Mätning av programljud - instrumenttyper egenskaper

 

Vilket slags utstyrningsinstrument som lämpar sig bäst i olika sammanhang råder skiljaktiga meningar om, och "VU-metrar eller toppvoltmetrar" är ett lika gammalt som kärt tvisteämne Ijudtekniker emellan.

Den sistnämnda instrumenttypen känner, som namnet anger, av programtopparna och med dess hjälp kan man i modulationshänseende lägga sig mycket nära distorsions- och/eller överstyrningsgränsen, vilket naturligtvis är väsentligt då det rör sig om begränsade dynamiska områden till förfogande som t ex rundradioprogramkedjan med dess bandspelare, linjer och sändarsteg.

Audiometriska mätningar sker också oftast med toppvärdeskännande instrument då man får exakta indikeringar på önskade ställen inom tonspektrum.

VU-metern känner i stort ett medelvärde för programmet.

Den kan vara värdefull att tillgå vid t ex mixning av filmljud eller vid mätning av tonfrekventa spänningar över ett större tidsförlopp, där hörseln enbart, saknar förmåga att avgöra mest lämpad nivå för olika sekvenser som har samband med varandra men fördenskull kanske inte är strikt sammanhängande i tiden. "Volymmätningen" är här traditionellt att föredra.

VU-metrarna har också blivit nästan allenarådande på hem- och amatörbandspelarsidan, då de är möjliga att massproducera billigt.

Amatörapparaturens VU-metrar förtjänar dock inget högre betyg och vanligen lämnas inga referenser till hur kalibreringen följt standard. De sitter även ofta nog på "fel ställe" i bandspelarna relativt förstegens korrektionsnät.

 

Enheten decibel används inom elektroakustiken för att ange bl a ljudstyrkor och elektriska effekter samt spänningar. Den ursprungliga enheten, Bell, definieras så, att förhållande mellan två effekter uttryckt i Bel (1) blir

                              

 

Normalt används enheten decibel, dB (1 Bel = 10 dB), och formeln blir då:

                             

 

Om de två effekterna utvecklas i identiskt stora motstånd R, kan formeln skrivas

         

                              

 

Spänningsförstärkning ljudförstärkarsteg anges med denna formel. detta är dock definitionsmässigt bara riktigt då förstärkarens ingångsimpedansen = belastningsimpedansen, men formeln utnyttjas likaväl generellt utan hänsyn till vilken impedans spänningen arbetar över.

Då man i uttrycket      låter P2 beteckna en fastlagd referenseffekt, kan man ange P1 i dB över eller under denna referens. Den som normalt brukas vid angivande av effekter inom elektroakustiken är 1 mW. Effekter vilka uppges i förhållande till den referensen betecknas dBm.

(Ex: 100 mW = + 20 dBm, 10 mW = + 10 dBm, 1 mW = 0 dBm, 0,1 mW =- 10 dBm; osv.)

 

På samma sätt kan man ange spänningar då det finns definierat ett referensmotstånd som effekten utvecklas i. Normalt brukas som sådant referensmotstånd storheten 600 ohm. 0-referensen för spänning blir då den spänning som utvecklar 1 mW över ett 600-ohmsrnotstånd, vilket blir 0,775 V.

 

 (Ex: 7,75 V = + 20 dBm, 1,55 V = + 6 dBm, 0,775 V = 0 dBm, 77,5 mV = - 20 dBm, osv.)

 

Det är brukligt att ange spänningar på här beskrivet sätt även för det fall spänningen inte arbetar över ett motstånd på 600 ohm, men det är då knappast korrekt att använda beteckningen dBm.

Vid NRK används dBm och dB om varandra, vid SR brukas dBv (volt). För att undvika missförstånd bör man korrekt uppge referensspänningen (0 dB = 0,775 V) då spänning anges i dB.

