Акустические измерения. Измеряем АЧХ подручными средствами

Известно, что динамические процессы могут быть представлены частотными характеристиками (ЧХ) путем разложения функции в ряд Фурье.

Предположим, имеется некоторый объект и требуется определить его ЧХ. При экспериментальном снятии ЧХ на вход объекта подается синусоидальный сигнал с амплитудой А вх = 1 и некоторой частотой w, т.е.

x(t) = А вх sin(wt) = sin(wt).

Тогда после прохождения переходных процессов на выходе мы будем также иметь синусоидальный сигнал той же частоты w, но другой амплитуды А вых и фазы j:

у(t) = А вых sin(wt + j)

При разных значениях w величины А вых и j, как правило, также будут различными. Эта зависимость амплитуды и фазы от частоты называется частотной характеристикой.

Виды ЧХ:

·

у” « s 2 Y и т.д.

Определим производные ЧХ:

у’(t) = jw А вых е j (w t + j) = jw у,

у”(t) = (jw) 2 А вых е j (w t + j) = (jw) 2 у и т.д.

Отсюда видно соответствие s = jw.

Вывод: частотные характеристики могут быть построены по передаточным функциям путем замены s = jw.

Для построения АЧХ и ФЧХ используются формулы:

, ,

где Re(w) и Im(w) - соответственно вещественная и мнимая части выражения для АФХ.

Формулы получения АФХ по АЧХ и ФЧХ:

Re(w) = A(w) . cos j(w), Im(w) = A(w) . sin j(w).

График АЧХ всегда расположен в одной четверти, т.к. частота w > 0 и амплитуда А > 0. График ФЧХ может располагаться в двух четвертях, т.е. фаза j может быть как положительной, так и отрицательной. График АФХ может проходить по всем четвертям.


При графическом построении АЧХ по известной АФХ на кривой АФХ выделяются несколько ключевых точек, соответствующих определенным частотам. Далее измеряются расстояния от начала координат до каждой точки и на графике АЧХ откладываются: по вертикали - измеренные расстояния, по горизонтали - частоты. Построение АФХ производится аналогично, но измеряются не расстояния, а углы в градусах или радианах.

Для графического построения АФХ необходимо знать вид АЧХ и ФЧХ. При этом на АЧХ и ФЧХ выделяются несколько точек, соответствующих некоторым частотам. Для каждой частоты по АЧХ определяется амплитуда А, а по ФЧХ - фаза j. Каждой частоте соответствует точка на АФХ, расстояние до которой от начала координат равно А, а угол относительно положительной полуоси Re равен j. Отмеченные точки соединяются кривой.

Пример : .

При s = jw имеем

= = = =

ВведениеВряд ли я сделаю открытие, назвав тему тестирования компьютерной акустики одной из самых непопулярных в компьютерной прессе. Если проанализировать большинство обзоров, то можно прийти к заключению, что все они носят чисто описательный характер и состоят, как правило, из перекомпиляции пресс-релизов с переписыванием основных технических параметров, любованием корпусного исполнения, да крайне субъективных итоговых оценок, не подкрепленных какими-либо доказательствами. Причина такой "нелюбви" – отсутствие в распоряжении тестеров таких специализированных средств измерения, как аудиоанализаторы, чувствительные микрофоны, милливольтметры, генераторы звуковых сигналов и пр. Подобный набор оборудования стоит приличных денег, и по сей причине по карману далеко не каждой тестовой лаборатории (тем более что компьютерная акустика стоит несоизмеримо мало по сравнению с подобной измерительной техникой). Кроме того, тестер, безусловно, должен обладать "правильными ушами" и, желательно, иметь представление о качественном звуке не по своему бытовому музыкальному центру, а по звучанию симфонического оркестра в зале консерватории, например. Как бы то ни было, компьютерная акустика хоть и не претендует занять место hi-end и радовать слух пользователя достоверной передачей тембров, в точности передавая эмоциональное содержимое звуковой картины, но должна хотя бы не искажать звучание ряда инструментов, не вносить дискомфорт в сознание слушателя. Объективно, человеческое ухо, конечно же, нивелирует большинство искажений, выделяя и восстанавливая звуковую картину даже из треска динамика радиотрансляционного репродуктора, однако при прослушивании того же произведения на более качественной акустике, слушатель начинает различать новые и дополнительные детали, какие-то музыкальные оттенки (вроде того, что “…если взглянуть вооруженным глазом, то можно заметить три звездочки!..”). Наверное, и по этой причине тоже, к выбору компьютерной акустики стоит подходить более серьезно и осознанно.
В последнее время число пользователей, желающих оснастить свой компьютер действительно качественными акустическими системами, неуклонно растет. Чтобы облегчить Вам задачу выбора, мы решили развить эту тему на страницах нашего сайта, а для того, чтобы обзоры не носили чисто субъективный характер, не строились лишь на личных предпочтениях автора-тестера, F-Center оснастил тестовую лабораторию специальным прибором – аудиоанализатором PRO600S производства французской фирмы Euraudio. Давайте рассмотрим этот прибор чуть подробнее.

