Techlabs.ru

Методика тестирования акустических систем

26.07.2007 00:05, Василий Запотылок

Содержание статьи:

Мы продолжаем нашу традицию, и публикуем очередную статью из серии "методика тестирования". Подобные статьи служат как общетеоретическим базисом, помогающим читателям получить введение в тему, так и конкретным руководством по интерпретации результатов тестов, полученных в нашей лаборатории. Сегодняшняя статья по методике будет несколько необычной – мы решили посвятить значительную ее часть теории звука и акустических систем. Зачем это нужно? Дело в том, что звук и акустика – практически самая сложная из всех освещаемых нашим ресурсом тематик. И, пожалуй, среднестатистический читатель подкован в этой области меньше, чем, скажем, в оценке разгонного потенциала различных степпингов Core 2 Duo. Мы рассчитываем, что справочные материалы, которые легли в основу статьи, а также непосредственное описание методики измерения и тестирования позволят заполнить некоторые пробелы в знаниях всех любителей хорошего звука. Итак, начнем с основных терминов и понятий, которые обязан знать любой начинающий аудиофил.  

Основные термины и понятия 

Небольшое введение в музыку 

Начнем оригинально: с начала. С того, что звучит через колонки, и о прочих наушниках. Так уж повелось, что среднестатистическое человечье ухо различает сигналы  в диапазоне от 20 до 20 000 Гц (или 20 кГц). Этот довольно солидный диапазон в свою очередь делится обычно на 10 октав (можно поделить на любое другое количество, но принято именно 10). 

В общем случае октава – это диапазон частот, границы которого вычисляются  удвоением или ополовиниванием частоты. Нижняя граница последующей октавы получается удвоением нижней границы предыдущей октавы. Кто знаком с булевой алгеброй, то тому этот ряд покажется странно знакомым. Степени двойки с дописанным нулем в конце в чистом виде. Собственно, зачем нужно знание октав? Оно необходимо для того, чтобы прекратить путаницу в том, что надо называть нижним, средним или еще каким басом и тому подобное. Общепринятый набор октав однозначно определяет, кто есть кто с точностью до герца.

Номер октавы

Нижняя граница, Гц

Верхняя граница, Гц

Название

Название 2

1

20

40

Глубокий бас

 

2

40

80

Средний бас

Субконтр

3

80

160

Верхний бас

Контр

4

160

320

Нижняя середина

Большая

5

320

640

Собственно середина

Малая

6

640

1280

Верхняя середина

1-я

7

1280

2560

Нижний верх

2-я

8

2560

5120

Средний верх

3-я

9

5120

10240

Верхние высокие

4-я

10

10240

20480

Верхняя октава

5-я

 

20480

26579.5

 

6-я

Последняя строка не нумерована. Это связано с тем, что в стандартную десятку октав она не входит. Обратите внимание на столбец "Название 2". Здесь содержатся названия октав, которые выделяются музыкантами. У этих "странных" людей нет понятия глубокого баса, зато есть одна октава сверху - от 20480 Гц. Поэтому такое расхождение в нумерации и названиях. 

Теперь можно говорить более предметно о частотном диапазоне акустических систем. Следует начать с неприятной новости: глубокого баса в мультимедийной акустике нет. 20 Гц подавляющее большинство любителей музыки на уровне -3 дБ попросту никогда не слышало. А теперь новость приятная и неожиданная. В реальном сигнале таких частот тоже нет (за некоторым исключением, естественно). Исключением является, например, запись с судейского диска IASCA Competition. Песенка называется "The Viking". Там даже 10 Гц записаны с приличной амплитудой. Этот трек записывали в специальном помещении на огромном органе. Систему, которая отыграет "Викингов", судьи увешают наградами, как новогоднюю елку игрушками. А с реальным сигналом все проще: басовый барабан – от 40 Гц. Здоровенные китайские барабаны – тоже от 40 Гц (есть там среди них, правда, один мегабарабан. Так он аж от 30 Гц начинает играть). Живой контрабас – вообще от 60 Гц. Как можно заметить, 20 Гц здесь не упоминаются. Поэтому можно не расстраиваться по поводу отсутствия настолько низких составляющих. Они для прослушивания реальной музыки не нужны. 

На рисунке представлена спектрограмма. На ней две кривые: фиолетовая DIN  и зеленая (от старости) IEC. Эти кривые отображают распределение по спектру среднего музыкального сигнала. Характеристика IEC применялась до 60-х годов 20-го века. В те времена предпочитали не издеваться над пищалкой. А после 60-х эксперты обратили внимание на то, что предпочтения слушателей и музыка несколько поменялись. Это отразилось в стандарте великого и могучего DIN. Как видно, высоких частот стало гораздо больше. Но баса не прибавилось. Вывод: не нужно гоняться за супербасистыми системами. Тем более что желанных 20 Гц там все равно не положили в коробку.  

Характеристики акустических систем 

Теперь, зная азбуку октав и музыки, можно приступить к пониманию АЧХ. АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) – зависимость амплитуды колебания на выходе устройства от частоты входного гармонического сигнала. То есть системе подают на вход сигнал, уровень которого принимается за 0 дБ. Из этого сигнала колонки с усилительным трактом делают, что могут. Получается у них обычно не прямая на 0 дБ, а некоторым образом изломанная линия. Самое интересное, кстати, заключается в том, что все (от аудиолюбителей до аудиопроизводителей) стремятся к идеально ровной АЧХ, но "пристремиться" боятся.  

Собственно, в чем польза АЧХ и зачем авторы TECHLABS с завидным постоянством стараются замерить эту кривую? Дело в том, что по ней можно установить настоящие, а не нашептанные "злым маркетинговым духом" производителю границы частотного диапазона. Принято указывать, при каком падении сигнала граничные частоты все-таки проигрываются. Если не указано, то считается, что были взяты стандартные -3 дБ. Вот здесь и кроется подвох. Достаточно не указать, при каком падении были взяты значения границы, и можно абсолютно честно указывать хоть 20 Гц – 20 кГц, хотя, действительно, эти 20 Гц достижимы при уровне сигнала, который сильно отличается от положенных -3. 

