Egentligen finns det åtskilliga saker att beakta om man benar upp problemet i flera beståndsdelar.
Den viktigaste frågeställningen då man väljer mätmetod är vad man vill få svar på. Vill man veta hur mycket högtalaren väger så är samtliga tonkurvemätningar värdelösa. Vad är det man vill veta som en given mätning skall kunna besvara. Är det hur det kommer att låta? Det beror på omständigheterna. Skall du spela i frifält, utomhus, i kaklat badrum, i normalt bostadsrum, i konsertlokal, etc.? Det kommer låta helt olika beroende på miljö och högtalarens omgivning. Det kommer även låta helt olika mellan ekofritt rum och normalt bostadsrum med efterklangstid i mellanregister och diskant runt 0,4 sekunder. Ändras efterklangstiden till 0,2 sekunder så blir även det olika upplevt ljud. Om en högtalare dimensioneras för ekofritt eller för 0,4 sekunders efterklang i rum med 6 begränsningsytor så blir det olika optimala dimensioneringar. Skall det vara mono eller stereoåtergivning? Det kan också påverka. Vad är det man vill veta och som konstruktör blir frågan vad som skall optimeras.
Det finns då vissa saker att beakta och det som alltid är gemensamt är punkt 1 nedan och den punkten är kanske viktigast att ge en del tankar till. Den är så pass självklar så att alla missar den punkten. nedan har jag i punktform satt upp en del stolpar att beakta.
1.) Den elektriska tonkurvan på insignalen till högtalaren. Den mäts i spänning på Y-axeln och frekvens på X-axeln. Om båda axlarna är logaritmiska så används dB istället för volt. Här börjar frågeställningen eftersom detta normalt sett utgör referensen i mätningen.
2.) Den akustiska tonkurvan på utsignalen från högtalaren. Det är ett ljudtryck. Tryck mäts i Pascal. Oftast vill man ha logaritmisk skala och mäta nivån på ett tryck i förhållande till en referensnivå. Då fås det istället också dB och man kallar nivån för SPL = Sound Pressure Level. Skall denna tonkurva med SPL som funktion av frekvens vara lika som den elektriska insignalen? Om inte, varför inte då?
3.) Det har definierats SPL som funktion av frekvens som är den akustiska ljudvågens tonkurva vid en given tidpunkt. Eftersom mätning i ditt förfarande är med sinus så måste man beakta tiden som mätningen skall registrera information. En period vid 1 kHz är 1 ms (millisekund) lång, vid 100 Hz 10 ms och vid 10 kHz 0,1 ms. Då måste man välja tidsfönster vilket är den tiden som man vill registrera insignalen som skall mätas. Man kan exempelvis mäta 10 perioder vid varje frekvens och då blir tidsfönstret olika långt. Man kan mäta med konstant längd på tidsfönstret och då får man 100 ggr fler perioder från 10 kHz än från 100 Hz. Det kan också vara så att den akustiska tonkurvan ut från högtalaren kan variera i tiden så att den uppvisar en dip på exempelvis 6 dB vid en tidpunkt och en topp i samma område på 6 dB vid en annan tidpunkt. Integreras båda dessa vid mätning så blir resultatet en rak tonkurva. Men vid respektive tidpunkt kan respektive tonkurva se usel ut.
4.) Eftersom den akustiska utsignalen strålar ut från högtalaren i alla riktningar i 3 rumsdimensioner så får man bestämma sig för om högtalarens akustiska tonkurvor i samtliga riktningar skall vara raka d v s följa den elektriska tonkurvan på insignalen. Denna punkt är kanske den väsentligaste att först reda ut. In kommer en spänning som har noll rumsdimensioner och 1 tidsdimension, men eftersom hastigheten på en elektrisk signal/våg närmar sig ljusets hastighet så kan man se tidsdimensionen som en punkt och inte som en linje. Skickar man in en puls så ser man då pulsen börjar och den tiden sätts till tiden 0. Akustiskt så kommer pulsen bli utbredd i tiden som en tidslinje från där pulsen börjar akustiskt sett tills man anser pulsen avslutad. Detta måste man tänka på då man väljer tidsfönster i mätningen.
5.) Eftersom tonkurvan kan se olika ut i tiden så kommer tiden in som ytterligare en dimension.
