• Speaker WorkShop cz. II

    Cześć 2, pomiary nearfield i onaxis.

    Pomiary z wykorzystaniem mikrofonu są tą trudniejszą częścią zabawy z SW. Tu wiele na wiele rzeczy należy zwrócić uwagę i nie zawsze chce pójść tak łatwo jak każdy by sobie tego życzył.
    Poniższy tekst ma na celu przybliżenie zagadnienia wykonywania pomiarów tak aby poziom rozdrażnienia użytkownika programu przypadkiem nie osiągnął czerwonego pola .
    Jeżeli cały hardware jest dobry to w jedno popołudnie można z powodzeniem nauczyć się wykonywania dobrych pomiarów.
    Nie będę omawiał takich drobnostek jak sposoby formatowania wykresu czy opcji zawartych menu transform. Nie ma tam wielkiej filozofii i każdy to rozpracuje we własnym zakresie.
    W SW pomiary za pomocą mikrofonu zostały rozbite na dwie części: pomiar onaxis, czyli w polu dalekim i nearfield w polu bliskim. Wynika to z niedoskonałości metody pomiarowej a w zasadzie z niedoskonałości pomieszczenia pomiarowego. Aby metodą onaxis zmierzyć całe pasmo częstotliwości należałoby mieć bardzo długi czas pomiaru, co uniemożliwiają skutecznie odbicia sygnału od ścian pomieszczenia. Dlatego pomiary rozbito na dwie części a ich wyniki można później zsumować.

    1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego.

    Najlepszym rozwiązaniem jest robienie pomiarów w specjalnej komorze, ale do takiej prawie nikt nie ma dostępu. Aby pomiary były możliwe w normalnych warunkach,powstała metoda pomiarowa sygnałem MLS, którą to zastosowano oczywiście w programie speaker workshop. Za pomocą tej metody można dokonać pomiarów z dużą dokładnością w warunkach mocno odbiegających od ideału np. w zwykłym pokoju.
    Dobre wyniki pomiarów są zdeterminowane w głównej mierze pomieszczeniem, w którym je wykonujemy. W miarę możliwości powinno to być jak największe pomieszczenie np. największy pokój, z którego wywalamy wszystko, co możemy unieść stoły, fotele, krzesła itp.
    Jeżeli ktoś ma dostęp np. do sali gimnastycznej to będzie miał tam doskonale warunki do pomiarów.
    Jeżeli pogoda sprzyja to można też wyjść na trawnik przed domem. Otwarta przestrzeń w zasadzie będzie działać jak komora bezechowa, warunki niemal idealne .
    Niektórzy próbują przystosować pomieszczenia w piwnicy , strych itp. specjalnie do celów pomiarowych wytłumiając je na stałe za pomocą różnych materiałów. Tworzą swoją własną komorę bezechową. Osobiście odnoszę się do takich pomysłów z małym entuzjazmem , chociaż cel jest szczytny. Głównym mankamentem takich zaadoptowanych pomieszczeń są ich małe wymiary , często niski strop a właśnie wymiary pomieszczenia są bardzo ważne im większe tym lepiej .

