Измерение АЧХ

Измерение амплитудно-частотной характеристики с помощью измерительного микрофона или что мы видим на АЧХ на самом деле.

Многие радиолюбители и профессионалы пользуются измерительными микрофонами и средствами измерения АЧХ и полагают, что увиденные на экране компьютера частотные характеристики соответствуют действительному звучанию акустической системы и объективно характеризуют её качество.

Что же мы видим на АЧХ на самом деле?

Рассмотрим физику явления.

Акустическая система излучает многочастотные звуковые волны, представляющие собой области сжатого и разряженного воздуха относительно атмосферного давления (101 325 Па)  на доли Паскаля ±0,1…0,5 Па. Часто для лучшего понимания приводится следующая картинка:

Измерение АЧХ

Эта картинка соответствует реальности только для одной частоты т.е. синусоидального сигнала без высших гармоник.

Реальный музыкальный много частотный сигнал воспроизводимый динамической головкой представляет собой сумму всех составляющих гармоник звука т.е происходит модуляция и изменение формы сигнала.

Звук бас гитары амплитудно промодулирован звуком скрипки и всё это пульсирует с частотой бочки барабана и т.д. Все звуки просуммированны ещё на этапе записи если запись велась на отдельные микрофоны или прямо в помещении студии или концертного зала если запись велась на один микрофон (или стерео-микрофон). Отделить чистый звук отдельного инструмента с общей записи уже невозможно.

Измерение АЧХ

Воспроизведённые акустической системой волны отражаются от препятствий и отращённые волны складываются с первоначальными появляются стоячие волны, когда амплитуды прямой и обратной совпадают, но в общем случае они являются смешанными стоячими и бегущими т.к. многочастотный сигнал имеет неограниченный набор гармоник, синусоид каждая из который может быть как бегущей так и стоячей. В помещении в каждой точке пространства если в него поместить измерительный микрофон или слушателя может проявляться нормальное звуковоспроизведение на одних частотах и провалы и подъёмы уровня на других.

Поэтому измерительный микрофон помещают подальше от отражающих звук стен и препятствий.

Если допустить, что отражённых волн нет и звуковоспроизводящая  система воспроизводит сигнал абсолютно точно, то мембрана измерительного микрофона выдаст тот же самый сигнал который выдавал записывающий (студийный, концертный и т.д.) микрофон.

Измерение АЧХ

Затем сигнал микрофона усиливается и преобразуется. Что ставят в схемах на входе блоков индикации обычно, правильно – диод и конденсатор!

Измерение АЧХ

Накапливающий конденсатор позволяет увидеть на индикаторе амплитуду быстроизменяющегося во времени сигнала. Аналогично были устроены допотопные спектроанализаторы только вместо одной полоски на канал там ставились 16..32 и больше. Сигнал на каждую полоску индикатора разделялся входным фильтром. Сейчас это делается программным путём, но принцип остаётся тот же. Входной фильтр каждой полоски индикатора имеет определённую конечную ширину. В идеальном случае, если мы подадим на вход частоту 1кГц то должен подняться индикаторный столбик соответствующий частоте 1 кГц, в реальности фильтры не настолько высокодобротные и поднимутся ещё несколько соседних столбиков индикации 800 Гц и 1,25 кГц и другие. Это явление называется растекание спектра:

Измерение АЧХ

Другими словами мало того, что программа АЧХ показывает только усреднённые амплитудные значения так ещё и частоту единичного сигнала точно показать не может.

А теперь вспомним про реальный звуковой мультичастотный сигнал, на два рисунка выше – в нём присутствуют как положительные, так и отрицательные мгновенные значения. Как пишут в инструкциях к радиприёмникам при смене батарей соблюдайте полярность. В данном представлении АЧХ полярность не учитывается. Мы все знаем как правильно соединять батарейки чтобы из двух 1.5 вольтовых сделать 3 В. Звуковые электрические сигналы точно так же соединяются и складываются с учётом «знака полярности».  Под «знаком полярности» нужно понимать что сигнал переменный и полярность его непрерывно изменяется, как например положение секундной стрелки на часах – в данном случае это положение называется фазой, если в часах положение соответствующее 12 часам –  назвать точка отсчёта, то 3 часа будет соответствовать 90°, 6 часов – 180°, 9 часов – 270°, полный круг – 360° или 0°. При движении стрелки в обратную сторону (от 12 часов к 9) к значениям градусов добавляется минус (-90°).

