Методика измерений громкости активных колонок


 

Искажения у акустических систем появляются от ряда факторов, начиная от оптимальности выбора фильтра и его компонентов, от собственных особенностей примененных динамиков, а так же от конструкции и оформления корпуса.

О зависимости громкости и искажений

При воспроизведении музыкальных и речевых сигналов через АС (в процессе их электромеханических и электроакустических преобразований) возникают различные типы искажений, которые в общем виде могут быть разделены на нелинейные и линейные. Нелинейные искажения характеризуются появлением в процессе преобразования сигнала в АС новых спектральных составляющих, которые искажают временную структуру первоначального сигнала в зависимости от его уровня и свойств системы.
(Алдошина И.А., Войшвилло А.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели
.)

Как правило, качественно и комфортно звучат те АС, которые не вносят существенных искажений в воспроизводимый сигнал от малого до высокого уровня громкости. Как правило, уровень искажений зависит от уровня громкости и отдать предпочтение можно тем АС, которые могут воспроизводить более громко сигнал с меньшими искажениями.

Для оценки нелинейных искажений используют различные виды испытательных сигналов, тональные, шумовые, музыкальные и др. Однако чаще всего для измерений и нормирования нелинейных искажений в АС применяют тональные сигналы. Для оценки гармонических искажений ГОСТ 16122-78 предусматривает использование нескольких видов коэффициентов, рекомендаций МЭК для аппаратуры Hi-Fi предусмотрено применение суммарного характеристического коэффициента гармоник, определяемого как отношение, выраженное в процентах, среднеквадратичного значения звукового давления всех высших гармоник, взятых вместе, к среднеквадратичному значению звукового давления в заданном диапазоне частот.
Измерения выполняются в условиях свободного поля на синусоидальном сигнале при мощности, соответствующей уровню звукового давления, равному Nср=90 дБ (усреднение производится в диапазоне 100–8000 Гц). Обычно ограничиваются суммированием коэффициентов второго и третьего порядков. Методика измерений Кг приведена в ГОСТ 16122-78.

(Алдошина И.А., Войшвилло А.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели.)

Т.к. измерение громкости — это усредненное значение в определенном диапазоне частот, то выставление громкости можно провести не на синусах, а на шумовом сигнале, вычислив громкость для синусов, зная отношения мощностных характеристик шума и синуса. Измерение громкости делается с учетом кривой А, позволяющее получить близкое значение громкости с учетом психоакустики для АС, без учета влияния низких и высоких частот. Стоит отметить, что каждая кривая рекомендована для разных условий измерений. Для измерений автомобильной акустики в салоне автомобиля используют кривую С, учитывающую низкочастотный диапазон для учета работы сабвуфера. В нашем случае акустика полочного типа не может похвастаться расширенным диапазоном низких частот, и применяется кривая А.

Безусловно, есть нормы на для измерений характеристик АС, и они существуют для возможности сравнивать полученные параметры между собой. Однако в ряде случаев можно изменить условия измерений, если это вносит низкую погрешность измерений или отражает более адекватную оценку качества звучания для определенных условий. Например измерениями искажений не уровне 90 дБ, а на различных уровнях, близких к реальной эксплуатации. Например, встроенная акустика ноутбука Acer Aspire 4720z не может физически развить давление выше 78 дБА с 1 метра при воспроизведении синусов с амплитудами 0 дБ. При этом воспроизведение звука на максимальной громкости сопровождается высокими искажениями. Очевидно, что при сравнении качества звучания ноутбуков следует делать сравнение на меньших громкостях. А для концертной акустики наоборот рабочие громкости будут существенно выше, нежели у акустики полочного типа.

Как было сказано выше, уровень искажений зависит от уровня воспроизводимого сигнала, и сделав замеры на разных уровнях можно оценить зависимость роста искажений от громкости. При измерениях на равных громкостях АС можно получить характеристики, которые можно сравнивать между собой.

О искажениях в динамических головках

Основные виды нелинейных искажений, возникающие в громкоговорителях, могут быть классифицированы следующим образом:

  1. гармонические низших порядков (второго, третьего);
  2. субгармонические и комбинационные субгармонические;
  3. гармонические высших порядков;
  4. интермодуляционные и частотно-модулированиые (за счет эффекта Доплера).

Суммарный спектр искаженного сигнала для динамического громкоговорителя при возбуждении его синусоидальным сигналом может иметь вид, представленный на рис. выше.

Основными причинами возникновения всех видов искажений являются нелинейные колебательные процессы в элементах подвижной системы (подвесах, диафрагмах, шайбах, колпачках и т. д.) и в узле «звуковая катушка — магнитная цепь».

Остановимся сначала на причинах возникновения и методах расчета вышеперечисленных видов нелинейных искажений в элементах подвижной системы громкоговорителя.

