Измерения основных параметров громкоговорителей
Условия проведения измерений характеристик громкоговорителей. Акустические измерения имеют ряд специфических особенностей. Так, измерение некоторых характеристик электроакустической аппаратуры необходимо проводить в условиях свободного поля, т.е. когда отсутствуют отраженные волны.
В обычных помещениях это условие невыполнимо, а проводить измерения на открытом воздухе сложно и не всегда возможно. Во-первых, на открытом воздухе трудно избежать отражений от поверхностей, например, от земли. Во-вторых, проведение измерений в этом случае зависит от атмосферных условий (ветер и т.д.) и может приводить к большим погрешностям, не говоря уже о ряде других неудобств. В-третьих, на открытом воздухе трудно избежать влияния посторонних (промышленных и др.) шумов.
Поэтому для проведения измерений в свободном поле пользуются специальными звукозаглушенными камерами, в которых отраженные волны практически отсутствуют.
Измерение характеристик громкоговорителей в заглушенной камере.
Для измерения параметров громкоговорителей в свободном поле следовало бы вначале измерить звуковое давление в точке, куда будет помещен испытуемый громкоговоритель, а потом уже помещать его в эту точку. Но так как в камере практически отсутствует интерференция, а расстояние измерительного микрофона от громкоговорителя берут равным 1 м (при диаметре излучателя не более 25 см), то громкоговоритель можно располагать поблизости от микрофона.
Для снятия характеристик громкоговорителя с диаметром 0,25 – 0,5 м измерительный микрофон устанавливают на расстоянии 1 м, для громкоговорителей с большими (меньшими) размерами микрофон устанавливают дальше (ближе) 1 м.
В отсутствие заглушенной камеры необходимо обеспечить вокруг микрофона и громкоговорителя свободную от посторонних предметов зону радиусом не менее 1,5 м.
Напряжение на клеммах громкоговорителя обычно не должно превышать 0,1 от номинальной мощности (при Рном более 0,5 Вт).
Диаграммы направленности снимают или для ряда частот, или в основной части диапазона. В последнем случае на громкоговоритель подается шумовое напряжение, через соответствующий полосовой фильтр.
Для громкоговорителей, имеющих разные размеры излучателей (эллипс и др.) в продольной и поперечной осях, снимают две диаграммы направленности – в продольной и поперечной плоскостях.
Методические указания по выполнению работы
Подготовительный этап
Ввиду относительно невысокого уровня звукового давления, развиваемого измеряемыми устройствами (громкоговорителями) на подготовительном этапе необходимо обеспечить наиболее корректные условия проведения измерений, уменьшить влияние внешних шумов и помех в исследуемом объеме (помещении). Необходимо выключить вентиляторы, кондиционеры и другие источники промышленного шума.
Размещение акустического излучателя (АИ)
При размещении измерительной аппаратуры необходимо в максимально возможной степени обеспечить условия свободного распространения звукового поля: в зоне расположения микрофона и акустических излучателей не должно быть ограждающих конструкций помещения и предметов интерьера. Радиус зоны должен составлять не менее 1,5 м.
Акустические излучатели (громкоговорители) размещаются на расстоянии 1 м от измерительного микрофона4, на высоте 1,5 м от уровня пола. Ось апертуры акустических излучателей направляется в сторону измерительного микрофона.
Измерительный микрофон устанавливаются на высоте 1,5 м от уровня пола и на расстоянии 1м от апертуры акустических излучателей, на осевой линии с АИ. Генераторы сигналов, усилитель низкой частоты, измерительный шумомер, измерительная аппаратура и рабочие места операторов располагаются на расстоянии не ближе 1,5 от акустических излучателей, измерительного микрофона.
Тестовый сигнал.
При измерениях в звукозаглушенной (безэховой) или реверберационной камерах в качестве тестового сигнала используется гармонический (тональный) сигнал, перестраиваемый в пределах заданной полосы частот (50 – 10000 Гц).
Необходимо провести не менее пяти измерений на каждой из исследуемых частот. Итоговый результат измерений необходимо находить путем усреднения результатов отдельных измерений.
Уровень напряжения на клеммах громкоговорителя в процессе проведения измерений, на соответствующих частотах (в третьоктавных полосах), должен быть стабилен.
