Качественное сравнение громкоговорителей с помощью измерительного микрофона
“С правильным инструментом работа наполовину сделана”
Народная мудрость
На рынке доступно большое количество всевозможных громкоговорителей (настенных, потолочных, подвесных) для конференц-залов, аудиторий, переговорных комнат, залов заседаний, холлов, входных зон и многих других подобных объектов. Такие объекты обычно не предназначены для проведения музыкальных концертов. Тем не менее, здесь требуется обеспечить чистое и естественное звучание при воспроизведении речи, фоновой музыки, а также при звуковом сопровождении демонстрируемых мультимедийных материалов.
Чистое звучание важно не только с точки зрения акустической "опрятности" и создания положительного впечатления у пользователей, но также имеет существенное значение для повышения эффективности совместной работы. Например, если во время видеоконференции, речь удаленных участников отличается от их естественной речи (т.е. если нет эффекта присутствия), мозг слушателей вынужден тратить значительно большие ресурсы на расшифровку такой речи. Это приводит к быстрой утомляемости и, самое главное, к отвлечению "вычислительных ресурсов" мозга от выработки решений по обсуждаемой проблеме. В этих условиях нужная идея может просто не прийти в голову...
Задача обеспечения чистого и естественного звучания и создания эффекта присутствия зависит от множества факторов, включая характеристики помещения, качество исходного сигнала, качество его обработки и т.д. При решении этой задачи, от громкоговорителей требуется как можно более точное воспроизведение подаваемого на них сигнала. О том, насколько точно они это делают, можно, в частности, судить по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Говорят, что хороший громкоговоритель должен иметь линейную характеристику. Это означает, что график АЧХ такого громкоговорителя близок к прямой линии. Иными словами, громкоговоритель с линейной характеристикой способен одинаково хорошо воспроизводить подаваемый на него сигнал во всем заявленном производителем диапазоне частот, без сильных всплесков и завалов.
В качестве примера, на рис. 1 приведены предоставленные заводом-производителем графики АЧХ (ярко красные) и кривые импеданса (розовые) двух моделей потолочных громкоговорителей Kramer: GALIL 6-C и GALIL 8-C.
Рис. 1. Графики АЧХ и кривые импеданса громкоговорителей Kramer GALIL 6-C и GALIL 8-C.
Как можно видеть, АЧХ громкоговорителей близка к линейной в речевом диапазоне частот от 100 Гц до 6 кГц.
В этом примере приводились графики АЧХ громкоговорителей одного производителя. Эти графики строились в схожих условиях, с одинаковыми параметрами сглаживания, поэтому их можно сравнивать. В большинстве случаев, при необходимости сравнить громкоговорители разных производителей, так поступить не получается. Графики АЧХ либо отсутствуют, либо приводятся с недостаточным разрешением, либо получены в сильно различающихся условиях, либо эти условия не определены, либо к графикам применено слишком сильное сглаживание и т.п. Поэтому надёжнее и эффективнее выполнить самостоятельные измерения, построить графики АЧХ сравниваемых громкоговорителей и составить собственное представление об их качестве.
Конечно, полноценное получение АЧХ громкоговорителя должно выполняться в лабораторных условиях, с использованием высокоточного оборудования. Это может быть весьма затратно по стоимости и по трудозатратам. Но для качественного сравнительного анализа громкоговорителей подходит гораздо менее затратный метод быстрого анализа АЧХ громкоговорителей, работающий, как показывает практика, даже в "полевых" условиях неподготовленного помещения. При своей простоте, скорости и относительно невысоких затратах, такой метод даёт возможность провести сравнительный анализ разных громкоговорителей, более подробно изучить характеристики громкоговорителя в том диапазоне частот и в тех условиях, которые наиболее важны для предстоящей инсталляции, а также изучить акустические особенности конкретного помещения. На рис. 2 показана принципиальная схема измерительной системы.
Рис. 2. Схема системы для акустических измерений.
Источник звука, в качестве которого может выступать компьютер (ноутбук) с внешней звуковой картой, генерирует тестовый сигнал, который усиливается и подаётся на громкоговоритель. Звук, воспроизводимый громкоговорителем, считывается с помощью измерительного микрофона, и полученный фактический сигнал возвращается на компьютер, где строится АЧХ, которую можно сравнить с амплитудным спектром исходного сигнала. Для качественного сравнения можно использовать недорогой измерительный микрофон, например, Behringer ECM8000 и обычную внешнюю звуковую карту с входом для микрофона с фантомным питанием (например, Behringer UMC22). Использование внешней звуковой карты предпочтительнее, т.к. встроенные звуковые карты могут быть источником искажений и помех. Кроме того, измерительный комплекс с внешней звуковой картой получается более мобильным. Генерацию тестового сигнала и сравнение АЧХ можно выполнять с помощью соответствующего ПО, например, REW (Room EQ Wizard), которое можно установить бесплатно.
В базовом варианте сравнения, в качестве тестового сигнала обычно используется розовый шум, т.е. такой сигнал, в амплитудном спектре которого, если двигаться по оси частот, имеется постоянный наклон 3 дБ на октаву (рис. 3). Из-за того, что звук воспринимается человеческим ухом нелинейно, такой сигнал соответствует ощущению равномерного распределения громкости во всем диапазоне частот.
Рис. 3. График спектральной плотности мощности розового шума.
Измерительный микрофон должен быть закреплен в микрофонной стойке и ориентирован строго по оси диффузора громкоговорителя на расстоянии 1 метр от него. (В некоторых случаях, в том числе, для минимизации влияния параметров помещения на измерения, допустимо располагать микрофон ближе.) Измерения можно проводить в обычном помещении, желательно заглушенном, например, без стеклянных стен, с ковровым покрытием на полу, с подвесным потолком из звукопоглощающих материалов. Громкоговоритель и микрофон должны быть расположены на некотором расстоянии от стен, пола и других звукоотражающих поверхностей. Критически важно, что во время проведения измерений в помещении не должно быть никаких посторонних шумов, включая разговоры, шумы от кондиционера и от другого работающего оборудования. Разумеется, условия измерений не должны меняться при исследовании всех сравниваемых громкоговорителей.
Важным моментом является сглаживание полученных при измерениях графиков АЧХ. Человеческий слух не способен воспринимать частые пики и провалы, поэтому график АЧХ принято сглаживать. Для начального представления обычно используется сглаживание в 1/6 октавной полосы, а для более детального изучения АЧХ можно применить сглаживание в 1\12 или 1\24 октавы.
На рис. 4 приведена АЧХ громкоговорителей Kramer CL-6P, построенная по результатам акустических измерений, выполненных описанным выше способом.
Рис. 4. АЧХ громкоговорителя Kramer CL-6P.
При построении этого графика использовалось сглаживание в 1/6 октавной полосы. Как можно видеть, график близок к линейному в широком диапазоне частот от 60-70 Гц практически до 20 кГц. График имеет плавный спад к высоким частотам, что характерно для компактных корпусных моделей. Вместе с тем, график не содержит всплесков и провалов, что очень неплохо для потолочного громкоговорителя.
Важно отметить, что хорошие результаты были получены с использованием доступного измерительного оборудования, за короткое время и в обычном помещении (без акустической подготовки). Для системного интегратора этот метод может стать эффективным инструментом для объективного сравнения и выбора громкоговорителей, изучения особенностей конкретной модели, а также позволяет обосновывать сделанный выбор перед заказчиком.