Sensitivity. Ważny, acz nie do końca zrozumiały parametr głośnika

Już z samym jego przetłumaczeniem na język polski jest problem, bowiem trzymając się dosłownej nomenklatury musiałby on się nazywać „wrażliwość”, co w przypadku czegoś takiego jak głośnik czy zestaw głośnikowy nie brzmi zbyt poważnie.

Używa się więc najczęściej pojęcia „skuteczność”, choć jego angielskim odpowiednikiem byłoby raczej efficiency. Pozostańmy więc przy wersji ze „skutecznością” i tym pojęciem, na przemian z oryginalnym sensitivity, będziemy się posługiwać w tym artykule.

PROBLEM

W czym tkwi problem z naszym parametrem? Po pierwsze część (jeśli nie większość) z nas uważa, że sensitivity głośnika (zestawu) wyrażona w formie liczbowej mówi nam wprost o tym, jak głośno dany głośnik (zestaw) może odtwarzać sygnał, który do niego dostarczymy. Dla innych informacja o tym, że dwa głośniki (zestawy głośnikowe) mają taką samą skuteczność oznacza, że będą grały tak samo głośno – oczywiście odtwarzając identyczny sygnał. Oba te twierdzenia są tylko częściowo prawdziwe. Faktem jest, że parametr sensitivity daje informację o poziomie sygnału wyjściowego (czyli SPL, a więc poziomie ciśnienia akustycznego), jednak tylko w przypadku sygnału o określonym paśmie i określonym widmie. Tak samo w przypadku dwóch głośników o tej samej skuteczności – zasilane tym samym sygnałem mogą wytwarzać różny SPL, jeśli częstotliwości graniczne ich pasma przenoszenia będą różne. W artykule tym przyjrzymy się przyczynie każdego z tych efektów – szerokości pasma przenoszenia – oraz roli, jaką odgrywa. Powiemy sobie też, dlaczego parametr sensitivity nie powinien być tak naprawdę odnoszony do mocy (1 wata).

SENSITIVITY

Powiedzmy sobie najpierw, co to takiego jest to sensitivity, a konkretnie o czym nas informuje?

Zgodnie ze standardem IEC60268-5, skuteczność (sensitivity) głośnika (jak też i zestawu głośnikowego) jest zdefiniowana poprzez pomiar sygnału wyjściowego (a więc poziomu ciśnienia akustycznego, czyli SPL), pobudzonego szumem różowym o ograniczonym paśmie, o wartości napięcia skutecznego Vrms równej pierwiastkowi kwadratowemu impedancji znamionowej urządzenia, w odniesieniu do odległości 1 m. Pasmo tego szumu różowego jest ograniczone adekwatnie do szerokości efektywnego pasma przenoszenia testowanego urządzenia (po angielsku DUT, czyli Device Under Test). Ma to na celu zapewnienie, że sygnał testowy jest ograniczony do części widma częstotliwości, które w dużej mierze pokrywa (reprodukuje) badany głośnik lub zestaw głośnikowy. Jeśli dany głośnik (zestaw) nie jest w stanie efektywnie odtwarzać pasma poniżej 150 Hz, nie jest dobrym pomysłem zasilać go takim sygnałem, który jedynie spowoduje jego niepotrzebne „dogrzewanie”, czyli odkładanie się ciepła w cewce głośnika. To samo tyczy się sytuacji, gdy głośnik nie jest w stanie przetwarzać sygnału powyżej swojej górnej granicy przenoszenia.

PRZYKŁAD

Spójrzmy na wykres na rysunku 1. Przedstawia on charakterystykę amplitudową głośnika, zmierzoną w jego osi. Skuteczność tego głośnika przedstawiona jest w formie linii prostej, równoległej do osi częstotliwości.

Długość tej linii koresponduje z pasmem szumu różowego, użytego do pomiaru charakterystyki głośnika, którego widmo prezentuje rysunek 2.

