Главная Уход

Об искажениях частотных характеристик малогабаритных акустических систем и «глубоких басах. Новый метод коррекции частотных характеристик громкоговорителей Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Звенья вещательных каналов вносят амплитудно-частотные искажения. Это означает, что их коэффициент передачи или затухание является функцией частоты и частотная характеристика коэффициента передачи отличается от горизонтальной прямой.

Во многих вещательных устройствах величину амплитудно-частотных искажений, проявляющихся как спад коэффициента передачи на крайних частотах, сводят к нормированному значению рациональным построением электрической схемы, выбором величин ее элементов и режима работы, применением отрицательной обратной связи. Но амплитудно-частотные характеристики некоторых звеньев вещательного канала, соединительных линий, устройств звукозаписи и звуковоспроизведения, междугородных линий, линий проводного вещания не имеют горизонтального участка. В этих случаях амплитудно-частотные искажения уменьшают, включая в вещательный канал особую цепь--корректирующий контур КК.

Принципы корректирования

Амплитудно-частотная характеристика КК должна быть такой, чтобы общая амплитудно-частотная характеристика искажающего звена и. КК в заданной полосе частот от fmax до fmin была горизонтальной прямой. Итак, условие частотной коррекции искажающего звена:

где и - соответственно коэффициент затухание (передачи) искажающего звена и корректирующего контура.

К методам корректирования амплитудно-частотных искажений по техническим приемам и способам расчета близки методы частотных предыскажений. Частотными предыскажениями называют искусственное искажение спектра вещательного сигнала с целью улучшения ОСШ. Частотные предыскажения широко применяют в каналах подачи вещательных программ, например в соединительных линиях, в устройствах звукозаписи, в радиовещании с частотной модуляцией.

Поскольку СЛ включают в вещательный канал в различных произвольных комбинациях, их рассматривают как самостоятельные звенья канала. Нежелательна компенсация амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, в других звеньях канала - ЛУ или ПУ, так как в том случае невозможно маневрировать усилителями и СЛ и присоединять к любому усилителю любую СЛ. Каждая СЛ должна быть скорректирована, независимо от других звеньев канала. Идентичность АЧХ скорректированных СЛ облегчает их эксплуатацию и взаимное резервирование. АЧХ скорректированной СЛ должна укладываться в пределы шаблона:

В СЛ применяют принципиально иные метода корректирования АЧХ, чем в линиях проводного вещания. Ввиду большого количества СЛ, последовательно включаемых в вещательный канал, требуется высокая точность корректирования (см. табл. 1).

Соединительные линии нагружены на активное сопротивление, величина которого соизмерима с модулем волнового сопротивления СЛ. В этих условиях затухание СЛ монотонно возрастает с частотой. Физически это явление может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы.

Она справедлива, если длина линии не превосходит четверти длины волны передаваемого сигнала, т.е. при электрически короткой линии. Сопротивление проводов линии вместе с сопротивлением, образованным сопротивлениями активных и емкостных утечек между проводами линии, и сопротивлением нагрузки образуют делитель напряжения. С увеличением частоты модуль увеличивается, а модуль уменьшается. Поэтому коэффициент передачи этой цепи с увеличением частоты уменьшается, а затухание растет.

Дополнительные амплитудно-частотные искажения возникают из-за изменения входного сопротивления соединительной линии по диапазону частот. Поскольку СЛ является нагрузкой ЛУ, изменения входного сопротивления СЛ приводят к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника вещательного сигнала - ЛУ. Но при малой величине внутреннего сопротивления ЛУ эти искажения незначительны, и их не учитывают.

Для корректирования АЧХ СЛ используют особый четырехполюсник с сосредоточенными параметрами - корректирующий контур (КК). Его затухание в рабочем диапазоне частот должно изменяться так, чтобы общее затухание СЛ и КК не зависело от частоты. Предположение, что общее затухание СЛ и КК равно сумме затуханий и справедливо лишь в том случае, когда входное сопротивление КК постоянно в рабочем диапазоне частот и равно сопротивлению нагрузки. В противном случае при подключении КК к СЛ изменится нагрузка СЛ и изменится ее затухание.

Наибольшее затухание КК должен вносить на низшей рабочей частоте. До частот 500-700 Гц затухание должно оставаться примерно постоянным, а затем плавно спадать до нуля на высшей рабочей частоте.Физические свойства СЛ и КК различны; линия - четырехполюсник с распределенными параметрами, КК,- четырехполюсник с сосредоточенными параметрами. Поэтому достичь с помощью КК полной компенсации амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, невозможно.

Чем больше будет взято точек на оси частот, для которых затухание КК должно совпасть с затуханием, полученным из идеализированной кривой, тем сложнее схема КК.

КК должен иметь минимальное количество настраиваемых (подбираемых) элементов. На высшей частоте затухание КК должно приближаться к нулю. Включение КК не должно изменять частотной характеристики затухания сопряженного с ним звена, в данном случае, СЛ, иначе частотное корректирование превратиться в сложный и трудоемкий процесс эмпирического подбора элементов КК. При включении КК в конце СЛ следует применять КК с постоянным входным сопротивлением, а при включении в начале СЛ - с минимальным выходным сопротивлением. Уменьшение выходного сопротивления КК желательно и при включении КК в конце СЛ, так как при этом уменьшаются напряжения внешних помех наводимые на входную цепь усилителя, следующего после КК. Постоянство входного сопротивления полезно и в тех случаях, когда КК включен перед СЛ, так как это стабилизирует режим ЛУ.