Аудиоанализатор Euraudio PRO600S

Аудиоанализатор Euraudio PRO600S представляет собой компактное мобильное устройство, предназначенное для произведения электроакустических измерений в режиме реального времени. Его корпус выполнен из прочной пластмассы, а эргономичные выступы по бокам обеспечивают определенный комфорт при работе "в полевых условиях". Для стационарной установки на штатив предусмотрено специальное крепление в днище прибора. Вообще, в мире существует достаточно много аналогичных по назначению приборов, однако, основное и выгодное отличие Euraudio PRO600S – его полная автономность. Внутри аудиоанализатора есть собственный аккумулятор, позволяющий пользоваться прибором в удалении от электрических сетей (заряда аккумулятора хватает приблизительно на четыре часа автономной работы). Интересный факт: именно этот мобильный аудиоанализатор взят на вооружение установщиками автомобильной акустики, ввиду чего предусмотрен вариант запитки прибора от прикуривателя. При стационарном использовании к PRO600S подсоединяется внешний 12В источник питания.
Для измерения акустических параметров в настройках аудиоанализатора выбирается либо встроенный, либо подключаемый внешний микрофон, а для проведения электрических измерений – линейный вход. Встроенный микрофон используется в тех случаях, когда высокой точности измерений не требуется (например, при первичной настройке системы). Если поставлена задача снятия более точных параметров, либо есть нужда в особом позиционировании микрофона к динамику АС, к прибору можно подключить внешние высокочувствительные микрофоны. В нашем распоряжении есть два таких микрофона. Первый – микрофон фирмы Neutrik (удачная замена встроенного микрофона), второй – специальный микрофон Linearx M52, предназначенный для измерения высоких уровней звукового давления (High-SPL Microphone). Разъемы этих внешних микрофонов соответствуют стандарту AES/EBU (если не ошибаюсь, это сокращения от American Electromechanical Society / European Broadcasting Union) и подключаются к XLR-разъему аудиоанализатора через специальный экранированный переходной кабель.



Микрофон Neutrik



High-SPL-микрофон Linearx M52



Разъем для подключения внешнего микрофона


Линейный вход аудиоанализатора позволяет проводить измерения электрических (и акустических) контуров. Этот вход может быть подключен к линейным выходам предусилителей, микшерских пультов, CD-плееров, эквалайзеров и т.п. Исключение составляют лишь выходы усилителей мощности, высокий электрический потенциал которых может вывести электронику прибора из строя. При проведении измерений с помощью линейного входа уровни на ЖК-дисплее индицируются в дБв.



Режим измерения электрических контуров по линейному входу


Управление прибором осуществляется при помощи элементарной системы экранного меню и немногочисленных кнопок на его лицевой панели. Пятидюймовый монохромный ЖК-дисплей имеет разрешение 240х128 точек, обеспечивая легкое прочтение показаний. В других случаях, когда аудиоанализатор используется не в "полевых условиях", к нему можно подключить принтер или компьютер. Для этого он располагает интерфейсными портами IEEE1284 (LPT) и RS-232 (COM).



На задней панели аудиоанализатора находится: линейный вход (1), встроенный микрофон (2), выключатель питания (3), разъем для подключения внешнего ИП (4), COM-порт (5), LPT-порт (6)


Выбор источника входного сигнала в меню Input Selection производится между встроенным микрофоном (Internal Microphone), внешним третьоктавным микрофоном (1/3 Oct External Microphone), внешним High-SPL-микрофоном или линейным входом (Line Input).



Выбор источника входного сигнала


Режимов измерения несколько: режим выявления амплитудно-частотной характеристики акустической системы, максимального уровня звукового давления, соревновательный режим с подсчетом очков и режим для измерения электрических трактов. Метод "взвешивания" или "нагружения" (weighting) выбирается из меню Weighting SPL, которое состоит из пунктов A-weighting, C-weighting и Linear.



Выбор метода взвешивания



Режим для проведения соревнований по звуку


В общих чертах, дабы не утруждать читателя теоретическим материалом, это происходит так. Акустический сигнал, полученный аудиоанализатором с микрофона, направляется на его полосовые фильтры, которые занимаются усилением одних частот и сглаживанием (аттенюированием) других. Эти фильтры являются своего рода нагрузками. Различают два типа нагружения, которые обозначают литерами "А" и "С" (A- и C-weighting). Кривая "A" определяется приближенным инверсивным значением 40 фон ("phon" – единица эквивалентной громкости, равная 1 децибелу) эквивалентного контура громкости (equal loudness contour), а кривая "C" – 100 фон. Здесь низкие частоты атеннюируются, а частоты речевого диапазона (1 000 – 1 400 Гц) наоборот усиливаются. Режим "L" (Linear) обозначает отсутствие нагружения.


