Pomiar wykonany przy przypadkowo ustawionej głośności niewiele mówi o urządzeniu. Ten sam tor może osiągać bardzo dobre wyniki zniekształceń przy 1 V RMS na wyjściu, a kilka decybeli przed przesterowaniem wypadać wyraźnie gorzej. Równie mylące jest porównywanie rezultatów bez informacji o paśmie, obciążeniu, częstotliwości sygnału i sposobie ważenia szumu.
Dobry pomiar odpowiada na konkretne pytanie: czy urządzenie zmienia sygnał bardziej, niż wynika to z jego funkcji, oraz w jakich warunkach zaczyna ograniczać pracę systemu? Potrzebne są do tego powtarzalne warunki, właściwie dobrane poziomy i wyraźne rozdzielenie parametrów elektrycznych od wrażeń odsłuchowych.
Najpierw ustal punkt odniesienia
W elektronice audio najczęściej mierzy się napięcie skuteczne, czyli RMS. Dla sinusoidy 1 V RMS napięcie szczytowe wynosi około 1,414 V. Wyniki można podawać również w decybelach względem ustalonej wartości referencyjnej:
- dBV — odniesienie do 1 V RMS; 0 dBV = 1 V RMS,
- dBu — odniesienie do 0,775 V RMS; 0 dBu = 0,775 V RMS,
- dBFS — poziom cyfrowy względem maksymalnej wartości możliwej do zapisania; 0 dBFS oznacza pełną skalę i sam w sobie nie określa napięcia.
Tych jednostek nie należy mieszać. Sygnał cyfrowy -3 dBFS może po konwersji osiągnąć inne napięcie w dwóch DAC-ach, zależnie od ich konstrukcji i ustawionego poziomu wyjściowego. Przy połączeniach liniowych liczy się więc zarówno wartość w dBFS, jak i rzeczywiste napięcie na wyjściu analogowym.
Łańcuch pomiarowy musi być lepszy od badanego urządzenia
Generator, interfejs pomiarowy, przewody i obciążenie tworzą jeden układ. Jeśli sam interfejs generuje zniekształcenia na poziomie 0,01%, nie pozwoli wiarygodnie ocenić wzmacniacza deklarującego 0,001% THD+N. Dlatego przed pomiarem badanego urządzenia warto sprawdzić pętlę zwrotną: połączyć wyjście interfejsu bezpośrednio z wejściem przy bezpiecznym poziomie, a następnie zmierzyć szum, odpowiedź częstotliwościową i zniekształcenia własne toru.
Do podstawowych pomiarów przydają się:
- interfejs audio o znanych parametrach wejść i wyjść,
- oprogramowanie do generowania tonów, swept sine i analizy FFT,
- miernik True RMS o odpowiednim paśmie albo analizator audio,
- sztuczne obciążenie rezystancyjne do wzmacniaczy mocy,
- tłumik napięciowy, który pozwala bezpiecznie podać sygnał z wyjścia wzmacniacza na wejście pomiarowe,
- oscyloskop pomocny przy wykrywaniu clippingu, oscylacji i zakłóceń impulsowych.
Wejścia liniowego interfejsu nie wolno podłączać bezpośrednio do wyjścia końcówki mocy. Nawet kilkanaście woltów RMS może je uszkodzić. Potrzebny jest odpowiednio zaprojektowany dzielnik rezystorowy o znanej charakterystyce i wystarczającym zapasie napięciowym. Wzmacniacz mierzy się na sztucznym obciążeniu, nie na kolumnie: impedancja głośnika zmienia się wraz z częstotliwością, a dźwięk w pomieszczeniu tylko utrudnia pracę.
Warunki pomiaru zapisuj razem z wynikiem
Sam zapis „THD 0,01%” jest niepełny. Powinien zawierać co najmniej częstotliwość testową, napięcie lub moc wyjściową, obciążenie, pasmo pomiarowe oraz informację, czy chodzi o THD, czy THD+N. Dla końcówki mocy różnica między pomiarem przy 1 kHz na 8 Ω a szerokopasmowym pomiarem na 4 Ω może być zasadnicza.
| Parametr | Co określa | Warunek, którego nie wolno pominąć |
|---|---|---|
| Pasmo przenoszenia | Zmianę poziomu wraz z częstotliwością | Poziom odniesienia i tolerancję, np. -3 dB |
| SNR | Stosunek sygnału użytecznego do szumu | Poziom odniesienia, pasmo i ważenie |
| THD+N | Harmoniczne oraz szum w sygnale | Częstotliwość, poziom, obciążenie, filtr |
| Moc | Energię oddawaną do obciążenia | Impedancję, liczbę kanałów i limit zniekształceń |
| Przesłuch kanałów | Przenikanie sygnału między kanałami | Częstotliwość i poziom sygnału testowego |
Odpowiedź częstotliwościowa: mierz sygnałem, nie muzyką
Do badania elektroniki wygodnie stosuje się swept sine, czyli przemiatanie sinusoidą przez wybrane pasmo. Taki test szybko ujawnia spadki na jego krańcach, rezonanse filtrów i różnice między kanałami. Poziom sygnału powinien pozostać na tyle niski, by nie przeciążyć żadnego elementu toru. W przypadku urządzeń liniowych zwykle wystarcza napięcie zbliżone do typowego poziomu wyjściowego źródła.
