Предполагаемое время на прочтение: 12 минут(ы) Как измерить акустику помещения? Какое оборудование нужно для проведения измерений? Немного поговорим сейчас об этих вопросах, но проводить замеры сегодня не планируется.
Все помещения, где прослушивают музыку, вносят определенный “вклад” в качество звука. Акустические свойства помещений на столько разнообразны и не предсказуемы, что однозначных решений в борьбе за качественный звук нет.
Далеко не все имеют возможность оборудовать “специальные помещения”, предназначенные исключительно для установки в них своего аудио оборудования, а тем более высокого класса.
Но для большинства тех, кто слушает музыку в обычной жилой комнате, есть много советов и замечаний. Используя даже часть этих советов можно оптимизировать звучание имеющейся аудиотехники. О некоторых из них мы уже вели рассуждения раньше. Теперь поговорим о техническом способе измерении акустики помещения.
Какое оборудование нужно для измерений акустики комнаты?
Микрофонный штатив
Что бы измерить акустику помещения, первое что потребуется, так это обычный микрофонный штатив. Подойдет и любой штатив, с возможностью закрепить микрофон в горизонтальном положении на уровне, примерно 90-100 сантиметров от пола. Не совсем технически правильно – держать микрофон в руках во время проведения измерений.
Почему микрофон нужно установить именно на такой высоте? Обычно, на этой высоте находится голова и уши слушателя музыки, сидящего в своем кресле или на диване перед акустикой. Стоя перед колонками редко кто слушает музыку.
Измерительный микрофон
Так же потребуется измерительный микрофон. Без него ни как не провести измерения. Судя по большому количеству голосов “за” и хороших отзывов тех, кто проводил такие измерения акустики помещений много раз – выберем для работы микрофон Behringer ECM 8000. Микрофон не очень дорогой, но он довольно хороший по качеству.
Но можно купить и Dayton Audio EMM-6 (калибровочный аналоговый измерительный микрофон), miniDSP UMIK-1 (Калибровочный измерительный USB-микрофон).
Хотя, разобравшись с программой, можно провести несколько экспериментов с любым не дорогим конденсаторным микрофоном, петличкой например. И результаты могут быть вполне приличными и достаточными, для оценки акустики помещения. Но не забываем – провести корректировку микрофона.
Ниже, разберемся чуть подробнее с микрофонами – какие вообще бывают микрофоны и какой предпочтительнее использовать при проведении замеров акустики помещений и акустических систем. Коротко разберемся в преимуществах и характеристиках.
Микрофонный усилитель
Третий компонент – микрофонный усилитель. Какой усилитель использовать – вариантов не много, но все усилители стоят достаточно дорого (более 150 “зеленых бумажек”) и не каждому по карману купить такое устройство для разового замера своей акустики в помещении.
Список рекомендуемых приборов – микрофонных усилителей для проведения измерений акустики помещения:
- Steinberg UR22 MkII USB audio interface
- miniDSP 2×4 HD DSP / Equaliser / USB DAC / crossove
- Focusrite Scarlett Solo USB audio interface
Моё мнение по поводу микрофонного усилителя
Многие проводят измерения не используя специально купленных для измерений усилителей. Они проводят измерения, подключив микрофон непосредственно подключив его к микрофонному входу ноутбука или компьютера.
Иначе говоря, используют возможности звуковой карты компьютера. Но это не всегда хороший вариант, так как не в каждом компьютере устанавливается хорошая звуковая плата или подходящий для этих целей чип.
Я считаю, что микрофонный усилитель для измерения акустики помещений и акустических систем нужен. Много разговоров на форумах по поводу использования микрофонных усилителей: использовать специальный усилитель или достаточно простой самоделки.
Спорить то можно, но сделав самодельный усилитель можно достичь нужного результата за небольшие деньги. Но купить специальный усилитель и не заморачиваться на поисках схемы, деталей, пайке и настройке – за это можно и заплатить.
Кто на что способен и готов: потратится на хороший готовый усилитель или собрать свой для конкретно выбранного микрофона. Выбор есть!
Программы для измерений
Нам нужно измерить акустику помещения. Для проведения таких измерений и получения наглядных графиков в компьютере можно использовать любые программы – их очень много. Большинство из них профессиональные, очень навороченные и только платные.