Также польза АЧХ выражается в том, что по ней, хотя и приблизительно, но можно понять, какие проблемы возникнут у выбранной системы. Причем системы в целом. АЧХ страдает от всех элементов тракта. Чтобы понять, как будет звучать система по графику, нужно знать элементы психоакустики. Если коротко, то дело обстоит так: человек разговаривает в пределах средних частот. Поэтому и воспринимает их же лучше всего. И  на соответствующих октавах график должен быть наиболее ровным, так как искажения в этой области сильно давят на уши. Также нежелательно наличие высоких узких пиков. Общее правило здесь такое: пики слышны лучше, чем впадины, и острый пик слышен лучше пологого. Подробнее на этом параметре мы остановимся, когда будем рассматривать процесс его измерения.  

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает изменение фазы гармонического сигнала, воспроизводимого АС в зависимости от частоты. Однозначно может быть вычислена из АЧХ с помощью преобразования Гильберта. Идеальная ФЧХ, говорящая, что система не имеет фазочастотных искажений, прямая, проходящая через начало координат. Акустика с такой ФЧХ называется фазолинейной. Долгое время на эту характеристику не обращали внимания, так как существовало мнение о том, что человек не восприимчив к фазочастотным искажениям. Сейчас же измеряют и указывают в паспортах дорогих систем.  

Импульсной характеристикой (импульсным откликом) называют выходной сигнал АС при подаче на вход короткого одиночного импульса. Идеал – если импульсная характеристика повторит импульс на входе без изменений. Часто же до и после импульса на выходе появляются всплески меньшей амплитуды. Такое поведение отклика фильтра говорит о том, что на выходе акустической системы импульс тоже будет порождать паразитные колебания.  

Переходная характеристикавыходной сигнал фильтра, который является реакцией на входной сигнал типа ступенька (сигнал с нуля мгновенно достигает некоторой амплитуды и устанавливается на таком уровне). Такой импульс также может порождать и порождает  паразитные колебания. Естественно, это отразится и на поведении АС, которая воспроизведет и импульс, и паразитные колебания. Характеристика позволяет судить о когерентности системы.  

Кумулятивное затухание спектра (КЗС) – совокупность осевых АЧХ (АЧХ, измеренных на акустической оси системы), полученных с определенным временным промежутком при затухании единичного импульса и отраженных на одном трехмерном графике. Таким образом, по графику КЗС можно точно сказать, какие области спектра с какой скоростью будут затухать после импульса, то есть график позволяет выявлять запаздывающие резонансы АС.  

Если КЗС имеет много резонансов после верхней середины, то такая акустика субъективно будет звучать "грязно", "с песочком на ВЧ" и т.д. 

Импеданс АСэто полное электрическое сопротивление АС, включая сопротивления элементов фильтра (комплексная величина). Это сопротивление содержит в себе не только активное сопротивление, но и реактивные сопротивления емкостей и индуктивностей. Так как реактивное сопротивление зависит от частоты, то и импеданс целиком подчиняется также ей.  

Если говорят об импедансе, как о численной величине, начисто лишенной комплексности, то высказываются о его модуле.  

График импеданса трехмерный (амплитуда-фаза-частота). Обычно рассматриваются его проекции на плоскости амплитуда-частота и фаза-частота. Если объединить эти два графика, то получится график Боде. А проекция амплитуда-фаза – график Найквиста.

Учитывая то, что импеданс зависит от частоты и не постоянен, по нему можно легко определить, какую сложность представляет собой акустика для усилителя. Также по графику можно сказать, какая это акустика (ЗЯ – закрытый ящик), ФИ (с фазоинвертором), как будут воспроизводиться отдельные участки диапазона. 

Чувствительность см. в параметрах Тиля-Смолла. 

Когерентность согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов во времени. Означает, что сигнал от разных ГГ акустических систем придет к слушателю одновременно, то есть говорит о сохранности фазовой информации.  

Значение комнаты прослушивания

Комната прослушивания (в среде аудиофилов часто сокращают до КдП), да и его условия крайне важны. Некоторые ставят КДП на первое место по важности и уж после нее – акустику, усилитель, источник. Это в некоторой степени оправданно, так как комната способна делать все, что угодно, с измеряемыми микрофоном графиками и параметрами. Могут появляться пики или провалы на АЧХ, которых не было на измерениях в заглушенной комнате. Изменится и ФЧХ (вслед за АЧХ), и переходные характеристики. Для того чтобы уяснить, откуда берутся такие изменения, нужно ввести понятие комнатных мод. 

Комнатные моды – это красиво названные комнатные резонансы. Звук излучается акустической системой во все стороны. Звуковые волны отражаются от всего, что только есть в комнате. В общем случае поведение звука в отдельно взятой комнате для прослушивания (КДП) абсолютно непредсказуемо. Есть, конечно же, расчеты, позволяющие оценить влияние различных мод на звук. Но они существуют для пустой комнаты с идеализированным покрытием. Поэтому приводить здесь их не стоит, они не имеют практической ценности в бытовых условиях.  

Надо, однако, знать, что резонансы и причины их появления напрямую зависят от частоты сигнала. Так, например, низкие частоты возбуждают моды комнаты, которые обусловлены размерами КДП. Гулкость баса (резонанс на 35-100 Гц) – яркий представитель появления резонансов в ответ на сигнал низкой частоты в стандартной комнате 16-20 м2. Высокие частоты порождают несколько иные проблемы: появляются дифракция и интерференция звуковых волн, которые делают характеристику направленности АС частотно-зависимой. То есть направленность АС с ростом частоты становится все более узкой. Из этого следует, что максимальный комфорт получит слушатель на пересечении акустических осей колонок. И только он. Все остальные точки пространства недополучат информации или получат ее искаженной тем или иным образом. 

