Elektroakustická měření

28.3. 2009 01:00 článek je stále ve stavu rozepsaném - doporučuji sledovat aktualizace

Nebudu se zabývat teorií, ta je popsaná jinde dost dobře. Toto bude spíš návod klikni tam, dostaneš todle. Na začátku předpokládám, že máme nainstalovaný LspLAB verze 3.1.3 (jednotlivé verze se dost liší), který je asi nejvhodnějším programem pro měření frekvenčních charakteristik a Artu (včetně Steps a Limp).
Hlavní lišta vypadá jako na obrázku, důležitá jsou tlačítka se symboly zkříženého mikrofonu a kladiva, kde najdete veškerá nastavení; dále hejblata, kde se dají nastavovat a sledovat úrovně vstupů či výstupů a zelená šipčička, kterou se každé měření spouští.
Na koberci nalevo doporučuji nastavit podle obrázku, ušetří se starosti. V nastavení, v liště hardware, nastavte svoji zvukovku a pro ni vhodnou vzorkovací frekvenci. Tu je potřeba zjistit loopback (přímé propojení výstupu se vstupem) měřením, při správném vzorkování byste měli dostat nezašuměnou impulsní charakteristiku (to co se otevře po měření), a frekvenčka by se neměla měnit s hlasitostí (kromě dolního konce rozsahu). Dvojkanálové měření je samozřejmě přesnější, eliminuje chybu zvukové karty, zesilovače i kabelů, ale lze realizovat pouze s externím preampem, kdy se signál z mikrofonu přivede na jeden kanál linkového vstupu a patřičně vydělený signál ze zesilovače se přivede na vstup druhý. External hardware nastavte podle obrázku napravo None.
Pokud byste chtěli měřit trochu elegantněji, tak si doděláte plně měřící JIG/přípravek z článku o měření impedance hezky do krabičky a vměstnáte do ní kupříkladu i jednoduchý preampík podle Linkwitze pro Checkofon standartní verze. Na schématu je potřeba přepojit 10k R rezistor vedoucí z mínusu 9V baterky na kapsli na plusový pól druhé baterky. Hodnotou odporu rezistoru vedoucího z mínusu operačního zesilovače na zem se dá nastavit zisk. Mě se osvědčila hodnota 680R, níž než 500R bych nešel. S JIGem se dá hezky měřit dvojkanálově.

V záložce Generator (viz obrázek nalevo) je už možností víc. Signál MLS, který se běžně používá na měření, má dvě varianty - bílou a růžovou. Bílá "šumová" varianta má rovnou frekvenční charakteristiku, což dosti zatěžuje výškový měnič při běžném měření reprosoustav. Rozložení výkonu řeší růžový-pink MLS, který už má tvar dolní propusti se strmostí 3dB/oktávu. Doporučuji používat pink s MLS length (délkou šumu) minimálně 8k , takových 32k je velmi dostačujících. Frekvenční rozsah se používá vzhledem ke kalibračním charakteristikám nejčastěji 20-20k Hz, počet bodů na oktávu nastavte velký, sám se upraví na vhodnou hodnotu podle vzorkovací frekvence.
Teď přichází to složitější - nastavení Analyzeru (ilustrace napravo). Budeme nejdříve měřit Frequency response - frekvenčku. Je potřeba zjistit, jak dlouhé bude asi naše měřící okno. Podle kalkulátoru napravo (/Calculator/Time window) se hodnota zjistí snadno, je vhodné si ji navolit už v nastavení. Kupříkladu já mám v pokoji pořád stejně vysoký strop a mikrofon na pevném stojanu alá šibenice pořád stejně vysoko, takže se mi nastavení okna v menu hodí. Pro první náhled se s terčíky na impulsce ani nemusím nastavovat.
Velikos/Size Analyzeru nastavte stejně jako u generátoru, Window nastavte jako ''Hanning(Cos). Důležitý je u něj ten paznak na začátku.
Selected Input vybírá levý či pravý kanál.
Pre averages pro měření reprosoustav v rámci okna nastavte na tři se zaškrtnutým One warm up stimulus. Měření trvá déle, ale chyba je menší. Pro měření mimo okno (měření v rámci prostorové akustiky místnosti) je nutné nastavit průměrování přes nějakých 20ks.
Minimum-Phase Accuracy na High sice více zatěžuje PC, skutečný přínos jsem nezjistil, nu ale neuškodí :).


