральность звучания, звук становится чище и "красивее".

На определенном этапе борьбы с локальными неравномерностями возникнет соблазн пожертвовать правильностью тембрального баланса, определяемого усредненным ходом АЧХ. Важно вовремя остановится. Не "разглаживайте" характеристику в ущерб балансу тембра. Отдельные звуки станут чище, но в целом воспроизведение музыки станет неадекватным.

Как уже говорилось, для сохранения конкретных художественных образов, сознательно создаваемых исполнителем музыки, необходимо обеспечить правильную передачу тембрального баланса в целом и, особенно, в области средних частот.

Нередко при попытках провести экспертное прослушивание, совершается следующая ошибка: в качестве тестового материала используются короткие фрагменты звучания разных музыкальных инструментов (как, например, на тестовом диске фирмы STAX) или неудачные аудиофильские CD с красиво записанными малыми составами музыкантов, создающими невыразительные, малосодержательные художественные образы. На таком материале возникает соблазн пожертвовать тембральным балансом в пользу локальной гладкости АЧХ.

Полноценная музыка при такой настройке "разваливается" на отдельные, не связанные художественным образом звуки. Слушать музыку становится неинтересно, поэтому обладатели "колонок", настроенных таким образом, слушают небольшое количество аудиофильских дисков ради созерцания красивых звуков.

Это похоже на выбор книг неграмотным человеком: интерес вызывают только книжки с картинками. Для слушателя, понимающего язык музыки, круг интересных звукозаписей чрезвычайно широк и разнообразен. Довольно удобно при тестировании использовать диски с качественно записанной музыкой в сочетании с художественной ценностью этой музыки. Обратите внимание, например, на диски, издаваемые фирмами Deutshe Grammophon, Decca, Мелодия. Существенная доля дисков, записанных под эгидой перечисленных фирм, соответствует этой рекомендации.

Интересно, что в США и Германии диски отечественной фирмы "Мелодия " вдвое дороже других дисков с теми же музыкальными произведениями. Речь идет о классической музыке, записанной хорошими оркестрами под руководством выдающихся дирижеров в период от 60-х до 80-х годов.

Среди тестового материала обязательно, должны быть записи вокала, фортепиано, различная трудновоспроизводимая из-за насыщенного, некомфортного тембра музыка. Отдавайте предпочтение записям, в которых исполнителями созданы интересные и понятные Вам художественные образы.

Приведу примеры эффективного использования некоторых отрывков с "АУДО МАГАЗИН ТЕСТ - CD1 ":

Трек #2 - виолончель ведет мелодию как бы с "томным надрывом". Становится понятно, почему некоторые великие певцы учились интонациям у виолончели;

Трек #3 - пианист в "агрессивной" манере показывает звучание инструмента;

При хорошей настройке АС должны быть сбалансированы все звуки фортепиано - короткие удары по клавишам, яркие звуки только что возбужденных молоточками струн, размашистые призвуки поющих аккордов. Музыкант "пробегает" по клавиатуре сначала вниз, потом вверх. Если АЧХ хорошо сбалансирована, то при такой пробежке громкость звуков разной высоты должна быть примерно одинаковой.

Трек #8 - при плохой АЧХ чарующая, ритмичная, "переливающаяся" музыка местами будет напоминать "какофонию";

Трек #11 - если настройка АС не точна, во время пиццикато возникает ощущение, что музыкант запутался в струнах;

Если баланс СЧ нарушен в пользу нижнего края середины, то возникнет ощущение, что Карузо создает образ старого, вялого человека, поющего в замедленном темпе. Если же баланс СЧ "перекошен" в пользу верхнего края середины, то возникает образ очень молодого суетливого человека, который торопится быстрее пропеть свою партию и убежать со сцены.

