CC BY-NC
38
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-272-276 УДК 681.84
А.И. Кулебакин
Санкт-Петербургский государственный институт кино и телевидения, Санкт-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА КАЧЕСТВО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Приведены результаты исследования влияния импульсных характеристик (ИХ) громкоговорителя на качество звуковоспроизведения. Проведенные сравнительные испытания акустических систем, идентичных по частотным характеристикам, на базе громкоговорителей с различными ИХ позволили выявить прямую корреляцию между индексами артикуляционной разборчивости и ИХ электроакустических преобразователей (ЭАП), что, в свою очередь, показывает необходимость разработки методики оценки качества звуковоспроизведения ЭАП на основе его ИХ. Ключевые слова: импульсная характеристика, громкоговоритель, акустическая система, корреляция субъективных и объективных параметров, оценка качества звуковоспроизведения в реверберационной камере, артикуляционные измерения громкоговорителя.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-272-276 UDC 681.84
A. Kulebakin
St. Petersburg State University of Film and Television, St. Petersburg, Russia
PULSE CHARACTERISTICS OF LOUD-SPEAKERS AND THEIR EFFECT ON AUDIO REPRODUCTION FIDELITY
This paper studies the effect of pulse parameters of loud-speakers in terms of sound reproduction fidelity , Comparative studies-of various acoustic systems with identical frequency parameters (loud-speakers with different pulse parameters) identified a direct correlation between their articulation distinctness indices and pulse characteristics, which, in its turn, highlights the necessity of developing an assessment procedure for their sound reproduction fidelity based on pulse characteristics. Keywords: pulse characteristic, loud-speaker, acoustic system, correlation of subjective and objective parameters, assessment of sound reproduction fidelity in reverberation chamber, articulation measurements. Author declares lack of the possible conflicts of interest.
С первых открытий и патентов, положивших начало мировой электроакустике, прошел почти век. За это время было создано множество преобразователей электрических колебаний в акустические. Самыми качественными, удобными и рациональными оказались электродинамические громкоговорители (ГГ). Первый патент на такой вид ГГ был оформлен Ч. Райзом и Э. Келлогом в 1924 г. В течение XX в.
менялись характеристики составных элементов, но принципиально конструкция электродинамического преобразователя оставалась неизменной.
Основными параметрами, влияющими на качество звуковоспроизведения, считаются:
■ неравномерность амплитудно-частотных характеристик (АЧХ);
■ фазо-частотные характеристики (ФЧХ);
Дм цитирования: Кулебакин А.И. Исследование влияния импульсных характеристик электроакустических преобразователей на качество звуковоспроизведения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 272-276.
For citations'. Kulebakin A. Pulse characteristics of loud-speakers and their effect on audio reproduction fidelity. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 272-276 (in Russian).
■ нелинейные искажения;
■ температурная компрессия;
■ параметры Тиля и Смолла.
Остальные характеристики считаются вторичными. Теоретическая база этих параметров основана на исследованиях Д. фон Бекеши, Г. фон Гельм-гольца, Г. Флетчера, В. Мансона и других ученых конца XIX и первой половины XX вв.
Определение этих параметров основано на измерении реакции ГГ на приложенный синусоидальный сигнал, т.к. он проще всего описывается математически и позволяет определить влияние каждого из элементов звукового тракта и электромеханического преобразователя. В то же время, обратившись к первичным звуковым сигналам, мы обнаружим, что подавляющее большинство звуков в природе имеют импульсную основу. В сигналах музыкальных инструментов (за исключением органа, баяна и некоторых других язычковых инструментов) также преобладают импульсные составляющие. Получается, что первичные сигналы в корне отличаются от тех, которые применяют в качестве измерительных в электроакустической метрологии.
