Как снять ачх акустической системы

32

Измерение параметров и снятие АЧХ динамиков.

Попался мне в руки интересный динамик. Beyma PRO 6WND www.hifikit.se/images/6895/beyma-car-pro6wn.pdf
Решил снять с него характеристики, ну и заодно показать как это выглядит на практике.
Итак параметры T/S, метод добавочной массы, снятие импульсной характеристики, АЧХ и ФЧХ.

ПО
Arta, Limp
Используемое оборудование
Компьютер
Звуковая карта Quad Capture
микрофон, у меня калибровочный Velodine
Коробочка с резистором (схема есть в описании программы)
Усилитель мощности. Какой был, Audio Art в мое случае.
Немного проводов.
Итак начали, запустили Лимп. Открыли HELP, там схема подключения есть ).

Собрали, подключили, проверили. калибровка уровней Повесили динамик, измеряем его Re подключили динамик к коробочке запустили измерения, программа нарисовала импедансную кривую. остановили, зашли в нужную вкладку. Там вводим активное сопротивление и эфф диаметр диффузора. Нажимаем Calc. Получаем часть параметров. лепим добавочную массу, я использую мастику от вибропласта. Очень удобно. аккуратно приклеиваем блинчик. включаем измерения предварительно зафиксировав первую кривую.Тут немного не разборчиво получилось, поторпился. Фотку не сделал, но видно что кривых стало две, желтая (первая) и зеленая, это с блинчиком. Остановили измерения, зашли в ту же вкладку, ввели 20гр в поле Added mass и жмякнули Calc. Теперь у нас есть параметры. На даташит не смотрите, динамик новый и не прогрет. Прогрею когда может добавлю фоток.

Теперь очередь за акустическими измерениями.

подключаем микрофон, запускаем ARTA Размещаем динамик и микрофон, измеряю в ближнем поле на расстоянии 30-40см использую двухканальный метод, так проще. После первого измерения корректируем дилэй и получаем то что нам нужно, графики АЧХ и ФЧХ. а это импульсная характеристика. Хорошо помогает в настройке согласования многополосных систем по фазе.

В принципе можно было добавить еще кумулятивный спектр, графики распада, но думаю пока хватит. Их ведь еще и объяснять придется).

Измерение АЧХ

Измерение амплитудно-частотной характеристики с помощью измерительного микрофона или что мы видим на АЧХ на самом деле.

Многие радиолюбители и профессионалы пользуются измерительными микрофонами и средствами измерения АЧХ и полагают, что увиденные на экране компьютера частотные характеристики соответствуют действительному звучанию акустической системы и объективно характеризуют её качество.

Что же мы видим на АЧХ на самом деле?

Рассмотрим физику явления.

Акустическая система излучает многочастотные звуковые волны, представляющие собой области сжатого и разряженного воздуха относительно атмосферного давления (101 325 Па) на доли Паскаля ±0,1…0,5 Па. Часто для лучшего понимания приводится следующая картинка:

Эта картинка соответствует реальности только для одной частоты т.е. синусоидального сигнала без высших гармоник.

Реальный музыкальный много частотный сигнал воспроизводимый динамической головкой представляет собой сумму всех составляющих гармоник звука т.е происходит модуляция и изменение формы сигнала.

Звук бас гитары амплитудно промодулирован звуком скрипки и всё это пульсирует с частотой бочки барабана и т.д. Все звуки просуммированны ещё на этапе записи если запись велась на отдельные микрофоны или прямо в помещении студии или концертного зала если запись велась на один микрофон (или стерео-микрофон). Отделить чистый звук отдельного инструмента с общей записи уже невозможно.

Воспроизведённые акустической системой волны отражаются от препятствий и отращённые волны складываются с первоначальными появляются стоячие волны, когда амплитуды прямой и обратной совпадают, но в общем случае они являются смешанными стоячими и бегущими т.к. многочастотный сигнал имеет неограниченный набор гармоник, синусоид каждая из который может быть как бегущей так и стоячей. В помещении в каждой точке пространства если в него поместить измерительный микрофон или слушателя может проявляться нормальное звуковоспроизведение на одних частотах и провалы и подъёмы уровня на других.

Поэтому измерительный микрофон помещают подальше от отражающих звук стен и препятствий.

Если допустить, что отражённых волн нет и звуковоспроизводящая система воспроизводит сигнал абсолютно точно, то мембрана измерительного микрофона выдаст тот же самый сигнал который выдавал записывающий (студийный, концертный и т.д.) микрофон.

Затем сигнал микрофона усиливается и преобразуется. Что ставят в схемах на входе блоков индикации обычно, правильно – диод и конденсатор!