Влияние комнаты на АС можно значительно уменьшить, если заглушить КДП. Для этого применяются различные звукопоглощающие материалы – от плотных штор и ковров до специальных плит и хитрых конфигураций стен и потолка. Чем глуше помещение, тем больший вклад вносит в звучание именно АС, а не отражения от любимого компьютерного стола и горшка с геранью. 

Рецепты расстановки колонок в комнате 

Фирма Vandersteen рекомендует ставить АС вдоль длинной стены комнаты в точках, где наименьшая вероятность возникновения низкочастотных мод. Нужно начертить план комнаты. На плане поделить длинную стену последовательно на три, пять, семь и девять частей, провести соответствующие линии перпендикулярно этой стене. То же самое проделать и с боковой стеной. Точки пересечения этих линий укажут те места, где возбуждение низких частот в комнате минимальное. 

Фирма NHT рекомендует следующие методы решения распространенных проблем. 

Недостаточность баса, отсутствие плотного и четкого баса: 

Стереокартина не выходит за пределы пространства, ограниченного АС: 

Отсутствует глубина звукового пространства. В центре между АС нет четкого звукового образа: 

Резкое раздражающее звучание в области средних и высоких частот: 

Искажения

От субъективизма нужно переходить к техническим понятиям. Начать стоит с искажений. Они делятся на две большие группы: линейные и нелинейные искажения. Линейные искажения не создают новых спектральных составляющих сигнала, изменяют только амплитудные и фазовые составляющие. (Искажают АЧХ и ФЧХ соответственно.) Нелинейные искажения вносят изменения в спектр сигнала. Количество их в сигнале представляется в виде коэффициентов нелинейных искажений и интермодуляционных искажений. 

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD – total harmonic distortion) – это показатель, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы. По-русски: на вход подается синусоида. На выходе она сама на себя не похожа, так как тракт вносит изменения в виде дополнительных гармоник. Степень отличия сигнала на входе и на выходе отражается этим коэффициентом.  

Коэффициент интермодуляционных искажений – это проявление амплитудной нелинейности, выраженной в виде модуляционных продуктов, появляющихся при подаче сигнала, состоящих из сигналов с частотами f1 и f2(исходя из рекомендации МЭК 268-5, для измерений берутся частоты f1 и f2, такие, что f1< f2/8. Можно взять и другое соотношение между частотами). Количественно  интермодуляционные искажения оценивают по спектральным компонентам с частотами f2±(n-1)f1, где n=2,3,… На выходе системы сравнивают количество лишних гармоник и оценивают, какой процент спектра они занимают. Результатом сравнения и является коэффициент интермодуляционного искажения. Если измерения проводятся для нескольких n (обычно 2 и 3 достаточно), то итоговый коэффициент интермодуляционных искажений вычисляется из промежуточных (для разных n) путем взятия квадратного корня из суммы их квадратов. 

Мощность

О ней можно говорить очень долго, так как видов измеряемых мощностей динамиков много.  

Несколько аксиом:  

Мощность акустической системы бывает электрической и акустической. Акустическую мощность увидеть на коробке с акустикой нереально. Видимо, чтобы не отпугнуть клиента маленькой цифрой. Дело в том, что КПД (коэффициент полезного действия) ГГ (головки громкоговорителя) в очень хорошем случае достигает 1%. Обычное же значение лежит до 0.5%. Таким образом, акустическая мощность системы в идеале может составить одну сотую его электрического потенциала. Все остальное рассеивается в виде тепла, тратится на преодоление упругих и вязких сил динамика.  

Основные виды мощностей, которые можно увидеть на акустике, такие: RMS, PMPO. Это электрические мощности. 

RMS (Root Mean Squared – среднеквадратичное значение) – усредненное значение подводимой электрической мощности. Мощность, измеренная таким образом, имеет смысловую нагрузку. Измеряется подачей синусоиды с частотой 1000 Гц, ограничена сверху заданным значением КНИ (THD). Обязательно необходимо изучить, какой же уровень нелинейных искажений производитель считал допустимым, чтобы не обмануться. Может оказаться так, что система заявлена в 20 Ватт на канал, но измерения проведены при 10% КНИ. В итоге слушать акустику на данной мощности невозможно. Также на RMS-мощности колонки могут играть длительное время. 

PMPO (Peak Music Power Output – пиковая выходная музыкальная мощность). Какая польза от того, узнает ли человек о том, что его система, возможно, перенесет коротенький, меньше секунды, синус низкой частоты с большой мощностью? Тем не менее, производители очень любят этот параметр. Ведь на пластиковых колоночках размером с детский кулачок может стоять гордая цифра 100 Ватт. Здоровые коробки советских С-90 и рядом не валялись! :) Как ни странно, к реальной PMPO такие цифры имеют очень отдаленное отношение. Эмпирическим путем (исходя из опыта и наблюдений) можно получить приблизительно реальные ватты. Возьмем Genius SPG-06 для примера (PMPO-120 Ватт). Надо PMPO разделить на 10 (12 Ватт) и на 2 (число каналов). На выходе – 6 Ватт, что похоже на реальный показатель. Еще раз: этот метод не научный, а основан на наблюдениях автора. Обычно работает. Реально этот параметр не так и велик, а огромные цифры основаны только на бурной фантазии маркетингового отдела. 

Параметры Тиля-Смолла 

Эти параметры полностью описывают динамик. Есть параметры как конструктивные (площадь, масса подвижной системы), так и неконструктивные (которые следуют из конструктивных). Их всего 15 штук. Для того чтобы примерно представить себе, что за динамик работает в колонке, достаточно четырех из них. 

Резонансная частота динамика Fs (Гц) – частота резонанса динамика, работающего без акустического оформления. Зависит от массы подвижной системы и жесткости подвеса. Важно знать, так как ниже резонансной частоты динамик практически не звучит (уровень звукового давления сильно и резко падает). 

Эквивалентный объем Vas (литры) – полезный объем корпуса, нужный для работы динамика. Зависит только от площади диффузора (Sd) и гибкости подвеса. Важен потому, что, работая, динамик опирается не только на подвес, но и на воздух внутри ящика. Если давление будет не таким, какое нужно, то не видать идеальной работы динамика. 

