Pomiary z użyciem programu Speaker Workshop.docx

Program Speakerworskshop jest programem ,który do pomiarów wykorzystuje karte dźwiekową komputera. Z jego pomocą można pomierzyć miedzy innymi: elementy zwrotnicy, impedancje głośników, sciągnąć charakterystyki głośników; kolumn , pomierzyć parametry Thiele-Smalla głośnika. Na podstawie pomiarów można symulować obudowy i zwrotnice .
Do pomiarów oprócz programu potrzebne są odpowiednie kable oraz mikrofon pomiarowy .

Interfejs programu wygląda tak :

Na samej górze mamy główne menu programu , poniżej po lewej strone strukture projektu gdzie znajduja się robione przez nas sygnały, głośniki, obudowy, zwrotnice; natomiast po prawej znajduje sie okno robocze gdzie pojawiaja się informacje o wskazanych przez nas elementach wykresy itp. Na samym dole program pokazuje dane odczytane z kanałów w trakcie pomiarów.
Krótkie objaśnienie:
Signal - parametry sygnału wyjściowego
Driver - głośnik
Enclosure - obudowa
Network - zwrotnica
Chart - wykres

Kabel do pomiarów elementów pasywynych zwrotnicy, impedancji głośnika (jig)

Do zrobienia takiego kabla potrzebne są 2 wtyki stereo ("mini jack"), rezystor 10Ω/2W lub o większej mocy, troche kabelków, w miejscu strzałek można zamontować żabki, które ułatwią podłączanie elementów do pomiaru.
Wtyk 1 podłaczamy do wyjścia karty (LINE OUT) natomiast wtyk 2 do wejścia karty dźwiękowej (LINE IN)

 

Mikrofon

Do pomiarów charakterystyki głośnika potrzebny jest mikrofon pomiarowy . Taki mikrofon musi posiadać przede wszystkim płaską charakterystyke . Gotowe mikrofony są dość drogie . Możemy jednak taki mikrofon zrobić samemu wykorzystujać kapsułke do mikrofonu elektretowego (pojemnościowego). Popularne wykorzystywane kapsułki to Panasonic WM-60 i MCE-2000 , oczywiście mogą być inne ważne żeby miały odpowiednie parametry.

MCE-2000

Taka kapsułka ma 2 miejsca do przylutowania kabla są również kapsułki, które mają 3 miejsca (np Panasonic).
Oprócz kapsułki potrzebne będą jeszcze rurka o długości około 30 cm, ekranowany kabel i wtyk 'mini-jack'. Kapsułke umieszczamy na końcu rurki, lutujemy kabel, sygnał lutujemy do kanału lewego wtyka, masy łaczymy, w przypadku kapsułki trójkońcówkowej trzecie miejsce lutujemy do kanału prawego. Mikrofon pojemnościowy do pracy potrzebuje podania napięcia kilka Voltów (zależy od kapsułki np MCE-2000 2-10V). W przypadku kapsułki 2 końcówkowej należy ja podać na sygnał natomiast w 3 końcówkowej służy do tego właśnie ta trzecia końcówka. Napięcie można uzyskać np z baterii, niektóre karty dźwiękowe podają takie napiecie na prawy kanał wejścia mikrofonowego(chyba robią to wszystkie soundblastery). Wtedy w przypadku kapsułki 2 końcówkowej łaczymy kanał lewy z prawym natomiast w 3 koncówkowej tam łaczymy trzecią końcówkę.

Do zasilania takiego mikrofonu najlepiej wykorzystać specjalnie zrobiony do tego przedwzmacniacz bedzie on oprócz dostarczania napiecia wzmacniał sygnał z mikrofonu. Można go zbudować samemu jeżeli mamy doświadczenie lub wykorzystać gotowy kit z zestawów oferowanych przez firmy elektroniczne.

