Характеристики акустических систем и оценка реального SPL

В индустрии широко используется параметр maximum sound pressure level (максимальный уровень звукового давления, max SPL). По сути, это одно числовое значение, которое должно отражать максимальную громкость акустической системы. Формально такая характеристика выполняет свою задачу. Однако способ ее определения слабо связан с реальными условиями эксплуатации, из-за чего практическая ценность оказывается минимальной. В итоге цифра существует сама по себе и мало говорит о том, как система поведет себя в работе.

Поэтому имеет смысл подойти к вопросу иначе: определить реальные пределы работы конкретных акустических систем и на основе этого сформировать набор характеристик, который действительно помогает понять их поведение в реальных условиях.

Тестовые сигналы

Прежде чем переходить к измерениям, важно определить, какой именно сигнал будет подаваться на акустические системы в ходе тестирования. От выбора материала напрямую зависит результат, поэтому игнорировать этот момент нельзя.

Один из самых жестких и требовательных тестовых сигналов — синусоидальная волна. В диапазоне частот, немного превышающую нижнюю резонансную границу, диффузор динамика совершает колебания с максимальной амплитудой. Именно в этой зоне акустическая система, как правило, первой демонстрирует свои ограничения — будь то по ходу диффузора, по мощности или по искажению. По этой причине я буду использовать именно такой метод: синусоидальный сигнал на частоте, выбранной таким образом, чтобы создать для акустической системы максимально сложные условия работы. 

Музыкальный сигнал состоит из множества частот, которые постоянно появляются и исчезают. В реальной программе нагрузка распределяется во времени, поэтому акустическая система, прошедшая испытание в худшем случае с синусом, вполне может показать более высокий уровень звукового давления при воспроизведении музыки, если материал подобран грамотно. Исходя из этого, характеристики, которые я буду формировать, ближе по смыслу к принципу, применявшемуся в эпоху тяжелых туровых усилителей: «Каждое устройство должно соответствовать или превышать заявленные минимальные параметры».

На практике подобный подход означает следующее: отдельные музыкальные сигналы могут звучать на несколько децибел громче заявленного уровня, однако даже при подаче максимально тяжелого тестового сигнала — синуса в критической области — акустическая система все равно обязана обеспечить заявленный уровень звукового давления.

Сегодня среди профессионалов почти не осталось тех, кто всерьез воспринимает значения peak SPL. И в этом есть определенная доля разочарования: индустрия настолько увлеклась маркетинговой гонкой цифр, что сами значения во многих случаях утратили смысловую нагрузку. Перед нами редкая возможность вернуться к более честной и полезной системе оценки.

Случай 1 — пассивная акустическая система

В качестве первого примера я рассматриваю относительно старую пассивную акустическую систему формата 12 дюймов, двухполосной конфигурации. Максимальный уровень SPL не указан, однако есть информация о чувствительности — 98 дБ при подводимой мощности 1 ватт, а также номинальную программную мощность 700 ватт. Если опираться на теорию, подобные параметры должны давать максимальный уровень порядка 126,5 дБ.

В конструкции используется достаточно надежный компрессионный драйвер с разделом частот около 3 кГц. Из этого логично сделать вывод: при работе с обычным музыкальным материалом первым в зону перегрузки войдет именно 12-дюймовый низкочастотный динамик. Быстрый анализ кривой импеданса подтверждает настройку фазоинвертора на уровне 60 Гц, а внутренний объем корпуса составляет примерно 40 литров (около 1,4 кубического фута).

Уже имеющихся данных достаточно, чтобы загрузить параметры динамика в симуляционную программу и посмотреть, что происходит в реальности. Запас линейного хода диффузора выглядит вполне солидно — около 5,5 мм в одну сторону. При таком значении система способна воспроизводить низкие частоты на вполне рабочем уровне: около 121 дБ на 84 Гц при подводимой мощности чуть более 200 ватт.