Гармонические искажения второго-третьего порядков измеряют по методике ГОСТ 16122—78 и оценивают с помощью коэффициентов к2 и к3. Основной причиной искажений этого типа является нелинейность упругих характеристик подвижной системы (инерционная и диссипативная нелинейность играют существенно меньшую роль). Гармонические искажения в громкоговорителях особенно велики в области его основного резонанса, где задача расчета этих искажений существенно упрощается: так как колебания диффузора носят поршневой характер, общая нелинейность определяется только нелинейностью упругих характеристик его подвесов и шайб.

Многочисленные исследования нелинейных характеристик гофрированных оболочек различных конфигураций позволили установить влияние конструктивных и физико-механических параметров подвесов на характер и уровень нелинейных искажений громкоговорителей в области низких частот. Стремление снизить этот уровень и заставляет постоянно совершенствовать технологию изготовления и конструкции гофрированных подвесов и шайб.

В области средних и высоких частот основное влияние на уровень искажений оказывают упругие характеристики диффузоров. Экспериментальные исследования показали, что конструктивные меры, направленные на увеличение их жесткости и плотности (увеличение кривизны образующей, выбор оптимального закона распределения толщины вдоль образующей, применение ребер жесткости и т. д.) приводят к снижению уровня нелинейных искажений в этой области частот.

Субгармонические искажения возникают в основном из-за параметрических колебаний диафрагмы (или «потери динамической устойчивости»). Как уже было показано, диффузор (громкоговорителя представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, на которую действует вынуждающая сила со стороны звуковой катушки, направленная вдоль оси. Если разложить эту силу на две составляющие: поперечную, направленную перпендикулярно к образующей диффузора, и продольную, то поперечная составляющая вынуждающей силы вызывает изгибные колебания в диафрагме с частотой fо, а продольная составляющая приводит к периодическому сжатию — растяжению вдоль образующей. При определенном значении продольной составляющая приводит к периодическому сжатию — растяжению вдоль образующей. При определенном значении продольной составляющей вынуждающей силы, называемой «критической», при значении ее частоты fкр (примерно равной удвоенной резонансной частоте диффузора) происходит явление «потери динамической устойчивости», что приводит к появлению изгибных колебаний с частотой (F/n)fо. На колебания основного тона с частотой fо накладываются колебания с частотой fо/2 (что на слух воспринимается как «призвук»). Для громкоговорителей, применяемых в аппаратуре Hi-Fi, уменьшение «призвуков» чрезвычайно актуально.

Гармонические искажения высоких порядков (nfo) — при возбуждении громкоговорителя тональным сигналом в излучаемом спектре могут присутствовать гармоники высших порядков (n=5). Как уже отмечалось, чувствительность слуха к гармоникам высших порядков в несколько раз больше, чем к гармоникам низших (n=2, 3), поэтому присутствие гармоник с n=>5, даже с небольшим уровнем, воспринимается как «помеха». Если уровни этих гармоник не убывают с возрастанием их номера, то субъективно это воспринимается как «дребезг» (что служит причиной забракования громкоговорителей в соответствии с ГОСТ 16122—78).

Интермодуляционные и частотно-модулированные (эффект Доплера) искажения отдельных громкоговорителей оценивают обычно по методике, описанной в гл. 1. Все конструктивные и технологические меры, направленные на повышение жесткости или демпфирования в подвижных системах, приводят также к снижению интермодуляционных искажений, так как причиной их появления служит та же амплитудная нелинейность упругих характеристик подвижных систем, что и для других видов искажений.
Частотно-модулированные искажения (ЧМ) в излучателях, обусловленные эффектом Доплера, могут достигать значительных уровней для широкополосных громкоговорителей с большой амплитудой смешения на нижних частотах.

Все вышеперечисленные виды нелинейных искажений обусловливаются нелинейностью колебательных процессов в подвижной системе громкоговорителя. Однако в громкоговорителях имеется еще один узел: «звуковая катушка — магнитная цепь», который также является источником нелинейных искажений, возникающих в процессе электромеханического преобразования энергии.
(Алдошина И.А., Войшвилло А.Г. Высококачественные акустические системы и излучатели.)

В книге упоминается ГОСТ 16122—78, есть более новый ГОСТ 16122-87 принятый в 89 году (с установленным сроком действия по 94-тый год). Развитие ГОСТ и рекомендации AES не противоречат "старым измерениям" а вносят различные поправки и рекомендации. Например в ГОСТ 16122—87 уже вместо общих слов о полосе частот 100~8000 Гц для измерения SPL, упоминаются замеры SPL по шуму с кривыми А и Б. Так же говорится о том, что замер не обязательно делать строго с 1 метра, а рекомендуется делать на расстоянии от 0,5 до 1 метра и более в зависимости от габаритов АС. Меньшее расстояние в пределах допустимого, не оказывает заметного влияния на АЧХ, но позволяет снизить влияние помещения, чувствительность же без проблем пересчитывается для указания в 1 метр.

Особенно важно замечание в самом начале ГОСТ 16122—87, направленное на адекватность получаемых данных

В технических условиях на громкоговорители конкретного типа допускается устанавливать методы, отличные от указанных в настоящем стандарте, если они обеспечивают эквивалентные результаты измерение физических величин.

