Основные характеристики. Методы измерений
Минимальные требования к электроакустическим параметрам стереотелефонов категории Нi-Fi, методы их измерения и оценки качества звучания изложены в международных документах МЭК — публикации 268.4.7 [5.3], 581.4.10 [5.4], 268.4.13 [5.5] соответственно.
Качество воспроизведения различных звуковых программ через стереотелефоны зависит от вносимых ими линейных и нелинейных искажений. Основным критерием линейных искажений является форма амплитудно-частотной характеристики звукового давления или уровня звукового давления (ЧХЗД), развиваемого телефоном. Под амплитудно-частотной характеристикой звукового давления понимается зависимость от частоты амплитуды звукового давления, развиваемого телефоном либо на входе слухового канала, либо на барабанной перепонке, при подведении к телефону напряжения постоянного значения синусоидальной формы или полосового шума. Под уровнем звукового давления понимается двадцать десятичных логарифмов отношения модуля звукового давления к давлению 2*10-6 Па.
Измерение амплитудно-частотной характеристики звукового давления или уровня звукового давления телефонов производится с помощью установки «Искусственное ухо (ИУ). Конструкция и параметры ИУ соответствуют требованиям МЭК публикация 318 [5.6]. Схематический поперечный разрез ИУ представлен на рис. 1, a. «Искусственное ухо представляет собой камеру, состоящую из трех полостей, соединенных между собой через узкие щели и отверстия. Объемы полостей соответственно равны: V1=2,5 см3, V2=1,8 см3, V3=7,5 см3. В ИУ входит измерительный конденсаторный микрофон (приемник звукового давления). Эквивалентная электрическая схема ИУ показана на рис. 1, б.
Рис. 1. Схематический поперечный разрез установки «Искусственное ухо» (а) и его электрическая эквивалентная схема (б):
Модуль полного входного сопротивления ИУ в диапазоне частот 50...10000 Гц соответствует модулю входного сопротивления среднего человеческого уха. Охватывающие, прижимные и вкладные телефоны по-разному устанавливаются на адаптерное кольцо ИУ. Способы установки телефонов показаны на рис. 2.
Рис. 2. Способы установки телефонов на «Искусственное ухо: а) установка охватывающих телефонов; б) установка прижимных телефонов; в) установка вкладных телефонов:
Рис 3. Схема измерения частотной характеристики звукового давления телефона:
а) на синусоидальном сигнале:
б) на частотно-модулированном сигнале:
в) на шумовом сигнале:
Измерение ЧХЗД производится по структурной схеме, показанной на рис. 3,а. Синусоидальный сигнал от генератора 2 подается на испытуемый телефон 5, установленный на входе ИУ. Контроль подводимого напряжения осуществляется с помощью вольтметра 4. Звуковое давление, развиваемое телефоном в камере ИУ, преобразуется микрофоном в напряжение, которое усиливается микрофонным усилителем 7 и регистрируется на самописце 1, Запись производится в логарифмическом масштабе при постоянстве напряжения на входе телефона. Запись ЧХЗД можно производить и при подведении шумового сигнала.
Форма ЧХЗД телефонов при измерении синусоидальным сигналом искажается за счет появления пиков и провалов в высокочастотной области из-за возникновения стоящих волн в ИУ или в объеме амбушюра (у телефонов закрытого типа) на частотах, где длина волны становится сравнимой с внутренним диаметром амбушюра или расстоянием между излучающей поверхностью телефона и мембраной микрофона ИУ. Сгладить форму кривой ЧХЗД можно, если производить измерения на частотно-модулированном или шумовом сигнале.
Схема измерения частотной характеристики звукового давления телефона при подведении частотно-модулированного сигнала показана на рис. 3.б. На телефон подают частотно-модулированный сигнал и на частоте 500 Гц выставляют напряжение значением, соответствующим уровню звукового давления 94 дБ. С генератора 9 подают на управляющий вход генератора 1 напряжение, частота которого ниже нижней граничной частоты телефона, а пиковое значение напряжения вычисляют по формуле
U=2lgƒ0ƒ1
где ƒ0, ƒ1 — частоты, отличающиеся друг от друга на октаву или на треть октавы, Гц.