 

                         

Fig 2 Maximal programnivå på + 6 dB = 1,55 V betyder att programmets max toppspänningar inte skall överskrida 2,2 V, vilket värde utgör toppspänningen för en sinusformad spänning med effektivvärdet 1,55 V

 

Nivåer

De flesta rundradioföretag i Europa använder internt spänningen + 6 dB ( = 1,55 V ) som maximalt tillåten nivå för programspänningar, dvs programspänningens toppvärde skall icke överstiga toppvärdet av en sinusspänning med effektivvärdet 1,55 V.

Det finns fastställt regler för nivåerna på internationella linjeförbindelser, och dessa regler finner man i CCIF:s "Gröna bok" volym III bis (Genève 1956). De går starkt koncentrerat ut på följande:

 

 1 Maximalt tillåten nivå för programspänningar är 9 dB högre än mätsignalen (-tonen).

 2 Mättonens nivå bör på lokalnätet (linjerna från radioinstitutionen till det egna landets telecentral) vara 0,775 V eller 0 dB RMS. På utgången av förstärkarna längs den internationella linjeförbindelsen fram till mottagarlandets lokala linje skall mättonen vara 1,55 V ( + 6 dB) RMS,

Mättonen skall utgöras av en sinusspänning med frekvensen 800 Hz. - Senare har radioföretagen inom EBU, den europeiska radiounionen, av denna samorganisation anmodats att använda frekvensen 1 kHz. Den gamla 800 Hz-nivån används nu enbart av teleförvaltningarna.

 

Andra nivåer på lokala linjer kan avtalas mellan ett lands teleadministrativa myndighet och dess radioföretag under förutsättning att några nivåändringar på de internationella linjerna inte företages. I Norge används t.v. en mätton på - 3 dB = 0,548 V RMS, under det att maximala toppvärdet för programspänningen inte skall överskrida toppspänningen hos en sinusspänning med effektivvärdet + 6 dB eller 1,55 V RMS. Detta gäller både internt för ljudradion och televisionen och för de lokala programförbindelserna inom Norge.

 

Mätning av programnivå

Mätning av programnivån är önskvärd från två från varandra skilda synpunkter:

 

A. Det är viktigt att hålla programtopparna under en viss, maximalt tillåten nivå för att undgå överstyrning av programkedjan med resulterande olinjär förvrängning.

 

B. Det är önskvärt att med hjälp av ett instrument kunna ställa in styrkeförhållandet mellan de olika sekvenserna i ett program, t ex mellan talinslag och musik.

 

Det första kravet som uppställts är ett rent tekniskt krav, grundat på det angelägna i att optimalt utnyttja programkedjans dynamikområde. Vi önskar utstyra programkedjan så kraftigt som möjligt för att härigenom uppnå ett gott signal/brusförhållande utan att vi därmed överstyr någon del av programmet. Det andra kravet, att kunna ställa in styrkeförhållandet mellan programmets olika sekvenser, är mycket svårt att uppfylla. Det finns inte något känt instrument idag som på ett tillfredsställande sätt mäter programnivå i överensstämmelse med hörselns styrkeintryck vid olika typer av programljud.

 

Instrumenttyper

Man gör i huvudsak åtskillnad idag mellan två förhärskande typer av instrument, nämligen volume indicators resp peak programme meters (alltså VU-metrar och toppvoltmetrar). De sistnämnda brukar man också benämna toppvärdesvisande instrument.

Specifikationerna för VU-metrarna är givna i ett amerikanskt standardiseringsdokument utgivet 1954, kallat "American Standard Practice for Volume Measurements of Electrical Speech and Program Waves".

Det finns emellertid på marknaden en hel del icke-professionella och s.k. semiprofessionella ljudutrustningar med instrument vilka utges för att vara VU-metrar, men som inte är det. Av toppvärdesvisande instrument finns en rad olika fabrikat och utföranden. De fungerar efter i stort sett likartade principer men de skiljer sig något från varandra med hänsyn till vissa tekniska data. Det enda instrument av denna typ som standardiserats i Europa är den s k EBU-utstyrningsmetern (EBU Programme Volume Indicator) som den europeiska radiounionen föreskrivit som standard för mätning av programljud över internationella programlänkar. Vi skall i det följande i korthet gå in på vad ett toppvärdesvisande instrument består av och ge några definitioner utifrån instrumentets egenskaper.

