Публикация от: 1-04-2010, 18:26
  • 0
Закон и теория.


Когда на соревнованиях по максимальному звуковому давлению (SPL) «огнедышащие» (в смысле децибел) автомонстры извергают из себя (вернее – внутрь себя) громовые раскаты, вопрос о том, как его, давление, измерять, не возникает.

Всё строго по правилам, а правила базируются на знании авторами законов акустики. Раз измеряются «басы», частота которых не должна превышать 100 Гц (это – из правил, а стало быть, закон), то длина звуковой волны намного больше линейных размеров салона (это – из теории, а значит, тем более закон). Измеряется среднее значение звукового давления в салоне, причем так, чтобы свести к минимуму влияние прямого излучения низкочастотных головок или тоннелей фазоинверторов. Напомним читателю, что SPL’ный микрофон в своё штатное место устанавливается на стойке или подставке на оговоренных расстояниях от угла лобового стекла по вертикали и горизонтали на расстоянии 2,5 см у лобового стекла и направлен в стекло. Здесь никакая хитрость не позволит расположить низкочастотный излучатель так, чтобы он «дунул» микрофону прямо в физиономию и принес участнику незаслуженную победу. Измерительный прибор и монитор (если он есть) находятся вне салона автомобиля – для всеобщего обозрения. Закон строг (и человеческий, и физический), несмотря на то, что при этом виде измерений положение микрофона всё же не очень критично, а результаты вполне точны. В общем, всё замечательно.

Несколько иная картина получается при определении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на соревнованиях по качеству звучания (RTA SQ). Измерительный микрофон здесь устанавливается совсем иначе.

Предположим, что микрофон для измерения АЧХ остался на том же месте у стекла, которое он занимает на SPL. Согласно действующим правилам (IASCA, USAC и все их производные до высших порядков), измерения должны проводиться на шумовом сигнале, имеющем, как известно, сплошной спектр. В салоне автомобиля устанавливается равномерное звуковое поле, на языке акустиков называемое «диффузным». Воздействие его на микрофон в этом месте у стекла свободно от низкочастотных стоячих волн, обязательно возникающих в салоне. Плюс к этому достаточно удалено от прямого воздействия громкоговорителей. То есть, в целом, если пока не вдаваться в метрологические подробности, измерительный микрофон действительно воспринимает диффузный звук. Всё нормально, вроде бы можно мерить RTA.

Но это было бы верно для салонов древних «Жигулей», в современных же машинах лобовое стекло сильно удалено от водителя, перед ним простирается «пустыня» в виде торпедо необъятных размеров. На басах это ничего не меняет, а при измерении в широкой полосе – меняет. Установщики в поисках качественной звуковой сцены вовсю (и успешно) пользуются особенностями архитектуры таких машин и выдвигают ВЧ и даже СЧ-головки далеко вперед. Что правильно и приносит свои плоды. Но при измерениях близко расположенные полосные излучатели просто «задуют» находящийся рядом измерительный микрофон, к тому же – только одним (правым) каналом. Ни о какой «диффузности» (а значит, и точности измерений) речь уже, разумеется, идти не может. Другими словами, здесь бы мерили неизвестно что.

Ещё более «интересными» в этом плане являются сильно наклонённые лобовые стёкла, на жаргоне установщиков «лежачие». Около мест их примыкания к торпедо всегда возникают многочисленные резонансные зоны в области «верхней середины». В зависимости от громкости прослушивания их интенсивность, центральные резонансные частоты и даже местоположение варьируются настолько сильно, что не поддаются никакому расчёту. Это спонтанное явление, кстати, очень заметно на слух и воспринимается как периодическое изменение глубины звуковой картины. Мало того, при этом размывается локализация звуковых образов и возникает приводящее установщиков в бешенство состояние, когда «...фазировка... тра-та-та... то ли есть, то ли нет». Можно себе представить, что покажет в этом случае измерительный микрофон, находящийся на штатном, SPL’ном месте.

И если теперь всё же коснуться метрологии, которая является наукой давно уже узаконенной и интернациональной, то уровень звука (в данном случае – шума) даже самым «лояльным», ориентировочным методом (наше название этого мирового стандарта – ГОСТ12.1.028-80) измеряется пятью микрофонами в разных точках, отстоящих от источника не менее чем 0,5 метра. При этом микрофоны должны быть направлены на источник, а не отвёрнуты от него, как в SPL. В «приближенных к боевым» условиях соревнований обходятся одним микрофоном, поэтому особой точности измерения RTA ожидать не приходится, да она и не достигается никогда. Вот ответ на вопрос, почему измерительный микрофон для RTA не может оставаться на SPL’ном месте. А размещается он, как все видели на соревнованиях, на месте водителя, на уровне его головы, на самом, казалось бы, логичном и безукоризненном месте. Но так ли оно безукоризненно? Здесь есть свои проблемы. Немного о них.

Как мерить?

Диаграмма направленности стоящего на штатном месте микрофона RTA «круговая», то есть он улавливает звуковые колебания одинаково со всех направлений. И восприятие им звукового поля в салоне по идее должно быть идентично человеческому. По идее. Но на деле это не так.

