Стаціонарні та перехідні частотні характеристики акустичних систем

Кейт Холланд (Keith Holland), ISVR, Саутгемптонський університет, Великобританія

Філіп Ньюелл (Philip Newell), консультант, Іспанія

Пітер Мепп (Peter Mapp), Peter Mapp & Associates, Велика Британія

1. Вступ

Напевно, найбільш важливою і загальновідомою характеристикою високоякісної акустичної системи є її частотна характеристика. Більшість професіоналів та ентузіастів в світі аудіо звикли бачити в графіках частотних характеристик критерій оцінки якості відтворення звуку системою. Цей факт випливає з теорії лінійних систем, відповідно до якої відгук акустичної системи на будь-який вхідний сигнал (в розумних межах) може бути точно визначений лише по одній частотній характеристиці.

Тому головна мета при розробці високоякісних акустичних систем зводиться до досягнення такої частотної характеристики, яка б рівномірно охоплювала якомога більшу частину чутного спектру частот. Мета ця цілком досяжна на високих частотах, про що свідчить безліч високочастотних гучномовців, що мають чудову амплітудно-частотну характеристику на частотах набагато вищих межі чутності людини; однак отримання широкої амплітудно-частотної характеристики на низьких частотах завжди призводило до багатьох компромісів у конструкції, а ті, в свою чергу, − до погіршення вірності передачі звуку.

Публікації [1,2]1, в яких обговорюються проблеми створення студійних моніторів, приводять нас до висновку, що успіх деяких добре відомих акустичних систем цього типу частково обумовлений саме вдалою настройкою відтворення низьких частот. Дана стаття побудована на цих публікаціях і розглядає компроміси, які неминучі при розширенні нижньої межі амплітудно-частотної характеристики моніторних систем та відповідні наслідки таких компромісів в остаточному звучанні цих систем. Розглядається амплітудно-частотна характеристика багатьох наявних на ринку систем в діапазоні низьких частот, проводиться порівняння двох характеристик систем: їх стаціонарної амплітудно-частотної характеристики − з одного боку, і часової частотної характеристики (взаємозалежність час/амплітуда/частота − О.К.) − з іншого.

2. Компроміси на користь низьких частот

В природі ми звикли до того, що випромінювання низькочастотних звуків в основному відбувається від порівняно великих предметів і об’єктів; адже об’єкти малих розмірів в якості випромінювачів низьких частот є вкрай неефективними. Отже, для природного відтворення низьких частот гучномовець обов’язково повинен бути дуже великим, або дуже тихим. Прийнято вважати, що частотний діапазон слухової системи людини простягається від 20 Гц до 20 кГц, тому розумно було б припускати, щоб відгук акустичної системи тягнувся вниз до 20 Гц і нижче. Що ж, дуже доцільно розглянути таку перспективу. У таблиці 1 показані довжини хвиль ряду низькочастотних сигналів − як на рівні порога чутності, так і при нормальній мовній гучності (60 фон). Також зверніть увагу на крайні позиції зміщення рухомих систем відповідно 6-дюймового (150 mm) і 15-дюймового (340 mm) гучномовців для того, щоб звучання на відстані 2-х метрів було на рівні мовної гучності, причому в умовах вільного поля (немає ніяких перешкод і відбиттів від поверхонь приміщення).

Таблиця 1. Довжина хвилі, рівень порога чутності, рівень мовної гучності і відповідне зміщення дифузора гучномовця (Х), необхідне для отримання мовного рівня гучності на різних частотах
Частота

(Hz)

Довжина хвилі

(m)

Поріг

(dB SPL)

Мовний рівень

(dB SPL)

Х (6″)

(mm)

X (15″)

(mm)

100 3,4 25 67 0,6 0,08
70 4,9 32 72 2 0,4
50 6,8 40 77 8 1,2
35 9,8 55 85 38 6
20 17,5 72 100 660 100