Следовательно, КК должен иметь постоянное входное сопротивление, минимальное выходное сопротивление, минимальное затухание на высшей рабочей частоте и наименьшее количество настраиваемых элементов.

Основные схемы КК:

Простейший двухполюсник, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой или параллельно нагрузке, не дает хорошего корректирования, так как входное сопротивление такого КК зависит от частоты и изменяет ход частотной характеристики СЛ.

Полный параллельный контур обладает постоянным входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением, изменяющимся с частотой. Полный последовательный контур имеет постоянное входное сопротивление и небольшое выходное сопротивление, также изменяющееся с частотой. По этой причине полный последовательный контур наиболее пригоден для корректирования СЛ. Т-образный мостовой контур обеспечивает постоянство входного сопротивления, но его выходное сопротивление больше, чем у полного последовательного. Поэтому он менее подходит для корректирования СД, хотя в типовой аппаратуре встречается довольно часто.

Степень сложности двухполюсников, и зависит от требуемой точности корректирования. Если двухполюсники и с содержат по два элемента, причем, образован параллельным соединением активного сопротивления и емкости, -последовательным соединением активного сопротивления и индуктивности, то расчетная характеристика затухания совпадет с идеализированной в двух точках - на (практически, в области низших частот) и на. Если, - трехэлементные, то совпадение получается в трех точках. При повышении требований к точности корректирования АЧХ одного КК оказывается недостаточно. Тогда используют два и более КК, причем дополнительные КК служат для корректирования неравномерности АЧХ, остающейся после введения первого КК.

Усложнение КК по экономическим причинам нежелательно. Поэтому обычно ограничиваются условием совпадения идеализированной и расчетной кривой затухания КК в трех точках, в качестве которых берут, и одну промежуточную. Расчетные формулы существенно упрощаются, если в качестве промежуточной точки принять частоту, на которой затухание КК равно половине максимального.

Схемы двухполюсников и синтезируют на основе следующих соображений.

В области низших частот сопротивления и должны быть чисто активными. На высшей расчетной частоте, должно обращаться в нуль, а приближаться к бесконечности. Этого можно достичь, выполнив в виде последовательного, a в виде параллельного колебательного контура. Резонансные частоты контуров должны быть равны и совпадать с высшей частотой рабочего диапазона. Затухание КК в области низших частот определяется соотношением и:

Крутизна частотной характеристики затухания КК растет с увеличением отношения, соответственно при этом увеличивается частота половинного затухания. Потери в колебательных контурах уменьшает точность корректирования на высших частотах. Поэтому катушки индуктивности и должны иметь возможно меньшее активное сопротивление. Конденсаторы и должны иметь малые диэлектрические потери.

Задача неискажённой трансляции звуковой программы от исполнителя к слушателю стара как мир. Как мир электроакустики…

Раймонд Скурулс - радиоинженер и звукорежиссёр, основатель и владелец компании Acoustic Power Lab. В 2005 году, после трёх лет работы он получает латвийский патент (LV1334213) на новую технологию коррекции частотных характеристик громкоговорителей. Журнал «Pro Sound News Europe» называет технологию коррекции AJFL в числе трёх лучших инноваций в данной сфере в Европе. По итогам выставки AES в Нью-Йорке новой разработке присуждён приз Excellence 2007 года. В 2010-м автор разрабатывает вариант технологии для применения в автомобиле.

Одно из необходимых условий для этого - отсутствие линейных искажений. С беглого академического взгляда всё кажется очень простым: померили частотную характеристику, создали корректирующий фильтр, и дело сделано. Очень много таких попыток было предпринято, но результата так и нет. Конечно, по мнению авторов этих попыток и их поддерживающего маркетинга, результат есть. Но бесстрастный мир профессионалов остаётся при другом мнении.

Проблема в том, что технические средства оценки звуковых систем принимают и оценивают звук иначе, чем человеческий слух. Они «видят» больше «проблем», чем наше слуховое восприятие (как бы парадоксально это ни звучало). Эти проблемы берут своё начало в физической интерференции звуковых волн в месте измерения звукового давления. Но интерференция наступает только тогда, когда пришли, в простейшем случае, два сигнала - прямой и отраженный (установившийся случай). Но на какой-то короткий миг есть только прямой сигнал и отсутствует интерференция. Нашему слуху этого короткого мига хватает, чтобы сделать оценку.

Попытаюсь доказать временную избирательность слуха и его способность игнорировать интерференцию двумя простыми для повторения экспериментами. Опыт первый. Тестовый сигнал «чирп» (синусоидальный сигнал с быстро меняющейся частотой), короткий, 150 - 300 мс, логарифмический, субъективно звучит абсолютно по-разному, когда воспроизводится, начиная с низких частот к верхним и наоборот. Играя «вверх», сигнал кажется тусклым, с потерянными верхами. Играя вниз - звучит красиво, музыкально, с ярко выраженными верхами. А для спектроанализатора оба случая одинаковы и неразличимы.

