Введение
Количественная оценка характеристик акустических систем
Измерение акустических систем – это практика определения их характеристик путем измерения различных параметров производительности. Эти измерения особенно важны, поскольку акустические системы, являясь преобразователями, обладают более высоким уровнем искажений, чем другие компоненты аудиосистемы, используемые для воспроизведения или усиления звука.
Измерение анехоики
Один из способов тестирования акустической системы требует использования безэховой камеры с акустически прозрачной напольной решеткой. Измерительный микрофон обычно крепится на незаметном кронштейне (для избежания отражений) и располагается на расстоянии 1 метра перед излучателями на оси высокочастотного динамика. Хотя это позволяет получать воспроизводимые результаты, такое измерение в "свободном пространстве" не отражает реальной производительности в помещении, особенно в небольшом. Для получения достоверных результатов на низких частотах необходима очень большая безэховая камера с крупными поглощающими клиньями на всех стенках. Большинство безэховых камер не предназначены для точных измерений в диапазоне до 20 Гц, и большинство из них не способны проводить измерения ниже 80 Гц.
Тетраэдрическая камера
Тетраэдрическая камера позволяет измерять нижний частотный предел динамика без значительной площади, необходимой для безэховой камеры. Эта компактная измерительная система для динамиков громкоговорителей определена в стандартах IEC 60268-21:2018, IEC 60268-22:2020 и AES73id-2019.
Измерение полупространства
Другой вариант – просто положить динамик на спину, направив его в небо, на открытой траве. Отражение от земли всё равно будет создавать помехи, но значительно уменьшится в среднем частотном диапазоне, поскольку большинство динамиков направленные и излучают очень низкие частоты преимущественно назад. Размещение поглощающего материала вокруг динамика снизит пульсации в среднем диапазоне, поглощая заднее излучение. На низких частотах отражение от земли всегда находится в фазе, поэтому измеренный отклик будет иметь усиленные басы, но это обычно происходит и в помещении, где задняя стена и пол оказывают аналогичное воздействие. Таким образом, есть веские основания использовать измерения в полупространстве и стремиться к ровному отклику в полупространстве. Динамики, настроенные для получения ровного отклика в свободном пространстве, всегда будут звучать с избытком басов в помещении, поэтому мониторные динамики обычно имеют настройки для полупространства и четверти пространства (для установки в углу), которые обеспечивают ослабление ниже примерно 400 Гц. Выкапывание ямы и установка динамика заподлицо с землей позволяет получить гораздо более точные измерения в полупространстве, создавая эквивалент динамика микрофону с граничным эффектом (все отражения точно в фазе), но задний порт должен оставаться открытым, а заднему усилителю необходимо обеспечить приток воздуха для охлаждения. Дифракция от краев корпуса уменьшается, что обеспечивает воспроизводимую и точную, но не слишком показательную частотную характеристику.
Измерения помещений
На низких частотах большинство комнат имеют резонансы на ряде частот, где размер комнаты соответствует целому числу половин длин волны. Звук распространяется со скоростью примерно , поэтому в комнате длиной 20 футов (6 м) будут возникать резонансы начиная с 27,5 Гц и выше. Эти резонансные моды вызывают значительные пики и провалы в уровне звука постоянного сигнала при изменении его частоты от низкой к высокой. Кроме того, отражения, рассеяние, поглощение и другие факторы сильно изменяют воспринимаемый звук, хотя это не всегда осознается при прослушивании музыки или речи на частотах, где доминируют комнатные моды. Эти изменения зависят от расположения акустических систем относительно отражающих, рассеивающих или поглощающих поверхностей (включая изменение ориентации акустических систем), а также от положения слушателя. В неблагоприятных ситуациях даже незначительное перемещение любого из этих элементов или слушателя может привести к существенным изменениям. Сложные эффекты, такие как стерео (или многоканальное) звуковое объединение в единую воспринимаемую "звуковую сцену", могут быть легко утрачены. Понимание того, как ухо и мозг обрабатывают звук для формирования таких восприятий, ограничено, поэтому ни одно измерение или их комбинация не может гарантировать успешное восприятие, например, эффекта "звуковой сцены". Таким образом, не существует надежного способа максимизировать производительность акустических систем в любом помещении для прослушивания (за исключением звуконеприятной безэховой камеры). Некоторые параметры, такие как время реверберации (которое, впрочем, применимо в основном к большим помещениям) и общий "частотный отклик" помещения, можно в некоторой степени скорректировать путем добавления или удаления отражающих, рассеивающих или поглощающих элементов, но, хотя это может быть весьма эффективно (при правильном выборе и размещении элементов), это скорее искусство, требующее опыта. В некоторых случаях не удается подобрать комбинацию модификаций, которая давала бы заметный положительный эффект.
