Акустические измерения, часть 1. Измеряем АЧХ подручными средствами
Написал свою первую статью на geektimes.
Здесь - её "журнальная" версия.
Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape, у которых, согласно инструкции, имеется переключение эквалайзера. Напоминаю, эквалайзер изменяет тембр звучания, добавляя или убирая громкость в определённых диапазонах звука (басы, средние частоты, высокие частоты), что иногда позволяет настроить звук по вкусу. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их.
Наша цель - выяснить это при помощи измерений. Мы измерим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников - это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие - тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры. В общем-то, это очень напоминает школьную лабораторную работу по физике - с той разницей, что здесь время не ограничено 45 минутами и никто не снижает оценку за неправильный цвет чернил в отчёте.
Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука - какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.
(Под катом - много картинок).
Подготовка
Вот такой микрофон у меня нашёлся среди хлама. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.
Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.
У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:
Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:
Windows - немецкий, уж извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.
Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал - так называемый розовый шум. Розовый шум - это звук, содержащий весь спектр частот, причём с одинаковой громкостью по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).
Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:
Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):
Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:
Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса - хорошо, а для измерений будет только мешать.
Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA - по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.
При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:
Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху - примерно так наушник охватывает человеческое ухо:
Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Фух, можно начинать.
Измерения
Запускаем программу TrueRTA и видим:
Основная часть окна - поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа - настройки графиков и измерений. Сверху - ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики:
Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать столько измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).
Сделав настройки, производим первое измерение - это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:
Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:
Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -50dBu, и выставляем нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала:
Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.
Включаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10...0dBu:
Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.
Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню или нажав Alt+1):
В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 включать или отключать показ этих графиков на экране.
Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.
Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый - синим:
Останавливаем измерение (плеер можно не останавливать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.
Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:
Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (это если присмотреться):
Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!
На этом, в принципе, можно заканчивать лабораторную работу и писать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет. (Теперь понятно, почему его не получалось услышать). Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже как-то вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?
Бонусные измерения
Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:
И вот результат измерений:
Вот это другое дело! Новый график заметно отличается от старых. Занесём его тоже в память (у меня получился номер памяти 6) и найдём разность между новым графиком и эталонным, TrueRTA это умеет (меню Utilities -> Difference):
Вычитаем из графика номер 6 график номер 1 и помещаем результат в память номер 12. Убираем остальные графики с экрана кнопочками Mem1, Mem2 и т. д., оставляем только Mem12:
Не правда ли, эта кривая приблизительно напоминает то, что обещал эквалайзер?
Выключаем эквалайзер, с ним всё понятно. А ещё я говорил вначале, что нельзя двигать наушники и микрофон между измерениями. А что будет, если сдвинуть на сантиметр?
Смотрите-ка, от сдвига график слегка изменился: басов поубавилось, верхов добавилось. Это говорит, скорее всего, о том, что у микрофона различная чувствительность к звукам, приходящим с разных направлений (это называется диаграммой направленности).
Проведём ещё один опыт: измерим звучание, отказавшись от закрытого объёма. Вот так:
И что же мы видим в результате?
Куда пропали все наши басы? Вы их случайно не видели?
Здесь - её "журнальная" версия.
Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape, у которых, согласно инструкции, имеется переключение эквалайзера. Напоминаю, эквалайзер изменяет тембр звучания, добавляя или убирая громкость в определённых диапазонах звука (басы, средние частоты, высокие частоты), что иногда позволяет настроить звук по вкусу. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их.
Наша цель - выяснить это при помощи измерений. Мы измерим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников - это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие - тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры. В общем-то, это очень напоминает школьную лабораторную работу по физике - с той разницей, что здесь время не ограничено 45 минутами и никто не снижает оценку за неправильный цвет чернил в отчёте.
Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука - какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.
(Под катом - много картинок).
Подготовка
Вот такой микрофон у меня нашёлся среди хлама. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.
Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.
У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:
Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:
Windows - немецкий, уж извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.
Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал - так называемый розовый шум. Розовый шум - это звук, содержащий весь спектр частот, причём с одинаковой громкостью по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).
Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:
Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):
Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:
Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса - хорошо, а для измерений будет только мешать.
Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA - по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.
При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:
Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху - примерно так наушник охватывает человеческое ухо:
Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Фух, можно начинать.
Измерения
Запускаем программу TrueRTA и видим:
Основная часть окна - поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа - настройки графиков и измерений. Сверху - ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики:
Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать столько измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).
Сделав настройки, производим первое измерение - это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:
Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:
Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -50dBu, и выставляем нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала:
Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.
Включаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10...0dBu:
Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.
Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню или нажав Alt+1):
В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 включать или отключать показ этих графиков на экране.
Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.
Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый - синим:
Останавливаем измерение (плеер можно не останавливать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.
Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:
Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (это если присмотреться):
Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!
На этом, в принципе, можно заканчивать лабораторную работу и писать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет. (Теперь понятно, почему его не получалось услышать). Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже как-то вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?
Бонусные измерения
Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:
И вот результат измерений:
Вот это другое дело! Новый график заметно отличается от старых. Занесём его тоже в память (у меня получился номер памяти 6) и найдём разность между новым графиком и эталонным, TrueRTA это умеет (меню Utilities -> Difference):
Вычитаем из графика номер 6 график номер 1 и помещаем результат в память номер 12. Убираем остальные графики с экрана кнопочками Mem1, Mem2 и т. д., оставляем только Mem12:
Не правда ли, эта кривая приблизительно напоминает то, что обещал эквалайзер?
Выключаем эквалайзер, с ним всё понятно. А ещё я говорил вначале, что нельзя двигать наушники и микрофон между измерениями. А что будет, если сдвинуть на сантиметр?
Смотрите-ка, от сдвига график слегка изменился: басов поубавилось, верхов добавилось. Это говорит, скорее всего, о том, что у микрофона различная чувствительность к звукам, приходящим с разных направлений (это называется диаграммой направленности).
Проведём ещё один опыт: измерим звучание, отказавшись от закрытого объёма. Вот так:
И что же мы видим в результате?
Куда пропали все наши басы? Вы их случайно не видели?