|
Mjerenje i modeliranje modula impedancije zvučnika Jednostavno mjerenje impedancije zvučnika Mjerenja u elektroakustici Mjerni kondenzatorski mikrofoni Linkovi o mjerenjima u elektroakustici
|
Elektroakustička mjerenja primjenom računala
Skraćeni prikaz članka, prema knjizi AKUSTIKA PROSTORIJA, objavljenog u časopisu Svijet elektronike gdje se nalaze sve ilustracije
Klasični akustički mjerni uređaji (zvukomjeri, oktavni filteri, analizatori spektra) te novi mjerni uređaji i metode (TDS, FFT i MLS analizatori, te Wignerova distribucija) zasnovani na primijeni mikroprocesorske tehnologije i FFT algoritma, omogućavaju točna i sveobuhvatna mjerenja u elektroakustici. Postoje neki opći naputci o instrumentaciji i uobičajenim procedurama, bez obzira o kojim je mjerenjima riječ. Mjerimo li prostoriju, prvo je treba pobuditi prikladnim zvučnim izvorom. Ustaljeni sinusoidalni signali se većinom za tu svrhu ne upotrebljavaju, ali mogu se upotrijebiti za posebne namjene. Koriste li se impulsni signali, poželjno je da budu lako ponovljivi, jer se zaključci nikada ne izvlače samo iz jednog mjerenja. Frekvencijska diskriminacija najčešće se primjenjuje na prijemnoj strani mjernog lanca. Ako se za tu svrhu koriste analogni filteri kao što su oktavni, trećinsko oktavni ili još uži, neželjene komponente spektra ipak se ne mogu potpuno potisnuti i štetno će djelovati na točnost mjerenja. Mnogo bolja frekvencijska diskriminacija, a time i veći odnos signal/šum, postiže se ograničavanjem prijenosnog pojasa signala pobude. To se realizira filtriranim šumom ili impulsima s definiranim i ponovljivim ovojnicama, koji pobuđuju izlazna pojačala snage, a oni zvučnike definirane usmjerenosti. Za većinu mjernih potreba, osim za mjerenje reverberacije, najpogodniji su zvučnici koji pobuđuju prostor jednoliko u svim smjerovima (omnidirekcijski zvučnici). Kao zvučni prijemnici najviše se koriste neusmjereni mikrofoni, redovito kondenzatorske izvedbe, vrlo niskog šuma i širokog dinamičkog opsega. Primjena frekvencijsko selektivnih filtera ne postavlja stroge zahtjeve za linearnim frekvencijskim odzivom mikrofona, ali takvi mikrofoni redovito su ekstremno linearni. Mikrofon se prije svakog mjerenja mora podesiti akustičkim kalibratorom (tzv. pistonfon). U elektroakustici općenito uzevši mjerne metode možemo primjeniti na dvopol ili četveropol, a odatle proizlazi i primjena pojedine metode.
Mjerenje frekvencijskog odziva Pri procjeni akustike prostorije od bitnog su značaja varijacije zvučnog tlaka u funkciji frekvencije. Stoga je najčešće izvođeno mjerenje u sobnoj akustici mjerenje frekvencijskog odziva. Sam pojam frekvencijskog odziva implicira mjerenje amplitudnog i faznog odziva u ovisnosti o frekvenciji, ali pri akustičkim mjerenjima u prostorijama mjeri se isključivo amplitudna ovisnosti o frekvenciji. Zbog slučajne naravi muzičkih signala, vlastite frekvencije prostorije (koje zahtijevaju konačno vrijeme za pobudu i opadanje) ne pobuđuju se slučajnim šumom tako jako, kao kada ih pobuđujemo ustaljenim sinusnim signalom. Zbog toga se za ovo mjerenje ne koristi sinusni signal, nego slučajni šum. Najčešće se koristi pobuda ružičastim šumom, jer je njegov oktavni i trećinsko oktavni spektar linearan. Zvukomjer mjeri primljeni signal nakon prolaza kroz oktavni ili trećinsko oktavni filter. Ucrtavanjem i grafičkim spajanjem izmjerenih vrijednosti na papiru ili automatski na ekranu analizatora, unutar frekvencijskog područja dobijemo amplitudni odziv zvučnog tlaka. Preciznije je mjerenje primjenom trećinsko oktavnog šuma. Zvučnik pobuđujemo pojačalom snage s ulaznim naponom koji odgovara trećinsko oktavnom ružičastom šumu. Signal primljen zvukomjerom mjeri se unutar istog trećinskog oktavnog pojasa pa su postignuti rezultati točniji. Većina analizatora ima mogućnost različitog vremena usrednjavanja izmjerenog signala. Kratko vrijeme usrednjavanja odgovara brzom odzivu koji se koristi za analize promjena spektra pri mijenjanju položaja mikrofona u prostoriji. Dugo vrijeme usrednjavanja ili spori odziv koristi se pri iscrtavanju odziva pisačem pri stacionarnom položaju mikrofona. Iscrta li se niz frekvencijskih odziva, u izometrijskoj projekciji, za svaki položaj mikrofona u prostoru dobiva se trodimenzionalni prikaz frekvencijske promjene zvučnog polja u prostoriji. Mjerenjem spektra signala na uobičajenoj poziciji pri slušanju, prvo s lijevog, a onda desnog zvučnika, uočit će se akustička simetrija kanala, a time i kvaliteta stereo slike. Primjenom gating sustava, možemo uočiti koje su refleksije odgovorne za eventualnu razliku, pa poduzeti nužne ispravke promjenom akustike prostorije.