 

Fig 6. En handfull fabrikanter i Europa - Tyskland, Tjeckoslovakien och Danmark främst - tillverkar de komplexa typer av utstyrningsinstrument som kallas ljusgalvanometerindikatorer och där man har en eller två kanaler utmärkt¨ av en "flying spot" i färgfält och där den bakomliggande elektroniken utgöres av en logaritmisk förstärkare. Den danska firman NTP är känd för sina högt utvecklade typer av PPM och "stereoprogrammetrar" liksom förstärkarbeståndet tiII instrumenten.

Här visas en sådan programmeter, typ 177-300 PPM. Den hyses i en s k BS-modul 95X20 mm, och beståndsdelarna är två system, innehållande logaritmisk förstärkare, det rörliga systemet och spegeloptiken inklusive den snabbrörliga ljusvisaren. Skalan är linjär och kan fås inom omradet + 6 - -60 eller + 6 - -40 dB. Vid 60 db skalan förmår instrumentet som lägst detektera nivån - 100 dB dvs 7,7 mV. Skalutslaget är proportionellt mot ett positivt resp negativt värde som jämförs  med en medelnivå  ("Average zero Line ) för insignalen. på frontpanelen finns en knapp för vardera kanalen för aktivering av -¨40 dB förstärkning; denna funktion kan fjärrstyras och den tjänar till bl a brusmätningar, varvid utslag ner till -100 dB fås. Jfr ovan,

I den logarihniska förstärkaren sker en fulI likriktning av insignalen. Efter detta steg ligger toppvärdesdetektorn, som bestämmer instrumentets integrationstid resp återgång. integrationstiden - som kan fås så kort som 1 ms - är som standard 10 ms i enlighet med gängse normer. - DIN föreskriver här att en 10 ms tonstöt med 5 kHz frekvens från 15,5 mV till 1,55 V skall avsätta utslag om -1 dB + - 0,5 dB. Returförloppet är justerat  till 1,5 s per 20 dB men kan också det fås för andra värden. Ballistiken för svängspolen i det rörliga systemet är 35 mc och tack vare aperiodisk dämpning är översvängar eliminerade. Förstärkare och spole är sarnmanlänkade internt, så att man kan driva en "slavmeter" liksom ansluta en nivåskrivare, etc.    ¨

Matningsspänning också här 24 V DC, frekvensomfång 20 Hz-20 kHz, ingångsimpedans inom detta 22 kohm + - 10 proc symmetriskt, inspänning för l00 proc utslag, 155 V, överstyrningsgräns på ingången + 21 dB eller 8,6 V, dynamiskt mätområde  + 5 till - 45 dB eller + 5 till - 60 dB, indikeringsfel i området + 5  till - 10 dB för 1 kHz konstant signal vid 25"C + - 0,5  dB och under - 10 dB + - 1 dB. Polaritetsvändning vid osymmetri + - 0,5/1 dB och kanalöverensstämmelse bättre än + - 0,5 dB.

 Instrumentets brusnivå är - 105 dB.

 

                    

Fig 3 Integrationstid för VU meter och toppvoltmeter. "I" anger toleranser för EBU:s Programme Volume Indikator

 

"Peak Programme Meters"

Utstyrningsinstrurnent av den här typen har egentligen inte något allmänt använt nordiskt namn. I Sverige brukas alltså ofta benämningen "toppvoltmeter", men detta säger dock inget om användningen av instrumentet. I Norge har instrumenttypen förknippats med fabrikantnamnet. Ett gångbart nordiskt namn skulle kanske kunna vara. "programtoppindikator".

En sådan programtoppindikator består av en förstärkare och ett instrument. Den signal som skall mätas förstärkes och likriktas. Den. likriktade programspänningen logaritmeras och tillföres en kondensator. Spänningen på kondensatorn driver instrumentet och visarutslaget. Normalt är instrumentet ett vridspoleinstrument.

