STUDIOVÁ TECHNIKA II
1 verze: 2022-11-10
Laboratorní úloha č. 3
Měření charakteristik sluchátek
Cíl úlohy
Cílem úlohy je seznámit se s problematikou a principy měření různých typů sluchátek
pomocí umělého ucha a simulátoru hlavy a torza.
Teoretický úvod
Pro konstrukci sluchátek se v současné době nejčastěji používá elektrodynamických a
elektrostatických měničů. Sluchátka lze podle jejich konstrukce rozdělit na:
- circum-aurální, která uzavírají celý ušní boltec a přiléhají na povrch hlavy okolo boltce,
- supra-aurální, která přiléhají přímo na ušní boltec a mají vnější rozměry větší než 45 mm,
- sluchátka na vnější ucho (supra-concha), která se umisťují na okraj vnějšího zvukovodu
a mají průměr větší jak 25 mm,
- sluchátka do vnějšího ucha (intra-concha), která se vkládají do ústí vnějšího zvukovodu
(nikoliv přímo do zvukovodu) a mají průměr menší než 25 mm,
- sluchátka do zvukovodu (insert), která se částečně nebo zcela vkládají do vnějšího
zvukovodu.
Sluchátka lze dále dělit na akusticky otevřená a uzavřená. Uzavřená sluchátka mají za
účel zamezit jakékoliv akustické vazbě mezi vnějším prostředím a ušním kanálem, zatímco
otevřená mají mezi vnějším prostředím a ušním kanálem akustickou vazbu. Tyto dvě
konstrukce se používají u circum-aurálních a supra-aurálních sluchátek, některá kompromisní
řešení jsou označována jako „polozavřená“ sluchátka. Uzavřená sluchátka jsou z hlediska
pronikání hluku z vnějšího prostředí výhodnější, při jejich návrhu se uvažuje pouze akustická
impedance uzavřených prostorů před membránou a za ní, ale sluchátka musí mít velký přítlak
zajišťující jejich dokonalou přiléhavost, proto jsou při delším poslechu nepohodlná a jejich
kmitočtová charakteristika je závislá na správném posazení na uši.
Umělé ucho
Elektroakustické vlastnosti sluchátka jsou silně závislé na akustické impedanci ucha,
k němuž je sluchátko při jeho používání přiloženo. Tato impedance závisí na objemu prostoru
mezi membránou a bubínkem, jeho členěním, třecími odpory a rezonancí zvukovodu. U
různých jednotlivců je různá a její průměrná velikost byla změřena řadou autorů. Aby bylo
možno sluchátka snadno měřit, byla navržena tzv. umělá ucha. Jsou to zařízení, která mají
akustickou impedanci víceméně podobnou akustické impedanci průměrného lidského ucha. Je
v nich vestavěn měřicí mikrofon, kterým lze měřit akustický tlak generovaný sluchátkem.
Nejjednodušší umělé ucho je tvořeno dutinou o objemu 6 cm3
, jejíž dno tvoří membrána
mikrofonu. Impedance skutečného ucha je tedy nahrazena impedancí uzavřeného objemu a toto
umělé ucho se hodí pouze pro srovnávací účely. Novější umělé ucho je tvořeno třemi dutinami
a dvěma akustickými obvody vykazujících akustický odpor a hmotnost. Pro miniaturní
sluchátka do uší se používá umělé ucho tvořené dutinou o objemu 2 cm3
, jejíž dno opět tvoří
membrána měřicího mikrofonu.
2 verze: 2022-11-10
Obr. 1: Umělé ucho pro měření circum-aurálních a supra-aurálních sluchátek (vlevo) a
sluchátek do uší (vpravo).
Simulátor hlavy a torza
Jedním z účelů simulátoru hlavy a torza je napodobit akustickou impedanci ucha a
umožnit umístění sluchátek na hlavě tak, jak jsou typicky používány. Její přijímací část,
simulátor ucha, je zařízení pro kalibraci sluchátek vybavené simulátorem boltce, akustickým
vazebním článkem a kalibrovaným mikrofonem, které společně mají v daném kmitočtovém
pásmu celkovou akustickou impedanci podobnou průměrné impedanci lidského ucha. Pro
měření bude použit binaurální simulátor hlavy a torza Brüel&Kjær 4100. Tento simulátor má
umělé ucho (levé i pravé), jehož mikrofon je umístěn na začátku vnějšího zvukovodu. Tato
pozice se označuje ERP (Ear Reference Point).
Spektrum signálu dopadajícího na ušní bubínek je ovlivňováno přenosovou
charakteristikou vnějšího ucha, tj. boltce a zvukovodu. Ta je ovlivňována odrazy v boltci, tj.
směrem přicházejícího zvuku, a rezonancí ve zvukovodu. Pokud měříme kmitočtovou
charakteristiku sluchátek mikrofonem umístěným na vstupu či konci zvukovodu, je potřeba
výsledek pomocí přenosové charakteristiky vnějšího ucha kompenzovat, abychom získali
odezvu samotných sluchátek. Na obr. 2 je uvedena přenosová charakteristika ucha simulátoru
hlavy a torza B&K 4100.
