Программа для скачивания в архиве.

1. Краткое описание программы

Начало всему этому положила статья в журнале Автозвук: «Диета для динамиков. (Спектр музыкального сигнала. Какой он на самом деле?)«

Продолжение исследования и основа, на которой базируется вся работа программы, находится здесь (настоятельно рекомендую): Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

В многополосных акустических системах каждый из динамиков подключается к выходу усилителя через фильтр ВЧ, НЧ, либо полосовой. И естественно, что на каждый динамик поступает только часть всей мощности, поставляемой усилителем. То какая это часть, зависит как от свойств самого фильтра (частоты среза и порядка), так и от свойств музыкального сигнала, воспроизводимого усилителем. А именно — от его спектра. В настоящее время принят ряд стандартов, «узаконивающих» определенное спектральное распределение музыки, например, DIN 45 573, IEC 268-5. Считается, что спектр музыки им полностью соответствует, и все музыканты их строго соблюдают.

Однако исследования показали, что эти стандарты несколько устарели, и спектр современной музыки оказывается гораздо более насыщен верхними частотами, чем предполагалось ранее.

В любом случае существует проблема — определить, какую мощность должны иметь динамики в колонке, чтобы нормально работать при известной подводимой к колонке мщности звукового сигнала.

С другой стороны, большинство производителей ВЧ динамиков указывают не их реальную электрическую мощность, а мощность, которую нужно подать от усилителя, включив динамик через фильтр. Это позволяет легче подбирать динамик для работы в многополосной акустической системе, но только в случае если:

• частота среза фильтра кроссовера будет точно такой же, как и задано производителем в паспорте динамика;
• спектр воспроизводимой музыки соответствует стандарту DIN 45 573 или IEC 268-5, (используется производителем для измерений паспортной мощности) .

Данная программа предназначена для решения этих двух задач — она позволяет определить реальную электрическую мощность ВЧ динамика и определить соотношения мощностей динамиков в многополосной акустической системе.

2. Работа с программой: определение реальной электрической мощности ВЧ динамика

Для этого предназначена верхняя часть окна программы.

Исходные данные, взятые из паспорта на динамик (рис.1) подставляются в программу и, после нажатия кнопки GO, получается результат (рис.2).

В результате получается, что реальная мощность этого динамика равна 4,3 Вт. Мощность, указываемая для розового шума (значение pink) приведена «на всякий случай», поскольку я не встречался с таким способом ее нормирования.

3. Определение соотношения мощностей динамиков по усредненному спектру

Зависимость мощности, поступающей на динамик в зависимости от частоты среза фильтра НЧ 2-го порядка, показана на рис.3.

Хорошо видно, что у этих зависимостей огромный разброс. Для его учета выбираем три кривых — саму верхнюю (преобладание низкочастотных составляющих в спектре сигнала), нижнюю (преобладание ВЧ), и среднюю (усредненный спектр). Интересно, что кривая, полученная для распределения по стандарту DIN (на графике она не показана) не совпадает с зеленой линией, что означает «отсталость» этого стандарта от жизни.

Как пользоваться этими зависимостями для расчета относительных мощностей динамиков показано на рисунке 4.

Повторим то же самое с использованием программы (здесь возможны небольшие отличия значений от графика главным образом из-за небольшого количества точек, по которым строились графики):

Для НЧ динамика:

Порядок фильтра равный 0 означает его отсутствие.

Поле «Результаты Рок» дает те же результаты, что и рис.4. Такое название используется потому, что именно в рок музыке было раньше всего замечено существенное отклонение распределения спектра от стандартного. Поле «Результаты DIN» показывает долю мощности, приходящейся на динамик в случае «стандартного» спектра сигнала.

Верхняя и нижние границы спектра установлены в 20 Гц и 20 кГц для совместимости с графиками на рис. 3 и 4. Программа позволяет устанавливать границы от 10 Гц до 40 кГц для учета возможностей современных высококачественных носителей, таких как DVD-A и SACD.

Для СЧ динамика:

Для ВЧ динамика соответственно:

4. Определение соотношения мощностей динамиков с учетом различий спектров сигналов

Из рисунка 3 хорошо видно, как сильно различаются спектры различных произведений между собой. Поэтому если ориентироваться на средние значения, то на произведениях с преобладанием низких или высоких частот возможна перегрузка динамиков. Чтобы ее избежать, учтем различие спектров:

В этом случае рабочие мощности динамиков получаются намного больше, чем при расчете по среднему, что гарантирует отсутствие перегрузок при любом музыкальном сигнале.

Получаем это же при помощи программы.

Для НЧ динамика:

Для ВЧ динамика:

Для СЧ динамика:

Здесь ситуация отличается от той, что показана на рисунке 5. Причем полученные значения не только меньше по величине, но и являются более верными. Тот результат, что на рисунке, был получен вычитанием, и несколько некорректен с точки зрения физического смысла. В программе анализируется реальный спектр, пропущенный через модель соответствующего фильтра.

За правильный результат следует выбирать наибольшее из чисел (в нашем случае 41,7%).

5. Учет влияния темброблока

Большинство усилителей снабжено регуляторами тембра, и большинство людей этими регуляторами пользуются. Для учета влияния темброблока используются поля «DIN + тембра» и «Рок + тембра«. При этом моделируется влияние обычного регулятора тембра высоких и низких частот, установленного в положение «+8 дБ» на частотах 80 Гц и 10 кГц.

6. Определение соотношения мощностей динамиков. Полный расчет системы

Приведенные расчеты иллюстрируют только применение данной программы. Поэтому со всех других точек зрения, они или не являются оптимальными, или вообще не имеют смысла.