Ниже совсем маленький список программ, которые многие профессионалы используют для замеров акустики и помещений:
- ULYSSES это программа, разработанная для быстрой и точной оценки и моделирования акустических параметров помещений. https://www.ifbsoft.de
- ODEON – Room Acoustics Software. Профессиональная программа https://www.odeon.dk
- EASE v3.0 программа акустического моделирования больших помещений (стадионы, церкви, арены, театры и т.п.). Предназначена для инсталляторов, архитекторов, инженеров, строителей. https://www.renkus-heinz.com
- PRAXIS это сложная измерительная система, использующая большие возможности Windows. Предназначена для профессионалов. https://www.libinst.com/PraxisMoreInfo.htm
- Room EQ Wizard. Это бесплатное программное обеспечение для анализа акустики помещения, для измерения и анализа характеристик помещения и громкоговорителей. Состав: инструменты для генерации звуковых тестовых сигналов;
- проведение измерений SPL и импеданса;
- замеры частотных и импульсных характеристик;
- измерение искажений;
- создание графиков фазы, групповой задержки и спектрального затухания;
- создание графиков анализатора в реальном времени (RTA);
- расчет времени реверберации;
- расчет параметров Тиля-Смолла;
- определение частот и времен затухания модальных резонансов;
Вот последняя из списка – программа, которую используют практически все, кто интересуется акустикой и качественным звуком в домашних условиях. Она интуитивно понятна и имеет достаточно средств для получения исчерпывающей информации.
Не реклама программы, а просто на многочисленных форумах пишут и задают вопросы именно про эту программку.
Room EQ Wizard
Скачать программу для измерения можно и нужно с официального сайта Room EQ Wizard. Она распространяется на безоплатной основе и доступна для любой операционной системы. На главной странице скачиваем нужную версию приложения (для любой операционной системы)
Приложение Room EQ Wizard предназначено для анализа акустических параметров помещения и получения данных, необходимых для коррекции частотных характеристик.
Запускаем программу. Для начала нужно откалибровать сам микрофон, что бы он корректно выдавал показания. Потом можно проводить измерения.
Включается тестовый сигнал генератора. Колонками воспроизводится весь спектр частот. Микрофон слушает этот сигнал, программа записывает и выдает результаты в виде АЧХ графика.
Это очень коротко о работе с программой, потому что там не всё так просто и в двух словах не рассказать. Много тонких настроек. На просторах интернета много роликов, в которых рассказывают о тонкостях калибровки микрофона, настройках программы, её возможностях и преимуществах.
Вероятно, позднее, для раскрытия этого вопроса будет написана статья, а может и не одна. Но в уже имеющихся видеороликах более наглядно и понятнее выглядят пояснения по работе с программой. Стоит только правильно поисковику.
Рассуждения про микрофоны
Профессиональные измерительные микрофоны бывают направленного действия и всенаправленного. Термины «Направленный», «Кардиоидный», «Всенаправленный» характеризуют диаграммы их направленности, хотя эти термины иногда применяются излишне вольно. Направленность всех микрофонов зависит от частоты и становится сферической (всенаправленной) с уменьшением частоты.
Ниже примерные диаграммы направленности чувствительных зон микрофонов.
Всенаправленный микрофон
Принимает звук, практически одинаково, с любого направления. На рисунке его диаграмма направленности выделена красным цветом. Измерительные микрофоны делают практически всегда – всенаправленными.
Кардиоидный микрофон
На рисунке обозначена – зеленым цветом. Наиболее распространенная диаграмма направленности. Эти микрофоны обычно обладают эффектом близости, окрашивающим и усиливающим басовый диапазон вокала с близкого расстояния. Часто применяется в студиях на радиостанциях и в студиях звукозаписи.
Суперкардиоидный микрофон
Диаграмма синего цвета – Это расширенная версия кардиоидного микрофона, имеющая незначительную вторую зону сзади микрофона, и основная зона более направленная.
Гиперкардиоидный микрофон
Диаграмма фиолетового цвета. Это расширенная версия суперкардиоидного микрофона, имеющая более расширенные границы диаграммы.
Двунаправленный микрофон
Двунаправленный микрофон («восьмерка»), диаграмма желтого цвета, одинаково хорошо воспринимает звук как спереди, так и сзади, но подавляет звук, поступающий с боков (а также сверху, снизу и т.д.).
Узконаправленный микрофон
Говорить именно об узконаправленных микрофонах можно очень много, материала можно насобирать на отдельную статью, чего сейчас не будем делать. На схемах его диаграммы направленности нет.
Но можно эту диаграмму описать в несколько слов. Такой микрофон слышит звуки только перед собой и в достаточно узком “коридоре”. Потому измерительные микрофоны ставят непосредственно перед акустической системой в нескольких десятках сантиметрах. В основном, это расстояние считается идеальным для проведения измерений и делается в один метр.