Przy wzmacniaczach klasy D istotne jest właściwe ustawienie pasma analizatora. Za filtrem wyjściowym mogą pozostawać resztki związane z częstotliwością przełączania. Zbyt szerokie pasmo może podnieść odczyt szumu albo THD+N, choć nie odpowiada to temu, co dociera do głośnika w paśmie słyszalnym. Z kolei nadmiernie agresywny filtr może ukryć rzeczywisty problem. Zastosowaną filtrację trzeba więc zawsze opisać.
Szum, przydźwięk i widmo FFT
Pomiar szumu zaczyna się od zwarcia albo prawidłowego obciążenia wejścia badanego urządzenia. Otwarte wejście działa jak antena i może zawyżyć wynik. Następnie ustawia się stałe wzmocnienie i analizuje poziom w określonym paśmie, na przykład 20 Hz–20 kHz.
Wykres FFT pokazuje, gdzie skupia się energia zakłóceń. Pojedynczy prążek przy 50 Hz często wskazuje na przydźwięk sieciowy. Składowe przy 100 Hz i 150 Hz mogą sugerować tętnienia po prostowaniu zasilania albo ich przenikanie do toru. Seria prążków na wyższych częstotliwościach bywa związana z przetwornicą, komputerem, interfejsem USB lub zakłóceniami radiowymi. Nie każdy widoczny prążek będzie słyszalny, ale analiza widma pomaga szukać przyczyny zamiast wymieniać elementy na ślepo.
W praktyce dobrze jest wykonać dwa zapisy: z wejściem zwartym oraz z podłączonym źródłem. Jeśli problem pojawia się dopiero po wpięciu źródła, podejrzenie pada na przewód, masę, komputer albo urządzenie poprzedzające. Dla powtarzalności odsłuchu znaczenie ma też sposób prowadzenia połączeń i ustawienie kolumn; opisuje to poradnik jak poprawnie podłączyć i ustawić system stereo w domu.
THD, THD+N i intermodulacja nie są tym samym
THD opisuje zawartość harmonicznych powstałych po podaniu pojedynczego tonu. Gdy do wzmacniacza trafia sinusoida 1 kHz, analizator sprawdza energię przy 2 kHz, 3 kHz i kolejnych wielokrotnościach tej częstotliwości. THD+N uwzględnia oprócz harmonicznych także szum pozostały po odfiltrowaniu tonu podstawowego. To użyteczny wskaźnik, lecz jego wartość silnie zależy od pasma i poziomu sygnału.
Test intermodulacyjny wykorzystuje dwa lub więcej tonów. Nieliniowość tworzy wtedy sumy i różnice częstotliwości, które nie są harmonicznymi pojedynczego tonu. Ponieważ muzyka zawiera wiele częstotliwości jednocześnie, IMD dobrze uzupełnia wynik THD. Żaden pojedynczy parametr nie zastąpi pełnego zestawu pomiarów.
Wykres zniekształceń względem mocy
Jednym z najbardziej użytecznych wykresów dla wzmacniacza jest zależność THD+N od mocy. Przy małych mocach dominuje szum, później wynik zwykle się stabilizuje, a blisko granicy możliwości gwałtownie rośnie wskutek clippingu. Moc warto deklarować tuż przed ustalonym progiem zniekształceń, na przykład 1% THD+N, zamiast wybierać punkt, który jedynie wygląda korzystnie.
Pomiar akustyczny wymaga osobnej metody
Mikrofon pomiarowy i oprogramowanie akustyczne służą do oceny kolumn oraz pokoju, jednak wynik uzyskany w miejscu odsłuchowym nie jest „charakterystyką kolumny”. Obejmuje również odbicia od ścian, podłogi, sufitu i mebli. Poniżej częstotliwości przejścia modalnego odpowiedź pomieszczenia może zmienić się o wiele decybeli po przesunięciu mikrofonu o kilkadziesiąt centymetrów.
Do analizy pokoju stosuje się pomiar swept sine w punkcie odsłuchowym, najlepiej w kilku blisko położonych punktach, a następnie uśrednia wyniki. Należy zachować identyczne ustawienie głośności, mikrofonu i kanału. Każdą kolumnę mierzy się osobno, ponieważ wspólna praca dwóch kanałów tworzy dodatkowe interferencje. Wysokie częstotliwości warto oceniać przy umiarkowanym wygładzaniu, natomiast dla basu ważne są również wykresy zaniku energii i czas pogłosu.
Prosta procedura dla domowego systemu
- Rozgrzej urządzenia przez kilkanaście minut. Wyłącz korekcję, loudness i procesory dźwięku, jeśli nie są przedmiotem testu.
- Zmierz pętlę samego interfejsu, aby znać ograniczenia stanowiska.
- Sprawdź poziom wyjściowy źródła tonem 1 kHz i nie przekraczaj dopuszczalnego napięcia wejściowego kolejnego urządzenia.
- Zmierz kanały osobno: pasmo, szum, THD+N oraz przesłuch.
- W przypadku wzmacniacza użyj sztucznego obciążenia i tłumika, zaczynając od niskiego poziomu.
- Zapisz ustawienia, zastosowane przewody, obciążenie, temperaturę otoczenia i filtry.
Jeśli przy 1 kHz wzmacniacz oddaje 20 V RMS na rezystorze 8 Ω, moc wynosi P = U²/R, czyli 20²/8 = 50 W. Taki wynik należy zapisać jako 50 W na kanał przy 8 Ω, z podaniem limitu THD+N oraz czasu testu. Bez tych informacji sama liczba „50 W” nie daje podstaw do rzetelnego porównania.