Jeśli sygnał o innym widmie (innej zawartości składowych spektralnych), ale o tej samej szerokości pasma zostanie użyty do zasilenia głośnika, czy wpłynie to w jakiś sposób na SPL wytwarzany przez głośnik, a więc na jego skuteczność? Nie jesteśmy tego w stanie stwierdzić, jeśli nie znamy zarówno przebiegu charakterystyki amplitudowej głośnika, jak i widma sygnału pobudzającego (pomiarowego). Sama bowiem informacja, że pasmo przenoszenia głośnika zawiera się np. w granicach 110 Hz-8 kHz nie daje nam pełnej informacji o przetworniku – niezbędny jest wgląd w graficzne przedstawienie tego parametru w formie wykresu charakterystyki amplitudowej. Dopiero znając jedno i drugie możemy próbować odpowiedzieć na zadane wcześniej pytanie.

TEN SAM GŁOŚNIK – RÓŻNE SYGNAŁY

Na rysunku 3 mamy zaprezentowane widma częstotliwościowe trzech różnych sygnałów. Pierwszy to ograniczony pasmowo szum różowy, który użyty był do zmierzenia charakterystyki skuteczności głośnika z rysunku 1. Dwa pozostałe to widma sygnału mowy oraz szumu o kształtowanej charakterystyce, tak aby jego widmo było zbliżone do widma sygnału mowy. Sygnał ten jest wykorzystany do pomiaru zamiast sygnału mowy z uwagi na to, że jego wartość RMS podlega mniejszym fluktuacjom w funkcji czasu, niż rzeczywisty sygnał mowy. Wszystkie trzy sygnały charakteryzują się zbliżoną wartością RMS, pomimo tego że sygnał mowy i kształtowany szum w paśmie 200-800 Hz mają wyższy poziom niż szum różowy, natomiast powyżej i poniżej tego zakresu szum różowy ma istotnie wyższy poziom, niż dwa pozostałe sygnały.

Zestawiając to z charakterystyką głośnika z rysunku 1 widzimy, że poniżej 150 Hz odtwarzanie sygnału przez głośnik jest nieco gorsze, niż w zakresie średnich częstotliwości, natomiast najmocniejszy sygnał SPL uzyskamy z tego głośnika w paśmie 300 Hz-3 kHz. Jeśli pobudzimy głośnik sygnałem szumu kształtowanego (jak sygnał mowy), z takim samym uśrednionym poziomem sygnału w całym paśmie, co szum różowy, możemy oczekiwać, iż uśredniony (w paśmie jego przenoszenia) SPL wytwarzany przez głośnik będzie wyższy, niż w przypadku jeśli zasilimy go „zwykłym” szumem różowym.

I tak faktycznie będzie. Sensitivity głośnika (to „prawdziwe”, mierzone szumem różowym, zgodnie ze standardem IEC60268-5) wynosi 97,1 dB. Jeśli pobudzimy głośnik szumem kształtowanym, jego skuteczność wzrośnie o 1 dB – będzie miała wartość 98,1 dB. Wynika to z wyższego poziomu sygnału pobudzającego (szumu kształtowanego zgodnie z widmem sygnału mowy) w zakresie średnich częstotliwości, w którym to nasz głośnik wykazuje lepsze przetwarzanie sygnału (jest w stanie wyprodukować wyższy SPL), niż w pozostałym paśmie jego pracy. Widać, że ten sam głośnik może mieć dwie różne wartości parametru sensitivity – wystarczy tylko zasilić go nieco innym sygnałem, o innej zawartości widmowej, niż szum różowy.

Możemy też mieć do czynienia z odwrotną sytuacją. Jeśli zasilimy głośnik ograniczonym pasmowo szumem różowym, zlokalizowanym w zakresie niskich częstotliwości (jak na rysunku 4), możemy spodziewać się spadku skuteczności głośnika. Wynika to z faktu, że niskoczęstotliwościowe pasmo szumu różowego charakteryzuje się najwyższym poziomem sygnału w paśmie, w którym możliwości „przetwórcze” głośnika są już dość mocno ograniczone. I faktycznie zmierzony w ten sposób SPL zasilanego głośnika wyniesie tylko 94,9 dB, czyli o 2,2 dB mniej, niż jego faktyczna wartość sensitivity.