Mjerenje vremena odjeka Ako je vrijeme reverberacije definirano jednom brojčanom vrijednosti npr. 0.5 sekundi, podrazumijeva se vrijeme odjeka na frekvenciji od 500Hz. Ako je vrijeme odjeka definirano u funkciji frekvencije, uobičajeno ga je mjeriti u oktavnim ili trećinsko oktavnim pojasevima od 50 Hz do 10000 Hz. Vrijeme odjeka se ne mjeri ispod 50 Hz niti preko 10000 Hz. Ostala mjerenja Mjerenje frekvencijskog odziva i vremena odjeka s različitim položajem izvora zvuka i mjernog mikrofona otkriva samo dio istine o prostornoj akustici. Iz navedenih mjerenja možemo dobiti uvid u akustiku prostorije i mjerenja nam mogu indicirati neke probleme. Sveobuhvatna analiza zahtjeva široka stručna znanja i dugo iskustvo. Čak i tada, naizgled logični zaključci, mogu se pokazati pogrešni. Vodeći stručnjaci na polju akustike zaključili su kako akustička mjerenja trebaju što sličnije aproksimirati ponašanje ljudskog slušnog sustava načinom percipiranja zvuka. FFT analiza FFT ili brza Furierova transformacija je računarska procedura koja nam omogućava brojne analize elektroakustičkih signala. Konceptualno razumijevanje FFT analize je neophodno za razumijevanje TDS i MLS analize signala. U principu transformacija omogućava promatranje nekog objekta ili pojave s drugog stajališta, dok se objekt ili pojava pri tome ne mijenja. Jednostavnim rječnikom, FFT je transformacija promatranja signala iz vremenskog u frekvencijsko područje. Pojednostavnimo: pretpostavimo da putujemo iz mjesta A u mjesto B zrakoplovom. Zrakoplov polijeće, svaki dan, u 01 sat, u 02 sata, u 03 sata itd. do 24 sata. Mogli bismo kazati kako zrakoplov polijeće dnevno na svaki puni sat, i ne bismo pogriješili. To što smo upravo pročitali predstavlja primjer transformacije iz vremenskog u frekvencijsko područje. Kada kažemo da avion polijeće u 1 sat, 2 sata itd. govorimo o vremenu polijetanja zrakoplova u vremenskom području. Kada kažemo da polijeće ”svaki sat” govorimo u frekvencijskom području. Svako stajalište, kako vremensko tako i frekvencijsko, točno opisuje događaj trenutka polijetanja zrakoplova, dok se sam događaj pri tome ne mijenja. Najednostavniji oblik vremenski promjenjivog signala je sinusoida. Njen period možemo odrediti mjereći vrijeme između prolazaka kroz nulu. Inverzna vrijednost perioda je frekvencija. Za sinusoidu stvar je prilično jednostavna. Međutim, za signale daleko složenije od sinusoide dugo nije bio poznat način analize. Problem je teoretski riješio matematičar Furier koji je pokazao kako se vremenski promjenjiv signal, koliko god bio složen, može prikazati kao beskonačni niz sinusnih signala primjenom transformacijske relacije: X(f) = s x(t)e-j2& ft dt -T < t <TMeđutim, u cilju praktične primijene ove trans formacije potrebno je signal promatrati u vremenskom periodu od -T < t <T , što je nemoguće. Stoga je potrebno signal promatrati u mnogo kraćem vremenskom intervalu, pri čemu se podrazumijeva periodičnost signala. Ovaj postupak, za razliku od kontinuirane Furierove transformacije, naziva se diskretna Furierova transformacija ili kraće DFT. Ako promatrani signal nije periodičan ipak je moguće primijeniti DFT primjenom prozor filtera.
