Zaloguj
Komora bezechowa to droga inwestycja, pozostająca w zasięgu tylko największych firm i instytucji. Dla mniejszych producentów i dla hobbystów niedostępna, a jeżeli w ogóle, to od święta. Tymczasem wielu konstruktorów, a także magazynów testujących sprzęt, potrzebuje codziennego sposobu na wykonywanie pomiarów zespołów głośnikowych.
Nie będziemy w akademicki sposób wykładać teoretycznych, matematycznych podstaw, lecz w możliwe najbardziej przystępny i zgodnie z tytułem miesięcznika – praktyczny sposób opiszemy, jak się posługiwać różnymi metodami. W tym odcinku prezentujemy najważniejsze zasady metody MLS.
Redakcja miesięcznika „AUDIO” od prawie trzydziestu lat stosuje metodę MLS (maximum length sequence) i przebadała nią prawie dwa tysiące zespołów głośnikowych. Nasz system pomiarowy CLIO (w którym zawarte są też inne funkcje pomiarowe) to produkt firmy Audiomatica, który doczekał się kilku generacji i aktualnych wersji, ale MLS jest ogólną, a nie firmową nazwą metody, dostępnej również w systemach innych firm.
Schemat systemu pomiarowego z pewnością można znaleźć w wielu źródłach, nie będziemy tutaj przytaczać dokładnej instrukcji obsługi (gdzie i jaką wtyczkę włożyć), lecz poruszymy kwestie najważniejsze, akustyczne i podzielimy się naszymi spostrzeżeniami. Jednocześnie będziemy je łączyć z uwagami na temat konstrukcji i parametrów różnego typu zespołów głośnikowych (ale o tym w następnych odcinkach).
Metoda MLS pozwala w praktyce na prowadzenie pomiarów zakresu średnio-wysokotonowego, nawet w pomieszczeniu o powierzchni kilkunastu metrów kwadratowych.
Przypomnijmy krótko, że podstawową zasadą prawidłowego (w klasycznym ujęciu) pomiaru charakterystyki jest odebranie przez mikrofon pomiarowy tylko promieniowania biegnącego bezpośrednio z głośnika. W komorach bezechowych typowym sygnałem pomiarowym jest sinusoida, płynnie przestrajana przez całe pasmo akustyczne. Gdybyśmy do pomiarów w normalnym pomieszczeniu (o powierzchniach odbijających) zastosowali taką metodę, do mikrofonu dotarłoby mnóstwo odbić, zakłócających prawidłowy pomiar.
Metoda MLS polega na czymś zupełnie innym. Do głośnika dostarczany jest specyficzny szum (trwający kilka sekund), z którego program najpierw automatycznie wylicza odpowiedź impulsową i pokazuje ją na ekranie. Po nabyciu pewnej wprawy łatwo będzie nam ustalić, gdzie w tej odpowiedzi widać „ząbek” wywołany już nie falą bezpośrednią, ale pierwszym silnym odbiciem, najprawdopodobniej pochodzącym od podłogi, która będzie najbliższą dużą powierzchnią odbijającą. Pojawia się on po ściśle określonym czasie od dotarcia do mikrofonu fali bezpośredniej, odznaczającej się w pomiarze wysokim pierwszym impulsem. Czas ten jest określony przez różnicę długości dróg, jakie muszą przebyć fale: bezpośrednia i odbita.
Na użytek tej sesji pomiarowej użyliśmy zespołu głośnikowego MoFi SourcePoint8. To dwudrożny układ koncentryczny, kreujący tzw. punktowe źródło dźwięku (eliminujący problem fizycznego rozsunięcia przetworników), o dobrej liniowości charakterystyki.
