هنگام اندازه گیری پاسخ فرکانسی و اعوجاج هارمونیک یک بلندگو در یک محیط آزمایشگاهی استاندارد سه چالش وجود دارد: بازتاب از مرزهای سخت صوتی، مانند دیوارها، کف، و سقف. رزونانس‌های اتاق (معروف به حالت‌های اتاق) که به شدت بر محدوده فرکانس پایین‌تر تأثیر می‌گذارد. و نویز محیط باعث کاهش دامنه دینامیکی و دقت اندازه گیری می شود.
راه حل های این مشکلات شناخته شده است. گران ترین راه حل یک اتاق صمات یا Anechoic Room است.
با این حال، در فرکانس‌های پایین، این محفظه‌ها باید ابعاد بسیار بزرگی داشته باشند. فرکانس 20 هرتز مربوط به طول موج 17 متر است و جذب کننده ها تا یک چهارم طول موج از مرزها موثر هستند. به همین دلیل است که بیشتر محفظه های آنکوئیک فرکانس قطع در حدود 70 هرتز دارند.
« اولین و کاملترین دوره آموزشی نرم افزار اودئون ODEON برای طراحی آکوستیک »
ثبت نام دوره آموزشی نرم افزار اودئون ODEON
تکنیک‌های جایگزین، مانند اندازه‌گیری‌های شبه آنکوئیک، با استفاده از صفحه زمین، آزمایش ضربه، آزمایش MLS و اندازه‌گیری‌های Log-Swept Sine نیز به خوبی شناخته شده‌اند.
در سال 2000، Farina اندازه گیری Log-Swept Sine [1] را معرفی کرد. امروزه، این روش بیشترین استفاده را برای تست بلندگو دارد، زیرا محدوده دینامیکی خوبی را نشان می دهد و امکان اندازه گیری همزمان پاسخ فرکانس و اعوجاج هارمونیک را فراهم می کند.
مقایسه تئوری و تجربی چندین تکنیک را می توان در مقاله سال 2002 مجله انجمن مهندسی صدا نوشته G. Stan، J. Embrechts و D. Archembeau [2] یافت.
برای یک محیط آزمایشگاهی استاندارد، تکنیک Log-Swept Sine باید با گیت زمانی سیگنال اندازه گیری ترکیب شود. در غیر این صورت، انعکاس از مرزهای سخت، رزونانس اتاق و سر و صدای محیط به طور قابل توجهی بر دقت نتایج تأثیر می گذارد.
با این حال، گیتینگ زمان عمدتاً با اولین چالش مقابله می‌کند. پنجره های زمانی کوتاه کافی وضوح اندازه گیری فرکانس را محدود می کند.
عدم قطعیت زمان-پهنای باند وضوح فرکانس را به عنوان معکوس مدت زمان پنجره زمانی می دهد. [3]
به زبان ساده: وقتی کسی می خواهد فرکانس 1 هرتز را اندازه گیری کند، باید برای مدت زمانی 1 ثانیه اندازه گیری کند. همچنین، پنجره‌سازی ممکن است پاسخ ضربه را قبل از اینکه به سطح کافی پایین برود، کوتاه کند.
اکثر اتاق‌های آزمایشگاه با فواصل معمول از دستگاه مورد آزمایش تا دیوارها، سقف یا کف، بازتاب‌هایی را در عرض 10 میلی‌ثانیه ایجاد می‌کنند. یک پنجره زمانی که روی 10 میلی ثانیه تنظیم شده است، وضوح فرکانس را به 100 هرتز محدود می کند. پس اندازه گیری تا 20 هرتز با وضوح فرکانس کافی غیرممکن است.
بنابراین منطقی است که راه حلی برای افزایش پنجره زمانی برای 10 ثانیه و حل همزمان چالش دوم و سوم پیدا کنیم.
چنین راه حلی باید قبل از اعمال پنجره زمانی به ترتیب برای تبدیل فوریه کوتاه مدت (STFT) در حوزه زمانی کار کند. این مقاله تکنیکی را که برای حل این مشکلات توسعه داده است را شرح می‌دهد.
ایده اصلی این تکنیک انجام یک اندازه گیری میدان نزدیک با دو میکروفون یکسان است.
یک میکروفون اندازه‌گیری نزدیک (مثلاً فاصله 5 سانتی‌متری) از غشای بلندگو و یک میکروفون Mode در فاصله کوتاهی (مثلاً 5 سانتی‌متر) از میکروفون اندازه‌گیری در امتداد یک محور عمود بر بلندگو قرار گرفته است.
عکس 1 هندسه دو میکروفون سیستم میکروالکترومکانیکی (MEMS) را نشان می دهد.
هر دو میکروفون فشار صدای بلندگو را ضبط می کنند. میکروفون حالت فوقانی سطح پایین تری نسبت به میکروفن اندازه گیری پایینی مطابق با قانون روی فاصله ضبط می کند.
هر دو میکروفون حالت‌های اتاق، بازتاب‌ها و نویز محیط را تقریباً در سطح یکسان ضبط می‌کنند، زیرا آن منابع صدا نسبتاً دور از هر دو میکروفون هستند.