    Skoro juz wygoniliśmy rodzinę z dużego pokoju , należy wziąć się za rozłożenie naszego wspaniałego sprzętu pomiarowego. Kompa ze wzmacniaczem i plątaniną kabli ustawiamy gdzieś w rogu. Statyw mikrofonu i kolumnę ustawiamy wstępnie na środku pomieszczenia tak, aby zarówno mikrofon jak i kolumna miały jak największe odległości od wszystkich ścian. Należy przy tym pamiętać ,że mikrofon powinien znajdować się w odległości ok 1m od kolumny.
    Siadamy do kompa składamy i kalibrujemy cały system , tak jak opisywałem to w poprzedniej części. Różnica polega na tym ,że tym razem podłączamy już wzmacniacz (sygnał z rozgałęzionego kabla) oraz przedwzmacniacz z mikrofonem do wejścia J4 w JIG u. Do wzmacniacza warto doczepić 4-5 m kabel głośnikowy, co umożliwi swobodne manewrowanie kolumną. Kabel mikrofonowy nie powinien być dłuższy niż 2m , sygnał z przedwzmacniacz do JIG a można poprowadzić przewodem podobnej długości , co umożliwi dużą swobodę w ustawieniu statywu mikrofonu.
    Na razie nie będę opisywał szczegółowo hardwareu.
    System został wykalibrowany oraz jesteśmy pewni działania przedwzmacniacza i mikrofonu (warto wcześniej przetestować) to pozostaje nam tylko wgrać plik kalibracyjny do mikrofonu. Najbardziej popularnymi mikrofonami są panasonic WM61a i tańszy WM60. Ich parametry są wystarczająco dobre , maja niemalże idealną liniowość do 5kHz (wg producenta). Powyżej tej częstotliwości ch-ke mikrofonu ,która się lekko wznosi , należy skorygować plikiem. Na dobrą sprawę do celów zaprojektowania zwrotnicy można mierzyć bez pliku, bo zwykle częstotliwość podziału leży poniżej 5kHz.
    Najlepszym rozwiązaniem jest posiadanie specjalnie zrobionego pliku pod swój mikrofon na podstawie systemu referencyjnego. Jeżeli nie mamy możliwości wykonania takiego pliku to można zastosować typowy plik typ_mic.frd (tu link do liku) , który jest wystarczająco dobry.
    Osobiście posiadam specjalny plik kalibracyjny do mojego WM60L ale w porównaniu z typ_mic różnice można nazwać marginalnymi niemającymi większego wpływu.
    Plik należy zaimportować (resoruce -> import file). Pojawi się on w menu po lewej stronie. Następnie w zakładce Options -> Calibrate w okienku Mikrophone response wgrywany nasz plik i gotowe.

    Pozostaje jeszcze ustalić rozdzielczość pomiaru. Ustawiamy ją w menu Options->Preferences->Measurements.


    Wartość Samlpe Rate i Size określają zakres końcowy pomiaru i rozdzielczość. Ustawienie 44.1-48kHz / 65536 próbek jest dobre. Wyższe Sample Size wydłuża pomiar i czas obróbki danych, co przy wolniejszych komputerach (ok 500Mhz) może być nieco uciążliwe.


    2. 1W i 1m ?

    Ogólnie przyjęło się ,że pomiary wykonuje się z odległości 1 m mocą 1W. Tak pisze w normie, ale dla nas nie ma to większego znaczenia. SW nie potrafi przedstawić wyniku pomiary na skali bezwzględnego ciśnienia w dB. Oczywiście byłoby to możliwe, ale należałoby mieć odniesienie do systemu referencyjnego ,którego oczywiście go nie mamy. Ponadto informacja czy ,że nasza kolumna ma przykładowo 84 dB efektywności jest oczywiście przydatna, ale można spokojnie się bez niej obyć.
    O ile odległość 1 m odmierzyć potrafi każdy to z tym 1W są już niemałe problemy.
    Dla impedancji 8 Ohm należałoby ustawić na wyjściu wzmacniacza wartość napięcia równą 2,8V. Zmierzenie takiej wartości jest bardzo trudne , większość tanich multimetrów ma najmniejszy zakres AC na 200V co prawie uniemożliwia taki pomiar. Wspomnę tylko ,że puszczając sygnał testowy należy ustawić mu 50Hz sin bo mierzenie przy innej częstotliwości spowoduje kolosalny błąd. Osobiście wykonuję pomiary mocą ok 0.5W i uważam ,ze jest ona wystarczająca.
    Aby nie przesadzić z mocą najlepiej jest po ustaleniu położenia gałki głośności puścić sygnał testowy podłączając oczywiście tylko głośniki niskotonowe dla bezpieczeństwa. Jeżeli uznamy ,że jest za głośno , ściszamy. Ja poziom głośności ustawiam na wyczucie tak jak dla normalnego odsłuchu muzyki.
    Odległość 1 m nie musi być odmierzana co do milimetra. Czy to będzie 95 cm czy 105 nie ma większego znaczenia na wynik pomiaru.
    Ta elastyczność w doborze odległości i mocy pomimo, że nie jest zgodna ze sztuką daje jednak kilka możliwości o czym za chwilę.


