Pomiary zespołów głośnikowych (4)

Pomiary zespołów głośnikowych (4)

W poprzednich odcinkach cyklu ćwiczyliśmy pomiar metodą MLS, czyli w tzw. polu dalekim. Przypomnijmy tylko krótko, że jest to dobry sposób na pomiar w warunkach amatorskich, nawet w pomieszczeniu mieszkalnym, przy spełnieniu pewnych wymogów – jednak również przy istotnym ograniczeniu zakresu częstotliwości, w którym daje on prawidłowe wyniki. Ustaliliśmy, że w praktyce, w zależności od odległości mikrofonu od głośnika i od najbliższej powierzchni odbijającej (jak też od dokładności, którą chcemy osiągnąć), zakres ten zaczyna się od 250...500 Hz. Jednak nawet w pomiarach amatorskich możemy ustalić przebieg charakterystyki również w zakresie niskich częstotliwości. Służy temu pomiar w tzw. polu bliskim.

Technika jest tutaj zupełnie inna, a wymagania lokalowe jeszcze mniejsze niż przy pomiarze MLS. Pomiar taki można przeprowadzić, z podobnym skutkiem, w zasadzie w każdych warunkach, nawet zupełnie przypadkowych, natomiast pewnym wyzwaniem jest obrobienie wyników w celu uzyskania charakterystyki odpowiadającej takiej, jaką zobaczylibyśmy w pomiarze w polu dalekim, w idealnych warunkach bezodbiciowych (w nieskończenie wielkiej, otwartej przestrzeni) lub chociażby w bardzo dużej komorze bezechowej. Jednak w zakresie najniższych częstotliwości, poniżej 100 Hz, gdzie komory bezechowe wprowadzają rezonanse (bo jednak powstają w nich odbicia bardzo długich fal), pomiar w polu bliskim jest najdokładniejszy. Ostatecznie chcemy zobaczyć charakterystykę w całym paśmie akustycznym i aby połączyć pomiar w polu bliskim z pomiarem MLS w prawidłowy sposób, musimy nad wstępnym wynikiem pomiaru w polu bliskim trochę popracować. Z kilku powodów trudno jest uzyskać bardzo wysoką dokładność, ale przy pewnej wprawie, w większości przypadków, błąd można ograniczyć do 1 dB. Inna sprawa, że – podobnie jak w przypadku pomiaru MLS – pojawiają się kwestie dyskusyjne, a wynik zależy też od poczynionych założeń. Do bardziej problematycznych kwestii szczegółowych przejdziemy później, na początku zacznijmy od podstaw.

A te znane są od wielu lat i nie będziemy tutaj odkrywać Ameryki. Doskonałą, klasyczną, wciąż aktualną (bo też aktualizowaną) pozycją literatury na ten temat jest „Testing Loudspeakers” amerykańskiego autora Josepha D’Appolito. Jest tam dokładnie omówiona teoria, której w całości nie będziemy tu przepisywać – walorem naszego cyklu ma być podejście praktyczne, oparte na doświadczeniu pomiarów ponad tysiąca zespołów głośnikowych, przeprowadzonych dla miesięcznika AUDIO. Dzięki temu możemy omawiać sytuacje typowe i nietypowe.

Podobnie jak w pomiarze w komorze bezechowej czy metodą MLS, celem pomiaru w polu bliskim jest uzyskanie charakterystyki samego głośnika (zespołu głośnikowego), wolnej od wpływu odbić. Dyskusja, czy takie założenie jest słuszne wobec faktu, że zespołów głośnikowych Hi-Fi słuchamy w pomieszczeniach zamkniętych, gdzie powstaje wiele odbić (mimo starań niektórych użytkowników o przygotowanie jak najlepszej akustyki), była już wcześniej zaprezentowana i na razie nie będziemy do niej wracać. Są też pomiary (jak RTA), które uwzględniają odbicia i które omówimy na końcu.