В статье К. Холлонда и Ф. Ньюэла «Исследование импульсного отклика громкоговорителей» (1989 г.) впервые было указано на необходимость измерения импульсных характеристик (ИХ) и их публикации [1]. Этот вывод был сделан на основании исследования, выявившего идентичность кривых распределения Вигнера у совершенно разных видов ГГ, имеющих разные ФЧХ, АЧХ и параметры Тиля и Смолла. Тогда основной аргумент «против» заключался в том, что временные характеристики всех мониторов сильно отличались от идеальных (кроме электростатических излучателей Quad ESL). Даже сейчас временной целостности сигнала не уделяется должного внимания, что привело к застою в развитии методов оценки качества акустических систем (АС).
Не менее важным условием качественного звучания является необходимость акустической обработки помещения для оптимизации акустической обстановки. В разрез с этим подходом идут многочисленные случаи из практики установки АС в различных залах. Например, в Мраморном дворце естественная речь человека имеет разборчивость 100 % на другом конце зала (около 24 м), несмотря на реверберацию. Но речь человека, прошедшая через электроакустический тракт и воспроизведенная даже самыми высокоточными громкоговорителями, не дает такой же разборчивости. Так что же все-таки больше влияет на качество звуковоспро-
изведения: акустическое оформление помещения или сама акустическая система?
Исходя из вышеперечисленных проблем и вопросов, были проведены разработка и сравнительные испытания АС, идентичных по частотным характеристикам, на базе ГГ с различными ИХ. Были спроектированы и изготовлены 3 вида громкоговорителей для АС на их основе (двухполосная, широкополосная, коаксиальная). В табл. 1, 2 представлены конструктивные и электроакустические характеристики громкоговорителей соответственно. В качестве СЧ-ВЧ-головки1 использовался ЭАП BMS 4540(1"). Все три системы поочередно устанавливались в одно и то же акустическое оформление в виде жесткого ящика с двумя фазоинвертора-ми и звукопоглотителем объемом 157,5 л.
Двухполосная система включает в себя 2 электроакустических преобразователя (ЭАП) разных частотных диапазонов - НЧ 12" и СЧ-ВЧ 1", - расположенных на параллельных горизонтальных осях и на одной вертикальной оси. Широкополосная система включает в себя один широкополосный ЭАП 12". Коаксиальная система включает в себя 2 ЭАП разных частотных диапазонов - НЧ-СЧ 12" и СЧ-ВЧ 1", - расположенных соосно.
Для оценки качества звуковоспроизведения и проверки теории о значении ИХ ГГ были проведены субъективные измерения разборчивости передаваемой речи с помощью воспроизведения артикуляционных таблиц. Таблицы зачитывал профессиональный диктор, оценка производилась пятью слушателями. За основу был взят метод, подробно описанный в ГОСТ 16600-72 [2]. Испытания проводились в реверберационной камере, т.е. в условиях крайней гулкости, что упрощает процесс выявления недостатков АС. На рис. 1 показана схема рассадки слушающих экспертов при проведении артикуляционных испытаний, а на рис. 2 - схема акустического тракта, используемого при проведении испытаний.
По результатам артикуляционных измерений (табл. 3) определены слоговая, словесная и смысловая разборчивость передаваемой речи для трех типов АС. Для подтверждения достоверности артикуляционных измерений измерен индекс передачи речи STI (Speech Transmission Index) - способ аппаратной оценки разборчивости речи, оценивающий передачу модуляционной передаточной функции акустической системой. STI основывается на модуляционном подходе
1 Здесь и далее: НЧ - низкочастотный, СЧ - среднеча-стотный, ВЧ - высокочастотный.