    3. Pomiar Pulse response ,ustawienie markerów rzecz najważniejsza !

    Przed nami najbardziej mozolna i czasochłonna część pomiarów.
    Ustawiamy kolumnę i statywem mikrofonu mniej więcej na środku , tak jak pisałem na początku. Odległość ok 1m , skierowanie mikrofonu zależne od sposobu pomiaru wynikającego z konstrukcji kolumny. Dla niskich podłogowców można dać mikrofon wyżej i pochylić go lekko celując w głośnik wysokotonowy lub pomiędzy wysoko i średnio-niskotonowym. Jeżeli kolumny są wysokie mierzymy na wprost.
    Również jeżeli robimy np. kolumny podstawkowe, które będą docelowo na wysokości uszu słuchacza można mikrofon dać na wprost i celując pomiędzy głośniki.
    Mierząc kolumny stawiamy je normalnie na podłodze . Monitory należy umocować na podstawce. Nie musi być ona wysoka ok 60-80 cm . Ogólnie lepiej, aby głośniki były bliżej podłogi niż sufitu.

    W menu po lewej tworzymy nowy plik głośnika , nazywamy go np. kopułka i umieszczamy go najlepiej od razu w osobnym folderze inaczej będzie straszny bałagan po paru pomiarach.
    Ustawiamy JIG a w trym Freq meas 0dB ,włączamy przedwzmacniacz mikrofonowy.
    Wzmacniacz podłączamy do głośnika wysokotonowego. Otwieramy okno nowoutworzonego głośnika i z menu Measure wybieramy Pusle response. W menu pojawi się plik o nazwie głośnika i rozszerzeniu pulse , w naszym przypadku kopułka.pulse. Otwieramy ... cholera nic nie widać. Normalka , we właściwościach wykresu przeskalowujemy oś Y z domyślnych 8k..8k na ok 500..500. Powinniśmy widzieć impuls pomiarowy. Jeżeli nadal jest on mały to albo mamy za małą moc albo przestawiamy JIG a w tryb Freq meas 10 lub -20dB (osobiście tak mierze) i wykonujemy jeszcze raz pomiar.
    U mnie wygląda to tak:


    Na ok 4.6 ms mamy impuls pomiarowy , reszta to są odbicia. Na czerwono zaznaczyłem te wyjątkowo groźne. Pierwsze na ok 7ms to odbicie od podłogi , pozostałem od 10ms to odbicia od ścian i sufitu. W celu wyeliminowania odbicia od podłogi posłużymy się kołdrą , poduszkami , ubraniami itp. Kołdrę kładziemy pomiędzy mikrofon a kolumnę i wykonujemy pomiar. Odbicie powinno być zredukowane. Z wytłumieniem kombinujemy tak długo aż uzyskamy optimum , czyli wytłumimy całkiem odbicie od podłogi.
    Wytłumienie pozostałych odbić od ścian i sufitu nie jest juz takie proste. Można pozawieszać jakieś coś na ścianach , jakieś prześcieradła , koce itp. Czasem sporo daje. Tu wyjdzie zaleta posiadania dużego pomieszczenia, bo im większe ono będzie tym później będą odbicia.
    Czasem zmieniając nieco odległość mikrofonu od kolumny można skutecznie pozbyć się niektórych odbić.
    Również moc jaką mierzymy ma znaczenie , zmniejszenie mocy czasem drastycznie zmniejsza poziom odbić ,szczególnie jeżeli mierzyliśmy dużą mocą.
    U mnie po wytłumieniu tylko podłogi pomiar wygląda tak :


    Obicie zostało całkiem wytłumione. Odbiciami od ścian się nie zajmowałem , gdyż są one wystarczająco daleko chodź mogłyby być jeszcze dalej (no i do celów poglądowych nie chciało mi się zamieniać pokoju w laboratorium NASA ).

    Wytłumienie odbić jest bardzo ważne. Odbicia wpływają negatywnie na pomiar , gdy jest ich za dużo wynik pomiaru jest strasznie poszarpany i niewyraźny.
    Oczywistym jest ,że nie przerobimy swojego pokoju na komorę bezechową. W tym celu są tzw. markery. Markery bramkują czas pomiaru , ustalają czas startowy i końcowy pomiaru. Jeżeli na naszym wykresie od czasu 0ms do głównego impulsu nie ma żadnych syfów (jak na wykresie) to marker startowy ustawiamy na 0ms. Marker końcowy ustawiamy przed pierwszym poważnym odbiciem! Jak widać ja ustawiłem do na ok 10,5 ms. Po tym czasie dane jakie napłyną do programu nie będą brane pod uwagę ,czyli wszystkie szkodliwe odbicia zostały wycięte !
    Jednak nie można z markerami postępować zbyt pochopnie. Za minimalne położenie markera przyjmuje się 9,6 ms ale lepiej mieć więcej. Dobrze byłoby, aby marker końcowy znajdował się na min 12 ms lub dalej. Im dłuższy czas bramkowania tym niższą częstotliwość możemy zmierzyć.

