Чем измерить ачх акустики

АЧХ акустических систем. Описание методов вычисления и интерпретации

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.

Источник

АЧХ в акустике: что это такое и как влияет на звук

Содержание

Содержание

Пожалуй, каждый интересовался графиком АЧХ своих новеньких колонок или наушников. Но что он дает на самом деле? Как его правильно читать и как им пользоваться? Что на него влияет, как его измерить самостоятельно и нужно ли добиваться идеально ровной АЧХ? Об этом ниже.

Что такое АЧХ, как его измеряют

Амплитудно-частотная характеристика в аудиотехнике говорит о том, какую громкость выдаст девайс на каждой из частот слышимого спектра — от 20 Гц до 20 кГц. В английском языке используют термин frequency response — частотный отклик. Визуально он представляется в виде графика, где на оси X расположен слышимый спектр частот в герцах, а на оси Y — громкость в децибелах. К примеру, на картинке выше изображен график АЧХ колонок Sony SS-CS5.

Чтобы измерить АЧХ, нужно «скормить» прибору набор синусоид одинаковой громкости по всему спектру. Есть специальные генераторы таких тестовых сигналов, впрочем, найти их в записи можно даже на ютубе. Если прогнать этот сигнал через колонку, расположенную в помещении с ровной АЧХ, и записать результат микрофоном (нужно ли говорить, что весь аудиотракт для записи должен обладать ровной АЧХ?), то получится тот самый график. Звучит страшно, но на деле все не так сложно — для бытовых целей достаточно самого простого измерительного микрофона, поставленного вплотную к динамику и подключенного к аудиокарте. Если динамиков в колонке несколько — каждый из них измеряется отдельно.

Производители акустики высокой верности измеряют АЧХ в безэховых камерах с помощью микрофонов, установленных на роботизированной руке. Она позволяет измерить частотный отклик на разных расстояниях и в разных плоскостях за секунды.

АЧХ наушников измеряется с помощью манекена, подобного тому, который используется для записи бинаурального аудио. Он представляет собой модель человеческой головы с ушными раковинами среднестатистической формы, в которых расположены микрофоны.

Частотный отклик усилителя или ресивера можно измерить либо с помощью динамика с идеально ровной АЧХ, либо в обход него — с помощью эквивалента нагрузки, который втыкается напрямую в аудиокарту (без нагрузки усилитель сгорит).

Какой разброс АЧХ считается ощутимым на слух

Полученный график расскажет о тембральном балансе аудиоприбора. Как правило, бытовые колонки не обладают ровной АЧХ. Горбы и пики на некоторых участках будут окрашивать звук.

Насколько это будет слышно? Если рассматривать на примере колонок, то относительно ровной АЧХ будут обладать лишь студийные мониторы. Относительно — потому, что отклонение от ровной линии у них может колебаться в пределах 2–5 Дб в ту или иную сторону. К примеру, на рисунке выше изображена АЧХ мониторов Adam T5V.

Исходя из этого можно заключить, что отчетливо слышными становятся горбы и провалы на АЧХ более 2–5 Дб. Но здесь нужно понимать одну важную вещь — это сглаживание. Обычно даже у студийных мониторов график АЧХ больше похож не на прямую ровную линию, а на кардиограмму с небольшими, но частыми холмами и впадинами. Однако человеческое ухо не слышит настолько детально, чтобы различить эти неровности. Поэтому программы, измеряющие АЧХ, обладают функцией сглаживания, чтобы привести график к тому виду, как его воспринимает человеческое ухо. Оно указывается в долях октавы — например, сглаживание в 1\12 октавы означает, что график будет с шагом в одну ноту.

Конечно, здесь производители аудиотехники видят для себя прекрасную лазейку для ухищрений — если сгладить слишком сильно, например, до целой октавы, то график будет обманчиво ровным. Даже если к колонкам прилагается график АЧХ, очень редко указывается, какое сглаживание было использовано. Поэтому энтузиасты часто измеряют АЧХ наиболее популярных аудиоприборов и делятся результатами на форумах и в соцсетях.

Как зависит характер звучания от равномерности АЧХ

Чтобы говорить подробнее о характере звучания, нужно разобраться, за что отвечают разные диапазоны частот на графике АЧХ. Весь слышимый спектр можно разделить на низкие, средние и высокие частоты. В свою очередь, каждый из этих диапазонов (довольно условно) тоже можно разделить на три части:

Средние частоты:

Верхние частоты:

Эта информация поможет определить характер звучания акустики по ее АЧХ. К примеру:

Идеально ровная АЧХ — это хорошо или плохо?

Короткий ответ — смотря для чего. К примеру, для сведения музыки звукорежиссеру нужна идеально ровная АЧХ колонок и наушников. Сводить музыку на колонках с кривой АЧХ не только сложно, но и бессмысленно — можно добиться неплохого звучания конкретно на этих колонках, но на любой другой акустике микс рассыпется и будет звучать совсем не так, как задумывалось.

Однако для большинства слушателей колонки с ровным частотным откликом будут звучать пресно, скучно и безлико. Обычно хочется, чтобы качало посильнее, чтобы инструменты словно выпрыгивали из динамиков, чтобы верха были мягкими и шелковистыми, середина — жирной и объемной, бас — глубоким и упругим. Это понимают и производители колонок, поэтому сознательно подкрашивают звучание своей аудиотехники (как на графике выше — заметны горбы на низких, средних и высоких частотах).