Расположение микрофона
Все многодрайверные динамики (за исключением коаксиальных) сложно правильно измерить, если измерительный микрофон расположен близко к динамику и немного выше или ниже оптимальной оси, поскольку разная длина пути от двух драйверов, воспроизводящих одну и ту же частоту, приводит к фазовым искажениям. Важно помнить, что, как правило, 1 кГц имеет длину волны 1 фут (0,3 м) в воздухе, а 10 кГц – значительно меньше. Опубликованные результаты часто действительны только при очень точном позиционировании микрофона с точностью до сантиметра или двух. Измерения, выполненные на расстоянии 2 или 3 метров, в реальной позиции прослушивания между двумя динамиками, могут дать представление о том, что происходит в комнате прослушивания. Хотя полученная кривая обычно выглядит неблагоприятно (по сравнению с другими устройствами), она служит основой для экспериментов с поглощающими панелями. Рекомендуется включать оба динамика, так как это стимулирует низкочастотные резонансы комнаты наиболее характерным образом. Это означает, что микрофон должен быть расположен строго на одинаковом расстоянии от двух динамиков, чтобы избежать эффекта «гребенчатого фильтра» (чередующиеся пики и провалы в измеренном частотном отклике комнаты в этой точке). Оптимальное позиционирование достигается путем перемещения микрофона из стороны в сторону для достижения максимального отклика на частоте 1 кГц, затем на 3 кГц и, наконец, на 10 кГц. В то время как лучшие современные динамики способны обеспечить ровную частотную характеристику в пределах ±1 дБ от 40 Гц до 20 кГц в безэховой камере, измерения на расстоянии 2 метров в реальной комнате прослушивания обычно считаются хорошими, если они находятся в пределах ±12 дБ.
Измерения ближнего поля
Акустика помещения оказывает значительно меньшее влияние на измерения в ближнем поле, поэтому они могут быть уместны, когда проведение анализа в безэховой камере невозможно. Измерения следует проводить на расстояниях, намного меньших диаметра динамика (или источника звука, такого как рупор, фазоинвертор), где половина длины волны звука меньше диаметра динамика. Эти измерения позволяют определить непосредственную эффективность динамика или среднюю чувствительность без информации о направленности. Для акустической системы с несколькими излучателями измерения необходимо проводить для каждого излучателя (НЧ-динамик, порт фазоинвертора, среднечастотный динамик, ВЧ-динамик). Эти измерения просты в выполнении, могут быть проведены практически в любом помещении, более оперативны, чем измерения в закрытом объеме, и позволяют прогнозировать результаты измерений в полупространстве, но без информации о диаграмме направленности.
Измерение частотной реакции
Измерения частотной характеристики имеют смысл только при представлении в виде графика или указании пределов ±3 дБ (или других пределов). Недостатком большинства публикуемых данных является отсутствие указания максимального уровня звукового давления (SPL), особенно на низких частотах. Поэтому, наряду с частотной характеристикой, наиболее полезным является измерение полосы пропускания по мощности – график максимального SPL при заданном уровне искажений во всем слышимом частотном диапазоне.
Измерение искажения
Измерения искажений громкоговорителей ограничены искажениями самого измерительного микрофона на проверяемом уровне. В идеале, для измерения искажений высоких уровней, уровень отсечения микрофона должен составлять 120–140 дБ SPL. Типичный высококачественный динамик, работающий от обычного 100-ваттного усилителя, не способен выдавать пиковые уровни выше 105 дБ SPL на расстоянии 1 м (что приблизительно соответствует 105 дБ в точке прослушивания от пары динамиков в типичной комнате). Для достижения действительно реалистичного воспроизведения требуются динамики, способные на гораздо более высокие уровни, в идеале около 130 дБ SPL. Даже если уровень живой музыки, измеренный на (медленно реагирующем и показывающем среднеквадратичное значение) звуковом уровнемере, может быть около 100 дБ SPL, пиковые значения сигнала при воспроизведении ударных инструментов будут значительно превышать это значение. Большинство динамиков демонстрируют около 3% искажений, измеренных с использованием 468-ми взвешенных "остаточных искажений", которые незначительно снижаются на низких уровнях. Электростатические динамики могут иметь более низкие гармонические искажения, но более подвержены интермодуляционным искажениям. 3% остаточных искажений соответствуют 1–2% общего гармонического искажения. Профессиональные мониторы могут сохранять умеренный уровень искажений до 110 дБ SPL на расстоянии 1 м, но почти все домашние акустические системы сильно искажают звук при уровнях выше 100 дБ SPL.
Анализ окраски
Громкоговорители отличаются от большинства других компонентов аудиоаппаратуры тем, что подвержены окраске – тенденции различных частей динамика (диффузора, подвеса, корпуса, внутреннего объема) продолжать колебаться после прекращения сигнала. Все формы резонанса вызывают это явление, запасая энергию, при этом резонансы с высоким коэффициентом добротности (Q) особенно заметны на слух. Значительная часть работы по улучшению динамиков в последние годы была направлена на снижение окраски, и для измерения задержки выходного сигнала динамиков и отображения его в виде водопадного графика (время-частота) или спектрограммы стали использовать оборудование для быстрого преобразования Фурье (FFT). Первоначально анализ проводился с помощью измерения импульсной характеристики, однако такой "импульс" имеет очень низкую энергию, если стимул должен оставаться в пределах максимальной мощности динамика. Более современное оборудование использует корреляцию с другими сигналами, например, системным анализатором максимальной длины последовательности (MLSSA). Тестирование спектрального загрязнения, использующее несколько синусоидальных тонов в качестве стимулирующего сигнала и анализирующее полученный выход, позволяет оценить уровень искажений, связанных с "самошумом" громкоговорителя. Этот сигнал типа "штакетник" может быть оптимизирован для любого частотного диапазона, а результаты тестов демонстрируют высокую корреляцию с субъективной оценкой качества звука.