    Wyjaśnię jeszcze ,że pomiar ten wykonujemy na głośniku wysokotonowym ,gdyż jest on w stanie przetworzyć wyższe harmoniczne sygnału pomiarowego i tym samym na wykresie widzimy więcej odbić, których nie zmierzylibyśmy robiąc pomiar z głośnikiem nisko-średniotonowym.


    4. Pomiar OnAxis

    Po uporaniu się z wytłumieniem pokoju i ustawieniem markerów można w końcu coś pomierzyć. Otwieramy okno głośnika i z menu Measure wybieramy polecenie Freqency response-> OnAxis.
    Po chwili w folderze z plikiem głośnika mamy wynik pomiaru :


    Widać ,ze głośnik nie jest zbyt wybitny ale to nie ma większego znaczenia.
    Jeżeli marker końcowy ustawiliśmy za daleko i zostało zmierzone również jakieś odbicie to będzie to wyglądać mniej więcej tak :


    Wykres jest zamazany i niewyraźny. Im więcej odbić zmierzymy tym wykres będzie wyglądać gorzej. Wystarczy przestawić marker, aby nie było odbicia lub dodatkowo wytłumić pokój aby uzyskać poprawny wykres (jak na pierwszym rysunku).

    W menu Measure mamy jeszcze opcje pomiaru 30 degrees oraz 60 degrees. Pomiary niczym się nie różnią poza tym ,ze plik końcowy ma inną nazwę. Pomiary te robi się pod kątami 30 i 60 st. Oczywiście można zrobić pod innymi a plik wynikowy odpowiednio nazwać.

    Dla głośników nisko-średniotonowych pomiary wykonuje się tak samo , przy czym poprawność pomiaru na niskich częstotliwościach w głównej mierze zależy od czasu bramkowania. Im dłuższy czas tym niższą częstotliwość zmierzymy. Ogólnie można przyjąć ,że pomiar jest poprawny do ok 500Hz.


    Na wykresie powyżej doskonale widać jak mała jest rozdzielczość pomiaru przy niskich częstotliwościach. Wynika to właśnie ze zbyt krótkiego czasu bramki.

    5. Pomiar Nearfield

    Aby mieć komplet informacji o ch-kach głośnika niskotonowego należy wykonać pomiar w polu bliskim. Aby wykonać taki pomiar należy ustawić mikrofon w odległości 1cm od środka membrany głośnika (pomiar wykonujemy tylko dla głośników nisko i nisko-średniotonowych). Przełączamy przedwzmacniacz mikrofonowy na mniejsze wzmocnienie. Z menu Measure -> Freqecy response -> Nearfield dokonujemy pomiaru. W czasie pomiaru obserwujemy diodę w przedwzmacniaczu , jeżeli się zapala tzn. ,że przedwzmacniacz się przesterował i należy zmniejszyć moc przy jakiej wykonujemy pomiar. Jeżeli wszystko jest dobrze to mamy zrobiony pomiar w polu bliskim :


    W ten sam sposób dokonujemy pomiaru portu bass reflex (Port resopnse) :


    Należy pamiętać o zachowaniu tej samej odległości pomiaru, czyli ok 1cm od wylotu portu.
    Pomiar ch-ki portu daje sporo informacji. Popierwsze widać częstotliwość strojenia , kształt ch-ki oraz szkodliwe rezonanse, które wypromieniowuje port. Położenie wykresu na osi Y jest w dużej mierze uzależnione od mocy z jaką wykonuje się pomiar ,gdyż port br jest elementem nieliniowym. Przy większej mocy uzyskamy większy udział promieniowania portu względem promieniowania głośnika.
    Przy pomiarach kolumny z większą ilością głośników niskotonowych należy pamiętać ,że promieniowanie portu jest sumą dla wszystkich głośników. Dlatego należałoby wykres odpowiednio przeskalować lub wykonać pomiar Nearfiled dla każdego głośnika osobno a następnie je zsumować.


