Не правда ли, интригующе звучит: «Можно ли услышать форму барабана?» Так Марк Кац озаглавил свою лекцию, прочитанную в 1966 году, где он изложил высказанную за 90 лет до этого основоположником теоретической акустики лордом Рэлеем идею, положившую начало большой и толстой ветви на дереве теоретической физики, носящей название «Обратные задачи», правда, Рэлей говорил о струне с переменной плотностью. Речь идет о том, можно ли по измеренному полю, например, звуковому, определить параметры его источника. Мы же свой вопрос сформулируем так: «Можно ли увидеть звучание громкоговорителя?», подразумевая при этом, можно ли, глядя на графики измеренных характеристик, услышать, как он звучит. Ответ на первый вопрос получен, и выглядит он примерно так: «В общем, да, но все зависит от того, насколько полна ваша информация о поле, насколько точно вы хотите определить форму этого самого барабана, и знаете ли вы что-нибудь заранее об исследуемом барабане - африканский это там-там или большой барабан симфонического оркестра». После этого бригада математиков самого высокого класса, воспользовавшись самым мощным суперкомпьютером, сможет дополнить вашу априорную информацию деталями. Но тем не менее на ветви обратных задач выросли замечательные плоды, самым красивым и ярким из которых является компьютерная томография.
Многие справедливо отнесут наш вариант вопроса к категории риторических в силу абсурдности его постановки, и вполне уместным пожатием плеч сопроводят единственно возможный ответ на него: «Конечно же, нельзя!» Но если немного изменить контекст вопроса, то разговор приобретает определенный смысл и предполагает некоторое развитие темы: «Увидеть, конечно же, нельзя, поскольку глаза - не уши, но что-то узнать о звучании данного громкоговорителя можно». Но в общем-то, как ни крути, вопрос наш в любом контексте оказывается риторическим. От схоластики до демагогии один шаг, а критерием истины, которая всегда конкретна, остается практика. Имеет ли какую-либо практическую пользу для читателей солидное количество графического материала, сопровождающего наши заметки? Из общих соображений она (польза) кажется очевидной. Графически оформленные результаты наших измерений дают достаточно точный, объективный портрет системы. Во-первых, теперь при покупке, желая побольше узнать о приглянувшейся системе, вы опираетесь не только на субъективное восприятие автора, отношение к звуку у которого может отличаться от вашего. Во-вторых, если вас затрудняет проблема выбора, становится доступным заочное объективное сравнение громкоговорителей, основанное не только на поэтических, но, увы, не всегда точных эпитетах из авторского лексикона. В-третьих, удовлетворяя любознательность, например, можно проследить за развитием серии акустических систем какой-либо фирмы. Несколько слов о наших технических возможностях. Ядром редакционного измерительного комплекса является 16-разрядная измерительная АЦП-ЦАП плата AT-DSP2200 фирмы «National Instruments» с максимальной частотой дискретизации 51200 выборок в секунду и разработанный той же фирмой графический язык программирования «LabView». Все методики тестирования и программы для них разработаны в редакционной лаборатории в соответствии со всеми ГОСТами, ОСТами, требованиями МЭК, имеющимся опытом, образованием, но прежде всего здравым смыслом. Идеологическая независимость от сторонних разработчиков программного обеспечения, дающая полную свободу творческого поиска, мощное инструментальное средство в виде графического специализированного языка программирования LabView, применение исключительно профессионального электроакустического оборудования позволяют получать полную и корректную информацию о самой разнообразной и не только акустической аппаратуре. При острой необходимости можно измерить напряжение на батарейке, используя наше оборудование как несколько дорогостоящий тестер, а можно оценить взаимное влияние каналов у серии процессоров для домашних кинотеатров. Надо отметить, что далеко не все результаты измерений попадают на страницы журнала в виде графиков, значительная их часть применяется как вспомогательный рабочий материал для максимальной объективизации авторского мнения. При этом мы можем себе позволить и определенную исследовательскую деятельность, а, стало быть, и иметь свою обоснованную точку зрения по спорным вопросам современной аудиотехники, а не только ретранслировать идеологические