Опыт второй. Сядем перед классической стереосистемой. Подадим моносигнал. Если в системе всё в порядке, услышим узкий воображаемый источник звука ровно посередине между громкоговорителями. Теперь сами подвигаемся из стороны в сторону. При этом мы услышим лишь, что воображаемый источник будет слегка перемещаться в ту же сторону, что и мы. Теперь поставим на наше место микрофон. Будем слушать сигнал с этого микрофона и подвигаем его. Услышим красивый эффект фленджера, созданный меняюшимся гребенчатым фильтром. Попробуйте.

Итак. По моему мнению (которое я превращаю в реальную технологию уже почти десять лет), надо измерять и оценивать звуковую систему наподобие того, как это делает наш слух. Это оказалось возможным, если вместо попыток что-то понять по результатам измерения звукового давления в одной точке мерить частотную характеристику излучённой звуковой мощности громкоговорителя. Это и есть основа моих работ и решений.

Хочу взять на себя смелость пересмотреть подход к неискаженной трансляции звуковой программы. Вот классический принцип. В комнате (студии, открытой площадке) перед исполнителем установлен микрофон, который преобразует звуковое давление в пропорциональный электрический сигнал независимо от частоты. За ним тракт передачи (предусилитель, радиоканал, устройство задержки во времени и.т.д., и.т.п.), заканчивающийся усилителем и громкоговорителем в комнате прослушивания. Тракт должен передавать сигнал одинаково, независимо от частоты, а громкоговоритель - пропорционально преобразовывать электрический сигнал в звуковое давление. И опять - независимо от частоты. О том, соответствует ли громкоговоритель этому требованию, мы удостоверились в заглушенной камере на его «акустической оси» и теперь ждём успеха. Часто это ожидание оказывается напрасным и наивным.

Подход, который я развиваю - другой. Громкоговоритель в месте прослушивания для получения неискажённого звукового образа должен излучать такую же или пропорциональную по спектральному составу и временным характеристикам звуковую мощность, какую излучает музыкант в месте исполнения.

Правильность этого подхода уже неоднократно была проверена на практике и с большим успехом демонстрировалось на выставке AES в мае 2007 года, когда запись аккордеонного дуэта проигрывалась через откорректированный тракт, завершающийся хорошо знакомыми россиянам колонками Radiotehnika S90, и сравнивалась с живым выступлением того же дуэта, согласившегося поучаствовать в эксперименте.

Кстати: вот ещё эпизод из жизни S90. Небольшой компании, оставшейся от флагмана советской электроакустики - Рижского радиозавода, хватило смелости принять участие в тесте ведущего российского аудиожурнала со своими громкоговорителями бюджетного класса. Результаты были впечатляющими, без единого упрёка по поводу звучания и с комментарием: «Непонятно, почему хорошо звучит», притом что кривые АЧХ никак на это не указывали. Разгадка проста: при отстройке этого громкоговорителя использовалась программа и методика измерения AJFL.

Точность метода позволяет использовать его в студиях с самыми качественными мониторами, в то же время возможности глубины коррекции настолько велики, что зазвучит даже ведро. Мы и такой опыт ставили…

Как на практике реализуется метод коррекции по излучаемой акустической мощности? Измерение акустического давления происходит во многих (примерно 200) точках пространства, расположенных на некой воображаемой поверхности или её сегменте. Проще говоря: измеритель чертит микрофоном в воздухе воображаемую решётку из вертикальных линий, на это уходит около минуты. Специально разработанная программа самостоятельно фиксирует величину звукового давления в отдельных точках, а потом вычисляет частотную характеристику акустической мощности (AJFL), где оказываются учтены факторы интерференции и фазовых сдвигов. На основе этой характеристики синтезируется корректирующая кривая. Она создаётся как зеркальная по отношению к кривой по АЧХ излучаемой мощности, при этом есть возможность следовать этой кривой с точностью, недоступной традиционным эквалайзерам. Дело в том, что в роли эквалайзера в технологии AJFL применён фильтр с конечной импульсной характеристикой - FIR. Для радиотехники он не нов, но в звуковой аппаратуре до сих пор использовался крайне редко. Можно даже сказать, не использовался вообще (мне известен только один прибор с FIR-фильтром, сами его создатели толком не знают, как с ним работать). Происходит это по трём причинам: высокие требования к вычислительной мощности, несущественная практическая выгода от полученной точности и сложность управления, отсюда - возврат к понятным и привычным параметрическим и графическим эквалайзерам.

И ещё одно: коррекция фазы. В технологии AJFL она происходит автоматически. Дело в том, что если проблему (неравномерность) вызвала минимально фазовая система (а таковой является большинство электрических цепей и фильтров с одним путём сигнала с входа на выход), то, создав минимально фазовый корректор, проблема корректируется идеально - как по амплитуде, так и по фазе. Корректирующий фильтр-эквалайзер, применённый в системе AJFL - именно такой, минимально фазовый.