Трек #17 - выдающийся тенор Джильи создает яркий и мужественный образ;

Если баланс с преобладанием нижнего края СЧ, то "взлетность" голоса исчезает. В пении прорезываются такие оттенки... Как бы сказать так, чтобы никого не обидеть? Попробуйте вспомнить, с какими интонациями говорит киноартист, если играет гомосексуалиста. Когда баланс наклонен в пользу верхнего края средних частот, голос Джильи становится металличнее, чем необходимо. Исчезают тонкие интонационные ходы. Ухудшается "телесность" и натуральность звучания. Трек #17 позволяет сбалансировать АЧХ на средних частотах, точнее чем измерения при помощи микрофона.

Вернемся к Рис. 30.

В комнате 12-20 м2 с высотой потолка 2,6-3 м имеет место следующий неприятный эффект: при высоте НЧ динамика примерно 60-90 см от пола возникает "провал" отдачи в диапазоне примерно от 160 до 300 Гц. В зависимости от конкретной АС и комнаты зона провала может охватывать различные диапазоны, например от 80 до 250 Гц, или от 200 до 300 Гц. Вариантов может быть много. Глубина "провала" от 2-3 дБ до 6-10 дБ (в среднем).

В излучении АС этого провала нет (при правильной настройке). Это беда - следствие взаимодействия "колонки" и помещения. Особенно сильный вклад вносит взаимодействие с полом, поэтому, даже в комнатах больше 30 м2 и с высотой потолка более 3м, этот провал полностью не исчезает.

Не следует пытаться ликвидировать эту неравномерность настройкой АС или при помощи эквалайзера. Дело в том, что картина стоячих волн устанавливается в помещении не сразу. Время до установления соизмеримо со временем необходимым для слухового анализа атак звукоизвлечения. По атакам человек идентифицирует музыкальные инструменты, их нельзя искажать. Речь идет о длительностях от 3-5 до 200-300 миллисекунд.

Если Вы не пытаетесь исправить рассматриваемый "провал" АЧХ, то сохраняется естественность звучания. Но это не значит, что подобная "кривизна" характеристики совершена безвредна. Она проявляется в уменьшении масштабности звучания, в "мельчании" звуковых образов по сравнению с натуральными. Может пострадать ритмическая основа танцевальной музыки.

Для двухполосных АС с расположением НЧ динамика на высоте 60-90 см эта проблема - неразрешима, поэтому не обращайте на нее внимание. В безэховой камере этот эффект не обнаруживается.

Для трехполосных АС и двухполосных с дополнительным НЧ-СЧ динамиком, расположенным ниже основного, ситуация несколько меняется. Среднее положение эквивалентного излучателя низких частот - 30-70 см от пола. Глубина "провала" несколько, уменьшается, но он все равно остается!

Не надо для борьбы с "провалом" размещать НЧ динамик низко, если этот громкоговоритель излучает и на средних частотах. Звук станет гораздо хуже. Начнется "гудение", вертикальная локализация будет безобразной.

В 1995 году мне удалось создать конструкцию АС лишенную обсуждаемого недостатка. В этих АС область ниже 100 Гц излучается на высоте ~10 см от пола, диапазон 125-250 Гц воспроизводится отверстием на высоте 50 см от пола, а участок выше 300 Гц - громкоговорителями, расположенными на высоте ~85 см.

Такая конструкция исключительно трудно настраивается. Я совершенствовал балансировку АЧХ с 1995 до 2001 года. Получившаяся пара АС создает полноразмерные звуковые образы. Но я не хочу создавать новые АС такого типа. Они очень сложные и поэтому, дорогие. Настраивая их можно лишиться здоровья.

Опять обратимся к Рис. 30.

Оптимальный уровень отдачи в области 3-6 кГц - примерно - 2 дБ. Если обеспечить равенство этой области и средних частот, то звучание приобретает "шершавый", металличный, "скворчащий", сухой оттенок. Шипящие и свистящие звуки речи будут излишне подчеркнуты. С другой стороны, если уровень воспроизведения этой области упадет ниже -3...-4 дБ, звучание упростится, пропадут детали, ухудшится передача индивидуальности исполнителей. Будут хуже передаваться тонкие лирические оттенки художественных образов. Так же ухудшится передача "воздуха".