Speakerworkshop potrafi mierzyć wartości rezystorów, cewek i kondensatorów. Do pomiarów potrzebny jest 'jig' opisany w dziale kable. Żeby wogóle zaczącz coś mierzyć należy skalibrować nasz "system pomiarowy". Do kalibracji potrzebne będą jeszcze potrzebne 2 rezystory o znanej nam rezystancji sw sugeruje rezystory o wartościach około 6 Ω i 15 Ω ważne żeby znać ich wartości można je wcześniej zmierzyć jakimś dobrym miernikiem.
Żeby coś zmierzyć nasza karta musi umieć pracować w trybie full-duplex czyli odtwarzać i nagrywać sygnał jednocześnie. Można to sprawdzic w SW wybierajac u góry z menu: Options -> Wizard -> Check Sound Card , jeżeli program wyświetli, że nasza karta sie nadaje to przystępujemy do dzieła. Ustawiamy jeszcze w windowsie źródło , z którego ma być nagrywany sygnał, dajemy wejście liniowe (LINE IN).
(W mikserze windowsa trzeba kliknąć w opcje -> właściwości wybrać nagrywanie a potem zaznaczyć LINE IN.)
Teraz mamy 2 suwaki którymi bedziemy operować poziom sygnału wyjścia(Play-control) i wejścia (Line in).
Teaz musimy stworzyć sygnał wybieramy z menu na górze Resource -> New -> tu wybieramy 'signal' nadajemy mu jakąś nazwe np "pomiar" program stworzy sinusoide o czestotliwości 1000 Hz. Chcąc to sprawdzić klikamy na nasz sygnał z prawej strony prawym myszy otwieramy menu i na samym dole jest "properties" czyli właściwości. To samo można zrobić klikając na wykres tego sygnału. Wykres pojawia sie po kliknieciu w oknie roboczym programu. Jeżeli mamy otwarte kilka okien z wykresami to ich widok można przełączyć z menu u góry Window i tam możemy wybrać Cascade (kaskada jedno na drugim ) lub Tile (sąsiadująco).

Teraz musimy skalibrować naszego Jiga potrzebne beda 2 rezystory o znanej wartości. Trzeba wybrać z górnegu menu Options -> Preferences a nastepnie wybrać tam zakładkę Impedance

Jeżeli kabel jest podłączony to klikamy przycisk Test (ten pierwszy) do jiga wpinamy pierwszy rezystor i wpisujemy jego wartość w pierwszym okienku, nastepnie wpinamy drugi i znów należy wpisać wartość podłaczonego rezystora. Po zmierzeniu pojawia sie okineku gdzie mamy wyniki kalibracji.

Reference resistor - nasz użyty rezystor wzorcowy, wartość powinna wynosić około 10Ω (jeżeli taki został użyty)
Series resistance - rezystancja szeregowa na tę wartość mają wpływ jakość użytych kabli, jakość połączeń, powinna być mniejsza niż 0,5Ω (może mieć wartość ujemną !)

Jeżeli wartośći są poprawne to przystępujemy do testowania , podłaczamy kilka rezystorów, kondensatorów i wykonujemy pomiary. W celu dokonania pomiaru klikamy na sygnał i wybiearmy z menu u góry
Measure -> Passive Component . Można używać również ikonki
Po dokonaniu pomiaru pojawi się małe okienko, w którym znajduje sie wartość zmierzonego elementu.

Kilka uwag :
Jeżeli program twierdzi że nie ma połaczenia kabla a kabel jest na pewno dobry to możliwe że sygnał na wejściu jest za mocny i przesterowuje karte.
Kalibracje najlepiej przeprowadzić kilka razy

Pomiar impedancji głośnika

Przebieg impedancji głośnika potrzebny jest do symulacji zwrotnicy. Żeby mierzyć impedancje głośnika należy go najpierw utworzyć w programie. W tym celu klikamy na górnym menu Resource -> New -> Driver , nadajemu mu nazwe.
Pojawia sie taka ikona , która symbolizuje nasz głośnik. Pomiaru impedancji dokonuje sie dla głośnika zamontowanego w naszej obudowie. Jeżeli mamy dobrze skalibrowany nasz "Jig" to w miejsce mierzonych elementów wpinamy nasz głośnik, klikamy na niego i w górnym menu wybieramy Measure -> Impedance. Po pomiarze możemy kliknąć na głośnik a nastepnie Properties, wybrać zakładkę Data i tam w okienku impedance powinna sie znaleźć informacje wskazująca na nasz plik z pomiaru.