Полная добротность Qtsсоотношение упругих и вязких сил в подвижной системе динамика вблизи частоты резонанса. Чем выше добротность, тем выше упругость в динамике и тем более охотно он звучит на резонансной частоте. Складывается из механической и электрической добротностей. Механическая – это упругости подвеса и гофра центрирующей шайбы. Как ни привычно, но именно гофр оказывает большую упругость, а не внешние подвесы. Механическая добротность – 10-15% полной добротности. Все остальное – электрическая добротность, образованная магнитом и катушкой динамика. 

Сопротивление постоянному току Re (Ом). Пояснять особо как-то здесь и нечего. Сопротивление обмотки головки постоянному току. 

Механическая добротность Qms – отношение упругих и вязких сил динамика, упругость считается только механических элементов динамика. Складывается из упругости подвеса и гофра центрирующей шайбы.

Электрическая добротность Qes – отношение упругих и вязких сил динамика, упругие силы возникают в электрической части динамика (магнит и катушка). 

Площадь диффузора Sd 2) – меряется, грубо говоря, линейкой. Никакого тайного смысла не имеет. 

Чувствительность SPL (дБ) – уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем. Измеряется на расстоянии 1 метра при подводимой мощности 1 Ватт и частоте 1 кГц (обычно). Чем выше чувствительность, тем громче играет система. В двух- и более полосной системе чувствительность равна SPL самого чувствительного динамика (обычно это басовый лопух). 

Индуктивность Le (Генри) – это индуктивность катушки динамика.  

Импеданс Z (Ом) – комплексная характеристика, которая появляется не на постоянном токе, а на переменном. Дело в том, что в таком случае, реактивные элементы начинают вдруг сопротивляться току. Сопротивление зависит от частоты. Таким образом, импеданс – отношение комплексной амплитуды напряжения и комплексной силы тока на определенной частоте. (Комплексное сопротивление, зависящее от частоты, другими словами). 

Пиковая мощность Pe (Ватт) – это PMPO, которая рассмотрена выше.  

Масса подвижной системы Mms (г) – эффективная масса подвижной системы, которая включает в себя массу диффузора и колеблющегося вместе с ним воздуха. 

Относительная жесткость Cms (метров/ньютон) – гибкость подвижной системы головки громкоговорителя, смещение под воздействием механической нагрузки (например, пальца, который целится потыкать динамик). Чем больше параметр, тем мягче подвес. 

Механическое сопротивление Rms (кг/сек) – активное механическое сопротивление  головки. Все, что может оказать механическое сопротивление в головке, сюда входит. 

Двигательная мощность BLзначение плотности магнитного потока, умноженного на длину провода в катушке. Также этот параметр называется силовым фактором динамика. Можно сказать, что это та мощность, которая будет действовать на диффузор со стороны магнита. 

Все перечисленные параметры тесно взаимосвязаны. Это довольно очевидно из определений. Вот основные зависимости: 

Итак, теперь вы знакомы с базовым теоретическим аппаратом, необходимым для понимания статей по акустическим системам. Перейдем же непосредственно к методике тестирования, которой пользуются авторы нашего портала.  



Методика тестирования 

АЧХ. Методика измерения и трактовка 

В начале данного раздела немного отклонимся от основной темы и объясним, зачем все это делается. Во-первых, мы хотим описать наш собственный метод измерения АЧХ, чтобы у читателя не возникало дополнительных вопросов. Во-вторых, мы подробно расскажем, как воспринимать полученные графики и что можно сказать по приведенным зависимостям, а также чего говорить не стоит. Для начала методика.

 

Измерительный микрофон Nady CM-100

Наша методика измерения АЧХ вполне традиционна и мало чем отличается от общепринятых принципов проведения подробных экспериментов. Собственно сам комплекс состоит из двух частей: железной и софтовой. Начнем с описания реальных приборов, которые используются в рамках нашей работы. В качестве измерительного микрофона мы применяем высокоточный конденсаторный микрофон Behringer ECM-8000 с круговой диаграммой направленности (всенаправленный), при относительно низкой цене он обладает довольно хорошими параметрами. Так сказать, это "сердце" нашей системы. Данный инструмент разработан специально для использования с современной техникой в составе бюджетных измерительных лабораторий. Также в нашем распоряжении имеется похожий микрофон Nady CM-100. Характеристики обоих микрофонов практически повторят друг друга, однако мы всегда указываем каким микрофоном была измерена та или иная АЧХ. Для примера приведем заявленные технические характеристики микрофона Nady CM-100: 

АЧХ измерительного микрофона

При измерениях микрофон крепится с помощью специальной стойки Proel. Стойка позволяет четко фиксировать микрофон в пространстве, выбирать любую высоту и углы наклона. Так же это способствует повышению точности измерения, т.к. уменьшается количество паразитных интерференций и переотражений.

Микрофонный предусилитель M-Audio AudioBuddy

В качестве микрофонного предусилителя мы используем внешнее компактное решение M-Audio AudioBuddy. Предусилитель AudioBuddy разработан специально для применения в области цифровой звукозаписи и оптимизирован для работы с микрофонами, которым необходимо фантомное питание. Плюс к этому в распоряжении пользователя оказываются независимые выходы: балансные или небалансные TRS. Основные параметры предусилителя таковы: 

Звуковая плата ESI Juli@

Для дальнейшего анализа сигнал с выхода усилителя поступает на вход компьютерного аудио интерфейса, в качестве которого используется PCI-плата ESI Juli@. Данное решение смело можно отнести к классу полупрофессиональных устройств или даже профессиональных начального уровня. Основные параметры:  


 

В целом, неравномерность тракта всей системы в диапазоне частот 20-20000 Гц лежит в пределах +/- 1…2 дБ, поэтому  наши измерения можно считать довольно точными. Основным негативным фактором является то, что все замеры проводятся в среднестатистическом жилом помещении со стандартной реверберацией. Площадь комнаты составляет 34 м2, объем – 102 м3. Использование безэховой камеры, естественно, повышает точность получаемого результата, однако стоимость такой камеры составляет минимум несколько десятков тысяч долларов, поэтому позволить себе такую "роскошь" могут лишь крупные производители акустических систем или же иные весьма обеспеченные организации. Однако есть в этом и ощутимые плюсы: так, АЧХ в реальном помещении всегда будет далека от АЧХ, которая получена производителем в тестовой камере. Поэтому по нашим результатам мы можем сделать некоторые выводы по взаимодействию конкретной акустики со среднестатистической комнатой. Данная информация тоже очень ценна, ведь любая система будет эксплуатироваться в реальных условиях.

