Zacznijmy jednak od układu z jednym przetwornikiem (nieważne jakiego typu: szerokopasmowym, średniotonowym czy wysokotonowym) albo nawet szczególnego rodzaju układem wielodrożnym – z koncentrycznym układem przetworników. W takich przypadkach możliwe jest jednoznaczne określenie punktu centralnego źródła (głośnika); prosta łącząca to centrum z mikrofonem jest najkrótszą drogą, jaką fala może dotrzeć do mikrofonu. W związku z tym takie układy akustyczne (pojedyncze głośniki i układy koncentryczne) często określa się mianem punktowego źródła dźwięku, jednak membrana głośnika nie jest punktem – ma skończone wymiary i specyficzną, trójwymiarową geometrię. Fale biegnące od odległych od siebie części membrany, na skutek zmieniających się relacji fazowych między nimi, kształtują różne charakterystyki przenoszenia na różnych dystansach od głośnika; zmiany te dotyczą jednak tylko fal o długościach porównywalnych ze średnicą membrany i takiego rzędu odległości od mikrofonu, więc przy odległości 1 metra (a tym bardziej większej) nie mają znaczenia – pod warunkiem utrzymywania mikrofonu na ustalonej prostej (łączącej go z centrum membrany), czyli na osi pomiaru.
Fakt, że nawet pojedynczy głośnik nie jest punktowym źródłem dźwięku, najlepiej widać zmieniając oś (bez modyfikacji odległości) na inną prostą łączącą centrum membrany z mikrofonem. Takich odcinków może przecież być nieskończenie wiele. Piszemy teraz o sprawach dość oczywistych, ale nie zaszkodzi o nich przypomnieć, aby za chwilę pewniej poruszać się w bardziej skomplikowanej materii. Charakterystyka będzie się zmieniać, ponieważ wspomniana geometria membrany powoduje, że zmieniając pozycję mikrofonu, nawet przy takiej samej odległości od centrum głośnika, zmieniamy względne odległości, a więc i przesunięcia fazowe, od różnych części membrany. Generalnie najwyższy poziom (przy ustalonej odległości) pojawia się na tzw. osi głównej – prostopadłej do głośnika, mówiąc potocznie – „na wprost”. Na niej koordynacja fazowa pracy różnych części głośnika jest zwykle najlepsza w większej części przetwarzanego przezeń pasma. Właściwość skupiania fali w pobliżu osi głównej wynika właśnie z tego zjawiska, a ponieważ w przypadku dużych głośników różnice odległości, a więc przesunięcia fazowe między falami generowanymi przez różne części membrany pod określonym kątem, są większe niż w przypadku głośników małych – stąd duże głośniki bardziej skupiają dźwięk w zakresie średnich i wysokich częstotliwości, a więc fal krótszych (rysunek 1).
To przypomnienie (w zasadzie elementarnej) właściwości ma ścisły związek z ważnym pytaniem – na jakiej osi i dlaczego właśnie na niej zamierzamy mierzyć głośnik czy zespół głośnikowy?
Producenci samych głośników oś główną ustalają właśnie zgodnie z powyższą zasadą i prezentują główną (a czasami jedyną) charakterystykę ustaloną w taki sposób; często na wykresie są też charakterystyki zmierzone na innych osiach, np. 30° i 60°. Najczęściej wcześniej „opadają” one w zakresie wysokich częstotliwości. W przypadku okrągłego głośnika, czy to wyspecjalizowanego do przetwarzania określonego zakresu (średniotonowego, wysokotonowego itd.), czy szerokopasmowego (a nawet układu koncentrycznego), nie ma znaczenia płaszczyzna, w jakiej ustalane są osie będące pod określonym kątem względem osi głównej; charakterystyka pod kątem np. 30° w płaszczyźnie poziomej będzie taka sama, jak charakterystyka pod kątem 30° w płaszczyźnie pionowej i jakiejkolwiek innej, ustawionej „ukośnie”. Te charakterystyki są informacją dla konstruktora zespołu głośnikowego, jakie (najogólniej mówiąc) są możliwości głośnika, a nie jaka będzie docelowa charakterystyka konstrukcji z jego użyciem.
