Jak zmierzyć kolumnę głośnikową: poradnik dla początkujących

W skrócie: Obliczenia mówią ci, jak kolumna powinna grać. Pomiar mówi ci, jak gra naprawdę. Wystarczy mikrofon pomiarowy za około 100 €, komputer i darmowy program. Najważniejsze są trzy pomiary: charakterystyka częstotliwościowa każdego głośnika w gotowej obudowie, impedancja gotowej kolumny i kontrola po podłączeniu zwrotnicy.

Po co w ogóle mierzyć

Każdy program do projektowania kolumn, w tym Loudsmith, pracuje na modelu. Model opiera się na danych producenta głośnika i na wzorach fizycznych. Rzeczywistość różni się od niego z kilku powodów:

Parametry głośników mają rozrzut. Dwa egzemplarze tego samego głośnika często różnią się o 10 do 20 % rezonansem i innymi parametrami. Dane katalogowe bywają poza tym mierzone inaczej, niż ty ich użyjesz.
Obudowa nie jest idealna. Materiał tłumiący, wzmocnienia, nieszczelności i miejsce zajęte przez głośniki zmieniają objętość i strojenie.
Krawędzie i kształt obudowy zmieniają dźwięk w zakresie wysokich i średnich tonów w sposób, którego nie da się dokładnie obliczyć.

Przykład z praktyki: duński konstruktor Troels Gravesen zmierzył tę samą obudowę bas-refleks bez wytłumienia i z gęstym wypełnieniem. Strojenie spadło z 37 Hz do 33 Hz tylko z powodu materiału tłumiącego. W jego gotowych konstrukcjach, które zwykle są mocno wytłumione, rzeczywiste strojenie wychodzi średnio o około 10 % niżej, niż wynika z samego wzoru. Przy zestawach SEAS i konstrukcjach z typowym wytłumieniem obliczenia Loudsmith zgadzają się z dokładnością do kilku procent. Pomiar powie ci, gdzie jest twoja kolumna.

Dobra wiadomość: pomiar nie jest dziś ani drogi, ani skomplikowany.

Czego potrzebujesz

Rzecz	Do czego	Cena
Mikrofon pomiarowy USB, na przykład miniDSP UMIK-1 albo Dayton UMM-6	charakterystyka częstotliwościowa, z plikiem kalibracyjnym	około 100 €
Komputer z programem REW (Room EQ Wizard) albo strona pomiar kolumny w Loudsmith	odtwarza sygnał testowy i go analizuje	za darmo
Wzmacniacz i kable	zasilanie głośnika podczas pomiaru	już masz
Statyw do mikrofonu	stała pozycja mikrofonu	10 do 20 €
Przystawka do pomiaru impedancji: rezystor 100 Ω i karta dźwiękowa z wejściem i wyjściem albo gotowe urządzenie Dayton DATS	impedancja, strojenie tunelu, parametry głośnika	10 do 150 €

Mikrofon w telefonie do pomiaru kolumny nie wystarczy. Jest niedokładny zwłaszcza w basie i w zakresie wysokich tonów. Do zgrubnego porównania miejsc w pokoju możesz go użyć w planerze pokoju.

Jak działa pomiar charakterystyki częstotliwościowej

Program odtwarza przez kolumnę narastający ton, od najniższego basu po najwyższe soprany. Mikrofon go nagrywa, a program porównuje to, co wysłał, z tym, co usłyszał. Wynikiem jest krzywa, która pokazuje, jak głośno kolumna gra każdy ton. Idealna byłaby prosta linia.

Problem polega na tym, że mikrofon nie słyszy tylko kolumny. Słyszy też odbicia od podłogi, sufitu, ścian i mebli. Zamieniają one krzywą w grzebień szczytów i dołków, które nie mają nic wspólnego z kolumną.

Rozwiązaniem jest prosta sztuczka: okno czasowe. Dźwięk bezpośredni z kolumny dociera do mikrofonu jako pierwszy. Odbicie od podłogi przychodzi kilka milisekund później, bo pokonuje dłuższą drogę. Program wykorzystuje tylko początek nagrania, sprzed nadejścia pierwszego odbicia, a resztę odrzuca. Dostajesz w ten sposób pomiar jak w dużej komorze bezechowej.

Ma to jedną cenę. Im krótsze okno, tym gorzej oddaje niskie tony. W przybliżeniu najniższa częstotliwość, którą okno wiarygodnie obejmuje, to 1 podzielone przez długość okna. Okno 5 ms jest więc ważne od około 200 Hz w górę. Dlatego bas mierzy się inaczej, z bliska.