З таблиці 1 добре видно, що величина зміщення рухомої системи гучномовця значно збільшується зі зменшенням частоти відтвореного їм звуку. Відтворення звуку на частоті 20 Гц шестидюймовим гучномовцем практично неможливе, оскільки буде потрібно зміщення його рухомої системи більш ніж на 25 мм тільки для того, щоб звук відтворювався на рівні порогу чутності. В той же час є практичний сенс у використанні 15-дюймового гучномовця, тому що для відтворення звуку на порозі чутності йому буде потрібно зміщення рухомої системи лише на 4 мм. Слід зауважити, що ці вимоги знижуються при використанні декількох гучномовців [3] та/або якщо звуковипромінювання відбувається в приміщенні (про проблему взаємодії гучномовців між собою та з приміщенням Ви можете дізнатися зі статті «Fold-down or melt-down», а також з 12-го розділу книги Ф. Ньюелла «Project-студії …» − О.К.)

Вищенаведені цифри свідчать, що в прагненні поліпшити відтворення найнижчих частот ми неминуче зіткнемося не тільки з проблемою необхідності використання величезних за розмірами гучномовців, але й з проблемою надмірно великої амплітуди зміщення їх дифузорів і рухомих систем. Щоб уникнути цього відгук акустичних систем в діапазоні найнижчих частот прийнято обмежувати електромеханічним або електричним способом. Це виглядає досить розумним, зокрема, для випадків відтворення більшості мовних та музичних сигналів, тому що вони містять мізерно мало інформації на найнижчих частотах. Для акустичних систем з закритим корпусом зсув дифузора на частотах нижче басової резонансної частоти є практично постійним. Адже відомо, чим нижче резонансна частота закритого корпусу акустичної системи, тим більшим може бути максимальне зміщення рухомої системи і дифузора гучномовця, розташованого в ній. Тому, якщо резонансна частота закритого корпусу акустичної системи вища, ніж це необхідно для випромінювання найнижчих частот, то автоматично зменшується й діапазон зміщення рухомої системи і дифузора гучномовця, а значить − і рівень відтворення на цих частотах.

Однак, у випадку з використанням фазоінверсної конструкції корпусів акустичних систем такої чіткості визначень вже немає. В цьому випадку зміщення дифузора гучномовця зменшується в області частоти настроювання фазоінвертора, але при подальшому зниженні частоти величина зміщення дифузора починає швидко збільшуватися до рівня, який має місце при резонансі гучномовця в повітрі (без будь-якого акустичного оформлення); причому цей резонанс знаходиться нижче, ніж резонанс гучномовця в закритому корпусі акустичної системи.

Якщо передбачається використовувати акустичні системи на високих рівнях, як це зазвичай і відбувається з контрольними моніторами в студії, то дуже важливо, щоб зміщення дифузора гучномовця на нижніх частотах утримувалося в межах, що не допускають істотних спотворень сигналу та/або пошкоджень гучномовця. Для цього в більшості акустичних систем великої потужності використовуються захисні фільтри верхніх частот, що не пропускають сигнал саме низьких частот.

Таким чином, в конструкції низькочастотної акустичної системи може використовуватися кілька різних видів управління низькими частотами з метою досягнення компромісу між необхідною віддачею на низьких частотах і захистом гучномовців від надмірного зміщення їх рухомих систем. В таблиці 2 перераховані деякі варіанти налаштування низьких частот, які зустрічаються в сучасних акустичних системах високої потужності.

Таблиця 2. Деякі поширені методи настроювання низьких частот акустичних систем і відповідні їм порядки крутизни зрізу
Опис Порядок фільтра
Закритий корпус 2
Закритий корпус і фільтр 1-го порядку 3
Задемпфований фазоінвертор 3
Демпфований фазоінвертор з фільтром 1-го порядку 4
Фазоінвертор 4
Закритий корпус і фільтр 2-го порядку 4
Демпфований фазоінвертор з фільтром 2-го порядку 5
Фазоінвертор з фільтром 1-го порядку 5
Фазоінвертор з фільтром 2-го порядку 6

Беручи до уваги різні характеристики настроювань низьких частот можна припустити, що дві однакові за розмірами акустичні системи можуть по-різному відгукуватися на різні сигнали; тоді очевидно, що їх звучання також буде відрізнятися.