При усреднении в третьоктаве действующее значение управляющего (моделирующего) напряжения равно 0,07 В, а в октаве 0,21 В.
Схема измерения ЧХЗД телефонов при подведении шумового сигнала показана на рис. 3,в. С шумового генератора 1 на вход полосового фильтра 2 подают розовый шум. Сигнал с усилителя мощности 3 поступает на телефон 5. Контроль подводимого напряжения осуществляется вольтметром 4. Телефон установлен на ИУ 6. Звуковое давление, развиваемое телефоном, преобразуется микрофоном ИУ в напряжение, усиленное микрофонным усилителем и регистрируется самописцем 8. ЧХЗД усредняется в октавном или третьоктавном диапазоне.
Уровень звукового давления определяется по ЧХЗД на частоте 500 Гц по формуле
где U — напряжение, регистрируемое самописцем, мВ; Миу — чувствительность ИУ, мВ/Па, К — коэффициент усиления микрофонного усилителя.
Кроме уровня звукового давления по записанной кривой можно определить неравномерность ЧХЗД и среднее звуковое давление в заданном диапазоне частот.
Неравномерность ЧХЗД — это разность между максимальным и минимальным значениями уровней звукового давления в номинальном диапазоне частот
где Umax, Umin — напряжение на выходе ИУ, соответствующее максимальному и минимальному уровню звукового давления в номинальном диапазоне частот, мВ.
Номинальный диапазон частот — это диапазон частот, устанавливаемый изготовителем, в котором выполняются все технические требования, заложенные в научно-технической документации на телефон.
Среднее звуковое давление в заданном диапазоне частот
где аi — коэффициент, определяющий, во сколько раз звуковое давление, развиваемое телефоном на заданной частоте, больше или меньше 1 Па; р — звуковое давление, равное 1 Па; n — число частот, выбранных в данном диапазоне.
Разность уровней звукового давления между правым и левым телефоном пары
При установившемся производстве и строгом соблюдении технологии изготовления стереофонических телефонов, качество звучания которых отрабатывается на стадии изготовления опытной партии, а следовательно, и устанавливается тенденция ЧХЗД, требования к неравномерности ЧХЗД заменяются требованиями на отклонения от типовой ЧХЗД. Типовая ЧХЗД является средней ЧХЗД данной модели телефона. При расчете типовой ЧХЗД поле допусков задается так, чтобы отклонение от нее не оказывало существенного влияния на качество звучания телефона. Конструкция и акустические свойства установки «Искусственное ухо» лишь приблизительно соответствуют условиям размещения телефона на человеческом ухе, в связи с этим корреляция между результатами измерений на ИУ и субъективной оценкой качества звучания относительно мала.
В связи с этим Международный стандарт МЭК, публикация 581, часть 10, а также стандарт ФРГ ДИН 45 500, ч. 1 и 2, [5.7], рекомендуют определять ЧХЗД стереотелефонов методом сравнения громкости в свободном звуковом поле сигналов от громкоговорителя и телефонов, надетых на уши эксперта.
Сравнение громкости производится в специально оборудованной звукозаглушенной камере. Схема измерения ЧХЗД телефонов в свободном поле методом сравнения громкостей приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема измерения частотной характеристики звукового давления телефона в свободном поле методом прямого сравнения громкости:
В рабочую точку, расположенную на расстоянии 2 м от рабочей плоскости громкоговорителя по его рабочей оси, устанавливают измерительный микрофон и градуируют громкоговоритель при подведении к нему испытательного сигнала. Фиксируют те значения подводимых напряжений сигнала, при которых с выхода микрофона регистрируют величину напряжения, соответствующего испытательному уровню звукового давления, равному 70 дБ. Измерения повторяют несколько раз и определяют среднее арифметическое значение величин напряжений, подводимых к громкоговорителю. Эти напряжения служат градуировочной кривой измерительного громкоговорителя.
