Подробная расшифровка некоторых характеристик акустики

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).

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.

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.

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