6.) Totalt handlar det om 4 dimensioner inom akustiken, 3 rumsdimensioner och en tidsdimension. Jag tänker nu göra en analogi där varje enskild riktning i 3 rumsdimensioner motsvaras av en kabel i respektive riktning.
6a.) Tänk dig att du har 1 kabel in till högtalaren som ger elektrisk signal in. Föreställ dig att du har en miljon kablar ut från högtalaren där alla kablar går i olika riktningar från en punkt i högtalaren. Kalla denna punkt för akustiskt centrum. Kablarna går då utåt från denna punkt och om kablarna är 1 meter långa så når kablarna en sfärisk yta med radien 1 meter från högtalarens akustiska centrum. Nu är frågan om man vill att tonkurvan i slutet på varje kabel skall likna tonkurvan på ingången av varje kabel som ju är den elektriska tonkurvan på högtalarklämmorna. Dessutom är det så att tonkurvan ser olika ut vid olika tillfällen i tiden i varje kabel. Det blir mer uttalat ju fler högtalarelement man har i högtalaren, men även envägssystem kan uppvisa väldigt konstiga beteenden i tiden i olika riktningar.
6b.) Låt säga att man bygger en högtalare, dels där tonkurvan är konstant i tiden, dels att tonkurvan i vart och en av de miljoner kablarna i alla riktningar är identiskt lika med spänningen på ingången. Då har insignalen inte förvrängts på vägen och i varje kabel blir utsignalen en replika av insignalen d v s en kopia av insignalen som efterliknar originalet/insignalen så långt som möjligt. Man får bestämma sig om detta är eftersträvansvärt. En sådan högtalare är helt rundstrålande över hela tonfrekvensområdet. Den strålar i 4 pi.
6c.) Om man sätter en sådan typ av högtalare direkt mot vägg så kan man istället se det som 1 miljoner kablar som går från det akustiska centrumet och utåt i en halvsfär. Man får alltså dubbelt så många kablar på halvsfären än på samma halvsfär om högtalaren tillåts stråla i hel sfär. Om signalen i samtliga kablar ligger i samma fas så fås 6 dB starkare signal i halvsfären kontra vad samma halvsfär hade om högtalaren strålar i hel sfär. En sådan högtalare är också helt rundstrålad i hela tonfrekvensområdet fast från en vägg. Den strålar i 2 pi.
6d.) Om man sätter en sådan typ av högtalare direkt i ett hörn bestående av 2 väggar så kan man istället se det som 1 miljoner kablar som går från det akustiska centrumet och utåt i en kvarts sfär strålandes ut från hörnet. Man får alltså 4 gånger så många kablar på denna kvartssfär än på en kvartssfär om högtalaren istället strålar i hel sfär i fri rymd. Om signalen i samtliga kablar ligger i samma fas så fås 12 dB starkare signal i kvartssfären kontra vad den kvartssfären hade om högtalaren strålar i hel sfär i fri rymd. En sådan högtalare är också helt rundstrålad i hela tonfrekvensområdet fast från hörnet vid 2 väggar. Den strålar i 1 pi.
6e.) Om man sätter en sådan typ av högtalare direkt i hörn med 2 väggar och golv/tak så kan man istället se det som 1 miljoner kablar som går från det akustiska centrumet och utåt i en åttondels sfär. Man får alltså 8 gånger så många kablar på åttondelssfären än på åttondelssfären om högtalaren istället strålar i hel sfär i fri rymd. Om signalen i samtliga kablar ligger i samma fas så fås 18 dB starkare signal i halvsfären kontra vad den halvsfären hade om högtalaren strålar i hel sfär i fri rymd. En sådan högtalare är också helt rundstrålad i hela tonfrekvensområdet fast från hörnet vid 2 väggar och golv/tak. Den strålar i ½ pi.
7.) Man kan bygga högtalare med horn eller wave-guide där man kan få konstant spridning med frekvens. Det blir stort för basen, men om man till exempel skulle göra en wave-guide från mellanregister och uppåt som exempelvis strålar i ½ pi så kan man slänga in basen i hörn mot golv och få samma riktningskarakteristik över hela frekvensområdet.
8.) Om en högtalare ger samma utsignal i samtliga och var och en av dessa 1 miljon kablar så blir även den totala utstrålade effekten i watt = insignalen och med tidsbegreppet inbakat så blir den totalt utstrålade energin i wattsekund = insignalen.