Nie jest jednak takie oczywiste, jak powinniśmy ustalić oś główną, gdy mamy do czynienia z finalną konstrukcją, w której zastosowano np. głośnik szerokopasmowy lub układ koncentryczny. Wyobraźmy sobie, że kolumna jest niewysoka i głośnik (jego środek) znajduje się na wysokości 70 cm. Wedle wcześniejszych założeń, związanych z cechami samego głośnika (a w tym momencie całej konstrukcji), oś główna pomiaru powinna pokrywać się z osią tego głośnika (co wcale nie znaczy, że powinna biec 70 cm nad podłogą – w pomiarach powinniśmy taką konstrukcję postawić na ok. 50-centymetrowej podstawce, wynosząc sam głośnik na wysokość ok. 120 cm, na takiej samej wysokości ustawić mikrofon, aby „oddalić” odbicia od podłogi). To jednak oznaczałoby, że pokazujemy charakterystykę, jaka biegłaby bezpośrednio do słuchacza, który postawiłby kolumny przecież bezpośrednio na podłodze, mając głowę (uszy) na wysokości 70 cm. A to wysokość znacznie niższa niż typowa dla siedzącego słuchacza; z tego powodu słuszniej byłoby przyjąć wysokość 90...100 cm, ale wtedy oś pomiaru (prosta łącząca mikrofon z centrum głośnika) nie będzie pokrywała się z osią główną głośnika, lecz znajdowała względem niej pod niezerowym kątem (jakim dokładnie, zależy też od odległości; im większa odległość, tym mniejszy kąt). Nie są nam znane ścisłe normy postępowania w takich sytuacjach – zarówno podejście „konstrukcyjne”, jak i „użytkowe” mają swoje uzasadnienie, a każdy musi rozważyć, jaką sytuację zamierza przedstawić w swoich pomiarach. Zresztą jedno nie wyklucza do końca drugiego; można przecież zmierzyć i pokazać obydwie charakterystyki, jednak konstruktor musi zadać sobie pytanie, która jest dla niego najważniejsza? W praktyce testów i pomiarów AUDIO, wybieramy jako oś główną pomiaru tę, która przechodzi przez hipotetyczny, prawdopodobny punkt odsłuchowy znajdujący się na wysokości 90...100 cm, w odległości 3 m. Nie znaczy to, że mikrofon znajduje się na wysokości 90...100 cm ani że mikrofon znajduje się w odległości 3 m; z powodów opisanych miesiąc temu mikrofon znajduje się bliżej, a jednocześnie względem centrum akustycznego zespołu głośnikowego pozostaje on na tej samej prostej, na jakiej znajdowałby się, gdyby był ustawiony na wysokości 90...100 cm od podłogi, w odległości 3 metrów od kolumny stojącej na podłodze.
Zespoły wielodrożne stanowią 99% konstrukcji głośnikowych średniej i wyższej klasy, z powodów które powinny być znane wszystkim zainteresowanym, dlatego nie będziemy tutaj ich przypominać. To, co ważne dla naszych rozważań, to fakt, że zespół wielodrożny, poczynając od dwudrożnego, składa się z co najmniej dwóch przetworników różnego rodzaju, przetwarzających różne zakresy częstotliwości i fizycznie odsuniętych od siebie (abstrahując od układów koncentrycznych, które omówiliśmy wcześniej).