Sygnał pomiarowy, stosowany w pomiarze w polu bliskim, to klasyczna dla dawnych pomiarów analogowych sinusoida, płynnie przestrajana w funkcji częstotliwości, a w nowoczesnych systemach – tzw. sine sweep, czyli przemiatanie sinusoidą (określona częstotliwość w każdej próbce).

Rysunek 1. Charakterystyki zmierzone sinusoidą, w odległości 1 cm, w różnych punktach membrany – w jej centrum (czarna) i przy jej krawędzi (czerwona). Głośnik o średnicy 20 cm (membrana 14 cm)

Pomiar w polu bliskim pozwala praktycznie na całkowite wyeliminowanie odbić. Dzięki ustawieniu mikrofonu bardzo blisko membrany (aby tylko membrana przy największych amplitudach nie uderzała w mikrofon; w praktyce stosuje się 1 cm) różnica ciśnień od głośnika i od odbić (nawet jeżeli pochodzą od niedalekich powierzchni, to są one w odległości wielokrotnie większej) faworyzuje promieniowanie bezpośrednie w takim stopniu, że ciśnienie od odbić leży na skali amplitudowej znacznie niżej, więc ma pomijalny wpływ. Nawet w przypadku, gdy głośnik niskotonowy znajduje się przy podłodze i ustawimy mikrofon na wysokości 10 cm, przy centrum membrany, to 10-krotnie większa odległość od podłogi oznacza 100-krotnie mniejsze ciśnienie. Inaczej mówiąc, poza pewnymi nietypowymi przypadkami (np. bas-refleks wyprowadzony przez dolną ściankę i promieniujący przez szczelinę między obudową a podłogą lub cokołem), wpływ odbić można zignorować. Głośnika (zespołu głośnikowego) nie trzeba ustawiać w żaden szczególny sposób, oddalać od podłogi, od ścian itd.; można do niego podejść z mikrofonem w każdym miejscu. Dlaczego więc tą wygodną metodą nie mierzymy charakterystyki w całym paśmie? W zależności od wielkości i rodzaju membrany powyżej kilkuset herców przestaje ona działać na zasadzie „sztywnego tłoka”, a sama geometria membrany powoduje też, że fale krótsze dobiegają do mikrofonu w różnym czasie i charakterystyka jest skomplikowaną sumą fal o różnych fazach, biegnących z różnych części membran, w dodatku zmieniającą się pod różnymi kątami. W zakresie poniżej kilkuset herców zjawiska takie nie występują dla większości głośników i charakterystyka z dowolnej części membrany jest „reprezentatywna” dla charakterystyki z całości. Ponadto przy pomiarze w polu bliskim mikrofon znajduje się w różnych odległościach od różnych części membrany, co też powoduje przesunięcia w fazie (tym większe, im większe odległości i krótsze fale); aby ten efekt zignorować, należy utrzymywać częstotliwość graniczną takiego pomiaru zgodnie ze wzorem:

fmax + 10/d

(d – średnica membrany, fmax – częstotliwość [kHz]).

Dla dużych, 30-centymetrowych głośników niskotonowych o membranach o średnicy ok. 24 cm, granica ta wynosi więc ok. 400 Hz, a dla 18-centymetrowych, nisko-średniotonowych o membranach ok. 18 cm – w przybliżeniu 800 Hz. Dlatego też nie ma sensu pomiar tą metodą głośników wysokotonowych, gdyż dla 3-centymetrowej kopułki fmax będzie wynosić ok. 3 kHz, a to częstotliwość, przy której przetwornik wysokotonowy zwykle dopiero zaczyna swoją pracę w zespole. Zresztą nie taki jest cel pomiaru w polu bliskim – powyżej 1 kHz możemy mierzyć metodą MLS praktycznie bez żadnych problemów.

Rysunek 2. Charakterystyki zmierzone sinusoidą, w płaszczyźnie otworu bas-refleks i wewnątrz tunelu

Nie należy jednak sięgać tak wysoko z pomiarem w polu bliskim również dlatego, że inaczej wygląda charakterystyka zespołu głośnikowego, złożonego z fizycznie oddalonych przetworników. Zarazem oddalanie mikrofonu w pomiarze „w polu bliskim” nie daje korzyści.