Желающие могут ознакомится с ГОСТ 16122-87 отдельно, найдя его в поиске в интернете.

Анализ искажений и измерения

Самые уязвимые частотные диапазоны для активной колонки при увеличении громкости — это низкочастотный диапазон с призвуками фазоинвертора и переходная зона, где высокочастотный динамик может недостаточно фильтроваться от низких частот. Другими словами, АС начинает работать на более высокой громкости, при которой АС уже не может дать качественный звук.

Производители как правило не указывают SPL для своих активных АС, предпочитая указывать лишь мощность усилителя (без указания чувствительности АС). Покупатели, слабо разбирающихся в технических параметрах воспринимают параметр мощности усилителя как громкость системы в целом, что неверно.

Как и мощность, SPL не несет в себе полезной информации без привязки к численному отображению коэффициента искажений или спектра искажений.

Замер искажений часто делается на той громкости, на которой происходит эксплуатация АС. При измерении искажений разных АС в разное время разными людьми без указания SPL, такие графики не дают возможность делать точное сравнение между собой, т.к. понятие рабочей громкости у каждого свое.

Для выставления определенной громкости используется шумовой сигнал, позволяющий определить определенную громкость. Фиксированный уровень громкости по шуму выставляется согласно показанием прибора, измеряющего уровень шума в дБА. Измерение значения по кривой А позволяет не учитывать влияние низких и высоких частот, и соответствует субъективному выставлению равных громкостей между АС.

Воспроизведение тестового трека производится через плеер с отключенной любого рода обработки сигнала.

Для синуса с уровнем -3 дБ, с таким же амплитудным значением, как у используемого тестового сигнала розового шума, мощность сигнала составит -9 дБ. Это очень важно, т.к. громкость выставляется именно по шуму по показанию давления шумомером, а искажения исследуются на синусоидальных сигналах и итоговые значения должны соответствовать громкости воспроизведенных синусов. Зная отношение исходных мощности сигналов, подаваемых на АС, можно вычислить мощность тестового сигнала, зная мощность шума.

Например, как было показано выше, мощность шума и синуса с одинаковой амплитудой различается примерно на 9 дБ. Это значит, что если установить уровень громкости по шуму в 80 дБА, то при воспроизведении синусов с амплитудой на 9 дБ ниже, мы получим аналогичное значения синусов в те же 80 дБА (при усредненном значении, так как АЧХ имеет определенную неравномерность, и значение каждого синуса будет варьироваться согласно неравномерности АЧХ).

Технически, измерения на разных уровнях громкости можно делать или выставляя каждый раз по показаниям SPL шумомера для каждого уровня громкости, или выставить один раз, а уровень громкости менять в тестовых сигналах.

При выставлении уровня громкости по уровню 80 дБА, значение синуса, дБ При использовании синуса с уровнем -3 дБ, уровень громкости розового шума, дБА
-3
80
-9
74
-15
62

В табличке показана зависимость одинаковых результатов при измерении или уровня синусов для теста коэффициента нелинейных искажений или изменения громкости АС по SPL шумомеру. На практике удобнее один раз выставить громкость у АС.

Для замера SPL можно использовать специализированный шумомер, или откалиброванный софт по шумомеру. При этом микрофон должен соответствовать классу измерительных микрофонов.

Рассмотрим результаты измерений, а так же действий по расчету цифр.

Уровень громкости АС был выставлен на 80 дБА. Амплитудное значение уровня шума -3 дБ, амплитудное значение уровня синуса -15 дБ, разница мощностей -15 — (-18) = 3 дБ. Соответственно усредненный уровень синусов в заданной полосе частот равен 80 + 3 = 83 дБА.

Для исследования перегрузочной способности исследуются спектры, полученные через увеличение громкости в два раза (6 дБ), это уровни 83, 89 и 95 дБА. При сравнении спектров можно увидеть изменение характера искажений в переходной зоне, когда начинает перегружаться высокочастотный динамик, а так же призвуков фазоинвертора. Для каждого класса акустики применяются разные уровни громкости. Важно то, что несмотря на разные классы акустики, могут использоваться одинаковые уровни давлений, просто для одного класса определенные уровень давления будет минимальным, а для другого — максимальным.

Для малогабаритной акустики 83 дБА может быть уже максимальной громкостью, и исследование искажений будет на громкостях 70, 76 и 83 дБА. При этом характер искажений на 83 дБА можно сравнить между обоими АС разного класса. Однако важнее сравнение характеров искажения внутри одного класса АС.

Уровень 83 дБА — это субъективно уровень чуть выше среднего для АС с вуфером от 5" до 8" используемые в ближней зоне прослушивания.

Результаты для АС с вуфером от 5" до 8"

Дополнительно могут указываться данные по условиям измерений, в виде указания, по какому SPL выставлялась громкость у АС и какие уровни тестовых сигналов использовались. Зная эти данные, можно при желании вычислить индивидуальные SPL тестовых сигналов.

 

Дополнительно

iXBT Brand 2018

"iXBT Brand 2018" - Выбор читателей в номинации "Процессоры (CPU)":
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.