Ofta används instrument av ljusgalvanometertyp vilka har en linjär, rak och översiktlig skala. Det logaritmiska "nätverket" eller dess kretsar medför att kondensatorspänningen och därmed visarutslaget blir proportionellt mot logaritmen till ingångsspänningen. Skalan blir därmed logaritmisk, vilket i sin tur ger ett i dB linjärt utläsningsmätområde vilket kan göras stort, från 50 till 70 dB, och instrumentet kan även användas till att  mäta brus genom att extra förstärkning tillföres kretsarna.

Vid val av upp- resp urladdningstid för kondensatorn kan man bestämma instrumentets integrationstid och utsvängningsförlopp. Då urladdningstiden göres väsentligt längre än uppladdningstiden kan integrationstiden i systemet göras betydligt kortare än själva instrumentets insvängningstid eller attacktid. För att belysa resonemanget skall vi gå till fig 1 . Vid en viss tidpunkt påföres en sinusspänning ingångsklämmorna med en amplitud motsvarande 100 % visarutslag.

Efter viss tid har kondensatorspänningen uppnått  det värde som svarar mot 100 % visarutslag. Något senare, beroende på trögheten i instrumentsystemet, kommer visarutslaget att ha uppnått 100 % , varefter visaren får en liten översväng innan den ställer in sig på 100 % . Något senare avbryter man den pålagrade spänningen varpå  kondensatorspänning och visarutslag sjunker till 0. Av fig kan man härleda två viktiga tider integrationstiden och återsvängningsförloppet.

 

               

                                                            Fig 1

 

Integrationstiden definieras som varaktigheten av en puls eller tonstöt med frekvensen 5 kHz och med en nivå som motsvarar 100 % utslag på skalan resulterande i ett specificerat visarutslag.

Detta visarutslag har av CCIF satts till 2 dB under (eller 80 % av) 100 % indikering, i enlighet med det som visas i fig. Avbryter vi alltså tonen efter en tid motsvarande integrationstiden, kommer kondensatorspänningen att ha nått ett värde motsvarande 80 % av fullt visarutslag. Visarnålen har ännu inte ryckt upp till detta värde, men då kondensatorspänningen p g a den långa urladdningstiden (1-2 s) håller sig i det närmaste konstant under loppet av instrumentets reaktionstid, ca 40 ms, kommer även visarutslaget under den tiden att nå upp till 80 % av fullt utslag, f s u. återgångstiden definieras vanligen som tidsintervallet mellan frånkopplingen av en sinusspänning motsvarande 100 % visarutslag och det ögonblick visaren passerar indikeringen - 20 dB, motsvarande 10 % av fullt utslag i enlighet med ¨vad som visas ¨i fig. återgångstiden belöper sig för de flesta programtoppinstrument till mellan 1 och 2 s. Definitionen tar hänsyn till ett förhållande mellan visarutslag i % och indikering i dB, och detta kräver att vi också definierar ett annat väsentligt begrepp, nämligen referensnivå (eng reference level).

 

Referensnivån definieras  normalt som nivån för en konstant sinusspänning om 1 kHz frekvens som resulterar i ett utslag på 100 % eller 0 dB. Vanligen uppgår referensnivån till 1 ,55 V eller + 6 dB i förhållande till 0,775 V. Detta innebär, att alla som använder en programnivå om max + 6 dB kommer att avläsa 0 dB på skalan då de påför sitt instrument en sinusformad spänning om + 6 dB .

NRK för sin del har frångått denna standard och använder i stället en skala som ger överensstämmelse mellan indikering och nivån som mätes. De skalor ¨vilka normalt brukas av andra" visar 0 dB då det aktuella instrumentet visar + 6 dB.

Det är alltså högst väsentligt att programtekniker som kommunicerar med kolleger och andra i produktionen involverade tydligt ger tillkänna huruvida de talar om dB i förhållande till 100 % utstyrning, om de uppger nivån i dB över eller under 0,775 V eller i dB över eller under EBU-standardens mättonnivå, som ju ligger 9 dB under 100 % utstyrning! Här lurar en mängd missförstånd, och alla som är verksamma inom ljudtekniken bör vara fullt klara över förhållandet mellan de dB-värden som deras instrument visar och de reella nivåer som mätes!