تفریق سیگنال های ثبت شده در حوزه زمان تأثیر اتاق را بر اندازه گیری حذف می کند (یا به سطح ناچیز کاهش می دهد).
دوره آموزش ماژول آکوستیک ساختمانی نرم افزار کامسول
ثبت نام دوره آموزشی نرم افزار کامسول
نمودار نشان داده شده در شکل 1 پاسخ های فرکانسی معمولی را نشان می دهد که با این تنظیم اندازه گیری می شوند. میکروفون اندازه گیری در حدود 5 سانتی متر از غشاء و میکروفون حالت دقیقاً 5 سانتی متر از میکروفون اندازه گیری قرار داشت.
این تکنیک اندازه گیری هر سه چالش ذکر شده قبلی را حل می کند.
با تفریق دو سیگنال در حوزه زمان، بازتاب‌ها و حالت‌های اتاق لغو می‌شوند و از آنجایی که هر دو میکروفون نویز محیط را با سطح یکسان دریافت می‌کنند، نویز محیط نیز لغو می‌شود. این منجر به افزایش قابل توجهی در دینامیک اندازه گیری، به ویژه در فرکانس های پایین می شود.
بدون انعکاس و حالت های اتاق موجود در سیگنال حوزه زمان، پنجره زمانی STFT را می توان آزادانه تنظیم کرد (به عنوان مثال، 10 ثانیه مربوط به وضوح فرکانس 0.1 هرتز).
نمودارهای مورد استفاده در این مقاله با استفاده از مجموعه تست اندازه گیری Mode Compensator ثبت شده اند (عکس 2 را ببینید). Mode Compensator شامل دو میکروفون MEMS کالیبره شده و وسایل الکترونیکی لازم برای انجام تفریق دامنه زمانی و تهی کردن سیگنال‌ها است.
تفریق سیگنال حوزه زمان در شکل 2 نشان داده شده است. تنظیم Mode Compensator تا زمانی تنظیم می شود که حالت های اتاق نامرئی شوند. وارونگی فازهای آنها در این نقطه یک شاخص واضح و دقیق است.
دو میکروفون در حدود 5 سانتی متر پاسخ فرکانس فیلتر شانه ای را همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است ایجاد می کنند.
در شکل 3a، پاسخ فرکانسی ترکیبی دو میکروفون به رنگ آبی نشان داده شده است.
تفریق به دلیل قانون one-over-distance و فواصل انتخاب شده باعث از دست دادن 6 دسی بل در فرکانس های پایین می شود. فاصله بین میکروفون ها منجر به تغییر فاز متناسب با فرکانس می شود.
بنابراین، در فرکانس‌های بالاتر، تفریق‌ها به جمع تبدیل می‌شوند که منجر به افزایش سطح با فرکانس می‌شود.
این پاسخ فرکانس را می توان در حوزه زمان توسط یک فیلتر پایین گذر معکوس (قرمز) تصحیح کرد.
پاسخ فرکانسی حاصل (سبز) تا 1000 هرتز دقیق است. شکل 3b نگاه دقیق تری به فیلتر پایین گذر معکوس نشان می دهد. در نهایت، شکل 3c نگاهی دقیق به پاسخ فرکانسی حاصل را نشان می دهد. دقت آن در محدوده +0 تا -0.1dB تا 1000 هرتز است.
روش اندازه گیری ارائه شده در اینجا را می توان به راحتی با دو میکروفون یکسان، یک رابط صوتی ورودی دوگانه و نرم افزار برای انجام اندازه گیری های لگاریتمی جاروب انجام داد.
شرکت AudioChiemgau فعال در زمینه مهندسی صدا یک ModeCompensator مقرون به صرفه شامل دو میکروفون MEMS کالیبره شده و وسایل الکترونیکی لازم برای انجام وظایف همانطور که در عکس 1 نشان داده شده است، توسعه داده است.
شکل 4 بلوک دیاگرام ModeCompensator را نشان می دهد. راهنمای کاربر با جزئیات بیشتر را می توان از وب سایت AudioChiemgau دانلود کرد.
پردازش سیگنال مناسب در حوزه زمان، کاربران را قادر می‌سازد تا بر محدودیت‌های شناخته شده اندازه‌گیری‌های میدان نزدیک با زمان غلبه کنند.
با دو میکروفون در فواصل مشخص تا غشای بلندگو و ایجاد اختلاف در حوزه زمان قبل از اعمال پنجره زمانی/STFT، اندازه گیری دقیق پاسخ فرکانسی سطح فشار صدا و اعوجاج هارمونیک در یک محیط آزمایشگاهی استاندارد امکان پذیر می شود.
وضوح سطح 0.1dB و وضوح فرکانس 0.1Hz به راحتی بین 10Hz و 1kHz قابل دستیابی است. علاوه بر این، سرکوب نویز محیط منجر به یک محدوده دینامیکی اندازه‌گیری بالا برای اندازه‌گیری اعوجاج‌های هارمونیک سطح پایین می‌شود.
