Методика тестирования усилителей мощности и усилителей для наушников (вторая редакция)


Основной целью тестирования качества усилителей мощности является определение качества продукта по выработанным критериям — по абсолютной шкале и сравнению с конкурентами. Успех усилителя мощности, как удачного продукта, зависит от совокупности многих факторов. Из них можно выделить следующие, наиболее важные для пользователя: внешний вид, эргономика, функциональность и качество звучания. Стоимость изделия также является важным фактором при покупке, однако наиболее актуален показатель цена/качество для своей ценовой категории, в сравнении с ближайшими конкурентами.

Для сравнения усилителей друг с другом, а также более четкого представления о каждом изделии, целесообразно исследовать и проводить сравнение продуктов по всем основным признакам, определяющим интегральную оценку качества.

Наиболее полезно прямое сравнение с конкурирующими продуктами, при наличии референсного тракта в качестве абсолютного эталона.

Измерительное оборудование

В оборудование для объективных замеров должен входить звуковой интерфейс с параметрами, превосходящими параметры тестируемого усилителя.

Среди звуковых интерфейсов можно отметить E-MU 1616m со следующими особенностями:

  • высокое качество преобразователей
    • Dr/Sn 118 дБ в собственном loop
    • THD 0,0008% в собственном loop
  • возможность точной аналоговой подстройки с предусилителем на входах A/B, что актуально для измерений усилителей для наушников
  • разъем для соединения с землей для уменьшения земляных петель между устройствами
  • внешний док позволяет использовать короткие провода — это дает меньше помех и наводок при замерах

Среди недостатков E-MU 1616m стоит отметить отсутствие ground-lift — полной развязкой по земле.

В планах выложить отчет о погрешностях, вносимые звуковыми картами разных ценовых категорий.

Измерения производятся специально разработанным программно-аппаратным комплексом RMAA. Дополнительно могут использоваться другие программы, для проведения дополнительных тестов, генерирования тестовых сигналов, редактирования и показа результата.

Подробности о проведения теста, особенности работы с софтом.

Резистивная нагрузка комплектуется из резисторов. Нагрузочная способность резистивной батареи подбирается индивидуально и должна быть выше выходной мощности усилителя.

При замере вольтметром снимается Uвх и рассчитывается выходная мощность. Полученный результат не является абсолютным. Это может быть вызвано отклонениями напряжения в сети — не все усилители имеют контроль и подстройку напряжения на входе. Для учета этой особенности уровень напряжения в сети указывается дополнительно.

Подробности по сборке резистивной батареи

Трактовка объективных замеров

Для большей точности, при анализе используются объективные параметры — основные существующие показатели, которые можно получить в результате измерений. Это неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), гармонические искажения в рабочей полосе частот, в зависимости от выходной мощности и нагрузки, скриншоты спектра на контрольных частотах.

При тестировании устройства отчет может содержать результаты следующих тестов.

Амплитудно-частотная характеристика

АЧХ характеризует рабочий диапазон частот устройства и неравномерность передачи тембра. При наличии тембров или Lougness режима, показывается АЧХ в крайних положениях регуляторов тембра.

Для большей точности, в полученной АЧХ вносится поправка погрешности АЧХ звукового интерфейса с помощью вычитания полученных результатов в RMAA (Подробности в описании работы с софтом).

Возможно сравнение АЧХ, сделанные на разных нагрузках.

Небольшой спад на краях частотного диапазона является нормой. Погрешность в области ВЧ при замере мультитоновым сигналом зависит от количества шумов и наводок полученных при записи тестового сигнала. Расхождения до 1 дБ в ряде случаев допустимо. Подробнее в разделе варианты корректно отображаемых результатов и ошибочных.

Уровень гармонических искажений (THD)

Уровень гармоник показывает слышимую составляющую гармонических искажений.

Спектр гармонических искажений хорошо коррелирует со звучанием простых звуков, вроде клавишных, струнных и других инструментов воспроизводящие преимущественно однотонные сигналы с узким спектром частот для воспроизводимой ноты. В данном случае паразитные гармоники попадают в зону спектра, где они не заглушаются другим полезным сигналом. В тесте усилителя Behringer A500 очень показательна запись такого отрывка.

При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Психоакустически слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (четная/нечетная) а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.

Максимальная измеряемая мощность фиксируется только в штатном режиме усилителя на допустимой нагрузке заявленной фирмой изготовителем и определением характера перехода в режим с искажениями. Усилитель может перейти в высокий уровень искажений как резко, так и плавно. Если усилитель в искажения уходит резко, то нет смысла привязываться к стандартным 1 и 10% искажений, либо суммарным КГИ, в зависимости от выходной мощности. Это к сожалению не всегда регистрируется большинством измерительных лабораторий.

