Методика вимірювання гучності активних колонок

Спотворення у акустичних систем з'являються від ряду факторів, починаючи від оптимальності вибору фільтра та його компонентів, від власних особливостей застосованих динаміків, а також від конструкції та оформлення корпусу.

Про залежність гучності та спотворень

При відтворенні музичних і мовних сигналів через АС (у процесі їх електромеханічних і електроакустичних перетворень) виникають різні типи спотворень, які можуть бути розділені на нелінійні і лінійні.Нелінійні спотворення характеризуютьсяпоявою в процесі перетворення сигналу в АС нових спектральних складових, які спотворюють тимчасову структуру початкового сигналузалежно від його рівня та властивостей системи. (Алдошина І.А., Войшвілло А.Г. Високоякісні акустичні системи та випромінювачі.)

Як правило, якісно та комфортно звучать ті АС, які не вносять суттєвих спотворень у відтворюваний сигнал від малого до високого рівня гучності. Як правило, рівень спотворень залежить від рівня гучності і віддати перевагу можна тим АС, які можуть відтворювати голосніше сигнал з меншими спотвореннями.

Для оцінки нелінійних спотворень використовують різні види випробувальних сигналів, тональні, шумові, музичні та ін. Однак найчастіше для вимірювань і нормування нелінійних спотворень в АС застосовують тональні сигнали. Для оцінки гармонічних спотворень ГОСТ 16122-78 передбачає використання кількох видів коефіцієнтів, рекомендацій МЕК для апаратури Hi-Fi передбачено застосування сумарного характеристичного коефіцієнта гармонік, що визначається як відношення, виражене у відсотках, середньоквадратичного значення звукового тиску всіх вищих гармонік, взятих разом,середньоквадратичне значення звукового тиску в заданому діапазоні частот. Вимірювання виконуються в умовах вільного поля на синусоїдальному сигналі при потужності, що відповідаєрівню звукового тиску, що дорівнює Nср=90 дБ (середнення проводиться в діапазоні 100-8000 Гц ). Зазвичай обмежуються підсумовуванням коефіцієнтів другого та третього порядків. Методика вимірювань Кг наведена у ГОСТ 16122-78. (Алдошина І.А., Войшвілло А.Г. Високоякісні акустичні системи та випромінювачі.)

Т.к. Вимірювання гучності - це усереднене значення в певному діапазоні частот, то виставлення гучності можна провести не на синусах, а на шумовому сигналі, обчисливши гучність для синусів, знаючи відносини потужних характеристик шуму та синусу. Вимірювання гучності робиться з урахуванням кривої А, що дозволяє отримати близьке значення гучності з урахуванням психоакустики для АС, без урахування впливу низьких та високих частот. Кожна крива рекомендована для різних умов вимірювань. Для вимірювань автомобільної акустики в салоні автомобіля використовують криву С, яка враховує низькочастотний діапазон для обліку роботи сабвуфера. У нашому випадку акустика полочного типу не може похвалитися розширеним діапазоном низьких частот і застосовується крива А.

Безумовно, є норми для вимірювань характеристик АС, і вони існують для можливості порівнювати отримані параметри між собою. Однак у ряді випадків можна змінити умови вимірювання, якщо це вносить низьку похибку вимірювань або відображає більш адекватну оцінку якості звучання для певних умов. Наприклад вимірами спотворень не рівні 90 дБ, але в різних рівнях, близьких до реальної експлуатації. Наприклад, вбудована акустика ноутбука Acer Aspire 4720z не може фізично розвинутитиск вищий за 78 дБА з 1 метра при відтворенні синусів з амплітудами 0 дБ. При цьому відтворення звуку на максимальній гучності супроводжується високими спотвореннями. Очевидно, що при порівнянні якості звучання ноутбуків слід порівняти на менших гучностях. А для концертної акустики навпаки робочі гучності будуть значно вищими, ніж у акустики полочного типу.

Як було зазначено вище, рівень спотворень залежить від рівня відтворюваного сигналу, і зробивши виміри різних рівнях можна оцінити залежність зростання спотворень від гучності. При вимірах на рівні гучності АС можна отримати характеристики, які можна порівнювати між собою.

Про спотворення в динамічних головках

Основні види нелінійних спотворень, які у гучномовцях, може бути класифіковані так:

гармонійні нижчі порядки (другий, третій);
субгармонічні та комбінаційні субгармонічні;
гармонійні вищі порядки;
інтермодуляційні та частотно-модульовані (за рахунок ефекту Доплера).

