Проверка на дорожках. Новое «дело» Иван Ивановича

Измерение частотной характеристики автомобильной аудиосистемы почти голыми руками.

Известный анекдот, в котором на вопрос "Любите ли вы помидоры?" персонаж отвечает: "Кушать - да, а так - нет!" вполне определяет отношение большинства "caraudioстроителей" к технике для акустических измерений. Обойтись без нее даже опытному установщику трудно. Однако иметь в своем арсенале прибор условно-четырехзначной стоимости довольно накладно.

ПОЧЁМ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ НАРОДА
Как «простому смертному» аудиолюбителю, не обременённому пока лишними деньгами, можно провести достаточно точные для практических целей измерения АЧХ при минимальных затратах?
«При минимальных» и «для практических», поэтому не будем даже вскользь касаться прецизионных спектроанализаторов фирм Hewllet Packard, Bruel & Kjaer или Larson-Davis. Цена у них неприличная, а высочайшая точность в бытовых условиях послужит лишь источником ошибок и недоразумений. Попробуйте измерить напряжение в сети прецизионным вольтметром. Если не надорветесь, пока дотащите его до розетки, увидите непрерывно мелькающие цифры, до восьми знаков после запятой. А вам всего- то и надо: 220 или 127. На практике для работ по инструментальному контролю (не судите меня за эти ругательные для автомобилиста слова, это гаишники первыми начали) АЧХ достаточно иметь спектроанализатор средней точности. С погрешностью измерений в пределах двух-трёх децибел. Именно такую точность обеспечивают наиболее распространённые на нашем рынке Euraudio, PC RTA и LMS. Стоимость их тоже не назовёшь маленькой. Она колеблется вокруг одного килобакса, большая часть которого приходится на уплату за удобство пользования и возможность оценки АЧХ в реальном масштабе времени. То есть деньги – именно за время.
Существуют более доступные приборы – шумомеры, позволяющие измерять громкость и звуковое давление в октавных полосах частот с той же погрешностью, но с меньшей оперативностью – показания не выводятся панорамно на дисплей в виде графиков, а последовательно считываются для каждой полосы. Их стоимость находится в прямой зависимости от технического оснащения, но в любом случае заметно ниже, чем у RTA-анализаторов. Шумомер, снабжённый конденсаторным измерительным микрофоном, блоком полосовых и взвешивающих фильтров и хорошо читаемым дисплеем, стоит обычно несколько сотен условных. Так, наш отечественный шумомер ВШВ-003 М2 такой конфигурации можно купить за 400 – 500 долларов. Это – шумомер 1-го класса точности, с погрешностью измерений в области частот до 1 кГц в пределах +/-1,0 дБ и частотным диапазоном от 20 до 12500 Гц. Есть целый ассортимент ещё более дешёвых шумомеров, в которых вместо точного конденсаторного установлен динамический микрофон, нет встроенных полосовых фильтров, а погрешность измерений уже весьма существенна. Наиболее распространённые, простейшие измерители уровня звукового давления (не буду называть их модели, дабы не портить жизнь производителям), в полосе до 1 кГц «грешат» в пределах +/-4 дБ, а до 8 кГц – +/-5 дБ! Грубо говоря, таким прибором только обнаруживается, есть слышимый звуковой сигнал или его нет. Что мы можем легко сделать и своими ушами без лишних затрат. Именно лишних и именно затрат, потому что стоимость таких «измерительных устройств» всё же колеблется вокруг ста-двухсот долларов. К тому же, замечу, отсутствие встроенных полосовых фильтров делает такие приборы одноканальными, и ни о каком спектральном анализе АЧХ не может быть и речи.
Так что же получается? Попали? Без серьёзного потрошения собственного кармана оценить АЧХ нельзя? Оказывается, можно. И довольно просто.