Zwiększa wpływ odbić, a nie poprawia obrazu charakterystyki poniżej częstotliwości granicznej; próba uzyskania za pomocą pomiaru sinusoidą prawidłowej charakterystyki powyżej częstotliwości granicznej (wyznaczonej jak wyżej), nawet pojedynczego głośnika (nie mówiąc o zespole głośnikowym), prowadzi do oddalania mikrofonu na odległość już tak dużą, że charakterystykę poważnie zaburza udział odbić w pomieszczeniu; dochodzimy do sytuacji, w której potrzebujemy komory bezechowej… tak jak kilkadziesiąt lat temu. I tutaj z pomocą, w przypadku pomiaru powyżej fmax, przychodzi metoda MLS, omawiana w poprzednich odcinkach.

Jeżeli ustalimy częstotliwość, powyżej której mamy prawidłowy pomiar metodą MLS, a poniżej – metodą w polu bliskim – to znaczy, że przy tej częstotliwości możemy obydwie części charakterystyki, zmierzone różnymi metodami, połączyć i uzyskać prawidłowy obraz charakterystyki w całym paśmie akustycznym.

Teoretycznie – w praktyce czekają na nas różne niespodzianki.

Jak jednak możemy połączyć część charakterystyki zmierzoną w odległości 1 cm z częścią zmierzoną w odległości 1 metra (albo nawet większej)? Przecież jest między nimi bardzo duża różnica ciśnień! Metody są dwie. Pierwsza, „szkolna” i pracochłonna, to przeliczenie ciśnienia uzyskanego w odległości 1 cm, na ciśnienie, jakie uzyskalibyśmy z tego samego źródła z odległości 1 m; jednocześnie wymaga to uwzględnienia powierzchni źródła. Wzoru jednak nie będziemy podawać, gdyż druga metoda jest łatwiejsza i żadnych wzorów nie wymaga. Po prostu korygujemy poziom uzyskany pomiarem w polu bliskim (jednak po pewnych operacjach na charakterystyce, o których napiszemy dalej) tak, aby obydwie części charakterystyki płynnie połączyły się przy wybranej częstotliwości (przy której obydwie są jeszcze prawidłowe, biorąc pod uwagę ich kształt).

Rysunek 3. Charakterystyki głośnika zmierzone w pobliżu środka membrany, z odległości 1 cm (fioletowa) i w otworze bas-refleks (zmierzona w jego płaszczyźnie) – niebieska, obydwie bez korekcji poziomu, a także charakterystyka wypadkowa, obliczona przez system pomiarowy (czarna)

Pierwsza sprawa do załatwienia przy pomiarze w polu bliskim to ustalenie liczby i rodzaju źródeł pracujących w zakresie niskich częstotliwości. Wszystkie musimy poddać niezależnym pomiarom, a potem wyniki tych pomiarów odpowiednio skorygować, dodać do siebie… i ewentualnie ponownie skorygować. To komplikacja tej metody, podczas gdy w pomiarze MLS jednym pomiarem obejmujemy pracę wszystkich źródeł zakresu średnio-wysokotonowego. Z kolei ułatwienie polega na tym, że w pomiarze niskich częstotliwości nie zajmujemy się pomiarami na różnych osiach, tak jak w pomiarze zakresu średnio-wysokotonowego; wynika to zarówno z samej metody pomiaru w polu bliskim, która na to nie pozwala, jak i ze specyfiki promieniowania niskich częstotliwości, które rozchodzą się falą w przybliżeniu kulistą (z wyjątkiem pewnych egzotycznych konstrukcji, np. dipoli) i różnice między charakterystykami na różnych osiach (gdybyśmy je zmierzyli np. w komorze bezechowej) byłyby niewielkie i w praktyce nieistotne.