Przykładowy wynik pomiaru:

Pomiar parametrów T-S głośnika

Zmierzenie parametrów głośnika dokonuje sie poprzez 2 pomiary impedancji głośnika. Jednego głośnika bez obudowy (free-air) a drugiego z założonym obciążeniem membrany lub wmontowanego do obudowy zamkniętej o znanej objętości. Drugi pomiar potrzebny jest do wyznaczenie parametru Vas głośnika. Na podstawie tych 2 pomiarów program oblicza parametry głośnika. Do pomiarów potrzebny jest Jig.

Pomiar "on Axis"

Pomiaru charakterystyki głośnika dokonuje się w zamontowanej obudowie. Do pomairu potrzebny jest mikrofon i przedwzmacniacz mikrofonowy . Pomiar powinno wykonywać się sygnałem o mocy 1 Wata z odległości 1 metra. Żeby osiągnąć taką moc na głośniku o impedancji 8Ω wartość napięcia skutecznego powinna wynosić 2,83 V natomiast na głośniku 4Ω-owym 2 V. Zwykle multimetry pokazują właśnie wartość tego napiecia, ale żeby je poprawnie zmierzyć należy mieć multimetr, który posiada zakres 20 VAC lub jeszcze mniej. Najprostsze multimetry nie posiadają takiego zakresu i będą pokazywać błędne wyniki.

Ustawienie:
 

Głośnik podłączamy poprzez wzmacniacz do karty dźwiękowej, natomiast mikrofon do wejścia mikrofonowego.

 

W1 - przedwzmacniacz mikrofonowy
W2 - wzmacniacz

Sprawdzamy połaczenie i puszczamy jakiś sygnał testowy np sinusoide 1 kHz . Nowy sygnał tworzymy w menu Resource -> New -> Signal. Żeby nagrać sygnał należy kliknąć w sygnał a następnie ikonke . Wyniki z nagrania maja nazwy: naszanazwa.in.l - kanał lewy, naszanazwa.in.r - kanał prawy .
Program SpeakerWorkshop symuluje komore bezechową poprzez eliminacje odbić. W tym celu należy zmierzyć Impuls głośnika i tak ustawić markery żeby wyeliminować odbicia . Jest to po prostu ustawiane czasu gdzie bedzie mierzona charakterystyka. Mierząc głośnik w pomiesczeniu odbicia pochodzą od ścian i podłogi. Najszybciej dociera do mikrofonu odbicie od podłogi żeby je zmniejszyć można na podłodze rozłożyć jakieś poduszki, luźno rozłożone rzeczy, poza tym należy umieścić jak najwyżej od podłogi głośnik i mikrofon.Sam pomiar należy przeprowadzać w w jak największym pomieszczenu tak żeby głośniki były jak najdalej oddalone od ścian .

Ustawianie markerów (czasu pomairu)

W tym celu należy zmierzyć odpowiedź impulsową głośnika (Pulse response). Klikamy na głośnik i w górnym menu wybieram Measure-> Pulse response . Teraz należy włączyć nasze markery, z górnego menu wybieramy
Options -> Preferences wybieramy zakładkę Markers i fajkujemy pierwsze okienko

Na wykresie z odpowiedzią impulsową powinny pojawić sie 2 czerwone pionowe kreski, które można przesunąć myszą w dowolne miejsce.

Przykładowy wykres impulsu z ustawionymi markerami.
 

Pierwszy marker to "marker startu" i ma być ustawiony przed pierwszym impulsem natomiast drugi to "marker stopu" i powinien byc ustawiony przed następnym poważnym odbiciem . Odbicie na tej charakterystyce oznacza pik.

Pomiar charakterystyki

Klikamy na głośnik i z menu u góry wybieramy: Measure -> Frequency response -> On Axis

Przykładowa charakterystyka:
 

Dla głośników które bedziemy symulować ważne jest, żeby pomiary odbywały sie z sygnałem o takej samej mocy.

Pomiar "Nearfield"

W ten sposób mierzymy charakterystyke głośnika dla najniższych częstotliwości . Mikrofon w takim pomiarze ustawiamy bardzo blisko środka membrany głośnika w odległości kilku cm . Po ustawieniu mikrofonu klikamy na głośnik i z menu u góry wybieramy: Measure -> Frequency ...