3. Низькочастотний відгук деяких систем

Рисунок 1. Амплітудно-частотні характеристики досліджуваних акустичних систем в області низьких частот

В цьому розділі буде розглянуто низькочастотний відгук десяти різних акустичних систем. Всі моделі схожі за габаритами, проте в них використовуються найрізноманітніші рішення в плані відтворення низьких частот. У деяких з них використовуються пасивні кросовери; інші акустичні системи є активними − з вбудованими підсилювачами, схемами захисту і т.д. Характеристики всіх тестованих акустичних систем вимірювалися практично в ідентичних умовах у великій безлунній камері ISVR. На графіках 1.1 − 1.10 продемонстровані амплітудно-частотні характеристики десяти тестованих акустичних систем в частотному діапазоні від 20 Гц до 20 кГц, а також наведені короткі коментарі щодо способу їх низькочастотного оформлення. Всі тестовані системи пронумеровані, а найменування моделей і фірм-виробників − опущені. Незважаючи на приблизно однакові габарити, обсяг низьких частот у кожній з десяти акустичних систем сильно відрізняється. Наприклад, у систем № 1 і № 3 спад -10 дБ відбувається на частоті 30 Гц, в той же час система № 2 має той же спад -10 дБ вже на частоті 55 Гц.

З графіків на рисунку 1 можна зробити висновок, що відгук всіх тестованих систем створюватиме схожі рівні на частоті зрізу низьких частот або вище за неї. Проте не слід забувати, відмінності в низькочастотному оформленні акустичних систем приводять до відмінностей їх фазових характеристик, причому навіть на частотах, які знаходяться вище частоти зрізу. На графіках 2.1 − 2.10 продемонстровані характеристики згасання2 тих же моделей акустичних систем. Такі графіки отримують шляхом зображення послідовності коротких перетворень Фур’є, отриманих від окремих ділянок імпульсної характеристики акустичних систем через рівні проміжки часу. Таким чином маємо вельми інформативні графіки, що демонструють залежність між часом, частотою та рівнем.

Рисунок 2. Графіки згасання (кумулятивний спектр) досліджуваних акустичних систем

Характеристики згасання на рисунку 2 показують, що системи з вищим порядком зрізу низьких частот схильні до «зависання» або «дзвону» на частотах, які знаходяться в районі частоти зрізу. В той же час, в акустичних системах з меншим порядком зрізу низьких частот такий ефект практично відсутній. Відтворення імпульсних сигналів допоможе оголити цей феномен і зробити його чутним.

За визначенням, імпульсні сигнали є короткочасними і мають широкий діапазон частот. Атака та затухання музичної ноти на частоті, яка знаходиться поблизу частоти зрізу акустичної системи, збуджують «дзвін» або якесь «зависання» цієї ноти, що, як з’ясовується, змушує чутну ноту змінювати свою частоту на частоту цього «дзвону». Це може викликати суб’єктивний критицизм на кшталт «бас в одну ноту», який вже встиг прижитися відносно деяких моделей. Щоб продемонструвати це, на графіках 3.1 − 3.10 показані характеристики згасання при впливі на кожну систему 4-х періодів коливання на частоті 60 Гц. Ці графіки були отримані в результаті згортки цієї тональної посилки з імпульсною характеристикою кожної з тестованих акустичних систем з наступним складанням графіків згасання, аналогічних показаних на рисунку 2. На графіках чітко простежується розподіл частот на початку і в кінці дії тону, так само як і зсуви по частоті в міру згасання тона у акустичних систем з більш крутим низькочастотним зрізом.

Подібно до того, як «дзвін» впливає на чутну частоту атаки, а також частково і на затухання ноти, він може взагалі маскувати багато деталей низькочастотного сигналу. Для дослідження цього явища імпульсні характеристики тестованих акустичних систем були згорнуті з модульованим шумовим сигналом.