В 2010 году появилось и решение для автомобиля. Здесь пришлось несколько доработать как технику измерений, так и приборный блок, ответственный за последующую коррекцию. С учётом более сложной, нежели в обычном помещении, акустики АЧХ излучаемой мощности в салоне снимается в несколько приёмов и в трёх (а не в двух) координатах. Результаты измерения интерпретируются специальной версией программы на ноутбуке и загружаются в блок, который остаётся на борту между источником сигнала и усилителями. В ходе измерения и настройки (это важно) есть возможность, помимо автоматической коррекции по «зеркальной» кривой, вносить и ручную подстройку, для этого предусмотрена подсистема высокоточного параметрического эквалайзера.

Размеры блока с аналоговыми и цифровыми входами/выходами - 18 x 15 x 5 см, напряжение питания - от 7 до 16 В. Есть вход Remote и выход задержанного Remote для управления включением усилителей. Сейчас в работе упрощённая модификация прибора, вдвое меньше по габаритам и только с аналоговыми входами/выходами. А через пару месяцев будет готова «быстрая» загрузка фильтров через USB-интерфейс. Так что, я думаю, у нас ещё найдётся повод здесь встретиться. А не захотите дожидаться - отыскать меня нетрудно, адрес есть в этом номере журнала.

По методу AJFL замеры проводятся не в одной, а во множестве точек, образующих сегмент поверхности

Демонстрация метода на выставке AES в Вене в 2007 году

По синтезированной из множества точечных замеров АЧХ излучаемой мощности программа строит «зеркальную» корректирующую кривую

Итог коррекции: шаг по частоте в единицы герц недоступен для традиционных эквалайзеров

Один из тяжёлых случаев (в салоне автомобиля). Результат - аналогичный

Первая автомобильная модель блока коррекции

При записи грампластинок для повышения отноше-ния сигнал/шум предусматривается подъем высоких час-тот. Да и сам электромагнитный звукосниматель, как отмечалось, дает почти линейный рост ЭДС с частотой, начиная от самых низких частот. В силу этого для работы с электромагнитными звукоснимателями нужно применение усилителей-корректоров с нормированной АЧХ. Коррекции подлежат два участка частотного диапазона. В диапазоне частот от 50 до 500 Гц усиление должно падать с крутизной 20 дБ/декаду. В диапазоне от 500 до 2000 Гц оно остается постоянным,а начиная с частоты 2,12 кГц вновь должно линейно падать. Кривая АЧХ является обратной кривой зависимо-сти колебательной скорости резца при записи, которая нормируется по международным нормам.

Итак, на АЧХ заметны три характерные частоты, задающие ее вид: 50, 500 и 2120 Гц. Им соответствуют постоянные времени 3180, 318 и 75 мкс. Они позволяют рассчитать корректирующие RC-цепочки в схеме усилите-ля-корректора. Эти цепи могут быть выполнены в виде пассивных цепей коррекции или в виде элементов коррек-ции, включенных в цепь отрицательной обратной связи.

Необходимость введения коррекции усложняет схему усилителя. Обычно применяется специальный корректи-рующий усилитель, дотягивающий сигнал с выхода звуко-снимателя до типичного для остальных источников сигна-лов уровня порядка 0,15—0,3 В. Разумеется, учитывая малый уровень выходного напряжения современных зву-коснимателей, усилитель должен быть с предельно малым уровнем собственных шумов и наводок. Любители считают высшим шиком ламповый корректирующий усилитель, хотя получение от него малого уровня шумов более чем проблематично.

Аббревиатура RIAA, хотя и принадлежит Американской ассоциации звукозаписывающей индустрии, начиная с 1954 года она фактически ассоциируется во всем мире со стандартом коррекции частотных характеристик долгоиграющих виниловыхгрампластинок в противовес существовавшим многочисленным стандартам для старых патефонных пластинок, которые были рассчитаны на скорость вращения 78 оборотов в минуту. Хотя в Европе и не приветствовалось введение стандарта, разработанного Американской ассоциации звукозаписывающей индустрией (стандарта RIAA), но введение общего международного стандарта все-таки становилось велением времени. Международная электротехническая комиссия, МЭК, (IEC), ввела стандарт частотной коррекции для долгоиграющих виниловых грампластинок, который оказался практически идентичным американскому стандарту. Единственное отличие заключалось в том, что стандарт МЭК рекомендует производить срез нижних звуковых частот в режиме воспроизведения грамзаписи, причем, с целью уменьшения НЧ рокота (так называемого рокот-эффекта, вызываемого биением частоты вращения диска), рекомендуется вводить ослабление с уровнем -3 дБ на частоте 20 Гц (при переводе во временные характеристики это соответствует постоянной времени 7950 мкс). Большая часть производителей высококачественных предусилителей посчитала, что их оборудование будет укомплектовано электропроигрывателями высокого качества, поэтому проблема рокота их не будет касаться, в силу чего требования МЭК ими были проигнорированы. Следовательно, используемый ими стандарт выравнивания частотных характеристик грампластинок фактически являлся стандартом RIAA.
Тем ни менее, на производителей аппаратуры до сих пор зачастую оказывается сильное давление на предмет изменения параметров проигрывателей, соответствующих стандарту RIAA вводя коррекцию амплитудно-частотной характеристики в области низких частот.