Załóżmy, że głośnik/zespół głośnikowy (na razie potraktujmy go umownie jako punktowe źródło dźwięku) znajduje się na wysokości 0,9 metra i na tym samym poziomie znajduje się mikrofon, w odległości 1 m od głośnika; długość drogi fali odbitej od podłogi wynosi wtedy 2,12 m, różnica dróg – 1,12 m; taką drogę fala (o dowolnej częstotliwości, prędkość dźwięku jest taka sama dla wszystkich częstotliwości, w powietrzu o temperaturze pokojowej i typowej wilgotności wynosi 344 m/s) przebywa w ok. 3 ms. W takiej „odległości” od pierwszego impulsu fali bezpośredniej można spodziewać się na pomiarze śladu fali odbitej. Do dyspozycji mamy kursor, którym możemy odznaczyć na wykresie początek i koniec fragmentu odpowiedzi impulsowej, który chcemy brać pod uwagę dla dalszych operacji.
Początek wyznaczamy przed nadejściem czoła fali bezpośredniej, koniec przed śladem pierwszego silnego odbicia i w ten sposób mamy użyteczną część odpowiedzi impulsowej, z której wyeliminowaliśmy odbicia. Są w niej „zaszyfrowane” częstotliwościowe charakterystyki ciśnienia i fazy. Dalej, zgodnie z potoczną nomenklaturą, charakterystykę ciśnienia będziemy nazywali charakterystyką przetwarzania. Operacja matematyczna FFT (szybka transformacja Fouriera – spokojnie, nie musimy być matematykami!) przelicza odpowiedź impulsową i pokazuje charakterystykę przetwarzania. Proste, wygodne, ale nie bez wad. Częstotliwość skorelowana z oknem czasu, w którym trzeba pomiar „zamknąć”, aby nie wpadły do niego odbicia, staje się dolną częstotliwością graniczną pomiaru; 3 ms to czas cyklu ok. 330 Hz, więc charakterystyka przetwarzania pokazana przez system poniżej 330 Hz jest nieprawidłowa i bezużyteczna; zazwyczaj łagodnie opada, co może przestraszyć tych, którzy nie wiedząc o tej zależności, na podstawie tak zmierzonych charakterystyk, publikowanych przez niektórych producentów, wyciągają wnioski co do słabego przetwarzania niskich częstotliwości. Tak wyznaczoną (przez okno czasu) częstotliwość graniczną wyświetli nam automatycznie system; nie pilnuje on jednak, abyśmy ustawili koniec czasu pomiaru przed impulsem fali odbitej; jeżeli ustawimy go znacznie dalej, np. po 6 ms (od impulsu fali bezpośredniej), wyświetli nam 165 Hz, do tej częstotliwości konwersja odpowiedzi impulsowej na charakterystykę przetwarzania będzie prawidłowa, ale ta ostatnia już zakłócona odbiciami, których sam system przecież nie musi interpretować jako szkodliwych; co więcej, w pomiarach służących ustaleniu charakterystyki w konkretnych warunkach pomieszczenia, w konkretnym ustawieniu, uwzględnienie odbić może być pożądane.
Co gorsza, dla wyznaczania charakterystyki „czystej”, nieobciążonej odbiciami, wysoka dokładność pomiaru zaczyna się jeszcze wyżej niż wskazana przez system teoretyczna częstotliwość graniczna; z praktyki wynika, że ok. 1,5...2× wyżej, w tym przykładzie przy ok. 500...600 Hz. Gdzie dokładnie – zależy od konkretnego przypadku (konstrukcji zespołu głośnikowego); podczas dokonywania pomiarów widać, że każda próba daje nieco inne wyniki, zmierzona charakterystyka „pływa” poniżej częstotliwości granicznej, a nawet nieco wyżej, mimo że głośnik działa tak samo, a czas, po jakim pojawia się odbicie, nie ulega zmianie. Na poziom w zakresie niskich częstotliwości wpływają zakłócenia z zewnątrz (głównie przejeżdżające samochody), dlatego warto zadbać o względną izolację od takich źródeł hałasów. Okno czasu najlepiej zamknąć tuż przed odbiciem, ale w niektórych przypadkach okazuje się, że ustawiając czas odrobinę krótszy, uzyskamy charakterystykę wyglądającą lepiej (bardziej wiarygodną). Powody „dziwnych” zachowań i wyników dostarczanych przez system pomiarowy mogą być różne, część z nich wynika z konstrukcji zespołu głośnikowego, chociaż nic nie dzieje się wbrew prawom fizyki. Czasami odbicia niskich częstotliwości, które nadchodzą najszybciej, gdy przetwornik niskotonowy znajduje się najniżej (tutaj odeszliśmy od założenia, że mierzymy punktowe źródło dźwięku), nie zaznaczają się na odpowiedzi impulsowej wyraźnym „ząbkiem”, ale łagodniejszym wzniesieniem.
