АЧХ наушников (FAQ)
АЧХ наушников (FAQ) Амплитудно-частотная характеристика – зависимость амплитуды сигнала от частоты (сокращенно АЧХ, на английском — frequency response).
График амплитудно-частотной характеристики показывает баланс громкости частот и чувствительность наушников при его построении в абсолютных величинах. Если мы будем воспроизводить синус конкретной частоты подавая его с уровнем 1 В rms и фиксировать уровень давления на выходе наушника в специальной камере эмулирующей ухо, то перебрав частоты с 20 Гц по 20 кГц – получим исходный график АЧХ к 1 В rms.
Часто наушники измеряют при произвольном уровне громкости, что не дает возможности вычислить чувствительность, но позволяет получить АЧХ относительно произвольно выбранного опорного значения, присуждая 0 дБ значение частоте на 1000 Гц. По такому графику нельзя определить способность «играть громко» у наушников, но можно оценить баланс частот, какой диапазон является доминирующим, а какой наоборот приглушен.
Мощность акустической системы
Мощность, простой параметр, но одновременно именно из-за него возникают недопонимания. Все дело в том, что некоторые пользователи считают, что мощность и громкость это одно и то же и чем выше мощность, тем громче работает АС, но это не верно.
Мощность и громкость, связанные понятия, но чтобы понять, как громко будет звучать модель необходимо знать еще и ряд других характеристик акустики, например чувствительность и сопротивление. Кроме того, пытаясь добиться усиления громкости увеличением мощности, возникает проблема искажения сигналов, связанных с жёсткостью диффузора и неравномерным магнитным полем, возникающим вследствие большой амплитуды движения катушки.
Поэтому выбирая АС внимательно смотрите не только на мощность акустической системы, но и на то при каких параметрах она обеспечивается. Эту информацию производители обязаны указывать. Из-за различия стандартов стран производителей, рассмотрим наиболее распространённые зарубежные и отечественные стандарты.
Термины:
- Белый шум — совокупность сигналов со случайными характеристиками и постоянной равномерной плотностью распределения по частотам.
- Розовый шум — совокупность сигналов со случайными характеристиками и равномерным разделением по частотам. С увеличением частоты интенсивность звуковых волн уменьшается.
- Октава — полоса частот, в которой отношение высшей крайней частоты к меньшей равно двум.
Стандарты мощности АС (страны СНГ):
- Номинальная мощность – параметр, при котором нелинейные искажения не превышают требования указанные для данного вида измерений. Номинальная мощность искусственная величина, оставляющая производителю возможность указывать наиболее выгодные для себя значения.
- Синусоидальная мощность – мощность, при которой акустика способна работать длительное время без повреждений с непрерывным синусоидальным сигналом в заданном диапазоне частот. Превышает номинальную мощность в 2 – 3 раза.
- Паспортная (максимальная) шумовая мощность – значение мощности сигнала в заданном диапазоне частот при которой АС способна работать длительное время без тепловых и механических повреждений.
- Максимальная кратковременная мощность – значение мощности звукового сигнала, при котором АС способна проработать в течение 2 секунд без повреждений. Испытание проводят 60 раз с интервалом в минуту, в качестве звукового сигнала подается розовый шум.
- Максимальная кратковременная мощность – значение мощности, при котором акустика может проработать в течение 1 минуты без повреждений. Испытание проводят десять раз с интервалом две минуты.
Международные стандарты:
- RMS – среднеквадратичное значение мощности, ограниченное нелинейными искажениями. Редко используемый и малоинформативный параметр.
- PMPO – ненормированный параметр, означающий максимальное пиковое значение сигнала за минимальный промежуток времени. Данный бессмысленный параметр можно встретить на дешевой китайской акустике, неизвестных производителей.
- DIN 45500 – совокупность общепринятых стандартов, описывающих требования к АС высокого качества звучания.
- DIN POWER – Значение мощности получаемой при реальной нагрузке и ограниченной нелинейными искажениями. Измерения производятся при достижении 1% THD (нелинейных искажений) во время подачи сигнала частотой 1 кГц в течение 10 минут.