Рисунок 3. Графіки згасання сигналу, який складається з чотирьох періодів синусоїди частотою 60 Гц, пропущеною через досліджувані системи

Цей сигнал складається з псевдовипадкового шуму з октавною шириною смуги з центром на частоті 50 Гц (тобто приблизно між 35 і 70Гц), який амплітудно модулюваний синусоїдою з частотою 10 Гц. На графіках 4.1 − 4.10 показані результати усереднення зведеного в квадрат спектру від 100 періодів такого сигналу тривалістю 100 мс після згортки з характеристиками систем. Цей процес дуже нагадує метод, який використовується при вимірюванні Індексів передачі мови (STI); чим менше на графіку модуляція отриманої обвідної, тим більше акустична система виявляє схильність до маскування динаміки низькочастотної інформації

З рисунка 4 можна побачити, що системи досить сильно відрізняються за здатністю відтворювати модуляції шуму. Глибина модуляції для цих систем змінюється від 32дБ (або 40:1) у акустичної системи № 1 до 14 дБ (5:1) у системи № 9. Чітко простежується загальна тенденція: глибина модуляції зменшується в міру збільшення крутизни зрізу нижніх частот.

4. Еквалізація акустичних систем

Деякі з акустичних систем цієї групи мають вбудовані електронні кросовери та підсилювачі, які можуть включати в себе електронну фільтрацію для налаштування низькочастотних характеристик, наприклад, як згадані раніше захисні обрізні фільтри верхніх частот. Отже, справедливо було б очікувати, що відмінності у відгуку на імпульсні сигнали зникли б, якщо б вдалося еквалізувати всі ці акустичні системи так, щоб у них був однаковий зріз низьких частот.

Питання можливості та успішності еквалізації акустичних систем має більш широкий сенс, аніж просто отримання широкої та плавної амплітудно-частотної характеристики. Розглянемо кілька моніторів, які використовуються в студії для контролю запису бас-бочки і бас-гітари. Кількість низьких частот в готовому міксі буде залежати від низькочастотних характеристик цих моніторів. При мастерингу запису мастеринг-інженер коригує нестачу низьких частот за допомогою електронної еквалізації. Що ж, це цілком справедливо, за винятком того факту, що баланс рівнів бас-бочки і бас-гітари в міксі буде залежати від перехідної характеристики моніторів, які використовувалися до мастерингу (тобто на етапі зведення). Наприклад, монітор, що має розширені низькі частоти, але не найкращу перехідну характеристику, може призвести до створення міксу з виділеною бас-бочкою, тому що на цьому моніторі протяжні ноти бас-гітари будуть звучати голосніше і обманювати звукоінженера. Еквалізацією на стадії мастерингу неможливо змінити баланс рівнів бас-бочки і бас-гітари, і від цього страждає вся фонограма. Успіх або поразка цієї пост-еквалізації залежить від того, наскільки піддаються еквалізації самі монітори, що використовуються при записі та зведенні.

Рисунок 4.Модульований шум, пропущений через досліджувані системи: результат після усереднення і згортання з їх імпульсними характеристиками

Загалом фазову характеристику акустичних систем можна зобразити у вигляді двох характеристик: мінімально- і немінімально-фазової складових. Застосування звичайного фільтру реального часу (аналогового або іншого, який здатний моделювати натуральні фільтри без спеціальних фазообертачів – О.Н.) для еквалізації амплітудно-частотної характеристики системи автоматично приведе до еквалізації мінімально-фазової складової фазової характеристики, але не торкнеться немінімально-фазової складової. Повну (або комплексну – О.Н.) частотну характеристику можна розділити на дві складові:

а) на мінімально-фазову характеристику, яка містить амплітудно-частотну характеристику від повної частотної характеристики і мінімальну фазову складову;

б) на немінімально-фазову характеристику, яка містить амплітудно-частотну характеристику у вигляді прямої горизонтальної лінії на всіх частотах з коефіцієнтом підсилення, що дорівнює одиниці, та немінімальну фазову складову.