Накапливающий конденсатор позволяет увидеть на индикаторе амплитуду быстроизменяющегося во времени сигнала. Аналогично были устроены допотопные спектроанализаторы только вместо одной полоски на канал там ставились 16..32 и больше. Сигнал на каждую полоску индикатора разделялся входным фильтром. Сейчас это делается программным путём, но принцип остаётся тот же. Входной фильтр каждой полоски индикатора имеет определённую конечную ширину. В идеальном случае, если мы подадим на вход частоту 1кГц то должен подняться индикаторный столбик соответствующий частоте 1 кГц, в реальности фильтры не настолько высокодобротные и поднимутся ещё несколько соседних столбиков индикации 800 Гц и 1,25 кГц и другие. Это явление называется растекание спектра:

Другими словами мало того, что программа АЧХ показывает только усреднённые амплитудные значения так ещё и частоту единичного сигнала точно показать не может.

А теперь вспомним про реальный звуковой мультичастотный сигнал, на два рисунка выше – в нём присутствуют как положительные, так и отрицательные мгновенные значения. Как пишут в инструкциях к радиприёмникам при смене батарей соблюдайте полярность. В данном представлении АЧХ полярность не учитывается. Мы все знаем как правильно соединять батарейки чтобы из двух 1.5 вольтовых сделать 3 В. Звуковые электрические сигналы точно так же соединяются и складываются с учётом «знака полярности». Под «знаком полярности» нужно понимать что сигнал переменный и полярность его непрерывно изменяется, как например положение секундной стрелки на часах – в данном случае это положение называется фазой, если в часах положение соответствующее 12 часам – назвать точка отсчёта, то 3 часа будет соответствовать 90°, 6 часов – 180°, 9 часов – 270°, полный круг – 360° или 0°. При движении стрелки в обратную сторону (от 12 часов к 9) к значениям градусов добавляется минус (-90°).

Теперь с учётом этого дополним информацию АЧХ информацией о фазе сигнала. В плоскости монитора ни одна программа АЧХ этого не отобразит.

Представим, что каждый столбик это стрелка часов двигающаяся в плоскости перпендикулярной плоскости монитора т.е. к нам или от нас, а мы видим её сбоку поэтому она имеет вид столбика.

В программе каждый столбик – это амплитуда сигнала без учёта фазы т.е. длина воображаемой стрелки. Это делает тот амплитудный детектор из диода и конденсатора выше.

Теперь уберём искажающие представление о действительности элементы – диод и конденсатор на входе и «столбики- стрелки» будут как выше так и ниже нулевого значения.

Следует помнить, что на рисунке только проекция движения непрерывно вращающихся столбиков-стрелок на плоскость рисунка. Так если стрелка направлена от нас и мы видим её «хвост» мы не имеет представления какой она длины, а на рисунке она будет точкой или нулём.

С какой угловой скоростью вращаются эти стрелки? 2πf – где f – частота соответствующая ей.

Как понятно, для представления сигнала изменяющего по амплитуде, времени (фазе) и зависящего от частоты одной плоскости недостаточно.

Об этом факте постоянно забывают радиолюбители или настойчиво умалчивают производители. В лучшем случае ФЧХ указывается на графике АЧХ, но кто на неё обращает внимание?

Тем более, что график ФЧХ представлен в неудобном для понимания виде, когда фаза проскакивает через границу -180° (+180°) она оказывается на другом конце графика (программа просто вычитает полный период, что математически правильно) но стоит понимать, что в реальности сигнал отстаёт на уже более чем полный период. А подсчитайте сколько это по времени, будет ли слышна ли эта задержка? Так для частоты например 40 Гц полный период будет равен T=1/40=0,025 c. Кто услышит задержку в 25 милисекунд? Я думаю большинство услышит.

Дополнительно к этому известно, что акустические системы являются нелинейными не минимально -фазовыми т.е. взяв производную функцию от фазочастотной мы не получим адекватную амплитудочастотную функцию.

Таким образом на сегодняшний день пока не создан инструмент полностью отражающий комплексный характер звуковых волн от мультичастотного нелинейного сигнала.

Принимая несколько допущений о неидеальности и неточности средств измерения, измерительным микрофоном и программным комплексом можно оценить работу акустических систем и выявить грубые ошибки, но полностью описать звук графиками АЧХ и ФЧХ нельзя.

Также нужно понимать, что каждый человек имеет слуховую систему с индивидуальными параметрами, эти параметры в большинстве неизвестны.

Инженер пытается создать систему с ровной АЧХ и пологой ФЧХ, а в итоге звук такой системы не нравится конкретному слушателю. Так же слух имеет свойство подстраиваться и привыкать. Когда радиолюбитель чувствует, что его акустическая система звучит не так как надо, он заменив конденсаторы и провода на аудиофильские всех убеждает, что теперь система стала звучать лучше. Это может быть и так, инструментально доказать это «лучше» пока не удаётся. Также обычно выясняется, что системы «улучшенные» одним любителем совсем не нравятся другим и подлежат последующему «улучшению».

Акустические измерения. Измеряем АЧХ подручными средствами

Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape. Звучание в целом понравилось, но остался непонятен один момент. Согласно инструкции, в них имеется переключение эквалайзера. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их, и решил выяснить это при помощи измерений.

Итак, мы хотим измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников — это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие — тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры.

Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука — какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.

(Под катом — много картинок).

Подготовка

Вот такой микрофон у меня нашёлся среди старых гаджетов. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.

Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.

У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:

Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:

Windows — немецкий, извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.

Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал — так называемый розовый шум. Розовый шум — это звук, содержащий весь спектр частот, причём равной мощности по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).

Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:

Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):

Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:

Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса — хорошо, а при измерениях будет только мешать.

Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA — по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.

При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:

Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху — примерно так наушник охватывает человеческое ухо:

Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Можно начинать.

Измерения

Запускаем программу TrueRTA и видим:

Основная часть окна — поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа — настройки графиков и измерений. Сверху — ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики (меню View → Background Color → White).

Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать указанное количество измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).

Сделав настройки, производим первое измерение — это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:

Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:

Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -40dBu, и выставляем (регулятор dB Bottom в правой части окна) нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала.

Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.

Запускаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10. 0dBu:

Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.

Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню View → Save to Memory → Save to Memory 1 или нажав Alt+1). В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 в верхней части окна включать или отключать показ этих графиков на экране.

Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.

Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый — синим:

Останавливаем измерение (плеер можно не выключать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.

Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:

Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (если очень хорошо присмотреться):

Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!

На этом, в принципе, можно заканчивать работу и делать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет. (Теперь понятно, почему его не получалось услышать).

Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?

Бонусные измерения

Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:

И вот результат измерений:

Вот это другое дело! Новый график заметно отличается от старых. Занесём его тоже в память (у меня получился номер памяти 6) и найдём разность между новым графиком и эталонным, TrueRTA это умеет (меню Utilities → Difference):

Вычитаем из графика номер 6 график номер 1 и помещаем результат в память номер 12. Убираем остальные графики с экрана кнопочками Mem1, Mem2 и т. д., оставляем только Mem12:

Не правда ли, эта кривая приблизительно напоминает то, что обещал эквалайзер?

Выключаем эквалайзер, с ним всё понятно. А ещё я говорил вначале, что нельзя двигать наушники и микрофон между измерениями. А что будет, если сдвинуть на сантиметр?

Смотрите-ка, от сдвига график слегка изменился: басов поубавилось, верхов добавилось. Это говорит, скорее всего, о том, что у микрофона различная чувствительность к звукам, приходящим с разных направлений (это называется диаграммой направленности).

Проведём ещё один опыт: измерим звучание, отказавшись от закрытого объёма. Вот так:

3. Измерение АЧХ акустических систем в домашних условиях

Акустика для тестирования:
Напольные Tannoy Turnberry GR LE,
АС центрального канала Tannoy Revolution XT Center,
Полочные АС Canton Vento 830.2,
Настенные АС Canton Ergo 610.

Размещение микрофона.

Блок схема подключения для измерения амплитудно частотной характеристики (АЧХ).

Для измерения использовались следующие устройства:
1. Измерительный микрофон Behringer ECM8000
2. Внешняя звуковая карта Tascam US-4×4
3. ПК Acer V5-572G, DELL INSPIRON 5010
4. Балансный кабель XLR-XLR (5м)
5. Два кабеля Inakusik Premium MiniJack — 2 RCA и MiniJack-MiniJack с адаптером 6.3мм (для калибровки звуковой карты)
6. ПО Room EQ Wizard 5.19 (REW).
АВ ресивер Yamaha RX-A3060 включен в режим Pure Direct.
Все акустические системы для исходных измерений по очереди подключались к клеммам вывода фронтальных каналов.
Перед началом измерений необходимо произвести калибровочные измерения звуковой карты. Для этого соединяются выход со звуковой карты ПК и вход Jack внешней звуковой карты.
Для калибровки уровня понадобится также шумомер, однако наши измерения производились с относительной привязкой к уровню, так как весь комплекс измерений проводился с целью дальнейшей корректировки АЧХ параметрическим эквалайзером ресивера и требовалось получить данные о ее неравномерности.
Для более точных измерений желательно также провести калибровку микрофона в специальной лаборатории или использовать микрофон, который уже поставляется с калибровочным файлом. Для используемых моделей на базе Behringer ECM8000 отклонения АЧХ составляют крайне малые величины особенно в области низких и средних частот.
Исходные измерения (без привязки уровня).
Режим Pure Direct.
Характеристика звуковой карты ПК Acer Aspire V5-572. АЧХ акустической системы центрального канала Tannoy Revolution XT Center.

АЧХ фронтальных систем Tannoy Turnberry GR LE в ближнем поле.

АЧХ каналов Surround Canton Vento 830.2 в ближнем поле (сглаживание 1/12 и 1/6).

АЧХ фронтальных каналов присутствия и тыловых каналов присутствия, Canton Ergo 610.

Другие прикладные измерения.
Canton Vento 830.2. Открытый и закрытый порт фазоинвертора. Влияние сеток в ближнем поле.

Влияние металлических сеток в Canton Ergo 610 и массивных матерчатых сеток в Tannoy Turnberry GR LE (на расстоянии 20см и 1 метр).

АЧХ Tannoy Turnberry GR LE (левый и правый канал). Изменение АЧХ в точке прослушивания при переключении ВЧ регулятора (+3дБ) на колонках.