Kształt obydwu jest podobny do ok. 600 Hz, spadek powyżej 600 Hz charakterystyki zmierzonej przy krawędzi wynika z większych przesunięć fazowych fal biegnących od bardziej oddalonych części membrany. Niższy poziom w całym paśmie również wynika z tego, że większa część membrany znajduje się dalej od mikrofonu. Jednak dla ustalenia samego kształtu charakterystyki w zakresie niskich częstotliwości, miejsce „przyłożenia” mikrofonu praktycznie nie ma znaczenia.

Rysunek 4. Charakterystyka głośnika zmierzona w pobliżu środka membrany, z odległości 1 cm (fioletowa), w otworze bas-refleks – zmierzona w jego płaszczyźnie (niebieska), z korekcją poziomu, a także charakterystyka wypadkowa, obliczona przez system pomiarowy (zielona)

Obie krzywe praktycznie nie różnią się kształtem, natomiast włożenie mikrofonu do tunelu może być korzystne dla zmniejszenia wpływu promieniowania innych źródeł niskich częstotliwości, ewentualnie znajdujących się w pobliżu (czyli w praktyce – głośników niskotonowych). Kwestię ustalenia prawidłowego poziomu możemy rozwiązać za pomocą ustalenia właściwych relacji z charakterystyką głośnika niskotonowego, na podstawie znajomości mierzonej konstrukcji i ogólnych zasad działania systemu bas-refleks.

Takie złożenie i wyniki są nieprawidłowe, na skutek zbyt wysokiego poziomu z otworu bas-refleks, zarówno z powodu mniejszej odległości, jak i znacznie mniejszej powierzchni otworu w porównaniu do membrany. Właściwy poziom może zostać ustalony na podstawie obliczeń, uwzględniających powierzchnię otworu (lub membrany) i odległość mikrofonu; jest jednak inny sposób…

W klasycznych systemach bas-refleks ciśnienie z otworu na skraju pasma jest takie samo, jak ciśnienie z głośnika, więc wystarczy zbliżyć do siebie charakterystyki głośnika i otworu, aby uzyskać ich właściwe wzajemne położenie, a w konsekwencji – właściwy kształt charakterystyki wypadkowej. Jej poziom wciąż jest jednak arbitralny.

Musimy omówić jeszcze jeden wątek – korekty baffle-step (pisząc „korekta baffle-step”, będziemy mieli na myśli uwzględnienie tego zjawiska w wyniku pomiaru, a nie jego „skorygowanie”). Otóż pomiar w polu bliskim „nie widzi” zjawiska, które występuje w działaniu praktycznie każdego zespołu głośnikowego; fale dłuższe od wymiarów przedniej ścianki obudowy „opływają” ją; połowa energii „ucieka” do tyłu, źródło przechodzi z warunków promieniowania w półprzestrzeni (2π) do pełnej przestrzeni (4π), co powoduje spadek o 6 dB.

Zjawisko to zachodzi płynnie, zwykle w zakresie pierwszych kilkuset herców; im obudowa szersza – tym niżej, ale w praktyce poniżej 100...200 Hz charakterystyka jest już względnie „ustabilizowana” na poziomie o 6 dB niższym, niż wynikałoby to z pomiaru w polu bliskim i przeliczeń związanych z powierzchnią membrany i odległością mikrofonu od niej. Znaczenie tego zjawiska dla konstruowania zespołów głośnikowych jest ogromne, chociaż czasami ignorowane. W błąd mogą wprowadzać charakterystyki dostarczane przez firmy produkujące same przetworniki, które – zgodnie z własnymi standardami – mierzą przetworniki zainstalowane w bardzo dużych odgrodach (uzupełnionych z tyłu o duże, zamknięte komory); na charakterystykach zmierzonych w takich warunkach efekt baffle-step nie występuje, więc przenoszenie takich charakterystyk wprost do symulacji i poddawanie wirtualnemu filtrowaniu prowadzi do błędnych rozwiązań, z grubsza skutkujących zbyt niskim poziomem niskich częstotliwości. Z drugiej strony, wzmacniające niskie tony oddziaływanie pomieszczenia (odbiciami od dużych, bliskich powierzchni) w pewnym stopniu rekompensuje to zjawisko, chociaż nie doprowadza do wyrównania charakterystyki do takiego kształtu, jaki miałaby bez efektu baffle-step. Niektóre firmy prezentują charakterystyki zespołów głośnikowych z adnotacją „half-space”, co jednak nie wiąże się ze zignorowaniem efektu baffle-step i pokazaniem charakterystyki skorygowanej do wersji „co by było, gdyby” (przednia ścianka była znacznie większa niż w rzeczywistości), ale podaniem dodatniej korekty parametru efektywności (czułości), czym zajmiemy się w jednym z kolejnych odcinków.

