Статьи

Объективно измеряемые параметры громкоговорителей более тесно взаимосвязаны с качеством их звучания, чем у любых других компонентов аудиосистем. Если при измерении амплитудно-частотной характеристики громкоговорителя обнаружен спад в области высоких частот, то наверняка он будет звучать тускло; громкоговоритель, который в ходе измерений дал подъем в верхней части диапазона частот, будет звучать ярко, с подчеркнутыми высокими частотами. Говоря это, я должен подчеркнуть, что вы не сможете составить окончательное представление о качестве звучания акустической системы, ознакомившись лишь с ее техническими параметрами. Хотя хорошие результаты измерений и важны, самое главное — это музыкальные возможности акустической системы в комнате прослушивания. Чтобы проверить их, нужно слушать.

Импеданс — это модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя для усилителя мощности. Как подробно описано в Приложении Б, полное сопротивление громкоговорителя — это комбинация его активного сопротивления (номинального) и реактивных (индуктивного и емкостного) сопротивлений. Чем выше сопротивление, тем легче усилителю работать с громкоговорителем. Громкоговоритель с низким сопротивлением требует от усилителя большего тока, что создает для него более трудный режим работы.

Даже если указано сопротивление акустической системы 6 Ом, реальное его значение почти всегда зависит от частоты.

Пунктирная линия на графике показывает фазовый угол полного электрического сопротивления громкоговорителя. Он равен фазовому сдвигу между напряжением, приложенным к звуковой катушке, и током, протекающим по ней. По значению фазового угла можно судить о том, какого рода нагрузкой — активной, индуктивной или емкостной — является громкоговоритель для усилителя.

При определении уровня чувствительности громкоговорителя должны учитываться модуль его электрического сопротивления и фазовый угол. Громкоговоритель с высоким уровнем чувствительности предъявляет гораздо меньше требований к усилителю мощности, чем громкоговоритель с низким уровнем чувствительности — независимо от его сопротивления. Сочетание низкого уровня чувствительности, низкого сопротивления и резких изменений фазового угла требует для достижения хорошего качества звучания усилителя высочайшего качества.

Уровень чувствительности можно представить как уровень звукового давления, создаваемого при мощности подаваемого на громкоговоритель сигнала 1 Вт на расстоянии 1 м от него. Уровень чувствительности акустической системы можно представить, например, как 88 дБ/Вт/м. Высокой чувствительностью обычно считается любая величина, превышающая 90 дБ/Вт/м, а низкой -величина ниже 85 дБ/Вт/м.

Отметим, что уровень чувствительности также можно измерить при поданном на громкоговоритель напряжении 2,83 В, соответствующем мощности 1 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом. Иногда производители акустических систем пытаются ввести вас в заблуждение, указывая уровень чувствительности для напряжения 2,83 В при сопротивлении громкоговорителя 4 Ом, что увеличивает этот уровень на 3 дБ. Однако громкоговоритель не будет на 3 дБ более чувствительным, — он просто потребляет в два раза больший ток от усилителя мощности при том же напряжении управляющего сигнала 2,83 В. Если вы увидите цифру 2,83, убедитесь, что сопротивление равно 8 Ом.

Отметим, что термин коэффициент полезного действия (кпд) зачастую неправильно используется вместо термина чувствительность. Строго говоря, кпд - это процент электрической мощности, преобразуемой громкоговорителем в акустическую мощность.

Модуль полного сопротивления и фазовый угол акустической системы можно измерить на испытательном стенде чисто электрически. Но для измерения акустических характеристик громкоговорителя требуется расположить вблизи него микрофон и подавать на него измерительные сигналы. В результате, измеренная реакция будет характеризовать не только акустическую систему, но и то помещение, где проходило измерение. Как мы знаем, качество звучания громкоговорителя во многом зависит от акустических особенностей помещения, в котором он используется. Возможна ситуация, когда мы измерим скорее характеристики помещения, а не акустической системы.

Один из способов решения данной проблемы — измерение характеристик громкоговорителя в заглушённой комнате, отражающие поверхности которой покрыты высокопоглощающим материалом. Поглощая энергию звука, этот материал практически не отражает ее обратно в комнату. В такой комнате эхо отсутствует. Измерительный микрофон "слышит" в ней только реакцию громкоговорителя.