Затем в свободном поле (заглушенной камере) размещают эксперта так, чтобы геометрический центр его головы совпадал с рабочей точкой. Эксперт поочередно прослушивает сигнал от громкоговорителя и от телефона. На громкоговоритель на каждой частоте (полосе частот) подают напряжение, которое должно обеспечивать уровень звукового давления в рабочей точке 70 дБ. На телефон подают напряжение со значением, обеспечивающим минимальное различие уровней громкости, полученных воздействием звукового давления от громкоговорителя и от телефона. В диапазоне частот 20...630 Гц используется синусоидальный сигнал, а в диапазоне частот 630...20 000 Гц третьоктавные полосы розового шума. Эксперт прослушивает цикл тестов-сигналов в следующей последовательности: частоту испытательного сигнала увеличивают от 630 до 20 000 Гц, далее уменьшают от 20 000 до 20 Гц, затем сигнал увеличивают от 20 до 630 Гц. Экспертизу проводят с участием 8 экспертов.
За результат измерений принимают чувствительность телефона по свободному полю:
где р — звуковое давление, создаваемое измерительным громкоговорителем на расстоянии 2 м от рабочей точки, Па; U—величина напряжения, подводимого к телефону, равная среднеарифметическому по показаниям 8 экспертов, В.
Кроме прямого метода сравнения громкости используется еще метод замещения, в котором вместо громкоговорителя применяется головной телефон, отградуированный по свободному полю. Методика измерения аналогична методике прямого измерения. Эксперт, попеременно надевая эталонные и испытуемые телефоны, добивается равенства громкостей обоих телефонов, регулируя подведение напряжения к испытуемому телефону. К эталонному телефону подводят напряжения, величины которых были установлены при сравнении последних с громкоговорителем в свободном поле. К испытуемому телефону подводят напряжение, при котором обеспечивается равно громкое звучание испытуемого телефона с эталонным.
В литературе, посвященной широкополосным стереотелефонам, приводятся результаты измерения ЧХЗД с помощью зонда. При этом зонд, т е. измерительный микрофон с насадкой, представляющей собой тонкую трубку, плотно примыкающую к приемной части микрофона, помещается у входа в слуховой канал испытуемого, между амбушюром телефона и выемкой ушной раковины. Измерения ЧХЗД производятся по структурной схеме рис. 3,а, где установка ИУ заменяется естественным ухом человека. Немецкий стандарт ДИН 45 619, часть 3[5.8], рекомендует измерять ЧХЗД стереотелефонов методом сравнения величин сигналов, поступающих в. слуховой канал испытуемого от громкоговорителя и телефона. Измерения производят с помощью зонда в диффузном поле. Диффузным полем называется область звукового поля, создаваемого многократными отражениями от ограничивающих поверхностей в замкнутом объеме, в которой среднее по времени значение квадрата звукового давления одинаково [5.4].
Рис. 5. Схема измерения частотной характеристики звукового давления телефона в диффузном поле методом прямого сравнения громкости:
Измерение ЧХЗД в диффузном поле, так же как и в свободном, может производиться двумя методами. Прямой метод основан на сравнении звуковых давлений, создаваемых в слуховом канале эталонным звуковым полем и головным телефоном (рис. 5). Косвенный метод использует вместо звукового поля (громкоговорителя) эталонный головной телефон, калиброванный по прямому методу. При прямом методе измерения ЧХЗД производят сравнение уровней напряжения на выходе зонда, введенного в слуховой канал испытуемого при попеременном измерении сигналов от головного телефона и громкоговорителя. Обычно используются сигналы розового шума в третьоктавных полосах.