Obr. 2: Relativní kmitočtová odezva ucha simulátoru B&K 4100 v difúzním poli.
Elektroakustická měření sluchátek
Základní charakteristikou sluchátek je kmitočtová odezva sluchátka je měřená pomocí
simulátoru ucha a harmonického signálu při příkonu 1 mW v intervalech 1/12 oktávy a stejná
charakteristika kompenzovaná přenosem vnějšího ucha. Další charakteristikou je rozdíl
přenosu levého a pravého kanálu (tzv. Left-Right Tracking) měřený pomocí šumu v 1/3oktávových
intervalech. Mezi další parametry patří přeslechy, zkreslení, potlačení okolního
hluku, maximální vstupní napětí, impedance a další.
-15
-10
-5
0
5
10
15
100 1000 10000
3 verze: 2022-11-10
Zadání
1) Změřte modulovou kmitočtovou charakteristiku levého kanálu circum-aurálních sluchátek
pomocí simulátoru hlavy a torza při buzení harmonickým signálem. Proveďte korekci
přenosové funkce ucha a do grafu vyznačte výslednou charakteristiku sluchátek.
2) Změřte modulovou kmitočtovou charakteristiku obou kanálů sluchátek na umělé hlavě
v třetino-oktávových pásmech a do grafu vyznačte rozdíl přenosové funkce obou kanálů.
3) Modulovou kmitočtovou charakteristiku stejných sluchátek změřte při buzení
harmonickým signálem také pomocí umělého ucha a grafy porovnejte.
Postup
ad 1) Měření kmitočtové charakteristiky sluchátek na umělé hlavě
Zapněte analyzátor AL1 a mikrofonní zesilovač Nexus. Aby bylo možné odečítat přímo
hodnoty hladin akustického tlaku, je potřeba provést kalibraci měřicího řetězce. Kalibraci
ovšem nebudete provádět pomocí tónového kalibrátoru. Oba mikrofony v simulátoru hlavy a
torza jsou připojeny na zesilovač Nexus, který si po zapnutí zjistí citlivosti obou připojených
mikrofonů a nastaví takové zesílení v jednotlivých kanálech, aby výsledná citlivost mikrofonu
i se zesilovačem byla shodná s uživatelem nastavenou hodnotou citlivosti. Tato citlivost je vidět
na displeji zesilovače pro oba kanály (sloupeček „Out“) a měla by být nastavena na hodnotu
31,6 mV/Pa. Pokud ne, požádejte vyučujícího o nastavení. Stejnou citlivost je potřeba nastavit
na analyzátoru AL1, kterým budete výstupní napětí zesilovače Nexus měřit. To uděláte pomocí
menu CALIBRTE, kde kurzorem najedete na hodnotu SENSITIVITY, stlačíte  a pomocí
šipek nastavíte hodnotu 31,6 (šipky nahoru a dolů nastavují jednotky, šipky vlevo a vpravo
desetiny). Zadávání ukončíte stlačením tlačítka .
Pracoviště je zapojeno podle obr. 3. Nesymetrický vstup analyzátoru AL1 (konektor
cinch) připojte na výstup kanálu 1 zesilovače Nexus, na který je připojen mikrofon v levém
uchu umělé hlavy. Pokud je v symetrickém vstupu analyzátoru zapojen konektor XLR, tak jej
odpojte. Jako generátor signálu pro měření bude sloužit ruční generátor NTi Minirator MRPRO,
jehož výstup zapojte na vstup LEFT sluchátkového zesilovače. Multimetr měří vstupní
napětí levého sluchátka. Na umělou hlavu nasaďte uzavřená sluchátka AKG K52, aby levé
sluchátko bylo nasazené na levém uchu simulátoru, připojte je do TRS konektoru v měřicím
boxu a box zavřete.
Obr. 3: Zapojení pracoviště pro měření kmitočtových charakteristik sluchátek na umělé hlavě.
Nastavení parametrů měření analyzátoru AL1 se provádí pomocí tlačítek se šipkami a
tlačítka . Pomocí šipek najedete na požadovaný parametr (je zobrazen inverzně), pomocí
tlačítka  aktivujete jeho nastavování (rozbalí se menu nebo začne parametr blikat), pomocí
šipek provedete natavení a tlačítkem  nastavování ukončíte.
