Pomiary akustyczne głośników w pomieszczeniach niezaadaptowanych akustycznie

W Merserwis, dostarczamy profesjonalne rozwiązania do pomiarów elektroakustycznych, m.in produkty firm Audio Precision, GRAS. W niniejszej publikacji chcemy podzielić się naszą wiedzą, dzięki której można w bardziej efektywny kosztowo sposób wykonać pomiary głośników w pomieszczeniach.

Aby pomiary odpowiedzi częstotliwościowej głośnika były miarodajne, powinny odzwierciedlać wyniki otrzymane w polu swobodnym - czyli polu pozwalającym na niezakłócone promieniowanie fal akustycznych we wszystkich kierunkach, pozbawione wpływu fal odbitych. Idealną przestrzenią pomiarową będzie zatem komora bezechowa, czyli miejsce o ściśle kontrolowanej akustyce, pochłaniające wszelkie fale akustyczne padające na ściany. Budowa takiego pomieszczenia jest jednak wyjątkowo kosztowna, co sprawia, że nie każdy producent może sobie na nią pozwolić. Wychodząc temu naprzeciw inżynierowie Audio Precision zaprojektowali specjalne rozwiązanie, pozwalające na przeprowadzanie pomiarów głośników w standardowych,używanych na co dzień pomieszczeniach. Zestaw funkcji pomiarowych Acoustic Response, dostępny w oprogramowaniu APx500, wyposażony został w narzędzia umożliwiające usunięcie z sygnału składowych odbitych, niwelując ich wpływ na otrzymane wyniki.

Techniki “time-selective” lub “quasi-anechoic” określające proces obróbki zmierzonego bodźca, polegają na wycięciu z sygnału części odpowiedzi impulsowej, reprezentującej wartości otrzymane poprzez fale odbite. Obróbka wykonywany jest przed poddaniem sygnału transformacie Fouriera, co pozwala na otrzymanie odpowiedzi częstotliwościowej jedynie niezbędnego odcinka czasu. Dokładniejsze omówienie teorii stojących za tymi technikami znajdują się pod linkiem. 

Pomieszczenie, w którym zdecydujemy się na pomiary powinno posiadać możliwie niski poziom szumów, szczególnie w zakresie częstotliwości rejestrowanych podczas pomiaru oraz odpowiednią powierzchnię. Odpowiednia wielkość pomieszczenia, podyktowana jest kilkoma zmiennymi, w zrozumieniu których pomocny będzie Rys. 1. Mikrofon pomiarowy umieszczony został w lini prostej i odległości d od głośnika. 

Mikrofon pomiarowy, powinien znajdować się w polu dalekim, tak by zniwelować zjawiska nieliniowe, zapewniając stabilność i przewidywalność oraz w polu najbardziej zbliżonym do swobodnego, tak by zminimalizować wpływ fal odbitych od fal bezpośrednich. Określenie pola dalekiego zależy od wielkości badanej kolumny głośnikowej oraz zakresu częstotliwości używanego w pomiarach. W praktyce pomiarowej, zazwyczaj przyjmuje się, że odległość dzieląca mikrofon od głośnika powinna być 3-krotnie większa niż najdłuższy wymiar kolumny głośnikowej (chodź niektórzy eksperci stosują nawet 10-krotność). 

Rgrs - odległość graniczna pola swobodnego
V - objętość pomieszczenia
T60 - czas pogłosu

Generowany przez głośnik dźwięk, dociera do mikrofonu bezpośrednio (na Rys.1 droga ta oznaczona została literą d) oraz w postaci fal odbitych (na Rys.1 droga pierwszego odbicia zostały zaznaczone jako dR). Różnice czasu dotarcia fali bezpośredniej oraz fali odbitej określić można wzorem 2:

d - droga pokonywana przez fale bezpośrednią
dR - droga pokonywana przez falę odbitą 
c - prędkość rozchodzenia się dźwięku (ok. 344 w temperaturze pokojowej)

W przypadku pomieszczeń o wysokości 2,4 do 3 m (zakładając, że jest to najmniejszy wymiar pomieszczenia) czas T wynosi ok. 5-6 ms.

Fale odbite można odczytać jako małe impulsy powstałe w odpowiednim odstępie czasu po głównym impulsie. Zazwyczaj ciężko zauważyć je w odpowiedzi impulsowej ( Rys.2) natomiast przebieg krzywej energetycznej (Rys. 3) pozwala nam zaobserwować wyraźne skoki energii po czasie T. Krzywa przedstawiona na Rys. 3 ukazuje zmiany obwiedni energii odpowiedzi impulsowej w czasie, bez trudu możemy zauważyć, że po okresie 5 ms. następuje ponowny wzrost energii, świadczący o dotarciu fal odbitych.

Rys.3 Zarejestrowany przebieg krzywej zmian energii w czasie dla odpowiedzi impulsowej głośnika.

Na Rys. 2 i Rys. 3 okna czasu uwzględnianego w wynikach zaznaczone zostało przerywaną pionową linią. Oprogramowanie APx500, każdorazowo po zmianie długości okna ponownie oblicza poziom odpowiedzi impulsowej, pozwalając na wyeliminowanie z pomiarów, energii, która została dostarczona poprzez fale odbite.

Dokładność tego typu pomiarów ma niestety swoje ograniczenia. Rys.4 przedstawia wyniki zmierzonego poziomu ciśnienia akustycznego w komorze bezechowej przy użyciu okna czasowego ustawionego na 5ms (kolor niebieski) oraz 1 ms (kolor purpurowy). Z wykresu możemy zauważyć, że wyniki w dolnym paśmie częstotliwości, nie pokrywają się ze sobą świadcząc o wpływie ustawionej długości okna na wynik. Wyszarzona przestrzeń oznacza różnice w wynikach przekraczająca 2 dB, a pionowa przerywana linia określona jako 1/T ukazuje umowną granicę dokładności otrzymanych wyników. Można zatem stwierdzić, że dolna granica badanego pasma ograniczona jest czasem trwania użytego przez nas okna czasowego i jest podyktowana wzorem 3 (w przypadku okna o długości 5 ms częstotliwość ta wynosi 200 Hz).

fd - umowna dolna częstotliwość wykonywania pomiarów
T - czas trwania okna czasowego 

Pomimo pewnych ograniczeń wynikających z miejsca wykonywania pomiarów, oprogramowanie APx500 daje możliwość przeprowadzenia szybkich i obszernych pod kątem otrzymanych wyników badań w szerokim zakresie częstotliwości. Możliwość zmierzenia parametrów głośników w polu swobodnym,  w zwyczajnych, niezaadaptowanych pomieszczeniach pozwala na przyspieszenie oraz zmniejszenie kosztów zarówno procesu projektowego głośników jak i testów produkcyjnych.