Популярная утилита RightMark Audio Analyzer

Вторым немаловажным моментом является программная часть. В нашем распоряжении есть несколько профессиональных программных комплексов, таких как RightMark Audio Analyzer ver. 5.5 (RMAA), TrueRTA ver. 3.3.2, LSPCad ver. 5.25, и т.д. Как правило, мы используем удобную утилиту RMAA, при условии бесплатного распространения и постоянных обновлений она весьма практична и обеспечивает высокую точность измерений. Фактически, она уже стала стандартом среди тестовых пакетов во всем рунете.

Программа TrueRTA

Измерительный модуль JustMLS программы LSPCad

Казалось бы, любое измерение должно проводиться по строго установленным правилам, однако в области акустики данных правил слишком много, и зачастую они несколько расходятся между собой. Например, основные нормы и методы измерения приводятся сразу в нескольких весьма весомых документах: устаревшие ГОСТЫ СССР (ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88), рекомендации МЭК (публикации 268-5, 581-5 и 581-7), немецкий стандарт  DIN 45500, а также американские положения AES и EIA.

Свои измерения мы производим следующим образом. Акустическая система (АС) устанавливается в центре комнаты при максимальном удалении от стен и объемных предметов, для инсталляции используется качественная стойка высотой 1 м. Микрофон устанавливается на расстоянии порядка метра на прямой оси. Высота выбирается таким образом, что бы микрофон "смотрел" примерно в центральную точку между динамиками СЧ и ВЧ. Полученная АЧХ называется характеристикой, снятой на прямой оси, и в классической электроакустике считается одним из важнейших параметров. Считается, что верность воспроизведения напрямую зависит от неравномерности АЧХ. Однако об этом читайте чуть ниже. Также мы всегда измеряем угловые характеристики системы. В идеальном случае необходимо получать целый набор зависимостей в вертикальной и горизонтальной плоскостях с шагом 10…15 градусов. Тогда вполне обосновано можно сделать выводы о диаграмме направленности колонок, дать советы по верной расстановке в пространстве. По сути, угловые АЧХ имеют не меньшее значение, нежели АЧХ по прямой оси, поскольку они определяют характер звука, доходящего до слушателя после отражения от стен помещения. По некоторым данным, доля отражений в точке прослушивания достигает 80% и более. Также мы снимаем все возможные характеристики тракта при всех имеющихся частотных регулировках, режимах типа 3D, и т.д.

Упрощенная блок-схема процесса измерений

Далее происходит анализ полученных результатов. Здесь следует немного заострить внимание читателя на строении и способе работы слухового аппарата человека. Все люди слышат по-разному и имеют различную разрешающую способность слуха, как по частоте, так и по времени. Обмануть уши человека очень просто, а порой подобный обман воспринимается только с положительной стороны. Не зря записи многих именитых исполнителей производятся с существенными коррекциями АЧХ. Однако все же есть некоторые усредненные значения. Например, наша слуховая система представляет многоканальный спектрометр, содержащий около 4000 избирательных фильтров, что  позволяет ей хорошо анализировать короткие импульсы, поскольку полоса прозрачности избирательных фильтров достаточно велика. Причем разрешающая способность слуха выше при малой интенсивности звука, именно поэтому для субъективного прослушивания рекомендуется музыка, где повышенная интенсивность довольно редка, например, классика, джаз, вокал, и т.д. В свою очередь, громкая, можно сказать, агрессивная музыка, помогает выявить наличие паразитных резонансов, изучить атаку системы, а также сделать однозначные выводы по развиваемому звуковому давлению. Поэтому при прослушивании желательно задействовать максимальное количество стилей и направлений. В итоге после нескольких часов уже можно делать весьма информативные и точные выводы.  В общих же чертах АЧХ слуховой системы (слухового нерва) близка к АЧХ низкочастотного фильтра второго порядка с частотой среза 2 кГц. Поэтому субъективное разрешение по частоте падает на частотах выше 2 кГц с наклоном 12 дБ на октаву. Именно поэтому средние частоты так важны при формировании музыкального образа, а высокие являются не столь важными, хотя роль их тоже весьма велика. Все это прекрасно коррелирует с тезисами по оценке АЧХ, которые будут изложены далее.

По этим графикам можно сказать многое… 

Субъективное прослушивание

Итак, графики АЧХ получены. Что можно сказать, подробно изучив их? На самом деле сказать можно много, но оценить однозначно систему по данным зависимостям невозможно. Мало того, что АЧХ  - это не очень информативная характеристика, и требуется еще целый ряд дополнительных измерений, например, импульсной характеристики, переходной характеристики, кумулятивного затухания спектра, и др., так даже по этим исчерпывающим зависимостям дать однозначную оценку акустики довольно сложно. Веским доказательством тому может служить официально заявление AES (Journal of AES, 1994 год), что субъективная оценка просто необходима для получения полного представления об акустической системе в сумме с объективными измерениями. Иными словами, человек может слышать некий артефакт, а понять, откуда он берется, можно, лишь проведя ряд точных замеров. Иногда измерения помогают выявить несущественный недостаток, который запросто может проскользнуть мимо ушей при прослушивании, и "поймать" его можно, только акцентировав свое внимание именно на этом диапазоне. 