Na analyzátoru aktivujte menu SPL/RTA (tlačítko ESC, poté Enter , šipkami vybrat
„SPL/RTA“ a stisknout ). Parametrem  se volí mezi měřením hladin akustického tlaku
AL1
zesilovač
NEXUS
LR
CH1 CH2
MR-PRO
sluchátkový
zesilovač
multimetr
4 verze: 2022-11-10
v celém akustickém pásmu (ikona 123) a oktávovou resp. třetinooktávovou analýzou (ikona
). Při měření v celém akustickém pásmu se nastavují tyto parametry:
1) Parametrem  aktivujte měření bez filtru (FLAT).
2) Parametrem  (TIMER:) se nastavuje časovač, ponechte ho vypnutý („OFF“).
3) Parametrem  (TWGT:) se nastavuje časová konstanta, zvolte „SLOW“
4) Parametrem  se nastavuje hlavní měřená veličina – hladina akustického tlaku („dBSPL“).
5) Parametrem  se nastavuje rozsah zvukoměru, zvolte 40 – 120 dBSPL.
Měření kmitočtové charakteristiky sluchátek se provádí pomocí harmonického signálu
v 1/12-oktávových intervalech, vy ovšem budete kvůli úspoře času měřit pouze v 1/3oktávových
intervalech. V sešitu Excelu je na listu „kmitočtová odezva“ připravena tabulka
s 1/3-oktávovými kmitočty, kde budete zadávat hodnoty změřené analyzátorem AL-1 do
sloupce „kmit.odezva sluchátek HATS“.
Zapněte multimetr Agilent a generátor MR-PRO. Na generátoru pomocí tlačítka Wave
otevřete menu s průběhy, kolečkem zvolte typ generovaného průběhu Sine a tlačítkem  jej
potvrďte. Po stlačení tlačítka Freq můžete kolečkem nastavovat kmitočet podle tabulky. Ten
budete nastavovat s krokem 1/3 oktávy. Krok nastavíte tak, že stlačíte tlačítko Freq, potom
stlačíte a podržíte tlačítko Sens (na displeji dole se objeví seznam hodnot pro výběr) a pomocí
kolečka zvolíte „1/3“. Stlačením tlačítka Level nastavte pomocí kolečka takovou úroveň, aby
multimetr ukazoval přibližně hodnotu 180 mV, což je hodnota, která odpovídá příkonu
sluchátek 1 mW. Tuto hodnotu kontrolujte při každé změně kmitočtu. Generátor umožňuje
nastavovat výstupní napětí s krokem 1 nebo 0,1 dB, nastavení se provádí takto: stlačte tlačítko
Level, poté stlačte a držte tlačítko Sens (na displeji dole se objeví seznam hodnot pro výběr) a
pomocí kolečka nastavte požadovanou přesnost. Generování signálu lze kdykoliv vypnout a
opětovně zapnout pomocí tlačítka Mute (bliká, pokud je generování vypnuto).
V tabulce je uvedena také kmitočtová odezva ucha umělé hlavy a ve sloupečku
„kmit.odezva sluchátek HATS v ERP“ se automaticky vypočítává rozdíl vámi změřených
hodnot a kmitočtové odezvy ucha umělé hlavy – tím se provede korekce přenosu vnějšího ucha.
Ve sloupečcích „rel.kmit. odezva sluchátek HATS“ se pak automaticky vypočte relativní
odezva bez korekce a s korekcí na vstup vnějšího ucha vztažená k 1 kHz a zobrazí se v grafu
pod tabulkou (plnou čarou s korekcí, přerušovanou čarou bez ní).
ad 2) Měření rozdílu přenosů levého a pravého kanálu
Na generátoru MR-PRO stlačte tlačítko WAVE a vyberte typ průběhu „FILE“. Po
potvrzení tlačítkem ENTER se na displeji objeví nápis FILE a vedle něj symbol adresáře a
souboru. Pomocí kolečka najeďte na symbol adresáře, stlačte ENTER a kolečkem vyberte
adresář „IEC268_5“ a potvrďte ENTER. Stlačte tlačítko Freq a zvolte soubor pojmenovaný
„Cont“. Stlačte tlačítko Level a nastavte úroveň výstupního napětí na –20 dBF. Pomocí
multimetru nastavte výstupní napětí generátoru přibližně na hodnotu 180 mV.
Analyzátor AL-1 přepněte do režimu 1/3-oktávové analýzy. Při pásmové analýze se
rozsah volí parametrem . Aktivujte měření bez filtru (FLAT) a ostatní parametry měření
nastavte v menu SET :

 



5 verze: 2022-11-10
• Položka RES. nastavuje typ analýzy – zvolte 1/3 pro třetinooktávovou analýzu.
• Položka TWHD nastavuje časovou konstantu, zvolte „SLOW“.
• Položka SHOW volí zobrazenou veličinu, zvolte „SPL“.
Pomocí položky STORE v menu MEM  si uložte 1/3-oktávovou analýzu do paměti.