Krok 1: pomiar z odległości (średnie i wysokie tony)

Postaw kolumnę na środku pokoju, jak najdalej od ścian. Najlepiej na standzie lub krześle, tak aby głośnik wysokotonowy był na wysokości około 1 m lub wyżej.
Ustaw mikrofon w odległości od 50 cm do 1 m, na wysokości głośnika wysokotonowego albo między głośnikami. Przy pomiarze pojedynczego głośnika ustaw go na jego osi.
Ustaw głośność tak, aby sygnał testowy był wyraźny, ale nie nieprzyjemny. W odległości 1 m to mniej więcej 80 do 85 dB.
Zmierz każdy głośnik osobno i w międzyczasie niczego nie przesuwaj. Ani mikrofon, ani kolumna nie mogą się poruszyć, inaczej nie zgodzą się zależności czasowe między głośnikami, których potrzebuje zwrotnica.
Jeśli projektujesz zwrotnicę starannie, zmierz też poza osią: 15°, 30°, 45° i 60° w bok. Pokaże to, jak kolumna gra w pokój, a nie tylko prosto na ciebie.

Strona pomiar kolumny na podstawie podanej odległości i wysokości sama obliczy, kiedy przyjdzie odbicie od podłogi i od jakiej częstotliwości pomiar jest ważny.

Krok 2: pomiar z bliska (bas)

Gdy ustawisz mikrofon tuż przy membranie, jej dźwięk jest tak silny, że odbicia od pokoju giną na jego tle. W ten sposób mierzy się bas bez okna.

Ustaw mikrofon 1 do 2 cm od środka membrany głośnika niskotonowego tak, aby jej nie dotykał.
Ścisz. Z bliska dźwięk jest bardzo głośny i mikrofon mógłby się przesterować.
W bas-refleksie zmierz z bliska także wylot tunelu. Przy membranie biernej zmierz jej membranę.
Program sumuje tunel i głośnik według ich powierzchni. Większa powierzchnia promieniuje więcej, dlatego przy sumowaniu tunel przelicza się w stosunku powierzchni.

Pomiar z bliska jest dokładny mniej więcej do częstotliwości, przy której długość fali jest zbliżona do rozmiaru membrany. Przy głośniku 17 cm to kilkaset herców, co wystarcza, bo wyżej obowiązuje już pomiar z odległości.

Krok 3: połączenie obu pomiarów

Bas z bliska oraz średnie i wysokie tony z odległości łączy się w jedną krzywą. Łączy się je w zakresie, w którym oba pomiary są ważne, zwykle między 200 a 400 Hz. Pomiar z bliska nie uwzględnia tego, że przednia ścianka przestaje podpierać bas. Nazywa się to baffle step, czyli spadek basu nawet o 6 dB, gdy długość fali jest większa niż przednia ścianka kolumny. Dlatego przy łączeniu bas z bliska koryguje się według szerokości przedniej ścianki.

W Loudsmith dzieje się to automatycznie. Wynik zapiszesz jako plik FRD, czyli plik tekstowy z częstotliwością, poziomem i fazą, który odczytają VituixCAD, XSim i Loudsmith.

Krok 4: impedancja i strojenie tunelu

Impedancja pokazuje, jaki opór głośnik w obudowie stawia prądowi przy różnych częstotliwościach. Na pierwszy rzut oka wygląda nudno, ale to najlepszy sprawdzian, czy obudowa wyszła zgodnie z obliczeniami.

Obudowa zamknięta ma jeden szczyt. Jego częstotliwość to rezonans głośnika w obudowie, fc. Jeśli jest wyraźnie wyższa, niż pokazują obliczenia, obudowa jest mniejsza lub słabiej wytłumiona, niż myślisz.
Bas-refleks ma dwa szczyty, a między nimi dołek. Dołek to strojenie tunelu, fb. Jeśli jest wyżej, niż chciałeś, wydłuż tunel. Jeśli niżej, skróć go. Rada: zrób tunel najpierw trochę dłuższy i skracaj go stopniowo, to prostsze niż wydłużanie.
Membrana bierna zachowuje się podobnie jak bas-refleks. Strojenie zmienisz, dodając lub odejmując masę na membranie.