Сооружение заглушённых комнат обходится очень дорого, они занимают много места, поэтому инженеры разработали методы измерения характеристик громкоговорителей в обычных помещениях — с исключением влияния отражений на результаты измерения. Один из таких способов, придуманный покойным Ричардом Хейзером, называется спектрожтрия с временной задержкой (СВЗ). При СВЗ-измерениях на тестируемую акустическую систему подается синусоидальный сигнал качающейся частоты. Уловленный измерительным микрофоном сигнал поступает на фильтр с узкой полосой пропускания. Центральная частота полосы пропускания фильтра изменяется по тому же закону, что и частота сигнала, подаваемого на громкоговоритель, но с задержкой относительно него на несколько миллисекунд. Задержка фильтра в точности равна времени, необходимого для того, чтобы звук от громкоговорителя достиг микрофона. Это и есть прямой акустический сигнал громкоговорителя, который несколькими миллисекундами позже будет сопровождаться отражениями от стен, пола и потолка комнаты.

Вот тут-то и начинает приносить пользу фильтр с перестраиваемой частотой полосы пропускания. Он пропускает лишь сигнал прямого звука, поскольку в тот момент, когда отраженный сигнал достигает микрофона, центральная частота полосы пропускания фильтра уже "проскакивает" частоту отраженного сигнала и фильтр задерживает его. В результате мы получим "чистую" характеристику громкоговорителя, не искаженную реакцией помещения.

Второй, более популярный способ реализован в аппаратно-программном блоке на базе персонального компьютера, называемом системным анализатором на основе последовательностей максимальной длины (САПМД). На тестируемый громкоговоритель подается испытательный сигнал в виде псевдослучайного шума. Измерительный микрофон, расположенный на расстоянии 1-2 м от фронтальной стороны акустической системы, улавливает этот сигнал, который затем сравнивается с формой сигнала, хранящейся в памяти компьютера. Система определяет, насколько импульсная реакция громкоговорителя изменяет ее. В промежутке между первым тестовым импульсом и первым отраженным сигналом реакция помещения отсутствует, поэтому результаты получатся такими же, как и при измерении в заглушённой комнате. В импульсной характеристике выделяется безэховое "окно", в котором содержится только прямой сигнал, а все отражения отсутствуют.

Импульсная характеристика, являющаяся временной функцией, при помощи преобразования Фурье трансформируется в частотную область, давая частотную характеристику. Преобразование Фурье — это математический метод преобразования импульсной характеристики (временной функции) в частотную (функцию частоты) и наоборот. Термином быстрое преобразование Фурье (БПФ) называют быстрый алгоритм вычисления преобразования Фурье.

По импульсной характеристике громкоговорителя можно определить частотную характеристику системы. Таким образом получится характеристика громкоговорителя за вычетом влияния комнаты. Необходимо, однако, учитывать, что длина безэхового окна определяет низкочастотное разрешение измерения. Чем длиннее безэховая часть импульсной характеристики, для которой вычисляется преобразование Фурье, тем ниже частота, которую можно точно измерить. При использовании данного метода для измерения частотной характеристики громкоговорителя его помещают на высокую подставку, чтобы он находился посередине между полом и потолком. Это максимально увеличивает размеры безэхового окна. Размеры помещения также должны быть как можно больше.

Несмотря на эти меры, низкочастотное разрешение измерений, полученных с помощью САПМД, не будет удовлетворительным, если только вы не используете очень большое помещение (длинное безэховое окно). Для того, чтобы лучше измерить качество звучания акустической системы на низких частотах, измерительный микрофон располагают на минимальном расстоянии от конуса НЧ-головки. В этом положении влияние комнаты будет незначительным. Для точного измерения во всем частотном диапазоне, характеристика, полученная при помощи САПМД, комбинируется с характеристикой НЧ-головки, измеренной в ближнем поле.

На основе изложенного выше рассмотрим набор измерений, который можно найти в типичной журнальной статье о громкоговорителях и исследуем, что они означают.

Импульсная характеристика громкоговорителя описывает его временные свойства, — насколько акустическая система когерентна по времени, как сильно "звенят" головки и одинаковая ли у них полярность подключения. Я описал временную когерентность в разделе, касающемся разделительных фильтров; когерентная по времени акустическая система не имеет фазового сдвига между

головками. Это означает, что все они, реагируя на входной сигнал, движутся синхронно. В некогерентной по времени акустической системе выходной сигнал отдельных головок имеет небольшой временной разброс. "Звон" — это движение головок после снятия входного сигнала.