Prozor filteri
Ako sinusni valni oblik prolazi kroz nulu na početku i kraju valnog oblika u intervali analize, rezultirajući FFT spektar sastojat će se od jedne linije točne amplitude i frekvencije. Ako sinusni valni oblik ne prolazi kroz nulu na početku i na kraju intervala doći će do odrezivanja valnog oblika što je ekvivalentno diskontinuitetu valnog oblika. Diskontinuitet izaziva poremećaj pri radu procesa FFT, koji se u praksi naziva curenje jer u spektru energija curi sa svojeg mjesta na susjednu lokaciju. Kako bi se smanjili ovi štetni efekti neophodno je amplitudu signala prisiliti na vrijednost nula na početku i kraju intervala. To se postiže tzv. prozor filterom koji može imati razne oblike. Međutim, ovi filteri unose i izobličenje koji rezultiraju bočnim komponentama ili lobovima spektra što smanjuje frekvencijsku rezoluciju analizatora. Pored toga, snaga signala je manja jer se znatan dio eliminira postupkom filtriranja. Pri kompenzaciji ovih nedostataka, algoritmi raznih prozor filtera daju posebnu težinu vrijednostima u središnjem dijelu intervala analize. Neke ka rakteristike prozor filtera opisani su u tabeli:
Dovoljno je znati, da se Blackman koristi pri mjerenju izobličenja, Hanning za izobličenja i š um, Hamming za vremensko-frekvencijsku analizu glasa, a da se filteri ne koriste pri frekvencijskim mjerenjima u visokoj rezoluciji i pri mjerenju impulsa.Opisana teorija se nije mogla primijeniti do izuma računala jer je zahtijevala ekstremno veliki broj računskih operacija. Nakon izuma računala metoda je postala primjenjiva, ali ne u tzv. realnom vremenu. To znači kako se analizirani signal brže mijenjao, nego što su tadašnja računala mogla izvršiti sve potrebne matematičke operacije. Međutim, 1965 J.W. Cooley i J.W.Tukey su objavili izuzetno efikasnu proceduru koja je ubrzala proračun diskretne Furierove transformacije (DFT) više od 100 puta. Budući da je razvijena metoda izuzetno pogodna za primjenu s digitalnim procesorima, ubrzo su se javili mnogi uređaji koji FFT vrše na osobnim računalima. Da bi izmjerili odziv zvučnika ili bilo kojeg drugog audio uređaja primjenom FFT, moramo uporabiti ispitni signal poznatog spektra. To je npr. jedinični impuls ili definirani šum. Moguće je primijeniti bilo koji drugi signal promjenjivog oblika, ali stabilnog spektra. U svakom slučaju odziv promatranog uređaja je izlazni spektar, podijeljen ulaznim spektrom. Kako bi o signalu doznali više informacija potrebno je primijeniti tzv. 2-kanalni FFT analizator. Dvokanalni FFT analizator mnogo je više od dva jednokanalna FFT analizatora. Takav instrument posjeduje dva ulaza i istovremeno izračunava dvije FFT transformacije. Ovi kompleksni spektri konvertiraju se u autospektar, koji sadrži samo amplitudnu informaciju. Uzmemo li pri mjerenju više uzoraka ulaznog signala usrednjeni križni spektar eliminira šumove jer sadržava amplitudne i fazne odnose dvaju signala. Usrednjeni križni spektar dijeli se usrednjenim autospektrom ulaznog ispitnog signala. Dvokanalni analizatori su vrlo jaki mjerni sustavi za analize u akustici, elektroakustici, analizi buke i vibracija te mnogim drugim znanostima, a u ovom članku pokazati ćemo mjerenja jednim takvim programom. MLS analiza MLS označava tip signala tzv. Maximum Length Sequence koji se upotrebljava za mjerenje zvučničkih sustava, akustike prostorije ili bilo kojeg drugog uređaja ili sustava s ulaznim i izlaznim stezaljkama. MLS signali mogu se koristiti s bilo kojim analizatorom, ali najefikasnije i najtočnije funkcioniraju sa specifično projektiranim analizatorima tzv. MLS analizatorima. Takvi uređaji su daleko efikasniji čak i od FFT analizatora koji funkcioniraju na principu brze Furierove transformacije. MLS analizatori su opremljeni brojnim funkcijama koje pogoduju i olakšavaju rad u elektroakustici npr. frekvencijski odziv, vremenski odziv itd. Reproduciramo li MLS signal preko zvučnika, on nalikuje na slučajni šum koji je sličan međustaničnom šumu UKV prijemnika. Međutim, slučajni šum, kao što mu i samo ime govori, nema pravilni raspored ponavljanja frekvencijskih komponenti, nego su one u signalu potpuno slučajno zastupljene. MLS signal je poseban oblik pseudoslučajnog