Vyznajte sa v meraniach frekvenčných charakteristík zvuku

V našich testoch sa budete čoraz viac stretávať s meraniami „farby“ zvuku komponentov. Ide o užitočné a vzácne merania. Ako podotkol jeden z našich čitateľov – pre tých, ktorí vedia spektrografy čítať, sú poklad. Horšie je, pokiaľ im nerozumiete. Vtedy vám veľa nepovedia a to je škoda, pokiaľ vám pri počítačových komponentoch záleží aj na presnej „hlučnosti“, respektíve na ich zvukovom prejave.

Ako správne čítať spektrografy a tabuľky

Skalní čitatelia dobre vedia, prečo sme začali merať frekvenčnú charakteristiku zvuku komponentov. Toto názvoslovie však môže zaujímať aj tých z vás, ktorí sa doposiaľ s ním nestretli (ono v hardvérových testoch koniec koncov ani nebolo kde…), ale pritom im záleží na tom, aký zvuk počítač vydáva. Na tom bude záležať, trúfam tvrdiť, drvivej väčšine. Nikto predsa nemá rád počítače, ktorých hladina hluku dosahuje úrovne vysávačov, ale ani také, kde síce vysoké decibely na hlukomeri nenameriate, ale pritom vám pília uši. Typicky pre pískanie, vrčanie a podobné iritujúce záležitosti.

Najjednoduchší spôsob na analýzu hlučnosti je za použitia hlukomeru. Ten používame aj my, avšak z princípu jeho fungovania má niekoľko obmedzení. V prvom rade je to nedostatok v tom, že hlukomer sníma hladinu hluku naprieč celým frekvenčným pásmom a na výstupe vám vyhodí nejakú hodnotu „akustického tlaku“. Táto veličina hovorí o tom, či je za určitých podmienok používania (meraného zariadenia/hlukomeru) objekt záujmu hlučný, tichý alebo niečo medzi tým. Ale jasnú predstavu o tom, ako zvuk merané zariadenia znie, vám nedá. Teda pokiaľ zrovna nevlastníte mimoriadne drahý hlukomer s vlastným spektrografom. Ale i tie majú rozlíšenie obvykle iba 1/3 oktávy, teda nižšie než to, s ktorým pracujeme my. Každopádne štandardný hlukomer, ktorý má na výstupe iba jednu hodnotu (dBa/dBc) ju vyhodnocuje na základe mixu všetkých frekvencií a výsledok nehovorí nič o tom, či ide o 40 dBA dunivých alebo piskľavých. A to je z používateľského pohľadu zásadný rozdiel.

Predstavte si, že v teste tridsiatich grafických kariet si vyberiete najtichšiu, pretože je jej nameraná hlučnosť iba „30,1 dBA“ (teda na hranici toho, čo sú schopné bežné hlukomery rozlíšiť), ale nakoniec sa vám zdá vaša stará „32-decibelová“ na zvukovo akási príjemnejšia. To sa môže pokojne stať, pretože nová karta môže mať dominantné frekvencie, ktoré vám nesedia. Preto je okrem zohľadňovania celkovej hladiny hluku vhodné analyzovať aj to, ktoré frekvencie sa podieľajú viac a ktoré menej na celkovom znení konkrétneho chladiča ši grafickej karty ako celku (pretože i nechladiace prvky, typicky cievky, sa podieľajú na výsledkom prednese).

Ľudské ucho vníma zvukové frekvencie približne v rozsahu 20–20 000 Hz. Isteže, u každého to je, samozrejme, inak a mení sa to i vekom. Ale referenčná škála je to optimálna a preto aj my meriame v tomto rozsahu. Všimnite si v grafe nižšie vodorovnú os kde je vľavo 20 Hz a úplne vpravo 20 000 Hz. Rozdiel medzi nízkymi a vysokými frekvenciami určite poznáte a nejaké podrobnejšie opisy a prirovnania nebudú potrebné. Skrátka, čím sú frekvencie vyššie, tým je zvuk piskľavejší a naopak (nízke frekvencie, basové, sú pomerne tupé). Od 20 Hz k 20 kHz je však pomerne dlhá cesta a jednotlivé tóny na nej je treba rozlišovať s dostatočnou jemnosťou, po malých krôčikoch. Tie sú určované zlomkami oktávy. Vyššie sme spomínali, že niektoré drahé hlukomery majú spektrograf, ktorý má ale iba 1/3 oktávy, na ktorú sa zmestí iba 36 vzoriek, respektíve rôznych frekvencií, ktoré sú analyzované. Je to síce lepšie než nič, ale prečo analýzu ochudobňovať, keď za ten istý čas pri 1/24 oktávy získate jemnejšie údaje z 240 vzoriek. Takéto presné snímanie nameraného zvuku umožňuje aj najvyššia platená verzia programu TrueRTA.