Теперь с учётом этого дополним информацию АЧХ информацией о фазе сигнала. В плоскости монитора ни одна программа АЧХ этого не отобразит.

Измерение АЧХ

Представим, что каждый столбик это стрелка часов двигающаяся в плоскости перпендикулярной плоскости монитора т.е. к нам или от нас, а мы видим её сбоку поэтому она имеет вид столбика.

В программе каждый столбик – это амплитуда сигнала без учёта фазы т.е. длина воображаемой стрелки.  Это делает тот амплитудный детектор из диода и конденсатора выше.

Теперь уберём искажающие представление о действительности элементы – диод и конденсатор на входе и «столбики- стрелки» будут как выше так и ниже нулевого значения.

Измерение АЧХ

Следует помнить, что на рисунке  только проекция движения непрерывно вращающихся столбиков-стрелок на плоскость рисунка. Так если стрелка направлена от нас и мы видим её «хвост» мы не имеет представления какой она длины, а на рисунке она будет точкой или нулём.

С какой угловой скоростью вращаются эти стрелки? 2πf – где f – частота соответствующая ей.

Как понятно, для представления сигнала изменяющего по амплитуде,  времени (фазе) и зависящего от частоты одной плоскости недостаточно.

Об этом факте постоянно забывают радиолюбители или настойчиво умалчивают производители. В лучшем случае ФЧХ указывается на графике АЧХ, но кто на неё обращает внимание?

Измерение АЧХ

Тем более, что график ФЧХ представлен в неудобном для понимания виде, когда фаза проскакивает через границу -180° (+180°) она оказывается на другом конце графика (программа просто вычитает полный период, что математически правильно) но стоит понимать, что в реальности сигнал отстаёт на уже более чем полный период. А подсчитайте сколько это по времени, будет ли слышна ли эта задержка? Так для частоты например 40 Гц полный период будет равен T=1/40=0,025 c. Кто услышит задержку в 25 милисекунд? Я думаю большинство услышит.

Дополнительно к этому известно, что акустические системы являются нелинейными не минимально -фазовыми т.е. взяв производную функцию от фазочастотной мы не получим адекватную амплитудочастотную функцию.

Таким образом на сегодняшний день пока не создан инструмент полностью отражающий комплексный характер звуковых волн от мультичастотного нелинейного сигнала.

Принимая несколько допущений о неидеальности и неточности средств измерения, измерительным микрофоном и программным комплексом можно оценить работу акустических систем и выявить грубые ошибки, но полностью описать звук графиками АЧХ и ФЧХ нельзя.

Также нужно понимать, что каждый человек имеет слуховую систему с индивидуальными параметрами, эти параметры в большинстве неизвестны.

Инженер пытается создать систему с ровной АЧХ и пологой ФЧХ, а в итоге звук такой системы не нравится конкретному слушателю. Так же слух имеет свойство подстраиваться и привыкать. Когда радиолюбитель чувствует, что его акустическая система звучит не так как надо, он заменив конденсаторы и провода на аудиофильские всех убеждает, что теперь система стала звучать лучше. Это может быть и так, инструментально доказать это «лучше» пока не удаётся. Также обычно выясняется, что системы «улучшенные» одним любителем совсем не нравятся другим и подлежат последующему «улучшению».

С Уважением, Сергей Гудков, 2022.

17 комментариев: Измерение АЧХ

  1. Инженер пишет:

    Спасибо. Абстракция АЧХ как вращение стрелки часов во времени очень наглядный пример.

  2. А.Б. пишет:

    Картинка ачх реальной колонки на экране анализатора спектра прекрасно совпадает со слуховыми ощущениями, что позволяет быстро довести звучание до нормы. Другое дело, понимание того, что видишь на экране отнимет приличный кусок жизни. А иначе никак. Лучший музыкальный инструмент в руках не умеющего на нем играть – примерно то же, что измерительный микрофон и измерилка в руках неофита, начитавшегося советов таких же дилетантов , типа ” тебе нужен микрофон” .

