Wpływ warunków nagrania na wyniki analizy akustycznej

Test „niskopoziomowy” sprzętu

Autor: dr inż. Marcin Just (DiagNova Technologies)

Drugi test miał za zadanie zbadanie parametrów technicznych urządzeń nagrywających. Ze względu na przewidywane wykorzystanie systemu do przeprowadzania badań masowych przetestowany został zarówno sprzęt specjalistyczny, jak również ogólnodostępny i tani. Sprzęt specjalistyczny obejmował:

  • specjalistyczny interfejs audio MobilePRE firmy M-Audio z wbudowanym przedwzmacniaczem mikrofonowym i zasilaniem do mikrofonu pojemnościowego,
  • przedwzmacniacz Behringer Mic200,

zaś testowany sprzęt klasy popularnej to:

  • wbudowana karta dźwiękowa notebooka (chipset Realtek),
  • traktowana jako „lepsza” – zewnętrzna karta dźwiękowa (USB) Creative SoundBlaster External Live!

Mikrofonem pomiarowym w przypadku kart muzycznych bez możliwości zasilania mikrofonu pojemnościowego był wyższej klasy dynamiczny mikrofon wokalny (XM8500) oraz tani komputerowy mikrofon elektretowy, a w przypadku użycia interfejsu audio – mikrofon pojemnościowy Behringer B1.

Jako źródło dźwięku posłużył monitor studyjny Yamaha HS50M o stosunkowo „płaskiej” charakterystyce częstotliwościowej.

Metodologia

W celu wstępnego określenia oczekiwań odnośnie wyników, badania rozpoczęto od testów samych kart dźwiękowych w tzw. „pętli”, czyli bez użycia mikrofonów i głośników, przy wykorzystaniu wejść liniowych kart. Ze względu na nierealnie dobre wyniki nie zostały one wzięte pod uwagę przy następnych etapach prac oraz nie będą przedstawiane. Wydaje się możliwe, że producenci kart dźwiękowych dokonują odłączenia wzmacniaczy przy zbyt niskim poziomie sygnału, osiągając tą wirtualną metodą lepszą dynamikę sprzętu w czasie tego typu badań. Przeprowadzony został więc dodatkowy test całego toru fonicznego, w którym wymienianym elementem był mikrofon, wzmacniacz i karta. Na potrzeby testu stworzone zostały cztery zestawy:

  • mikrofon komputerowy podłączony do wbudowanej karty muzycznej,
  • mikrofon wokalny podłączony do karty SB Live!,
  • mikrofon wokalny podłączony przez przedwzmacniacz do wejścia liniowego wbudowanej karty muzycznej,
  • studyjny mikrofon pojemnościowy podłączony do profesjonalnego interfejsu audio.

Zostały one skomponowane w taki sposób m.in. dlatego, iż uznaliśmy za celowe sprawdzenie, czy lepszą kombinacją jest dobry mikrofon i tzw. „lepsza” karta dźwiękowa, czy dobry mikrofon z przedwzmacniaczem i przeciętna karta dźwiękowa. Nagrania prowadzone były w wyciszonej komorze bezechowej, lecz bez eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych. Mikrofon znajdował się w stosunkowo dużej odległości (ok. 25 cm) od głośników, aby usunąć efekty „podbijania” dołu charakterystyki częstotliwościowej mikrofonu dynamicznego.

Pasmo przenoszenia

Jako pierwsze skontrolowane zostało pasmo przenoszenia. Wyniki przedstawiono na rys. 4. Na uwagę wskazuje zdecydowanie najszersze i najbardziej zrównoważone pasmo przenoszenia zestawu z mikrofonem pojemnościowym i profesjonalnym interfejsem audio.

Rys. 4. Wykresy charakterystyk częstotliwościowych testowanego sprzętu

W przypadku mikrofonu dynamicznego zauważalne staje się ograniczenie charakterystyki przenoszenia od dołu, zwłaszcza przy współpracy z wbudowaną kartą dźwiękową. Zauważalnie lepszą od niego charakterystykę w zakresie dolnego zakresu częstotliwości ma tani mikrofon komputerowy, który nawet podpięty do wbudowanej karty sprawuje się minimalnie lepiej od wokalnego mikrofonu dynamicznego podłączonego do dedykowanego przedwzmacniacza. W zakresie wysokich częstotliwości zdecydowanie najlepiej zachowuje się studyjny mikrofon pojemnościowy. Mikrofon dynamiczny podłączony do przedwzmacniacza zapewnia również pasmo przenoszenia do ponad 10000 Hz z płaską charakterystyką. Niestety pozostałe kombinacje, a zwłaszcza zestaw złożony z mikrofonu komputerowego podłączonego do karty wbudowanej, wykazują znaczne pogorszenie charakterystyki. Mikrofon komputerowy podłączony do wejścia mikrofonowego wbudowanej karty już od około 5000 Hz zaczyna zmniejszać swoją czułość, co może mocno odbić się na późniejszych wynikach analiz. Nie zaobserwowano tego zjawiska w przypadku użycia z tą samą kartą dodatkowego zewnętrznego przedwzmacniacza podłączonego do wejścia liniowego. Późniejsze badania i analiza wyników testów „w pętli” dla tej karty wykazały, że główną przyczyną jest tu wewnętrzny przedwzmacniacz mikrofonowy wbudowanej karty.

Odstęp od szumu

Wyniki testów odstępu sygnału od szumu przedstawiono na rys. 5. Na uwagę wskazuje niezwykle wysoki poziom odstępu osiągnięty dla interfejsu audio. Prawdopodobnie niski poziom szumów mikrofonu studyjnego powoduje odłączenie w tym przypadku wzmacniaczy wejściowych. To swoiste „przekłamanie” niestety dyskwalifikuje ten rodzaj testu. Wymagane jest ominięcie „usprawnienia” sprzętowego, co powinno być łatwo osiągnięte w teście dynamiki sygnału.

Rys 5. Wykresy odstępu od szumu testowanego sprzętu

Dynamika

Wyniki testów dynamiki przedstawiono na rys. 6. Jak można zaobserwować na wykresach, dzięki obecności sygnału odniesienia o częstotliwości 1000 Hz (charakterystyczny „pik” na środku wykresu) nie dochodziło do odłączenia wzmacniaczy wejściowych w żadnym przypadku.

Rys. 6. Wykresy dynamiki testowanego sprzętu

W niskich częstotliwościach wyjątkowo źle sprawuje się tani mikrofon komputerowy. Z powodu jego sporej czułości w niskich częstotliwościach i źle ekranowanego, niesymetrycznego kabla połączeniowego zakłócenia sieciowe są niestety dosyć mocne. W zakresie najniższych częstotliwości również w przypadku potencjalnie najlepszego zestawu z mikrofonem studyjnym (i tylko w tym przypadku) pojawiają się pewne składowe zakłócające. Ich obecność wynika po części z niezwykle niskiej częstotliwości granicznej tego zestawu (wg producenta – 20 Hz), a w pewnym stopniu z obecności delikatnych niskoczęstotliwościowych zakłóceń pochodzących od pracującej w sąsiednim pomieszczeniu instalacji klimatyzacyjnej, których nie udało się wyeliminować. Przydźwięk sieciowy jest w tym przypadku stosunkowo niski i związany raczej z parametrami przedwzmacniacza wbudowanego w interfejs. Wskazuje to na szczególne wymagania związane z używaniem tego sprzętu. Za najlepszy zestaw w niskich częstotliwościach uznany został mikrofon wokalny podłączony do przedwzmacniacza. Ponieważ w tym przypadku kartą dźwiękową jest karta zintegrowana, wskazuje to dodatkowo, że źródłem zakłóceń w przypadku zestawu mikrofon komputerowy + karta wbudowana jest mikrofon.

W zakresie wysokich częstotliwości najlepiej zachowuje się mikrofon studyjny, i to pomimo najszerszego pasma przenoszenia i największej czułości. Za najgorszy uznać należałoby zestaw z kartą SB Live! i mikrofonem wokalnym, gdyby nie odnotowany fakt spadku czułości mikrofonu komputerowego podłączonego do wejścia mikrofonowego wbudowanej karty. Sugeruje to, że producent karty celowo obniżył czułość w zakresie wysokich częstotliwości, aby wyeliminować część szumów. W przypadku karty SB Live! nie dokonano tej modyfikacji w takim stopniu, co ostatecznie spowodowało wysoki poziom szumów.

Wnioski

Najlepszym zestawem jest bez wątpienia mikrofon studyjny z profesjonalnym interfejsem audio. Ważne jest jednak, że niewiele mu ustępuje zestaw złożony z dobrego wokalnego mikrofonu dynamicznego z dedykowanym przedwzmacniaczem podłączonym do wejścia liniowego karty muzycznej. Ten zestaw jest poza tym bezpieczniejszy w zastosowaniu, i o ile nie jest wymagana rejestracja najniższych częstotliwości (np. głosy „protezowe”, u pacjentów z założonymi zastawkami głosowymi po zabiegach usunięcia krtani), będzie doskonale spełniał swoje funkcje. Nie sprawdził się natomiast zestaw z minimalnie „lepszą” kartą muzyczną.