Уровни звукового давления измерительных сигналов выбираются таким образом, чтобы входные сигналы микрофонного усилителя были как минимум на 10 дБ выше уровня собственных шумов электрического тракта зонда и уровня помех, создаваемых в слуховом канале (физиологический шум). Уровень звукового давления в рабочей точке не должен превышать 85 дБ. Напряжение, подводимое к головному телефону, должно быть установлено таким образом, чтобы на частоте 500 Гц напряжение на выходе зонда в случае громкоговорителя или телефона не должно отличаться более чем на 3 дБ. Измерения звукового давления в слуховом канале должны выполняться не менее чем на 8 испытуемых. Перед началом измерений зонд вводится в слуховой канал испытуемого. Точка измерения в слуховом канале должна находиться не менее, чем на 4 мм в глубине канала. На испытуемого воздействует шумовой сигнал, излучаемый громкоговорителем, при этом измеряется напряжение на выходе зонда. После этого испытуемый надевает головные телефоны и измеряется напряжение на выходе зонда, затем измерения повторяются. Величины напряжений первого и второго измерения усредняются и по этим данным вычисляется ЧХЗД телефона по диффузному полю. Для каждой полосы частот вычисления производят по формуле
где GDS ind — индивидуальный коэффициент передачи головных телефонов, снятый зондом; USK — эффективная величина напряжения на выходе зонда при звуковом воздействии головных телефонов, В; USD — эффективная величина напряжения на выходе зонда при звуковом воздействии громкоговорителя, В; UK — эффективная величина напряжения на входе головного телефона, В; U0=1 В; LD — уровень звукового давления в эталонной точке диффузного поля, дБ.
При измерении косвенным методом вместо диффузного поля используется головной телефон, калиброванный в диффузном поле по прямому методу. При косвенном методе измерения погрешности при определении коэффициента передачи эталонного телефона прибавляются к тем, которые получаются при сравнении с измеряемым телефоном, поэтому коэффициент передачи эталонного телефона должен определяться как минимум на 16 испытуемых. Величины выходных напряжений зонда первого и второго измерений усредняются, коэффициент передачи телефона по диффузному полю находится по формуле
где GDB ind — индивидуальный коэффициент передачи измеряемого головного телефона для каждой полосы частот; USB — эффективная величина напряжения на выходе зонда при звуковом воздействии эталонного телефона, В; Uв — эффективная величина напряжения на входе эталонного телефона, В.
В ряде работ показано, что для получения высокого качества звучания стереотелефонов разработчики должны стремиться к частотнонезависимой ЧХЗД по диффузному полю. Методы измерения ЧХЗД стереотелефонов с помощью зонда в диффузном поле в отечественной промышленности не апробированы.
Оба этих метода (по свободному и диффузному полю), вследствие своей трудоемкости, не пригодны для условий крупносерийного производства, поэтому в отечественном производстве применяется метод измерения ЧХЗД стереотелефонов с помощью установки «Искусственное ухо».
Рис. 6. Схема измерения коэффициента гармонических искажений:
Кроме линейных искажений стереотелефоны обладают и нелинейными искажениями, характеризующимися появлением новых спектральных составляющих, искажающих временную структуру подводимого сигнала. Нелинейные искажения обычно оцениваются полным (суммарным) коэффициентом гармонических искажений, равным корню квадратному из суммы квадратов коэффициентов гармонических искажений всех заданных порядков. Измерения производят по схеме, указанной на рис. 6, в диапазоне 100...3000 Гц на частотах 100, 200, 400, 800, 1600 и 3000 Гц при звуковом давлении 94 и 100 дБ. Напряжение на выходе ИУ измеряется с помощью селективного вольтметра или анализатора спектра. Коэффициент гармоник на частоте nƒ вычисляют по формуле
Где pnƒ— звуковое давление с частотой nƒ, Па; рi — звуковое давление, развиваемое в ИУ при подаче сигнала с частотой ƒi, Па.
Звуковое давление рi вычисляют по формуле
где Uі — напряжение, измеренное вольтметром 8, В; К коэффициент усиления микрофонного усилителя; Миу — чувствительность измерительного микрофона, мВ/Па.
Полный суммарный коэффициент гармонических искажений
Для согласования телефонов со звуковоспроизводящей аппаратурой изго¬товитель задает значение номинального сопротивления или модуля полного электрического сопротивления. Модуль полного электрического сопротивления равен модулю комплексной величины отношения напряжения на выходе телефона к результирующему току. Измерение модуля полного электрического сопротивления может производиться одним из двух методов.