Bland andra definierade egenskaper hos kategorin programtoppindikatorer kan nämnas frekvensegenskaperna, vilka definieras likadant som de vilka gäller för förstärkares frekvensgång samt översväng, som bör vara mindre än 1 dB. Reversibiliteten anger skillnaden i indikering vid byte av polariteten i en specificerad, osymmetrisk signal. Skillnaden i indikering bör även här uppgå till mindre än 1 dB. Ingångsimpedansen har betydelse för den grad av förvrängning instrumentet inför i den krets som mätningen avser. Programtoppindikatorer har mycket hög ingångsimpedans, vanligen större än 10 kohm, och de introducerar därför ingen nämnvärd distorsion.

 

                                   

 

Fig 4. Typisk VU-meter, sådan den nästan alltid återfinns i amerikanska Ijudutrustningar av studiotyp. I USA är dessa instrument ofta gjorda av Weston. USA är "VU-meterns hemland" och dagens 16-kanaliga bandspelare gör ett förvirrande  intryck med sina mängder av belysta, ryckande visare i rader framför ljudteknikern. Bildens instrument hör f ö till en grupp om 8 st i en konsol för 16; RT tog bilden hos studio decibel i Stockholm som förfogar över Europas enda MCI-bandspelare. Så gott som alla hembandspelare är också utrustade med VU-metrar eller rättare, utstyrningsinstrument av VU-typ, vilket inte riktigt är detsamma; man blir sällan klok på kalibreringen bakom dessa, och det i sin tur medför stor risk för att bandet inte utnyttjas 100-procentigt. Här finns plats för angelägna förbättringar hos beståndet av hem- och amatörapparater! Så finns det instrument som är exakt lika VU-metrarna men bara till det yttre då de i vekligheten är toppvoltmetrar. Enbart instrumentets utseende och graderingen av skalan kan man inte gå efter härvidlag.

 

VU-metrar som utstyrningsinstrument

Definitioner och data förenade med de s.k. VU-metrarna ¨går, som tidigare nämnts tillbaka på ett amerikanskt standardiseringsdokument av 1953 . Beteckningen VU står för Volume Unit, och 1 VU motsvarar 1 dB. I förhållande till de tidigare behandlade programtoppindikatorerna är detta instrument relativt enkelt beskaffat Det  består av ett  vridspoleinstrumentsystem med dubbel likriktare samt en dämpsats ("attenuator"), som kan vara fast eller variabel. Ljudvolymen avläses som summan av visarutslag och dämpningens skalgravering. Under avsnittet som avhandlar kalibrering i artikeln uppges att ett korrekt kalibrerat VU-meterinstrumen med sin dämpning satt på 0 VU kommer att visa 0 VU då det tillföres en spänning som är i stånd att utveckla 1 mW över ett motstånd på R ohm, där R vanligen uppgår till 600 ohm, vilket. alltså motsvarar en spänning om 0,775 V. Alla som har använt en VU-meter i praktiken vet emellertid att  VU-metern utan dämpning kommer att visa - 4 VU då den tillföres en spänning på 0,775 V.

                           

 

Fig 5. En snarlik instrumenttyp är det utstyrningsinstrument som i yrkessammanhang bildat något av standard i England. Det är det slags toppvärdeskännande voltmeter som har namn efter Ernest Turner och som t ex sitter som normalutrustning i BBC ljudbord och inspelningsanordningar. Bildens instrument är en variant av Turnermetern 643 och heter AE PPM 3; tillverkare Audio Engineering Ltd i London. PPM är en gängse brittisk förkortning och betyder Peak Programme Meter. Data är specificerade i British Standards och hänför sig till nogrann  programnivåmätning för radio och TV-bruk. Tre varianter finns, BBC, BS och Europautförande. Uppbyggnad på kretskort, matningsspänning 24 V DC, gjord med högstabila tantalelektrolyter, bl a guldpläterad 10-stiftsanslutningspanel. Frekvensegenskaper 40  Hz - 20 kHz + - 0,2 dB, 10 Hz - 40 Hz + 2,0 dB och 20 kHz-60 kHz + - 2,0 dB, integrationstid l0 ms, återsvängningsförlopp 3 s. Instrumentet kan fås i speciella montage och i icke ferritiskt hölje, om så önskas. Ett kretskort kan driva upp till fyra instrument. Stereo-utstyrnings-PPM finns också. Märk graderingen och frånvaron av "rödzoner" för överstyrning.

