Закон и теория.Когда на соревнованиях по максимальному звуковому давлению (SPL) «огнедышащие» (в смысле децибел) автомонстры извергают из себя (вернее – внутрь себя) громовые раскаты, вопрос о том, как его, давление, измерять, не возникает.
Всё строго по правилам, а правила базируются на знании авторами законов акустики. Раз измеряются «басы», частота которых не должна превышать 100 Гц (это – из правил, а стало быть, закон), то длина звуковой волны намного больше линейных размеров салона (это – из теории, а значит, тем более закон). Измеряется среднее значение звукового давления в салоне, причем так, чтобы свести к минимуму влияние прямого излучения низкочастотных головок или тоннелей фазоинверторов. Напомним читателю, что SPL’ный микрофон в своё штатное место устанавливается на стойке или подставке на оговоренных расстояниях от угла лобового стекла по вертикали и горизонтали на расстоянии 2,5 см у лобового стекла и направлен в стекло. Здесь никакая хитрость не позволит расположить низкочастотный излучатель так, чтобы он «дунул» микрофону прямо в физиономию и принес участнику незаслуженную победу. Измерительный прибор и монитор (если он есть) находятся вне салона автомобиля – для всеобщего обозрения. Закон строг (и человеческий, и физический), несмотря на то, что при этом виде измерений положение микрофона всё же не очень критично, а результаты вполне точны. В общем, всё замечательно.
Несколько иная картина получается при определении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на соревнованиях по качеству звучания (RTA SQ). Измерительный микрофон здесь устанавливается совсем иначе.
Предположим, что микрофон для измерения АЧХ остался на том же месте у стекла, которое он занимает на SPL. Согласно действующим правилам (IASCA, USAC и все их производные до высших порядков), измерения должны проводиться на шумовом сигнале, имеющем, как известно, сплошной спектр. В салоне автомобиля устанавливается равномерное звуковое поле, на языке акустиков называемое «диффузным». Воздействие его на микрофон в этом месте у стекла свободно от низкочастотных стоячих волн, обязательно возникающих в салоне. Плюс к этому достаточно удалено от прямого воздействия громкоговорителей. То есть, в целом, если пока не вдаваться в метрологические подробности, измерительный микрофон действительно воспринимает диффузный звук. Всё нормально, вроде бы можно мерить RTA.
Но это было бы верно для салонов древних «Жигулей», в современных же машинах лобовое стекло сильно удалено от водителя, перед ним простирается «пустыня» в виде торпедо необъятных размеров. На басах это ничего не меняет, а при измерении в широкой полосе – меняет. Установщики в поисках качественной звуковой сцены вовсю (и успешно) пользуются особенностями архитектуры таких машин и выдвигают ВЧ и даже СЧ-головки далеко вперед. Что правильно и приносит свои плоды. Но при измерениях близко расположенные полосные излучатели просто «задуют» находящийся рядом измерительный микрофон, к тому же – только одним (правым) каналом. Ни о какой «диффузности» (а значит, и точности измерений) речь уже, разумеется, идти не может. Другими словами, здесь бы мерили неизвестно что.
Ещё более «интересными» в этом плане являются сильно наклонённые лобовые стёкла, на жаргоне установщиков «лежачие». Около мест их примыкания к торпедо всегда возникают многочисленные резонансные зоны в области «верхней середины». В зависимости от громкости прослушивания их интенсивность, центральные резонансные частоты и даже местоположение варьируются настолько сильно, что не поддаются никакому расчёту. Это спонтанное явление, кстати, очень заметно на слух и воспринимается как периодическое изменение глубины звуковой картины. Мало того, при этом размывается локализация звуковых образов и возникает приводящее установщиков в бешенство состояние, когда «...фазировка... тра-та-та... то ли есть, то ли нет». Можно себе представить, что покажет в этом случае измерительный микрофон, находящийся на штатном, SPL’ном месте.
И если теперь всё же коснуться метрологии, которая является наукой давно уже узаконенной и интернациональной, то уровень звука (в данном случае – шума) даже самым «лояльным», ориентировочным методом (наше название этого мирового стандарта – ГОСТ12.1.028-80) измеряется пятью микрофонами в разных точках, отстоящих от источника не менее чем 0,5 метра. При этом микрофоны должны быть направлены на источник, а не отвёрнуты от него, как в SPL. В «приближенных к боевым» условиях соревнований обходятся одним микрофоном, поэтому особой точности измерения RTA ожидать не приходится, да она и не достигается никогда. Вот ответ на вопрос, почему измерительный микрофон для RTA не может оставаться на SPL’ном месте. А размещается он, как все видели на соревнованиях, на месте водителя, на уровне его головы, на самом, казалось бы, логичном и безукоризненном месте. Но так ли оно безукоризненно? Здесь есть свои проблемы. Немного о них.
Как мерить?Диаграмма направленности стоящего на штатном месте микрофона RTA «круговая», то есть он улавливает звуковые колебания одинаково со всех направлений. И восприятие им звукового поля в салоне по идее должно быть идентично человеческому. По идее. Но на деле это не так.
