2.2. Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики и связанные с ними параметры

Форма амплитудно-частотной характеристики (АХЧ) звукового давления на протяжении всего многолетнего периода производства громкоговорителей является главным критерием их качества. Методика измерений АЧХ ГГ и содержащих их устройств практически совпадает, поэтому она детально разработана и введена почти во все отечественные и международные стандарты [3, 9]. Остановимся очень кратко на ее основных положениях. Обычно АЧХ измеряется в звукомерных заглушённых камерах, реализующих с определенной погрешностью условия свободного поля. Измерения громкоговорителя могут проводиться без акустического оформления, в стандартном экране, измерительном ящике или в том акустическом оформлении, в котором он будет работать (тип оформления должен указываться в технической документации).

Структурная схема измерений показана на рис. 2.1, а. Громкоговоритель в соответствующем оформлении 4 размещается в звукомерной камере 5, измерительный микрофон 6 устанавливается на рабочей оси ГГ на расстоянии 0,5 м для ГГ с диаметром меньше 0,25 м и 1 или 2 м для больших размеров. Сигнал от генератора, входящего в автоматическую установку записи 1 (в практике измерений ГГ широко используются отечественные установки УЗЧХ - 1, а также комплекты приборов фирм В&К (Дания), RFT (ГДР), через усилитель мощности 2 подается на ГГ. Контроль подаваемого напряжения осуществляется вольтметром 3. Создаваемое ГГ звуковое давление измеряется микрофоном и через микрофонный усилитель 7 подается на установку записи, содержащую логарифмический усилитель самописец, с помощью которого АЧХ записывается на бланке (рис. 2.1, б).

Рис. 2.1. Структурная схема измерений АЧХ (а) и АЧХ низко- (I), средне- (II), высокочастотного (III) громкоговорителя (б)

Обычно АЧХ представляется в виде графической зависимости уровня звукового давления (под уровнем звукового давления понимается отношение измеренного значения модуля звукового давления к величине 2 · 10^-5 Па, выраженное в децибелах) от частоты в логарифмическом масштабе. В качестве испытательного используется чаще всего синусоидальный сигнал, а также узкополосный шумовой (1/3 октавные или октавные полосы розового шума). Запись АЧХ выполняется в режиме постоянства входного напряжения. В стандартах [3, 9] допускается производить измерения АЧХ в условиях свободного полупространства, которые реализуются при наличии большой отражающей поверхности, в том случае, если это обусловлено спецификой применения ГГ. По записанной АЧХ определяется целый ряд параметров, нормируемых в технической документации на ГГ:

среднее звуковое давление рассчитывается по измеренной на синусоидальном или шумовом сигнале амплитудно-частотной характеристике по формуле

где p_i - звуковое давление на i-й частоте (полосе); n - число частот (полос), входящих в заданный диапазон, выбранных с интервалом 1/3 октавы.

Следует отметить, что методика измерения среднего звукового давления имеет для ГГ важное значение, так как по этому параметру производится сплошной контроль ГГ при серийном производстве. С учетом больших масштабов выпуска (на некоторых предприятиях проверке подвергается несколько тысяч ГГ в смену) разработка методов, обеспечивающих высокую точность и быстроту измерений р_ср, имеет большое практическое значение. За последние годы была отработана методика измерений р_ср на специальном дискретном сигнале с неравномерным по уровню и частоте спектром. На базе этого метода созданы и внедрены установки цехового контроля параметров ГГ: УЦИГ-3, УИЗД-77, ИЗД-3 [13];

характеристическая чувствительность - это среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в заданном диапазоне частот на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. Часто в технической литературе используется величина уровня характеристической чувствительности S = 20lg(p_cp/2·10^-5), дБ. Для ГГ, используемых в бытовой аппаратуре, в ОСТ4.383.001 установлены следующие минимальные требования на уровень характеристической чувствительности: для ГГ в открытых акустических системах (АС) - 90 дБ, для низкочастотных и широкополосных ГГ в других видах АС - 84(85) дБ, для средне-, высокочастотных ГГ - 87(88) дБ. В студийной акустической аппаратуре обычно применяются ГГ с S = 90...94 дБ, в концертно-театральной S = 94...103 дБ. В некоторых видах ГГ, используемых, например, в кинотеатральной аппаратуре, нормируется среднее стандартное звуковое давление, т. е. среднее звуковое давление, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 0,1 Вт;