Korektę baffle-step pozwalają zastosować programy symulacyjne, które równocześnie uwzględniają inne zjawiska – odbicia wprowadzane przez krawędzie obudowy, powodujące dodatkowe zafalowania, nakładające się na spadek baffle-step. Należy wprowadzić wymiary przedniej ścianki i pozycję centrum głośnika, a system obliczy skorygowaną charakterystykę.

W przypadku konstrukcji, w których jest wiele źródeł niskich częstotliwości, każde z nich trzeba zmierzyć oddzielnie, a – dochowując najwyższej staranności – dla każdego oddzielnie poddać korekcie baffle-step; jednak z dopuszczalnym błędem w większości przypadków można uprościć procedurę i korektę baffle-step przeprowadzić tylko raz, na charakterystyce wypadkowej, uzyskanej z dodania charakterystyk poszczególnych źródeł, jednak z właściwie skorelowanym wzajemnym poziomem.

Korektę baffle-step obejrzymy już na następnych przykładach, gdzie będziemy łączyć pomiar w polu bliskim z pomiarem MLS.

Przykłady łączenia pomiaru w polu bliskim z pomiarem MLS zaczynamy od konstrukcji prostej (chociaż i ona sprawi nam pewną niespodziankę). LS3/5A to mały, dwudrożny zespół głośnikowy w obudowie zamkniętej, z jednym głośnikiem nisko-średniotonowym.

Wykorzystamy pomiary wykonane w teście AUDIO 11/2024, ale poddamy je specjalnej obróbce związanej z tematem tego artykułu, podobnie jak następne pomiary pochodzące z AUDIO.

Źródłem niskich częstotliwości jest tylko 12-centymetrowy głośnik nisko-średniotonowy; nie ma bas-refleksu, nie ma więc także tematu jego dopasowania.

Charakterystykę głośnika nisko-średniotonowego LS3/5A, zmierzona w polu bliskim, przed i po korekcie baffle-step, pokazano na rysunku 5. Krzywa po korekcie leży niżej niż przed korektą – już poniżej 550 Hz, ponieważ przednia ścianka jest mała (19 cm×30 cm) i do tyłu częściowo uciekają już fale poniżej tej częstotliwości; podobnie zachowywać się będą wszystkie podstawkowe konstrukcje (monitory) podobnej wielkości, chociaż końcowa charakterystyka zależy też od wielu innych czynników, w tym od tego, w jaki sposób i w jakim stopniu konstruktor skoryguje ten efekt, przywracając przynajmniej względne zrównoważone i nie pozwalając niskim tonom opadać, zwykle za pomocą odpowiedniego obniżenia poziomu w zakresie średnio-wysokotonowym – co niestety obniży też średni poziom w całym paśmie.

