Badanie wybranych charakterystyk zestawu głośnikowego Laudberg M1

1. Cel i zakres prac

Celem pracy była ocena jakości dźwięku z zestawu głośnikowego Laudberg M1, którego producentem jest Zleceniodawca. Badanie skupiało si ˛e głównie na ocenie jakości dźwięku głośnika z uwzględnieniem pewnych danych charakteryzujących skuteczność badanego zestawu głośnikowego.

Zakres prac:
1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego,
2. Rejestracja danych charakteryzujących skuteczność badanego zestawu głośnikowego,
3. Przygotowanie raportu według specyfikacji Zamawiającego.

Praca obejmowała wykonanie pomiarów, opracowanie wyników dla następujących charakterystyk:
1. częstotliwościowej impedancji zestawu głośnikowego,
2. przenoszenia zestawu głośnikowego,
3. zniekształceń nieliniowych.

Pomiary charakterystyk zostały wykonane dla głośnika zasilanego wbudowanym wzmacniaczem mocy, gdzie sygnały testowe podawano na wejście liniowe RCA oraz dla głośnika pasywnego, z sygnałem wejściowym pochodzącym z zewnętrznego wzmacniacza mocy.

Podstawą opracowania jest umowa z dnia 26.10.2023, aneks, 25.06.2024.

 

2. Badany zestaw głośnikowy

Badany produkt składa się z dwóch zestawów głośnikowych: aktywnego i pasywnego. W aktywnym wbudowany jest wzmacniacz mocy, który zasila głośniki zarówno z aktywnego jak i pasywnego zestawu. Badane zestawy głośnikowe są dwudrożne, wyposażone w pokrętła regulacji głośności, balansu i korekcji.

Dane techniczne wykazane przez producenta:

• Moc wejściowa 60W + 60W
• Napięcie zasilania 19 – 24 V (DC)
  
• Zakres częstotliwości: 40 Hz – 20 kHz
• Głośnik basowy: 6,5 cala
• Głośnik wysokotonowy: 3,5 cala

Wymiary (WxSxG): 32 x 22 x 25 cm
Dołączony zasilacz 24 V / 2 A (48VA)

 

3. Pomieszczenie pomiarowe

Pomiary wykonano w pomieszczeniu o konstrukcji typu box-in-box w celu zapewnienie niskiego poziomu tła. Podłoga i ściany pokryte są materiałami pochłaniającymi dźwięk. Ściany oraz sufit dodatkowo posiadają piramidki akustyczne wykonane z pianki poliuretanowej. Ściany pomieszczenia nie tworzą prostopadłościanu. Jedna ze ścian nie jest płaska, ma kształt wypukły. Wymiary pomieszczenia to 500 x (od 345 do 310) x 250 cm (DxSxW).

 

4. Sprzęt pomiarowy

Pomiary wykonano przy użyciu następujących urządzeń:

• Moduł wejścia wyjścia analogowego z przetwornikami A/C i C/A i generatorem: B&K system LAN-XI 3160-A-042 – szybkość próbkowania 65536 próbek/s,
• Mikrofon: B&K 4189 – mikrofon pomiarowy ½ cala dla pola dalekiego,
• Kalibrator: B&K 4321,
• Wzmacniacz mocy: B&K 2734, wzmacniający sygnały z generatora wbudowanego w system LAN-XI.

Oprogramowanie: B&K LabShop

Pomiar charakterystyki impedancji wykonany przy u˙zyciu systemu National Instruments ELVIS II.

 

5. Pomiary wykonane przy użyciu głośnika aktywnego (wejście liniowe RCA).

Na wejście liniowe głośnika aktywnego zestawu głośnikowego podano ciąg sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach od 20 Hz do 20 kHz o czasie trwania 1s. Krok częstotliwości to 1/12 oktawy. Sygnał z generatora wbudowanego w LAN-XI był przekazany na wejście wzmacniacza mocy BK 2734. Naste˛pnie wyjście liniowe wzmacniacza mocy było połączone z wejściem RCA badanego zestawu głośnikowego. Amplituda napięcia sygnałów podanych na wejście RCA wynosiła 1 V. Regulatory korekcji i balansu były ustawione w pozycjach neutralnych. Dźwięk z głośnika został zarejestrowany przez mikrofon pomiarowy w odległości 0,5 m i dla trzech wysokości ustawienia mikrofonu pomiarowego:

1. w osi głośnika niskotonowego,
2. w osi głośnika wysokotonowego,
3. na wysokości przestrzeni między głośnikami.

Na rysunku 5 przedstawiono poziom zmierzony poziom ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości. Poziom został wyznaczony na podstawie fragmentów sygnałów w stanie ustalonym o czasie trwania 800 ms. Na charakterystykach uzyskanych dla wszystkich osi można zaobserwować wzmocnienie dla częstotliwości w pobliżu 4200 Hz. W przypadku pomiarów w osiach obu głośników widoczne jest wyraźne minimum dla częstotliwości 6-7 kHz. Dla pomiaru na wysokości przestrzeni między głośnikami tego minimum nie ma. Ta charakterystyka jest najbardziej wyrównana i mieści się w zakresie +/- 7dB dla zakresu częstotliwości od 53 do 19331 Hz.