Если сравнивать с активной системой, о которой пойдет речь дальше, отставание примерно на 5,5 дБ нельзя назвать критичным. Однако при подключении усилителя, способного отдать рекомендованные 700 ватт, и при использовании музыкального материала с высокой концентрацией энергии в районе 85 Гц ситуация резко меняется. В подобных условиях динамик попытается совершать ход порядка 10 мм в одну сторону — почти вдвое больше допустимого значения. Очевидно, долго в таком режиме он не проработает.

Логичный выход — подключение сабвуфера. В таком варианте 12-дюймовый динамик освобождается от наиболее тяжелой задачи — воспроизведения низкочастотного диапазона — и получает дополнительный запас по уровню (headroom).

В живом звуке наиболее распространенным вариантом активного кроссовера остается фильтр Линквица–Райли четвертого порядка. Популярность объясняется сразу несколькими причинами: ровное суммирование полос и совпадение фаз в точке раздела. При установке частоты кроссовера на уровне 100 Гц поведение динамика становится значительно более контролируемым. Даже при подводимой мощности 700 ватт ход диффузора достигает всего около 5 мм в районе 115 Гц. С большой вероятностью система сохраняет приемлемое качество звучания даже при столь серьезной нагрузке. Симуляция также показывает, что выше частоты раздела акустическая система способна обеспечивать уровень порядка 126 дБ.

На основании полученных данных можно сделать вполне конкретный вывод: данная акустическая система действительно способна выдавать пиковые значения около 126 дБ и при этом сохранять приемлемое качество звучания — но только при использовании совместно с сабвуфером. При работе без поддержки в нижнем диапазоне, вплоть до 60 Гц, можно рассчитывать примерно на 121 дБ пикового уровня.

Подобный способ оценки достаточно удобен для пассивных систем. С активными акустическими системами ситуация значительно сложнее. В их конструкции используется развитая цифровая обработка сигнала, включая частотно-зависимые компрессоры и защитные алгоритмы, которые предотвращают механические повреждения и одновременно позволяют извлечь максимум возможного уровня звукового давления.

Случай 2 — активная акустическая система

Следующий объект тестирования — двухполосная акустическая система с 10-дюймовым динамиком. Пиковая мощность 700 ватт и около 325 ватт в непрерывном режиме. В спецификациях также указаны максимальный уровень 129 дБ и рабочий диапазон частот от 55 Гц до 20 кГц (с допуском −10 дБ).

Выбор оказался не случайным. Во-первых, внутри реализовано развитое DSP-управление. Во-вторых, стоимость находится на доступном уровне. В-третьих, экземпляр оказался под рукой, без риска повредить дорогое оборудование. Наконец, перед нами типичный представитель категории, где подобные характеристики встречаются повсеместно.

Перед началом измерений я провел моделирование высококлассного 10-дюймового динамика в аналогичном корпусе. Чтобы достичь уровня около 129 дБ, требовался ход диффузора немного более 20 мм в одну сторону. Значение выходит за пределы Xmech — механического лимита перемещения диффузора. Уже на этом этапе становится очевидно: заявленные 129 дБ не могут быть достигнуты во всем диапазоне частот.

Чтобы сохранить здравый смысл и не рисковать динамиками, я отключил излучатели и подключил эквивалент нагрузки с соответствующим сопротивлением. Это позволило измерить сигнал на выходе усилителя и зафиксировать работу встроенной DSP-обработки — со всеми ее ограничителями и коррекциями.

Первые частотные прогонки дали довольно показательный результат. В режиме фронтальной работы (FOH) в области низких частот присутствует подъем примерно на 12 дБ с максимумом около 67 Гц. Чтобы исключить влияние эквализации, начальное измерение использовалось для калибровки: слабый сигнал приводился к линейной характеристике, после чего любые отклонения при увеличении мощности становились хорошо заметны.