Jak można przesunąć niżej granicę prawidłowego pomiaru? Zwiększając różnicę między czasem dolotu fal bezpośrednich i odbitych, która wyznacza „okno” czasu. Tutaj wystarczą obliczenia boków trójkąta. Wcześniej zrobiliśmy założenie, że najbliższą dużą powierzchnią odbijającą jest podłoga, bowiem od ścian bocznych łatwiej się odsunąć, jednak pamiętajmy, że każdy obiekt, krawędź mebla, która pojawi się bliżej – może spowodować odbicie, które dotrze wcześniej niż odbicia od podłogi i albo zmusi nas do skrócenia okna czasowego, albo zakłóci charakterystykę. Z tego też powodu mikrofon najlepiej zamontować na długim, cienkim wysięgniku (np. rurce), a nie bezpośrednio na statywie, bowiem nawet odbicia od statywu, dobiegające wówczas niedługo po fali bezpośredniej, zakłócą charakterystykę w zakresie średnich i wysokich częstotliwości.
Jeżeli przy określonej odległości między źródłem dźwięku a mikrofonem będziemy ustawiać wyżej mikrofon niż, źródło, albo jedno i drugie, to będziemy oddalać się od podłogi, zwiększać różnicę dróg między fala odbitą a bezpośrednią, a tym samym przesuwać w dół (korzystnie) częstotliwość prawidłowego pomiaru. Należy jednak pilnować, aby nie zbliżyć się zanadto do… sufitu, aby odbicia od niego nie dobiegły wcześniej niż od podłogi.
Ponieważ większość pomieszczeń mieszkalnych ma wysokość ok. 2,6 metra, najlepiej ustawić mikrofon i źródło na wysokości ok. 1,3 metra. Kolumnę wolno stojącą należy więc ustawić na kilkudziesięciocentymetrowej podstawce, a małą konstrukcję podstawkową – na podstawce wyższej niż standardowa (optymalna do odsłuchu). W tym odcinku mierzymy punktowe źródło dźwięku, ale w praktyce mamy do czynienia z wielodrożnymi zespołami głośnikowymi, a więc z wieloma źródłami dźwięku. W każdym razie zawsze musimy wybrać punkt, który uznamy za reprezentatywny dla całego układu i uznać, że łącząc go z mikrofonem, wyznaczamy tzw. oś główną pomiaru.