Для начала необходимо разбить весь частотный диапазон на характерные участки, чтобы было понятно, о чем идет речь. Согласитесь, когда мы говорим "средние частоты", ведь непонятно, сколько это: 300 Гц или 1 кГц? Посему предлагаем пользоваться удобной разбивкой всего звукового диапазона на 10 октав, описанной в предыдущем разделе. 

Наконец, переходим непосредственно к моменту субъективного описания звука. Существуют тысячи терминов для оценки слышимого. Наиболее оптимальным вариантом является использование некой документированной системы. И такая система есть, ее предлагает авторитетнейшее издание с полувековой историей Stereophile. Относительно недавно (в начале 90-х гг. прошлого века) был опубликован акустический словарь Audio Glossary под редакцией Гордона Холта. В словаре изложена трактовка более 2000 понятий, которые тем или иным образом относятся к звуку. Мы предлагаем ознакомиться лишь с малой их частью, которая относится к субъективному описанию звука в переводе Александра Белканова (Журнал "Салон АВ"):  

Итак, теперь, глядя на приведенную АЧХ, можно охарактеризовать звучание одним или несколькими терминами из данного списка. Главное, что термины системные, и даже неопытный читатель может, посмотрев их значение, понять, что хотел сказать автор.  

На каком же материале тестируется акустика? При выборе тестового материала мы руководствовались принципом разнообразия (ведь каждый использует акустику в совершенно различных применениях – кино, музыка, игры, не говоря уже про различные вкусы в музыке) и качества материала. В этой связи набор тестовых дисков традиционно включает: 

 

Остановимся подробнее на тестовых дисках. Их предназначение – выявлять недостатки акустических систем. Выделяют тестовые диски с тестовым сигналом и с музыкальным материалом. Тестовые сигналы представляют собой сгенерированные реперные частоты (позволяют определить на слух граничные значения воспроизводимого диапазона), белый и розовый шумы, сигнал в фазе и противофазе и так далее. Наиболее интересными нам кажутся популярный тестовый диск FSQ (Fast Sound Quality) и Prime Test CD. Оба этих диска помимо искусственных сигналов содержат фрагменты музыкальный композиций.  

Ко второй категории относятся аудифильские диски, содержащие целые композиции, записанные в студиях высочайшего качества и прецизионно сведенные. Мы используем два лицензионных HDCD-диска (записанные с разрядностью 24 бита и частотой семплирования 88 КГц) – Audiophile Reference II (First Impression Music) и HDCD Sampler (Reference Recordings), а также CD-сэмплер классической музыки Reference Classic того же лейбла Reference Recordings.  

Audiophile Reference II (диск позволяет оценить такие субъективные характеристики, как музыкальное разрешение, вовлеченность, эмоциональность и эффект присутствия, глубину нюансов звучания различных инструментов. Музыкальный материал диска – классические, джазовые и фольклорные произведения, записанные с высочайшим качеством и спродюссированные известным кудесником звука Уинстоном Ма. На записи можно встретить великолепный вокал, мощные китайские барабаны, глубокий струнный бас и на действительно качественной системе получить настоящее наслаждение от прослушивания.  

HDCD Sampler от Reference Recordings содержит симфоническую, камерную и джазовую музыку. На примере его композиций можно отслеживать способность акустических систем строить музыкальную сцену, передавать макро- и микродинамику, натуральность тембров различных инструментов.  

Reference Classic демонстрирует нам настоящий конек Reference Recordings – записи камерной музыки. Основное предназначение диска – проверять систему на верность воспроизведения различных тембров и способность к созданию правильного стереоэффекта.



Z-характеристика. Методика измерения и трактовка 

Наверняка даже самый неопытный читатель знает, что любая динамическая головка, а, следовательно, и акустическая система в целом обладает постоянным сопротивлением. Данное сопротивление может расцениваться как сопротивление постоянному току. Для бытовой аппаратуры наиболее привычны цифры 4 и 8 Ом. В автомобильной технике зачастую встречаются динамики с сопротивлением 2 Ом. Сопротивление хороших мониторных наушников может достигать сотен Ом. С точки зрения физики данное сопротивление обусловлено свойствами проводника, из которого намотана катушка. Однако динамики, как и наушники, предназначены для работы с переменным током звуковой частоты. Ясно, что с изменением частоты изменяется и комплексное сопротивление. Зависимость, характеризующая это изменение, называется Z-характеристикой.   Z-характеристика довольно важна для изучения, т.к. именно с помощью нее можно сделать однозначные выводы о правильности согласования динамика и усилителя, правильности расчета фильтра, и т.д. Для снятия данной зависимости мы используем программный пакет LSPCad 5.25, а точнее - измерительный модуль JustMLS. Его возможности таковы: 

Для измерения необходимо собрать простенькую схему: последовательно с динамиков включается эталонный резистор (в нашем случае С2-29В-1), и сигнал с данного делителя подается на вход звуковой платы. Вся система (динамик/АС+резистор) подключается через усилитель мощности ЗЧ к выходу той же звуковой карты. Мы используем для этих целей интерфейс ESI Juli@. Программа очень удобна тем, что не требует тщательной и долгой настройки. Достаточно откалибровать звуковые уровни и нажать кнопку "Измерить". Через доли секунды мы видим готовый график. Далее происходит его анализ, в каждом конкретном случае мы преследуем разные цели. Так, при изучении низкочастотного динамика нас интересует резонансная частота для проверки правильности выбора акустического оформления. Знание резонансной частоты высокочастотной головки позволяет проанализировать правильность решения разделительного фильтра. В случае пассивной акустики нас интересует характеристика в целом: она должна быть максимально линейной, без резких пиков и провалов. Так, например, акустика, импеданс которой проседает ниже 2 Ом, придется "не по вкусу" практически любому усилителю. Такие вещи следует знать и учитывать.  