Каждый тест представлял собой серию прогонов с постепенным увеличением уровня — от минимального до момента, когда индикатор «limit» загорается непрерывно, сигнализируя об исчерпании доступной мощности. Стоит учитывать: используемое программное обеспечение запускает свип с низких частот, постепенно поднимаясь вверх.

На первом этапе (см. «Рисунок 1») при увеличении уровня на 10 дБ относительно базовой линии появляется легкая нестабильность около 75 Гц — первый признак приближения к пределу. После определения этой точки мощность увеличивалась шагами по 3 дБ (что соответствует удвоению мощности), а затем — более точно, с шагом в 1 дБ.

Если рассмотреть поведение подробнее, становится заметно постепенное развитие компрессии в районе 75 Гц по мере роста мощности. В определенный момент достигается предел, при котором дальнейшее увеличение уровня уже не приводит к росту звукового давления на этой частоте.

Отдельно стоит отметить поведение индикатора «limit». Он начинает активно работать лишь на последних двух прогонах — в тот момент, когда в области выше нескольких сотен герц уровень уже снижается. Причина — включение RMS-лимитеров (ограничителей по среднеквадратическому значению сигнала), защищающих 10-дюймовый динамик от длительной тепловой перегрузки.

При этом наблюдается существенное расхождение: между первыми признаками компрессии в низкочастотной области и срабатыванием индикатора «limit» — около 24 дБ. Разница огромная. Более того, примерно 11 дБ проходит между моментом жесткого ограничения баса и включением красного индикатора. Из этого следует важный вывод: при воспроизведении широкополосного музыкального сигнала ощутимый дефицит низких частот появится значительно раньше, чем система сообщит о перегрузке с помощью индикатора.

Как и в предыдущем примере, логично проверить вариант с разгрузкой низкочастотного диапазона — передав его сабвуферу. В данной модели предусмотрен переключатель, активирующий высокочастотный фильтр с частотой среза 120 Гц. При его включении картина заметно улучшается («Рисунок 2»). Компрессия в области ниже 200 Гц все еще присутствует при росте мощности, однако выражена значительно слабее по сравнению с работой в полном диапазоне.

Краткая проверка высокочастотного тракта (компрессионного драйвера) подтверждает первоначальное предположение: основным ограничивающим элементом остается 10-дюймовый динамик. Усилитель ВЧ-секции также начинает ограничивать сигнал при высокой нагрузке, но к этому моменту низкочастотный тракт уже находится глубоко в зоне лимитирования. Дополнительные тесты для ВЧ-секции не проводились, поскольку общая картина стала очевидной.

Итог выглядит следующим образом. При работе в полном диапазоне акустическая система довольно рано демонстрирует компрессию в области низких частот. При использовании сабвуфера запас по уровню существенно возрастает, а поведение становится более стабильным.

Практическая интерпретация проста: система подходит для работы с акустическими исполнителями или в конфигурациях с сабвуфером. В автономном режиме — например, при использовании диджеями или живыми группами — ограничения проявляются довольно быстро и становятся заметны уже на средних уровнях громкости.

Результаты

Полученные данные показывают достаточно очевидную вещь: для корректного описания подобных акустических систем одного параметра недостаточно. Нужны как минимум две характеристики.

Первая — для работы в полном диапазоне, когда система воспроизводит весь спектр частот.

Вторая — для режима с включенным high-pass фильтром. Данный вариант отражает реальную эксплуатацию с сабвуфером или с материалом, где нет необходимости воспроизводить глубокий бас. Поскольку предельный уровень почти всегда ограничен именно низкочастотным динамиком, снижение нагрузки внизу позволяет получить более высокий SPL.

Перейду к расчету характеристик для активной системы. В момент начала лимитирования усилитель выдает около 30 В RMS. При номинальном сопротивлении 4 Ом это соответствует примерно 250 ваттам. Используя параметры Тиля–Смолла для данного динамика, можно построить достаточно точную модель.