Rysunek 5. LS3/5A, charakterystyka głośnika nisko-średniotonowego, zmierzona w polu bliskim, przed (czarna) i po korekcie baffle-step (czerwona)
LS3/5A to słynny, mały monitor bliskiego pola, zaprojektowany przez inżynierów w BBC, produkowany w latach 70., 80. i 90. XX w. przez wiele brytyjskich firm; początkowo przeznaczony do zastosowań profesjonalnych, głównie do wozów transmisyjnych, zdobył dużą popularność i zaczął trafiać do audiofili, wśród których do dzisiaj jest bardzo szanowany. Ze względu na trudności technologiczne produkcji zaprzestano pod koniec XX wieku ale… po pewnym czasie został rewitalizowany przez kilku producentów, w odpowiedzi na wciąż duże zainteresowanie. Jak widać, charakterystyka jest daleka od liniowości, więc nie może uchodzić za wzorzec neutralności (nie mówiąc o dynamice czy rozciągnięciu niskich częstotliwości), mimo to wciąż jest kochany za szczególną barwę średnich tonów. Cena modeli wykonanych z dużą pieczołowitością względem oryginału przekracza 10 000 zł za parę (Rogers, Harbeth, Musical Fidelity), ale pojawiają się też konstrukcje które poza wielkością mają niewiele wspólnego z oryginałem, za to są znacznie tańsze… Aby każdy kto chce, mógł mieć swoje LS3/5A.

W zakresie 550 Hz...2,5 kHz charakterystyka po korekcie baffle-step (a więc rzeczywista) leży nawet wyżej niż przed korektą z powodu wzmacniającego wpływu odbić od krawędzi obudowy.

Ze względu na małą średnicę głośnika nisko-średniotonowego (średnica membrany to 10 cm), zgodnie z podanym wzorem, częstotliwość graniczna pomiaru w polu bliskim to dość wysoka wartość równa 1 kHz. Jednocześnie pomiar MLS został przeprowadzony w sposób, który zapewnia jego dostateczną dokładność już od 250 Hz. Mamy więc teoretycznie duży zakres częstotliwości, w którym możliwe jest połączenie charakterystyk z obydwu metod pomiaru.

Rysunek 6. LS3/5A, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim i MLS, przy 250 Hz

Na rysunku 6 pokazano połączenie przy 250 Hz, a na rysunku 7 – przy 500 Hz. Niestety, wyniki dość wyraźnie się różnią; łączenie przy 500 Hz pokazuje poziom niskich tonów o 3 dB niższy niż łączenie przy 250 Hz; szukając powodów tej różnicy, warto zwrócić uwagę, że nawet skorygowany o baffle-step (a tym bardziej nieskorygowany) pomiar w polu bliskim nie ujawnia tak głębokiego, lokalnego osłabienia przy 500 Hz, jak pomiar MLS (przy 500 Hz poziom 76,5 dB), z którego jednak charakterystyka poniżej wychodzi na dość wysoki poziom (przy 250 Hz poziom 81 dB). Dlatego łączenie w samym „dołku” wydaje się niewłaściwe – lepsze jest połączenie przy 250 Hz.

Rysunek 7. LS3/5A, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim i MLS, przy 500 Hz

Na rysunku 8 pokazujemy właśnie połączenie charakterystyk przy 250 Hz, ale bez korekty baffle-step. Wynik jest podobny jak ten z korektą (różnica poniżej 250 Hz to tylko 1 dB), ponieważ przy tak małych konstrukcjach i tak niskim łączeniu większa część efektu baffle-step jest już uwzględniona w części charakterystyki należącej do pomiaru MLS; widać to również na rysunku 5 – przy 250 Hz charakterystyka z baffle-step leży już 5 dB poniżej charakterystyki bez korekty, czyli brakuje tylko 1 dB do pełnej, 6-decybelowej „straty”.

Rysunek 8. LS3/5A, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim (bez korekty baffle-step) i MLS, przy 250 Hz

Gdybyśmy jednak zrobili (bez korekty baffle-step) łączenie przy 500 Hz, to mimo że wychodzilibyśmy z niskiego dołka, na skutek znacznego wzrostu od 500 Hz do 130 Hz (charakterystyki zmierzonej w polu bliskim bez korekty), poziom niskich tonów byłby trochę zbyt wysoki.