Сумарний спектр спотвореного сигналу динамічного гучномовця при збудженні його синусоїдальним сигналом може мати вигляд, представлений на рис. вище.

Основними причинами виникнення всіх видів спотворень є нелінійні коливальні процеси в елементах рухомої системи (підвісах, діафрагмах, шайбах, ковпачках і т. д.) та у вузлі "звукова котушка - магнітний ланцюг".

Зупинимося спочатку на причинах виникнення та методах розрахунку перелічених вище видів нелінійних спотворень в елементах рухомої системи гучномовця.

Гармонічні спотворення другого-третього порядків вимірюють за методикою ГОСТ 16122-78 та оцінюють здопомогою коефіцієнтів к2 та к3. Основною причиною спотворень цього є нелінійність пружних характеристик рухомий системи (інерційна і диссипативная нелінійність грають значно меншу роль). Гармонічні спотворення в гучномовцях особливо великі у сфері його основного резонансу, де завдання розрахунку цих спотворень значно спрощується: оскільки коливання дифузора носять поршневий характер, загальна нелінійність визначається лише нелінійністю пружних характеристик його підвісів і шайб.

Численні дослідження нелінійних показників гофрованих оболонок різних змін дозволили встановити вплив конструктивних і фізико-механічних властивостей підвісів на характері і рівень нелінійних спотворень гучномовців у сфері низьких частот. Прагнення знизити цей рівень і змушує постійно вдосконалювати технологію виготовлення та конструкції гофрованих підвісів та шайб.

В області середніх та високих частот основний вплив на рівень спотворень надають пружні характеристики дифузорів. Експериментальні дослідження показали, що конструктивні заходи, спрямовані на збільшення їх жорсткості та щільності (збільшення кривизни утворює, вибір оптимального закону розподілу товщини вздовж утворюючої, застосування ребер жорсткості тощо) призводять до зниження рівня нелінійних спотворень у цій галузі частот.

Субгармонічні спотворення виникають в основному через параметричні коливання діафрагми (або «втрати динамічної стійкості»). Як уже було показано, дифузор (гучномовця являє собою тонку пружну оболонку обертання, на яку діє сила, що змушує, з боку звукової котушки, спрямована вздовж осі. Якщо розкласти цю силу на дві складові: поперечну, спрямовануперпендикулярно до утворюючої дифузора, і поздовжню, то поперечна складова примушує сили викликає згинальні коливання в діафрагмі з частотою fо, а поздовжня складова призводить до періодичного стиску - розтягуванню вздовж утворюючої. При певному значенні поздовжньої складова призводить до періодичного стиснення - розтягнення вздовж твірної. При певному значенні поздовжньої складової примушує сили, званої «критичної», при значенні її частоти fкр (приблизно рівної подвоєної резонансної частоти дифузора) відбувається явище «втрати динамічної стійкості», що призводить до появи згинальних коливань частотою (F/n)fо. На коливання основного тону із частотою fо накладаються коливання із частотою fо/2 (що слух сприймається як «призвук»). Для гучномовців, що застосовуються в апаратурі Hi-Fi, зменшення «призвуків» є надзвичайно актуальним.

Гармонічні спотворення високих порядків (nfo) — при збудженні гучномовця тональним сигналом у спектрі, що випромінюється, можуть бути гармоніки вищих порядків (n=5). Як зазначалося, чутливість слуху до гармонікам вищих порядків у кілька разів більше, ніж до гармонікам нижчих (n=2, 3), тому присутність гармонік з n=>5, навіть із невеликим рівнем, сприймається як «перешкода». Якщо рівні цих гармонік не зменшуються зі зростанням їх номера, то суб'єктивно це сприймається як «брязкіт» (що спричиняє забракування гучномовців відповідно до ГОСТ 16122—78).

Інтермодуляційні та частотно-модульовані (ефект Доплера) спотворення окремих гучномовців оцінюють зазвичай за методикою, описаною в гол. 1. Усі конструктивні та технологічні заходи, спрямовані на підвищення жорсткості або демпфування у рухомих системах, призводять також до зниженняинтермодуляционных спотворень, оскільки причиною появи є та ж амплітудна нелінійність пружних характеристик рухливих систем, як і інших видів спотворень. Частотно-модульовані спотворення (ЧМ) у випромінювачах, обумовлені ефектом Доплера, можуть досягати значних рівнів для широкосмугових гучномовців з великою амплітудою змішування на нижніх частотах.