- DIN MUSIC POWER – мощность музыкального сигнала (запредельная). Измеряется подачей кратковременного (1-2 секунды) синусоидального сигнала низкой частоты.
И главное, в погоне за мощными устройствами не забывайте, что мощность акустической системы значимый параметр, но далеко не самый главный для получения хорошего звука.
Диапазон воспроизводимых частот
Следующий параметр — диапазон воспроизводимых частот. Если в этом пункте указано что-то типа «35 Гц – 25 кГц» — и все, то в этом случае я рекомендую сразу воскликнуть что-то типа режиссерского «Не верю!». Поскольку перед нами — очередное лукавство, и у продавцов недорогих систем оно встречается довольно часто. Да, наша колонка может воспроизводить 35 герц. Но на этой частоте ее чувствительность (о которой, в данном случае, изготовитель скромно умолчал) может быть очень небольшой. В результате в этом месте (оно называется нижний предел) частотная характеристика может иметь «завал» — спад децибел на 20. А это, в свою очередь, означает, что на этой заветной низкой частоте, которая так важна для воспроизведения «панча», колонка звучит, по ощущениям, тише раза в 3-4. То есть, практически молчит. То же самое касается и верхней граничной частоты диапазона.
Пример измерения АЧХ акустики
Корректно диапазон частот, указанный в технических характеристиках, будет выглядеть только в сочетании с показателем неравномерности частотной характеристики в децибелах во всем этом диапазоне. И данные типа «диапазон частот 35 Гц – 25 кГц при неравномерности ±3 децибела» сразу же вызывают уважение и серьезное отношение к продукту. Оптимально, если в документации эти данные проиллюстрированы графиком АЧХ — амплитудно-частотной характеристики, где по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной — звуковое давление.
Важным, хотя и не так часто встречающимся, является указание диапазона частот и его неравномерности при отклонении от оси на угол, как правило, 15-30 градусов. Этот параметр позволяет оценить, насколько широка направленность звучания колонок. От нее, в частности, зависит величина «пятна» объемного звучания — области, в которой слушатели получат качественный пространственный эффект. От этого, в свою очередь, зависит, сколько «посадочных мест» может располагаться в образованном новыми колонками зрительном зале в условиях конкретной комнаты, что особенно важно не только для классического стерео, но и при использования акустики в системах домашнего кинотеатра.
Измерение ачх динамиков с помощью компьютера
Прежде всего, нам нужен измерительный микрофон и программа для измерений.
Программ несколько и они описаны неоднократно. Я в основном пользуюсь LoudSpeaker LAB 3. Не потому, что лучше, а потому, что лучше освоил.
Микрофон лучше приобрести фирменный, например: Behringer ECM 8000. Но если нет то: голь на выдумки хитра.
Я взял два электретных безродных капсюля. Один диаметром 5 мм, другой 9 мм. По цене около 15 рублей каждый. Попробовать и сравнить с известным Behringer ECM 8000. Назвал их толстый и тонкий.
Сделаны они из разъема XLR и трубки от телескопической антенны. Трубку пришлось обмотать изолентой — звон на ВЧ. Подключение от батарейки Крона через резистор 6,8 кОм.
Схема простого подключения к компьютеру (без микрофонного усилителя)
Цифры у микрофона соответствуют нумерации контактов Behringer ECM 8000. Для постоянных работ лучше все же собрать микрофонный усилитель или использовать фирменный.
Результаты меня удивили. Разница с Беринджером около 3 дБ. Причем у толстого выше уровень НЧ и спад по ВЧ. А у тонкого наоборот.
Я попробовал их усреднить программно. В результате получилась разница с Беринджером в районе 1,5 дБ. Причем в диапазоне 50-5000 Гц графики наложились почти идеально и это без сглаживания. И только на 20 Гц самая большая разница в 3дБ.
Фото трех микрофонов
Корпус конечно лучше выточить на токарном станке из металла – скопировать с Behringer ECM 8000.