установки авторитетных фирм изготовителей аппаратуры. В этой связи не хотелось бы, чтобы от внимания ускользнул основной смысл, который мы вкладывали в несколько эксцентричный вопрос заголовка. Говоря о звучании, мы прежде всего имеем в виду восприятие звука человеком, то есть говорим о звуке как хоть и объективной, но данной нам в ощущениях реальности. Никакие измерения не являются самоцелью. Так, например, сам факт повышения неравномерности частотной характеристики интересует нас лишь постольку, поскольку данные флуктуации чувствительности отражаются на восприятии звукового образа. Вместе с тем нам решительно важно знать, почему группа экспертов в один голос осуждает систему, скажем, за недостаточную выразительность вокала или низкую прозрачность средних частот. Определяя связь между звукоощущением и характеристиками системы, мы стремимся достичь максимальной ясности, призванной исключить аморфную неопределенность суждений, вызывающую законную досаду у читателей и нередко маскирующую банальное непонимание и, более того, простое неумение слушать... Кстати, об умении слушать: редакционный измерительный комплекс играет не последнюю роль при обучении и тренировке членов экспертного совета.
Расскажем теперь подробнее о тех тестовых измерениях, результаты которых уже стали привычными на страницах журнала. Прежде всего - это амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) громкоговорителей и частотные зависимости модулей их входных импедансов. Классический метод измерения АЧХ сводится к вычислению отношений амплитуд звуковых гармонических (синусоидальных) сигналов различной частоты к амплитудам электрических, поданных на вход громкоговорителя. Как правило, используется двадцатикратный логарифм этого отношения (отношение в децибелах). Но этим способом сейчас, по-видимому, никто уже не пользуется, поскольку такие измерения должны проводиться в специальной звукомерной (заглушенной) камере, в которой удается полностью избавиться от отраженных волн. Это - во-первых, а во-вторых, такой способ измерений достаточно трудоемкий и относится к эпохе до всеобщей автоматизации и компьютеризации. Современный подход означает использование в качестве тестовых широкополосных сигналов, то есть сигналов, ширина спектра которых перекрывает либо весь частотный диапазон громкоговорителя, либо существенную его часть. Подходящими свойствами обладают шумовые сигналы, например - белый и розовый шум, отличающиеся разными распределениями звуковой энергии по частотному диапазону: у белого шума энергия распределена равномерно, в розовом количество энергии нарастает с уменьшением частоты в темпе 3 дБ на октаву. То есть в последнем больше басов, и он ближе к реально окружающим нас звукам, в том числе и музыкального характера. Основываясь на выводах теории линейных систем и не претендуя здесь на какую-либо оригинальность, мы находим АЧХ как абсолютное значение частного от деления комплексного спектра сигнала, полученного с измерительного микрофона, на спектр входного сигнала, поданного на клеммы громкоговорителя. То есть компьютер вычисляет спектры входного электрического и принятого звукового сигналов и делит второй на первый. Но если при тестировании применять длительные посылки, то упомянутой обработке будет подвергнут не чистый звук колонки, а сигнал, смешанный с многочисленными отражениями от неизбежно присутствующих в помещении поверхностей. В этом случае измеренная характеристика будет пригодна только для данной комнаты прослушивания. Для решения этой проблемы мы при измерениях используем короткие импульсы, заполненные белым шумом. Вычислительная процедура настраивается таким образом, что обрабатывается лишь часть сигнала с выхода микрофона до момента прихода первого отраженного импульса (к сигналу, измеренному микрофоном, применяется прямоугольное окно, отсекающее все отражения). Однако, поскольку комната прослушивания обладает конечными размерами, для различных громкоговорителей по-разному, но неизбежно искажается информация о низкочастотной части АЧХ. Но и эта проблема преодолима, если правильно учесть особенности структуры низкочастотного поля данного громкоговорителя. Так, в ряде случаев измерения допустимо проводить на очень небольшом расстоянии от низкочастотного драйвера, где соотношение между амплитудами полезного и отраженных сигналов становится таким, что влиянием последних на АЧХ можно пренебречь.