signala. Pseudoslučajni signali imaju pravilan raspored ponavljanja definiranog trajanja, ali unutar perioda koji se ponavlja imaju osobine slučajnog šuma. Impulsni odziv klasičnom i MLS metodom Primijenimo na ulaz elektroakustičkog sustava jediničnu funkciju (delta ili Dirac-ovu funkciju kako se još naziva) i promatrajmo akustički izlaz zvučnika. Izlazna funkcija je po definiciji ”impulsni odziv” sustava. Impulsni odziv je realni dio ”vremenskog odziva” sustava. Poznavanjem impulsnog odziva lako se izračuna frekvencijski odziv sustava i mnoge druge zanimljive informacije. Ova metoda vrlo je korisna i točna te se mnogo upotrebljava, ali ima jedan veliki nedostatak. Ispitni signal, primijenjen na ulazu sustava, mora biti što je moguće sličniji jediničnoj funkciji, a jedinična funkcija je matematička fikcija tj. u prirodi ne može postojati funkcija beskonačno kratkog trajanja, a beskonačne amplitude. Kada se aproksimacijski realizira takva funkcija signal generatorom, njeno trajanje je tako kratko da bez obzira na amplitudu, energija signala ima ekstremno malu vrijednost. To pri mjerenju uzrokuje probleme u bučnoj okolini pa je potrebno izvesti vrlo veliki broj ponovljenih mjerenja (nekoliko tisuća) i rezultate usrednjiti, što znatno usporava rad. MLS metodu možemo predočiti kao ponovljivi niz slučajno raspodijeljenih pozitivnih i negativnih impulsa iste amplitude. Zbog postojanja velikog broja impulsa ukupna energija signala je daleko veća, nego pri klasičnoj metodi kada se mjeri sa samo jednim impulsom. Kao i s ostalim pseudoslučajnim signalima MLS se može koristiti uz FFT tehnike da bi dobili odziv promatranog sustava. Međutim, zbog posebnog oblika MLS signala, postoji mnogo lakši način, a to je korelacija. Najjednostavnijim rječnikom - korelacija je proces uspoređivanja dva signala. Pri mjerenjima u elektroakustici uspoređuju se dva signala u vremenskom području. Ako su oba signala identična, korelacija je idealna. U praksi se korelacija vrši za signale koji su vremenski ”pomaknuti”. Taj pomak označava se s “ > “(tau) kako bi se razlikovali od “realnog” vremena t. Identični signali bez međusobnog vremenskog pomaka (t=0) imaju korelacijski koeficijent 1. Općenito uzevši, proračun korelacije neke funkcije u vremenskom području je vrlo intenzivni računarski postupak, što znači kako je potrebno izvršiti mnogo matematičkih operacija. Međutim, pogledajmo što se događa s MLS signalom. Primijenimo li kružnu korelaciju tzv. Brzu Hadamardovu transformaciju MLS signala rezultat je jedinična funkcija. Dakle, da bi izmjerili impulsni odziv sustava, na ulaz primijenimo MLS signal. Izlazni signal korelirajmo (usporedimo) s ulaznim signalom i rezultat je impulsni odziv sustava. Za poboljšanje točnosti uobičajeno je primijeniti dva MLS signala, prvi MLS signal osigurava dovođenje sustava u ustaljeno stanje, a drugi MLS signal je mjerni signal.Još jedna prednost MLS mjerenja je ta što se šumo vi okoline pri mjerenju nemaju s čime usporediti pri korelaciji jer ne postoje u ulaznom signalu pa pri usrednjavanju signala teže prema 0. Zaključak: bučna okolina ne djeluje na rezultate MLS mjerenja.Nakon dobivanja impulsnog odziva sustava, vrlo je je dnostavno primijeniti Furierovu transformaciju za izračunavanje frekvencijskog odziva. Frekvencijski odziv može se dobiti na dva različita načina: ili kao realni i imaginarni dio ili kao amplituda i faza. Ovdje je neusporedivo brža MLS metoda prema FFT metodi.Ostale pogodnosti MLS metode MLS analizatori mogu se koristiti za mjerenje bilo kojeg sustava s ulaznim i izlaznim stezaljkama. Najviše se koriste za mjerenje zvučnika i akustike prostorije, a uz dodatke posebnih MLS analizatora mogu se mjeriti i šumovi ili vibracije. Područje mjerenja određuje tzv. FT produkt tj. produkt gornje frekvencije mjerenja F i vremena mjerenja T. Tako pri mjerenju akustike prostorije uz gornju graničnu frekvenciju 10000 Hz i najduže vrijeme odjeka od 2 sekunde, FT produkt je 20000. Ova veličina se bez problema postiže s postojećim MLS analizatorima. Poznato je kako mjerenja s frekvencijskom rezulucijom 1/3 oktave približno odgovaraju širini kritičnog područja ljudskog uha, pa iz toga razloga vrlo dobro aproksimiraju