Тут ниже снова моё личное мнение-рассуждение, и оно наверняка совпадает с мнением многих, о расположении микрофона.
Обычно, узконаправленные микрофоны имеют длинные корпуса, и имеют экстремально узкую диаграмму направленности. Они воспринимают звук только в непосредственной близости от оси направленности микрофона.
Эти микрофоны используются для локальной записи звука (при съемке фильмов или на телевидении). С их помощью записывают звуки природы, а так же, в любом другом месте, где требуется очень точное позиционирование.
Практика — реальные результаты
Примеры
Ровные АЧХ, признанные в студиях для полноразмерных наушников
Можно наблюдать большую неравномерность в области верхних средних и нижних высоких частот.
Ровные АЧХ, признанные в домашних системах для полноразмерных наушников
Тут АЧХ близка к прямой и жалоб на субъективный подъем диапазона в области 3 от слушателей нет. Как согласовываются мнения, полученные в студиях и домашних системах, где альтернативой служат акустические системы высокого класса с довольно ровными АЧХ? Дело в том, что в студии наушники слушаются на большой громкости, а дома на невысокой. Исходя из кривых равной громкости, при большей громкости, область в районе 3 кГц воспринимается громче, поэтому при выборе наушников надо учитывать, с какой громкостью они будут слушаться.
Ровная АЧХ для вставных наушников с высокой шумоизоляцией в области низких частот
Благодаря хорошей шумоизоляции, при небольшой громкости наушники могут воспроизвести весь спектр частот и искусственные спады и подъемы на АЧХ не требуются.
Предпочтительная АЧХ для вставных наушников с низкой шумоизоляцией в области низких частот.
В метро и другом транспорте, низкочастотный гул достаточно высок, что бы заглушить низкочастотную составляющую в музыкальной композиции. По этой причине басовитые модели пользуются большей популярностью и воспринимаются ровными. В параметрах порой указывается уровень шумоизоляции, но, как правило, в средне и высокочастотном диапазоне.
Краткий итог по микрофонам
Электретные микрофонные капсюли, примерно как на картинке, стоят не дорого, но это не говорит об их плохом качестве. Их очень часто устанавливают в измерительные микрофоны наивысшего качества.
Так же их используют в микрофонах для записи природы и в других местах, где требуется высокая чувствительность. Эти микрофоны имеют относительно низкий уровень собственных шумов, в то же время – широкий частотный диапазон.
«Настоящие» конденсаторные (они же «ёмкостные») микрофоны обычно превосходят большинство электретных микрофонов по качеству и параметрам.
Однако, никакие микрофоны не могут сравниться с электретным капсюлем по цене. И не секрет, что электретные капсюли сегодня очень распространены и используются в дорогом, даже профессиональном оборудовании для мониторинга и измерения звука.
А это может свидетельствовать о том, что они больше не являются “дешевыми игрушками для увеселительных целей”, как считалось ранее.
Так что, вернемся к вопросу – можно ли самому сделать себе оборудование для проведения измерения акустики помещения и акустических систем? Да, вполне можно!
И очень даже вероятно, что качество измерений через самодельный микрофонный усилитель и сделанный своими руками непосредственно микрофон – будут давать отличный результат. И по затратам это будет значительно дешевле, чем покупать готовые микрофон и усилитель для него.
Но опять же, если есть голова, знания, руки и все исходные материалы – удачи в делах! А когда нет навыка, но хочется постичь эту науку – тогда лучше купить готовое и проверенное оборудование. Снова – выбор есть и он за вами!
Теория
В идеале АЧХ должна быть прямой для случая, когда источником является акустическая система, вроде компьютерных колонок, колонок домашнего кинотеатра или студийных мониторов. Расположение же наушников относительно наших ушей совершенно другое, они располагаются не под 60 градусов относительно оси уха, а без отклонений под 0 градусов. Попробуйте провести эксперимент, и послушайте АС в условиях равностороннего треугольника и на оси. Звучание будет заметно различаться не только по построению сцены, но и по восприятию различных частотных диапазонов. Все это – влияние строения ушной раковины и слухового канала. Колонки на оси станут «ярче» в области высоких частот и по-другому будут звучать в области средних частот.
Наушники не только находятся на оси, они находятся рядом с ухом, или вообще вставлены в слуховой канал (в случае «затычек»). Все это существенно влияет на восприятие частотного диапазона и для каждого человека — индивидуально
Идеальная АЧХ от АС
Идеальная АЧХ от АС представляет собой прямую линию, обозначающую, что все частоты воспроизводятся одинаково громко.