Post Processing neboli pozdější zpracování doporučuji nechat nezaškrtnuté. Impulsku si jednou uložíte a máte v ní všechno, data pozdějším zpracováním můžete zahodit vždycky.
V poslední kartě nastavení - Microphone už jenom natáhnete kalibrační soubor mikrofonu do programu. Přesněji řečeno se nejedná o kalibrační soubor ve smyslu korekce, ale program si žádá frekvenční charakteristiku mikrofonu. V platnost tato charka vejde až po restartování programu.
Nastavování vstupních a výstupních úrovní se dá provádět přímo z programu, šouplata jsou alespoň u mě propojená s drivery zvukové karty a nastavením ve Windows, ale nemusí tak být vždy. Proto zde uvádím ovládání zvuku přes Win (Start/Programy/Příslušenství/Zábava/Ovládání hlasitosti) v obou modifikacích přehrávání i záznam (překliknout se dá v nastavení). Vskutku smrtelně důležité je vypnout/ztlumit monitoring vstupů, smyčky umějí být velmi hlasité, nebo straší v měření. Vypněte si též sluchátka. Ohledně jednotlivých úrovní... pokud je to možné, vstup bych udržoval mezi 10 a 50%, výstup v rámci lineárních mezí reproduktorů co nejhlasitěji. Realizovat zisk signálu preampem bývá lepší než zvukovkou. Dosáhne se tím mnohdy o dost lepších odstupů Signál/Šum. Wave držte vždy na maximum. Pozor, například moje "vypečená, audiofilská" zvukovka M-Audio Revolution 5.1 vypíná vstupy bez upozornění po překročení asi dvou třetin nastavení vstupní úrovně. Při těchto nastaveních se prostě obrňte a připravte na nejhorší a nesmyslné možnosti.


Měření měničů, reproduktorových soustav okenní metodou.
Mikrofon umístíme do referenčního bodu reprosoustavy, což znamená ve většině případů takovou vzdálenost, kdy se měřené fázové charakteristiky všech reproduktorů mění stejně se vzdáleností na referenční ose. U běžné dvoupásmové reprosoustavy bývá ref. osa v ose výškového reproduktoru a referenční bod bývá tak vzdálen, aby byl rozdíl vzdáleností měničů zanedbatelný proti vzdálenosti ref. bodu. Lze se spokojit s tím, že měření v rámci okna máme omezené na určitou vzdáleností, která vychází z rozměrů místnosti a mikrofon umístit do ní (pozor ta vzdálenost se musí počítat od nejvzdálenějšího repra). Lépe brát v úvahu nějakou rezervu kvůli podchycení difrakcí, což jsou jakési "přídavné" zdroje zvuku na všech změnách plochy přední desky (hrany ozvučnice, závěsy větších měničů, nezapuštěné nebo špatně zapuštěné okraje košů, bassreflexy na přední stěně). Pro dvoupásmo klasické konstrukce, se osa nachází opakuji v ose výškového, pro klasické třípásmo pak v ose středového měniče. Existuje ale spousta nestandartních konstrukcí nebo konstrukcí, které jsou doslova postavené na hlavu. To aby se pak uvodní měření zaměřovalo na hledání ono referenčního bodu. A to ještě nemusí být bod, ve kterém je charakteristika nejrovnější :).
Nejen že musíme splnit podmínky okna mezi mikrofonem a reproduktorem, ale i za mikrofonní sondou a reprosoustavou. Za micem z důvodu odrazů od stojánku, doporučuji postupovat podle Troelse - mikrofon umístit na nějakou nejčastěji metrovou trubku. Za reprosoustavou z toho důvodu, že se tato na nízkých kmitočtech chová všesměrově, což se správně kompenzuje výhybkou (pokud samozřejmě reprosoustava není určena k přidělání na zeď).