9.) En sådan högtalare kan ges/ha en fallande tonkurva med frekvens som är identisk i varje enskild kabel av dessa 1 miljon kablar pekande utåt ifrån högtalarens akustiska centrum.
9a.) Om man elektriskt sett i en burk XYZ ändrar spänningen på ingången av högtalaren så förändras utsignalen i varje kabel/riktning identiskt lika med insignalen. Ser man insignalen till burken XYZ som originalet så kan man sätta överföringsfunktionen i burken som komplementär till högtalarens överföringsfunktion och summan blir att utgången i varje enskild kabel/riktning av dessa 1 miljon kablar följer originalet = rak tonkurva.
10.) Spelar man högtalaren i frifält d v s i ekofritt rum så kan man vända högtalaren så att dess bästa utstrålade riktning når mikrofonen/lyssnaren. Det andra riktningarna når ju inte dit.
11.) Spelar man med högtalarna i rum d v s med 6 begränsningsytor, 4 väggar + golv och tak så ändras situationen dramatiskt. Ytterligare rumsegenskaper kommer in såsom rumsresonanser och efterklangstid.
12.) OBS! I punkter 6a till 6e så är det inte frågan om rumsegenskaper. Begränsningsytorna 1, 2 och 3 ingår där som del av högtalaren och ger högtalaren dess utstrålade akustiska ljudvågor.
13.) I stereo med 2 högtalare har man en höger och en vänsterhögtalare. I den högra högtalaren ingår dess begränsningsytor och i den vänstra högtalaren ingår dess begränsningsytor. 2 av dessa begränsningsytor är gemensamma d v s golv eller tak och väggen framför lyssnaren d v s väggen bakom högtalarna.
14.) Sluter man hela systemet mellan höger och vänster högtalare samt sätter en begränsningsyta bakom mikrofon/lyssnare så fås ett slutet rum som i sig påverkar resultatet på sitt sätt med dess rumsegenskaper; tidiga reflexer + sena reflexer + efterklang + rumsresonanser.
Det är således en hel del saker man bör ha i åtanke innan man börjar mäta för att förstå mätningarnas konsekvens.
Ytterligare en väsentlig sak är hur rummet påverkar mätresultatet. Nedan är en fortsättning då man måste beakta rummets inverkan
15.) Tonkurvan på den akustiska ljudvåg som når lyssnaren direkt, d v s utan rumspåverkan. Man kallar detta för direktljudet. Det är direkt från en ljudkälla/högtalare till mikrofon/lyssnare. Definitionen av direktljudet är dock inte helt entydig. Här kommer tidsdimensionen inom akustiken in samt människans hörsel inom psykoakustiken.
Jag avslutar inlägget här tvärt med nästa 3 punkter gällande rumsegenskaper.
16.) Man kan se den totala utstrålade effekten från högtalaren på så sätt att viss del tillkommer direktljudet och övrig del tillkommer alla andra riktningar som resulterar i reflekterat ljud.
16a.) Om den delen som tillkommer direktljudet skulle vara med rak tonkurva så kan det bli så att övriga riktningar av ljud hos den totala utstrålade effekten från högtalaren inte ändrar direktljudets tonkurva vid summation. Det förutsätter 2 saker, dels att övriga riktningar är identiskt med direktljudet dels att det reflekteras frekvensmässigt likformigt. Då förändrar inte reflexerna direktljudets tonkurva vid total summering.
16c.) Men, hur sker summeringen i hörseln? Den här frågeställningen debatteras flitigt av många och även punkt 16a.
17.) Hur byggs rumsresonanser upp och hur påverkar resonansfenomen mätningar i rum.
OBS! Punkt 18 är överkurs än så länge. Jag ämnar dock återkomma gällande detta. Vi kommer in i vektoranalysen och in i det komplexa talplanet och termoviskös akustik.
18.) Vad är skillnaden mellan Ljudintensitet och Ljudtryck? Vad är gradienten på ett ljudtrycksfält?
Punkt 18 är det ingen idé att vi ägnar tid på just nu. Däremot vill jag i förbigående nämna den. Jag hinner inte rätta inlägget eller gå igenom det jag skrivit. Jag postar det som det är.
Mvh
Peter
VD Bremen Production AB + Ortho-Reality AB; Grundare av Ljudbutiken AB; Fd import av hifi; Konstruktör av LICENCE No1 D/A, Bremen No1 D/A, Forsell D/A, SMS FrameSound, Bremen 3D8 m.fl.