Если динамик наушника расположить в ухе у барабанной перепонки, то ровной АЧХ будут восприниматься такие АЧХ, которые соответствуют красной или желтой линии. Именно такая АЧХ наушников субъективно является «прямой». К сожалению, полностью на них ориентироваться нельзя, т.к. у каждого человека свое строение ушей и соответственно получается большой разброс отклонений от «идеала». Другой момент – расположение источников у уха дает другое психологическое восприятие АЧХ, нежели когда проводится прослушивание источников на удаленном расстоянии. В связи с этим, некоторые издания после измерений делают «универсальную» поправку на измеренные АЧХ (поправку на свое измерительное оборудование), но большой пользы от этого как правило нет. В случае с наушниками можно лишь делать общие выводы. К слову, расположение микрофона в ухе манекена может быть как у места барабанной перепонки, так и у входа в слуховой канал (для измерений полноразмерных и накладных наушников). Что дает более адекватный результат, ученые пока достоверно не определили. В нашей лаборатории используется манекен с расположением микрофона у входа в слуховой канал.
Вторым фактором, снижающим пользу компенсирующей кривой, является разное восприятие АЧХ от уровня громкости. В итоге, для тихого прослушивания провал в области верхних средних и нижних высоких частот должен быть минимален, а для громкого воспроизведения провал должен быть существенным.
Примеры
Охватывающие наушники
Если на графике наблюдаются провалы в районе 2-5 кГц, то эти наушники могут дать хорошую компенсацию в сторону восприятия ровной частотной характеристики. Спад на высоких частотах компенсирует расположение наушников на оси уха.
Сиреневый – условно идеально ровная АЧХ. Красный график показывает подъем низких частот – такие наушники басовитые. Зеленый – наоборот снижение низких частот, такое звучание ближе к звучанию акустических систем, где существует естественный спад в районе низких частот (в системах без мощного сабвуфера). Оранжевый – наушники с возможными сибилянтами, подчеркивающими звуки «ссс». Голубой – подъем в области высоких частот.
Накладные наушники
В измерениях накладных наушников можно наблюдать спад в районе низких частот. Это может быть вызвано использованием поролоновых амбушюр или неплотным прилеганием к ушам. При возникновении любого воздушного зазора снижается уровень низких частот. Сделать оценку уровня баса в данном случае помогает измерение через специальный плоский стенд, с мягкостью, повторяющей кожный покров человека (в нашем случае Soft Flat Stand — SFS).
Вставные наушники
Вставные наушники вставляются напрямик в слуховой канал, и ровными будут восприниматься те, у которых будут минимальные провалы в области верхних средних и нижних высоких частот, и довольно существенный провал в области высоких частот. Для вставных наушников завал в области высоких частот должен быть еще выше, чем у полноразмерных наушников, т.к. меньше преград, ответственных за естественное снижение высокочастотного диапазона. Зеленый и сиреневый график относятся к “ровным АЧХ”, их различие в разном провале уровня верхних средних и нижних высоких частот, где чувствительность уха максимальна. Чем больше будет провал, тем на большей громкости наушники будут восприниматься ровными и наоборот, чем меньше провал, тем на более тихой громкости будет субъективно ровное звучание. Красный график показывает басовитые наушники, а голубой – яркие в области высоких частот.
Резонансы
На графиках вставных наушников можно видеть пики в области высоких частот, как правило, это резонансы, возникшие в закрытом пространстве звуковода и ушном канале. Частоты резонансов зависят от глубины посадки наушника и формы ушного канала. У накладных и полноразмерных наушников резонансов гораздо больше, однако они имеют меньшие амплитуды и тем самым отражаются на АЧХ как небольшая неравномерность. У накладных и полноразмерных наушников резонансы образовываются преимущественно переотражениями в ушной раковине и зачастую формируют объемность звучания.
Куда направлять измерительный микрофон?
Очередной вопрос. Куда и почему именно туда нужно направлять микрофон? Попробуем коротко разобраться. Выводы в конце. И нужно учитывать – какой микрофон используется, какую направленность диаграммы он имеет.
В первом случае, представим, что микрофон установлен на уровне высокочастотного динамика на расстоянии 1 метр. Это, как бы, идеальный вариант измерения АЧХ акустики в целом и конкретно этого динамика.
Снимаем показания, потом отворачиваем микрофон совсем чуть в сторону, на несколько градусов. Снимаем показания снова. И показания АЧХ меняются кардинально. Могут вылезти горбы и появиться провалы.
