Как измерить колонку: руководство для начинающих

Коротко: Расчёт говорит, как колонка должна играть. Измерение показывает, как она играет на самом деле. Нужны измерительный микрофон примерно за 100 €, компьютер и бесплатная программа. Важнее всего три измерения: АЧХ каждого динамика в готовом корпусе, импеданс готовой колонки и проверка после подключения кроссовера.

Зачем вообще измерять

Любая программа для проектирования колонок, включая Loudsmith, работает с моделью. Модель опирается на данные производителя динамика и на физические формулы. Реальность отличается от неё по нескольким причинам:

Параметры динамиков гуляют. Два экземпляра одного и того же динамика обычно отличаются на 10–20 % и по резонансу, и по другим параметрам. К тому же данные в каталоге часто измерены не так, как ты будешь использовать динамик.
Корпус не идеален. Демпфирующий материал, распорки, неплотности и объём, который занимают сами динамики, меняют объём и настройку.
Края и форма корпуса меняют звук на высоких и средних частотах так, что точно рассчитать это нельзя.

Пример из практики: датский конструктор Troels Gravesen измерил один и тот же корпус фазоинвертора без демпфирования и с плотным заполнением. Настройка опустилась с 37 Hz до 33 Hz только из-за демпфирующего материала. В его готовых конструкциях, которые обычно демпфированы обильно, реальная настройка в среднем примерно на 10 % ниже, чем даёт голая формула. Для наборов SEAS и конструкций с обычным демпфированием расчёт Loudsmith совпадает с точностью до нескольких процентов. Измерение покажет, где находится твоя колонка.

Хорошая новость: сегодня измерение не стоит дорого и не сложно.

Что понадобится

Что	Для чего	Цена
Измерительный USB-микрофон, например miniDSP UMIK-1 или Dayton UMM-6	АЧХ, с файлом калибровки	около 100 €
Компьютер с программой REW (Room EQ Wizard) или страница измерение колонки на Loudsmith	воспроизводит тестовый сигнал и анализирует его	бесплатно
Усилитель и кабели	подают сигнал на динамик во время измерения	уже есть
Стойка для микрофона	неподвижное положение микрофона	10–20 €
Приспособление для импеданса: резистор 100 Ω и звуковая карта с входом и выходом, или готовое устройство Dayton DATS	импеданс, настройка фазоинвертора, параметры динамика	10–150 €

Микрофона в телефоне для измерения колонки недостаточно. Он неточен, особенно в басу и на высоких частотах. Для грубого сравнения мест в комнате его можно использовать в планировщике комнаты.

Как работает измерение АЧХ

Программа воспроизводит через колонку нарастающий тон от самого глубокого баса до самых высоких частот. Микрофон его записывает, а программа сравнивает, что она отправила и что услышала. В результате получается кривая, которая показывает, насколько громко колонка воспроизводит каждый тон. В идеале это была бы ровная линия.

Проблема в том, что микрофон слышит не только колонку. Он слышит и отражения от пола, потолка, стен и мебели. Они превращают кривую в гребёнку пиков и провалов, которые к колонке не имеют никакого отношения.

Решение — простой приём: временное окно. Прямой звук от колонки приходит к микрофону первым. Отражение от пола приходит на несколько миллисекунд позже, потому что проходит более длинный путь. Программа берёт только начало записи, до прихода первого отражения, а остальное отбрасывает. Так получается измерение как в большой безэховой камере.

У этого есть цена. Чем короче окно, тем хуже оно передаёт низкие частоты. Грубо говоря, самая низкая частота, которую окно надёжно захватывает, равна 1, делённой на длину окна. Окно 5 ms достоверно примерно от 200 Hz и выше. Поэтому бас измеряют по-другому, вблизи.

Шаг 1: измерение на расстоянии (средние и высокие частоты)

Поставь колонку в середину комнаты, как можно дальше от стен. Лучше всего на стойку или стул, чтобы ВЧ-динамик был на высоте около 1 m или выше.
Поставь микрофон на расстоянии от 50 cm до 1 m, на высоте ВЧ-динамика или между динамиками. При измерении отдельного динамика — на его оси.
Установи громкость так, чтобы тест звучал отчётливо, но не неприятно. На расстоянии одного метра это примерно 80–85 dB.
Измерь каждый динамик отдельно и ничего не двигай между измерениями. Ни микрофон, ни колонка не должны сдвинуться, иначе нарушится временное соотношение между динамиками, которое нужно кроссоверу.
Если проектируешь кроссовер всерьёз, измерь и вне оси: 15°, 30°, 45° и 60° в сторону. Это покажет, как колонка излучает в комнату, а не только прямо на тебя.

Страница измерение колонки по заданному расстоянию и высоте сама рассчитает, когда придёт отражение от пола и с какой частоты измерение достоверно.

Шаг 2: измерение вблизи (бас)

Если поставить микрофон совсем близко к диффузору, его звук настолько сильный, что отражения от комнаты на его фоне теряются. Так бас измеряют без окна.

Помести микрофон в 1–2 cm от центра диффузора НЧ-динамика так, чтобы он его не касался.
Убавь громкость. Вблизи звук очень сильный, и микрофон может перегрузиться.
У фазоинвертора измерь вблизи и отверстие порта. У пассивного излучателя — его диффузор.
Программа складывает порт и динамик с учётом их площади. Большая площадь излучает больше, поэтому при сложении порт пересчитывается по отношению площадей.