Dla zarejestrowanych sygnałów oceniono tak˙ze zniekształcenia nieliniowe. Dla częstotliwości podstawowych od 60 Hz do 6,5 kHz wyznaczono wskaźnik THD (ang. total harmonic distortion) wyrażający wartość skuteczną ciśnienia akustycznego harmonicznych (od 2 do 5) w stosunku do wartości skutecznej częstotliwości podstawowej. Dla częstotliwości podstawowych powyżej 80 Hz wskaźnik THD utrzymuje się poniżej 1% (z wyjątkiem częstotliwości 700 do 900 Hz, gdzie wartość ta jest nieznacznie przekroczona) co sprawia, że głośnik ma akceptowalne zniekształcenia nieliniowe.

Poziomy ciśnienia akustycznego poszczególnych składowych przedstawione sa˛ na Rys. 7.

6. Pomiary wykonane na głośniku pasywnym
6. 1 Charakterystyka impedancji

Charakterystyka impedancji została zmierzona przy użyciu systemu NI ELVIS II. Zakres częstotliwości, w którym wykonano pomiar to 20 Hz do 20 kHz. Na zaciski pasywnego zestawu głośnikowego (gniazdo DIN w obudowie) podawano sinusoidalny sygnał elektryczny ze stabilizacją amplitudy prądu (źródło prądowe 100 mA(p-p)). Dla każdej z częstotliwości dokonano pomiaru napięcia na zaciskach, prądu płynącego przez zestaw głośnikowy i przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem. Skompensowano impedancję okablowania przyłączeniowego. Pomiar powtórzono 3 razy, wyznaczając średnią. Ostatecznie, wyznaczono moduł impedancji i kąt fazowy, które przedstawione są na Rys. 8.

Na podstawie wyznaczonych charakterystyk zidentyfikowano następujące wartości

1. częstotliwość rezonansowa bas reflex: 30 Hz
2. częstotliwość rezonansowa głośnika nisko-średniotonowego: 84 Hz
3. dodatkowe rezonanse: 220 Hz, 820 Hz
4. częstotliwość podziału zwrotnicy: 4100 Hz
5. minimalny moduł impedancji: 3,8 Ω (dla częstotliwości 200 Hz)
6. maksymalny moduł impedancji: 20 Ω (dla częstotliwości 84 Hz)
7. średni moduł impedancji: 6,96 Ω
8. zakres przesunięcia fazy: < −45..40 > st.

6. 1 Charakterystyka częstotliwościowa

Sygnałami testowymi były tony o częstotliwościach od 40 Hz do 20000 Hz z krokiem co pół tonu. Na zaciski zestawu głośnikowego podawany był sygnał elektryczny z wyjścia mocy wzmacniacza BK 2734. Wartość skuteczna sygnału wynosiła 2 V. Poziom ciśnienia akustycznego obliczony był z sygnału odpowiedzi w stanie ustalonym (800 ms). Dźwięk z głośnika został zarejestrowany przez mikrofon pomiarowy w odległości 0,5 m dla trzech wysokości ustawienia mikrofonu pomiarowego:

1. w osi głośnika niskotonowego,
2. w osi głośnika wysokotonowego,
3. na wysokości przestrzeni między głośnikami.

Wyniki dla pomiarów w odległości 50 cm, w trzech osiach pomiarowych przedstawiono na Rys 9. Podobnie jak dla pomiarów wykonanych dla kolumny z wbudowanym wzmacniaczem mocy, zaobserwowano maksimum charakterystyki między 4 a 5 kHz. Najbardziej wyrównana jest charakterystyka zarejestrowana na wysokości przestrzeni między głośnikami w zestawie.

Na Rys. 10. zamieszczono charakterystyki zmierzone w odległości 1m od zestawu głośnikowego. W tym przypadku ograniczono zakres częstotliwości, dla których wykonano pomiary (1000 Hz do 20 kHz). Wartość skuteczna sygnału elektrycznego podanego na wejście zestawu głośnikowego to 1 V. Wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych THD dla głośnika pasywnego przestawiono na Rys. 11. Dla częstotliwości większych od 80 Hz, uzyskano wartości THD poniżej 1%, z wyjątkiem zakresu częstotliwości 700 do 900 Hz, w którym THD sięgnęło wartości 1,2%.

7. Podsumowanie wyników i wnioski

1. Zestaw głośnikowy zasilany wbudowanym wzmacniaczem mocy ma wyrównaną charakterystykę częstotliwościową w zakresie 53 do 19331 Hz mieszczącą się w zakresie ±7 dB.
2. Dla częstotliwości 4500 Hz można zaobserwować wyraźne wzmocnienie.
3. W przypadku badań w osi głośnika basowego i wysokotonowego zaobserwowano wyraźne tłumienia w zakresie częstotliwości od 6 do 7 kHz.
4. THD dla zestawu aktywnego jest mniejszy od 1% w zakresie od 80 Hz.
5. Impedancja zestawu pasywnego głośnika zmienia si ˛e w zakresie od 4 do 20 Ω, w większości pasma użytecznego mieści się w zakresie od 4 do 10 Ω.
6. Otwór typu bass-reflex w obudowie obniża dolną częstotliwość graniczna ˛ do 53 Hz.
7. Przy użyciu dołączonego do zestawu zasilacza moc elektryczna podawana na zaciski głośników będzie mniejsza niż 48 W.

Sporządzili:
dr Szymon Drgas
dr inż. Paweł Pawłowski