Teoretyczne zalecenia, związane z uzyskaniem pomiaru o wysokiej dokładności, stawiają też wymagania co do odległości od źródła. Dystans 1 metra często pojawia się w materiałach źródłowych, ale nie jest to wartość idealna. Mniejsza odległość pozwala zwiększyć różnicę dróg fali bezpośredniej i odbitej, ale zniekształca charakterystykę z innych powodów niż odbicia, zwłaszcza w przypadku wielodrożnego zespołu głośnikowego, którego charakterystyka jest sumą (wektorową – znaczenie ma nie tylko amplituda, ale i faza) ciśnień wszystkich głośników, a relacje wymiarowe i kątowe zmieniają się wraz z odległością. Nawet po wyeliminowaniu odbić, w polu swobodnym, inaczej wyglądają charakterystyki zespołu głośnikowego z odległości 1 metra, pół metra czy też kilku metrów. Biorąc pod uwagę, że kolumn słucha się zwykle z odległości większych niż 1 metr i chcąc zobaczyć charakterystykę już ustabilizowaną (w funkcji odległości mikrofonu od zespołu głośnikowego), zaleca się, aby odległość ta była co najmniej trzykrotnością największego wymiaru zespołu głośnikowego. To jednak warunek bardzo trudny do spełnienia w przypadku kolumn wolno stojących i praktycznie uniemożliwiający tę metodę pomiaru w pomieszczeniu mieszkalnym; kolumny wolno stojące mają przeciętnie ok. 1 metra wysokości, więc odległość musiałaby wynosić co najmniej 3 metry; przy takiej odległości, nawet przy instalacji na wysokości 1,3 metra, droga odbicia wynosi 4 metry, a różnica dróg – 1 metr, dlatego teoretyczna granica prawidłowego pomiaru przesuwa się do ok. 350 Hz (a praktyczna, jak wiemy, jeszcze wyżej). W pewnych sytuacjach, gdy zależy nam na jak najdokładniejszym pomiarze powyżej 700 Hz, takie podejście może być uzasadnione, jednak w większości przypadków będziemy zainteresowani niższą częstotliwością graniczną. Chociaż cała powierzchnia obudowy, a zwłaszcza jej front, poprzez odbicia wpływa na charakterystykę, to rozsądnym kompromisem wydaje się „przeredagowanie” tego warunku w taki sposób, że minimalna odległość to trzykrotność odległości między najbardziej oddalonymi od siebie głośnikami zespołu. To wciąż będzie dużym wyzwaniem w przypadku konstrukcji wolno stojących, których konfiguracja głośników rozciąga się na większej części ich wysokości, ale może zredukować minimalną odległość z 3 metrów np. do 2 metrów, a w przypadku konstrukcji dwudrożnych, dwugłośnikowych (w tym podstawkowych), pozwoli zwykle utrzymać odległość 1 metra.
A co z odbiciami od podłogi? Stara porada sugeruje położenie na podłodze, w okolicach miejsca odbicia, materiału tłumiącego – zwiniętego koca, poduszek itp. To na pewno nie zaszkodzi, ale według naszych doświadczeń nie pomaga w takim stopniu, aby zignorować wciąż powstające odbicie (i wydłużenie okna pomiaru). Co więcej, słabe wytłumienie może wprowadzić w błąd poprzez wytłumienie odbić w paśmie wysokich częstotliwości (podatnych na tłumienie nawet cienkimi ustrojami, np. ręcznikiem), przez co na obrazie odpowiedzi impulsowej nie zobaczymy już „ząbka” i pochopnie wydłużymy okno do następnego odbicia (biegnącego np. od ściany); tymczasem odbicie średnich, a zwłaszcza niskich częstotliwości, nie zostało wytłumione, a odznacza się ono (na wykresie odpowiedzi impulsowej) łagodniejszym – czyli niższym i dłuższym – grzbietem, który możemy łatwo przeoczyć. Skuteczne wytłumienie fal rzędu kilkuset herców jest już bowiem znacznie trudniejsze i wymaga w praktyce… komory bezechowej.
Pomiary metodą MLS to sztuka kompromisów w postaci takiego doboru ustawień i parametrów pomiarów, który najlepiej odpowiada założonym celom całej procedury.
Pomiar zespołów głośnikowych metodą MLS nie może objąć całego pasma akustycznego; jest wyraźnie ograniczony od strony niskich częstotliwości, w praktyce, w zależności od sytuacji (warunków, w jakich przeprowadzamy pomiar, dokładności, z jaką chcemy charakterystykę zobaczyć, konstrukcji zespołu głośnikowego) dolna częstotliwość graniczna pomiaru zawiera się w granicach 300…700 Hz. A co z niskimi częstotliwościami? Nimi musi zająć się pomiar w tzw. polu bliskim. Ale w następnym odcinku będziemy dalej ćwiczyć pomiar MLS, tyle że na trudniejszych przykładach układów wielodrożnych (z rozsuniętymi przetwornikami).
Andrzej Kisiel