    6. Łączenie wykresów.

    Aby uzyskać pełną ch-kę głośnika musimy zsumować wykresy OnAxis oraz Nearfield.
    W tym celu otwieramy okno pomiaru Nearfield i dodajemy do niego wykres pomiaru OnAxis:


    Jak widać wykres trzeba tak przeskalować aby się ze sobą pokrywały. Z menu Transform->Scale dokonujemy przeskalowania wykresu Nearfiled do momentu aż wykresy się nałożą:


    Należy pamiętać ,że o ile pomiar Nearfield jest poprawny dla niskich częstotliwości to na wysokich częstotliwościach jego wynik jest juz zafałszowany (tak jak niskie częstotliwości w pomiarze OnAxis). Dlatego wykres przeskalowujemy tak, aby pokrywały się w zakresie ok 500Hz.
    Wybieramy punkt, w którym chcemy połączyć wykresy. Ja wybrałem 750Hz bo pomiar OnAxis miałam wykonany z małą rozdzielczością (krótki czas bramki). Jeżeli ktoś ma dłuższy czas bramki to może połączyć wykresy na niższej częstotliwości.
    Otwieramy menu Calculate->Splice :


    Jako splice A mamby nasz wykres Nearfiled. W splice B klikamy w znak zapytania i podajemy ścieżkę do wykresu OnAxis. Następnie w splice at wpisujemy częstotliwość połączenia wykresów oraz w Methods zaznaczmy pierwsze okienko. Po potwierdzeniu pojawia się nowy wykres o rozszerzeniu Nearfiled.splice :


    Wykres jest z lekka kwadratowy , wynika to z metody łączenia. Nie ma to jednak żadnego znaczenia ,gdyż takie wykresy robi się do celów poglądowych i nie przeprowadza się na nim żadnych symulacji. Zawsze można go sobie ładnie wygładzić :



    7. Wygładzanie ,czy i kiedy stosować.

    Jeżeli otworzymy jakiś wykres to w menu Transform możemy użyć opcji Smooth. Służy ona do wygładzania wykresu. Stopień wygładzenia podany jest w częściach oktawy , gdzie wygładzanie 1/16 oktawy jest najłagodniejsze.
    Wygładzania nie można stosować dowolnie. Nie wygładzamy pomiarów za pomocą których później projektujemy zwrotnicę ! Wygładzanie takiego wykresu powoduje zafałszowania w informacjach dotyczących fazy sygnału.
    Jeżeli już koniecznie musimy to wygładzamy tylko końcowe wykresy np. z pomiarów całego gotowego zestawu ,które chcemy pokazać innym itp. Jeżeli już wygładzamy to najlepiej 1/16 oktawy , zbytnie idealizowanie ch-ki nie ma sensu bo i tak każdy to zauważy ,że ktoś poleciał oktawy . Teraz każdy pewnie się domyślił skąd producenci mają takie ładne wykresy.
    Przy dobrze wykonanych pomiarach wygładzanie w zasadzie jest niepotrzebne.

    8. Kilka słów o fazie.

    We właściwościach wykresu można włączyć przebieg fazowy. Wygląda on kiepsko i nic nie da się z niego odczytać. W zasadzie nie ma na to rady ,nawet zastosowanie polecenia delay ,które ma na celu przeliczenie opóźnienia pomiędzy sygnałem a odpowiedzą głośnika i odpowiednie przedstawienie przebiegu fazy nie daje spodziewanych rezultatów. Ostatecznie o fazie akustycznej radzę zapomnieć , w tym programie nie da się jej przedstawić w sposób normalny (z fazą elektryczna nie ma problemów).
    Ale bez obaw ,problem ten dotyczy tylko wykresów , do obliczeń program przyjmuje prawidłowe przebiegi faz i symulacje znajdują potwierdzenie w pomiarach , fazy są prawidłowo uwzględnione. O tym jak zaprojektować dobrą zwrotnicę nie widząc przebiegu fazowego będzie w części 3 .

    Yoshi (2004)