Следующий вариант. Ставим микрофон в точке, которая подразумевает место слушателя.
Здесь уже наверняка не будет того “нужного метра”. И микрофон уже будет “слушать две акустические системы (тут речь уже не идет о замерах АЧХ динамиков). Микрофон слышит оба канала в одной точке. Плюс отраженные сигналы.
А теперь отнесем микрофон чуть влево и пусть микрофон “послушает” теперь. Вновь появятся значительные “искажения”, которых не было в “идеальной” точке. Что мы тут слушали, акустические колонки или акустику помещения?
Третий вариант – как пример измерения акустики помещения. Иначе никак у меня не получается понять это. Этот же микрофон устанавливается в противоположном углу помещения от акустических систем.
Что теперь будет “слышать” микрофон? Получается, что он будет “слушать” акустику самого помещения и не всего, а только в той точке, где он находится.
Попробую подвести итог
Повторюсь, что это сугубо мои размышления и мысли. Ничего не доказываю и не спорю. Пытаюсь разобраться и понять.
К чему мы пришли? Какие результаты мы ожидали? Какой микрофон мы использовали, какой направленности (ведь от этого зависит поле, которое мы хотели измерить)? Что мы измерили вообще? Появилось ещё больше вопросов.
Какой микрофон нужен для того, что бы посмотреть АЧХ звука от колонок, именно в том месте где сидим и слушаем? Микрофон с узконаправленным полем или кардиоидный?
Нужно направлять его строго на колонку (колонки), что бы “услышать” (увидеть АЧХ от акустики). Или нужно микрофон направлять в ту сторону, куда “слушает” наше ухо, от куда идут все звуковые составляющие, излучаемые акустической системой?
Ведь в том месте куда “слушает” наше ухо – очень много отраженного сигнала, резонирующих факторов, которые микрофон просто не услышит, когда он смотрит строго на акустику.
Что такое АЧХ в звуке
Сложный звук представляет собой ряд колебаний разной частоты. Для него сохраняются шаги между уровнями частот, которые можно измерить и наглядно отобразить с помощью графика. Это и будет амплитудно-частотная характеристика. Так, АЧХ в звуке – это график зависимости амплитуды выходного и выходного сигнала от частоты, выраженной в децибелах.
Также АЧХ рассматривается и как фильтр, ослабляющий или усиливающий сигнал, искажающий его. В этом случае на линии АЧХ исходного сигнала будут периодические амплитудные выступы разной величины, что свидетельствует о неидеальном частотном отклике. Динамики устройств с таким откликом играют звуки в меньшем или большем диапазоне, чем должны. Это влияет на восприятие звука. Он может сопровождаться гулом или шумом, звучание исполнителя может затихать или искажаться.
Человек слышит звуки не в бесконечном диапазоне частот, а в пределах от 20 Гц до 20 кГц. В зависимости от уровня частоты выделяют высокие, низкие и средние частоты. По АЧХ определяют, на каких из них звучание будет правильным, а где нужно что-то изменить. В программах для измерения АЧХ, при описании параметров аудиотехники, в научной литературе используется общая классификация частот:
- нижние, средние и верхние басы (Low, Mid, Upper Bass) – от 20 до 160 Гц;
- нижние, центральные и верхние средние частоты (Lower, Middle, Upper Midrange) – от 160 до 1280 Гц;
- нижние, средние, верхние высокие частоты (Lower, Middle, Upper Treble) – от 1,28 кГц до 10,2 кГц;
- верхняя октава (Top Octave) – от 10,2 кГц до 20,4 кГц.
Чтобы звучание правильно воспринималось слухом человека, у каждого устройства уровень громкости имеет определенные значения для соответствующего диапазона частот. Неправильный выбор акустики приводит к плохому звучанию – с помехами, шумом, резко меняющимися высокими или низкими звуками и др. Один из параметров выбора техники – это ровная АЧХ. Но так как это редкость, интересно исследование причин, которыми объясняются изменения формы графика. К ним относятся:
- некачественные материалы, из которых сделаны элементы акустической цепи;
- нагрев кабеля из-за несоответствия номинальной и подаваемой мощности (увеличение температуры вызывает незначительные изменения в графике, но иногда искажения звука довольно существенны, например, когда амплитудные колебания частые);
- неправильные настройки цифровых фильтров (ЦФ), когда динамики воспроизводят звуки на не предназначенных для них частотах.
Для выбора и правильной настройки аппаратуры желательно уметь правильно построить график АЧХ. Его назначение – отразить информацию об особенностях воспроизведения сигнала и восприятия его человеческим слухом.
