2.4. Характеристика направленности. Акустическая мощность. КПД

Для всех типов современной высококачественной акустической аппаратуры (акустических систем категории HI-FI, студийных контрольных агрегатов, концертно-театральной аппаратуры) чрезвычайно информативными параметрами, в значительной степени определяющими качество звучания их в реальных помещениях прослушивания, являются характеристика направленности и АЧХ акустической мощности, поэтому нормы на эти параметры введены в большинство международных и национальных стандартов. Несмотря на то, что эти параметры для одиночных ГГ не стандартизованы, однако поскольку они в значительной степени определяют форму характеристики направленности и АЧХ акустической мощности всего акустического устройства (особенно в области высоких частот), измерения их при разработках ГГ достаточно широко используются.

В соответствии с МЭК 268-5 и ГОСТ 16122-87 характеристика направленности определяется зависимостью уровня звукового давления от направления излучения звука на заданной частоте (или в полосе частот).

Характеристика направленности измеряется так же, как и АЧХ в заглушённой камере, только при этом измеряемый ГГ либо вращается на поворотном устройстве, либо микрофон смещается на заданные углы от рабочей оси. В первом случае получаются полярные диаграммы направленности на ряде фиксированных частот, во втором - семейство АЧХ, записанное под разными углами. Образец записи диаграмм направленности и АЧХ под углами ±15° для высокочастотного громкоговорителя дан на рис. 2.7. Нормы для аппаратуры HI-FI по этому параметру составляют в диапазоне 100...8000 Гц - ±4 дБ при смещении микрофона на ±5° в вертикальной и на ±25° в горизонтальной плоскостях; для студийной аппаратуры - ±2 дБ при смещении микрофона на ±15° в вертикальной (+2/-4) дБ, при углах ±30° в горизонтальной плоскостях.

Рис. 2.7. Характеристика направленности: АЧХ, измеренная под углами (а), полярная диаграмма (б)

По измеренным значениям уровня звукового давления могут быть рассчитаны:

коэффициент направленности

где р(α) - звуковое давление, измеренное при смещении микрофона под углом α к рабочей оси ГГ, Па; р(0) - звуковое давление ГГ на оси, Па;

коэффициент осевой концентрации

индекс осевой концентрации

Следует отметить, что в студийной акустической аппаратуре индекс осевой концентрации нормируется 3 ≤ 1 ≤ 12 в диапазоне 400...8000 Гц.

Амплитудно-частотная характеристика акустической мощности является параметром, которому за последние годы уделяется в технической литературе большое внимание. В соответствии с ГОСТ 16122-88 акустическая мощность излучаемого ГГ в окружающее пространство сигнала рассчитывается по измеренному звуковому давлению

где p_i(f) - звуковое давление на заданной частоте, развиваемое громкоговорителем в i-й точке; n - число точек расположения микрофона относительно громкоговорителя, при этом точки должны быть выбраны равномерно распределенными по сфере с центром, совпадающим с рабочим центром ГГ; ρ - плотность воздуха; с - скорость звука; l - расстояние от ГГ до микрофона. Акустическая мощность может измеряться и в условиях однородного поля (в реверберационной камере) [3, 9]. Форма частотной характеристики акустической мощности нормируется для различных видов акустической аппаратуры, например для студийной техники (в рекомендациях ОИРТ ТК 55/1).

По значениям измеренной акустической мощности определяется приведенный коэффициент полезного действия (КПД) ГГ как отношение акустической мощности к электрической, подводимой к громкоговорителю при измерениях на заданной частоте или полосе частот. При усреднении полученных значений в заданном диапазоне частот может быть вычислен средний приведенный КПД. Значение КПД, особенно для низкочастотных ГГ, предлагается в ряде международных рекомендаций [21] вводить в техническую документацию, поскольку этот параметр имеет большое значение при последующих расчетах характеристик акустических систем по принятым в настоящее время методикам (см. гл. 3).

За последние годы серьезное внимание уделяется разработке методов измерений пространственной структуры звукового поля, излучаемого ГГ и акустическими системами, поскольку предполагается, что именно анализ параметров пространственного распределения энергии, мгновенная мощность, мгновенная частота, групповая задержка, общая энергия и т. д. лучше коррелируют с субъективно воспринимаемым качеством звучания, чем измеряемые до настоящего времени параметры [22].

Следует отметить, что необходимость контролировать перечисленный выше комплекс параметров в процессе разработок и производства ГГ, большое число подвергаемых проверке ГГ при серийном производстве (в соответствии с ОСТ 4.383.001-85, кроме 100% контроля по дребезжанию, резонансу и среднему стандартному звуковому давлению, при приемо-сдаточных и периодических испытаниях выборочному контролю подвергаются ГГ по всем требованиям стандарта) делает чрезвычайно актуальной задачу повышения быстродействия и точности методов измерений, обеспечения возможности проводить их в процессе производства в обычных незаглушенных помещениях, не требующих строительства дорогостоящих звукомерных заглушённых камер. Наиболее перспективным является создание автоматизированных систем с использованием универсальных ЭВМ или специализированных для измерительных целей процессоров. Автоматизированная система контроля электроакустических параметров с применением цифровой техники описана в [23]. Запись параметров производится одновременно несколькими микрофонами на расстоянии 1 и 2 м под заданными углами в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Все выходные сигналы от микрофонов вводятся в мультиплексор, два анализатора гармоник и фазометр. Затем через АЦП сигналы поступают в ЭВМ, где обрабатываются, корректируются, записываются в память и выводятся на два шестиканальных самописца, при этом регистрируются одновременно 11 параметров (звуковое давление на оси и под углами, вторая и третья гармоники, входное сопротивление, фазовые характеристики и т. д.). Разрешающая способность системы 0,1 дБ, частотный диапазон 10...40·10³ Гц, динамический диапазон 80 дБ, время измерений 15 с.

Сплошной контроль серийно выпускаемых ГГ "импульсным" методом в незаглушенных помещениях с использованием анализаторов Фурье типа 5451 фирм Hewlett - Paccard, B&K используется многими фирмами, например KEF (Великобритания), JBL (США), Philips (Нидерланды). При этом в память ЭВМ записываются электроакустические параметры ГГ, их статистическая обработка, подбор ГГ с наименьшим разбросом для АС в стереопаре и подбор элементов фильтрующе-корректирующих цепей для конкретных параметров отобранных ГГ.

В отечественной практике сплошного контроля ГГ при крупносерийном производстве в настоящее время используются специально разработанные аналоговые установки (УЦИГ-3). Они обеспечивают измерение среднего звукового давления, резонансной частоты и контроль дребезжания в цеховых условиях с высокой производительностью. Измерительно-вычислительные цифровые комплексы (ИВК) разрабатываются в настоящее время на базе отечественной вычислительной техники [24]. Создан вычислительно-измерительный комплекс с использованием установки автоматической записи УЗЧХ-1, анализатора спектра СК-4-71 и ЭВМ СМ-4, а также разработан ИВК с применением аппаратуры фирмы RFT (ГДР), использующий АЦП, входящий в состав этого комплекта, специальное согласующее устройство и ЭВМ СМ-4. Этот комплекс позволяет измерить электроакустические характеристики в соответствии с требованиями стандартов, значительно сократить время измерений, провести накопление результатов и их статистическую обработку, представить результаты измерений в виде графиков, таблиц и т. д.