Усі перелічені види нелінійних спотворень зумовлюються нелінійністю коливальних процесів у рухомий системі гучномовця. Однак у гучномовцях є ще один вузол: "звукова котушка - магнітний ланцюг", який також є джерелом нелінійних спотворень, що виникають у процесі електромеханічного перетворення енергії. (Алдошина І.А., Войшвілло А.Г. Високоякісні акустичні системи та випромінювачі.)

У книзі згадується ГОСТ 16122-78, є новий ГОСТ 16122-87 прийнятий в 89 році (з встановленим терміном дії по 94-й рік). Розвиток ГОСТ та рекомендації AES не суперечать "старим вимірам", а вносять різні поправки та рекомендації. Наприклад у ГОСТ 16122-87 вже замість загальних слів про смугу частот 100

8000 Гц для вимірювання SPL, згадуються виміри SPL по шуму з кривими А і Б. Також говориться про те, що вимір не обов'язково робити строго з 1 метра, а рекомендується робити на відстані від 0,5 до 1 метра і більше в залежності від габаритів АС. Менша відстань у межах допустимого, не надає помітного впливу на АЧХ, але дозволяє знизити вплив приміщення, чутливість без проблем перераховується для вказівки в 1 метр.

Особливо важливим є зауваження на самому початку ГОСТ 16122—87, спрямоване на адекватність одержуваних даних

У технічних умовах гучномовці конкретного типу допускаєтьсявстановлювати методи, відмінні від зазначених у цьому стандарті, якщо вони забезпечують еквівалентні результати вимірювання фізичних величин.

Бажаючі можуть ознайомитись з ГОСТ 16122-87 окремо, знайшовши його у пошуку в інтернеті.

Аналіз спотворень та вимірювання

Найуразливіші частотні діапазони для активної колонки зі збільшенням гучності — це низькочастотний діапазон із призвуками фазоінвертора і перехідна зона, де високочастотний динамік може недостатньо фільтруватися від низьких частот. Інакше кажучи, АС починає працювати більш високої гучності, коли він вже може дати якісний звук.

Виробники зазвичай не вказують SPL для своїх активних АС, воліючи вказувати лише потужність підсилювача (без зазначення чутливості АС). Покупці, які слабо знаються на технічних параметрах сприймають параметр потужності підсилювача як гучність системи загалом, що неправильно.

Як і потужність SPL не несе в собі корисної інформації без прив'язки до чисельного відображення коефіцієнта спотворень або спектра спотворень.

Замір спотворень часто робиться тієї гучності, де відбувається експлуатація АС. При вимірі спотворень різних АС у час різними людьми без вказівки SPL, такі графіки дають можливість робити точне порівняння між собою, т.к. поняття робочої гучності у кожного своє.

Для визначення певної гучності використовується шумовий сигнал, що дозволяє визначити певну гучність.Фіксований рівень гучності по шуму виставляється згідно з показанням приладу, що вимірює рівень шуму в дБА. Вимірювання значення кривої А дозволяє не враховувати вплив низьких і високих частот, івідповідає суб'єктивному виставленню рівних гучностей між АС.

Відтворення тестового треку проводиться через плеєр з відключеним будь-яким видом обробки сигналу.

Для синуса з рівнем -3 дБ, з таким же амплітудним значенням, як у тестового сигналу рожевого шуму, що використовується, потужність сигналу складе -9 дБ. Це дуже важливо, т.к. гучність виставляється саме за шумом за показанням тиску шумоміром, а спотворення досліджуються на синусоїдальних сигналах і підсумкові значення повинні відповідати гучності відтворених синусів. Знаючи відношення вихідних потужностей сигналів, що подаються на АС, можна обчислити потужність тестового сигналу, знаючи потужність шуму.

Наприклад, як було показано вище, потужність шуму та синуса з однаковою амплітудою відрізняється приблизно на 9 дБ. Це означає, що якщо встановити рівень гучності по шуму в 80 дБА, то при відтворенні синусів з амплітудою на 9 дБ нижче ми отримаємо аналогічне значення синусів в ті ж 80 дБА (при усередненому значенні, так як АЧХ має певну нерівномірність, і значення кожного синуса варіюватиметься відповідно до нерівномірності АЧХ).

Технічно, вимірювання на різних рівнях гучності можна робити або виставляючи щоразу за показаннями SPL шумоміра для кожного рівня гучності, або виставити один раз, а рівень гучності змінювати тестові сигнали.