Находясь ближе к левому боковому стеклу (водительской двери), чем к правому, микрофон фиксирует разность хода звуковых волн, отражённых от этих плоскостей. И при измерениях АЧХ на мониторе спектроанализатора прибора появляются пучности и провалы, которых на самом деле не слышно. По показаниям прибора они есть, а человеческое ухо их не воспринимает. Амплитуда этих «довесков» (на шумовом сигнале меньше, на тональном больше) достигает 3 – 4 дБ. Но самое обидное, что величина эта непостоянна ещё и по частоте и колеблется в зависимости от геометрических размеров салона. Серия экспериментов, проведённых в Акустическом центре МТУСИ, показала, что в самых «маленьких» автомобилях эти частоты обычно лежат в области 1200 – 1800 Гц. В машинах с просторными салонами их спектр снижается в область 800 – 1400 Гц, хотя прямой зависимости здесь нет. «Ну и бог с ним, – скажете вы, читатель. – Что такое эти децибелы?! Ну, один-два лишних перегиба, ну, чуть меньше баллов по RTA...» Не могу с этим согласиться. На самом деле это как раз те несколько баллов, которых иногда не хватает для победы. Это если речь идет о спорте. А если о жизни, то основное назначение RTA-измерений – выявить именно объективные и воспринимаемые на слух огрехи звукового тракта, и здесь важно не только не упустить реально существующие неравномерности, но и не словить «фантомные», вызванные несовершенством методики измерений.
Значит, нужно видоизменять способ измерения. Самый очевидный способ поднять точность измерений, на первый взгляд, прост и правилен. Давайте воспроизведем в натуральную величину человеческую голову. С ушами-микрофонами. Или, в упрощенном варианте, хотя бы поставим два микрофона, разделённых друг от друга звукопоглощающей перегородкой. Тогда всё встанет на свои места, и точность измерений будет достигнута. «А вот и фигушки!» – говорит закон, вернее – практика акустических измерений и психоакустических исследований. Разумеется, такая мысль возникла не вчера, делались опыты, и они уверенно показали: с такой системой точность измерений снижается ещё больше.
В чём же дело? А в том, что левый и правый микрофоны, улавливая звуковое поле с разной амплитудой и временной задержкой, энергетически складывают оба сигнала. То есть обрабатывают полученную информацию самым примитивным образом, по принципу «вали кулем, потом разберем», в то время как наш мозг делает это совсем по-другому, по-умному, пуская в ход сложные алгоритмы психоакустической обработки поступившей от ушей информации.
Как же достигнуть приемлемой точности измерений? Проще всего завесить левое и правое окна чем-нибудь звукопоглощающим или, наоборот, полностью открыть окна – тогда отражения от боковых стёкол исчезнут. Но это нечестно, речь ведь о звуке в автомобиле, а не в чистом поле. Уж не говоря о вопиющем несоблюдении правил, за которое выгонят с соревнований и правильно сделают. Закон строг.
Ну и куда «бедному крестьянину податься»? Выход есть, и достаточно простой: оставить один измерительный микрофон, но сместить его ближе к середине салона, тем самым уменьшив разницу во временных сдвигах отражений от боковых стёкол. Положение микрофона между креслами передних сидений будет более корректным. Но ещё лучше переместить его вверх, к потолку, где влияние отражений будет ещё меньше. Серия экспериментов показала, что наиболее предпочтительным местом для измерительного микрофона является зеркало заднего обзора. Оно имеется у всех автомобилей (если его нет, то, по мнению ГИБДД, и автомобиля нет), и расположено зеркало примерно на одном расстоянии от водителя и переднего пассажира и симметрично относительно задних седоков. Оно смещено вперёд от центра салона, т.е. не попадает ни в основные низкочастотные «стояки», ни в зону прямого воздействия СЧ/ВЧ-излучателей. Измерительный микрофон должен быть развёрнут вниз, в сторону пола, а его капсюль удалён от плоскости потолка не менее чем на 10 см. Измерения АЧХ при таком месте расположения микрофона RTA более точны, лучше коррелированы с субъективным восприятием звучания, что облегчает жизнь и участникам, и судьям, и исследователям.
Что мерить?Теперь давайте на время уйдём от рассуждений, ГДЕ измерять, к тому, ЧТО измерять. АЧХ – это понятно. Но, на наш взгляд, недостаточно. Когда разрабатывался метод «Fast Sound Quality (FSQ)», вопрос инструментальных измерений в салоне возник очень остро.
Во-первых, потому что одним из основных принципов метода является проведение прослушивания с одинаковым для всех автомобилей уровнем громкости. То есть его нужно измерять в салоне автомобиля, и достаточно точно.