Rysunek 9. LS3/5A, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim (bez korekty baffle-step) i MLS, przy 500 Hz

Drugi przykład to konstrukcja JBL 4349 (test w AUDIO 2/2024), z bardzo dużym, 30 cm głośnikiem nisko-średniotonowym w systemie bas-refleks; przednia ścianka z natury rzeczy też jest duża, ma wymiary 45 cm×74 cm. Konstrukcja typowa dla JBL-a, ale niekonwencjonalna na rynku Hi-Fi; rzadko tak duże głośniki stosowane są w układach dwudrożnych, ale w sukurs przychodzi tutaj też bardzo duży kompresyjny (tubowy) głośnik wysokotonowy. Częstotliwość podziału wynosi ok. 1 kHz, przypada więc w samym środku pasma, stąd jeden można określić jako nisko-średniotonowy, a drugi jako średnio-wysokotonowy.

Obudowa ma dwa wyloty systemu bas-refleks, umieszczone na przedniej ściance, w pobliżu głośnika. Są one wylotami z jednej komory jednego głośnika, mają takie same powierzchnie, tunele mają takie same długości, więc charakterystyki z obydwu są dokładnie takie same (i bardzo podobna byłaby charakterystyka z jednego otworu o dwa razy większej powierzchni i takim samym tunelu, strojąca obudowę do tej samej częstotliwości rezonansowej). Zresztą nawet gdy z jednej komory wyprowadzone są tunele o różnych powierzchniach i długościach (co zdarza się rzadko), to każdy z nich też promieniuje charakterystykę związaną ze wspólną podstawową częstotliwością rezonansową; różnić mogą się jednak rozkładem pasożytniczych rezonansów, pochodzących zarówno z wnętrza obudowy (fale stojące), jak i samych tuneli (tzw. rezonanse piszczałkowe). W takim przypadku, jak JBL 4349, wystarczy więc pomiar charakterystyki z jednego otworu, aby uzyskać jej prawidłowy kształt, natomiast poziom (w rzeczywistości o 6 dB wyższy z obydwu otworów niż z jednego) dopasujemy i tak metodą opisaną wcześniej – poprzez dopasowanie do charakterystyki głośnika na samym skraju pasma (gdzie głośnik i obydwa tunele wytwarzają takie same ciśnienia, ale w przeciwnych fazach).

A skoro posługujemy się taką metodą, to aby zminimalizować wpływ promieniowania z głośnika na pomiar charakterystyki z otworu, wkładamy mikrofon kilka centymetrów do środka tunelu, co – jak już wykazaliśmy – nie ma istotnego wpływu na kształt charakterystyki.

Na rysunku 10 pokazano zmierzone i dopasowane w opisany sposób charakterystyki głośnika (zielona), otworów (niebieska) i – obliczoną przez system – charakterystykę wypadkową (czarna). Ta ostatnia przecina charakterystykę z otworów dokładnie przy częstotliwości, przy której głośnik ma wyraźnie odciążenie (wskazujące najdokładniej na częstotliwość rezonansową obudowy), w tym przypadku pokrywa się to z wierzchołkiem charakterystyki z otworów, ale tak wcale być nie musi – wierzchołek ten jest często przesunięty względem częstotliwości rezonansowej. Na charakterystyce z otworu widać też słabe rezonanse pasożytnicze (przy 200 Hz i 1 kHz). Charakterystyka głośnika opada stromo powyżej 1 kHz – tam sygnał jest już filtrowany dolnoprzepustowo przez filtr elektryczny w zwrotnicy. Ale musimy też pamiętać, że przy tak dużym głośniku prawidłowy kształt charakterystyki zmierzonej w polu bliskim sięga do ok. 400 Hz. Charakterystyka wypadkowa przecina więc charakterystykę z otworu, a jej nachylenie zmierza do 24 dB/okt. (nachylenie zboczy głośnika i otworu na skraju pasma to 12 dB/okt.). Poniżej częstotliwości rezonansowej fazy promieniowania głośnika i otworów szybko zmierzają do przeciwnych, na skutek czego wygaszają się. Natomiast powyżej częstotliwości rezonansowej głośnik i otwory pracują w zgodnej fazie, stąd charakterystyka wypadkowa leży najwyżej. System mierzy nie tylko charakterystykę amplitudową poszczególnych źródeł, ale również fazową (tutaj niepokazaną), stąd prawidłowo (z uwzględnieniem fazy) obliczona jest amplitudowa charakterystyka wypadkowa.