Zastosowanie kilku głośników przetwarzających różne częstotliwości wymaga od konstruktora opanowania ich indywidualnych charakterystyk amplitudowych i fazowych tak, aby sumowały się do wyrównanej (albo jakiejkolwiek innej – byle w ogólnym zarysie zamierzonej, a nie przypadkowej) charakterystyki zespołu. Ta będzie jednak zmieniać się wraz ze zmianą osi – kierunku pomiaru. Na wstępie załóżmy, że ustaliliśmy oś główną (jak – o tym podyskutujemy dalej) i mamy na niej oczekiwaną charakterystykę. W zależności od częstotliwości podziału (im wyższa, tym bardziej), nachylenia filtrów (im niższe, tym bardziej), fizycznej odległości między głośnikami (im większa, tym bardziej), będzie ona zmieniać się wraz ze zmianą osi – i to zupełnie inaczej w płaszczyźnie pionowej niż w płaszczyźnie poziomej.
Charakterystyki zmierzone pod różnymi kątami w płaszczyźnie poziomej będą odbiegały od charakterystyki z osi głównej na skutek schodzenia z osi głównych poszczególnych przetworników, a więc ze względu na ich indywidualne charakterystyki kierunkowe (którą to właściwość omówiliśmy w poprzednim numerze), a uwzględniając front obudowy o skończonych wymiarach – również przez zmianę odległości mikrofonu od jej krawędzi (do jednej bocznej będziemy się zbliżać, od drugiej oddalać, co w sumie jest zjawiskiem pożądanym, bowiem znosi kumulację odbić od tych krawędzi, następujących przy tej samej częstotliwości, gdy układ głośnikowy znajduje się w osi symetrii, a mikrofon w takiej samej od nich odległości – rysunek 2).
Charakterystyki zmierzone pod różnymi kątami w płaszczyźnie pionowej będą odbiegały od charakterystyki z osi głównej również na skutek schodzenia z osi głównych poszczególnych przetworników, ale w zakresie częstotliwości podziału często jeszcze bardziej na skutek zmiany (pogorszenia) koordynacji fazowej między przetwornikami. To zjawisko może przybierać bardzo poważne rozmiary, jest zasadniczo niekorzystne, ale żeby być „sprawiedliwym” wobec konstruktora, jak też uczciwie przedstawić sytuację użytkownikowi, należy je indywidualnie zinterpretować (rysunek 3).
Ogólnym zaleceniem jest, aby oś główną takich konstrukcji wyprowadzać albo na osi wysokotonowego (co gwarantuje najlepszą charakterystykę w zakresie najwyższych częstotliwości), albo pomiędzy nim a głośnikiem nisko-średniotonowym (w układach dwudrożnych), albo średniotonowym (w układach trójdrożnych). Wielu konstruktorów przyjmuje tę oś za oś referencyjną, na niej dopracowując najlepszą charakterystykę w zakresie częstotliwości podziału.
Konstrukcje podstawkowe mają zwykle wysokość w zakresie 30...40 cm, a przeznaczone do nich podstawki 60 cm, więc głośnik wysokotonowy znajduje się na wysokości ok. 90 cm, a ponieważ głowy siedzącego słuchacza można spodziewać się na wysokości 90...100 cm, główna oś pomiaru zbieżna z osią przetwornika wysokotonowego wydaje się słusznym wyborem, chociaż nie zawsze będzie pokrywać się z osią najlepszej charakterystyki.
Również w konstrukcjach wolno stojących głośnik wysokotonowy znajduje się często na wysokości ok. 90 cm i można wówczas ustalić oś główną na takim właśnie poziomie – względem dolnej krawędzi obudowy, niekoniecznie podłogi (przypominamy o zaleceniu przeniesienia w pomiarach całego układu wyżej, na wysokość ok. 120...130 cm, za pomocą odpowiedniej podstawki pod kolumnę).
Kłopot mamy wtedy, gdy głośnik wysokotonowy jest na wyraźnie innej wysokości; są kolumny wolno stojące, w których znajduje się on nawet na wysokości 120 cm, albo znacznie niżej – na 70 cm; do podobnych sytuacji odnieśliśmy się już w analizie pomiaru układu z pojedynczym przetwornikiem, ale w przypadku układów wielodrożnych, z podanych już powodów, sytuacja się „zaostrza”. Oś referencyjna – czyli oś najlepszej charakterystyki – powinna być przez konstruktora wybrana przy uwzględnieniu warunków użytkowania kolumn. W niezależnym pomiarze, w ramach testu, oś główna – wskazująca użytkownikom potencjalnie „najważniejszą” charakterystykę – też powinna być ustalona rozsądnie.