АЧХ акустических систем. Описание методов вычисления и интерпретации
Акустическая система любого типа характеризуется такими показателями, как чувствительность, диапазон воспроизводимых частот и неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в этом диапазоне. На что обращать внимание в первую очередь?
Согласно «законсервированному» ГОСТу (16122-78), акустическая система любого типа характеризуется такими показателями, как чувствительность, диапазон воспроизводимых частот и неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в этом диапазоне. На что обращать внимание в первую очередь? И все ли можно поверить алгеброй?
Чувствительность измеряется при подведении к акустической системе синусоидального напряжения амплитудой 1 В некой частоты, при этом микрофон располагается на расстоянии 1 м. Тогда, измеряя развиваемое звуковое давление последовательно, шаг за шагом во всем слышимом диапазоне частот (по умолчанию 20–20000 Гц), получим АЧХ по чувствительности.
Диапазон воспроизводимых частот определяется на основе полученной АЧХ. Например, если в области низких частот глобальный спад начинается на 100 Гц, достигая на 60 Гц, скажем, –40 дБ, то нижняя граница рабочего диапазона находится исходя из некого спада, задаваемого правилами, принятыми в той или иной стране. Таким образом, в нашем примере нижняя граница злополучного диапазона может быть 80 Гц, а может 70 Гц, тут уж как правила потребуют.
Неравномерность АЧХ вычисляется подобно среднеквадратичному отклонению в математической статистике, то есть сначала оценивают среднее значение амплитуды в пределах частотного диапазона, а потом прикидывают болтанку кривой АЧХ вокруг полученного среднего. Чем больше неравномерность, тем хуже. В идеале АЧХ представляет собой прямую линию без наклона, однако в реальном мире ничего идеального не существует.
Использование АЧХ, измеренной по чувствительности, удобно для оценки неравномерности, но совершенно неприемлемо при сравнении акустических систем, имеющих разное электрическое сопротивление, которое, в свою очередь, зависит от частоты. Как следствие разного сопротивления, акустические системы потребляют разную мощность при подведении равного напряжения (соотношение между мощностью, сопротивлением, силой тока и напряжением можно найти в учебнике физики). Другими словами, среднее значение амплиутды «по чувствительности» для таких акустических систем будет, мягко говоря, «кто в лес, кто по дрова». Поэтому Международная электротехническая комиссия (МЭК) при измерении АЧХ требует подводить не напряжение, а электрическую мощность, равную 1 Вт. Излучать же акустическая система будет иную (звуковую) мощность, грубо говоря, в соответствии с «персональным» КПД на разных частотах.
Замечу, что понятие «заморской» чувствительности несколько отличается от доставшегося нам со времен СССР. Чувствительность «по-ихнему» измеряется в децибелах (дБ), а «наша» — в паскалях (Н/м2). Нетрудно пересчитать из нашей относительно стандартного нулевого уровня звукового давления (210–5 Па).
Отдельного упоминания требует оптимальность разрешения по частоте, или, упрощенно говоря, шага между измеренными точками АЧХ. Пыльные от времени узкоспециализированные измерители стандартно-гостированной АЧХ выполнены на аналоговой базе и проходят частотный диапазон со скоростью, увеличивающейся по мере роста частоты. Таким образом, получают зависимость от частоты, близкую к логарифмической. У «аналоговых» АЧХ разрешение на низких частотах хорошее, на высоких — плохое (там скорость пробегания слишком высока, чтобы регистратор успевал дотошно фиксировать амплитуду сигнала с микрофона). Скоростной график определяется утвержденными правилами, ну и динамическими возможностями аналоговой аппаратуры, конечно. Продвинутые АЧХ сегодня вычисляются посредством специальных звуковых анализаторов, в которых уживаются как высокоточная цифра, так и малошумный аналог. Высококачественные звуковые анализаторы, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, умопомрачительно дороги. Далеко не всякая российская фирма может себе позволить измерительный анализатор, выложив за него столько же, сколько за новехонькую иномарку. Для полноты картины упомяну цену измерительного микрофона с предусилителем (в комплект анализатора не входят): в две тысячи вечнозеленых еще уложиться надо. Зато хитроумная методология измерения позволяет в большинстве случаев обойтись без акустически заглушенной камеры, поскольку стоимость последней для измерения АЧХ акустических систем просто разорительна. Разрешение по частоте у таких анализаторов превосходит требуемое по действующим на сей момент правилам, впрочем, предусмотрена возможность варьирования, так сказать, в исследовательских целях. Кстати, частота изменяется линейно (!), что дает массу преимуществ, а затем анализатор пересчитывает накопленный массив в логарифмическую шкалу для отображения на стандартизованном графике.