Находясь ближе к левому боковому стеклу (водительской двери), чем к правому, микрофон фиксирует разность хода звуковых волн, отражённых от этих плоскостей. И при измерениях АЧХ на мониторе спектроанализатора прибора появляются пучности и провалы, которых на самом деле не слышно. По показаниям прибора они есть, а человеческое ухо их не воспринимает. Амплитуда этих «довесков» (на шумовом сигнале меньше, на тональном больше) достигает 3 – 4 дБ. Но самое обидное, что величина эта непостоянна ещё и по частоте и колеблется в зависимости от геометрических размеров салона. Серия экспериментов, проведённых в Акустическом центре МТУСИ, показала, что в самых «маленьких» автомобилях эти частоты обычно лежат в области 1200 – 1800 Гц. В машинах с просторными салонами их спектр снижается в область 800 – 1400 Гц, хотя прямой зависимости здесь нет. «Ну и бог с ним, – скажете вы, читатель. – Что такое эти децибелы?! Ну, один-два лишних перегиба, ну, чуть меньше баллов по RTA...» Не могу с этим согласиться. На самом деле это как раз те несколько баллов, которых иногда не хватает для победы. Это если речь идет о спорте. А если о жизни, то основное назначение RTA-измерений – выявить именно объективные и воспринимаемые на слух огрехи звукового тракта, и здесь важно не только не упустить реально существующие неравномерности, но и не словить «фантомные», вызванные несовершенством методики измерений.

Значит, нужно видоизменять способ измерения. Самый очевидный способ поднять точность измерений, на первый взгляд, прост и правилен. Давайте воспроизведем в натуральную величину человеческую голову. С ушами-микрофонами. Или, в упрощенном варианте, хотя бы поставим два микрофона, разделённых друг от друга звукопоглощающей перегородкой. Тогда всё встанет на свои места, и точность измерений будет достигнута. «А вот и фигушки!» – говорит закон, вернее – практика акустических измерений и психоакустических исследований. Разумеется, такая мысль возникла не вчера, делались опыты, и они уверенно показали: с такой системой точность измерений снижается ещё больше.

В чём же дело? А в том, что левый и правый микрофоны, улавливая звуковое поле с разной амплитудой и временной задержкой, энергетически складывают оба сигнала. То есть обрабатывают полученную информацию самым примитивным образом, по принципу «вали кулем, потом разберем», в то время как наш мозг делает это совсем по-другому, по-умному, пуская в ход сложные алгоритмы психоакустической обработки поступившей от ушей информации.

Как же достигнуть приемлемой точности измерений? Проще всего завесить левое и правое окна чем-нибудь звукопоглощающим или, наоборот, полностью открыть окна – тогда отражения от боковых стёкол исчезнут. Но это нечестно, речь ведь о звуке в автомобиле, а не в чистом поле. Уж не говоря о вопиющем несоблюдении правил, за которое выгонят с соревнований и правильно сделают. Закон строг.

Ну и куда «бедному крестьянину податься»? Выход есть, и достаточно простой: оставить один измерительный микрофон, но сместить его ближе к середине салона, тем самым уменьшив разницу во временных сдвигах отражений от боковых стёкол. Положение микрофона между креслами передних сидений будет более корректным. Но ещё лучше переместить его вверх, к потолку, где влияние отражений будет ещё меньше. Серия экспериментов показала, что наиболее предпочтительным местом для измерительного микрофона является зеркало заднего обзора. Оно имеется у всех автомобилей (если его нет, то, по мнению ГИБДД, и автомобиля нет), и расположено зеркало примерно на одном расстоянии от водителя и переднего пассажира и симметрично относительно задних седоков. Оно смещено вперёд от центра салона, т.е. не попадает ни в основные низкочастотные «стояки», ни в зону прямого воздействия СЧ/ВЧ-излучателей. Измерительный микрофон должен быть развёрнут вниз, в сторону пола, а его капсюль удалён от плоскости потолка не менее чем на 10 см. Измерения АЧХ при таком месте расположения микрофона RTA более точны, лучше коррелированы с субъективным восприятием звучания, что облегчает жизнь и участникам, и судьям, и исследователям.

Что мерить?

Теперь давайте на время уйдём от рассуждений, ГДЕ измерять, к тому, ЧТО измерять. АЧХ – это понятно. Но, на наш взгляд, недостаточно. Когда разрабатывался метод «Fast Sound Quality (FSQ)», вопрос инструментальных измерений в салоне возник очень остро.

Во-первых, потому что одним из основных принципов метода является проведение прослушивания с одинаковым для всех автомобилей уровнем громкости. То есть его нужно измерять в салоне автомобиля, и достаточно точно.