subjektivni osjet ljudskog sluha. Prigovor korisnika načinu mjerenja primjenom MLS metode bio je da MLS metoda odstupa od naveden aproksimacije. To je razlog što su neki proizvođači MLS mjernih uređaja ugradili u svoje proizvode tzv. Adaptive Window koji kontinu irano mijenja trajanje tzv. vremenskog prozora pri mjerenju impulsnog odziva prostorije, između dvije postavljene vrijednosti. Mijenjanje trajanja vremenskog prozora u kojem se vrše mjerenja impulsa imaju svrhu postizanja frekvencijske rezolucije 1/3 oktave, koja odgovara širini kritičnog područja ljudskog uha. Tako izvedena mjerenja imaju vrlo dobro slaganje sa subjektivnim osjetom akustike prostora.MLS instrumenti su svestrani uređaji za mjerenje pri konstrukciji zvučnika, za akustičke konzultante, projektante elektroakustičkih sustava itd. Nabavljaju ih i drugi zainteresirani korisnici u obliku računalskih kartica koje se instaliraju u uobičajena PC ili prijenosna računala. Takvi vrhunski sustavi s kalibriranim mikrofonom i mikrofonskim pretpojačalom te svim potrebnim programima, pored MLS mjerenja, imaju opcijski ugrađene ”vodopad” prikaze, ETC krivulje, generatore sinusnih signala, impulsa i šumova, frekvencijski analizator te mogućnost mjerenja izobličenja i korištenja kao dvokanalni oscilograf s memorijom, ali njihova cijena je najviša od svih računarskih mjernih sustava.Mjerenje dvokanalnim FFT analizatorom spektra U posljednje vrijeme razvijeni su mnogi uređaji za akustička mjerenja primjenom računala. Među takve programe ubrajamo i dvokanalne FFT analizere spektra. Program uz bilo koju Windows kompatibilnu zvučnu karticu u realnom vremenu omogućava analizu spektra te snimanje, reprodukciju i mogućnosti naknadne obrade signala. Pored t oga omogućava mjerenja frekvencijskog odziva, izobličenja i prijenosnih funkcija. Podupire FFT do 65.536 uzoraka, prozor filtere, digitalno filtriranje, procesiranje preklapanja, usrednjavanje, održavanje vršne vrijednosti, okidne impulse, decimiranje, uskopojasno ili oktavno (1/1, 1/3, 1/6, 1/9, 1/12) skaliranje, a uz to može prikazati, zapamtiti i eksportirati ili otisnuti vremenski prikaz, spektar, fazu, 3D grafove i spektrograme. Ugrađeni signal generator daje bijeli i ružičasti šum, sinusni svip, tonove i korisnički definirane impulse. Svu obradu signala vrši procesor računala i za FFT analizu u 1024 točke, potreban je procesor brzine 60 Mhz. Program koji ćemo prikazati zove se SpectraLAB 4.22 dvostruki FFT analizator verzija iz 1998. godine. Osnovni zahtjevi za stabilan i brzi rad programa su:
Program posjeduje tri različita načina rada i pet različitih tipova prikaza. Pri načinu rada u realnom vremenu program uzima audio signal direktno sa zvučne kartice, obrađuje ga i prikazuje rezultat. Pri ovom postupku digitalizirani zvučni signal nije spremljen u memoriji i ne može se pohraniti na tvrdi disk. Međutim, program može stalno prikazivati rezultat u realnom vremenu. Način rada snimanjem omogućava korisniku pohranu digitalnog signala u WAV obliku, koji se može i reproducirati zvučnicima spojenima na zvučnu karticu. Način rada s naknadnom obradom omogućava procesiranje audio signala snimljenog na tvrdom disku u WAV obliku. Ovaj način rada omogućava mnogo veće mogućnosti od rada u realnom vremenu jer se može znatno povećati rezolucija. Program omogućava razne prikaze. Npr. vremenski odziv digitaliziranog zvučnog valnog oblika signala, što je slično oscilografskom prikazu (amplituda u funkciji vremena). Prikaz spektra omogućava prikaz amplitude signala u funkciji frekvencije. Prikaz faze omogućava prikaz faze u funkciji frekvencije. Spektrogram omogućava prikaz promjene spektra u funkciji vremena pri čemu je amplituda prikazana bojom ili u tonovima sive. 3D prikaz pokazuje trodimenzionalnu vremensku perspektivu spektra. Analizator se jednostavno podešava. Zvučni signal se priključuje na linijski ili mikrofonski ulaz zvučne kartice. Prije početka mjerenja potrebno je definirati frekvencijsko područje koje nas zanima, kao i potrebnu rezoluciju. To se vrši naredbom <Settings> u meniju <Options> trake sa zadaćama. Frekvencija uzimanja uzoraka prema Nyqistovom teoremu mora biti postavljena najmanje na dvostruko višu od one koju