Такая политика определяется тем, что:

часть ламповых усилителей мощности оказывается чувствительной к насыщению магнитного сердечника выходного трансформатора в случаях, когда на низких частотах (менее 50 Гц) поступает сигнал большой амплитуды (в том числе и от рокот-эффекта);
НЧ громкоговорители отражательного типа очень легко перегружаются при частотах, ниже частот их акустического среза из-за слишком малого демпфирования, вызываемого движением диффузора. Для громкоговорителей отражательного типа, установленных на отражательных досках, характерна частота среза чуть ниже 100 Гц, тогда как для свободно стоящих отражательных громкоговорителей нижняя граница сдвигается до 50 Гц, или даже еще ниже;
записи на долгоиграющих виниловых грампластинках характеризуются низкочастотным (менее 20 Гц) шумом из-за деформаций и вибраций диска проигрывателя.

Таким образом, из вышесказанного следует, что все эти проблемы могли бы быть сняты введением низкочастотной коррекции в каскаде воспроизведения аппаратуры, соответствующего стандартам RIAA.
Одним из возможных позитивных подходов к этой проблеме является возможное принятие рекомендаций МЭК относительно постоянной времени 7950 мкс, но более разумным решением было бы введение соответствующим образом рассчитанного фильтра высоких частот, имеющего на краю диапазона ослабление порядка 12 дБ на октаву, или же еще большее значение, с резонансной частотой порядка 10 Гц (так называемые резонансные рокот-фильтры для подавления НЧ шумов, определяемых несовершенством механической части проигрывателя). Плеер компакт-дисков как-то не выявил необходимости введения фильтра нижних частот с резонансной частотой 10 Гц для решения проблем, связанных с плохо сконструированными громкоговорителями или с вызывающими вопросы выходными трансформаторами. Но тогда сразу же возникает вопрос, а причем же здесь виниловые долгоиграющие грампластинки? Коробление и рокот являются в чистом виде проблемами механической части, и, следовательно, должны решаться чисто в этих рамках, а не с использованием электрических ухищрений.

Практически любую аудиосистему можно заставить играть лучше. И это то, чем я люблю заниматься, неважно, стереофоническая система или мультиканальная, для музыки она создана или для кино. Основные принципы улучшения звука - тщательные поиски «узких» мест. Все знают, что компоненты должны соответствовать друг другу, но часто забывают, что при инсталляции могут быть допущены ошибки.

Для поиска проблем следует использовать специальные измерительные приборы или программные продукты - REW, ARTA и другие. Благо их достаточно на рынке - созданных энтузиастами и распространяющихся бесплатно. Я обычно работаю с программой REW и USB-микрофоном Umic-1 или использую румкорректор-кроссовер Trinnov ST2 из своей домашней стереосистемы. Последний удобен тем, что показывает результаты наглядными графиками и позволяет проконтролировать не только стандартные характеристики (АЧХ и ФЧХ), но и так называемые «безэховые» измерения АЧХ, импульсную характеристику, групповое время задержки и время отклика комнаты в зависимости от частоты. Изучение и сопоставление полученных данных помогают определить дефекты системы и наметить пути ее улучшения.

Влияние комнаты

Начать, пожалуй, следует с показательного графика, на котором совмещены кривые АЧХ системы с учетом отклика комнаты (сиреневый цвет) и т.н. «безэховые» измерения, где влияние комнаты максимально отброшено из рассмотрения. Прошу обратить внимание, что цена деления - 5 дБ, и средняя разница между АЧХ прямого звука и общей АЧХ составляет примерно 6 дБ по НЧ/СЧ диапазону - это и есть влияние комнаты на звук. Т.е. данное помещение практически удваивает звуковое давление от АС, причем делает это с некоторой задержкой. Комната для рассмотрения выбрана стандартная: 24 кв.м., ковер на полу, мягкий диван, пара кресел, пенополистороловые плиты на потолке - вот и все звукопоглощение.

Вот как отклик этой же комнаты (реакция на импульс) выглядит во времени:

По вертикали - частота, по горизонтали - время в миллисекундах, цветом обозначена амплитуда в дБ

Здесь показана реакция комнаты на одиночный импульс. Когда музыка закончилась, комната продолжает играть сама по себе. График показывает, что затухание звука в басах происходит более чем 0,6 секунды!

В итоге становится ясно, что комната влияет на звучание системы, и слушатель это заметит и в составе самого звука (ранние отражения), и как эффект эха. Наш слух устроен таким образом, что мы не всегда воспринимаем влияние комнаты как помеху. Подсознательно человек пытается определить, где он находится, и делает это обычно по реверберационным призвукам, сопровождающим любой звук в помещении. Предположительно навык этот достался нам от далеких предков, живших в пещерах.

В домашних условиях получается, что слушатель воспринимает как бы два пространства одновременно: комнату, где он находится, и комнату, в которой проводилась запись (или имитацию пространства искусственной реверберацией, добавленную в студии). Вообще такое «раздвоение» приводит к дискомфорту, поэтому лучше, конечно, двойственность эту исключить, т.е. сделать в акустической обработке помещения упор на рассеивание или на поглощение звука. Это если мы говорим о комнате для прослушивания музыки. Ранее я писал, что - там корректно делать только заглушение. Но это уже относится к акустической обработке, поэтому вернусь к теме статьи - электронной коррекции помещения.