Pokud máme všechno správně propojeno a nastaveno, můžeme pustit měření zelenou šipečkou. Odšumí se nastavený počet cyklů a otevře se graf impulsní charakteristiky. Co to je? Matematicky dost složitou metodou za nás program vypočítal z naměřených dat odezvu na jednotkový skok (impulsku). Pokud by se matematiky nepoužilo, tak by reproduktor skutečně musel střílet, takle prošumění signálem MLS je mnohem šetrnější k vybavení i k sousedům. Jednotkový skok je jinak obdélník prakticky s šířkou menší nežli je desetina výšky.
Impulsní charakteristika obsahuje všechny informace o lineárním systému, měřit by se tedy mělo za lineárního stavu, bez zesilovače v limitaci, bez cívky mlátící o pólový nástavec, s malým procentem nelineárního zkreslení. Zobrazuje závislost tlaku na čase, takže zobrazuje tlakovou odezvu na teoretický jednotkový skok závislou v čase. Tlakovou odezvou se rozumí víceméně výchylka membrány v čase pod oknem a dále v čase se přidávají odrazy od místnosti. Odrazy jdou nejlépe vidět v běžné místnosti, prvotní největší impuls je "zkopírován" celkem přesně za čas okna a amplitudově o něco zmenšen rozptylem.
Pokud jste si trochu vyhráli s pomocníkem pro počítání okna, tak víte, že čím větší vzdálenost mikrofonu od překážek, tím delší okno. Samozřejmě pokud nám vyšlo okno dlouhé 5ms, není možné v rámci tohoto času měřit frekvence, které mají peridu delší než okno - zde pod 200Hz. Vzhledem k omezenému počtu period frekvencí přibližujících se limitu okna, není jejich přesnost nijak zvlášť velká. V normálních uzavřených prostorech byste si tak neškrtli s měřením basů a třípásmo by se odlaďovalo velmi složitě. Existuje dobrý pomocník - adaptivní okno, které po aplikaci jednoduše promaže impulsku tak, aby v ní zbylo jenom to co je potřeba.
Výsledek je takový, že si nastavíte okno tak, aby ste dostali frekvence, jaké potřebujete - třeba 50ms, necháte spočítat Rychlou Fourierovu Transformaci (FFT) a ta vyplivne na vysokých frekvencích identický výsledek jako s 5ms oknem, na středních frekvencích o nějakou desetinku nepřesnější a na basech bude již patrné zvlnění místností. Důležité je to slovo zvlnění, protože, pokud si spočítáte vlastní módy místnosti, tak si uděláte docela dobrý obrázek o tom, které hrby a díry na basech jsou od místnosti a které od reprosoustavy. Dá se proložit křivka. Může se stát, že výsledek je dole zvněný příliš a není z něj moc poznat, tak zkusíte okno ubrat a charakteristiku vyhladit za cenu okradení se o nízké frekvence. Ono se od 20Hz věšinou měřit nepotřebuje.
Hodně jsem přeskočil, ale aspoň budete vědět, co teď uděláte. Na impulsce nechte levný terčík na nule a pravý nastavte na dobu od začátku impulsu (první nešumové odskočení od přímky) dlouhou jako okno. Dost možná před impulsem nemáte žádný interval ticha, takže nastavení okna od začátku postačí a to máte již přednastaveno. Přesněji se druhý terčík okna nastavuje před začátek druhého, menšího viditelného impulsu (první odraz o kterém jsem už mluvil). Pokud se měří jednotlivé měniče reprosoustavy, tak všechny se stejně zadaným oknem (offset - vzdálenost levého terčíku od začátku a délka okna), přičemž vypočítané okno pro jednotlivé měniče se vezme to nejkratší.
Z impulsky a vybraného okna se dají nechat vypočítat dvě věci - frekvenční charakteristika (tlačítko FFT) nebo časové rozložení signálu (což něco skutečně vypoví pouze pro bezodrazové okno). Frekvenční charakteristiku dostanete podle výběru okna, prakticky buď bez basů nebo s vlivem odrazů.

Spodní konec pod frekvencí okna nemá žádný význam. Fáze minimální je vypočtená matematickou transformací z frekvenční charakteristiky, takže hlavně na okrajích pásma trpí chybou z důvodu omezeného rozsahu měření. Měřená fáze je navíc s přičtenou dobou od nuly do začátku impulsu. Tzn. měřená fáze se láme směrem k vyšším frekvencím z důvodu jejich kratších vlnových délek - za dobu letu od reprosoustavy k mikrofonu vyšší frekvence prodělaly více period. Měřená fáze funguje správně pouze s dvojkanálovým měřením. Na jednokanálu sice také dostanete měřenou fázi, s každým měřením ale trochu jinou, protože počátek okna se hýbe. Tuto vadu se mi nepodařilo odstranit, i když jsem se snažil dost dlouho. Proč vlastně měřit fázi? Pokud měřím reprosoustavu za účelem návrhu výhybky, potřebuji znát vzájemné fázové poměry s dobrou relativní přesností (fáze může být zatížena konstantní chybou - konstantní zpožděním třeba někde na elektrické straně), abych mohl naměřená data nasypat do simulačních programů pro výhybky a nezabývat se už pozicí jednotlivých měničů.
Doporučuji archivovat kromě frekvenček i impulsky v původním neořezaném stavu. Mnohokrát se mi potvrdilo, že je to potřeba.

Stojánek na fotografiích je vyrobený speciálně pro checkofon standartní verze - dodávaný protikus je zalepen do 10/1mm hliníkové trubky (v hornbachu prodávají takové hezké eloxované, konec pro konektor je potřeba o pár desetin zvětšit osmičkou vrtákem). Děsítka trubka je vsazená do měděného kolena pro topenáře a koleno drží z druhé strany na podobné trubce 12/1. Do dvanáctky je vsazena 10mm závitová tyč (vyzkoušejte si na místě že tam přesně padne). Zbývají ještě dvě matky a nějaká podstava (do kusu dřeva jsem vyříznul závit). Na konci desítky trubky si udělejte do trubky podélný zářez, abyste dostali ven kabel a zároveň trubka byla nasazena na koleni. Všehovšudy do 150Kč.