Во-вторых, в FSQ впервые чётко введена обязательная оценка судьями максимальной неискажённой громкости (МНГ). Подчеркну, громкости, а не звукового давления. Эти физические величины, напомню, совпадают лишь при больших числовых значениях. На практике МНГ является наиболее достоверным критерием реального звукового потенциала аудиоустановки. Мощность усилителей и динамиков здесь – величина второстепенная. Можно, например, применить головки с очень высокой чувствительностью, тогда и их мощность, и мощность усилителей могут быть малыми, а громкость – высокой. Это – то самое «громко и чисто», с которого начинается хорошая аудиосистема в машине. А можно так все ловко поставить, что система начнет вносить слышимые искажения намного раньше, чем достигнут предела ее мощностных возможностей – за счет неправильного выбора акустического оформления, частот раздела, несогласованности компонентов по уровню, некачественной установки и т.д. Масса возможностей, и они нередко воплощаются в жизнь во всей красе, что очевидно при тесте на МНГ. А ведь слушаем не ватты, слушаем звук, по нему и надо ориентироваться.

МНГ определяется комбинированным, объективно/субъективным способом. Четверо судей, находящихся в автомобиле, внимательно слушают специальную музыкальную фонограмму с тестового диска FSQ, постепенно увеличивая её громкость. Когда кто-то из судей начинает замечать на слух нелинейные (или иные заметные) искажения, он молча сообщает всем об этом поднятием вверх руки. При не менее чем двух «проголосовавших» судьях увеличение уровня прекращается, а уровень громкости в салоне фиксируется с помощью измерительного микрофона с шумомером.

После этого громкость уменьшают до величины, на которой затем проходит прослушивание всех тестовых фонограмм. Делается это общепринятым, чисто объективным способом. Воспроизводя дорожку с розовым шумом, судьи регулятором уровня головного устройства добиваются установившегося в салоне уровня громкости в 87 дБС (выбор этого уровня – отдельный разговор, лежащий вне рамок данной статьи). Далее, до конца прослушивания тестового диска, уровень громкости не изменяется.

Чем мерить?

Оценка качества звучания автомобиля по методу FSQ проводится одновременно четырьмя судьями, сидящими в салоне. При разработке метода предполагалось, что измерительный микрофон подвешивается к передней части зеркала заднего обзора и соединяется кабелем с находящимся вне салона измерительным прибором. Дисплей последнего должен быть «читабельным», чтобы не возникало никаких сомнений в его показаниях. Однако подобрать такой прибор оказалось делом не таким простым, как кажется. Использование спектроанализаторов PC RTA и Euraudio вполне допустимо, но накладно (нельзя забывать, что на соревнованиях одновременно судятся машины в разных классах и нужно сразу несколько таких приборов). К тому же для двух упомянутых выше измерений слишком это слишком жирно, поскольку многополосные анализаторы в данном случае не нужны, требуется лишь шумомер, оценивающий уровень громкости одновременно во всей полосе звуковых частот. А раз так, то для удобства судей шумомер можно вообще не выносить наружу, а разместить рядом с ними в салоне. А ещё лучше – перед ними, прямо на зеркале заднего обзора.

При этом должны быть соблюдены три условия:

а) предельно малые размеры шумомера – чтобы не мешать судьям и не искажать картину звукового поля;

б) считывание информации должно быть «информационно-прилюдным», т.е. чтобы показания были видны одновременно всем судьям, находящимся в машине;

в) наличие в шумомере встроенных фильтров, позволяющих измерять уровень громкости, высокая точность измерений.

Прибор, отвечающий этим требованиям, известен, собственно, он на отечественном рынке сегодня практически солирует. Это FWE 33-2055, малогабаритный цифровой шумомер, работающий в реальном масштабе времени. Устройство просто вешается на верхнюю часть зеркала заднего обзора шкалой к сидящим в салоне судьям и ориентируется микрофоном вниз. Сейчас он вовсю применяется в качестве штатного шумомера на всех соревнованиях FSQ (а к моменту выхода этого номера журнала их прошло уже 11).

FWE 33-2055 настолько прост и удобен в работе, что на первых соревнованиях судьи окрестили его «Ванькой». Однако по прошествии нескольких месяцев стали уважительно называть его «Иваном Ивановичем». Такое почтение к этой маленькой железячке вызвано его неожиданно высокой точностью и хорошей оснащённостью. Погрешность измерений, по результатам калибровки в звукомерной камере нашего Центра, составила всего +/-0,5%, что просто удивительно для такого маленького прибора. А начинка – судите сами: чувствительный конденсаторный микрофон; встроенные фильтры «А», «С»; переключаемый режим измерений «Быстро»/«Медленно»; оперативное переключение аттенюатора; выход на внешнее регистрирующее устройство; возможность точной калибровки; автономное питание (батарейка «Крона»). Более чем достаточно.

И не только для судейских дел, но и в обиходе. Продолжая однажды начатую на страницах «АвтоЗвука» тему, мы сейчас готовим совместную статью о том, как с помощью «И.И.» и имеющихся в обиходе тестовых дисков можно самостоятельно и достаточно достоверно измерить АЧХ в салоне, сделать довольно тонкую (для такого простого приборного оснащения) настройку сабвуферной части акустики, провести другие виды диагностики аудиосистемы. К следующему номеру, наверное, успеем.

Журнал "Автозвук" • № 1 / 2002

Теги: Измерения