Кривые "А" и "С"


Далее я постараюсь наиболее популярно изложить суть измерения АЧХ.

Измерение АЧХ с помощью Euraudio PRO600S

Итак, прибор позволяет производить измерения амплитудно-частотных характеристик акустических систем по звуковому давлению в режиме реального времени. Если взять чисто гипотетически, то сам процесс измерения АЧХ можно было бы организовать следующим образом: последовательно изменяя частоту сигнала на входе, измерять текущее значение звукового давления на выходе. Для получения "не размытого" представления о форме АЧХ нужно провести такие замеры как минимум на тридцати отрезках частотной шкалы звукового спектра, отстоящих друг от друга не дальше трети октавы. Такой вот "ручной" режим измерения займет значительное время, что можно позволить лишь при тестировании отдельно взятой АС, да и то, если не прибегать к каким-либо дополнительным подстройкам в процессе (чтобы не прокатываться затем вновь по всем частотам). Именно поэтому в акустических лабораториях используется метод измерения АЧХ по звуковому давлению в режиме реального времени (RTA – Real Time Analyzing). Здесь вместо отдельных сигналов на вход системы подается единый сигнал, равномерно насыщенный по всему спектру частот звукового диапазона (от 20 до 20 000 Гц), который называется "розовым шумом" (pink noise). На слух такой сигнал напоминает звук ненастроенного радиоприемника или шум водопада. Акустическая система воспроизводит "розовый шум", который, в свою очередь, улавливается микрофоном аудиоанализатора, после чего направляется на его полосовые фильтры, вырезающие из спектра узкую полосу частот (каждый свою), ширина которой составляет треть октавы. Например, первый фильтр настроен на полосу от 20 до 25 Гц, второй – от 25 до 31,5 Гц и т.д. Усиленный сигнал по каждой полосе диапазона отображается на ЖК-дисплее аудиоанализатора в виде столбика-уровня. Для перекрытия диапазона частот от 20 до 20 000 Гц потребуется тридцать полосовых фильтров. Понятно, что и индикатор прибора должен отображать все тридцать уровней. Большая часть ЖК-дисплея Euraudio PRO600S занята этими третьоктавными столбиками, перекрывающими звуковой диапазон от 25 до 20 000 Гц. На дисплее прибора шкала частот отображается в логарифмическом виде, что соответствует выражению высоты тона в октавах пропорционально логарифму отношения частот (экранное разрешение таково, что один пиксел на дисплее прибора равняется одному децибелу).
Справа на экране находится индикатор общего уровня звукового давления, который оформлен в виде столбика-уровня с продублированным сверху цифровым значением. Использующийся метод нагружения индицируется под этим столбиком.



Режим измерения АЧХ по звуковому давлению в режиме реального времени


При измерении АЧХ существует возможность изменения времени интегрирования (Integration Time), другими словами, времени реагирования аудиоанализатора на изменение звуковой обстановки. Для этого предусмотрено три режима: Fast (125 мс), Slow (1 с) и Long (3 с). В любой момент измерения можно приостановить, а текущие показания аудиоанализатора окажутся "замороженными". Теперь, если нажать на одну из пяти пронумерованных кнопок, показания дисплея запишутся в соответствующую номеру кнопки ячейку памяти. Такая возможность оставлена для передачи данных от аудиоанализатора принтеру.
В комплект поставки прибора входит компакт-диск с сервисной программой Euraudio, которая достаточно проста. Она лишена какой-либо аналитической части и требуется, в основном, для представления результатов тестирования на компьютере. Кроме этого, программа переводит показания третьоктавных фильтров в цифровой вид, записывая данные с разделителями в текстовом файле (для преобразования в любую известную электронную таблицу).