Таблица 1. Основные конструктивные характеристики 12" электроакустических преобразователей
Table 1. Main parameters of 12" loudspeakers
^^^^ДТоказатели Виды АС^^^^^ НЧ ГГ НЧ-СЧ ГГ Широкополосный ГГ
Диаметр звуковой катушки, мм 75 51 44
Высота намотки, мм 20 18 12
Высота рабочего зазора, мм 12 10 10
Материал звукового провода Медь Медь Алюминий
Материал магнита Феррит Феррит Неодим
Таблица 2. Основные электроакустические характеристики 12" электроакустических преобразователей
Table 2. Main electroacoustic parameters of 12" loudspeakers
—^Показатели Виды АС —^^ НЧ ГГ НЧ-СЧ ГГ Широкополосный ГГ
Реальное сопротивление, Ом 6,8 6,5 5,9
Эффективный диапазон частот, кГц 0,05-3,0 0,04-7,0 0,02-22,0
Мощность RMS, Вт 700 250 60
Средний уровень звукового давления, дБ (1 Вт/1 м) 98 100 100
Индукция в зазоре магнитной цепи, Тл 1,33 1,35 2,35
Максимальное звуковое давление, дБ (при 1 Вт на расстоянии 1 м) 107 110 110
2 M
db
О - точка установки микрофона
- места слушателей * - акустическая система
Рис. 1. Схема расположения
слушающих экспертов
Fig. 1. Locations of listeners (experts)
D-Ю-
Портативный рекодер ZOOM H4n
PIONEER CDJ-900
Усилителькласса D HYPEX PSC 2.400d
N
Стабилизатор напряжения
Аку стиче екая система
Рис. 2. Блок-схема звукового тракта
для проведения испытаний
Fig. 2. Flow chart of acoustic channel used in the tests
JíM fe ÉLii ü i I i I й
Рис. 3. Спектр тестовой записи речи диктора Fig. 3. Spectrum of test voice recording
к измерению разборчивости речи, определяется и рассчитывается исходя из ИХ-системы. Индекс охватывает октавные полосы в диапазоне 125-8000 Герц. Результаты измерения индексов приведены в табл. 3.
Индексы STI подтверждают полученные значения артикуляционной разборчивости речи, что позволяет говорить о точности результатов измерений. Индекс измерялся с помощью системы электроакустического анализа CLIO fw-01 компании Audiomatica. Он рассчитывается по формуле
STI:
(С/AQ,7+15 30
(1)
где S/N - отношение сигнал/шум для 98 частот модуляции в 7 октавных полосах.
Несмотря на диапазон оценивания до 8 кГц, индекс передачи речи позволяет произвести корректную оценку передачи речи, т.к. основная плотность спектра речи наблюдается в интервале до 6 кГц (рис. 3).
Импульсный отклик, характеризующий систему, можно получить только в ближнем поле (1 см от колпака). Лишь так можно выявить и проанализировать собственные колебания подвижной системы ирезонансы ее основных частей. На спектре тестового сигнала речи (рис. 3) видно, что сигнал имеет плотность в НЧ-диапазоне; значит, рассматривать стоит в первую очередь ИХ динамиков (НЧ и НЧ-
Таблица 3. Результаты артикуляционных и аппаратных измерений Table 3. Results of articulational and hardware measurements
^^\Ооказатели Виды АС^^^. Слоговая разборчивость Di, % Словесная разборчивость Wi, % Смысловая разборчивость, % Среднеквадратичные отклонения oD (gW), % Индекс передачи речи STI
Двухполосная 85,05 92,6 80 3,49 (4,46) 0,88
Коаксиальная 88,35 93,7 82 2,16 (3,23) 0,91
Широкополосная 91,73 93,1 89 2,01 (3,45) 0,93
СЧ). Поэтому рассмотрим ИХ НЧ, НЧ-СЧ и широкополосного громкоговорителей в ближнем поле (рис. 4). Сравнение скоростей нарастания фронта и длительности импульса показано в табл. 4.
Длительность электрического импульса, подаваемого на клеммы ГГ, составляет 10-12 мкс. Соответственно, чем короче импульс, излучаемый ГГ, тем больше точность звукопередачи. Также известно, что чем короче импульс, тем шире спектр частот, в которых он может быть измерен. Полученные результаты это доказывают.
Прослеживается прямая корреляция между параметрами ИХ-динамиков и результатами субъективных и объективных экспертиз, что является доказательством выдвинутой теории.