Тоді повна частотна характеристика є добутком двох компонент:

H(ω) = |H(ω)| exp {jΘm} exp {jΘе},

де Θm и Θe − мінімальні та немінімальні фазові складові відповідно.

Мінімальну фазову характеристику можна обчислити за допомогою комплексного кеп-стра: Фур’є -перетворення логарифма амплітудно-частотної характеристики обрізається так, щоб всі негативні значення дорівнювали нулю, а значення всіх позитивних аргументів подвоюється. Експоноване (тобто обернене логарифмуванню – О.Н.) зворотне перетворення Фурье цього усіченого кепстра буде представляти собою мінімально-фазову складову характеристики. Тоді надмірно-фазова характеристика – це частка повної частотної характеристики і мінімально-фазової характеристики.

Немінімально-фазова характеристика являє собою повну частотну характеристику системи після еквалізації «досконалим» фільтром реального часу; отже, вона є мірилом успіху такої еквалізації (тобто показує, наскільки випрямиться фазочастотна характеристика системи після застосування досконалого еквалайзера − О.Н.) Оскільки немінімально-фазова характеристика простягається лінійно до 0 Гц, а також з огляду на ненадійність вимірювань реальних характеристик на найнижчих частотах, є необхідність у додатку до характеристик фільтра верхніх частот. Тому в якості характеристики досконалої акустичної системи був вибраний фільтр верхніх частот 2-го порядку з частотою зрізу 20 Гц. На графіках 5.1 − 5.10 продемонстровані характеристики згасання відфільтрованих цим фільтром немінімально-фазових характеристик всіх десяти тестованих акустичних систем.

Характеристики згасання акустичних систем №1 − №3 небагато чим відрізняються від характеристик самого фільтру верхніх частот з частотою зрізу 20 Гц (яка тут не показана), що дає підстави припускати можливу успішну еквалізацію даних акустичних систем. Це означає, що пост-еквалізація міксу, створеного на цих моніторах, буде напевно успішною. Характеристики семи систем, що залишилися, сильно розрізняються за об’ємом присутньої немінімально-фазової складової, причому характеристики акустичних систем №8 і №10 відрізняються особливою біднотою цієї характеристики.

5. Інші обговорення

Зазначені вище результати наполегливо вказують на те, що саме по собі розширення амплітудно-частотної характеристики системи в бік низьких частот не є достатнім засобом для вирішення проблеми їх точного відтворення. Звучання акустичної системи, що має можливість відтворювати більш низькі частоти, але має на цих частотах більшу крутизну спаду амплітудно-частотної характеристики, може вражати слухачів сильніше і здаватися повнішим, більш насиченим, аніж звучання акустичної системи з невеликою крутизною спаду і більш високою частотою поділу (зрізу).

Рисунок 5. Графіки згасання немінімально-фазових характеристик досліджуваних акустичних систем

В будь-якому випадку, викладені матеріали приводять до цікавого висновку. Акустична система з пологішим спадом і вищою частотою зрізу має, судячи з усього, точніший відгук на широке розмаїття вхідних сигналів. Абсолютно очевидно, що акустичні системи №1, №2 і №3 демонструють набагато кращі перехідні характеристики в порівнянні з іншими системами. Цікаво також звернути увагу на те, що конструкція цих трьох акустичних систем є конструкцією із закритим корпусом, тоді як решта акустичних систем має корпуси фазоінверсного типу. Порівнюючи дві моделі, що мають акустичне оформлення 3-го порядку, ми бачимо, що фільтр 1-го порядку, прикладений до системи №3, не погіршує її перехідної характеристики так сильно, як одне лише застосування демпфованого фазоінвертора в системі №4.