RÓŻNE GŁOŚNIKI, ALE O TEJ SAMEJ SKUTECZNOŚCI

Teraz porównajmy sobie dwa różne głośniki, które jednak charakteryzują się taką samą wartością parametru sensitivity – 97,1 dB. Ich charakterystyki przenoszenia zaprezentowane są na rysunku 5.

Jak widać, głośnik B ma nieco szersze pasmo przenoszenia, niż głośnik A, zarówno w dole, jak i w górze pasma. Z tego powodu pasmo szumu różowego użytego do wyznaczenia skuteczności głośnika B jest szersze, niż pasmo szumu, które zasila głośnik A przy pomiarze jego skuteczności (rysunek 6). W rezultacie tego, aby uśredniona wartość RMS sygnału „poszerzonego” szumu była taka sama, jak szumu o węższym paśmie, sygnał pobudzający głośnik B ma niższy poziom, niż szum dla głośnika A. Na pierwszy rzut oka może tego nie widać, ale jeśli przyjrzymy się dobrze wykresom na rysunku 6, zauważymy, że przebieg czarny (szum dla głośnika B) ma o około 0,5 dB niższy poziom w paśmie 100 Hz-10 kHz od przebiegu czerwonego (szum dla głośnika A).

Zobaczmy teraz, co się stanie – w sensie, jaki średni SPL wytworzą te dwa głośniki – gdy zasilimy je pełnopasmowym szumem różowym, czyli w zakresie 20 Hz-20 kHz (kolor zielony na rysunku 6). Zgodnie z teorią, która mówi, że głośnik o szerszym paśmie będzie produkował większy uśredniony w całym paśmie SPL, powinniśmy oczekiwać, iż wyższy SPL uzyskamy z głośnika B niż A. I faktycznie, teoria ta sprawdza się w praktyce, bowiem w naszym przypadku SPL głośnika B jest o prawie 1 dB wyższy. Konkretnie o 0,8 dB, bowiem zmierzony poziom ciśnienia akustycznego głośnika A wynosi 96,2, zaś głośnika B 97 dB.

Z powyższych przykładów jasno wynika, iż SPL wytarzany przez głośnik (czy zestaw głośnikowy) jest zależny zarówno od funkcji przejścia (transfer function), albo po prostu charakterystyki amplitudowej przenoszenia głośnika, jak i widma sygnału, który głośnik odtwarza. Część programów predykcyjnych, analizujących zachowanie się systemów nagłośnieniowych, uwzględnia ten fakt w swoich obliczeniach SPL-u systemu w nagłaśnianym obszarze. Programy te oferują możliwość wyboru sygnału pomiarowego, np. szumu różowego, sygnału o spektrum zbliżonym do sygnału mowy czy o zdefiniowanym przez użytkownika widmie. Pozwala to projektantowi systemu, jeszcze na etapie koncepcyjnym, lepiej poznać możliwości systemu w odtwarzaniu różnego rodzaju materiału dźwiękowego i odpowiednio dobrać jego komponenty (lub wybrać system w ogóle) do konkretnych zastosowań.

ODNIESIENIE

Druga kwestia do rozważenia, zasygnalizowana na początku artykułu, to odniesienie sensitivity do wartości 1 W mocy elektrycznej, wykorzystanej (rozproszonej) przez mierzony głośnik. To powinno być zmienione, tak aby każdy mógł dokonywać pomiarów w powtarzalny sposób, w określonych normą warunkach – bowiem obecnie i tak nikt nie mierzy, ile mocy dostarczone jest do urządzenia, z tego powodu, iż jest to dość trudne. Oczywiście można tego dokonać dysponując dwukanałowym systemem pomiarowym FFT oraz urządzeniem monitorującym pobór prądu ze wzmacniacza. Pytanie tylko, czy takie podejście dostarcza jakąkolwiek użyteczną wiedzę dla projektanta i/lub użyteczną informację dotyczącą specyfikacji głośnika/systemu nagłośnieniowego?