Результаты артикуляционных измерений полностью соответствуют результатам аппаратных измерений индекса передачи речи, тем самым подтверждая безошибочность полученных значений. Найденные импульсные характеристики ГГ демонстрируют прямую корреляцию времени нарастания фронта волны и артикуляционной разборчивости.
Широкополосная акустическая система дала наилучшие показатели разборчивости в гулком помещении, продемонстрировав существенное отличие ИХ от двух других видов АС.
Полученные результаты подтверждают необходимость опираться на виды ИХ преобразователей при разработке и подборе материалов как для ЭАП в воздушной среде, так и в водной.
Отдельно стоит отметить, что в условиях ревер-берационной камеры были получены показатели индекса передачи речи, выходящие за рамки существующих представлений о звуке. Помимо всего прочего это подтверждает то, что при получении ИХ, очень близкой к изначально поданной на ГГ, можно обеспечить воспроизведение звука, максимально приближенного к исходным источникам. Значит, при озвучивании подводной среды бассейнов можно добиться
7,0 5,0 3,0
1,0 -1,0 -3,0
Па ( хю"
-з
•2
Г __1
11
/vWv
мс
0 0,51 1,0 1,5 2,0 2,5 3,1 3,6 4,1 4,6 5,1
Рис. 4. Импульсные характеристики трех 12" громкоговорителей: 1 - низкочастотный громкоговоритель; 2 - низко-среднечастотный громкоговоритель; 3 - широкополосный громкоговоритель
Fig. 4. Pulse characteristics of three 12" loudspeakers: 1 - low-frequency loudspeaker; 2 - low- and medium-frequency loudspeaker; 3 - broadband loudspeaker
Таблица 4. Характеристики импульсов трех видов динамиков
Table 4. Pulse characteristics for three types of loudspeakers
^\Показатели НЧ ГГ двух- НЧ-СЧ ГГ коаксиальной АС Широкополосный ГГ
Виды АС\. полосной АС
Скорость нарастания фронта, Па/мс 3,5 68 135
Длительность импульса, мс 0,35 0,13 0,07
Время
нарастания фронта волны, 0,23 0,05 0,04
мс
значений разборчивости речи, превосходящих полученные в исследовании, т.к. водная среда обладает объемным модулем упругости К = 2200 МПа, а воздух К = 0,142 МПа. При большей упругости расстоя-
ния между частицами среды меньше, а значит, потери
сигнала при сжатиях и разряжениях также будут
меньше.
Библиографический список
1. Newell P.R., Holland КЯ. Impulse testing of monitor loudspeakers // Proceedings of the institute of acoustics, reproduced sound 5 conference. Windermere, UK, 1989. Vol. 1. Part 7. P. 269-275.
2. ГОСТ 16600-72. Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных измерений. М.: Государственный комитет стандартов Совета министров, 1973.
3. Мясникова Е.Н. Объективное распознавание звуков речи. Л.: Энергия, 1967.
4. Уваров В.К Основы физиологии восприятия и психофизические измерения. Учебное пособие. СПб.: Издательство СПбГУКиТ, 2000.
5. ANSI S3.5-1997. American national standard methods for calculation of the speech intelligibility index. N.Y., 1997.
6. Акустика: справочник / Под ред. М.А. Сапожкова. VI.: Радио и связь, 1989.
7. Методическое пособие по курсу «Электроакустика и звуковое вещание». 4.1. Громкоговорители. Таганрог: Изд-во ТТЛ ЮФУ, 2007.
8. Вахитов Я.Ш., Смирнова НА. Расчет и проектирование кинотеатральных громкоговорителей». Вып. 1. Низкочастотный громкоговоритель. Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию. СПб.: Изд-во СПбГУКиТ, 2000.
9. ДидкоескийВ.С., ДидковскаяМ.В., ПродеусА.Н. Акустическая экспертиза каналов речевой коммуникации. Киев: Имекс-ЛТД, 2008.