Одним із фактів, що не розглядався в даній статті, залишається кількість нелінійних спотворень властива різним акустичним рішенням. Більшість причин нелінійних спотворень, властивих акустичним системам на низьких частотах − викликаних, наприклад, проблемами рухомої системи гучномовця або взаємодією магніту і котушки − пов’язані зі зсувом дифузора, з іншого боку, фазоінверсне рішення завжди цінувалося за здатність скорочувати зміщення дифузора на частоті настройки фазоінвертора та біля неї. В тому разі, коли необхідні високі рівні відтворення без помітних нелінійних спотворень з використанням акустичних систем малих розмірів − фазоінверсне рішення, безсумнівно, є розумною і практичною рекомендацією. Але якщо основна вимога до системи − висока вірність відтворення, наприклад, для контролю якості запису, − тоді кращою виявляється акустична система з закритим корпусом і, якщо потрібно, з використанням електронного фільтра для поліпшення низькочастотних характеристик. Тут важливо зазначити, що питання чутності низькочастотних спотворень залишається об’єктом подальших досліджень.

Інший важливий аспект – це низькочастотні характеристики різних акустичних систем при роботі в приміщеннях. Частоти, нижче за яких в кімнаті не існує гармонічних резонансів – так звана «зона тиску» – знаходяться в залежності від розмірів кімнати. В умовах абсолютно герметичної, закритої кімнати тиск повітря прямо пропорційний зсуву дифузора, а не прискоренню, як це відбувається у вільному полі. Вище було зазначено, що зсув дифузора в закритому корпусі на частотах нижче за резонанс не залежить від частоти. Звідси витікає, що акустична система із закритим корпусом, поміщена в герметично закриту кімнату, матиме пряму амплітудно-частотну характеристику на низьких частотах, а частоту зрізу такої системи бажано настроювати відповідно до розмірів кімнати.

6. Висновки

Проведені дослідження дозволяють зробити ряд цікавих висновків.

  • Схожі за розмірами акустичні системи можуть бути зроблені на основі різного низькочастотного оформлення.
  • Завжди має місце важливий компроміс між віддачею на низьких частотах і максимальним зміщенням дифузора.
  • Системи, що мають низькочастотне оформлення нижчих порядків, дають більш точне відтворення перехідних процесів аніж системи, що мають оформлення вищих порядків.
  • Системи, що мають низькочастотне оформлення нижчих порядків, краще підготовлені до еквалізації, ніж системи, що мають оформлення вищих порядків.
  • Фазоінверсне оформлення погіршує перехідну характеристику акустичних систем на низьких частотах.
  • Закриті корпуси відрізняються чудовою перехідною характеристикою в порівнянні з еквівалентними фазоінверсними моделями, але можливо за рахунок збільшення спотворень при високих рівнях гучності.

7. Література

  1. P. R. Newell, K. R. Holland & J.P. Newell, “The Yamaha NS10: Twenty Years a Reference Monitor, Why?”, PROC IOA 28 (8), 2001, 29-40.
  2. P. R. Newell, K. R. Holland & P. Mapp, “The Perception of the Reception of a Deception”, PROC IOA 29 (8), 2002, (CD Only).
  3. K. R. Holland & P. R. Newell, “Mutual Coupling in Multi-Channel Loudspeaker Systems”, PROC IOA, 19, 1997.

Переклад Олега Науменка та Валерія Бескорсого

Технічне редагування Олександра Кравченко

Виноски:

  1. Стаття “The Yamaha NS10: Twenty Years a Reference Monitor, Why?”, опублікована в журналі «Шоу-Мастер» № 2/2002/29, стр.132 − О. К.
  2. Дані графіки, котрі також відомі під назвою «графіки кумулятивного спектру», є трьохвимірними і показують залежність час/амплітуда/частота − О.К.

Popularity: 33% [?]

Розповісти іншим:
Digg Google Bookmarks reddit Mixx StumbleUpon Technorati Yahoo! Buzz DesignFloat Delicious BlinkList Furl

Відгуків немає до “Стаціонарні та перехідні частотні характеристики акустичних систем”

Ваш відгук:

Name (required):
Mail (will not be published) (required):
Website:
Повідомлення (обов'зково):
XHTML: You can use these tags: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Spam Protection by WP-SpamFree