При программной симуляции получения АЧХ на компьютере (с помощью звуковой карты) сигнал задающего генератора заменяется смоделированным в цифре сигналом. Как правило, используют скользящий тон (sweep tone), плавно пробегающий все звуковые частоты. В смоделированном сигнале частота звука возрастает практически идентично классическому измерителю АЧХ. Данный цифровой сигнал проигрывается в реальном времени (без пауз), а ЦАП аудиокарты выдает аналоговый сигнал, который поступает (через усилитель) на колонки; далее звук, излучаемый колонками, регистрируется через микрофон с предусилителем и записывается посредством АЦП той же звуковой карты. Ясно, что карта должна быть реально полнодуплексной, чтобы одновременно (на самом деле, с задержкой) озвучивать и записывать. Каждый преобразователь, усилитель и микрофон (а равно и помещение как акустический резонатор) имеет свою АЧХ, поэтому для получения корректной характеристики собственно колонок должны быть идеальными либо АЧХ всех преобразователей, либо все отклонения нужно учитывать. Записываемый в цифре сигнал тут же обрабатывается программой, которая может выдавать изменение во времени либо пиковой магнитуды, либо среднеквадратичной мощности записанного сигнала. А поскольку заранее известно, как изменяется частота в этом сигнале, то АЧХ вроде бы уже в кармане. Однако чтобы корректно определить и пиковую магнитуду, и среднеквадратичную мощность, надо задать интервал времени, в течение которого эти штуковины будут вычисляться. Задашь малый интервал — получишь АЧХ, близкую к реальной, но искаженную всякими нехорошими неровностями. Задашь большой интервал — получишь АЧХ, и близко не имеющую ничего общего с реальной, зато гладенькую, легко интерпретируемую даже чайником. Причем в случае фиксированного интервала наибольшая погрешность от причесывания-выравнивания будет выплывать по мере логарифмического роста частоты. Ясно, что для улучшения разрешения по частоте придется удлинять моделируемый сигнал, а это приведет к нарушению «гостированных» правил измерения АЧХ.
Есть еще одна тонкость. Любое физическое устройство обладает задержкой отклика во времени. В частности, диффузор динамика колонки не может мгновенно реагировать на возмущения. Чем больше масса диффузора и жестче его подвес, тем реакция потенциально хуже. Посмотрите «под лупой» на отклик микрофона во времени, например, на ударное воздействие, и вы увидите весьма непростой переходной процесс. Несмотря на отмеченные проблемы, программная симуляция позволяет вычислять АЧХ довольно близко к стандарту, но сейчас речь об ином. Похоже, стандартик-то устарел! Конечно, можно продолжать все лучше программно имитировать доисторические аппаратные измерители АЧХ, однако давайте зрить в корень. Увеличивая разрешение по частоте, получаешь четкое объяснение тому, над чем десятки лет ломали копья многочисленные интерпретаторы АЧХ.