Громкоговоритель, демонстрирующий резкие изменения частотной характеристики вне осевой области, может иметь окрашенное звучание, даже если осевая характеристика довольно ровная.

Обратите внимание: частотная характеристика резко меняется при изменении расположения слушателя по высоте, она имеет резкие пики и спады (под влиянием интерференции) выше и ниже оптимального направления прослушивания. Это означает, что звучание акустической системы будет существенно отличаться в зависимости от ее расположения по высоте. Здесь приведен экстремальный пример; большинство громкоговорителей не показывают столь радикальных изменений по вертикальной оси. Однако все акустические системы обнаруживают некоторое изменение тонального баланса в зависимости от направления прослушивания. Эта измеренная характеристика подчеркивает важность правильного выбора расположения слушателя по высоте при прослушивании акустической системы.

Идеальный громкоговоритель перестает излучать акустическую энергию сразу после прекращения входного сигнала. На практике, какое-то количество акустической энергии — хоть и весьма небольшое — сохраняется в головках и корпусе. Эта энергия излучается в течение некоторого времени. Чтобы исследовать дополнительную временную реакцию громкоговорителя, изображается график его частотной характеристики для дискретных интервалов времени. Как было описано ранее, частотная характеристика вычисляется по импульсной при помощи БПФ. Перемещая временное окно в пределах длительности импульсной реакции, для которой вычисляется БПФ, можно получить частотную характеристику громкоговорителя в различных временных точках. В частности, чтобы получить графики, изображенные на рис. 7-ЗЗа и б, частотная характеристика вычислялась при помощи БПФ около 100 раз в течение четырех миллисекунд Такой график частотной характеристики называется графиком совокупного cпектрального

затухания (на профессиональном жаргоне называемый графиком "водопода"—за его схожесть с потоком падающей воды). Он показывает, как изменяет ся выходной сигнал акустической системы во времени и в зависимости от частоты. Самая верхняя кривая — это частотная характеристика акустической системы в нулевой момент времени. Следующая под ней линия — это частотная характеристика через 40 микросекунд (40 мкс). Затем идет линия, соответствующая временной задержке еще на 40 мкс, и так далее.

Изобразив зависимость частотной характеристики от времени, мы легко можем увидеть резонансы корпуса, "звон" головок, колебания изгиба и другие проблемы. Резонанс головки показан в виде вертикального гребня графика; громкоговоритель продолжает излучать энергию с частотой гребня еще долгое время после прекращения входного импульса. Безупречный громкоговоритель имел бы прямую верхнюю линию и мгновенно затухающий до нуля выходной сигнал.

Примеры плохого и хорошего качества звучания при выполнении теста совокупного спектрального затухания проиллюстрированы на рис. 7-ЗЗа и б. На рис. 7-ЗЗа мы можем видеть гребень на частоте 3729 Гц, указывающий на то, что громкоговоритель продолжает излучать акустическую энергию на этой частоте в течение 2 мс после прекращения управляющего сигнала — по меркам громкоговорителя, длительное время. В противоположность ему, на рис. 7-336 показана образцовая характеристика: акустический выходной сигнал затухает очень быстро (белое пространство между несколькими верхними линиями и всеми последующими) и почти не видно никаких гребней. Один незначительный резонанс на частоте 2963 Гц — это мелочь по сравнению с резонансами, приведенными на рис. 7-ЗЗа, которые будут заметны в звучании в виде изменения тембра при воспроизведении музыки с данной частотой.

Тот же метод можно использовать для изучения акустической характеристики корпусов громкоговорителей. К громкоговорителю, на который подается псевдослучайный импульсный сигнал, прикрепляется акселерометр. Выходной сигнал акселерометра изображается в виде графика, который показывает частоту и амплитуду вибраций корпуса. Например, рис. 7-34 иллюстрирует резкий резонанс корпуса на частоте 187 Гц, видимый в форме узкого гребня на этой частоте. Громкоговоритель сохраняет, а затем медленно высвобождает энергию на частоте 187 Гц. Несомненно, это окрасит звучание басов при воспроизведении музыки на данной частоте.