Pomiary i strojenie systemów nagłośnieniowych. Trochę praktycznych informacji o używaniu FFT

Należy jednak od razu zwrócić uwagę – jakkolwiek nie to jest tematem tego artykułu – że mikrofon ów powinien być odpowiednio skalibrowanym mikrofonem pomiarowym, a nie przetwornikiem pierwszym z brzegu. A zatem ustawiamy mikrofon pośrodku obszaru odsłuchowego, włączamy nagłośnienie i zapuszczamy sygnał testowy, dokładnie tak samo, jak to robiliśmy z systemem RTA. Tak? Niestety, błąd! Po pierwsze umieszczenie mikrofonu na zwykłym statywie mikrofonowym może spowodować „zatrucie” wyników analizy FFT. Odbicie dźwięku od podłogi jest zjawiskiem z kategorii nieminimalnofazowych, a zatem – jak pamiętamy – nie dających się zniwelować za pomocą korektora.

Gdy korzystamy z systemu SMAART lub SIM, powinniśmy użyć mikrofonu powierzchniowego (ang. Pressure Zone Microphone – PZM), kładąc go wprost na podłodze. Dzięki temu wyeliminujemy efekt filtracji grzebieniowej, która pojawiłaby się w wyniku interakcji dźwięku bezpośredniego z odbitym od podłoża. Jeśli natomiast posługujemy się systemem TEF, wówczas możliwe jest umieszczenie mikrofonu na krótkim statywie i odsunięcie go tym sposobem od podłoża, co pozwoli na „wyokienkowanie” opóźnionego odbicia poza czasowe ramy dokonywanego pomiaru. Jednocześnie ograniczona zostanie dokładność pomiaru w zakresie niskich częstotliwości, jednakże mody pomieszczenia sprawiają, że pomiary dla niskich tonów dokonywane na sali i w dużej odległości od głośników i tak są bezużyteczne (więcej na ten temat w dalszej części tekstu).

Należy też pamiętać, że źródłem problemów mogą być także wszelkie twarde, odbijające powierzchnie w pobliżu głośników. Należy zatem zadbać o odpowiednie ustawienie zestawów nagłośnieniowych lub pokryć owe powierzchnie warstwą tłumiącego materiału. W przeciwnym razie powstający filtr grzebieniowy spowoduje zakolorowanie brzmienia w większości pozycji odsłuchowych.

Ponieważ pomiary trójwymiarowe uwzględniają upływ czasu, toteż dodatkowe głośniki mogą spowodować zakłócenie pomiarów poprzez wywołanie zjawiska filtrowania grzebieniowego, podobnie jak odbicia dźwięku. Dlatego należy wyeliminować ich wpływ na pomiary.

Zgadza się, konieczne jest uzyskanie płaskiej odpowiedzi w osi dla każdego głośnika w danej części pasma dzielonego przez crossover. Gdy dochodzi do łączenia fal o większej długości, to znaczy z subwooferów i głośników nisko-średniotonowych, wtedy trzeba podjąć dodatkowe środki.

Istnieje tu pewna, twarda i szybka reguła, podobnie jak w przypadku głośników średnio-wysokotonowych. Jeśli napotykamy problemy z odpowiedzią w którymś z pasm – na przykład niewystarczający poziom wysokich częstotliwości w pozycji poza osią zestawu głośnikowego lub pomiędzy zestawami – to źródłem jest niewystarczające pokrycie, a nie niewłaściwa korekcja.

Ponieważ korygujemy pracę głośników, a nie odpowiedź pomieszczenia, to szczególnie w przypadku fal o mniejszej długości konieczne jest zastosowanie odrębnej korekcji dla każdego typu głośników. Nie da się poprawnie skorygować sygnału dla kilku rodzajów głośników za pomocą jednego equalizera. Uzyskanie właściwej odpowiedzi częstotliwościowej wymaga poprowadzenia owego sygnału odrębnymi ścieżkami, poprzez korektory i wzmacniacze dedykowane dla poszczególnych rodzajów przetworników.

Weźmy dla przykładu zestaw z dwoma 12- lub 15-calowymi wooferami. Mikrofon pomiarowy należy umieścić dokładnie pomiędzy nimi, w odległości tak małej, by nie dochodziło do wytłumiania fal o częstotliwościach przetwarzanych przez oba przetworniki. Jeśli jednak zestaw zawiera dwa przetwarzające to samo pasmo tweetery, to z uwagi na bardzo małą długość wytwarzanych przez nie fal dźwiękowych nie da się umieścić mikrofonu pomiarowego tak, by zapobiec ich kancelacji, co oznacza niemożność dokonania poprawnej equalizacji. W takiej sytuacji można spróbować odłączyć jeden z tweeterów.

Innym problemem są efekty dyfrakcji, które szczególnego znaczenia nabierają w przypadku zestawów głośnikowych z przetwornikami współosiowymi, charakteryzujących się symetrią akustyczną. Tu zalecałbym dokonanie szeregu pomiarów w kilku różnych punktach obszaru pokrycia, dokonując korekcji w oparciu o uśrednione wyniki.

Gdy już poradzimy sobie z korekcją średnich i wysokich tonów, dokonując equalizacji za pomocą pomiarów dla pojedynczego przetwornika na każde z pasm, pora przejść do korygowania niższych częstotliwości.

MODY POMIESZCZENIA

Mody pomieszczenia to rezonanse własne, powodujące sumowanie oraz wzajemne tłumienie się fal akustycznych o długościach zbliżonych do wymiarów owego pomieszczenia. Mogą one powodować wzmacnianie określonych częstotliwości o 12 dB, a nawet więcej, w miejscach, w których odbicia sumują się, lub wytłumianie nawet o 30 dB w tych punktach, w których spotykające się odbicia mają przeciwną fazę. Najsilniejsze działanie modów odczujemy w pomieszczeniach o proporcjonalnych wymiarach, np. 3 metry wysokości, 6 metrów szerokości i 24 metry długości.