želimo izmjeriti. Nakon toga određujemo broj FFT uzoraka tako da linijska rezolucija spektra (prikazana ispod naziva okvira za dijalog) zadovoljava mjerne potrebe. Skaliranje osi podešava se naredbom <Scaling> u istom meniju <Options>. Program je podešen na logaritamsko amplitudno i frekvencijsko skaliranje, ali moguće je izabrati i bilo koje drugo. Nakon toga otvaramo bilo koji prikaz koji želimo prikazati, aktiviranjem kvačice pored imena prikaza. Prikazi se mogu mijenjati i za vrijeme rada analizatora. Iz teorije informacija znamo da svaki bit pridonosi približno 6 dB odnosu signal/šum pa će teoretsko dinamičko područje sustava uz 8 bitno uzimanje uzoraka biti 48 dB, a sa 16 bitnim uzimanjem uzoraka 96 dB. Međutim, stvarno dinamičko područje ovisi o kakvoći zvučne kartice i bit će nešto slabije. Analizator se pokreće sa klikom na <Run> ili <Rec> na traci sa zadaćama ili prečicom <alt> <R>. Graf u izabranom prikazu u tom se trenutku počinje nadopunjavati. Opcijski moguće je pritisnuti Enter pri čemu će analizator napraviti jedno mjerenje i zaustaviti. Analizator se zausta vlja naredbom <Stop> na traci sa zadaćama ili prečicom <alt> <S>. Pokažemo li mišem na bilo koje područje grafa koje nas interesira, pa pritisnemo lijevu tipku pojavit će se mjerni okviri s odgovarajućim mjernim vrijednostima.Izaberemo li iz menija <File> <Print> pisaču će ispisati aktivni prikaz u tom trenutku. Prije ispisa program pruža mogućnost da korisnik upotpuni sliku bilo koji natpisom npr. imenom grafa.Ako izvršeno mjerenje trebamo ponavljati program daje mogućnost pohrane čitave postave upotreb om naredbe <File> <Load>, sva podešavanja programa kao i otvorene *.WAV arhive.Pri svim očitanjima pokazivačem preporučljivo je zaustaviti analizator naredbom Stop. Tada će pritisak na lijevo dugme na grafu analizatora pokazat će vodoravni i okomiti mjerni okvir s pripadajućim vrijednostima izabranog grafa. Control+lijevo dugme i povlačenje pokazivača po grafu pokazati će diferencijalne vrijednosti točaka na grafu u odnosu na početnu mjernu točku, a Shift+lijevo dugme aktivirati će vrijednosti prvih 10 harmonika što je vrlo korisno pri identifikaciji harmoničkih komponenti kompleksnog spektra. Desno dugme aktivira padajuće menije za funkcije dostupne u izabranom prikazu. Osim onih funkcija koje su očite, važno je napomenuti kako program omogućava proračun ovojnice Hilbertovom transformacijom, Schrederovu integraciju, FFT i inverznu FFT, 3D grafikone i još neke vrlo složene algoritme npr. autospektar, križni spektatr i fazno-amplitudnu prijenosnu funkciju. Količina memorije potrebna za pohranu digitalnog signala u WAV obliku pri snimanju na tvrdi disk ili prijenosni disk (npr. ja redovito koristim interni ZIP 100MB), ovisi o frekvenciji uzimanja uzoraka i kvantizaciji. Neke tipične vrijednosti su prikazane u tablici, a ne zaboravite ih pomnožiti sa 2 ako sn imate stereo signal.
Obrada signala s dvokanalnom opcijom
Dvokanalna analiza spektra omogućava neka vrlo snaž na mjerenja. Dva mono mjerenja mogu se spojiti u stereo naredbom <File><Merge>. Ta mjerenja su:Realni je najjednostavniji postupak i predstavlja odnos autospektra svakog signala. Relativna faza signala ne djeluje na konačni rezultatu Kompleksni je odnos križnih spektara signala i autospektra referencijalnog signala. Relativna faza djeluje na rezultat. Mjerenje prijenosne funkcije je vrlo snažno mjerenje koje omogućava brzo i točno mjerenje audio uređaja što ć emo vidjeti u primjerima koji slijede.Križni spektar, kompleksna prijenosna funkcija i funkcija koherencije su izuzetno osjetljive na kašnjenje i faznu razliku među kanalima. Program koristi funkciju međukanalnog kašnje nja za podešavanje vremenskog odnosa kanala.
Signal Generator Funkcionira sa svim Windows kompatibilnim zvučnim karticama, a uključuje se naredbom <Utilities><Signal Generator> ili prečicom F11. Posjeduje mogućnost izbora valnog oblika (bijeli šum, ružičasti šum, burst, sinusni ton, mnogostruki ton, intermodulacijski test ton, promjenjivu frekvenciju, pilu, trokut, impuls i korisnički definirani oblik). Opcijom Details modificiramo izabrani oblik, a opcijom Level mijenjamo razinu signala. Naredbom Run pokrećemo generator.
Točnost signala Točnost signala je dijelom ovisna o kakvoći zvučne kartice. Točnost generatora takta uvjetovati će točnost frekvencijske karakteristike. Međutim, mnoge neprofesionalne zvučne kartice su spregnute kondenzatorima na putu signala pa ne propuštaju istosmjernu komponentu. Kao rezultat ovog filtriranja analizator uz takve kartice nije moguće uporabiti sa zadovoljavajućom točnošću ispod frekvencije od 20 Hz. Linearnost impulsa, kvadratnih valnih oblika i ramp funkcije bitno je izobličena. Pri nabavi zvučnih kartica bitno je provjeriti da li je kartica definirana u frekvencijskom području od 0 Hz -20 kHz, dakle da propušta istosmjerni signal. Nadalje, najveći broj standardnih zvučnih kartica ne omogućava istovremeni rad generatora i ianalizatora. Dakle nisu tipa full duplex, pa i na to treba obratiti pozornost prilikom nabave. Međutim, odlučimo li se u startu za profesionalnu audio kartica kao što su to npr. Turtle Beach Systems "Tahiti" ili "Monterey", tih problema nećemo imati. Isto tako potrebno je posvetiti veliku pozornost i izboru mikrofona. Na tržištu je vrlo dobar izbor kondenzatorskih elektret mikrofona zadovoljavajuće linearnosti. Ako već posjedujemo ili možemo posuditi kvalitetan mjerni sustav (npr IVIE, B&K ili neki slični) lako ćemo provjeriti linearnost mikrofona kojim raspolažemo. Osim toga prema snimljenom frekvencijskom odzivu proizvođača sva odstupanja od linearnosti mogu se snimiti kao poseban arhiv, prema kojima će program SPECTRA lako korigirati sva očitanja. Sistem je više nego jednostavan u NOTEPADU upišemo frekvenciju, pritisnemo tabulator i upišemo kompenzaciju u decibelima. Program podržava do 32000 kompenziranih frekvencija, međutim u praksi su dovoljne oko tri. Arhiv snimimo kao ime_mikrofona.MIC. Po ekstenziji *.MIC program prepoznaje potrebnu kompenzaciju. Ako mogućnost kalibracije nemamo, onda možemo iz brojnih tvornički snimljenih arhiva odabrati onu za upotrebljeni mikrofon. Naravno, ako želimo vrlo visoku točnost mjerenja, uz profesionalnu zvučnu karticu, mikrofon je potrebno prije svakog mjerenja kalibrirati tzv. pistonfon kalibratorom. U članku u časopisu SVIJET ELEKTRONIKE prikazane su neke od mogućnosti mjerenja dvostrukim FFT analizatorom. Ovdje su navedeni samo primjeri, a sve slike i detaljan opis su u časopisu.Analiza glasa Spektar ljudskog glasa izuzetno je složen i mjenja se izuzetno velikom brzinom. Zbog toga se pri analizi ljudskog glasa koristi tzv. vremensko-frekvencijska tehnika. Primjer digitalnog filtriranja Prilikom analize nekih snimaka tonskih signala (npr. pjev ptica ili signala sa stare gramofonske ploče) može se dogoditi da je korisni signal maskiran šumom i smetnjama. Analizom frekvencijske karakteristike složenog signala moguće je identificirati oblik smetnje te je primjenom digitalnog filtriranja eliminirati. Pritiskom na dugme Run omogućavamo analizatoru obradu signala u prikazu Spektogram. Ovaj prikaz pokazuje spektar signala u funkciji vremena, pri čemu su amplitude signala prikazane u bojama Analiza spektrograma u vremensk o frekvencijskom području pokazuje kako su smetnje ispod frekvencije 1000 Hz. Za izbor dijela spektrograma kojeg želimo uređivati, pritisne se dugme sa strelicom u gornjem lijevom kutu trake sa zadaćama. Nakon toga povlačimo mišem po izabranom dijelu spektrograma. Izabrano područje se tada prikaže inverznim video signalom. pritiskom na play reproduciramo izabrani segment spektrograma. Nakon toga (ako nas željeni rezultat zadovoljava) pritisnemo dugme Filter u traci s zadaćama što otvara okvir za dijalog u koji upisujemo parametre filtera. Budući da u ovom primjeru želimo prigušiti komponente spektra ispod 1000 Hz, izabrat ćemo opciju High pass i postaviti odrezivanje na 1000 Hz. Pritiskom na OK signal se filtrira. Završetkom filtriranja spektrogram će prikazati obrađeni signal. Reprodukcijom digitalno obrađenog signala smetnje su značajno smanjenje, a korisni signal je nepromjenjen. Ako nismo zadovoljni postignutim rezultatom, naredba Undo će vratiti izvorni signal pa postupak možemo ponoviti. Važno je napomenuti da je konfiguracija programa prilagođena digitalnom filtriranju, zapisana u arhivu filter.cfg i namještamo je sa naredbom <load configuration>.Akustički odziv prostorije Mjerenje akustičkog odziva prostorije omogućuje nam npr. točno podešavanje ekvalizatora u razglasnim sustavima ili u malim prostorijama može ukazati na defekte akustike prostora. Prikazan je tipični postupak pri mjerenju: Vrijeme odjeka (RT60) Vrijeme odjeka je mjera akustičke "živosti" prostorije. Dugo vrijeme odjeka može predstavljati problem auditoriju pri razumjevanju govora ili pri doživljaju glazbe. Po definiciji, vrijeme