Аналог и цифра

Для стереосистем наличие аудиопроцессора - большая редкость. Корни этого явления растут из главной аудиофильской догмы - «максимально короткого тракта», который подразумевает минимальный набор элементов в системе - только самое необходимое. Ведь нередко из тракта изымают не только регуляторы тембра, но даже регулировку громкости! И при этом забывают, что такой аудиофильский тракт (как, впрочем, и любой другой) требует специальной акустической комнаты для прослушивания. Для подобных помещений существуют стандарты, которые нормируют время спадания звука до уровня -60 дБ (акустический параметр RT60). Однако для этого потребуются дополнительные вложения - свободное пространство, отделенная комната и т.п. Поэтому чаще всего акустическая обработка напрочь отсутствует или сводится к минимуму: ковер на полу, мягкая мебель, шторы, значительно реже - рассеиватели в зонах первых отражений. Вот в этом случае особенно полезна будет румкоррекция для устранения неполадок, особенно в НЧ-диапазоне.

Фанаты аналогового звука самого высокого класса могут попытаться найти студийные аналоговые параметрические фильтры на вторичном рынке или заказать прибор мастерам - современного производства такой техники практически не осталось.

Намного проще использовать цифровую технику, тем более, выбор здесь большой: от компьютера с программой, студийных процессоров - до аппаратов, специально предназначенных для румкорреции (как DEQX, Trinnov, MiniDSP, DSPeaker и прочих) на любой вкус и кошелек. Иногда такие процессоры имеют дополнительные возможности, как сетевые проигрыватели, встроенные кроссоверы, различные «улучшайзеры» звука. И наконец, современные AV-рессиверы и процессоры мультиканального звука практически всегда оснащены алгоритмами румкоррекции, из популярных - Dirac и Audyssey с возможностями ручной подстройки и параметрическими фильтрами. Более дорогие решения могут использовать алгоритмы Trinnov, а например, в комплект JBL Synthesis сразу входят студийные процессоры BBS с оригинальным софтом. Кстати, цифровые аудиопроцессоры часто оснащаются аналоговыми входами.

Шесть шагов к лучшему звуку

Теперь ответим на вопрос: что именно можно (и нужно) корректировать в домашней системе звуковоспроизведения?

1. На первое место я бы поставил выраженные комнатные резонансы, они мешают прослушиванию больше всего, поскольку никогда не воспринимаются как органичная часть звука, существуют отдельно от него, и это постоянное «подгуживание» комнаты на одном и том же тоне быстро утомляет слушателя. Вот как выглядит типичный комнатный резонанс на графике АЧХ системы до и после его коррекции (верхний и нижний графики соответственно):

На частоте 45 Гц амплитуда комнатного резонанса достигает 20 дБ! От этого гудения можно избавиться, если «вырезать» резонансный пик параметрическим эквалайзером.

Параметрический эквалайзер регулирует уровень звука на заданной частоте, и можно определять ширину этой частотной полосы (добротность), в отличие от более простого «графического» эквалайзера, имеющего фиксированную сетку частот и полосы регулировки. Широко распространенный «третьоктавный» эквалайзер, как следует из его названия, имеет добротность в 1/3 октавы, в то время как на низких частотах комнатные резонансные пики имеют типичную добротность в 1/10-1/12 октавы. Другими словами, для решения типичных проблем третьоктавный эквалайзер не подойдет.

Однако у параметрических эквалайзеров есть и свой недостаток - мы удаляем из прямого звука ту ноту, на которой «возбуждается» помещение. Но в итоге мы все же слышим эту ноту после того, как она отразится от стен, срезонирует и восстановится в исходной громкости. Из-за этой задержки и считается, что лучше вообще не делать электронную коррекцию комнаты. Однако как иначе убрать показанный выше пик АЧХ на 45 герцах? Построить акустические поглотители такого размера нереально. Поэтому из двух зол мы выбираем меньшее. Стоит отметить, что алгоритм Trinnov для подавления низкочастотных резонансов использует специальные техники, как подавление первичных отражений с помощью генерируемых импульсов, которые подаются в противофазе к месту прослушивания и управление амплитудой путем сдвига фазы одной из АС в НЧ-диапазоне.

2. На втором месте по нежелательному влиянию - отражения от близких поверхностей, т.н. SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). В я уже описывал этот эффект, приводящий к глубоким провалам и подъемам АЧХ системы. В отличие от комнатных резонансов, SBIR-эффект приходит с минимальной задержкой, поэтому его можно корректировать электронным способом без нежелательных последствий для звука. Для этого применяются звуковые процессоры разных типов: они позволяют формировать АЧХ системы, в том числе параметрические фильтры лишь с одной оговоркой - пики звука, вызванные SBIR-ээфектом, регулируются легко, а с провалами ситуация иная. «Вытянуть» частоту можно, если только каждый элемент системы (предусилитель, мощник, АС) позволит передать эту самую усиленную часть сигнала без искажений. Система должна иметь запас по перегрузке для подобной коррекции. Поэтому, как правило, для исправления «провалов» в АЧХ не используют усиление больше 6 дБ. А если «провал» ушел вглубь на -10 или -20 дБ, его лучше вообще не корректировать, в противном случае это даст только отрицательный эффект.