 

Den bristande överensstämmelsen mellan teori och praktik kan skyllas en oklar formulering i standardiseringsdokumentet. På annan plats i dokumentet eller normen finner vi nämligen att instrumentkänsligheten kan vara sådan, att 0 VU på skalan motsvarar en spänning om + 4 VU. Detta medför, att den dämpkretsposition vilken ger 0 dämpning kan graveras med + 4 VU på skalan. En spänning om 0 dBm kommer då att medföra ett meterutslag på - 4 VU, som adderat till dämpningens indikering om + 4 VU ger en total avläsning av 0 VU.

Instrument med likriktare har en impedans på ca 3 900 ohm, och det förutsättes att källimpedansen är densamma. Impedansen i den krets som mätningen avser är i USA vanligen 300 ohm. Därför lägger man in ett seriemotstånd om 3 900 - 300 = 3 600 ohm. Det är med detta motstånd i serie som instrumentet visar 0 VU för en spänning om 1,23 V motsvarande + 4 dBm. Integrations- och reaktionstiderna är mycket långa, uppskattningsvis ca 165 resp 300 ms. Återsvängningstiden är av samma storleksordning, alltså mycket kortare än hos programtoppindikatorer. - Jfr  det föregående! Den långa integrationstiden medför att VU-metern inte ger korrekt indikering av programtopparna. I praktiskt bruk räknar man med att programtopparna ligger 8 till 12 dB högre än maximalutslagen på instrumentet visar. Om detta bryter sig dock meningarna så kraftigt bland användarna att det enda man säkert kan hävda är, att instrumentet inte ägnar sig för kontroll av maximala utstyrningen i en programkedja. Instrumentet kan därför vara väl lämpat att förmedla en bild av ljudstyrkan i programmet. Men också på den punkten finns det emellertid vitt skilda uppfattningar bland VU-meterns anhängare resp dess motståndare.

                     

 

Fig 5a. Den Engelska firman Ernest Turner har tillverkat VU - instrument sedan 1941 och början skedde enligt de spec som 1940 gavs i Bell Systems Technical Journal. Man gör både VU - metrar och PPM i alla tre mätskalorna.

 

 

 

 

EBU:s Programme Volume Indicator

Den europeiska radiounionen har utvecklat detta instrument att användas vid kontroll av programnivå och mättoner under internationella programöverföringar. Man använder här inte storheten dB, detta för att undvika missförstånd på grund av olikheter i linjenivåer vid transmissionen hos de berörda institutionerna. Ett referensutslag märkt TEST motsvarar mättonnivån i de enskilda länderna. Programnivån skall då enligt CCIF ligga 9 dB över testtonen. Instrumentet har normalt en integrationstid på ca 10 ms. Med hjälp av en tryckknappsats kan instrumentet kopplas om, så att integrationstiden betydligt ökas, varvid visaren rör sig mycket långsamt. Detta har tillkommit för att teknikerna i var sin ända av en programförbindelse eller transmissionslänk skall ha möjlighet att konferera per telefon för att bringa sina instrumentvisarutslag att sammanfalla. För övrigt arbetas det med ett standardiseringsdokument inom IEC, International  Electrotechnical Commission. Detta dokument kommer sannolikt att omfatta en standard för VU-metrar och en för PPM eller  toppvoltmetrar.

 

           

Fig 8. Olika skalor till ljusvisarinstrument NTP

 

 

Fig 7. Blockschema för NTP:s PPM 177 - 100 enligt tillverkaren