В примере показаны спектры усилителя при разной выходной мощности с незначительными различиями в процентном отношении гармонических искажений. Пользы замера при 1% и 10% в данном случае нет, т. к. произошел резкий переход в искажения всего на 0,3%.

Вид синуса с искажениями 0,334% в данном случае.

Для общей картины, спектры с искажениями на контрольных частотах приводятся при разном выходном уровне мощности. Это позволяет оценить зависимость величины и характера искажений от выходной мощности.

При одинаковом спектральном распределении искажений для всех частот можно вывести зависимость КГИ от частоты, для определенной гармоники или общий КГИ+шум для оценки уровня искажений.



В ряде случаев принципиальной разницы между выводом «только вторая гармоника» и «КГИ+шум» не будет, так как основной вклад вносит вторая, либо третья гармоника.

График неискаженной мощности в зависимости от сопротивления показывает уровень искажений до резкого перехода в искажения при увеличении громкости (клиппинг), либо до уровня, при котором характер искажений остается постоянным.

В подробном отчете значения при резком уходе спектра в клиппинг отмечаются как «Резкий переход в искажения — ДА», при изменении спектра искажений и плавным увеличении гармоник «Резкий переход в искажения — НЕТ».

У ряда усилителей гармонические искажения зависят не только от выходной мощности, но и от общего коэффициента усиления (отношение уровней сигналов между входом и выходом, без привязки к схемотехнике устройства).

При одной и той же выходной мощности, при разном уровне коэффициента усиления на выходе уровень гармонических искажений разный

В данном тесте идет определение режима усилителя с наиболее качественным звучанием. На основе этих данных можно предположить, в каких условиях эксплуатация усилителя будет оптимальна.

Интермодуляционные искажения (IMD)

Интермодуляционные искажения при тонах 60 Гц и 7000 Гц

Интермодуляционные искажения при тонах 19 кГц и 20 кГц

Мультитон

Мультитоновый сигнал состоит из 120 тонов, и является более приближенным к реальному звуковому сигналу. Аналогичный сигнал использует Audio Precision под названием FASTTEST.

Уровень каждой из гармоник существенно ниже, чем в тесте THD, и не смотря на такое же амплитудное значение — средняя мощность мультитонового сигнала ниже.

Если по THD можно представить звучание простых звуков, то мультитон показывает, какие искажения даст усилитель на более сложном музыкальном сигнале.

Мультитон эмулирует «сложный» сигнал — спектр максимально приближен к реальному. В тестах приводится сравнение шумовой полки усилителя и спектром воспроизводимого сигнала. Вполне очевидно, что услышать искажения ниже собственных шумов усилителя крайне сложно. При этом видно, что уровень каждой гармоники находится примерно под -30~40 дБ, что в свою очередь уменьшает и уровни паразитных гармоник. Но при этом сумма паразитных гармоник может превысить уровень шумов усилителя.

На спектре можно увидеть подъем «шумовой полки». Хорошим результатом может считаться лишь незначительный подъем искажений над шумовой полкой усилителя.

Мультитон — усилитель и тестирующее устройство

оранжевый — усилитель Behringer A500, белый — E-MU1616m

Измерительное оборудование должно обеспечивать запас по уровню шума и искажений, это дополнительно может быть показано на спектре.

Мультитон — усилитель и шумовой порог

оранжевый — усилитель Behringer A500, белый — шумовая полка Behringer A500

Отображение уровня шумовой полки условно и зависит от настроек спектроанализатора. В «цифрах» корректнее сравнивать RMS шума и RMS искажений, но на данный момент не найден корректный способ подсчета с вычетом полезного мультитонового сигнала.

На данный момент приводится численное значение «Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на контрольной частоте». Чем меньше значение «Подъем искажений от шумовой полки» — тем лучше.

Дополнительно могут быть указаны параметры «Подъем искажений тестирующего устройства от шумовой полки тестируемого устройства» — в идеале значение должно быть отрицательным. Если значение положительно, то на такую величину увеличен параметр «Подъем искажений от шумовой полки» по вине тестирующего устройства, а не тестируемого усилителя.

Следует понимать, что численные значения лишь помогают оценить масштаб картинки, и при построении спектра с другими параметрами окна будут другими.


Вид референсного мультитонового сигнала для 16 бит
Референсные характеристики для 16-ти битного сигнала
Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на 200 Гц, дБ
0/110
Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на 1000 Гц, дБ
0/104
Подъем искажений от шумовой полки / разница амплитуды между тестовым тоном и искажениями на 10000 Гц, дБ
0/93

Не смотря на широкое распространение источников воспроизведения в «с качеством 24 битного сигнала» и высокими характеристиками сигнал/шум, далеко не все эти источники справляются с 16-ти битным сигналом при анализе искажений. По этому высококачественный усилитель в идеале должен дотягивать по параметрам хотя бы до 16 бит.