Na vertikálnej osi je potom ešte intenzita hluku, do ktorej konkrétna frekvencia siaha. Teda ktorá hlučnejšia a ktorá menej. Samotný tvar spektrografu prezrádza vzájomné pomery frekvencií v rámci jedného merania, ale naprieč viacerými meraniami (typicky pri porovnávaní rôznych komponentov), má zmysel operovať aj s intenzitou rovnakých frekvencií. V pôvodných testoch sme do interaktívnych grafov vytiahli iba dominantné frekvencie v troch pásmach nízkych (20–200 Hz), stredných (201–2000 Hz) a vysokých (2001–20 000 Hz) tónov. na základe vašej spätnej väzby sme však usúdili a uznali za vhodné, že bude dobré ku konkrétnym frekvenciám uvádzať aj ich intenzitu. Predsa len konkrétna dominantná frekvencia môže byť pri dvoch rôznych zdrojoch zvuku rovnaká, ale jeden ju má prenikavejšiu než druhý.

A jedna dôležitá vec. Nenechajte sa pomýliť váhou dBu rozšírenou pri hudobninách. Bežne sa stretávate v testoch s dBa, ktorú pri meraní hladiny hlukomerom i my používame. Pri frekvenčnej charakteristike zvuku sa však budeme držať dBu. Tých dôvodov je viac. Konvertovať sa síce dá a pokiaľ by ste to z nejakého dôvodu potrebovali, pripočítajte k našim nameraným hodnotám hodnotu 85 a máte to v dBa. My to však robiť nebudeme (Miro, prepáč. Verím, že sa cez to prenesieš…).

Ohliadnuc od toho, že používaná aplikácia TrueRTA natívne nevyhodnocuje váhu dBa, tak i po tom prepočte by tieto údaje mohli byť zavádzajúce a niekto by ich mohol porovnávať s nameranými hladinami hluku, s ktorými by boli dBa merané mikrofónom miniDSP UMIK-1 úplne nekompatibilné. Jednak Hlukomer priebežne kalibrujeme skalibrovaným kalibrátorom Voltcraft SLC-100 certifikovanom technickým skúšobným ústavom, voči čomu by bol mikrofón miniDSP UMIK-1 samozrejme nepresný. Tiež má síce skalibrovaný profil, ale do inej aplikácie (REW) než je TrueRTA. Jednak má Reed R8080 úplne iný merací rozsah pre dB (náš hlukomer má 30–130 dB) a po prepočte nameraných hodnôt z TrueRTA vám budú vychádzať hodnoty hlboko pod 30 dBa. Skrátka iná metrika a pri rovnakých jednotkách by sa čitateľom, čo majú naponáhlo, ponúkali nezmyselné porovnania. Aj preto radšej uprednostníme surové výsledky v dBu. V poslednom rade to ušetrí čas pri spracovaní výsledkov.

Tak či onak o absolútne čísla tu nejde, nemeriame podľa žiadnej normy, ale tak, aby sa dali merania medzi sebou čo najlepšie porovnávať vzhľadom  na konkrétne typy komponentov. Dôležité sú vzájomné rozdiely a je úplne jedno, v akých jednotkách budú interpretované. Vždy platí, že vyššie číslo znamená vyššiu hlučnosť. Akurát pri dBu si dajte pozor na to, že sú vyjadrované zápornou hodnotou. To znamená, že vyššiu intenzitu hluku má tá frekvencia, ktorá je bližšie k nule. Takže -70 dBu znamená vyššiu hlučnosť než -75 dBu.

Článok pokračuje druhou kapitolou, na ktorú môžete prejsť červeným tlačidlom Ďalšia kapitola vpravo (alebo kliknutím na tento odkaz).

V našich testoch sa budete čoraz viac stretávať s meraniami „farby“ zvuku komponentov. Ide o užitočné a vzácne merania. Ako podotkol jeden z našich čitateľov – pre tých, ktorí vedia spektrografy čítať, sú poklad. Horšie je, pokiaľ im nerozumiete. Vtedy vám veľa nepovedia a to je škoda, pokiaľ vám pri počítačových komponentoch záleží aj na presnej „hlučnosti“, respektíve na ich zvukovom prejave.