Dla przykładu wygenerujmy z pojedynczego głośnika dźwięk o częstotliwości 100 Hz, a następnie przejdźmy się po pomieszczeniu, wyszukując punkty wzmacniania i tłumienia – będą one oddalone od siebie o pół długości fali. Najprostsza metoda wyliczania częstotliwości, na które wpływ mieć będą mody pomieszczenia, polega na zastosowaniu prostego wzoru

R = (3 × PD)/NWP

gdzie R to górna granica częstotliwości modów, PD to prędkość dźwięku, zaś NWP oznacza najmniejszy wymiar danego pomieszczenia. A zatem oznacza to, że w pomieszczeniu o wysokości 7 metrów (na przykład w hali sportowej) żadnej częstotliwości z zakresu poniżej 145 Hz nie da się skorygować przy użyciu mikrofonu pomiarowego, ustawionego w jakimkolwiek punkcie.

Zrozumiałym jest też, że ponieważ różnice w poziomie określonych częstotliwości basowych mogą w danym pomieszczeniu sięgać nawet 30 dB, to różnic tych nie da się zniwelować poprzez equalizację. Co więc uczynić?

Mamy dwie możliwości do wyboru:

Po pierwsze, dokonać ustawień korekcji dla zestawu niskotonowego w miejscu, w którym nie występują blisko rozmieszczone powierzchnie odbijające, korzystając z mikrofonu PZM.

Po drugie, zastosować technikę pomiarową w ekstremalnie bliskim polu, opracowaną przez D.B Keele’a i opisaną w dokumencie AES z 1974 roku. Metoda ta polega na ustawieniu mikrofonu pomiarowego w odległości około 3 milimetrów od kopułki osłaniającej woofera. W przypadku obudów typu bass-reflex najniższe pół oktawy zakresu odpowiedzi koryguje się przy umieszczeniu mikrofonu w otworze.

Skoro już dokonaliśmy strojenia wszystkich pasm – co jest procesem kompletnie niezależnym od pomieszczenia – czas przyjrzeć się oddziaływaniu środowiska akustycznego na korekcję.

WZMACNIANIE BASU

Jedynym fragmentem odpowiedzi częstotliwościowej głośnika, na który wpływ ma pomieszczenie, jest ten powiązany z falami o największej długości. Mamy wówczas do czynienia z sytuacją, gdy wzmacnianie pewnych częstotliwości w okolicach ścian można zniwelować korekcją.

Gdy głośnik stoi na podłodze, tuż przy ścianie bądź w rogu pomieszczenia, wtedy następuje sumowanie energii basowej, która w normalnych warunkach jest rozprzestrzeniana wszechkierunkowo, i emitowanie jej w jednym wspólnym kierunku. Na każde podwojenie powierzchni odbijającej przypada wówczas wzmocnienie najdłuższych fal o 6 dB (nie o 3 dB). Owo wzmacnianie basów jest jednym z przypadków, w których stosuje się „korekcję pomieszczenia”.

Podobny efekt daje jednoczesna praca wielu głośników niskotonowych, które funkcjonują jak powierzchnie odbijające, i każde podwojenie ich liczby przynosi wzmocnienie basów o 6 dB. To także należy zniwelować końcową korekcją.

Powoduje to, z uwagi na występowanie modów, że nie można na tym etapie zastosować mikrofonu pomiarowego w pomieszczeniu, w którym będzie on chwytał dźwięk odbity od wszystkich ścian i/lub ze wszystkich przetworników niskotonowych, ponieważ identyfikowana przezeń odpowiedź w zakresie basów będzie w ogromnym stopniu zależna od punktu ustawienia. Rozwiązanie? Najlepszym instrumentem pomiarowym podczas equalizacji basów jest ucho. Należy dokonać uważnego odsłuchu w wielu miejscach, z użyciem różnego typu sygnałów niskoczęstotliwościowych, a z pewnością uda się określić prawidłowy poziom najniższych częstotliwości.

Z drugiej strony należy pamiętać o tym, że powietrze ma ściśle określoną zdolność absorpcji fal o wysokich częstotliwościach. Jeśli system „strzela” na duży dystans (kilkadziesiąt metrów), to należy uwzględnić ów efekt i optymalnie go zniwelować poprzez podbicie górki na korektorze. Trzeba to jednak zrobić z umiarem, zachowując odpowiedni balans pomiędzy najbliższymi i najdalszymi sektorami nagłaśnianego obszaru. Warto przy tym mieć na uwadze, iż nadmierne podbijanie poziomu wysokich częstotliwości może spowodować, że usmażymy drivery wysokotonowe!

JEDNOLITOŚĆ WYNIKÓW

Opisaną tu metodologię stosuję już od wielu lat i muszę powiedzieć, że sprawdza się ona w 95 procentach przypadków. Można ją stosować dla każdego systemu nagłośnieniowego, a brzmienie pozostanie jednolite niezależnie od akustyki pomieszczenia. Jedynym wyjątkiem są sale o szczególnie silnych modach. Tego rodzaju sytuacje wymagają takiego wystrojenia systemu, że nie będzie on owych modów wzbudzał. Można to osiągnąć poprzez ukształtowanie odpowiedzi częstotliwościowej przy użyciu efektywnych filtrów wycinających.

A zatem, udanego strojenia!

Krzysztof Marecki