При измерении АЧХ, дабы не внести искажения от предусилителей какой-либо аудиокарты, испытуемая акустическая система подключается непосредственно к линейному выходу CD-проигрывателя, а тестовый сигнал "розовый шум" считывается со специального компакт-диска IASCA.
Определение относительной неравномерности АЧХ производится так: на основе полученных с помощью аудиоанализатора данных, находится максимальный перепад между соседними полосовыми частотными фильтрами, после чего вычисляется разница между ними. Учитывая тот факт, что в наших тестированиях принимают участие мультимедийные акустические системы, класс которых на порядок отличается от класса качественной бытовой аудиоаппаратуры (многие системы просто-напросто не работают в диапазоне 20 – 20 000 Гц), то подсчет неравномерности АЧХ мы решили ограничить отрезком от 50 до 15 000 Гц. На основании показателя неравномерности АЧХ можно говорить о качестве той или иной акустической системы. Частота раздела определялась визуально, по снятой АЧХ. Кстати, по картинке можно узнать и о настройках порта фазоинвертора сабвуфера и о частотах настройки полосовых фильтров системы.
Измерение максимального уровня звукового давления производилось следующим образом: к прибору подключается SPL-микрофон, из меню выбирается соответствующий режим измерений, и активизируется опция сохранения пиковых значений. Далее, с компакт-диска IASCA запускается тестовый трек SPL Competition, который "заставляет" систему работать на максимально возможных допустимых значениях. В ходе данного этапа, на дисплей аудиоанализатора выводится (и остается, как пик) лишь максимальный достигнутый уровень звукового давления. Именно по этому параметру можно судить о способности той или иной акустической системы "перевернуть Ваши внутренности" при прослушивании на максимальных значениях громкости.



Режим измерения максимального уровня звукового давления


По окончании тестирования, некоторые результаты измерений записывались в таблицу, глядя на которую достаточно легко понять, какая же система заслуживает внимания. Итак, проведение измерений с помощью аудиоанализатора позволяют нам судить о максимальном уровне звукового давления, относительной неравномерности АЧХ, частотах раздела и реальном диапазоне воспроизводимых частот акустической системой. По последнему параметру можно проверить расхождения заявленных производителем характеристик с теми, которые получились у нас.

Измерение импеданса

Аудиоанализатор, как я уже говорил, оснащен линейным входом, оформленным в виде RCA-разъема. Благодаря этому, прибор позволяет не ограничиваться лишь акустическими тестами, измеряя уровень звукового давления при получении данных с микрофона. С помощью этого линейного входа можно подключиться вразрез электрической цепи акустической системы и измерить (приближенно, конечно), к примеру, импеданс и коэффициент гармонических искажений.
Импеданс – это очень полезная функция, с помощью которой можно проверить способность динамика корректно работать при данном уровне усиления и отметить резонансные частоты низкочастотного динамика. Для проведения измерения, на вход усилителя акустической системы подается тестовый сигнал "pink noise". Взгляните на приведенный ниже рисунок: усилитель не должен включаться по мостовой схеме (т.е. его отрицательный полюс должен быть общей землей). Резисторы 4 и 8 Ом используются для калибровки. Сначала выбирается резистор 4 Ом, производится увеличение громкости до проявления читаемых уровней сигнала на дисплее аудиоанализатора (обычно такой уровень представляет собой прямую линию). После этого выбирается режим 8 Ом, и уровни выставляются для него. Затем переключатель устанавливается в положение для тестирования динамика, и путем сравнения этих двух линий оценивается его импеданс во всем акустическом диапазоне, отыскивается резонансная частота (или частоты).


Схема измерения импеданса


Примечание: к сожалению, на данный момент мы не успели подготовить стенд для определения импеданса, поэтому результаты по данному этапу будут доступны несколько позднее.

Тестовый аудиодиск IASCA Competition CD

Начну с того, что в конце 70-х годов производители акустики сознательно пытались провести аналогии между аудиоаппаратурой и… утюгами, крайне активно внедряя в умы потребителей наборы технических требований, выполнение которых гарантирует (якобы) высочайшее качество звучания аппаратуры. Уже тогда, производителей, пытающихся сделать ставку только на объективные параметры, называли "объективистами". Однако в начале 80-х годов всех их ждало разочарование в виде падения спроса и общего снижения объемов продаж на аудиоаппаратуру, несмотря на то, что "объективные параметры" постоянно улучшались, а качество звучания, почему-то, наоборот, становилось хуже. Такая общая тенденция дала толчок рождению движения субъективистов, чей лозунг поверг многих ортодоксов в шок: "Если между объективными параметрами и субъективными оценками есть противоречия, то результат объективных измерений учитывать не следует". Однако по сегодняшним меркам, тогдашний лозунг субъективистов оказался достаточно взвешенным. Хотя слуховое восприятие может нас подвести, оно, тем не менее, является самым чувствительным инструментом оценки качества звучания. Саму же оценку невозможно дать без прослушивания различных тестовых музыкальных композиций (симфонической и инструментальной музыки, хора мальчиков и знаменитого тенора, джазовых и роковых композиций), поэтому многими звукозаписывающими компаниями были разработаны специальные сборники, вроде того, о котором дальнейшее повествование.
Наш тестовый музыкальный диск можно назвать универсальным. Он используется как для определения объективных параметров (некоторые дорожки используются в качестве источника тестового сигнала), так и для построения субъективных оценок от прослушивания. Это компакт-диск IASCA Competition CD от достаточно известной международной ассоциации International Audio Sound Challenge Association .