Impedancję zapisuje się jako plik ZMA. Przy zwrotnicy pasywnej jest niezbędna, bo elementy zwrotnicy reagują na rzeczywistą impedancję głośnika, a nie na jego znamionowe 4 lub 8 Ω.

Do pomiaru impedancji wystarczy prosta przystawka: rezystor 100 Ω szeregowo z głośnikiem i karta dźwiękowa, która mierzy napięcie przed rezystorem i za nim. Opis krok po kroku znajdziesz w instrukcji REW. Wygodniejsze jest gotowe urządzenie Dayton DATS, które jednym przyciskiem zmierzy impedancję i parametry głośnika.

Krok 5: parametry głośnika

Jeśli chcesz mieć pewność jeszcze przed budową obudowy, zmierz parametry Thiele-Smalla samego głośnika. Metodę dodanej masy i wzory znajdziesz w artykule Skąd brać dane o głośnikach. Nowy głośnik najpierw zostaw na kilka godzin, żeby grał bas ze średnią głośnością. Zawieszenie trochę się rozluźni, a rezonans spadnie, dlatego nowy głośnik mierzy się dopiero po rozegraniu.

Krok 6: kontrola gotowej kolumny

Gdy zwrotnica jest podłączona, zmierz całą kolumnę z odległości, na osi i pod kilkoma kątami. Porównaj krzywą z projektem. Jeśli w szerszym paśmie różni się o więcej niż 1 do 2 dB, gdzieś jest błąd: źle podłączona polaryzacja głośnika, inna wartość elementu albo przesunięte głośniki.

Polaryzację sprawdzisz łatwo: przy częstotliwości podziału głośniki powinny się sumować. Jeśli jest tam głęboki dołek, jeden głośnik jest prawdopodobnie podłączony odwrotnie.

Najczęstsze błędy

Przesterowany mikrofon albo karta dźwiękowa. Krzywa jest wtedy dziwnie płaska albo pełna bzdur. Ścisz.
Brak pliku kalibracyjnego mikrofonu. Każdy mikrofon pomiarowy ma własny plik według numeru seryjnego. Bez niego wysokie tony mogą być przesunięte o kilka dB.
Przesunięty mikrofon między pomiarami głośników. Zwrotnica liczy wtedy ze złymi zależnościami czasowymi.
Zbyt długie okno. Krzywa w zakresie wysokich i średnich tonów jest poszarpana przez odbicia. Skróć okno.
Kolumna na podłodze lub przy ścianie. Odbicie przychodzi za wcześnie i okno musi być bardzo krótkie.
Hałas podczas pomiaru. Lodówka, samochód za oknem albo kroki odbiją się na basie. Mierz w ciszy.
Porównywanie krzywych z różnym wygładzaniem. Wygładzanie 1/3 oktawy ukryje to, co pokaże 1/24 oktawy. Porównuj takie samo z takim samym.

Jak Loudsmith wykorzystuje pomiary

W kroku Przetworniki wczytasz do każdego głośnika jego FRD i ZMA. Aplikacja zamiast modelu użyje wtedy rzeczywistego pomiaru.
Zaprojektuje zwrotnicę na podstawie zmierzonych krzywych, z uwzględnieniem rzeczywistego wpływu krawędzi obudowy i rzeczywistej impedancji.
Przy podziale aktywnym przygotuje filtry dla DSP dokładnie dla twoich głośników, na przykład dla Hypex FusionAmp.
Strojenie tunelu z pomiaru impedancji możesz wpisać z powrotem do projektu, a aplikacja przeliczy długość tunelu.

Mały słowniczek

Charakterystyka częstotliwościowa: krzywa pokazująca, jak głośno kolumna gra poszczególne tony.
Okno czasowe (bramkowanie, gating): używa się tylko początku nagrania, sprzed nadejścia odbić.
Pomiar z bliska (pole bliskie, near-field): mikrofon tuż przy membranie, żeby pokój nie miał wpływu.
Impedancja: opór, jaki kolumna stawia wzmacniaczowi, inny przy każdej częstotliwości.
FRD i ZMA: pliki tekstowe ze zmierzoną charakterystyką częstotliwościową i impedancją.
Baffle step: spadek basu nawet o 6 dB, gdy przednia ścianka kolumny przestaje kierować dźwięk do przodu.
Strojenie tunelu (fb): częstotliwość, przy której tunel gra najmocniej, a membrana porusza się najmniej.
Plik kalibracyjny: korekcja odchyłek konkretnego egzemplarza mikrofonu.