При максимальной мощности, если не учитывать дополнительную обработку в области низких частот, ход диффузора превышает 7 мм в одну сторону. Значение выглядит умеренным, однако на практике подобное доступно только для действительно качественных 10-дюймовых динамиков. Большинство моделей выходит из линейного режима примерно вдвое раньше.

После начальной мягкой компрессии в басу включается жесткое ограничение — примерно на 11 дБ ниже максимального уровня. Если пересчитать: 30 В минус 11 дБ дают около 8,5 В. При таком сигнале диффузор смещается чуть более чем на 2 мм в одну сторону, то есть работает уверенно в линейной зоне. 

Поскольку раньше всего лимитирование возникает на частоте около 75 Гц, измерение SPL необходимо проводить именно там. В данном случае получается 106 дБ. Такой уровень система гарантированно обеспечивает при подаче синусоидального сигнала на этой частоте. На других частотах значение может быть выше, так как DSP ограничивает сигнал менее агрессивно.

Теперь рассмотрим вариант с фильтром. По графикам видно, что используется фильтр Баттерворта третьего порядка с точкой −3 дБ на 120 Гц.

В области ниже 200 Гц остается небольшая компрессия, которая уменьшает уровень примерно на 5 дБ по мере приближения к пределу. При включенном фильтре ход диффузора достигает около 2,5 мм на частоте 125 Гц. В результате акустическая система выдает примерно 113 дБ на 125 Гц. Для сравнения: изначально заявлено 129 дБ.

Как формируются такие характеристики

Процедура выглядит следующим образом:

• определяется частота, на которой раньше всего появляется компрессия или лимитирование;
• подается сигнал на этой «самой тяжелой» частоте (в данном случае 75 Гц);
• фиксируется уровень SPL на этой частоте (при отсутствии безэховой камеры используется моделирование);
• указывается рабочий диапазон частот системы.

Последний пункт критически важен. Акустическая система, способная играть очень громко, но только от 90 Гц, может оказаться менее полезной, чем модель с более глубоким диапазоном.

Итоговые характеристики

Активная акустическая система:

• SPL в полном диапазоне — 106 дБ (55 Гц – 20 кГц, −10 дБ) 
• SPL в средне-высокочастотном диапазоне — 113 дБ (при включенном фильтре 120 Гц) 

Пассивная акустическая система:

• SPL в полном диапазоне — 121 дБ (45 Гц – 20 кГц, −10 дБ) 
• SPL в средне-высокочастотном диапазоне — 126 дБ (фильтр Linkwitz–Riley 4-го порядка, 100 Гц) 
• Рекомендуемая мощность усилителя — 700 Вт при 8 Ом

Заключение

Для рассматриваемых акустических систем такие значения являются вполне достижимыми. Более того, при работе с музыкальным материалом на подобных уровнях можно ожидать вполне адекватное качество звучания. Именно поэтому подобная форма описания характеристик оказывается действительно полезной. Она во многом напоминает спецификации, применявшиеся для туровых усилителей прошлых лет: «Каждое устройство должно соответствовать или превышать заявленные минимальные параметры». В отношении данных усилителей не возникало сомнений — заявленная мощность гарантированно обеспечивалась.

Если рассматривать активную акустическую систему, при работе в полном диапазоне уровень достигает примерно 106 дБ с сохранением приемлемого качества звучания. При снятии нагрузки в низкочастотной области уровень увеличивается до 113 дБ, при этом система ведет себя стабильно и предсказуемо.

Хочу еще раз подчеркнуть мысль, озвученную в материале. В профессиональной среде выбор оборудования нередко строится на слухах и кратких демонстрациях, проведенных в далеко не идеальных условиях. Причина очевидна — характеристики, которые предлагаются производителями, часто не дают действительно полезной информации. Поэтому подход к выбору оборудования должен быть более тщательным.

Источник:https://www.prosoundweb.com/finding-the-limits-pursuing-useful-loudspeaker-specs-including-spl/