Во-вторых, в FSQ впервые чётко введена обязательная оценка судьями максимальной неискажённой громкости (МНГ). Подчеркну, громкости, а не звукового давления. Эти физические величины, напомню, совпадают лишь при больших числовых значениях. На практике МНГ является наиболее достоверным критерием реального звукового потенциала аудиоустановки. Мощность усилителей и динамиков здесь – величина второстепенная. Можно, например, применить головки с очень высокой чувствительностью, тогда и их мощность, и мощность усилителей могут быть малыми, а громкость – высокой. Это – то самое «громко и чисто», с которого начинается хорошая аудиосистема в машине. А можно так все ловко поставить, что система начнет вносить слышимые искажения намного раньше, чем достигнут предела ее мощностных возможностей – за счет неправильного выбора акустического оформления, частот раздела, несогласованности компонентов по уровню, некачественной установки и т.д. Масса возможностей, и они нередко воплощаются в жизнь во всей красе, что очевидно при тесте на МНГ. А ведь слушаем не ватты, слушаем звук, по нему и надо ориентироваться.
МНГ определяется комбинированным, объективно/субъективным способом. Четверо судей, находящихся в автомобиле, внимательно слушают специальную музыкальную фонограмму с тестового диска FSQ, постепенно увеличивая её громкость. Когда кто-то из судей начинает замечать на слух нелинейные (или иные заметные) искажения, он молча сообщает всем об этом поднятием вверх руки. При не менее чем двух «проголосовавших» судьях увеличение уровня прекращается, а уровень громкости в салоне фиксируется с помощью измерительного микрофона с шумомером.
После этого громкость уменьшают до величины, на которой затем проходит прослушивание всех тестовых фонограмм. Делается это общепринятым, чисто объективным способом. Воспроизводя дорожку с розовым шумом, судьи регулятором уровня головного устройства добиваются установившегося в салоне уровня громкости в 87 дБС (выбор этого уровня – отдельный разговор, лежащий вне рамок данной статьи). Далее, до конца прослушивания тестового диска, уровень громкости не изменяется.
Чем мерить?Оценка качества звучания автомобиля по методу FSQ проводится одновременно четырьмя судьями, сидящими в салоне. При разработке метода предполагалось, что измерительный микрофон подвешивается к передней части зеркала заднего обзора и соединяется кабелем с находящимся вне салона измерительным прибором. Дисплей последнего должен быть «читабельным», чтобы не возникало никаких сомнений в его показаниях. Однако подобрать такой прибор оказалось делом не таким простым, как кажется. Использование спектроанализаторов PC RTA и Euraudio вполне допустимо, но накладно (нельзя забывать, что на соревнованиях одновременно судятся машины в разных классах и нужно сразу несколько таких приборов). К тому же для двух упомянутых выше измерений слишком это слишком жирно, поскольку многополосные анализаторы в данном случае не нужны, требуется лишь шумомер, оценивающий уровень громкости одновременно во всей полосе звуковых частот. А раз так, то для удобства судей шумомер можно вообще не выносить наружу, а разместить рядом с ними в салоне. А ещё лучше – перед ними, прямо на зеркале заднего обзора.
При этом должны быть соблюдены три условия:
а) предельно малые размеры шумомера – чтобы не мешать судьям и не искажать картину звукового поля;
б) считывание информации должно быть «информационно-прилюдным», т.е. чтобы показания были видны одновременно всем судьям, находящимся в машине;
в) наличие в шумомере встроенных фильтров, позволяющих измерять уровень громкости, высокая точность измерений.
Прибор, отвечающий этим требованиям, известен, собственно, он на отечественном рынке сегодня практически солирует. Это FWE 33-2055, малогабаритный цифровой шумомер, работающий в реальном масштабе времени. Устройство просто вешается на верхнюю часть зеркала заднего обзора шкалой к сидящим в салоне судьям и ориентируется микрофоном вниз. Сейчас он вовсю применяется в качестве штатного шумомера на всех соревнованиях FSQ (а к моменту выхода этого номера журнала их прошло уже 11).
FWE 33-2055 настолько прост и удобен в работе, что на первых соревнованиях судьи окрестили его «Ванькой». Однако по прошествии нескольких месяцев стали уважительно называть его «Иваном Ивановичем». Такое почтение к этой маленькой железячке вызвано его неожиданно высокой точностью и хорошей оснащённостью. Погрешность измерений, по результатам калибровки в звукомерной камере нашего Центра, составила всего +/-0,5%, что просто удивительно для такого маленького прибора. А начинка – судите сами: чувствительный конденсаторный микрофон; встроенные фильтры «А», «С»; переключаемый режим измерений «Быстро»/«Медленно»; оперативное переключение аттенюатора; выход на внешнее регистрирующее устройство; возможность точной калибровки; автономное питание (батарейка «Крона»). Более чем достаточно.
И не только для судейских дел, но и в обиходе. Продолжая однажды начатую на страницах «АвтоЗвука» тему, мы сейчас готовим совместную статью о том, как с помощью «И.И.» и имеющихся в обиходе тестовых дисков можно самостоятельно и достаточно достоверно измерить АЧХ в салоне, сделать довольно тонкую (для такого простого приборного оснащения) настройку сабвуферной части акустики, провести другие виды диагностики аудиосистемы. К следующему номеру, наверное, успеем.
Журнал "Автозвук" • № 1 / 2002