Измерение вблизи точно примерно до частоты, на которой длина волны сопоставима с размером диффузора. Для 17-сантиметрового динамика это несколько сотен герц, и этого достаточно, потому что выше уже действует измерение на расстоянии.

Шаг 3: объединение двух измерений

Бас, измеренный вблизи, и средние и высокие частоты, измеренные на расстоянии, сшивают в одну кривую. Сшивают в области, где оба измерения достоверны, обычно между 200 и 400 Hz. Измерение вблизи не замечает, что на расстоянии передняя панель перестаёт поддерживать бас. Это называют baffle step: спад баса до 6 dB, когда длина волны становится больше передней панели корпуса. Поэтому при сшивке бас, измеренный вблизи, корректируют с учётом ширины передней панели.

В Loudsmith это происходит автоматически. Результат сохраняется в файл FRD — текстовый файл с частотой, уровнем и фазой, который читают VituixCAD, XSim и Loudsmith.

Шаг 4: импеданс и настройка фазоинвертора

Импеданс показывает, какое сопротивление динамик в корпусе оказывает току на разных частотах. На первый взгляд это скучно, но это лучшая проверка того, получился ли корпус таким, как рассчитан.

У закрытого ящика один пик. Его частота — резонанс динамика в корпусе, fc. Если она заметно выше расчётной, корпус меньше или задемпфирован слабее, чем ты думаешь.
У фазоинвертора два пика и провал между ними. Провал — это настройка фазоинвертора, fb. Если она выше, чем ты хотел, удлини порт. Если ниже — укороти. Совет: сначала сделай порт немного длиннее и укорачивай его постепенно, это проще, чем удлинять.
Пассивный излучатель ведёт себя похоже на фазоинвертор. Настройку меняют, добавляя или убирая груз на излучателе.

Импеданс сохраняется в файл ZMA. Для пассивного кроссовера он необходим, потому что компоненты кроссовера реагируют на реальный импеданс динамика, а не на его номинальные 4 или 8 Ω.

Для измерения импеданса достаточно простого приспособления: резистор 100 Ω последовательно с динамиком и звуковая карта, которая измеряет напряжение до резистора и после него. Пошаговая инструкция есть в руководстве REW. Удобнее готовое устройство Dayton DATS, которое одной кнопкой измеряет и импеданс, и параметры динамика.

Шаг 5: параметры динамика

Если хочешь быть уверен ещё до сборки корпуса, измерь параметры Thiele-Small самого динамика. Метод добавочной массы и формулы описаны в статье Где взять данные динамиков. Новый динамик сначала дай поиграть несколько часов басом на средней громкости. Подвес немного разработается, и резонанс снизится, поэтому новый динамик измеряют только после разработки.

Шаг 6: проверка готовой колонки

Когда кроссовер подключён, измерь всю колонку на расстоянии, по оси и под несколькими углами. Сравни кривую с проектом. Если она отличается больше чем на 1–2 dB в широкой полосе, где-то ошибка: неправильно подключена полярность динамика, другой номинал компонента или смещённые динамики.

Полярность проверить просто: на частоте раздела динамики должны складываться. Если там глубокий провал, скорее всего, один динамик подключён в обратной полярности.

Самые частые ошибки

Перегруженный микрофон или звуковая карта. Кривая тогда странно плоская или полна бессмыслицы. Убавь громкость.
Нет файла калибровки микрофона. У каждого измерительного микрофона свой файл по серийному номеру. Без него высокие частоты могут быть смещены на несколько dB.
Микрофон сдвинулся между измерениями динамиков. Тогда кроссовер рассчитывается с неправильным временным соотношением.
Слишком длинное окно. Кривая на высоких и средних частотах зазубрена отражениями. Укороти окно.
Колонка на полу или у стены. Отражение приходит слишком рано, и окно приходится делать очень коротким.
Шум во время измерения. Холодильник, машина за окном или шаги проявляются в басу. Измеряй в тишине.
Сравнение кривых с разным сглаживанием. Сглаживание 1/3 октавы скрывает то, что покажет 1/24 октавы. Сравнивай одинаковое с одинаковым.

Как Loudsmith использует измерения

На шаге «Динамики» ты загружаешь для каждого динамика его FRD и ZMA. Тогда приложение вместо модели считает по реальному измерению.
Кроссовер рассчитывается по измеренным кривым, включая реальное поведение на краях корпуса и реальный импеданс.
При активном разделении приложение создаёт фильтры для DSP точно под твои динамики, например для Hypex FusionAmp.
Настройку фазоинвертора из измерения импеданса можно ввести обратно в проект, и приложение пересчитает длину порта.

Маленький словарик

АЧХ (амплитудно-частотная характеристика): кривая, показывающая, насколько громко колонка воспроизводит отдельные тона.
Временное окно (gating): используется только начало записи, до прихода отражений.
Измерение вблизи (near-field): микрофон вплотную к диффузору, чтобы комната не влияла.
Импеданс: сопротивление, которое колонка оказывает усилителю, на каждой частоте своё.
FRD и ZMA: текстовые файлы с измеренной АЧХ и импедансом.
Baffle step: спад баса до 6 dB, когда передняя панель корпуса перестаёт направлять звук вперёд.
Настройка фазоинвертора (fb): частота, на которой порт играет сильнее всего, а динамик движется меньше всего.
Файл калибровки: поправка на отклонения конкретного экземпляра микрофона.