Самое сложное и коварное кроется вот в чем. Как известно, невозможно в принципе точно определить частоту и время одновременно (так называемая неопределенность Гейзенберга). То есть, чтобы определить значение частоты, необходимо наблюдать сигнал в течение достаточного промежутка времени. Чем больше этот промежуток, тем точнее можно определить частоту, и наоборот. А так как в тестовом sweep-сигнале частота постоянно меняется, то погрешность будет тем меньше, чем медленнее нарастает частота. График изменения значения частоты известен точно, поскольку заложен в программную процедуру генерирования тестового сигнала или звукового файла. Последнее дезориентирует. Частоты в регистрируемом микрофоном сигнале поплывут относительно смоделированного и озвученного сигнала из-за многочисленных промежуточных преобразований. Так что опять приходим к необходимости замедления изменения частоты в sweep-сигнале.
Вместо тестового сигнала скользящего тона частенько используют белый шум. И для динамиков безопаснее, и с точки зрения обработки проще. Но… Тут опять есть свои «но». Для разложения зарегистрированного сигнала в спектр применяется процедура быстрого преобразования Фурье (FFT). Чтобы минимизировать погрешности случайной природы, приходится проводить усреднение результатов FFT, получаемых в разные моменты времени. Чем больше спектров усредняется, тем меньше погрешность вычисления АЧХ. Чтобы улучшить разрешение по частоте, увеличивают длину временного окна для FFT, то есть увеличивают объем выборки. В стремлении получить высокое разрешение на низких частотах объем выборки задирают за 65536. Однако на низких частотах динамики озвучивают составляющие белого шума с заниженной акустической мощностью. А это приводит к неправдоподобным завалам на низах у такой АЧХ.
Наконец, АЧХ можно получить, генерируя дельта-импульс и вычисляя модуль комплексного FFT от регистрируемой передаточной функции. Тут придется подбирать интервал повторения импульса, чтобы усреднением спектров минимизировать погрешности. По ряду причин этот метод больше подходит для АЦП, нежели для акустических систем.
Нетрудно догадаться, что три перечисленные выше характеристики представляют собой стационарные оценки, то есть не учитывают динамику акустической системы. «Вот где собака порылась!» Эксперты (как талантливые самоучки, так и заносчивые снобы, вылупившиеся из богатеньких меломанов) сплошь и рядом пытаются однозначно интерпретировать зигзаги АЧХ, подглядывая в чужие шпаргалки и руководствуясь собственными слуховыми ощущениями. Интерпретация — занятие неблагодарное, поскольку АЧХ двух акустических систем могут походить друг на друга как близнецы-братья, а звучать эти системы будут по-разному. И не факт, что одинаково звучащие колонки во всех случаях будут иметь АЧХ как две капли воды. Увы, строгой однозначности здесь нет. Тогда получается, измеряемые АЧХ никому не нужны и ничегошеньки не говорят? Нет, это не так. Просто следует помнить, что стандартная АЧХ — всего лишь условное упрощенное отражение реальности (в своем роде срез грубого слепка), хотя и выполненное строго по неким правилам, замечу, тоже условным. Иногда близость полученной АЧХ к АЧХ истинной очень хорошая, а иногда, увы, очень плохая. Зарубим себе на носу: хотя АЧХ и есть результат объективных оценок-измерений, но ее трактовка — дело субъективное. Типа «закон, что дышло. Куда повернул, туда и вышло». Другими словами, график гостированной АЧХ сродни сообщениям об ошибках, выдаваемых нынешней Windows: ложное сообщение или нет, полная дурь или случайная смесь правды и кривды, определить может только опытный специалист.
Сами производители акустических систем втихаря используют динамические характеристики (например, основанные на wavelet-преобразовании), чтобы разобраться и понять, что и как улучшать в своих колонках. Покупателям же показывают по старинке лишь характеристики стационарные, то бишь замороженные во времени. Причем зачастую очень грамотно облагороженные и причесанные, чтоб у людей, непосвященных в тайны конкретных колонок, лишних вопросов не возникало.
Что касается активных акустических систем, то в отличие от пассивных, задачка усложняется, так как к динамике (поведению во времени) колонок добавляется динамика встроенного усилителя. А у последнего, как и у любого неизмерительного усилителя, коэффициент нелинейных искажений разный на разных частотах и уровнях мощности.