    • Сергей Гудков пишет:

      А.Б., я за то чтобы у каждого желающего радиолюбителя была измерительная аппаратура и инструкции к ней. Нет возможности измерить самому все существующие динамики и колонки, а есть кто-то измерил АЧХ показал и сказал, что звучит хорошо и остальным это поможет. Даже если есть погрешности измерения, а в комнатном измерении они всегда есть. Лично я пользуюсь программой ETF Acoustic она простая и интуитивно понятная, имеет help файл с инструкцией и схемой соединения. Позволяет снимать АЧХ, ФЧХ, импульсные характеристики, ватерфол и т.д. Есть возможность на одном графике (overlay) построить несколько АЧХ для сравнения. Скачать можно тут https://etf.software.informer.com/5.9/ ключ к ней например тут https://keygenguru.com/serial/etf-acoustic-v5-982.html

  3. Евгений пишет:

    Комментарий немного в сторону. Есть люди, которые пытаются доказать, будто при воспроизведении мембраной громкоговорителя имеет место эффект Доплера, когда источник сигнала движется относительно точки приёма сигнала. То есть, мембрана якобы представляет собой движущийся объект, который ещё и излучает другие тона. Говоря грубо, один источник едет на другом. Возьмём бас-гитару и скрипку. Бас-гитара выдала тон 63 Гц, а скрипка, допустим, 2 кГц. По мнению вышеупомянутых людей, мембрана ШП головки, воспроизводя тон 63 Гц, будет заметно искажать скрипку, даже если динамик достаточно качественный и обладает малыми искажениями на 63 Гц. Однако в реальности этого не наблюдается, поскольку эффекта Доплера здесь нет. Мембрана в точности (в меру своих возможностей) повторяет сложный сигнал, записанный при сведении. Разделения источников нет. Никто ни на ком не едет. Однако эта мысль очень редко находит понимание. Если я ошибаюсь, прошу показать, в чём именно. Спасибо.

    • Сергей Гудков пишет:

      эффект Доплера – например, когда динамик пищит с частотой 1000 Гц, будучи закреплённым на диске вращающемся со скоростью 3000 об/мин. Тогда мы слышим уже не 1000 Гц, а 1050 Гц? Со скрипкой и бас-гитарой такой эффект провести трудно т.к. сигналы электрически суммируются не на динамике, а ещё в записи там уже при записи двух синусоид 1000 и 50 Гц будет набор субпродуктов 50, 950, 1000, 1050 Гц. Для эффекта Доплера нужно два динамика с чистыми сигналами, где один раскачивается другим таких кажется не существует т.е. нужно динамик с синусом 1000 Гц, чтобы механически раскачал другой с частотой например, 50 тогда на АЧХ будет 1050

      • Евгений пишет:

        Да, так и я об этом же. Но вот некоторые утверждают, что эффект Доплера в громкоговорителе однозначно есть, потому что мембрана одновременно воспроизводит несколько тонов. Но не учитывают тот факт, что все эти тона суммированы при записи, а при воспроизведении нет разделения на отдельные источники.

        • Иван пишет:

          “…мембрана одновременно воспроизводит несколько тонов…”
          Ого, народ уже до эффекта Доплера добрался! Не воспроизводит мембрана несколько тонов. Она (мембрана) пытается передать то сложное движение (с переменным успехом), которое сформировалось при сложении тонов. И разделение произойдет уже в мозгу слушателя.

          • Влад пишет:

            Скорость звука является константой, а скорость движения диффузора увеличивается при подведении сигнала большей амплитуды, особенно сильно эффект доплера может проявиться у типичных компрессионных головок, и среднечастотный сигнал будет искажен-промодулирован низкочастотным по тону, так как при записи звука мембрана микрофона не двигалась с такими высокими скоростями как динамик, а если бы и получила данные тональном сдвиге то надо бы еще и правильно учесть фазу чтобы при воспроизведении не получить двухкратный прирост модуляции по тону. По моему на практике такие искажения не могут быть сильными, так как для этого нужен очень мощный и маленький по размеру широкополосник с большим ходом диффузора

            • А.Б. пишет:

              Думаю, что ответ на вопрос про Допплер можно увидеть( или не увидеть) на экране спектроанализатора, подав на динамик сгенерированный сигнал из низкой и средней частот, наблюдая продукты их взаимодействия в виде боковых частот . Иначе говоря, одинокая палка среднечастотного тона должна смениться на елочку , с торчащими по бокам допплерами . Сам такого не делал, но при случае гляну. Другое дело, нелинейность динамика и сама наваляет этих частот по самы ухи и как их потом отделить от собственно допплера я фигзна.