КАК ЭТО ДЕЛАЕТСЯ

Если из розового шума, имеющего, как известно, сплошной спектр, заранее вырезать узкие шумовые полоски и последовательно их воспроизводить, то регистрирующий прибор, в нашем случае шумомер, может и не иметь встроенных фильтров. Фильтр используется «на передающей стороне», при выделении полосы из шумового спектра. Если ширину полосы выбрать в треть октавы, анализ АЧХ всего звукового диапазона получается вполне достоверным и, главное, сопоставимым с тем, что получается при использовании «взрослых» RTA-анализаторов. Два главных условия: чтобы шумомер был достаточно точным и нелинейность его АЧХ не вносила погрешности в измерения и чтобы шумовой сигнал был «расфильтрован» на полоски качественно, то есть – с постоянной амплитудой (это несложно) и фильтром с высокой крутизной характеристики (а это сложно, даже очень).
Естественный вопрос: зачем нам именно шум? Нельзя ли пользоваться банальным звуковиком и воспроизводить синусоидальный сигнал?
Тональный синусоидальный сигнал, безусловно, использовать можно. Но только на самых низших частотах, когда длина звуковой волны намного больше линейных размеров помещения, где проходят измерения, в нашем случае – салоне автомобиля. Это – компрессионная зона, поле звукового давления внутри салона однородно и предсказуемо. На более высоких частотах начинается интерференция и для получения приемлемой точности измерений их нужно (было бы) проводить для одной и той же частоты несколько раз, помещая измерительный микрофон шумомера в разные точки, и полученные результаты усреднять. При этом доверительная точность результатов получается при не менее чем десяти точках измерений. Для каждой частоты, естественно. Учитывая ширину звукового диапазона, можно достаточно точно предсказать, когда отчаявшаяся увидеть вас дома жена начнёт принимать энергичные меры. Этой темы (не жены, а измерений) мы частично касались в статье, опубликованной в первом номере журнала за этот год. Так что все-таки шум. На таком сигнале интерференция будет проявляться существенно слабее, в результате выиграют и достоверность измерений, и покой в семье.
Тогда другой вопрос: где найти такой «порезанный» на полосы шум? Здесь все просто, во всяком случае, выбора практически нет. Единственным относительно широко распространенным источником такого сигнала является диск IASCA «Setup & Test». Дорожка №96 содержит третьоктавные полосы розового шума с центральными частотами от 25 Гц до 20000 Гц, отфильтрованные по высшему разряду фильтром с крутизной характеристики 48 дБ/окт. Такое в домашних условиях будет сделать непросто...

Теперь о приборе. Конкретно – о малогабаритном цифровом шумомере FWE 33-2055, «Иван Ивановиче», расположение к которому возникло у судей на автосоревнованиях FSQ. Там этот шумомер используется для регистрации уровня громкости сразу во всём рабочем диапазоне частот. Высокая для такого прибора точность измерений, свойственная шумомерам 1 – 2-го класса в сочетании с ценой, по которой не купишь и шумомер 3-го класса, подвигла нас на желание попробовать «Иван Ивановича» в новом «деле». А именно – использовать его в качестве регистрирующего прибора для оценки АЧХ в салоне автомобиля. Другими словами, в качестве прикладного малогабаритного спектроанализатора
Прибор не подвёл. Серия измерений, в которых результаты FWE 33-2055 проверялись спектроанализаторами Euraudio, PC RTA и прецизионным шумомером 2203 фирмы Bruel & Kjaer, показала хорошую сопоставимость результатов. А это значит, что, имея «Иван Ивановича» и тестовый диск IASCA «Setup & Test», можно достаточно просто настраивать звуковой тракт автомобиля или готовить его к автосоревнованиям. Без особо крупных денежных вливаний.

И ВСЁ?

Нет, не все. Здесь есть некоторые нюансы. Да простит нас читатель, но напомним ему ещё раз, что измерения звукового давления и громкости осуществляются по-разному.
Звуковое давление является величиной объективной и измеряется по линейному закону во всём диапазоне уровней, от самого низкого до самого высокого. В шумомере или спектроанализаторе при этом включается линейная шкала, обозначаемая обычно «Lin». Громкость же – величина субъективная, изменяющаяся по логарифмическому закону. Слуховое ощущение имеет нелинейную частотную зависимость от звукового давления. Причём, чем меньше звуковое давление, тем больше его разница с громкостью. Выяснилось это ещё в позапрошлом веке. Теоретики акустики вывели экспериментальные кривые, называемые «кривыми равной громкости уха». Они представляют собой графики одинакового субъективного ощущения громкости для разных звуковых давлений. Чтобы численно сопоставить результаты измерений звукового давления и громкости, современные измерительные приборы имеют фильтры, обратные кривым равной громкости. Фильтр «А» соответствует одинаковой громкости при очень малых звуковых давлениях, «В» – при средних и «С» – при больших. Звуковое давление свыше 95 – 100 дБ практически совпадает с громкостью и измеряется без фильтров по упоминавшейся уже шкале «Lin». График кривой «С» с полем допусков для шумомеров 1-го класса точности приведён на рис. 2.