Пример 1

Рассчитаем двухполосную акустическую систему с ВЧ динамиком SEAS Н 737 (см. рис. 1). Частота раздела кроссовера 2-го порядка по ВЧ и НЧ — 4 кГц. Расчет производим по среднему для спектра современной музыки.

1. Определяем реальную мощность ВЧ динамика: Рвч = 4,3 Вт.

2. Определяем долю мощности, приходящуюся на НЧ динамик: Рнч% = 90,7 %

3. Определяем долю мощности, приходящуюся на ВЧ динамик: Рвч% = 8,3 %

Суммарная мощность отличается от 100% так как в результате неидеальности фильтров сигнал «своих» частот все же ослабляется в районе частоты среза. На частоте среза фильтра ослабление сигнала составляет -3 дБ.

4. Определяем допустимую мощность усилителя для работы ВЧ динамика без перегрузок:

Русил = Рвч / Рвч% = 4,3 / 8,3% = 51,8 Вт

5. Определяем мощность НЧ динамика: Рнч = Русил * Рнч% = 51,8 * 90,7 = 46,9 Вт.

В результате расчета получили:

• мощность усилителя = 50 Вт
• мощность НЧ динамика = 50 Вт

Пример 2

Расчитаем двухполосную колонку с паспортной мощностью Рас = 100 Вт. Расчет ведем с учетом различий спектров современной музыки. Частота раздела кроссовера 3,5 кГц. Диапазон рабочих частот (полный спектр сигнала) соотвтествует записи на CD: 20 Гц — 22,05 кГц.

1. Определяем долю мощности, приходящуюся на НЧ динамик: Рнч% = 96,5 %

2. Определяем долю мощности, приходящуюся на ВЧ динамик: Рвч% = 26,4 %

3. Определяем электрические мощности динамиков: Рнч = Рас * Рнч% = 96,5 Вт; Рвч = Рас * Рвч% = 26,4 Вт.

4. Выбираем НЧ динамик типа Peerless 850102 50 Вт 8 Ом. При параллельном соединении 2 шт. дадут 100 Вт, 4 Ома.

5. Выбираем ВЧ динамик. SEAS Н 737 имеет мощность Р = 4,3 Вт. Для получения требуемого значения 26,4 Вт необходимо использовать N = Рвч / Р = 26,4 / 4,3 = 6,13 шт. Это неприемлимо (хотя можно попробовать сдвинуть частоту раздела кроссовера в сторону повышения, в нашем случае мощность 8,57 Вт, допустимая для двух динамиков, получается при частоте раздела 8,8 кГц).

6. Пробуем динамик VISATON KE 25 SC/8. Его паспортная мощность 80 Вт при частоте среза фильтра 2000 Гц. Определяем Р = 13,6 Вт. Необходимое количество динамиков N = 26,4 / 13,6 = 1,94. Таким образом, два параллельно включенных динамика дают требуемую мощность при сопротивлении 4 Ома.

7. Отдача НЧ динамика равна 87 дБ, а ВЧ динамика — 89 дБ. Следовательно, при включении через делитель, мощность, приходящаяся на ВЧ динамики будет:

2 дБ = 1,58 раз

Рвч = 26,4 / 1,58 = 16,7 Вт, на каждый динамик 16,7 / 2 = 8,4 Вт.

То есть ВЧ динамики будут загружены на 8,4 / 13,6 = 62%, что дает нам необходимый запас мощности.

7. Оценка точности программы

Этот вопрос является животрепещущим для всех «самописных» программ.

Один из ответов на него приведен на рисунке 3, на котором черными линиями показаны результаты анализа около полусотни музыкальных произведений различных жанров (из них нанесены на график далеко не все, но остальные также лежат в обозначенных пределах), а цветными — результаты расчета по программе.

Для оценки правильности работы «движка» программы, произведено сравнение расчетов по программе для розового шума с аналогичными сигналами, обработанными программой Adobe Audition. Результаты представлены в таблице.

Порядок фильтра	Частота среза ФВЧ	Частота среза ФВЧ	По программе	Реально	Погрешность %
1	100	0	80,9	81,3	0,47
1	1000	0	46,7	45,7	2,14
1	10000	0	13,3	12,9	3,19
1	0	100	19,1	18,2	4,84
1	0	1000	53,3	54,5	2,14
2	100	0	80,5	82,2	2,12
2	300	0	64,0	64,6	0,88
2	1000	0	45,8	45,7	0,19
2	3000	0	29,4	28,2	4,22
2	10000	0	12,3	11,2	9,18
2	0	5000	76,7	79,4	3,50
2	0	100	18,0	17,4	3,52
4	100	0	80,2	82,2	2,49
4	1000	0	45,4	44,7	1,62
4	0	100	17,6	17,4	1,27
4	0	1000	52,0	55,0	5,52
2	50	500	32,2	34,7	7,39
2	100	1000	33,2	38,0	13,5
2	500	5000	33,3	36,3	8,64
2	60	6000	67,1	72,4	7,66
2	80	14000	74,6	79,4	6,28
Средняя погрешность	—	—	—	—	4,3 %

Вычисленное значение погрешности несколько завышено из-за того, что в программе спектр ниже Fmin и выше Fmax не существует, чего невозможно повторить в реальности (кроме того, частота дискретизации для правильной передачи шума должна быть очень большой). Это хорошо видно в последнем фильтре: свойство розового шума таково, что любые полосы частот одинаковой ширины (по отношению Fmax / Fmin) имеют одинаковую мощность, что хорошо выполняется в программе (значения 32,2; 33,2; 33,3 %).

Из всего этого можно сделать вывод, что точность программы вполне достаточна для работы.

14.12.2005