Однако, в обычных помещениях (лаборатории) невозможно обеспечить такие условия, близкие к условиям свободного поля или диффузного поля. По этим причинам возрастают метрологические (систематические) погрешности.
Для устранения влияний эффектов реверберации и стоячих волн наряду с тональными могут использоваться узкополосные (третьоктавные) и широкополосные шумовые сигналы, а также линейный частотно модулированный сигнал (с периодом повторении не менее 1 сек.).
Рекомендации по формированию тестового сигналов для импульсного метода рассмотрены ниже.
Импульсный метод измерения частотной характеристики звукового давления громкоговорителя.
Импульсный метод5 позволяет измерять ЧХ звукового давления в обычном (незаглушенном) помещении. Его основой является связь между импульсной реакцией громкоговорителя и его ЧХ звукового давления. Структурная схема измерений приведена на рис.9.
В методе реализуется дискретное преобразование Фурье от импульсной реакции громкоговорителя после аналого-цифрового преобразования с последующим накоплением и усреднением в памяти ЭВМ.
Исследуемый громкоговоритель с измерительным микрофоном должны располагаться дальше 2 метров от ближайших отражающих поверхностей, для снижения влияния первичных отраженных волн.
Частота дискретизации fд АЦП должна не менее, чем в 2,5 раза превышать верхнюю граничную частоту диапазона, в котором проводят измерения.
Рис. 9. Схема измерения частотной характеристики звукового давления громкоговорителя импульсным методом
1 – генератор импульсов, 2 – усилитель низкой частоты, 3 – осциллограф, 4 – микрофонный усилитель, 5 – фильтр низкой частоты ФНЧ, 6 – АЦП, 7 – процессор, ВА – исследуемый громкоговоритель, ВМ – измерительный микрофон
Длительность импульсов tи устанавливается не более, чем
Частота следования импульсов fи должна обеспечить затухание исходного уровня сигнала на 60 дБ.
;
где Tр – среднее время реверберации для данного помещения в заданной полосе частот.
При Tр в пределах 0,3-0,4 сек. частота следования импульсов не должна превышать 2 Гц.
Результатом измерений является регистрируемая амплитудно-частотная характеристика, полученная делением отсчетов дискретного преобразования Фурье импульсной реакции на соответствующие отсчеты дискретного преобразования Фурье подаваемого на громкоговоритель импульса.
Условия проведения измерений.
Все измерений должны выполняться в соответствии с инструкциями по эксплуатации измерительной аппаратуры и обследуемых технических средств.
Измерительные приборы к исследуемым средствам следует подключать через соответствующие переходники (предусилители) для согласования с нагрузкой.
Фоновые шумы. Замеры уровней фонового шума следует проводить в начале и в конце каждого сеанса измерений в полосах семи октавных фильтров со среднегеометрическими частотами 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 и 10000 Гц.
Для уточнения характеристик фоновых шумов измерения низкочастотной части спектра рекомендуется провести в третьоктавных полосах, начиная с частоты 31,5 Гц.
В случае превышения уровней измеряемых сигналов над фоновым шумов более чем на 20 дБ, значениями фонового шума при последующих расчетах можно пренебречь.
Продолжительность непрерывных измерений уровней звукового давления в соответствии с принятой методикой, составляет не менее 30 сек. Результаты нескольких таких измерений – усредняются и округляются до целых значений, выраженных в дБ.
Состав оборудования.
Перечень рекомендуемого оборудования приведен в приложении 1. Кроме этого, для проведения исследований предлагается выбрать один из следующих громкоговорителей: громкоговоритель в круглом экране; громкоговоритель в прямоугольном экране; групповой излучатель в акустическом ящике; рупорный громкоговоритель и др.
Меры безопасности при проведении измерений.
Запрещается накоротко замыкать выходные контакты генераторов и усилителей низкой частоты, это приводит к выводу из строя оконечных усилительных каскадов.
Запрещается подавать через усилители сигналы с превышением номинальной мощности громкоговорителей (особенно на частотах ниже граничной частоты), это приводит к выводу громкоговорителей из строя.
При работе с динамиками рекомендуется снять наручные механические часы, во избежание их намагничивания.