10. Акустика: учебник для вузов / Под. ред. Ю.А. Ковалги-на. М.: Горячая линия - Телеком, 2009.
11. Сайг компании Audiomatica [Электронный ресурс] // URL: http://www.audiomatica.com/wp/ (дата обращения: 16.06.2019).
12. Сайт компании Supravox [Электронный ресурс] // URL: https://www.supravox.fr/ (дата обращения: 16.06.2019).
13. Сайт компании Visaton [Электронный ресурс] // URL: http://www.visaton.de/ (дата обращения: 16.06.2019).
14. Сайт компании Eminence [Электронный ресурс] // URL: http://www.eminence.com/ (дата обращения: 16.06.2019)..
15. Сайт компании EVM [Электронный ресурс] // URL: http://www.evmaudio.ru/ (дата обращения: 16.06.2019)
References
1. Newell P.R., Holland K.R. Impulse testing of monitor loudspeakers // Proceedings of the institute of acoustics, reproduced sound 5 conference. Windermere, UK, 1989. Vol. 1. Part 7. P. 269-275.
2. Standard GOST 16600-72. Voice transmission via radio and telephone channels. Requirements to voice distinctness and
methods of articulation measurements. Moscow, State Committee of Standards attached to the Council of Ministers, 1973 (in Russian).
3. Ye. Myastiikova. Objective recognitions of speech sounds. Leningrad, Energiya, 1967 (in Russian).
4. V. Uvarov. Fundamentals of sensory physiology and psychophysical measurements. Student's guide. St. Petersburg, Publishing House of St. Petersburg State University of Film and Television, 2000 (;>; Russian).
5. ANSI S3.5-1997. American national standard methods for calculation of the speech intelligibility index. N.Y., 1997.
6. Acoustics. Reference book. Under editorship of M. Sapozhkov. Moscow, Radio i svyaz', 1989 (in Russian).
7. Electroacoustics and sound broadcasting. Methodical Guide. Part 1. Loudspeakers. Taganrog, Publishing House of Taganrog Technological University - Southern Federal University, 2007 (in Russian).
8. I d: VaMiitov, N. Smimcn>a. Calculation and design of cinema loudspeakers. Issue Low-fi'equency loudspeaker. Student's guide for term and graduation papers. St. Petersburg, Publishing House of St. Petersburg State University of Film and Television, 2000 (in Russian).
9. K Didlwvsfy, M. Didkovskm'a, A. Prodeus. Acoustic appraisal of voice commimication channels. Kiev, Imex-LTD, 2008 (in Russian).
10. Acoustics. Textbook for university students. Under editorship of Yu. Kovalgin. Moscow, Goryachaya liniya - Tele-kov, 2009 (in Russian).
11. Web site of Audiomatica company, URL: http:// www.audiomatica.com/wp/ (accessed on 16.06.2019).
12. Web site of Supravox company, URL: https:// www.supravox.fr/ (accessed on 16.06.2019).
13. Web site of Visaton company, URL: http://www.visaton.de/ (accessed on 16.06.2019).
14. Web site of Eminence company, URL: http:// www.eminence.com/ (accessed on 16.06.2019).
15. Web site of EVM company, URL: http://www.evmaudio.ru/ (accessed on 16.06.2019).
Сведения об авторе
Кулебакин Антон Игоревич, аспирант СПбГИКиТ. Адрес: 191119, Россия, Санкт-Петербург, ул. Правды, 13. Тел.: 8 991 000-30-41. E-mail: kein.net(S>ya.ru.
About the author
Kulebaldn, Anton /., Post-Graduate, St. Petersburg State University of Film and Television, address: 13, Pravdy St., St. Petersburg, Russia, postcode 191119, tel.: 8 991 000-30-41. E-mail: kein.net(S)ya.ru.
Поступила / Received: 23.05.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Кулебакин А.И.. 2019