Rysunek 10. JBL 4349, charakterystyki źródeł niskich częstotliwości (głośnika – zielona, bas-refleks – niebieska), zmierzone w polu bliskim

Na rysunku 11 poddaliśmy ją korekcie baffle-step. Ponieważ mamy do czynienia z dużą obudową, efekt baffle-step występuje relatywnie nisko, charakterystyka z jego uwzględnieniem (czerwona) przecina charakterystykę zmierzoną (czarna) przy 240 Hz (a więc znacznie niżej niż w małych LS3/5A), a różnica osiąga 6 dB (pełny efekt baffle-step, połowa energii ucieka do tyłu) poniżej 100 Hz. Nie należy dać się zwieść wizualnemu wrażeniu, że poniżej 40 Hz różnica ulega zmniejszeniu i charakterystyki się zbliżają – na osi Y (ciśnienia) wciąż dzieli je 6 dB. Natomiast powyżej 230 Hz, aż do 1 kHz, charakterystyka po korekcie leży o 2...3 dB powyżej charakterystyki przed korektą, co należy przypisać wzmacniającym odbiciom od krawędzi obudowy…. Chociaż podstawowa teoria efektu baffle-step tego zjawiska nie uwzględnia.

Rysunek 11. JBL 4349, charakterystyka wypadkowa źródeł niskich częstotliwości (głośnika i bas-refleksu), przed (czarna) i po korekcie baffle-step (czerwona)

Nawet przed łączeniem z MLS widzimy, jak uwzględnienie efektu baffle-step wyrównało charakterystykę w zakresie 70...500 Hz, czyli w przedziale „ważności” pomiaru w polu bliskim tego głośnika.

Rysunek 12. JBL 4349, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim i MLS, przy 250 Hz

Na rysunku 12 pokazano łączenie charakterystyki wypadkowej z pola bliskiego (z korektą baffle-step) z charakterystyką MLS przy 250 Hz, a na rysunku 13 – przy 500 Hz. Różnica między wynikami tych złożeń poniżej 250 Hz wynosi 2 dB, a łączenie przy 250 Hz teoretycznie powinno być bardziej prawidłowe dla tak dużego głośnika. A jednak łączenie przy 500 Hz, mimo że przekroczyliśmy częstotliwość graniczną (400 Hz), jest bardziej płynne, co również należy wziąć pod uwagę.

Rysunek 13. JBL 4349, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim i MLS, przy 500 Hz

Na rysunkach 14 i 15 pokazano efekty łączenia odpowiednio przy 250 Hz i 500 Hz, bez korekty baffle-step. Widać znacznie wyższy (zawyżony) poziom niskich tonów, zwłaszcza dla łączenia przy 500 Hz. Zawyżony, o ile naszym celem jest wyznaczenie charakterystyki podobnej do takiej, jaką zmierzylibyśmy w komorze bezechowej; w realiach pomieszczenia odsłuchowego poziom niskich tonów będzie bliższy temu, co widzimy na rysunku 14, a przy ustawieniu kolumn w narożniku – nawet na rysunku 15.

Rysunek 14. JBL 4349, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim (bez korekty baffle-step) i MLS, przy 250 Hz
Rysunek 15. JBL 4349, charakterystyka w pełnym paśmie, uzyskana przez łączenie pomiarów w polu bliskim (bez korekty baffle-step) i MLS, przy 500 Hz

Za miesiąc zaprezentujemy kolejne przykłady pomiarów w polu bliskim i łączenia ich z pomiarem MLS – tym razem jednak zawierające nowe elementy układanki.

Andrzej Kisiel

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2025

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2025

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje czerwiec 2025

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2025

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2025

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów