Сравнение характеристик аудиосистем

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО  УрТИСИ (филиал) «СибГУТИ»

Курсовая  работа

По дисциплине: «Аудиовизуальная техника»

На тему: «Сравнение характеристик аудиосистем»

Проверил: Логинов  В.В.

Выполнила: студентка  гр. ВЕ-81

Осипова И.А.

Екатеринбург 2012 г.

Введение

60-70-е годы уже прошлого, XX века существовало два класса музыкальной аппаратуры. Первый именовался portable и представлял собой моноблочную переносную систему с возможностью автономного питания от батареек. По сегодняшним меркам переносные устройства тех лет предназначались для настоящих Геркулесов, до того были громоздки. Второй класс аппаратуры назвали Hi-Fi (от английского High Fidelity - высокая верность). Эти системы собирались из отдельных блоков, были стационарными и стоили дороже. Правда, и воспроизведение они обеспечивали значительно более качественное.

Человеческий  слух способен воспринимать звуковые частоты от 16 Гц до 20 кГц, что составляет около десяти музыкальных октав. Этот диапазон можно приближенно разделить на три группы: низкие (16-250 Гц), средние (250-2000 Гц) и высокие (2000-20000 Гц) частоты (иногда выделяют шесть групп). В зависимости от динамиков конкретных акустических систем, граница между низкими и средними частотами может пролегать в промежутке 100-300 Гц, а между средними и высокими - 2000-8000 Гц. Каждый музыкальный инструмент, в зависимости от своего "голоса", звучит в определенном диапазоне, стили музыки также различаются преобладанием определенной полосы частот. Поэтому при выборе акустической системы необходимо учитывать музыкальные пристрастия слушателя. Любителям авторской песни под гитару рекомендуется отдавать предпочтение качеству средних частот, поклонникам диско и техно - низким и высоким частотам, фанатам рока и джаза - низким и средним. Классическая музыка затрагивает наиболее широкий звуковой спектр. 

Цель тестирования

Основной  целью тестирования качества акустических систем является определение качества продукта по выработанным критериям  по абсолютной шкале и по сравнению  с конкурентами. Успех акустических систем, как удачного продукта, зависит  от совокупности многих факторов. Из них  можно выделить следующие, наиболее важные для пользователя: внешний  вид, эргономика, функциональность и  качество звучания. Стоимость изделия  также является важным фактором при  покупке, однако наиболее актуален показатель цена/качество для своей ценовой  категории, в сравнении с ближайшими конкурентами.

Для сравнения  колонок друг с другом, а также  более четкого представления  о каждом изделии целесообразно  исследовать и провести сравнение  продуктов по всем основным признакам, определяющим интегральную оценку качества.

Объективные тесты

Для большей точности при анализе  используются объективные параметры  — основные существующие показатели, которые можно получить в результате измерений. Это неравномерность  амлитудно-частотной характеристики (АЧХ), осевые и внеосевые показатели, гармонические искажения в рабочей полосе частот, анализ отдельно 2-й и 3-й гармоники, скриншоты спектра на контрольных частотах.

АЧХ характеризует рабочий диапазон частот устройства и неравномерность  передачи тембра. Внеосевые АЧХ характеризуют направленность на ВЧ. Для активной акустики АЧХ в крайних положениях регуляторов тембра показывает соответствующие возможности продукта. Уровень гармоник показывает слышимую составляющую гармонических искажений. Данный весьма полезный параметр не регистрируется большинством измерительных лабораторий. При измерении коэффициента гармоник (2+3 гармоники) используется собственная уникальная методика плавно нарастающих некратных логарифмических синусоид фиксированной частоты с музыкальным интервалом.

Измерения производятся специально разработанным  программно-аппаратным комплексом. При  измерениях АЧХ используется логарифмически нарастающий синусоидальный сигнал большой продолжительности, с автоподстройкой  фазы при анализе. Это позволяет  получить более приближенные к реальности измерения, так как энергетически подобный тестовый сигнал более близок к музыкальному. Также исключается искусственная пристыковка теоретически полученного НЧ диапазона по приближенным результатам моделирования.

Субъективные  тесты

Большую трудность  представляет передача слуховых ощущений от прослушивания в виде словесных  описаний. В литературе и СМИ можно  встретить несколько подходов к  описанию звучания звуковой аппаратуры. Наиболее частый подход: применение эмоциональных  эпитетов из областей, никак не связанных  с общепринятой музыкальной терминологией, а также не связанной с техническим  описанием физических процессов. Так, например, можно встретить выражения  «вкусный бас», «взрослый звук», «степень интимного вовлечения». Другой подход может заключаться в выставлении  и последующих манипуляциях с  численными оценками по таким пунктам, как «глубина сцены», «стабильность  образа». Подобные словосочетания не имеют  никакого четкого определения или  стандартизованной научно-обоснованной базы, а их трактовка предполагается на личное усмотрение слушателя. Здесь  не обходится без привлечения  изотерической антинаучной субъективной эмоциональной (аудиофильской) системы оценок, индивидуальной для каждого такого слушателя. При этом ценность подобной оценки крайне сомнительна, даже при попытках выявить какую-то закономерность. Полезных выводов о соотношении цены/качества или удачности конструкции колонок сделать не удается.

Основой применяемой  в нашей методике системы оценки являются:

1. Научная  база, с представлением о происходящих  физических процессах (спектральный  анализ, временной анализ, и т.п.). Акустическая система (колонка)  представляет собой сложное нелинейное  электроакустическое устройство, с  комплексом присущих ему свойств.  Поэтому при оценке применимы  физические термины из области  Физики, раздел Акустика.

2. Музыкальный  подход. Воспроизводимый сигнал  представляет собой музыку, поэтому  его можно рассматривать по  музыкальным критериям. Это позволяет  характеризовать  качество без изобретения и стандартизации новой терминологии.

Преимуществом является комплексный подход. Например, фраза: «хорошая атака акустической системы позволяет более точно  передавать штрихи исполнения», сочетает научно-технический и музыкальный лексикон. В то время как фраза «интимно-мистический звук колонок взбудоражил и накрыл волной эмоций» не несет полезной информации, кроме как о повышенной эмоциональной возбудимости слушателя.

У данного  подхода тоже имеются недостатки. Например, предполагается некоторая  минимальная подготовленность читателя. С другой стороны, результаты тестирования подразумевают ориентацию на интересующегося  человека, который готов узнавать что-то новое, если это способно реально  помочь в его задачах выбора или  расширения кругозора.

Отчет о  тестировании

Особенности звучания каждой модели акустики фиксируется  в письменном отчете. 
Итоговая оценка складывается из следующих компонентов:

качество  звучания в абсолютной категории

качество  звучания в своем классе

соотношение цены и качества звучания

оценка применимости (сферы применения: музыка, домашний кинотеатр, профессиональная аудиоаппаратура)

Тест RMAA предназначен для тестирования качества аналоговых и цифровых трактов любой  звуковой аппаратуры - звуковых карт, портативных mp3-плееров, бытовых cd/dvd-плееров, а также акустических систем. Тестирование осуществляется путем воспроизведения и записи тестовых сигналов, прошедших через исследуемый звуковой тракт, посредством алгоритмов частотного анализа. Для тех, кто не знаком с измеряемыми техническими параметрами, программа даёт условную словесную.Новая шестая версия — результат двухлетней разработки лучших специалистов в области звука. RMAA 6.0 расширяет представление об удобстве и функциональности программ-спектроанализаторов. Не случайно программой пользуются энтузиасты, профессионалы и специализированная звуковая пресса всего мира, а производители разрабатывают новые аудиоустройства с обязательным тестированием их качества в тесте RMAA. Одним словом, программа в данный момент является индустриальным стандартом де-факто, предоставляя быстро и просто измерять технические параметры без необходимости тратить десятки тысяч долларов на специализированные измерительные комплексы. 
 

RightMark Audio Analyzer (RMAA)

Тест RMAA предназначен для тестирования качества аналоговых и цифровых трактов  любой звуковой аппаратуры - звуковых карт, портативных mp3-плееров, бытовых  cd/dvd-плееров, а также акустических систем. Тестирование осуществляется путем воспроизведения и записи тестовых сигналов, прошедших через исследуемый звуковой тракт, посредством алгоритмов частотного анализа. Для тех, кто не знаком с измеряемыми техническими параметрами, программа даёт условную словесную оценку. 

Новая шестая версия — результат  двухлетней разработки лучших специалистов в области звука. RMAA 6.0 расширяет  представление об удобстве и функциональности программ-спектроанализаторов. Не случайно программой пользуются энтузиасты, профессионалы и специализированная звуковая пресса всего мира, а производители разрабатывают новые аудиоустройства с обязательным тестированием их качества в тесте RMAA. Одним словом, программа в данный момент является индустриальным стандартом де-факто, предоставляя быстро и просто измерять технические параметры без необходимости тратить десятки тысяч долларов на специализированные измерительные комплексы. 

Рисунок 1 

Изменения в RMAA 6.0 по сравнению с RMAA 5.5:

• намного более удобный интерфейс пользователя;
• устройства разных API выбираются из единого списка;
• новый HTML-отчёт;
• новые частоты тестирования (88.2, 176.4 кГц);
• новый важный параметр в отчете: Гармонические искажения + шум, дБ (А);
• добавлен режим моно;
• тест "Полярность сигнала" в HTML-отчете;
• новые режимы просмотра графиков спектров (линейный/логарифмический/мелодический);
• поддержка русского языка в надписях;
• более стабильная работа программы в целом;
• множество других исправлений и улучшений.

Дистрибутив 6-й версии и инструкцию на русском языке можно бесплатно  загрузить в разделе "Скачать файлы".  

Помимо бесплатной версии доступна также профессиональная версияRMAA 6.0 PRO.

  
 Рисунок 2

Главные особенности RMAA 6.0 PRO:

• поддержка профессионального ASIO-интерфейса - впервые, только в профессиональной версии;
• диагностика возможностей ASIO-устройств: поддерживаемые частоты, размер буферов, список каналов;
• выбор любых входов/выходов из списка при тестирования ASIO-устройств;
• возможность произвольного использования разных устройств в одном тесте;
• возможность использования разных API (MME, DirectSound, ASIO) в одном тесте;
• устройства разных API выбираются из единого списка;
• доступны для изменения многочисленные новые параметры тестов;
• множество других исправлений и улучшений.

Программа RightMark Audio Analyzer предназначена для тестирования качества аналоговых и цифровых трактов любой звуковой аппаратуры – звуковых карт, портативных mp3-плееров, бытовых CD/DVD-плееров, а также акустических систем. Тестирование осуществляется путем воспроизведения и записи тестовых сигналов, прошедших через исследуемый звуковой тракт, посредством алгоритмов частотного анализа. Для тех, кто не знаком с измеряемыми техническими параметрами, программа даёт условную словесную оценку.

Рисунок 3

Режимы тестирования

Программа RMAA может использоваться для тестирования различных частей звуковой карты, а также других звуковых устройств. Вот несколько основных вариантов использования программы:

• Тестирование выхода (воспроизведения) звуковой карты

Для такого тестирования нужно иметь высококачественную референсную звуковую карту, которая будет использоваться для записи. Перед тестированием выход тестируемой звуковой карты подключается ко входу референсной. RMAA воспроизводит тестовый сигнал через выход тестируемой звуковой карты и анализирует результат, записанный через вход референсной карты. При этом предполагается, что референсная карта практически не вносит дополнительных искажений в сигнал (по сравнению с выходом тестируемой карты).

• Тестирование входа (записи) звуковой карты

Для этого тестирования также нужно  иметь высококачественную референсную карту, которая будет воспроизводить тестовые сигналы. Выход референсной карты подключается ко входу тестируемой карты. RMAA воспроизводит тестовый сигнал через выход референсной карты и анализирует результат записанный через вход тестируемой карты. При этом предполагается, что референсная карта выдает на выходе практически неискаженный сигнал (по сравнению с уровнем искажений входа тестируемой карты).

• Тестирование полной цепи звуковой карты (суммы искажений записи и  воспроизведения)

Для этого тестирования не нужно дополнительного  оборудования. Единственное требование – это возможность работы тестируемой  звуковой карты в дуплексном режиме. Для тестирования нужно соединить  выход тестируемой звуковой карты (например, “line out” или “spk out”) с ее входом (например, “line in”). Недостаток данного теста в том, что по результату нельзя точно определить, к выходу или ко входу звуковой карты относятся те или иные зафиксированные помехи.

• Тестирование цифровых входов и  выходов звуковой карты

Как ни странно, часто цифровые входы  и выходы звуковой карты работают не просто как приемник и передатчик цифрового сигнала, но и вносят в  сигнал некоторые искажения. Для  тестирования цифровых входов и выходов  можно воспользоваться теми же тремя  вариантами использования RMAA, которые  уже были описаны применительно  к аналоговым сигналам.

• Тестирование внешних звуковых устройств реального времени

Для тестирования внешнего звукового устройства нужна референсная звуковая карта. Выход референсной звуковой карты подключается ко входу внешнего устройства, а выход внешнего устройства – ко входу референсной звуковой карты. RMAA пропускает тестовый сигнал через внешнее устройство (воспроизведение и запись обеспечиваются референсной звуковой картой) и анализирует результат. При этом предполагается, что референсная карта практически не искажает сигнал (по сравнению с уровнем искажений внешнего устройства).

• Тестирование других звуковых устройств (аналоговый/цифровой выход DVD/CD/MP3-плеера) в асинхронном режиме

Для тестирования других звуковых устройств  в RMAA имеется асинхронный режим  тестирования. Он позволяет записать тестовый сигнал в WAV-файл, далее –  проделывать с этим WAV-файлом любые  операции и в конце концов проанализировать результат из WAV-файла. Рассмотрим 2 примера использования асинхронного режима.

Общие настройки теста

General

Save resulting WAV files – сохранение файла с результатами. Используется для отладки и детального анализа результатов в сторонних программах. По умолчанию отключено.

Analyze noise and distortion only in 20 Hz – 20 kHz range – включение фильтра звукового диапазона, аналогичного стандартному AES17. Используется для получения результатов, сопоставимых с паспортными данными тестируемых изделий. По умолчанию включено.

Normalize amplitude of test signals before analysis – автонормализация результатов по амплитуде. Используется для сопоставимости результатов измерений устройств с разным уровнем сигнала. Наиболее важно при тестировании AC’97/HDA-кодеков и MP3-плееров. По умолчанию включено.

Sound card

Use WDM drivers – WDM модель драйверов используется в современных операционных системах. По умолчанию включено. Отключите в случае использования Windows 9х и VxD драйверов.

Mono mode – режим моно. Убирает второй график со спектра, что может быть полезным при тестировании акустики. По умолчанию выключено.

Signals

Calibration tone and sync tone frequency – выбор тестового тона подстройки уровня сигнала. Полезная опция при проведении теста акустических систем. По умолчанию 1000 Гц.

THD test signal, IMD test signal – настройки тестовых сигналов в соответствующих тестах. Настройки по умолчанию показаны на скриншоте. Менять не рекомендуется.

Display

Smaller spectrum windows – настройка уменьшает размер окон спектров. Полезна для экранов с небольшой диагональю.

Display full frequency range (up to Fs/2) – отображать полный диапазон частот, вплоть до половины частоты дискретизации. Влияет на генерацию HTML-отчетов.

Draw only tops of spectrum on comparison graphs – построение только максимальных значений для отображаемых точек спектра. Опция позволяет лучше видеть относительное положение спектров при сравнении.

Invert spectrum graph colors (for printing) – меняет цвет фона с черного на белый, для печати на принтере или для полиграфии.

Graph line width – толщина линий на графиках.

Сolor slot # -выбор цвета графика из палитры.

Тесты акустических систем

Тесты Frequency response (swept sine) и Total harmonic distortion (set of tones) предназначены для тестирования акустических систем. Алгоритмы тестирования акустики имеют специфику, поэтому рекомендуется использовать тесты по своему прямому назначению.

Thorough frequency response test – в режиме тестирования АЧХ логарифмически нарастающим синусом используется более продолжительный тестовый сигнал.

Subwoofer test – тестируется только низкочастотный диапазон. Калибровочный сигнал также имеет более низкую частоту.

Plot THD in swept sine test – строит график искажений в тесте АЧХ.

В настройках второго теста, перебором  нарастающих по амплитуде постоянных по частоте синусоид, указывается  количество тестовых частот, диапазон изменения амплитуд.

Настройка уровней

Ясно, что уровни записи и воспроизведения  сильно влияют на уровень шумов и  искажений в тестируемой цепи. Поэтому перед тестированием  желательно отрегулировать уровни так, чтобы результаты тестирования были наилучшими. Можно проводить тестирование несколько раз и подбирать  уровни для достижения наилучших  результатов.

Инструкция  для настройки уровней и режимов  работы карт Creative доступна для скачивания на официальном сайте программы

http://audio.rightmark.org/download_rus.shtml.

Рассмотрим  наиболее типичную настройку уровней  при тестировании полной цепи (ЦАП+АЦП) звуковой карты, когда выход “line out” соединяется с входом “line in”.

1. В микшере звуковой карты необходимо включить на воспроизведение только выходы “wave out” и “master”. На запись следует включить только вход “line in”. Для получения наиболее точных результатов выключите все эквалайзеры, 3D-эффекты и проч.

2. Уровни “wave out” на воспроизведении и “line in” на записи желательно выставить в положения по умолчанию. Это обычно положения от среднего до верхнего.

3. Запустить программу RMAA, выбрать в настройках звуковой карты нужные устройства для воспроизведения и записи и войти в режим настройки уровней (кнопка “Adjust I/O levels”).

4. Начнется настройка уровней звуковой карты. При этом по тестируемой цепи будут пропускаться сигнал с амплитудой –1 дБ. Отрегулируйте уровни записи и воспроизведения в микшере (точное совпадение не требуется, разница в 1 или 2 дБ вполне допустима). Сначала рекомендуется попытаться отрегулировать уровни с помощью только одного регулятора: “master”. Если это не удастся, то можно двигать и регуляторы “wave out” и “line in”. При регулировке необходимо следить, чтобы в спектре входного сигнала, изображаемом окне спектра не возникало нелинейных искажений.

Выберите  нужные типы тестов в главном окне программы и нажмите кнопку “RUN TESTS!”. После завершения тестирования можно просмотреть результаты в  окне “Test results” или выполнить те тесты, которые еще не проводились.

Просмотр результатов

В окне “Test results” собрана информация обо всех проводившихся тестах

Окно  поделено на 4 слота (4 вертикальных столбца), в каждый из которых могут быть записаны результаты одного набора тестов. Таким образом, можно одновременно загрузить результаты тестирования четырех устройств или четырех режимов устройств, в том числе самих тестовых файлов, сгенерированных программой.

Для каждого теста в окне выводится  краткий численный результат. Более  подробный отчет о результатах  теста можно получить, щелкнув  правой кнопкой мыши на численном  результате.

Вертикальный  ряд кнопок справа от численных результатов  позволяет просмотреть график спектра  для соответствующего теста.

Кнопки “Select” под слотами позволяют выбрать несколько слотов для сравнения результатов.

Кнопки  открытия и сохранения файлов позволяют  загрузить или сохранить набор  результатов в SAV-файл для последующего просмотра. В SAV-файле сохраняются  все детали отчетов и графики  спектра.

Кнопка  генерации HTML-отчета позволяет сгенерировать HTML-файл с результатами тестирования или со сравнением результатов из нескольких слотов. В HTML-отчет включаются все детальные отчеты и графики.

Окно спектра

  Элементы управления:

-приближение

-удаление

Элементы  панели инструментов:

• Анти-алиасинг графика. Устраняет эффект ступенчатости при выводе на экран.

• Поменять графики местами – рисует правый канал на заднем плане, а левый – на переднем

• Настройка параметров отображения.

• Сохранение графика в графическом файле на диске.

• Scale: Log/Linear/Mel – масштаб: логаримический, линейный, мелодический

Управление  мышью:

• Левая кнопка – выделение горизонтального  фрагмента графика и его приближение.

Spectrum analysis

Spectrum analysis – продвинутый анализатор спектра произвольных WAV-файлов.

Нажатие открывает стандартный диалог выбора WAV-файла. Это может быть, например, сгенерированный и записанный нестандартный  сигнал, отсутствующий в списке тестов. Опции спектрального анализа:

  Спектральный анализ файла выполняется  по блокам размером “FFT size”, с усреднением спектра по всему файлу. Если требуется проанализировать спектр лишь части файла, то ее надо вырезать во внешнем звуковом редакторе и сохранить в отдельный WAV-файл. Поддерживается работа с 16 и 32-битными WAV-файлами и широким диапазоном частот дискретизации.

FFT size -размер блока FFT в семплах. От этого зависит число частотных полос спектра (bins), т.е. детальность частотного представления сигнала (важно для анализа сигналов в НЧ-области). Чем выше FFT size, тем длиннее по времени должен быть сигнал. Минимальное время в секундах можно рассчитать по формуле FFTsize/Fs.

Resolution -ширина одной "частотной полосы" спектра. Для удобства для текущей частоты дискретизации автоматически высчитывается разрешение по частоте.

Zero padding -дополнение сигнала нулями перед взятием спектра. Позволяет чуть точнее прорисовать спектр (это приводит как бы к интерполяции спектра по частоте).

FFT overlap -перекрытие окон FFT по времени (в процентах от ширины окна). Большее перекрытие приводит к чуть лучшему усреднению спектра по времени.

FFT window -форма весового окна. Компромисс межу подавлением боковых лепестков и расширением пиков.

Kaiser window beta -параметр окна Кайзера, регулирует степень подавления боковых лепестков. Если в спектре есть высокие пики, можно повысить до 13 -15, если высоких пиков нет, можно не трогать или понизить до 5 - 7.

Тестирование  акустической системы Microlab B-77. 
 
  Рисунок 4 

Характеристики  Microlab B-77 

Корпус колонок Microlab B-77 выполнен из МДФ. Качественное покрытие, имитирующее светлое дерево, имеет рисунок, облагораживающий весь внешний вид стереосистемы. В целом дизайн Microlab B-77 очень удачный: комбинация светлого дерева и тёмного покрытия под кожу отлично смотрится и с тканевыми акустическими решетками и без них. Колонки магнитно экранированы. 
 
Рисунок 5

Каждая колонка имеет  двухполосную конструкцию: динамик для воспроизведения низко- и среднечастотного диапазона диаметром 101,6 мм и высокочастотный твиттер с тканевым куполом диаметром 19 мм. Динамические излучатели установлены на передней панели и имеют высококачественное оформление: решетку из ткани, служащую защитно-декоративным целям.  
 
 
Рисунок 6    Рисунок 7

Решетка может быть снята  для изменения внешнего вида колонок (открытые динамики). 
 
 
 
Рисунок 8    Рисунок 9

В правой колонке установлен усилитель, снабженный регулятором громкости  и регуляторами тембра НЧ/ВЧ. Входы  и выходы усилителя, а также выключатель  питания расположены на задней стенке правой колонки. Между собой колонки  стереосистемы связываются кабелем, который удерживается пружинными зажимами. 
 
 
Рисунок 10      Рисунок 11 
Колонки стереосистемы выполнены по фазоинверторной схеме — на задних панелях у каждой имеется отверстие фазоинвертора, улучшающего воспроизведение самых низких звуковых частот.

Благодаря наличию двух RCA входов ("тюльпанов"), стереосистему  легко подключить к двум источникам звука. Кабель RCA-mini-jack 3,5 мм входит в комплект поставки. Производитель рекомендует эту стереосистему для воспроизведения музыки. 

Microlab B-77 звучит в объеме. За счет активно действующих фазоинверторов и колонок, удачно согласованных по диапазонам НЧ/СЧ/ВЧ, стереосистема создает звуковое поле, насыщенное образами, четко перемещающимися объектами и отлично локализуемыми источниками звука. При этом в диапазоне низких частот звучание сохраняет наполненность, имеющую тенденцию к удлинению басовых нот, но все же не разрушающую музыкальности.

Присутствует маленький "звуковой аттракцион": при перемещении  слушателя внутрь стереобазы  (т.е между колонками) насыщенность звука по НЧ не просто возрастает, а "окутывает" со всех сторон из-за попадания в точку между четырьмя излучателями низких частот. Это два НЧ/СЧ-динамика и два порта фазоинверторов. Фазоинверторы, расположенные на задних стенках колонок, действительно рабочие и привносят много в звучание стереосистемы. Поэтому нежелательно прятать Microlab B-77 в тесные полки и ставить вплотную к стене, перекрывая фазоинверторы.