Poté přepojte analyzátor AL1 na výstup druhého kanálu zesilovače Nexus, výstup generátoru
na vstup RIGHT sluchátkového zesilovače a měření zopakujte. Opět si 1/3-oktávovou analýzu
uložte do paměti. Po skončení opět připojte analyzátor AL-1 na výstup prvního kanálu
zesilovače Nexus a výstup generátoru MR-PRO na vstup LEFT sluchátkového zesilovače.
Pomocí USB kabelu s redukcí připojte AL1 k vašemu počítači a spusťte program
MiniLINK (zástupce na ploše). V záložce AL1 Memory jsou jako ikony zobrazena jednotlivá
uložená měření, která jsou postupně číslována, viz obr. 4. Vaše měření budou poslední dvě.
Obr. 4: Zobrazení uložených měření AL-1 v programu MiniLINK.
Pomocí myši a klávesy SHIFT označte ikony vašich dvou měření a klikněte na tlačítko
Save. Objeví se dialog, ve kterém zvolte nějaký adresář na disku D:, kam chcete vaše změřená
data uložit. Dále zatrhněte „Selected files“ a zrušte zatržení u „Delete files after save“. Změřená
data se uloží jako textové soubory. Zkontrolujte, zda jsou soubory opravdu uložené na disku a
teprve potom je v hlavním okně MiniLINKu označte a smažte pomocí klávesy Delete.
Ukončete program MiniLINK a odpojte AL-1.
Na listu „L-R tracking“ vašeho vypracování v Excelu je připravena tabulka, do které
můžete pomocí tlačítek „Import SPL“ vložit vaše 1/3-oktávové analýzy. Automaticky se
spočítá jejich rozdíl a zobrazí v grafu.
ad 3) Měření kmitočtové charakteristiky sluchátek na umělém uchu
Nyní provedete měření kmitočtové charakteristiky circumaurálních sluchátek, tentokrát
pomocí umělého ucha. Otevřete měřicí box a sundejte sluchátka z umělé hlavy. Pracoviště pro
měření sluchátek na umělém uchu je zapojeno podle obr. 5. Kabel mikrofonu umělého ucha
připojte na XLR konektor v boxu. Symetrický vstup analyzátoru AL1 (konektor XLR) propojte
kabelem XLR-XLR s výstupem fantomového napaječe ARTcessories Phantom I (Mic Output)
a nesymetrický vstup (konektor cinch) odpojte. Výstup generátoru opět připojte na vstup LEFT
sluchátkového zesilovače.


6 verze: 2022-11-10
Obr. 5: Zapojení pracoviště pro měření kmitočtových charakteristik sluchátek na umělé hlavě.
Nejprve za asistence vyučujícího proveďte kalibraci. Z umělého ucha je potřeba
odšroubovat vazební člen (nástavec před mikrofonem), poté postupujte takto:
1) Na analyzátoru AL1 aktivujte funkci Calibrate (tlačítko ESC, poté Enter, šipkami vybrat
„CALIBRTE“  a stisknout  ), zkontrolujte, zda je hodnota Ref. Signal  nastavena na
94,0 dB(SPL).
2) Nasaďte tónový kalibrátor na mikrofon, zapněte jej a aktivujte položku Calibrate  na
AL1 (pomocí šipky dolů najet na nápis „Calibrate“ vpravo dole a stisknout ).
Poté na mikrofon našroubujte vazební člen pro měření circumaurálních sluchátek a
nasaďte sluchátka na podstavec tak, aby levé sluchátko bylo na straně s mikrofonem. Podstavec
s umělým uchem a sluchátky umístěte do měřicího boxu a box zavřete.
Opět nastavujte pomocí generátoru MR-PRO kmitočty v 1/3-oktávových intervalech,
pomocí multimetru kontrolujte výstupní napětí generátoru 180 mV a odečítejte hodnoty na
analyzátoru AL1. Výsledky zapisujte do stejné tabulky na listu „kmitočtová odezva“ jako
v předchozím bodě, do sloupce „kmit.odezva sluchátek umělé ucho“. V sousedním sloupečku
se pak automaticky vypočte relativní odezva vztažená k 1 kHz a zobrazí se v grafu pod
tabulkou. Porovnejte ji s charakteristikou změřenou na umělé hlavě bez korekce na vstup
vnějšího ucha. Na nízkých kmitočtech by měla kmitočtová odezva nabývat vyšších hodnot na
umělém uchu vlivem vyššího přítlaku sluchátek, na středních kmitočtech by se ale odezvy měly
shodovat. Na vyšších kmitočtech budou patrné rozdíly, protože umělé ucho je určeno k simulaci
akustické impedance ucha pouze do kmitočtu 4 kHz.
MR-PRO
sluchátkový
zesilovač
multimetr
umělé ucho AL1
fantomový
napaječ