Najpierw wejdziemy na grunt konstruktorski; jeżeli przetwornik wysokotonowy znajduje się na „niestandardowej” wysokości, np. 120 cm czy 70 cm, zwykle nie jest to spowodowane zamiarem ustalenia osi referencyjnej bardzo wysoko albo bardzo nisko; raczej zmuszają do tego inne przesłanki konstrukcyjne, którymi nie będziemy się tutaj zajmować.
Jeżeli głośnik wysokotonowy będzie znajdował się 20...30 cm wyżej lub niżej od zakładanej wysokości miejsca odsłuchowego, to przy dodatkowym założeniu, że słuchacz będzie znajdował się w odległości nie mniejszej niż 3 metry (założenie całkowicie uzasadnione w przypadku kolumn wolno stojących, stosowanych w salonach, a nie na biurkach), kąt między osią przetwornika wysokotonowego a prostą łączącą go z miejscem odsłuchowym jest niewielki, ok. 5...7°. Można wówczas skierować oś referencyjną o tyle niżej lub wyżej, czyli tak zestroić zwrotnicę, aby najlepsza zgodność fazowa między przetwornikiem wysokotonowym i głośnikiem bezpośrednio mu towarzyszącym (a w ślad za tym najwyżej i najbardziej płynnie biegnąca charakterystyka przetwarzania w zakresie częstotliwości podziału między nimi) powstała właśnie w tym kierunku. W celu dokonania dostatecznie dokładnego pomiaru nie musimy jednak ustawiać mikrofonu w odległości 3 metrów, co w przypadku redukcji odbić byłoby zbyt trudne, lecz przesuwać go po prostej (łączącej punkt na wysokości 90...100 w odległości 3 metrów z głośnikiem wysokotonowym); w praktyce, mierząc wysoką kolumnę z przetwornikiem wysokotonowym na wysokości 120 cm, nie musimy jej już ustawiać na żadnej podstawce, zaś mikrofon, jeżeli będzie znajdował się w odległości 1,5 metra, będzie ustawiony na wysokości 105...110 cm. Kiedy będziemy stroić kolumnę niską, postąpimy odwrotnie, ale według tej samej ogólnej zasady – mikrofon ustawimy odpowiednio wyżej niż głośnik wysokotonowy. Swoją drogą, w tak niewielkim zakresie kątów (między osią głośnika wysokotonowego a osią referencyjną) konstruktor powinien być w stanie opanować podobne charakterystyki, tak aby wyniki pomiarów zarówno na osi przetwornika wysokotonowego, jak i z opisaną korektą były bardzo podobne; czasami może to być jednak trudne (zwłaszcza przy zastosowaniu filtrów 1. rzędu, wysokiej częstotliwości podziału czy przy dużym rozsunięciu głośników).
Z kolei od strony pomiarowej można popełnić błąd, ustawiając mikrofon na wysokości 90...100 cm (dopasowanej do głowy siedzącego słuchacza względem podstawy kolumny), ale w odległości tylko 1...1,5 metra od zespołu, którego oś referencyjna (znajdująca się na osi wysokotonowego albo w pobliżu) biegnie znacznie wyżej lub niżej; wtedy kąt będzie znacznie większy, zniekształcenia charakterystyki też się powiększą, a taki obraz sytuacji nie będzie miarodajny do określenia tego, co odebrałby słuchacz znajdujący się w większej odległości, a więc pod mniejszym kątem.