Модуль входного импеданса мы находим по определению, как частное от деления напряжения на входе АС на ток через нее, естественно, с учетом сдвига фаз. Для этого собирается нехитрая радиотехническая схема, а дальше все та же плата AT-DSP2200, небольшая программа к ней, и результат вы видите в журнале. График частотной зависимости модуля входного импеданса неисчерпаем, как и АЧХ для тех, кто умеет найти в нем зерно истины. Он много может порассказать о частной жизни громкоговорителя и его взаимоотношениях с усилителями, но это тема для отдельного и большого разговора, к которой мы непременно вернемся.
В некоторых статьях мы приводим трехмерные графики частотно-угловых распределений и частотно-переходных характеристик. С частотно-угловыми характеристиками вроде бы должно быть все понятно. Это примерно то же самое, что привычные дополнительные линии на графиках амплитудно-частотных характеристик, показывающие, как эти характеристики изменяются при регистрации звука под некоторым углом к главной оси АС. Набор АЧХ мы измеряем, используя специальное поворотное устройство, на которое устанавливается исследуемый громкоговоритель, позволяющее ориентировать ось громкоговорителя под произвольными углами к микрофонной оси, а затем строим трехмерный график, на котором как на ладони видно, насколько однородно поле данной колонки. Чем меньше рытвин и ухабов на нем, тем выше качество стереоэффекта, тем убедительней иллюзия присутствия, тем меньше зависимость пространственных эффектов от строгого положения слушающего на пересечении акустических осей колонок... Короче говоря, чем глаже трехмерное изображение, тем лучше. Конечно, это чрезмерно общие принципы анализа, и существует большое количество нюансов, о которых мы стремимся подробно рассказывать.
О частотно-переходной характеристике (ЧПХ) следует рассказать немного подробнее, поскольку появляться в отечественных журналах она стала сравнительно недавно и зачастую ничем вразумительным не сопровождается. Идеальная АС должна точно воспроизводить форму входного воздействия и прекращать звучание сразу же после окончания подачи на нее электрического сигнала. Но в действительности кроме искажения формы сигнала, естественно, происходит и увеличение его длительности. Запаздывающее звучание смешивается с сиюминутным, окрашивает его, снижает заложенный в записи динамический диапазон. Причин для его возникновения в громкоговорителях много: плохо заглушенный, слабый корпус, волновые резонансы в горле фазоинвертора, изгибные стоячие волны на конусах динамиков, плохо установленные защитно-декоративные сетки и так далее. Это послезвучание хорошо видно (неплохо звучит!) на зарегистрированных с помощью АЦП сигналах, порожденных короткими шумовыми импульсами, излученных АС и принятых измерительным микрофоном. На рисунках 1а,б,в приведены такие сигналы трех громкоговорителей, относящихся к различным ценовым (и качественным) категориям. Исходный электрический импульс длится 1 миллисекунду, первый отраженный (от пола) звук появляется после восьмой миллисекунды. Все, что находится между этими двумя точками, - послезвучание системы. АС, представленная рисунком 1а, очень неплоха. Послезвучание в ней практически отсутствует. Небольшой «дребезг», килогерц пяти частотой, стихает за 1 миллисекунду, дальше «выправляется» за полпериода что-то весьма низкочастотное, а затем - практически прямая линия. Как видите, нам хватило нескольких слов, чтобы описать процессы, происходящие с этой системой после выключения электрического сигнала. По рисунку 1б можно было бы написать целый абзац, но особо хотелось бы отметить доминирующую в послезвучании «волну», соответствующую примерно 800 Гц. А уж у говорящего о сигнале на рисунке 1в не хватит слов, чтобы описать все тонкости послезвучания соответствующей АС. Все эти многоречивые и малоколичественные описания заменяют частотно-переходные характеристики. Мы их получаем следующим образом: микрофон располагается на оси высокочастотной головки на расстоянии 1 м, на громкоговоритель