Точный диагноз

Питер Мэпп

Выбирая акустическую систему для конкретного применения, следует учитывать множество факторов – механических, климатических, эстетических, акустических и электрических. Два последних можно объединить вместе под общим названием – электроакустические параметры. Именно под этим углом зрения рассматривается проблема выбора громкоговорителя в данной статье. К основным электроакустическим параметрам, которые необходимо принимать во внимание при определении или оценке пригодности устройства для данного применения, относятся частотная характеристика, акустическая мощность, диаграмма направленности, угол покрытия, направленность, чувствительность, импеданс, искажения и мощность. Существует также много других параметров (фазовая характеристика, компрессия мощности), и каждый заслуживает отдельной статьи, однако наша задача – дать о них лишь общее представление.

Следует отметить, что ни один из параметров не является определяющим при выборе громкоговорителя. Некоторые из них взаимосвязаны, другие являются взаимоисключающими, таким образом, выбор должен делаться с учетом множества факторов. Очень часто идеального устройства просто не существует, поэтому необходимо найти компромиссное решение – так же, как и при разработке, и изготовлении самого устройства. Хорошей отправной точкой для поиска могут стать частотная характеристика и полоса пропускания.

Частотная характеристика

Рис. 1. АЧХ акустической системы в разных масштабах

Полоса пропускания и частотная характеристика громкоговорителя оказывают наибольшее влияние на его звучание. Существует много определений и методов измерения частотной характеристики. Многие стандарты и методы рассчитаны на изделия класса Hi-Fi и им подобные и в некоторых случаях не совсем подходят для промышленных звуковых систем или систем общего назначения. Практически повсеместно под частотной характеристикой понимается осевая характеристика, измеренная на расстоянии 1 м. В случае крупногабаритных устройств расстояние может составлять 2 м и более. Однако для чувствительности всегда берется расстояние в 1 м.

Методы измерения изложены в ряде промышленных и международных стандартов, таких как AES и IEC. При проведении измерений могут использоваться такие сигналы, как гармонические колебания, розовый шум с полосой 1/3 октавы (или уже), белый шум (также с полосой 1/3 октавы или уже). MLS-сигналы, которые широко применяются в настоящее время, также попадают в эту категорию, поскольку их спектр фактически совпадает со спектром белого шума.

Рис.2. Реальная (неусредненная) частотная характеристика акустической системы, снятая в безэховых условиях

Форма представления данных в значительной степени стандартизована, тем не менее будьте  осторожны – истинное звучание может оказаться совсем не таким, каким мы его представляли, глядя на график частотной характеристики. Пример тому показан на рис. 1. На первый взгляд, громкоговоритель, характеристика которого изображена на верхнем графике, может показаться предпочтительней, поскольку имеет более гладкую характеристику. Однако посмотрев на вертикальную шкалу, вы поймете, что кривые построены в разных масштабах. На самом деле оба графика относятся к одному и тому же громкоговорителю. Данные с высокой степенью подробности часто сглаживаются на графиках. И хотя такое представление данных позволяет показать вид кривой в целом, оно также может ввести в заблуждение, поскольку при этом оказываются скрытыми такие детали, как резонансные пики и спады характеристики, которые являются характерными признаками нежелательных резонансов, дифракции/интерференции звука в помещении или плохой настройки разделительных фильтров.

Частотная характеристика обычно снимается в безэховых условиях, если не указано иное. Поэтому снова убедитесь, что вы прочли подписи в паспорте АС, сделанные петитом. Хороший пример приведен на рис.2. На самом деле в данных производителя этой акустической системы отсутствует график частотной характеристики, но указано, что неравномерность составляет всего ±3 дБ. Однако, согласно написанному петитом, измерения являются усредненными для комнатных условий, что совсем не одно и то же, как видно из рис. 2.