Podobne zagadnienie i kwestia do rozstrzygnięcia powstają, gdy konstrukcja ma pochyloną przednią ściankę; konstruktor czy też badający muszą sobie odpowiedzieć na pytanie, w jakim celu jest pochylona, a więc w jakim celu oś główna samego przetwornika jest skierowana lekko do góry? W przypadku układów wielodrożnych najczęściej jest to związane z zamiarem korekty czasów dolotu (fal od poszczególnych głośników; centrum akustyczne nisko-średniotonowego czy średniotonowego znajduje się dalej niż centrum kopułki wysokotonowej i pochylenie ścianki te odległości wyrównuje), ale wcale nie zawsze tak być musi. Konstrukcje starszej generacji, z obudowami o wysokości do 70 cm, są czasami stawiane na specjalnych, niskich podstawkach, które kierują ich promieniowanie lekko do góry, aby dotarło do uszu słuchacza siedzącego w odległości kilku metrów. Nowoczesne konstrukcje z pochyloną przednią ścianką są natomiast strojone z uwzględnieniem fizycznego przesunięcia głośników względem siebie (które takie pochylenie wprowadza do układu), na osi biegnącej równolegle do podłoża, zwykle na optymalnej wysokości 90...100 cm.
Takie charakterystyki nie wyglądają imponująco, ale wynikają z przyjęcia przez konstruktora innych priorytetów. Bowers stwierdził, że jego wysokotonowe brzmią najlepiej, gdy są podłączone przez proste, jednoelementowe filtry (kondensator) i temu podporządkował cały układ
Zwykle największe tego typu problemy – ze zmiennością charakterystyki w płaszczyźnie pionowej – występują w zakresie częstotliwości podziału między przetwornikami: wysokotonowym a nisko-średniotonowym (lub średniotonowym), ze względu na relatywnie krótkie fale takich częstotliwości, co już pod niewielkimi kątami powoduje duże przesunięcia fazowe, zaburzające charakterystykę przetwarzania (rysunki 4 i 5). Gdy jednak mikrofon znajduje się w niewielkiej odległości, typowej dla pomiarów metodą MLS (a więc równej 1...1,5 metra) i na wysokości ok. 1 metra (względem podstawy kolumny), mogą zostać zaburzone również relacje fazowe między głośnikami: średniotonowym a niskotonowym. Obserwujemy to, zwłaszcza gdy częstotliwość podziału jest wysoka bądź przetwornik niskotonowy jest od średniotonowego odsunięty (znajduje się bardzo nisko, czasami na bocznej ściance). Do tego może dołożyć się jeszcze jeden niekorzystny (dla pomiarów prowadzonych tą metodą) efekt umieszczenia głośnika niskotonowego blisko podłogi, a mianowicie znacznie wcześniejsze odbicie (niż fal wysokich częstotliwości); teoretycznie powinniśmy je „wyciąć” z tego pomiaru, skracając okno czasowe, ale wtedy poprawną charakterystykę zobaczylibyśmy dopiero powyżej 500 Hz.
Jeżeli bardzo nam zależy, aby w takich „trudnych” przypadkach, w miarę wiarygodnie zmierzyć metodą MLS charakterystykę w całym zakresie średnio-wysokotonowym, w typowych warunkach mieszkalnych, gdzie nie możemy ani odsunąć mikrofonu na więcej niż 1,5 m, ani odsunąć się z osią pomiaru od najbliższej powierzchni odbijającej (podłogi i sufitu) bardziej niż na 1,3 metra, musimy wykonywać dwa pomiary; np. jeden na wysokości głośnika wysokotonowego, drugi pomiędzy średniotonowym i niskotonowym (w każdym starając się być jak najdalej od podłogi i sufitu, w więc w drugim stawiając kolumnę na wyższej podstawce, a nie obniżając pozycję mikrofonu) i składając je np. przy 1 kHz. Wtedy uzyskamy najlepsze (choć nie idealne) odtworzenie charakterystyki w dużej odległości od zespołu głośnikowego. Wpływ odbić jest problemem metody MLS, natomiast problem przesunięcia fazowego między promieniowaniem głośników przy różnych ustawieniach mikrofonu w takim samym stopniu dotyczyłby pomiaru w komorze bezechowej, gdyby był on wykonywany z niewielkiej odległości (chociaż komora pozwoliłaby na ustawienie mikrofonu dalej).