То же самое встречается и в профессиональной аудиотехнике. К примеру, если подключить гитарный усилитель к обычной колонке, то звук будет похож на пчелиный улей рядом с пилорамой. Однако динамик в гитарном кабинете обладает очень кривой АЧХ и работает как фильтр, убирая все неприятные пилящие частоты и оставляя только приятное уху рычание. То же и с микрофонами — многие культовые модели обладают кривой АЧХ. К примеру, Shure SM58 наделен горбами в районе 2–8 Гц, чтобы подчеркнуть частоты вокала.

Что влияет на АЧХ кроме параметров самой акустической системы

На АЧХ влияет куча вещей. Особенно ярко это иллюстрируют наушники. Частотный отклик наушников вообще никогда не бывает ровной линией. К примеру, АЧХ дефолтных студийных наушников для сведения музыки Sennheiser HD600 по идее должна быть ровной, но измерения демонстрируют существенные провалы и горбы.

Почему так? Во-первых, музыка прямо возле уха воспринимается по-иному, чем музыка вдалеке. Те же внутриканальные наушники нередко имеют спад в районе высоких частот, потому что на пути звука нет никаких преград, обеспечивающих натуральное снижение высоких частот. В итоге приходится снижать их искусственно.

Во-вторых, наши голова, ушная раковина и слуховой канал имеют свои АЧХ и резонансы, которые обостряются в закрытом объеме, формируемом ухом и наушниками.

Исследования в этой области привели к созданию кривой Хармана — графика АЧХ наушников, который слушатели находят наиболее приятным. Этот график обновлялся несколько раз, кроме того, он отличается для накладных (OE) и внутриканальных (IE) устройств.

Далеко не все производители учитывают кривую Хармана при создании наушников, однако АЧХ множества топовых моделей сильно ее напоминает. Пожалуй, самыми известными среди них будут AKG K361 и K371.

С колонками также нужно повозиться, чтобы услышать ровную отдачу по всем частотам. Да, студийные мониторы бывают довольно ровными по всему спектру, и влияние ушной раковины не настолько существенное, однако всю малину портит помещение.

К примеру, маленькая комната будет гудеть на низких частотах из-за комнатных мод — стоячих басовых волн, которые особенно любят скапливаться в углах. Габариты помещения, материалы стен и отделки, мебель, точка прослушивания и точки расположения самих колонок — все это вносит свою лепту в формирование частотного отклика.

Как добиться большей равномерности АЧХ

Даже большинство звукозаписывающих студий, построенных с нуля, имеют неровности в частотном отклике, которые корректируются с помощью акустических панелей, басовых ловушек, диффузоров и поглотителей различных конструкций. Несколько самых простых способов улучшить звук в комнате можно найти в этой статье, а здесь собраны более профессиональные методы. Но не стоит ждать многого — даже кубометры минваты способны лишь немного сгладить горбы и провалы, но кардинально ситуацию не изменят.

Если же ничего не помогает, тогда приходится править дело программными методами — с помощью эквалайзеров. В профессиональных студиях это отдельные приборы с цифровым интерфейсом, которые помещаются в цепи перед мониторами. Для хоум-студий есть VST-плагины с той же функцией.

В бытовых целях можно использовать программные эквалайзеры смартфонов, плееров и ПК. Главное, о чем нужно помнить при эквализации — лучше убавлять, чем прибавлять.

К эквалайзеру нужно относиться как к набору плохих усилителей — добавление громкости на определенной частоте добавит искажений.

Это справедливо даже для очень точных и прозрачных студийных эквалайзеров, чего уж говорить про дефолтные в смартфоне.

К примеру, если в наушниках не хватает баса — это можно трактовать как избыток средних и высоких частот. Лучше их чуть убавить, а потом добавить общей громкости, чем прибавлять непосредственно бас — так получится более чистый и приятный уху звук. И только если убавлением не получается достичь желаемого — тогда стоит аккуратно прибавить недостающие частоты. Из этого правила есть исключения — например, когда нужно компенсировать конкретный и ярко выраженный провал в узком диапазоне частот. Но даже в этом случае стоит действовать аккуратно и прибавлять по 1–2 Дб.

Заключение

График АЧХ позволяет понять общий тембральный баланс выбранного девайса и может стать отправной точкой для его коррекции эквалайзером. Однако сравнивать график АЧХ от одного производителя с графиком другого производителя будет некорректно, потому что каждый измеряет частотный отклик по-своему и никогда не сообщает, как именно. Куда большую пользу могут принести измерения, выполненные энтузиастами и ресурсами об аудиотехнике — как правило, они не стесняются рассказывать о методе измерений. Также на ютубе популярны сравнения записей звучания колонок и наушников, с помощью которых можно составить общее представление о тембральном балансе и характере звука.

Однако наилучшим измерительным прибором для рядового покупателя будут его собственные уши. Как уже говорилось выше, они, как и художественные вкусы, у всех разные. Прежде, чем покупать дорогие колонки или наушники, стоит послушать их в выставочном зале, либо найти владельца такого же девайса в Интернете.

Источник