              • Влад пишет:

                Увидел такую формулу в интернете
                Скорость диффузора Vmax = 2*pi*f*Хмах
                f – частота, Гц; Хмах = максимальный ход диффузора в одну сторону, м. Скорость в м/с

                То есть нужен огромный ход и не самая низкая частота, что бы этот эффект стал заметен, и мощность там будет на киловатты. В бытовой аппаратуре это можно не искать, наверное какие то тысячные доли процента изменения частоты тона

                Извиняюсь, длинна волны равна скорость волны деленная на частоту, то есть если диффузор разогнать например до скорости одного процента от скорости звука то есть примерно до трех метров в секунду, то частота тона изменится на один процент в одном полупериоде, или на два процента при ходе динамика в обе стороны, что уже существенно

                • Сергей Гудков пишет:

                  Да, эффект Доплера будет более заметен в ШП головках одновременно воспроизводящих низкие (~30Гц) и высокие частоты (~10кГц) на большой мощности. Оценивается это формулой dF=0.033*Xнизк.част*fвысокой частоты, измеряется по спектру интермодуляционных искажений. Также будет заметен эффект при установке СЧ и НЧ головок в один корпус т.е. без изолирующего СЧ бокса

                  • Александр Ростов-на-Дону пишет:

                    Сергей, для возникновения интермодуляционных искажений при отработке динамиком двух далеко отстоящих частот , вероятно , необходима нелинейность , порождающая эти интермоды. То есть, получается, что динамик с малыми искажениями – даст низкие ннтермодуляционные искажения от эффекта Допплера ? Рассудите мои предположения.

                    А еще есть предположение, что если дать на широкополосный динамик сгенерированный Спектрой сигнал (два сигнала одновременно) и послушать звук высокого тона, как он меняется при увеличении амплитуды низкочастотного сигнала, то слух нам немедленно доложит о результате. Примерно, как это происходит , когда мы слышим звук сигнала проезжающего поезда, явно меняющего тон от высокого к низкому. Что-то мы непременно обязаны услышать. Или не услышать. И потом плюнув, закрыть тему)))))

                    Вспомнил. Сам проделал лабораторку , чтобы выявить ничтож ное отклонение частоты тона, записанного на виниле, служащего для оценки детонации вертушки.
                    Применил метод нулевых биений, когда в одном канале звучал сигнал с диска, 3150 герц, в другом -сгенерированный Спектрой сигнал такой же частоты. Но для лучшей слышимости сдвинул сионал от Спектры на пару сотен Герц, биения стали слышны в виде низкого тона. Который дважды за оборот диска явно плыл по частоте. Причиной плавания тона было коробление диска в виде еле заметного бугорка на диске. Что и вызвало уплывание тона, незаметного при обычном прослушивании.
                    Так и с Допплером. нужно дать опорный тон в один динамик и его же, но модулированный низкочастотным – в другой. Отклонение тона по частоте от эффекта Допплера усилится нулевыми биениями и станет слышно . Короче- пробовать надо.

  4. Влад пишет:

    Так для частоты например 40 Гц полный период будет равен T=1/40=0,025 c. Кто услышит задержку в 25 милисекунд? Я думаю большинство услышит.

    Поэтому барабаны (и шумовой сигнал) в системах с фазоинвертором звучат не естественно.

    • А.Б. пишет:

      Есть исключения, когда инверторная колонка собрана на быстром легком миде , работающем примерно с 70 герц, бас дорабатывается за счет порта, звук складывается идеально, плюс румгейн добавит. В итоге прекрасный низ, не гудящий и плотный, никакого гула или развала звука внизу. 45 -50 герц разумный предел нижнего среза.
      А битва за 25 -30 герц уже ведет в тупик , либо упираемся в безумные размеры колонок и комнаты.

  5. kolobrkin пишет:

    Что-то кажется что “проблема” сильно надумана. При небольших смещениях динамика(динамиков), да на динамичном музыкальном сигнале никаких искажений слышно не будет.

    • А.Б. пишет:

      На это есть понятие заметности того или иного явления. И может оказаться, что многие явления , как плоды мятежного разума , реальными опытами выявлены не будут. Добавлю, что страдания впечатлительных юношев про нелинейные искажения в динамиках разбиваются об экран измерителя, показывающего цифры искажений в 40-60 процентов, в то время, как на слух там вполне нормальный звук .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.