Właśnie takie zjawiska są źródłem rekomendacji, w myśl której odległość mikrofonu od zespołu głośnikowego powinna wynosić co najmniej trzykrotność jego największego wymiaru, co uogólnia bardziej szczegółowe zalecenia, uzależnione od konfiguracji zespołu; jak już jednak stwierdziliśmy, odległość 3 metrów w pomieszczeniu mieszkalnym powoduje zbyt wczesne odbicia, chociaż w zamian może zredukować przesunięcia fazowe między głośnikami zespołu. Dlatego jak dokładnie ustawić mikrofon przed konkretnym zespołem głośnikowym… wiemy na podstawie nabytego doświadczenia, konfiguracji głośnikowej badanej konstrukcji i próbnych pomiarów. Czyli trzeba zrobić rozpoznanie bojem. Trudno wszystko wiedzieć od razu, nawet widząc konstrukcję, gdy nie znamy np. częstotliwości podziału, które będą miały duży wpływ na rezultaty.
Wreszcie nie jesteśmy skazani na zrobienie czy też pokazanie jednego pomiaru. Mając już system pomiarowy, odpowiednie pomieszczenie i podstawową wiedzę, możemy zrobić wiele testów, odpowiednio interpretując i opisując ich wyniki. Zarówno na etapie konstruowania, jak i podczas zapisywania ostatecznie uzyskanych wyników czy też ich prezentowania – powinniśmy robić pomiary pod różnymi kątami. Nowoczesne projektowanie zdecydowanie wymaga opanowania charakterystyk w większym zakresie kątów, w każdej płaszczyźnie, a nie tylko jednorazowe przeskoczenie poprzeczki za pomocą uzyskania jednej pięknej charakterystyki na wybranej osi. Przy tym wcale nie musi chodzić o to, aby charakterystyka ta była idealnie liniowa, bo wcale nie zawsze taka będzie brzmieć najlepiej, niezależnie od tego, że nie utrzymalibyśmy jej w szerokim zakresie kątów. Należy jednak zadbać o to, aby w „użytecznym” zakresie kątów i odległości, w jakim może znaleźć się słuchacz (oczywiście siedzący, a nie leżący czy stojący), a więc ±7° w pionie i do 15° w poziomie, charakterystyka zmieniała się niewiele, a w szerszym – aby zmieniała się w sposób „kontrolowany” (tj. naturalnie tracąc energię w zakresie wysokich częstotliwości), lecz nie pokazywała gwałtownych nierównomierności; chodzi bowiem o to, aby w rzeczywistych warunkach odsłuchu, przy udziale odbić, które przecież będą docierać do słuchacza, charakterystyka pozostawała zrównoważona i dźwięk nie zmieniał „charakteru”; w celu zmniejszenia wpływu odbić obniżenie poziomu pod kątami większymi niż 30° może być nawet korzystne, ale nie powinno dyskryminować pewnych częstotliwości względem innych, o co bardzo trudno ze względu na znacznie szersze promieniowanie częstotliwości niskich niż średnich, a tym bardziej wysokich. To już uwagi bardziej na temat konstruowania, ale należy do nich właściwie podejść w pomiarach i dobrze je rozumieć.
W dotychczasowych rozważaniach skupiliśmy się na wyborze właściwej osi, odległości mikrofonu od źródła, odległości od najbliższej powierzchni odbijającej (w praktyce – podłogi), a więc na pomiarze w tzw. polu dalekim metodą MLS. Wybór osi będzie miał wpływ głównie na obraz sytuacji powyżej 1 kHz (ze względu na kierunkowość przetworników i relacje fazowe między nimi), a dobór odległości – na dokładność pomiaru poniżej 1 kHz, z tym że będzie ona pogarszać się stopniowo.
Na szczęście w zakresie niskich częstotliwości z pomocą mogą przyjść inne metody pomiaru, które – podobnie jak metoda MLS – nie wymagają komory bezechowej.
Andrzej Kisiel