Нелинейные искажения. Методика измерения и трактовка 

Нелинейные искажения (Total Harmonic Distortion, THD) являются важнейшим фактором при оценке акустических систем, усилителей, и т.д. Данный фактор обусловлен нелинейностью тракта, вследствие чего в спектре сигнала появляются дополнительные гармоники.  Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) рассчитывается как отношение квадрата основной гармоники к корню квадратному из суммы квадратов дополнительных гармоник. Как правило, при расчетах учитывается только вторая и третья гармоника, хотя точность можно повысить, учтя все дополнительные гармоники. Для современных акустических систем коэффициент нелинейных искажений нормируется в нескольких полосах частот. Например, для нулевой группы сложности по ГОСТ 23262—88, требования которого значительно превышают минимальные требования МЭК  класса Hi-Fi, коэффициент не должен превышать 1.5% в полосе частот 250-2000 Гц и 1% в полосе  2-6.3 кГц. Сухие цифры, конечно, характеризуют систему в целом, однако фраза "КНИ=1%" еще мало о чем говорит. Яркий пример: ламповый усилитель с коэффициентом нелинейных искажений порядка 10% может звучать намного лучше транзисторного усилителя с тем же коэффициентом менее 1%. Дело в том, что искажения лампы в основном обусловлены теми гармониками, которые экранируются слуховыми порогами адаптации. Поэтому очень важно анализировать спектр сигнала в целом, описывая значения тех или иных гармоник.

Так выглядит спектр сигнала конкретной акустики на контрольной частоте 5 кГц 

В принципе посмотреть распределение гармоник по спектру можно любым анализатором,   как хардварным, так и софтовым. Без проблем это делают те же программы RMAA или TrueRTA. Как правило, мы используем первую. Тестовый сигнал генерируется с помощью простейшего генератора, используется несколько контрольных точек. Так, например, возросшие на высоких частотах нелинейные искажения значительно уменьшают микродинамику музыкального образа, а система с высокими искажениями в целом может просто-напросто сильно искажать тембральный баланс, хрипеть, иметь посторонние призвуки, и т.д.  Также данные измерения позволяют более детально оценить акустику в комплексе с другими измерениями, проверить правильность расчета разделительных фильтров, ведь нелинейные искажения динамика сильно возрастают вне его рабочего диапазона.  

Структура статьи 

Здесь мы опишем структуру статьи по акустическим системам. Несмотря на то, что мы стараемся сделать прочтение максимально приятным и не втискиваем себя в определенные рамки, статьи составляются с учетом данного плана, для того чтобы структура была четкой и понятной.  

1.     Введение 

Здесь пишется общая информация о компании (если мы впервые знакомимся с ней), общая информация о линейке продукции (если впервые берем на тест), даем очерк состояния рынка на текущий момент. Если предыдущие варианты не подходят – пишем о тенденциях на рынке акустики, в дизайне и т.д. – чтобы было написано 2-3 тысячи символов (в дальнейшем – к). Указывается тип акустики (стерео, объемного звучания, трифоник, 5.1 и т.д.) и позиционирование на рынке – как мультимедиа-игровая  для компьютера, универсальная, для прослушивания музыки для домашнего театра начального уровня, пассивная для домашнего театра и т.д.  

2.     ТТХ 

Тактико-технические характеристики, сведенные в таблицу. Перед таблицей с ТТХ делаем небольшое вступление (например "от акустики стоимостью ХХХ мы вправе ожидать серьезных параметров YYY"). Вид таблицы и набор параметров следующий: 

Для систем 2.0 

Параметр

Значение

Выходная мощность, Вт (RMS)

 

КНИ при номинальной мощности, %

 

Внешние размеры колонок, ШхДхВ, мм

 

Вес брутто, кг

 

Вес нетто, кг

 

Диаметр динамиков, мм

 

Сопротивление динамиков, Ом

 

Магнитное экранирование, наличие

 

Напряжение питания, В

 

Частотный диапазон, Гц

 

Неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне, +/- дБ

 

Регулировка высоких частот, дБ

 

Регулировка низких частот, дБ

 

Перекрестные помехи, дБ

 

Отношение сигнал/шум, дБ

 

Комплектность

 

Средняя розничная цена, $

 

Для систем 2.1 

Параметр

Значение

Выходная мощность сателлитов, Вт (RMS)

 

Выходная мощность сабвуфера, Вт (RMS)

 

Выходная мощность суммарная, Вт (RMS)

 

КНИ при номинальной мощности, %

 

Внешние размеры сателлитов, ШхДхВ, мм

 

Внешние размеры сабвуфера, ШхДхВ, мм

 

Вес брутто, кг

 

Вес нетто сателлитов, кг

 

Вес нетто сабвуфера, кг

 

Диаметр динамиков, мм

 

Сопротивление динамиков, Ом

 

Магнитное экранирование, наличие

 

Напряжение питания, В

 

Частотный диапазон сателлитов, Гц

 

Частотный диапазон сабвуфера, Гц

 

Неравномерность АЧХ в полном рабочем диапазоне, +/- дБ

 

Регулировка высоких частот, дБ

 

Регулировка низких частот, дБ

 

Перекрестные помехи, дБ

 

Отношение сигнал/шум, дБ

 

Комплектность

 

Средняя розничная цена, $

 

Для систем 5.1 

Параметр

Значение

Выходная мощность фронтальных сателлитов, Вт (RMS)

 

Выходная мощность тыловых сателлитов, Вт (RMS)

 

Выходная мощность центрального канала, Вт (RMS)

 

Выходная мощность сабвуфера, Вт (RMS)

 

Выходная мощность суммарная, Вт (RMS)

 

КНИ при номинальной мощности, %

 

Внешние размеры фронтальных сателлитов, ШхДхВ, мм

 

Внешние размеры тыловых сателлитов, ШхДхВ, мм

 

Внешние размеры центрального канала, ШхДхВ, мм

 

Внешние размеры сабвуфера, ШхДхВ, мм

 

Вес брутто, кг

 

Вес нетто фронтальных сателлитов, кг

 

Вес нетто тыловых сателлитов, кг

 

Вес нетто центрального канала, кг

 

Вес нетто сабвуфера, кг

 

Диаметр динамиков, мм

 

Сопротивление динамиков, Ом

 

Магнитное экранирование, наличие

 

Напряжение питания, В

 

Частотный диапазон сателлитов, Гц

 

Частотный диапазон сабвуфера, Гц

 

Неравномерность АЧХ в полном рабочем диапазоне, +/- дБ

 

Регулировка высоких частот, дБ

 

Регулировка низких частот, дБ

 

Перекрестные помехи, дБ

 

Отношение сигнал/шум, дБ

 

Комплектность

 

Средняя розничная цена, $

 

За основу мы берем приведенные таблицы, при наличии дополнительных данных делаем еще графы, графы для которых данных нет, просто убираем. После таблицы с ТТХ небольшие предварительные выводы.  