Частотная характеристика обычно снимается на оси, совпадающей с основным направлением излучения. И хотя это дает хорошее представление о потенциально возможной характеристике в данном направлении, тем не менее в случае различных коммерческих систем и общественных систем оповещения большинство слушателей будет находиться под углом к этой оси. Поэтому для детальной оценки пригодности громкоговорителя необходима частотная характеристика, измеренная под различными углами к основной оси в пределах номинального угла покрытия с шагом 10–15°, которая изображается в виде семейства кривых. При работе в больших и сложных, с акустической точки зрения, помещениях полезно также использовать характеристики направленности. На рис. 3 представлены частотные характеристики для высококачественного контрольного громкоговорителя, снятые на основной оси и под разными углами к ней, которые показывают очень хороший результат.

Акустическая мощность

Рис. 3. Частотные характеристики для высококачественного контрольного громкоговорителя, снятые на основной оси и под различными углами к ней

Характеристика излучаемой громкоговорителем акустической мощности (не путать с мощностью) – очень полезный, но редко указываемый параметр. Она показывает суммарную акустическую мощность, излучаемую на выходе. Хотя частотные характеристики, снятые в безэховых условиях, могут дать правдивую картину о потенциально возможных характеристиках в хороших акустических условиях и в пределах критического расстояния от громкоговорителя, однако в некоторых случаях, например в помещении с высоким временем реверберации или для распределенных систем в помещениях, многие слушатели вполне могут оказаться за пределами критического расстояния. Следовательно, поле реверберации становится преобладающим, что в большей степени зависит от суммарной излучаемой звуковой мощности, нежели от осевой частотной характеристики.

Мало кто из производителей указывает эти столь необходимые характеристики, и немногие из нынешних стандартов требуют их измерения, не говоря уж об их упоминании, тем не менее эта информация очень важна для точного расчета потенциальной разборчивости речи и быстрого определения вероятных характеристик поля реверберации. Нижняя кривая на рис. 3 является редким примером проведения подобного рода измерений. Существует масса споров и разногласий по поводу того, какова должна быть идеальная характеристика мощности. Очевидно одно – она должна быть гладкой и существенно плоской, возможно имеющей небольшой спад на высоких частотах. Обратите внимание – акустическая мощность обязательно станет параметром, значимость которого будет возрастать.

Характеристики направленности

Рис. 4. Диаграмма направленности акустической системы в вертикальной и горизонтальной плоскости

После того как вы приняли решение о том, подходит ли вам данный громкоговоритель по своим частотным характеристикам, следующим шагом должна стать проверка характеристик направленности и углов покрытия. Для некоторых громкоговорителей систем оповещения часто указывается угол покрытия на одной частоте. Однако в реальной ситуации акустическое излучение громкоговорителя будет значительно меняться с частотой, а значит и угол покрытия также будет иметь сильную частотную зависимость.

Рис. 5 (а и б). Наложение диаграмм и изображение их в трехмерной системе координат (видна небольшая асимметричность излучения)

Характеристику направленности можно показать с помощью диаграмм направленности (рис. 4), измеренных на разных частотах и последовательно наложенных друг на друга. Однако если на одном рисунке будет очень много кривых, то изображение станет неразборчивым, особенно если кривые нарисованы в серых тонах. В настоящее время существует множество способов изображения, которые могут помочь в данной ситуации, например цветная печать. Но если не ограничить количество частот, то диаграммы будет трудно читать, особенно при малом масштабе изображения. Весьма удобным способом является изображение наложенных графиков в трехмерной системе координат (рис. 5). При расположении одной диаграммы над другой видна некоторая асимметрия в излучении, но без указателя с подписью трудно определить частоту конкретной кривой. На стеке диаграмм также наблюдается уменьшение угла покрытия с ростом частоты. Изменение угла покрытия для различных уровней ослабления (3, 6 и 9 дБ) показано на рис. 6, но рис. 7, вероятно, является наиболее информативным, где вдоль оси Х откладывается частота (нижняя часть графика), вдоль оси Y – угол покрытия. Цветом показан уровень затухания как функция от угла и частоты. На рис. 7 представлена характеристика направленности двухполосной акустической системы в вертикальной плоскости. При этом видно уменьшение угла покрытия с увеличением частоты (белая область резко сокращается при возрастании частоты примерно до 1 кГц и остается практически постоянной, когда начинает сказываться преобладание излучения CD-рупора). На частоте порядка 500 Гц наблюдается значительный боковой лепесток (белая часть рис. 7, указывающая вверх). В основе этого графика лежат базовые трехмерные диаграммы направленности, однако используется форма представления, обеспечивающая хорошую наглядность. Еще одним способом представления данных является изображение в виде трехмерной фигуры (рис. 8). В этом случае также виден вертикальный боковой лепесток. Построение трехмерной диаграммы направленности – задача сложная, связанная с обработкой больших объемов данных, но полученная полнота представления о характеристиках громкоговорителя стоит затраченных усилий. Более того, данные с высокой степенью подробности могут эффективно использоваться в таких программах по проектированию звуковых систем, как EASE, из которой и были взяты приведенные данные.