подается «шумовой» импульс длительностью не более 1 мс. Как и в случае измерения АЧХ, с помощью прямоугольного окна мы отстраиваемся при обработке сигнала от отражений. Далее многократно повторяется следующая процедура: временным окном заданной длительности мы «вырезаем» часть сигнала, сдвигая каждый раз начало окна от исходной точки, совпадающей с его началом, на короткий промежуток времени и применительно к данному фрагменту рассчитываем АЧХ. Таким образом получается семейство кривых, каждая из которых есть результат деления спектра определенного фрагмента микрофонного сигнала (сигнала с усеченной начальной частью) на спектр исходной посылки (полноценный сигнал на входе громкоговорителя). По этим данным строятся трехмерные ЧПХ. На оси, перпендикулярной амплитудно-частотной плоскости, откладывается время смещения окна от начала микрофонного сигнала. Стройные теории, посвященные такому способу анализа, в специальной литературе отсутствуют, но то, что частотно-переходные характеристики отражают индивидуальные особенности громкоговорителя гораздо полнее и отчетливее, чем традиционная АЧХ, позволяют предсказать и объяснить многое в его звучании, подтверждается уже накопленным нами опытом. На рисунках 2а,б,в приведены ЧПХ, полученные для сигналов соответственно 1а,б,в. «Гребни», тянущиеся вдоль оси времени (справа), - это послезвучания в их спектральном представлении. На рисунке 2а исходная АЧХ (а при еще не сдвинутом от начальной точки окне действительно получается исходная частотная характеристика) гладкой стеной практически на всех частотах переходит в долину, украшенную незначительными холмиками, и только на частоте около 5 кГц наблюдается некое подобие «гребня», но и он быстро сходит на нет. На рисунке 2б обращает на себя внимание «хребет», переходящий в «рукав», на частоте ~800 Гц. Сразу понятно, что он соответствует «волне» на рисунке 1б, на которую мы обращали внимание выше, и которая так и не затухла к моменту появления первого отраженного импульса, а значит, и окончанию нашего наблюдения за сигналом. А вот нарушение синусоидального характера кривой на рисунке 1б до шестой миллисекунды объясняется суммированием 800-герцового синуса с синусом с частотой около 1 кГц, след которого хорошо виден на рисунке 2б, и который затухает примерно на середине временного интервала нашего наблюдения. Следует объяснить, почему «гребни» cо временем превращаются в «рукава». Это связано с тем, что передвигая окно по оси времени вправо, мы забираем для вычисления спектра все меньший и меньший отрезок сигнала (справа он ограничен окном, отсекающим отраженный звук), а в соответствии со свойствами преобразования Фурье это приводит к увеличению ширины спектра. Сложный и разнообразный характер ЧПХ на рисунке 3в говорит о богатстве внутренней жизни соответствующего громкоговорителя после прекращения подачи на него электрического сигнала. Анализ этой характеристики представляет собой самостоятельную и довольно сложную проблему. Громкоговоритель, представленный рисунками 1б и 2б, в силу своего высокого положения был подвергнут тщательному исследованию, и дотошный эксперт сумел вычислить причину послезвучания на частоте 800 Гц. По его предположению ею оказался волновой резонанс, возникающий в горле фазоинвертора, длинном и узком. Для проверки был поставлен эксперимент, заключавшийся в том, что ЧПХ была измерена с фазоинверторами (а их у колонки два), закрытыми поролоновыми пробками. Результат, приведенный на рисунке 3, подтвердил мнение эксперта - соответствующий «гребень» исчез. Завершая наш своеобразный отчет, хочется выразить надежду, что публикуемые нами данные объективных измерений вызывают заинтересованность читателя. Мы, со своей стороны, постараемся максимально наполнить техническую информацию живым содержанием.
Информационно-справочный портал “Ресиверы.РУ”. Любое воспроизведение любой части сайта допускается только при размещении активной гиперссылки на сайт. AV ресивер - это сердце и мозг домашнего кинотеатра.
Комментарии