3.     Упаковка и комплектация  

Описываем комплект поставки и коробку, минимум две фотографии. Тут оцениваем полноту комплекта, описываем характер входящих в комплект кабелей, по возможности оцениваем их сечение/диаметр. Делаем вывод о соответствии комплекта ценовой категории, удобстве и дизайне упаковки. Отмечаем наличие русскоязычного руководства по эксплуатации, его полноту.  

4.     Дизайн, эргономика и функциональность 

Описываем первое впечатление от дизайна. Отмечаем характер материалов, их толщину, добротность. Оцениваем дизайнерские решения с точки зрения потенциального влияния на звук (не забывая добавлять слово "предположительно"). Оцениваем качество изготовления, наличие ножек/шипов, гриля/акустической ткани перед диффузорами. Ищем крепления, возможность установки на стойку/полку/стену.  

Описывается эргономика и впечатления от работы с акустикой (исключая прослушивание). Отмечается наличие щелчка при включении, достаточна ли длина проводов, удобно ли пользоваться всеми органами управления. Реализация органов управления (аналоговые ползунки или "крутелки", цифровые валкодеры, тумблеры и т.д.) Несколько фотографий органов управления, ПДУ если есть, фото колонок в обстановке или в сравнении с обычными предметами. Удобство и скорость коммутации, необходимость проверки фазировки, помогает ли инструкция и т.д. Отмечаем эффективность магнитного экранирования (на ЭЛТ-мониторе или телевизоре). Обращаем внимание на дополнительные входы, режимы работы (псевдо-сюрраунд звучание, встроенный FM-тюнер и т.р.), сервисные возможности.  

5.     Конструкция 

Разбираем колонки, если есть сабвуфер – то ещё и его. Отмечаем следующие конструктивные особенности:  

Схемами и графиками мы иллюстрируем следующие вещи: 

6.     Измерения 

Делаем следующие измерения и приводим анализ по каждому из них, делаем предположения по характеру звучания.

7.     Прослушивание 

Вначале даем первую субъективную оценку характеру звучания, указываем, достаточна ли громкость для различных режимов воспроизведения. Отмечаем особенности работы акустики в каждом из типичных применений – кино (для 5.1 систем делаем упор на качество позиционирования), музыка и игры. Указываем тип помещения для прослушивания, его площадь и объем, а  также степень требовательности данной акустики к помещению. Далее мы разбираем звучание колонок, используя описанный выше список характеристик и терминологию. Стараемся избегать субъективных замечаний и при каждой возможности делаем сноску на результат измерений, подтвердивший ту или иную особенность звучания. Вообще весь анализ звучания делается в ключе увязки с измерениями. Обязательно обращается внимание на следующие параметры: 

8.     Выводы 

Здесь дается общая оценка акустике, в первую очередь, соответствие примененных в ней решений конечному результату и ценовой категории. Оценивается, насколько акустика удачна, перспектива, подходит в качестве "заготовки" для модификаций. Дается список плюсов и минусов системы.  

Заключение 

Усидчивый читатель, завершив чтение этой статьи, наверняка вынес что-то новое и интересное для себя. Мы не пытались объять необъятное и осветить все возможные аспекты анализа акустических систем и, тем более, теории звука, оставим это профильным изданиям, у каждого из которых свой взгляд на ту грань, где кончается физика и начинается шаманство. Зато теперь все аспекты тестирования акустики авторами нашего портала должны быть предельно ясны. Мы не устаем повторять, что звук – дело субъективное, и руководствоваться при выборе акустики одними тестами нельзя, однако надеемся, что наши обзоры значительно помогут вам. Хорошего вам звука, уважаемые читатели!

Методика

Карта сайта1 . Карта сайта2 . Карта сайта3 . Карта сайта4 . Карта сайта5 . Карта сайта6 . Карта сайта7 . Карта сайта8 . Карта сайта9 . Карта сайта10 . Карта сайта11 . Карта сайта12 . Карта сайта13 . Карта сайта14 . Карта сайта15 . Карта сайта16 . Карта сайта17 . Карта сайта18 . Карта сайта19 . Карта сайта20 . Карта сайта21 . Карта сайта22 . Карта сайта23 . Карта сайта24 . Карта сайта25 . Карта сайта26 . Карта сайта27 . Карта сайта28 . Карта сайта29 . Карта сайта30 . Карта сайта31 . Карта сайта32 . Карта сайта33 . Карта сайта34 . Карта сайта35 . Карта сайта36 . Карта сайта37 . Карта сайта38 . Карта сайта39 . Карта сайта40 . Карта сайта41 . Карта сайта42 . Карта сайта43 . Карта сайта44 . Карта сайта45 . Карта сайта46 . Карта сайта47 . Карта сайта48 . Карта сайта49 . Карта сайта50 . Карта сайта51 . Карта сайта52 . Карта сайта53 . Карта сайта54 . Карта сайта55 . Карта сайта56 . Карта сайта57 . Карта сайта58 . Карта сайта59 . Карта сайта60 . Карта сайта61 . Карта сайта62 . Карта сайта63 . Карта сайта64 . Карта сайта65 . Карта сайта66 . Карта сайта67 . Карта сайта68 . Карта сайта69 . Карта сайта70 . Карта сайта71 . Карта сайта72 . Карта сайта73 . Карта сайта74 . Карта сайта75 . Карта сайта76 . Карта сайта77 . Карта сайта78 . Карта сайта79 . Карта сайта80 . Карта сайта81 .