На этом диске размещено 37 аудиотреков, а некоторые дорожки носят аннотационный характер, доводя до слушателя то, на что следует обратить внимание при прослушивании. Кстати, информация об этом диске есть в базе данных CDDB, поэтому после установки в CD-проигрыватель компьютера, из Интернет загружаются заголовки всех его треков. Порядок размещения записей на диске подчиняется определенному закону, т.е. фонограммы разбиты на группы по оцениваемым характеристикам звучания (тональная чистота, спектральный баланс, звуковая сцена и т.д.). Многие записи взяты из известных музыкальных архивов, таких как Telarc, Clarity, Reference, Sheffield и Mapleshade. Ниже приведен список дорожек IASCA Competition CD.

Плей-лист IASCA Competition CD

Аббревиатура АЧХ расшифровывается как амплитудно-частотная характеристика. На английском этот термин звучит как “frequency response”, что в дословном переводе означает “частотный отклик”. Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства. АЧХ может быть определена аналитически через формулы, либо экспериментально. Любое устройство предназначено для передачи (или усиления) электрических сигналов. АЧХ устройства определяется по зависимости коэффициента передачи (или коэффициента усиления) от частоты.

Коэффициент передачи

Что такое коэффициент передачи? Коэффициент передачи – это отношение на выходе цепи к напряжению на ее входе. Или формулой:

где

U вых – напряжение на выходе цепи

U вх – напряжение на входе цепи


В усилительных устройствах коэффициент передачи больше единицы. Если устройство вносит ослабление передаваемого сигнала, то коэффициент передачи меньше единицы.

Коэффициент передачи может быть выражен через :

Строим АЧХ RC-цепи в программе Proteus

Для того, чтобы досконально разобраться, что такое АЧХ, давайте рассмотрим рисунок ниже.

Итак, имеем “черный ящик”, на вход которого мы будем подавать синусоидальный сигнал, а на выходе черного ящика мы будем снимать сигнал. Должно соблюдаться условие: нужно менять частоту входного синусоидального сигнала, но его амплитуда должна быть постоянной .


Что нам делать дальше? Надо измерить амплитуду сигнала на выходе после черного ящика при интересующих нас значениях частоты входного сигнала. То есть мы должны изменять частоту входного сигнала от 0 Герц (постоянный ток) и до какого-либо конечного значения, которое будет удовлетворять нашим целям, и смотреть, какая амплитуда сигнала будет на выходе при соответствующих значениях на входе.

Давайте разберем все это дело на примере. Пусть в черном ящике у нас будет самая простая с уже известными номиналами радиоэлементов.


Как я уже говорил, АЧХ может быть построено экспериментально, а также с помощью программ-симуляторов. На мой взгляд, самый простой и мощный симулятор для новичков – это Proteus. С него и начнем.

Собираем данную схему в рабочем поле программы Proteus


Для того, чтобы подать на вход схемы синусоидальный сигнал, мы кликаем на кнопочку “Генераторы”, выбираем SINE, а потом соединяем его со входом нашей схемы.

Для измерения выходного сигнала достаточно кликнуть на значок с буквой “V” и соединить выплывающий значок с выходом нашей схемы:

Для эстетики, я уже поменял название входа и выхода на sin и out. Должно получиться как-то вот так:


Ну вот, пол дела уже сделано.

Теперь осталось добавить важный инструмент. Он называется “frequency response”, как я уже говорил, в дословном переводе с английского – “частотный отклик”. Для этого нажимаем кнопочку “Диаграмма” и в списке выбираем “frequency”

На экране появится что-то типа этого:


Кликаем ЛКМ два раза и открывается вот такое окошко, где в качестве входного сигнала мы выбираем наш генератор синуса (sin), который у нас сейчас задает частоту на входе.


Здесь же выбираем диапазон частоты, который будем “загонять” на вход нашей цепи. В данном случае это диапазон от 1 Гц и до 1 МГц. При установке начальной частоты в 0 Герц Proteus выдает ошибку. Поэтому, ставьте начальную частоту близкую к нулю.



и в результате должно появится окошко с нашим выходом


Нажимаем пробел и радуемся результату


Итак, что интересного можно обнаружить, если взглянуть на нашу АЧХ? Как вы могли заметить, амплитуда на выходе цепи падает с увеличением частоты. Это означает, что наша RC-цепь является своеобразным частотным фильтром. Такой фильтр пропускает низкие частоты, в нашем случае до 100 Герц, а потом с ростом частоты начинает их “давить”. И чем больше частота, тем больше он ослабляет амплитуду выходного сигнала. Поэтому, в данном случае, наша RC-цепь является самым простейшим ф ильтром н изкой ч астоты (ФНЧ).