эффективный рабочий диапазон частот - диапазон частот, внутри которого частотная характеристика звукового давления не выходит за пределы заданного поля допусков. Для оценки амплитудных искажений в ГГ используется величина неравномерности, которая определяется как разность максимального и минимального значений уровней звукового давления в заданном диапазоне частот [3] или максимального (минимального) и среднего значения уровня [9]. Для ГГ, предназначенных для встроенной и массовой акустической аппаратуры, неравномерность задается в номинальном диапазоне, определяемом как диапазон частот, в котором нормируются электрические и акустические характеристики. В соответствии с ОСТ4.383.001 неравномерность устанавливается не более 14 дБ для широкополосных, низкочастотных и высокочастотных ГГ и 10 дБ - для среднечастотных. Для ГГ, используемых в высококачественной аппаратуре, устанавливаются обычно типовая форма частотной характеристики и допустимые отклонения от нее, которые задаются в технической документации на ГГ. Образец типовой формы АЧХ и реально измеренные характеристики для низко-, средне- высокочастотного громкоговорителей показаны на рис. 2.1, б.

Измерения АЧХ ГГ обычно производятся в заглушённой камере в условиях "дальнего поля", т. е. на расстоянии 0,5; 1 м и более. В современной высококачественной аппаратуре диапазон частот значительно расширился в низкочастотную область, поэтому возросла необходимость в измерении параметров ГГ в этой области частот. Однако погрешности измерений в "дальнем поле" при переходе в область низких частот значительно увеличиваются за счет отражений, что требует строительства больших дорогостоящих заглушённых камер. За последние годы отработаны методики измерения в "ближнем поле", применение которых позволяет измерять АЧХ в области низких частот в незаглушенных помещениях или камерах малого размера. Предложенный в [14] способ основан на измерении звукового давления внутри закрытого ящика. Пересчет полученных результатов для "дальнего поля" осуществляется по формуле

где р_B - звуковое давление внутри корпуса, Па; p_r - звуковое давление на расстоянии r в свободном поле, Па; C_AB - акустическая гибкость, определяемая как C_AB = V_B/ρ₀c, где V_B - внутренний объем воздуха, м³.

Для расширения частотного диапазона в схему измерений, показанную на рис. 2.2, включены добавочные звенья (для компенсации уменьшения гибкости воздуха внутри корпуса с повышением частоты и компенсации потерь). Полученные таким образом результаты обеспечивают хорошее совпадение с АЧХ, измеренной традиционным методом, в диапазоне 20 ... (180...200) Гц. Существует также [3] методика измерений звукового давления при установке микрофона на расстоянии 0,02 м от плоскости излучающего отверстия ГГ, также обеспечивающая удовлетворительное совпадение результатов.

Рис. 2.2. Структурная схема измерений звукового давления внутри корпуса: 1 - генератор 2 - усилитель, 3 - громкоговоритель, 4 - корпус, 5 - микрофон, 6 - микрофонный усилитель, 7, 8, 9 - добавочные звенья для компенсации уменьшения гибкости, активных потерь и ограничения по полосе сигнала

Фазочастотные характеристики (ФЧХ) до последнего времени не измерялись и не нормировались, и поэтому методы их измерений не стандартизованы. Однако практика проектирования акустических систем потребовала, особенно в связи с внедрением машинных методов оптимального синтеза фильтрующе-корректирующих цепей [5], точной информации о фазочастотных характеристиках ГГ. Поэтому была разработана методика измерений ФЧХ, широко используемая при разработках отечественных и зарубежных ГГ [5]. В соответствии со структурной схемой измерений, показанной на рис. 2.3, а, сигнал от генератора 1 подается на усилитель 2 (при этом контроль напряжения осуществляется вольтметром 3) и измеряемый ГГ 4, размещенный в заглушённой камере 5. На вход А фазометра 10 подается сигнал с зажимов ГГ через линию задержки 11, на другой вход Б сигнал поступает с выхода микрофона 6 через микрофонный усилитель 7, измерительный усилитель 8 с сопровождающим фильтром 9. В фазометре имеется выход на самописец 12 и перфоратор 13 для ввода данных ЭВМ. Образец записи ФЧХ для низкочастотного ГГ 100ГД-1 показан на рис. 2.3, б. Нормы на фазочастотные искажения для ГГ еще не разработаны, однако при проектировании акустических систем категории HI-FI в качестве наиболее информативной меры фазовых искажений используются искажения группового времени задержки (ГВЗ): τ_гр(ω) = -dφ(ω)/dω, нормы по порогам слышимости ГВЗ в различных частотных диапазонах приведены в [5].

Рис. 2.3. Структурная схема измерения ФЧХ (а) и ФЧХ низкочастотного громкоговорителя (б)