Здесь и кроется первый нюанс, ради которого мы затеяли напоминание читателю об акустических истинах. Шумомеры доступной ценовой группы, к которым относится FWE 33-2055, имеют, как правило, только шкалы «А» и/или «С». Для использования этих приборов по прямому назначению, то есть для оценки уровня шума, этого достаточно. Однако мы-то собрались пристроить «Иван Ивановича» к новому для него делу, он у нас вроде как осваивает смежную профессию спектроанализатора. Идеально для этой специальности нужна линейная шкала «Lin», а ее у FWE 33-2055 нет. Поэтому АЧХ, измеренная «в лоб», будет скорректирована одним из его встроенных фильтров и окажется недостоверной.
Как быть? Очень просто. Да очень просто. Раз уж мы с самого начала решили найти способ сэкономить денег за счет несколько больших затрат времени на измерения, лишние пять минут уже не катастрофа. Вернитесь чуть назад по тексту и оцените дипломатичную формулировку одного из условий достоверных измерений с помощью фильтрованного шума: «чтобы нелинейность АЧХ прибора не вносила погрешности в измерения». А для этого нелинейность должна либо отсутствовать (увы, с И.И. не получается), либо быть известной, и тогда ее можно учесть простой арифметикой. Из показаний прибора надо будет вычесть или прибавить значения, обратные коррекции, вносимой фильтром.
Значения эти мы для вас приготовили, сняв в гулкой камере Акустического центра МТУСИ АЧХ шумомера FWE 33-2055 при включённом фильтре «С» и уровне звукового давления 88 дБ на нескольких образцах прибора. Характеристики, кстати, оказались очень стабильными от образца к образцу. Полученные значения приведены читателю в виде таблицы. Это не что иное, как поправки, которые нужно внести в показания прибора, чтобы получить линейную шкалу измерений.
Технология измерений получается пусть не совсем космическая, но несложная. Записав (примитивно, на бумажке) показания прибора на всех тридцати полосах фильтрованного шума (это занимает примерно 6 минут – столько длится 96-я дорожка), надо потом к записанному прибавить поправки из таблицы, если они там с плюсом, и вычесть, когда с минусом. Еще пять минут, как и обещали.
Если построить по значениям поправок график, он будет зримо отличаться от приведённого в ГОСТе (см. рис. 2). Но это уже специфика встроенного фильтра и микрофона шумомера, которые за эти деньги просто не имеют права быть идеальными.
Нюанс второй. Для большей точности измерений шумомер должен быть расположен на зеркале заднего обзора, как это делается при судействе по методу FSQ, а скорость отображения информации – минимальной («Slow» левой кнопкой прибора). Уровень звукового давления для измерений целесообразно выставить по сигналу розового шума в пределах значений 85 – 90 дБ и не забыть включить на приборе фильтр «С».
Нюанс третий. Погрешность измерений шумомера FWE 33-2055 в основной рабочей полосе достаточно мала и не превышает +/-1,5 дБ. На самых низких и верхних звуковых частотах точность измерений несколько понижается, хотя и не превышает +/-3 – 5 дБ. Это нужно учитывать, чтобы не начать в панике крутить все подряд в настраиваемом автомобиле. В басовом диапазоне, чтобы уточнить результаты измерений, можно использовать тестовый диск «Car Audio FSQ». На дорожке 7 этого диска записаны калиброванные по уровню тональные низкочастотные сигналы от 20 до 150 Гц с шагом намного меньше трети октавы. И хотя дорожка предназначается совсем для другого, субъективного метода измерений, и на ней записаны не полоски шума, а локальные звуковые частоты, её можно попробовать и для объективных исследований. Большая часть перекрываемого этой дорожкой диапазона частот приходится как раз на компрессионную зону, где применение синусоидального сигнала допустимо, только не увлекайтесь и не забирайтесь выше 70 – 80 Гц.
Нюанс четвертый. Рано или поздно вы обнаружите, что на IASCA «Setup & Test» фильтрованный шум записан и на дорожках с 6 по 29. Не вздумайте использовать их для измерения. Там розовый шум поделен не на полосы равной ширины, а на так называемые барки: полосы переменной ширины, выбранной так, чтобы громкость субъективно не менялась от полосы к полосе. К тому же барки на дорожках 6 – 29 перекрывают более узкий диапазон, от 50 Гц до 13500 Гц. Вам нужна дорожка 96, там, где есть сопровождающий дикторский текст.


ИТОГО

Трудоёмкость предложенного метода измерения АЧХ существенно больше, чем у «взрослого» спектроанализатора. Для получения результатов, которые с Euraudio снимаются за минуту, придется потратить минимум 15 – 20 (если с построением графика «врукопашную»). Это минус, никуда не денешься. Для профессионального установщика – минус большой, решающий. Для него это, однако, и не предназначается. Профессионалам – профессиональный инструмент. А для любителя, отстраивающего свою, любимую и единственную, минус не такой уж и серьезный. Неужели жалко двадцати минут на любимую и единственную? Погрешность измерений вполне сопоставима с Euraudio и PC RTA. Это плюс. А совокупная цена такого прикладного спектроанализатора (шумомер + диск) ниже на порядок. На порядок в строгом математическом смысле, то есть – вдесятеро. Это ещё один плюс, и самый весомый.

Дмитрий СВОБОДА, руководитель Акустического центра МТУСИ

Источник: журнал Автозвук, 03/2002.