Полоса пропускания

В среде радиолюбителей и не только встречается также такой термин, как . Полоса пропускания – это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Как же определить полосу пропускания? Это сделать довольно легко. Достаточно на графике АЧХ найти уровень в -3 дБ от максимального значения АЧХ и найти точку пересечения прямой с графиком. В нашем случае это можно сделать легче пареной репы. Достаточно развернуть нашу диаграмму на весь экран и с помощью встроенного маркера посмотреть частоту на уровне в -3 дБ в точке пересечения с нашим графиком АЧХ. Как мы видим, она равняется 159 Герц.


Частота, которая получается на уровне в -3 дБ, называется частотой среза . Для RC-цепи ее можно найти по формуле:

Для нашего случая расчетная частота получилась 159,2 Гц, что подтверждает и Proteus.

Кто не желает связываться с децибелами, то можно провести линию на уровне 0,707 от максимальной амплитуды выходного сигнала и смотреть пересечение с графиком. В данном примере, для наглядности, я взял максимальную амплитуду за уровень в 100%.


Как построить АЧХ на практике?

Как построить АЧХ на практике, имея в своем арсенале и ?

Итак, поехали. Собираем нашу цепь в реале:


Ну а теперь цепляем ко входу схемы генератор частоты, а с помощью осциллографа следим за амплитудой выходного сигнала, а также будем следить за амплитудой входного сигнала, чтобы мы были точно уверены, что на вход RC-цепи подается синус с постоянной амплитудой.


Для экспериментального изучения АЧХ нам потребуется собрать простенькую схемку:


Наша задача состоит в том, чтобы менять частоту генератора и уже наблюдать, что покажет осциллограф на выходе цепи. Мы будем прогонять нашу цепь по частотам, начиная от самой малой. Как я уже сказал, желтый канал предназначен для визуального контроля, что мы честно проводим опыт.

Постоянный ток, проходящий через эту цепь, на выходе будет давать амплитудное значение входного сигнала, поэтому первая точка будет иметь координаты (0;4), так как амплитуда нашего входного сигнала 4 Вольта.

Следующее значение смотрим на осциллограмме:

Частота 15 Герц, амплитуда на выходе 4 Вольта. Итак, вторая точка (15;4)


Третья точка (72;3.6). Обратите внимание на амплитуду выходного красного сигнала. Она начинает проседать.


Четвертая точка (109;3.2)


Пятая точка (159;2.8)


Шестая точка (201;2.4)


Седьмая точка (273;2)


Восьмая точка (361;1.6)


Девятая точка (542;1.2)


Десятая точка (900;0.8)


Ну и последняя одиннадцатая точка (1907;0.4)


В результате измерений у нас получилась табличка:

Строим график по полученным значениям и получаем нашу экспериментальную АЧХ;-)

Получилось не так, как в технической литературе. Оно и понятно, так как по Х берут логарифмический масштаб, а не линейный, как у меня на графике. Как вы видите, амплитуда выходного сигнала будет и дальше понижаться с увеличением частоты. Для того, чтобы еще более точно построить нашу АЧХ, требуется взять как можно больше точек.

Давайте вернемся к этой осциллограмме:


Здесь на частоте среза амплитуда выходного сигнала получилась ровно 2,8 Вольт, которые как раз и находятся на уровне в 0,707. В нашем случае 100% это 4 Вольта. 4х0,707=2,82 Вольта.

АЧХ полосового фильтра

Существуют также схемы, АЧХ которых имеет вид холма или ямы. Давайте рассмотрим один из примеров. Мы будем рассматривать так называемый полосовой фильтр, АЧХ которого имеет вид холма.

Собственно сама схема:


А вот ее АЧХ:


Особенность таких фильтров, что они имеют две частоты среза. Определяются они также на уровне в -3дБ или на уровне в 0,707 от максимального значения коэффициента передачи, а еще точнее K u max /√2.


Так как в дБ смотреть график неудобно, поэтому я переведу его в линейный режим по оси Y, убирая маркер


В результате перестроения получилась такая АЧХ:


Максимальное значение на выходе составило 498 мВ при амплитуде входного сигнала в 10 Вольт. Мдя, неплохой “усилитель”) Итак, находим значение частот на уровне в 0,707х498=352мВ. В результате получились две частоты среза – это частота в 786 Гц и в 320 КГц. Следовательно, полоса пропускания данного фильтра от 786Гц и до 320 КГц.

На практике для получения АЧХ используются приборы, называемые характериографами для исследования АЧХ. Вот так выглядит один из образцов Советского Союза


ФЧХ расшифровывается как фазо-частотная характеристика, phase response – фазовый отклик. Фазо-частотная характеристика – это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.