Рис. 7. Схема измерения модуля полного электрического сопротивления: а) в режиме постоянства напряжения; б) в режиме постоянства тока:
Измерение частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления в режиме постоянства напряжения производится по схеме, показанной на рис. 7,б. Сопротивление резистора R2 не должно составлять более 0,05 предполагаемого минимального значения модуля полного электрического сопротивления телефона в заданном диапазоне частот. Частотная зависимость уровня напряжения на резисторе R2 измеряется при включенном телефоне. Затем переключателем включают резистор R1 сопротивление которого должно быть определено с погрешностью не более 1 % и должно находиться в пределах от минимально допустимого значения модуля полного электрического сопротивления до номинального электрического сопротивления телефона. На том же бланке регистрируют частотную зависимость уровня напряжения на резисторе R2 при включенном резиcторе R1. Модуль полного электрического сопротивления телефона на фиксированной частоте
где N2 — уровень напряжения на резисторе при включенном резисторе R2, дБ; NТ — уровень напряжения на резисторе Rг при включенном телефоне, дБ.
На рис. 7,б показана схема измерения частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления в режиме постоянства тока. Сопротивление резистора R1 должно не менее, чем в 20 раз, превышать предполагаемое максимальное значение модуля полного электрического сопротивления телефона. Записывают частотную характеристику уровня напряжения на телефоне. Затем телефон заменяют резистором R2, значение сопротивления которого должно находиться в пределах от минимально допустимого значения модуля полного электрического сопротивления телефона до номинального электрического сопротивления телефона. На том же бланке записывают частотную характеристику уровня напряжения на резисторе R2. Модуль полного электрического сопротивления телефона в режиме постоянства тока на фиксированной частоте
где Nт — уровень напряжения на телефоне, дБ; N2 — уровень напряжения на резисторе R2, дБ.
Кроме измерения объективных параметров, экспертной оценке подвергаются основные потребительские параметры телефонов - качество звучания и комфортность при эксплуатации. Оба эти параметра оцениваются экспертами. Методика проведения экспертиз регламентируется международным документом МЭК, публикация 268, часть 13 [5.5] и отечественным стандартом ОСТ4.202.003 [5.8]. Экспертиза оценки телефонов проводится методом парного сравнения с эталонным образцом по семибалльной шкале. Итоговая оценка вычисляется по формуле
где i=1,2,3,... — номер эксперта; j=1,2,3,... — номер фрагмента; Lij — оценка, вынесенная i-м экспертом на j-м фрагменте.
Заключительная оценка выносится в соответствии с таблицей.
Оценка качества звучания
| Диапазон изменения итоговой оценки | Качество звучания испытуемых головных телефонов по сравнению с эталонным | |
| —3,0...—0,5 | Хуже | |
| —0,5...+0,5 | Равноценно | |
| +0,5...+3,0 | Лучше |
Стереофонические телефоны предназначены для индивидуального прослушивания стереофонических программ от бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры, например: магнитофонов, магнитофонных приставок, магнитол, электрофонов, поэтому требования к их надежности должны быть не ниже, чем требования, предъявляемые к этим аппаратам. Методы испытаний на надежность изложены в ГОСТ 21317—87.
В процессе испытаний на надежность оценивают безотказность аппаратуры, т. е. соответствие показателей средней наработки на отказ Т0 и коэффициента прочности Кп требованиям технического задания или технических условий.
Оценку Т0 проводят по результатам электропрогона. Продолжительность электропрогона для стереотелефонов составляет 750 ч. Средняя наработка на отказ
где N — число испытуемых телефонов; t — продолжительность испытаний, ч; n — число отказов.
Коэффициент прочности
где N — число испытуемых телефонов; п — число отказов при испытаниях иа прочность при транспортировании.
Виды климатических и механических испытаний и нормы испытательных режимов указаны в ГОСТ 11473—88.