3. Третьим пунктом станет коррекция краев частотного диапазона. В данном случае мы изменяем прямой сигнал, поэтому можно использовать любой алгоритм из тех, что есть в системе. Сравнительно легко немного расширить низкочастотный диапазон системы (при наличии запаса по перегрузке), а вот в высокочастотном лучше ничего не трогать: верхняя граница определяется физическими параметрами динамиков, и попытка коррекции лишь увеличит искажения.

4. Дальше нужно корректировать дефекты АЧХ самой системы - обычно это сопряжение кроссоверов в колонке и ее резонансы. СЧ/ВЧ-диапазон можно регулировать с помощью тех же параметрических эквалайзеров, но делать это нужно осторожно, чтобы не навредить звучанию - не более двух-трех фильтров на диапазон, и ни в коем случае фильтры не должны пересекаться на одной частоте, потому что возникнет «излом» фазы, который испортит звук. Для более точной коррекции лучше применять процессоры, способные управлять АЧХ, не меняя фазу сигнала.

5. Пятый пункт - коррекция тонального баланса с учетом влияния комнаты. Здесь уже параметрические фильтры не подойдут, нужно использовать процессор, позволяющий задать требуемый наклон АЧХ и частоты, с которой этот наклон начинается. Данный функционал встречается даже в недорогих ресиверах и процессорах (т.н. «параметрический регулятор тембра»), но для максимального качества я бы советовал использовать специальные звуковые процессоры, пришедшие из профессионального звука, у которых есть сразу несколько типов эквализации. Ниже на картинке - типичная форма целевой кривой (форма АЧХ на месте прослушивания, к которой надо стремиться) в большинстве случаев. В зависимости от комнаты и ее акустической обработки может варьироваться подъем на низких частотах и спад на высоких. Некоторые модели АС позволяют задавать спад/подъем частотной характеристики в области СЧ/ВЧ специальными регуляторами или переключателями, их также следует использовать для коррекции тонального баланса.

6. Наконец, большинство процессоров румкоррекции позволяет точно делить спектр на полосы - т.н. «активный кроссовер». Его можно использовать для создания мультиампингового подключения, когда пассивные фильтры исключаются из акустической системы, а поделенный на частотные полосы сигнал подается на раздельные усилители по одному на каждый динамик. Такую реализацию мы часто видим в профессиональном аудио: именно она позволяет значительно повысить качество звучания АС и лучше настроить их под особенности комнаты. Понятно, что этот способ требует увеличить количество каналов усиления.

Все вместе

Лучший результат достигается в условиях, когда акустическая обработка комнаты дополнена электронной румкоррекцией на низких частотах, где акустическая обработка попросту неэффективна. В свою очередь, электронная коррекция СЧ/ВЧ-диапазонов может привнести нежелательные искажения в звук, и наоборот, акустическая обработка не потребует больших вложений.

Цифровые процессоры румкоррекции могут очень сильно улучшить качество звучания, если вместе с ними использовать активные кроссоверы и собрать мультиампинговую систему.

Что же нам может дать цифровая обработка в акустических системах? Во-первых, хочу сразу оговорить, что не существует волшебной платы, установив которую в недорогую систему, получим волшебный звук. Акустические проблемы колонки должны лечиться акустическим путем. Например, нельзя устранить цифровой обработкой проблемы, связанные с резонансами корпуса акустической системы, стоячими звуковыми волны внутри корпуса, органные резонансами трубы фазоинвертора. В первую очередь нужна правильно спроектированная акустическая система с хорошо подобранными компонентами. Но все же некоторые параметры поддаются коррекции с помощью цифровой обработки звука. Рассмотрим результаты на живом примере.

В качестве подопытного кролика используем систему CL3212 производства фирмы PARK AUDIO. Система представляет собой громкоговоритель состоящий из 12” головки 12CL76 и 1” драйвера DE250 производства итальянской фирмы B&C Speakers(Италия). Для начала рассмотрим работу пассивной системы. Пассивная система – это система, не имеющая встроенного усилителя и использующая для разделения частотного спектра на полосы пассивный кроссовер. В системе CL3212 для низкочастотного динамика использован фильтр 2-го порядка с крутизной спада 12 дБ/октаву а для высокочастотного динамика — фильтр 3-го порядка с крутизной спада 18 дБ/октаву.

Рис.1 Теперь проведем измерения акустической АЧХ на расстоянии 1 метр от колонки

Рис.2 АЧХ пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Мы видим, что в то время, как АЧХ системы достаточно линейна, фазовая характеристика этим похвастаться не может. Возможности пассивного фильтра ограничены. В частности довольно сложно с его помощью совместить акустические центры головок. Для этого требуется вводить задержку электрического сигнала, подаваемого на одну из головок, а в пассивном фильтре это сложно реализовать. Можно попытаться откорректировать АЧХ пассивной системы с помощью параметрической эквализации.

Рис.3 АЧХ эквализированной пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы стала более линейной, но ФЧХ выровнять не удалось. Современные методы цифровой обработки сигналов позволяют решить эту проблему. Предварительно хотелось бы немножко рассказать о теоретических основах. В описаниях акустических систем или звуковых процессоров периодически встречается термин – FIR фильтрация.