Разность фаз

Думаю, вы не раз слышали такое выражение, как ” у него произошел сдвиг по фазе”. Это выражение не так давно пришло в наш лексикон и обозначает оно то, что человек слегка двинулся умом. То есть было все нормально, а потом раз! И все:-). И в электронике такое тоже часто бывает) Разницу между фазами сигналов в электронике называют разностью фаз . Вроде бы “загоняем” на вход какой-либо сигнал, а выходной сигнал ни с того ни с сего взял и сдвинулся по времени, относительно входного сигнала.

Для того, чтобы определить разность фаз, должно выполняться условие: частоты сигналов должны быть равны . Пусть даже один сигнал будет с амплитудой в Киловольт, а другой в милливольт. Неважно! Лишь бы соблюдалось равенство частот. Если бы условие равенства не соблюдалось, то сдвиг фаз между сигналами все время бы изменялся.

Для определения сдвига фаз используют двухканальный осциллограф. Разность фаз чаще всего обозначается буквой φ и на осциллограмме это выглядит примерно так:


Строим ФЧХ RC-цепи в Proteus

Для нашей исследуемой цепи


Для того, чтобы отобразить ее в Proteus мы снова открываем функцию “frequency response”


Все также выбираем наш генератор


Не забываем проставлять испытуемый диапазон частот:


Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out


И теперь главное отличие: в колонке “Ось” ставим маркер на “Справа”


Нажимаем пробел и вуаля!


Можно его развернуть на весь экран

При большом желании эти две характеристики можно объединить на одном графике


Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фаз между входным и выходным сигналом составляет 45 градусов или в радианах п/4 (кликните для увеличения)


В данном опыте при частоте более 100 КГц разность фаз достигает значения в 90 градусов (в радианах π/2) и уже не меняется.

Строим ФЧХ на практике

ФЧХ на практике можно измерить также, как и АЧХ, просто наблюдая разность фаз и записывая показания в табличку. В этом опыте мы просто убедимся, что на частоте среза у нас действительно разность фаз между входным и выходным сигналом будет 45 градусов или π/4 в радианах.

Итак, у меня получилась вот такая осциллограмма на частоте среза в 159,2 Гц


Нам надо узнать разность фаз между этими двумя сигналами


Весь период – это 2п, значит половина периода – это π. На полупериод у нас приходится где-то 15,5 делений. Между двумя сигналами разность в 4 деления. Составляем пропорцию:

Отсюда х=0,258п или можно сказать почти что 1/4п. Следовательно, разница фаз между двумя этими сигналами равняется п/4, что почти в точности совпало с расчетными значениями в Proteus.

Резюме

Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства.

Фазо-частотная характеристика – это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.

Коэффициент передачи – это отношение на выходе цепи к напряжению на ее входе. Если коэффициент передачи больше единицы, то электрическая цепь усиливает входной ссигнал, если же меньше единицы, то ослабляет.

Полоса пропускания – это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Определяется по уровню 0,707 от максимального значения АЧХ.

  • Сравнительное тестирование стереоколонок Edifier и Microlab (апрель 2014)

    • Мощность

    Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука , издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

    Таким образом, мощность акустической системы - это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом - благодаря высокому уровню искажений, на втором - благодаря нештатному режиму работы колонки.

    Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

    RMS (Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

    PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе - активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

    Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

    Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая .

    Чувствительность

    Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

    Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

    АЧХ

    Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

    Западные производители предпочитают указывать диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц - 16 кГц (±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц - 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).

    Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20 - 20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.

    Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц - 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц - 10000 Гц. Сравнивать диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.

    Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

    Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

    Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

    Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

    Полное электрическое сопротивление, импеданс

    Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

    Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

    В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

    Корпус колонки, акустическое оформление

    Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

    Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

    Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

    Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

    Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

    Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

    Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.

    Перед тем как подходить к обзору комбиков для игры на улице хотелось бы разобраться с главным. С тем, как формируется звук, который мы слышим?
    Звук в процессе формирования проходит примерно такой путь:

    Звукосниматель или микрофон --->
    предварительный усилитель --->
    эквалайзер / набор эффектов --->
    усилитель мощности --->
    акустическая система.

    Акустическая система(динамик) у нас находится на выходе. И хотя на картинке спикер занимает очень мало места - он формирует звук, а значит, во многом и определяет.