Рис. 6. Диаграммы и изолинии покрытия для уровней ослабления 3, 6 и 9 дБ в разных системах координат

В то же время двумерные диаграммы направленности все еще широко используются в тех случаях, когда надо быстро посмотреть, удовлетворяет ли покрытие конкретного устройства требованиям к работе вблизи. Диаграммы направленности могут строиться с различными разрешениями по частоте и углу. Некоторые стандарты предусматривают шаг по частоте в 1 октаву, однако сейчас становится нормой шаг в 1/3 октавы по частоте и 5° по углу. Возможно, что оптимальными являются диаграммы с шагом 1/3 октавы и октавными центрами на частотах 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4 и 8 кГц. Разрешение с шагом в одну октаву слишком грубое и может давать большую погрешность.

Рис. 7. Характеристика направленности двухполосной акустической системы в вертикальной плоскости

В любых серьезных технических характеристиках должен присутствовать график зависимости ширины диаграммы направленности от частоты. Ширина диаграммы направленности громкоговорителя обычно берется по уровню -6 дБ. Ее часто путают с углом излучения, который используется в стандарте IEC на громкоговорители (IEC 60268-5). Это угол, при котором уровень падает на 10 дБ, что, конечно же, неприемлемо для коммерческих или профессиональных звуковых систем.

Рис. 8. Представление данных в виде трехмерной фигуры

Чтобы преодолеть эту проблему, IEC ввела понятие угла покрытия, который фактически является шириной диаграммы направленности по уровню -6 дБ, названной другим именем. Угол покрытия должен определяться на частоте 4 кГц, хотя могут указываться и другие частоты. Чем раньше мы придем к тому, что будем указывать угол покрытия для всего диапазона частот, тем лучше, поскольку немногие из производителей приняли вариант с частотой 4 кГц, а в тех случаях, где все же указывается угол покрытия на одной частоте (обычно в более дешевых моделях), чаще используется 1кГц.

Направленность и индекс направленности

Рис. 9. Фрагмент технических характеристик акустической системы, в котором приведены основные акустические параметры, необходимые при ее выборе

Величина направленности громкоговорителя Q определяется как отношение звукового давления, измеренного в заданной точке на основной оси, к звуковому давлению, которое создает в той же точке ненаправленный (точечный) источник, излучающий такую же акустическую мощность, как и громкоговоритель в условиях свободного поля. Индекс направленности Di равен 10 Log Q. При использовании Q для расчета предельной разборчивости часто забывают или не отдают себе отчета в том, что Q громкоговорителя меняется в зависимости от угла излучения. Следовательно, при расчетах в направлении, отличном от основного направления излучения, должны использоваться другие значения Q. На рис. 9 показан фрагмент технических характеристик громкоговорителя, в котором приведены главные акустические параметры, необходимые при выборе громкоговорителя.

Импеданс

Импеданс громкоговорителя – еще одна очень важная характеристика. Он также имеет сильную частотную зависимость, следовательно его график должен приводиться всегда. Удивительно, как много восьмиомных громкоговорителей в действительности не являются таковыми. А когда используются линейные согласующие трансформаторы на 70 и 100 В, частотная характеристика еще более необходима. Хотя в большинстве случаев комбинация громкоговоритель + трансформатор будет обеспечивать нормальную нагрузку на 1 кГц, на более низких частотах этого может не быть. В табл. 1 приведены результаты недавнего тестирования небольших громкоговорителей для системы оповещения, проведенного в лаборатории (линия 100 В). На рис. 10 показан график импеданса громкоговорителя с плохим согласованием.