odjeka je vrijeme koje potrebno energiji generiranog zvuka u prostoriji da oslabi 1000000 puta tj. 60 dB. Prijenosna funkcija Prijenosna funkcija je amplitudni i fazni odziv nekog audio uređaja. Ključni dio točnog mjerenja prijenosne funkcije je izdvajanje signala pobude iz rezultata mjerenja. To se postiže propuštanjem ulaznog signala na drugi kanal analizatora i aktiviranjem funkcije lijevi minus desni kanal. Pri logaritamskom amplitudnom skaliranju oduzimanje logaritama jednako je dijeljenju njihovih razina. Analiza ukupnog harmonijskog izobličenja Ako na ulaz nekog audio uređaja dovedemo samo jednu frekvenciju npr. 1 kHz, a na izlazu se uz tu pojave se još neke frekvencije, na višekratnicima pobudne, koje nisu postojale na ulazu govorimo o harmonijskim izobličenjima. Ukupno harmonijsko izobličenje je odnos snage harmonika prema snazi osnovnog tona i izražava se postotkom. Što je iznos izobličenja manji to u odzivu ima manje harmonika pa kažemo kako je odziv čišći. Tipično mjerenje ukupnog harmonijskog izobličenja vrši se s referencijalnom frekvencijom od 1 kHz. Referencijalna frekvencija propušta se kroz audio uređaj, a ukupno izobličenje izračunava se iz spektra. Iz oblika grafa harmoničkog izobličenja vidimo dominantna izobličenja neparnih harmonika što može ukazivati na diferencijalni par na ulazu ispitivanog audio sklopa. Ovdje je vrlo važno primijetiti kako izobličenja zvučne kartice i referencijalnog signala moraju po svojim karakteristikama daleko nadmašiti uređaj koji se mjeri. Čistoća signala generatora direktno ovisi o izobličenju primijenjene zvučne kartice. Treba znati i to kako standardne zvučne kartice računala imaju daleko veća izobličenja nego< standardni audio uređaji, pa su ova mjerenja bez smisla, ako ne posjedujemo profesionalnu zvučnu karticu s vrlo niskim izobličenjima. Intermodulacijsko izobličenje (IMD) Intermodulacijsko izobličenje je mjera izobličenja koje nastaje miješanjem ili interakcijom dva ili više tonova. Zbog nelinearnosti prijenosnih funkcija audio uređaja dolazi do modulacije i miješanje komponenti spektra. Razina intermodulacije proračunava se tako da se prvo odrede frekvencije i razine dvaju najjačih tonova u spektru, a onda se proračunava ukupna snaga svih frekvencija koje su produkt intermodulacije. Iznos intermodulacijskog izobličenja je onda odnos produkata intermodulacije prema efektivnoj vrijednosti sume snage najjačih tonova u spektru. Generator za tipično mjerenje intermodulacije, prema međunarodnim normama, rabi tonove na 250 Hz i 8020 Hz pri čemu je viša frekvencija oslabljena 12 dB (odnos 4:1) u odnosu na nižu frekvenciju. Kako bi se potisnule slučajne komponente šuma i poboljšala točnost mjerenja primjenjuje se vrlo dugo vrijeme usrednjavanja. Zaključak Računala su omogućila vrlo veliki kvalitativni i kvantitativni skok u načinu i brzini izvođenja mjerenja u elektroakustici i akustici uz znatno smanjenje cijene. Međutim, točnost rezultata izvršenih akustičkih mjerenja ovisi o primijenjenim elementima mjernog sustava (mikrofoni, zvučna kartica, brzina procesora računala). Njihove značajke još nisu međunarodno normirane, pa je potrebno posvetiti veliku pozornost: frekvencijskom odzivu, harmonijskim izobličenjima, osjetljivosti mjernih mikrofona, a posebno mehaničkoj buci (tvrdog diska i ventilatora) primijenjenog PC sustava. Neke korisne naputke specificiraju preporuke Microsoft PC97, PC98 ili Intel AC97. Posebno su kvalitetni računarski zasnovani spektralni analizatori čiji programi rade uz primjenu zvučne kartice računala. Programi koriste zvučnu karticu za AD pretvorbu, a digitalizirani audio signal tada se propušta kroz FFT algoritam koji signal transformira iz vremenskog područja u frekvencijsko područje. Informacija u frekvencijskom području konvertira se u spektar koji se prikazuje na centralnim frekvencijama. Ovu transformaciju vrši procesor primijenjenog računala. Pri tome treba posvetiti posebnu pozornost da primijenjena zvučna kartica bude istosmjerno spregnuta, kako bi omogućavala prolaz istosmjernim signalima, potrebnim za točnu reprodukciju impulsa, kao i za ramp signale. Uz to zvučna kartica treba biti full duplex tipa kako bi omogućavala istovremeno snimanje i reprodukciju. Pored toga svi oblikici izobličenja trebaju biti izuzetno niski. Iako ovakvi sustavi imaju vrlo velike potencijale, točnost i popularnost, još uvijek se ne mogu približiti kakvoći posebno konstruiranih MLS mjernih sustava posebno zbog ograničenja koje nameće sva potrebna dodatna oprema, ali zbog povoljne cijene i mogućnosti koje pružaju dvokanalni FFT analizeri spektra su vrlo rašireni. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