    Другими словами: если акустическая система хреновая, то какой бы сигнал высокого качества не шел с УМ, мы услышим то, что соизволит передать АС. Стоит отметить, что иногда производители портативных комбиков забывают об этом, устанавливая на свои конструкции совершенно посредственные динамики, которые просто не в состоянии сделать звук качественным и хорошо передать то, что вы играете. Этим недостатком грешат многие комбики.
    Однако:

    АКУСТИКА В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ ОПРЕДЕЛЯЕТ ЗВУЧАНИЕ СИСТЕМЫ!
    И является наиболее важным ее компонентом.
    Вообще странно, что в музыкальной среде идёт много разговоров о , дереве и гитарах, наборах эффектов, пред. усилителях и усилителях мощности, проводах, но о динамиках и акустических системах упоминается очень мало.
    Для меня же этот вопрос встал, прежде всего, когда стал разбирать проблемы плохого звучания портативной аппаратуры. Основная беда – маленькие невнятные, дешевые динамики с плохой чувствительностью.

    В начале 90-х, когда Hi-End впервые стал появляться в России, имела место быть замечательная эмпирическая формула о распределении ресурсов. Выглядела она примерно так: 50% - акустика, 10% - все кабели, 40% - источник и усилитель.
    И это в целом верно, т.к. именно правильно выбранная акустика является первоосновой, вокруг которой можно строить свою систему и получить качественный звук.

    И так, давайте перейдём к динамикам:

    Основные части динамика - магнит, катушка, мембрана(диффузор), рама(корзина, диффузородержатель). Основными составными частями, влияющими на звук, параметры, конфигурацию - назначение являются первые три.
    Также хочется упомянуть сразу о параметрах, которые на динамиках указываются и по которым их можно выбрать. (А уж вникнем в суть каждого из них и как каждая часть динамика влияет на него - чуть позже.)

    ПАРАМЕТРЫ ДИНАМИКА:

    «Чувствительность» - это стандартное звуковое давление (SPL), которое развивает громкоговоритель. Оно измеряется на расстоянии 1 метр при подводимой мощности 1 Ватт на фиксированной частоте (обычно 1 кГц, если в документации на динамик не указано особо).
    Чем выше чувствительность акустической системы, тем более громкий звук она способна выдать при заданной подводимой мощности. Имея АС с высокой чувствительностью, можно иметь не слишком мощный усилитель, и напротив, чтобы «раскачать» АС с малой чувствительностью, потребуется усилитель большей мощности.
    Численное значение чувствительности, например, 90 дБ/Вт/м, означает, что эта АС способна создать звуковое давление в 90 дБ на расстоянии 1 м от динамика при подводимой мощности 1 Вт. Чувствительность обычных АС лежит в пределах от 84 до 102 дБ. Условно чувствительность 84-88 дБ можно назвать низкой, 89-92 дБ - средней, 94-102 дБ - высокой. Если измерения проводятся в обычном помещении, то к прямому излучению АС примешивается звук, отраженный от стен, повышая уровень звукового давления. Поэтому некоторые компании указывают для своих АС «безэховую» (anechoic) чувствительность, измеренную в безэховой камере. Понятно, что безэховая чувствительность - более «честная» характеристика.

    «Диапазон воспроизводимых частот» указывает частотные границы, в пределах которых отклонение звукового давления не превосходит некоторых пределов. Обычно эти пределы указаны в такой характеристике, как «неравномерность АЧХ».

    АЧХ - амплитудно-частотная характеристика динамика.
    Показывает уровень звукового давления динамика в зависимости от воспроизводимой частоты. Обычно представленна в виде графика. Вот пример АЧХ для динамика Celestion Vintage 30:

    «Неравномерность АЧХ» - показывает неравномерность амплитуды в диапазоне воспроизводимых частот. Обычно от 10 до 18 дБ.

    (Поправка - да, ± 3дБ - это характеристика АС, необходимая для более «честного» воспроизведения сигнала в указанном диапазоне.)

    «Импеданс»(СОПРОТИВЛЕНИЕ) - полное электрическое сопротивление динамика, обычно 4 или 8 Ом. Некоторые динамики имеют импеданс 16 Ом, некоторые - не стандартные значения. 2, 6, 10, 12 Ом.

    «Номинальная электрическая мощность» RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) - постоянная долговременная подводимая мощность. Обозначает ту мощность, которую громкоговоритель может выдержать в течение продолжительного периода времени без повреждения подвеса диффузора, перегрева звуковой катушки и других неприятностей.

    «Пиковая электрическая мощность» - максимальная подводимая мощность. Обозначает ту мощность, которую громкоговоритель может выдержать в течение короткого времени(1-2 секунды) без риска повреждения.

    Теперь можно рассмотреть, как каждая из частей динамика влияют на параметры динамика и на звук - в целом. :) Но об этом в следующих статьях.

    Другие параметры динамика – такие, как размер и материал мембраны. И их влияние на свойства и звук. Рассмотрим в другой статье.

    Кирилл Труфанов
    Гитарная мастерская.