Рис. 10. График импеданса для небольшого громкоговорителя системы оповещения (мощность на входе составляет 2, 3 и 6 Вт)

Даже в тех случаях, когда трансформатор не используется, необходимо знать, как данный громкоговоритель нагружает усилитель. И хотя величина импеданса по модулю обычно приводится, и этого требуют стандарты, фазовая характеристика также должна указываться, чтобы гарантировать, что нагрузка, которую мы собираемся подключать, не окажет вредного воздействия на работу усилителя возбудителя.

Чувствительность

Чувствительность громкоговорителя по напряжению часто путают с эффективностью. Чувствительность обычно определяют как уровень звукового давления, измеренный на основной оси на расстоянии 1 м при подаче на вход 1 Вт (например, 90 дБ, 1 Вт / 1 м). Измерения проводятся в безэховых условиях или в условиях свободного поля. В действительности рассеивается не вся мощность в 1 Вт, поскольку не только импеданс будет меняться с частотой, но и фаза, которая не принимается во внимание. Для восьмиомного громкоговорителя мощность в 1 Вт номинально эквивалентна напряжению возбуждения в 2,83 В (P=E2/R), и эта величина часто приводится.

Будьте внимательны, поскольку указанное напряжение возбуждения также иногда используется с четырех- омными громкоговорителями. В этом случае эквивалентная входная мощность равна 2 Вт, что может дать ошибочное увеличение чувствительности на 3 дБ. Напряжение возбуждения должно быть 2 В. Реальное значение чувствительности будет зависеть от ширины полосы пропускания системы или ширины полосы подаваемого сигнала.

Таблица 1. Импеданс небольшого громкоговорителя системы поискового вызова, измеренный в лаборатории (линия 100 Ом)

И опять будьте осторожны при сравнении громкоговорителей и при проведении расчетов, поскольку общепринятой ширины полосы не существует. Могут приводиться значения чувствительности для однополосных или, что еще хуже, для одночастотных сигналов. Эти значения будут выше, чем для широкодиапазонных сигналов.

Чувствительность также зависит от гладкости частотной характеристики и от эффективного диапазона частот рассматриваемого устройства. Эффективный диапазон частот определяется как "диапазон частот, ограниченный указанными верхним и нижним пределами, в котором частотная характеристика громкоговорителя, измеренная на основной оси с использованием гармонических (или эквивалентных) сигналов, уменьшается не более чем на 10 дБ от уровня звукового давления, усредненного в полосе в 1 октаву или более (определяется производителем) в области максимальной чувствительности." При определении частотных пределов малыми провалами на частотной характеристике, которые уже 1/9 октавы по уровню -10 дБ, пренебрегают. И хотя это определение прекрасно подходит для высококачественных изделий с номинально плоскими характеристиками, оно может не подходить для многих систем PA и тревожной сигнализации, и устройства, имеющие характеристику с выраженными пиками, могут получить очевидное преимущество.

Возьмем к примеру громкоговоритель, характеристика которого приведена на рис. 11. Определение чувствительности в этом случае оказалось делом довольно сложным, особенно из-за того, что импеданс непостоянен. Официально указывается чувствительность в 88 дБ. Способы измерения и оценки чувствительности, частотной характеристики и рабочего импеданса данных типов устройств нуждаются в дальнейшей проработке, исследованиях и стандартизации.

Мощность

Рис. 11. Пример АЧХ акустической системы

Номинальная мощность громкоговорителя также таит в себе массу подвохов. Результаты измерений зависят от типа испытательного сигнала, пик-фактора, ширины полосы сигнала и длительности испытания. Часто используются разные типы мощности (среднеквадратическая, программная или музыкальная). По логике вещей, должен применяться сигнал, имитирующий реальные сигналы, которые встречаются в жизни и могут использоваться в данной системе. Это сигналы типа розового шума с ограниченной полосой или белого шума с определенным пик-фактором (отношение пикового значения сигнала к среднему значению, обычно оно составляет 6 дБ). Путем длительного воздействия сигнала со средним уровнем проверяется температурная стойкость громкоговорителя. Кратковременные пиковые сигналы проверяют его механическую надежность (отклонение диффузора и диафрагмы). Длительность испытаний может меняться, но обычно она составляет 8 ч.