Область 8-10 кГц желательно воспроизводить в точном балансе со СЧ. Если форсировать 8-10 кГц, то перкуссии начнут солировать, что неестественно. При этом шипящие и свистящие звуки речи, удары медиатора по струнам и прочие ВЧ звуки будут так подчеркнуты, что начнут навязывать свой примитивный ритм, маскируя тонкие ритмические ходы солистов, выражаемые при помощи средних частот.

Если 8-10кГц будут "провалены", то звучание струн, "хай-хета" и прочих инструментов с интенсивными ВЧ составляющими спектра потеряют красоту, станет грубым. Металлические тарелки станут "бумажными".

Интересно, что завал на 2 дБ в области 3-6 кГц подчеркивает красоту и утонченность звуков выше 8 кГц.

Уровень воспроизведения зоны 12,5-16 кГц в идеале равен уровню 8-10 кГц или несколько меньше, до -4 дБ (усредняя между 12,5 и 16 кГц). Терпимо, если 12,5 кГц не превышает +2 дБ относительно 8-10 кГц.

Для 16 кГц допустимый диапазон - от +5 до -8 дБ.

Подозрительно, если пики отдачи на низких частотах превышают максимумы отдачи на средних частотах. Например, на Рис. 30 обращает на себя внимание пик в +1,5 дБ на частоте 100 Гц относительно максимума уровня средних частот на 1,6 кГц. В таких случаях следует провести дополнительную субъективную экспертизу. Если уровень НЧ реально завышен - бас недостаточно артикулирован, темп музыки кажется несколько замедленным. Басовый аккомпанемент может солировать, что совершено неестественно.

Избыточный бас маскирует тонкие интонационные оттенки на средних частотах. Звучание становится примитивным, грубым, тяжелым, "давящим". Большая удача, если НЧ динамик в выбранном Вами акустическом оформлении "подарит" приемлемый тембральный баланс. Если он при этом чуть-чуть отличается от желаемого, "простите" это. Не факт, что Вы найдете лучший баланс при помощи фильтров.

В этом случае не исключено, что при помощи простейшего фильтра для ВЧ головки удастся получить хорошую АЧХ акустической системы в целом. Простейший фильтр тоже дает некоторую гибкость в настройке. Он изображен на Рис. 31.

Подбирая величину С3 можно менять наклон АЧХ. Если необходимо, при помощи введения R6 нужного номинала можно обеспечить баланс области 6-16 кГц (ориентировочно) со средними частотами.

Пробуйте подбирать элементы фильтра как для синфазного включения НЧ и ВЧ динамиков, так и противофазного. Выберите лучший вариант, отдавая предпочтение субъективной экспертизе.

В одной из последующих публикаций я расскажу о созданной мной модели АС без фильтра на НЧ и с простейшим фильтром на ВЧ. В этих АС установлены динамики фирмы SEAS и VIFA.

Самый сложный из рассмотренных вариантов - фильтры второго порядка для НЧ и ВЧ динамиков. Настраивать такую АС трудно для новичка, но этот вариант дает наибольшую гибкость настройки лучшую равномерность озвучивания помещения за счет расширенной диаграммы направленности.

В некоторых случаях потребуется усложнить ВЧ фильтр. Если ВЧ динамик имеет АЧХ с чрезмерным подъемом в какой либо области, то можно нормализовать ситуацию введением резонансного контура, соблюдая правила, изложенные для НЧ фильтров, изображенных на рисунке 8, 10, 12, 13, 16. Один из возможных вариантов такого ВЧ фильтра показан на Рис. 32. Пример действия корректирующего контура L4C4 - на Рис. 33.

Измерение АЧХ акустических систем в домашних условиях.

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


Размещение микрофона.






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


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

АЧХ фронтальных систем Tannoy Turnberry GR LE в ближнем поле.



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



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

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



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



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