Odmerať dvakrát po sebe „to isté“ je náročné

Ak pri meraní hladiny hluku bežným hlukomerom zadržiavate dych, tak pri meraní frekvenčnej charakteristiky sa zbláznite. Nie je vôbec jednoduché opakovane namerať také isté hodnoty rovnakého zvuku. Schválne si za obeť vyberte nejaký konštantný zdroj zvuku a počas dňa viackrát zosnímajte jeho frekvenčnú charakteristiku. Bude vám k tomu stačiť obyčajný mikrofón a jedna oktáva, ktorá je dostupná v bezplatnej verzii TrueRTA (stiahnuť si ju môžete tu).

Úplne identické grafy naprieč meraniami len tak nedosiahnete a aj my sme z toho boli frustrovaní. Za pomoci rôznych prípravkov sme sa však dostali veľmi malej, zanedbateľnej chybe merania, ktorá sa zmestí pod 2 %. Dôkladne tak, ako pri ničom inom, je tu dôležité vytvoriť úplne identické podmienky, v ktorých sa teda mení iba zvuk meraného zariadenia. Okolo testovacej zostavy sme tak museli rozmiestniť z troch strán (z bokov a zvrchu) akustické panely, ktoré zamedzujú tomu, aby sa zvuk do snímača mikrofónu rôzne odrážal. Či už ten z meraného zariadenia alebo z miestnosti. Predsa len je dosť nepohodlné sa viazať na to, že sa v testlabe dispozične nič nebude meniť len preto, že by to malo negatívny vplyv na presnosť meraní.

Okolo snímača je potom ešte goliér v tvare paraboly, ktorého jednou z úloh je merané hodnoty zosilňovať. To preto, aby bolo možné rozlíšiť aj naozaj tiché frekvencie a tiež preto, aby sa mimo snímač odrážal parazitný zvuk prichádzajúci zozadu. Teda napríklad to dýchanie, ktorému sa žiaľ nevyhnem, ale je to možné týmto spôsobom odfiltrovať.

Dôležité sú aj vždy rovnaké vzájomné vzdialenosti mikrofónu od meraného zariadenia, uhol snímania (15°). Ten nastavujeme vždy presne pomocou sklonomeru. Fixná vzdialenosť je pritom vytýčená značkami pre nožičky statívu.

Kľúčové je samozrejme odfiltrovať všetky parazitné frekvencie, ktoré sa netýkajú meraného zariadenia (napríklad grafickej karty), takže to vyžaduje pasívny chod ostatných komponentov s tým, že výsledky môžu skresľovať i pískajúce cievky na základnej doske či v zdroji. Toto všetko sa nám však podarilo eliminovať. K dominantným frekvenciám teda budeme uvádzať aj ich intenzitu. To znovu v troch pásmach nízkych (20–200 Hz), stredných (201–2000 Hz) a vysokých (2001–20 000 Hz) tónov. Posledný test grafických kariet je už takto doplnený a nové výsledky sa budú každým ďalším testom nabalovať.

Možno vás zaujíma ešte jedna vec, ktorá v doterajšom texte neodznela. A síce tá, kedy sú hodnoty, ktoré vkladáme do tabuliek odčítavané. Špeciálne hlučnosť grafických kariet sa samozrejme v čase podľa záťaže mení. Preto namerané hodnoty vychádzajú z priemeru posledných 100 vzoriek, ktoré majú viac-menej stálu podobu. Tieto dáta odčítavame vždy tesne pred koncom testovacích scén v hrách F1 2020, Shadow of the Tomb Raider, CS:GO a v aplikácii Blender (Cycles), Classroom. Vtedy je sú už ustálené i otáčky ventilátorov, ktoré sa už nezvyšujú.

Takže vážení, neverte toľko tej jednej hodnote nameranej hlukomerom. Na hrubú orientáciu a predstavu o tom, ako je na tom konkrétny komponent s hlučnosťou síce stačí, pre presný zvuk sa budete musieť venovať štúdiu jeho frekvenčnej analýzy. Od nás ale dostanete všetky materiály a podklady na štúdium aj týchto vlastností. A to i v rámci testov chladičov a merania frekvenčnej charakteristiky zvuku nájdete samozrejme čoskoro aj v testoch ventilátorov, ktorých sa už sami nevieme dočkať a veríme, že to cítite podobne.

Za možnú nepresnosť vyjadrovania a nekorektnej terminológie či nedokonalé technické riešenie niektorých aspektov sa všetkým zvukárom a na akustiku erudovanejším ľudom, než som ja (za žiadneho majstra zvuku sa rozhodne nepovažujem 🙂 ), ospravedlňujem. Cieľom týchto vecí bolo dosiahnuť čo najväčšie rozlíšenie a uspokojivú opakovateľnosť meraní s čo najmenšou chybou. K tomu to bolo všetko smerované, aby boli výsledky v relevantnej kvalite, čo sa podarilo. Takže misia splnená!