Наряду с измерением мощности необходимо измерять коэффициент компрессии мощности. При нагреве катушки громкоговорителя выходная мощность может значительно уменьшаться. При этом компрессия возрастает с увеличением подводимой мощности. Обычно коэффициент компрессии находится в пределах 0,5–4,5 дБ. Следовательно, когда мы берем чувствительность данного громкоговорителя для рассеиваемой мощности 1 Вт на расстоянии 1 м и используем максимально допустимое значение мощности для расчета соответствующего максимального уровня звукового давления, то можем получить огромную ошибку.

Альтернативные испытания по определению мощности заключаются в том, что на вход подается высокое напряжение на короткий и на длительный срок и определяется то максимальное входное напряжение, которое громкоговоритель может выдержать без повреждения. В краткосрочных испытаниях применяется специальный сигнал (так называемый program-shaped noise), который подается на 1 с 60 раз с интервалом между двумя подачами в 1 мин. В долгосрочных испытаниях сигнал подается на 1 мин с интервалом в 2 мин. Испытания повторяются 10 раз (IEC 60268-5).

Искажения

Таблица 2. Искажения для высококачественного двунаправленного громкоговорителя с 12-дюймовым НЧ- динамиком и CD- рупором. Номинальная мощность 300 Вт

Искажения являются параметром, который часто не включается в технические характеристики, но важен для оценки нелинейности характеристик устройства и субъективного качества звучания. Существуют различные методы измерения разных видов искажений, включая суммарные гармонические искажения (THD), выборочные (например, вторая и третья гармоники) и интермодуляционные. Для определения некоторых тонких моментов, например, влияния материалов, из которых изготовлены диффузор и драйвер, начинают широко использоваться другие методики, такие как многочастотное возбуждение (multi sine-wave excitation).

Нужно быть чрезвычайно осторожным при сравнении результатов, поскольку разные производители используют в испытаниях разные уровни (мощности) в драйверах. Могут приводиться данные как по суммарным гармоническим искажениям, так и по второй и третьей гармоникам. Вообще говоря, вторая гармоника указывает на проблему асимметрии, в то время как третья гармоника, которая обычно более нежелательна с точки зрения субъективного качества звучания, говорит о наличии эффекта лимитирования в устройстве.

Низкочастотные искажения (ниже 100 Гц) могут быть вызваны подвеской (центрирующей шайбой и гофрированным подвесом диффузора), взаимодействием зазора с катушкой, прямотой и центрированием катушки, и они также меняются с износом. В принципе, 1% искажений можно считать нормальным, а 10% – уже плохо. Искажения на средних частотах (100 Гц – 1 кГц) могут возникать из-за паразитной модуляции второй или третьей гармоник, резонансов гофрированного подвеса (в основном вторая гармоника). Высокочастотные искажения (свыше 1 кГц) могут возникать из-за изломов диффузора и диафрагмы (так называемые субгармонические искажения) и сильной компрессии в горловине рупора.

Искажения зависят от уровня сигнала. В табл. 2 в качестве примера приведены данные для высококачественной двухполосной акустической системы с 12-дюймовым НЧ-динамиком и CD-рупором. Номинальная мощность – 300 Вт.

При выборе громкоговорителя для конкретного применения многие характеристики заслуживают того, чтобы их приняли во внимание. Поэтому убедитесь, что исследовали все характеристики, которые непосредственно относятся к вашему случаю.

Питер Мэпп – независимый консультант в области акустики и разработки звуковых систем в Великобритании. С ним можно связаться по электронной почте: petermapp@btinternet.com.

Благодарим журнал “Sound&Video Contractor” за предоставленный материал. P.O. Box 12901, Overland Park, KS 66282-2901, www.svconline.com