Można uprościć tą procedurę, tak aby nie zaprzątać sobie głowy rozpraszaniem prawdziwego 1 wata mocy przez urządzenie. Zamiast tego jako odniesienie stosuje się taką wartość napięcia zasilającego badany głośnik, które powoduje wydzielenie 1 wata mocy na czystej rezystancji o wartości odpowiadającej impedancji znamionowej głośnika. Jest to o wiele prostsze, jednak znów rodzi się pytanie, czy użyteczne w praktycznym zastosowaniu? Oczywiście sam pomysł z ustaloną wartością napięcia nie jest zły, ale chyba najbardziej użyteczne informacje, pozwalające na porównywanie dwóch (lub więcej) głośników/zestawów głośnikowych, można uzyskać stosując taką samą wartość napięcia zasilającego badane urządzenie, niezależnie od ich impedancji.

Zasadniczym typem współcześnie stosowanych wzmacniaczy są urządzenia dostarczające stałą wartość napięcia na wyjściu, niezależną od obciążenia – oczywiście wartość tego obciążenia musi zawierać się w zakresie, w którym wzmacniacz jest w stanie stabilnie pracować. Najistotniejszą cechą takiego rozwiązania jest to, iż przy danym napięciu zasilającym, głośnik/zestaw głośnikowy o niższej impedancji będzie produkował wyższy SPL niż głośnik/zestaw o większej impedancji. Po co więc stosować inne napięcie (2 Vrms) dla obciążeń 4-omowych, a inne (2,83 Vrms) dla 8-omowych, skoro w rzeczywistych warunkach i tak będą one zasilane tym samym napięciem, a więc SPL, który będą w stanie wyprodukować (napędzane tym samym wzmacniaczem), będzie znacząco różny – nawet jeśli w ich specyfikacjach będzie jak byk „stało”, że oba charakteryzują się tą samą skutecznością?

Kto nie wierzy, niech zrobi mały eksperyment. Podłączyć do wzmacniacza, poprzez przełącznik A/B, dwa praktycznie identyczne głośniki – jedyna różnica między nimi to wartość impedancji znamionowej: jeden 4-omowy, drugi 8-omowy, czyli o dwa razy większej impedancji. Przełączając wyjście wzmacniacza między jednym a drugim głośnikiem wartość napięcia na nim się nie zmieni, jednak prąd, który popłynie do obciążenia, już tak. W rezultacie tego głośnik o mniejszej impedancji, przez który popłynie dwa razy większy prąd, będzie odtwarzał ten sam sygnał wejściowy z większym poziomem ciśnienia akustycznego. Mierząc skuteczność obu tych głośników, przy tym samym napięciu, niezależnie od ich impedancji, ujawnimy tę różnicę w SPL-u, podczas gdy mierząc przy napięciu 2 Vrms dla głośnika 4-omowego i 2,83 Vrms dla głośnika 8-omowego uzyskamy taką samą wartość sensitivity dla obu głośników. Jeśli nie spojrzymy na to, jaką impedancję ma każdy z nich, możemy dojść do pochopnego wniosku, że zasilone takim samym sygnałem (z takiego samego wzmacniacza) będą grały tak samo głośno.

Mam nadzieję, że te kilka zdań rzuci nieco więcej światła na temat parametru zwanego sensitivity i tego, jakie możliwości „wytwórcze” w rzeczywistości oferuje dany głośnik, czy też zestaw głośnikowy. Podsumowując jeszcze raz – pamiętajmy, że na to, jaką wartość SPL-a wytworzy dany głośnik, ma wpływ sygnał wejściowy (nie tylko jego poziom, ale również widmo częstotliwościowe) oraz przebieg charakterystyki amplitudowej samego głośnika, a nie tylko opisana jednoliczbowo skuteczność przetwornika. Więcej informacji dostarczy nam więc przedstawiona w formie graficznej charakterystyka głośnika niż jedna liczba mówiąca o tym, jaka jest jego skuteczność (sensitivity).

Piotr Sadłoń