Что это такое? Вкратце рассмотрим разницу между двумя классами фильтров, применяемыми в обработке звука: IIR фильтры От Infinite Impulse Response, на русском – фильтры с бесконечной импульсной характеристикой. Это цифровая реализация привычных нам аналоговых фильтров. Описываются они привычными нам терминами: фильтр верхних частот Батерворта 4-го порядка (крутизна спада 24 дБ/октаву), частота среза 1500 Гц. Также к этому типу фильтров относятся параметрические корректоры АЧХ (привычные нам эквалайзеры). Они обычно описываются параметрами: частота настройки, уровень подъема/спада и ширина полосы или добротность). Такие фильтры просты в реализации. Они являются так называемыми минимально-фазовыми фильтрами. Это означает, что любое изменение АЧХ неизбежно меняет фазовые соотношения в сигнале. Чем выше крутизна среза фильтра или добротность полосового фильтра – тем больше получаем сдвиг фаз на частоте среза.

FIR фильтры От Finite Impulse Response, на русском – фильтры с конечной импульсной характеристикой. В аналоговом виде такие фильтры реализовать невозможно. Главным достоинством FIR фильтров является то, что они позволяют корректировать АЧХ сигнала, не влияя на его фазу. С ними мы можем использовать разделительные фильтры, не вносящие сдвига фаз на частоте перегиба и использовать эквализацию, не вносящую фазовых сдвигов на корректируемых частотах. В общем можно сказать так: эти фильтры делают именно то, что должны делать, и ничего более. Но, к сожалению, не обходится и без недостатков. FIR фильтры вносят задержку в обрабатываемый сигнал, причем, чем более низкочастотный сигнал нам нужно обработать, тем большую временную задержку внесет наш фильтр. Если для бытовых систем, которые обычно работают самостоятельно, можно позволить довольно большие величины задержки, то в профессиональной акустической системе, которая практически всегда работает совместно с другими системами (например с сабвуферами) задержки более 2 мсек недопустимы. Поэтому частотный диапазон обработки FIR фильтров обычно ограничивается средними и высокими частотами. Для коррекции низкочастотного диапазона используют традиционные IIR фильтры. Давайте посмотрим, какой станет наша система после разделения полос и коррекции АЧХ с помощью FIR фильтров. Настроим эту же систему в активной Bi-Amp конфигурации. Каждая из головок подключена к своему каналу усиления, а разделительные фильтры и коррекция АЧХ реализованы с помощью процессора (DSP), входящего в состав усилительного модуля DX700DSP.

Рис.4 АЧХ системы CL3212, раздельные усилители НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации. Измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы превратилась практически в прямую линию, фазочастотная характеристика в области средних частот также стала практически прямой линей. В области низких частот выровнять фазу не удается, т.к. вследствие больших задержек обработки на низких частотах нельзя использовать FIR фильтрацию Теперь попытаемся понять, как влияет линейность фазовой характеристики на воспроизведение звука акустикой. Для тестирования используем в качестве тестового сигнала меандр (прямоугольные импульсы). «Идеальный» меандр представляет собой сумму бесконечного числа синусоид, каждая из которых имеет свою амплитуду и фазу. Поэтому при прохождении меандра через аудиосистему можно выявить проблемы в временной области. Все синусоидальные компоненты должны быть переданы системой без искажений времени прихода для того, чтобы получить на выходе опять прямоугольную волну. Важно осознавать, что задержка по времени системы не должна быть равна нулю. Но она должна быть одинаковой для всех частот в пределах полосы пропускания системы. Такое условие будет легко выполняться, если тестируемая система имеет ровную фазовую характеристику. Даже притом, что никто не слушает меандр через акустические системы, он представляет собой четкий тестовый сигнал, глядя на который очень легко увидеть временные искажения сигнала, проходящего через громкоговоритель. Амплитудные или временные искажения сразу видны и это помогает понять причины искажений. Итак, попробуем пропустить прямоугольный сигнал через нашу систему с пассивным фильтром:

Рис. 5 Меандр на выходе CL3212 с пассивным фильтром

На фронтах полученных импульсов видна неидеальная временная стыковка сигналов от НЧ и ВЧ головок, а на плоской части – неравномерность, вызванная неравномерностью АЧХ системы. Это дает нам два ключа для улучшения формы выходного сигнала: — сгладить частотную характеристику. — улучшить временную стыковку динамиков между собой (это даст, в том числе, выравнивание фазовой характеристики системы). Теперь проведем аналогичное измерение для активной системы с FIR фильтрацией.

Рис. 6 Меандр на выходе CL3212 с раздельными усилителями НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации.

Мы видим, что исчезли все временныенестыковки на фронтах сигнала, плоская часть импульса стала совершенно ровной. Переходные характеристики системы ощутимо улучшились. Это благоприятно скажется на четкости и прозрачности воспроизведения звука акустической системой. Система также станет более предсказуемой при попытках ее дополнительной эквализации в конкретных акустических условиях. Многочисленные прослушивания подтвердили эти результаты.