TIMD

Тест представляет собой комбинированный сигнал из низкочастотного тона 47 Гц и меандра с частотой 3 кГц, с ограниченной полосой в 20 кГц. Сигнал имитирует удар в барабан.

Вид волны

оранжевый — усилитель Behringer A500, зеленый — E-MU1616m

Как и в других тестах, чем чище спектр, тем лучше.

Шумовая полка

Как правило параметр сигнал/шум не представляет особого интереса для усилителя. Дело в том, что шумовая полка формируется из двух составляющих, фоновых шумов не зависящих от входного сигнала воспроизводимого сигнала, и от входного сигнала, фактически повторяющего отношение сигнал/шум источника. В итоге максимальное отношение сигнал/шум получается как правило на максимальной мощности усилителя.

Интерес представляет другой параметр, это характер шумов. Шум можно условно разделить на два типа «неслышимый» и на «слышимый раздражающий». Второй тип шума — это зудящий призвук, хорошо слышимый в паузах. Ярким примером являются с нежелательным характерным видом спектра являются M-Audio EX66. На виде волны в таких случаях можно увидеть излом, «заусенец» и т. п. артефакты.

На спектрах как правило шумовая полка приводится для визуальной возможности отделения шумов от исследуемых искажений.

Сравнивать шумовые полки, полученные в разное время нельзя, т. к. спектр шумов сильно зависит от внешнего оборудования, включая оборудование соседей.

 


Пример наводок лампы дневного света в районе 40 кГц

Взаимопроникновение каналов


зеленый — шумовая полка, белый — взаимопроникновение каналов

При большом взаимопроникновении каналов как правило ухудшается стереопанорама, четкость локализации источников. На основе психоакустики считается, что беспокоится не о чем, при взаимопроникновении каналов до 40 дБ. Однако усилитель не всегда единственное звено между звуковым интерфейсом и акустическими системами, и если цепочку добавить еще и микшер/пульт, то итоговое значение может стать выше допустимого.

Описание примеров отчетов тестирования усилителей и усилителей для наушников

Связь объективных и субъективных отчетов, психоакустика и исследования зависимостей

Сами по себе объективные отчеты дают немного информации о характере звучания. Еще сложнее сопоставлять объективные результаты, полученные в разных условиях. По этому важно проведение как субъективного, так и объективного теста. Со временем накапливается статистика, совершенствуются методики, и гораздо большее количество пользователей может по объективным данным дать адекватную оценку изделию. Что еще важнее — пользователь получает возможность проверить характеристики своего усилителя с усилителями такой же марки у других пользователей дистанционно. Ведь производители нередко меняют схемотехнику устройства без уведомления покупателей, прикрываясь пунктом с примерно такой формулировкой: «производитель имеет право вносить изменения с целью повышения качества изделия» и не уточняя, каких именно характеристик и насколько. Производитель вполне может улучшить один параметр и ухудшить другой.

Сегодня посредством интернета можно легко и просто обмениваться информацией. Развитие тестового пакета RMAA жестко ударило по производителям звуковых карт, которые до этого мало следили за качеством продукции, надеясь, что пользователи не услышат каких-то проблем в звучании, или не смогут это подтвердить фактами. Сейчас компании, которые заботятся о своей репутации, с большим вниманием относятся к объективным тестам и более осторожны в расписывании характеристик своих устройств.

Субъективные тесты, методика AES20, требования к экспертам и тестовое прослушивание

Подход такой же, как и в описании методики тестирования акустических систем. Различия в деталях.

При проведении субъективного теста, усилители скрываются визуально непроницаемым экраном, либо проводится ряд мер, по которым невозможно определить, какой именно усилитель в данный момент подключен к АС.

На все усилители подается одинаковый сигнал с многоканального звукового интерфейса, либо идет переключение через роутер. Роутер может быть как на пассивных, так и активных элементах. Пассивные элементы (галетные переключатели или реле) предпочтительнее, так как меньше вносят искажений в сигнал.

С выхода усилителей усиленный сигнал также попадает на роутер и после него на контрольные акустические системы.

Целесообразно использовать контрольные акустические системы сопоставимой ценовой категории, либо той, на которую рассчитан усилитель (часть функциональных решений может сделать конкретную модель усилителя более дорогой). Дополнительно может проводится прослушивание на акустических системах более высокого класса.

Особенности звучания каждой модели усилителя фиксируется в письменном отчете.

Итоговая оценка складывается из следующих компонентов:

  1. качество звучания в абсолютной категории
  2. качество звучания в своем классе
  3. соотношение цены и качества звучания
  4. оценка применимости (сферы применения: музыка, домашний кинотеатр, профессиональная аудиоаппаратура)

Ссылки на дополнительные разделы методики






Дополнительно