Что эквализируем?

Олег Науменко, Zinteco Ltd.
sound@zinteco.com

"Используем эквалайзер для коррекции акустики помещения". Часто ли вам приходилось слышать подобные фразы? Известно, что звукоинженеры пользуются фильтрами эквалайзера для получения необходимого звучания акустической системы в зале. Многие залы не лучшим образом влияют на звук, а эквалайзер оказывается самым доступным и быстрым «лекарством». Как именно пользоваться эквализацией? На этот счет существует масса рекомендаций. Можно пускать в ход генератор шума и анализатор или просто двигать ползунки "пока ни зазвучит", прослушивая знакомый музыкальный материал. В любом случае стоит задать себе пару вопросов: что же мы выравниваем на самом деле? Становится ли звук после этого лучше?

Существует много разногласий по вопросу о корректировке влияния, которое оказывает на звук помещение, но очевидно, изменить акустику зала эквалайзером невозможно. Многие инженеры шутят, что для этой цели гораздо больше подходит бульдозер или очень большой и тяжелый молоток! Эквалайзером можно откорректировать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) самой акустической системы (АС), а это уже скажется определенным образом и на характере звучания в зале или в безэховой камере. Говоря о собственной АЧХ акустической системы, мы имеем в виду частотные свойства создаваемого ею звукового поля, измеренные в безэховых условиях. АЧХ характеризует качество передачи, обеспечиваемой системой, а именно, качество перехода сигнала из электрического вида в акустический. Если поместить эту АС в акустически «живую» среду, где присутствуют отражения, «безэховая» АЧХ претерпит изменения – появятся провалы и подъемы, вызванные различными резонансами и отражениями от поверхностей зала. Значит, изменились передающие свойства системы. (Под системой здесь и далее понимается система передачи звука, а именно: микшерный пульт – АС (или кластер) – воздух– помещение – измерительный микрофон). Вопросы для обсуждения: можно ли исправить эквалайзером изменения, возникшие при перенесении АС из безэховой камеры в зал и где та граница, за которой эквалайзер уже не способен дать положительных результатов при настройке звука в помещении?

Что "выравнивают"  эквалайзерами?

Представим себе некую АС с прямой (или другой желаемой) собственной АЧХ – то есть она сама по себе не нуждается ни в какой коррекции и полностью удовлетворяет наши звуковые требования. Существует три вида взаимодействия, которые искажают желаемую АЧХ, делают ее "неэквализированной", непрямой.
Первый вид - взаимодействие между двумя и более АС. Когда добавляется вторая АС, создаваемые обеими системами волны взаимодействуют между собой. Такая комбинация разнесенных источников звука приводит к появлению большой неравномерности АЧХ звукового поля в пространстве. Это правдиво для всех типов АС и для любых конструкций массивов независимо от уверений в обратном со стороны маркетинговых отделов фирм-производителей. Рисунок 1 иллюстрирует, как диаграмма направленности кластера из двух систем отличается от диаграммы направленности одной такой же АС. При изменении частоты провалы в диаграмме направленности будут смещаться. Взаимопроникновение двух звуковых волн приводит к своеобразному «гребенчатому фильтрованию» частотной характеристики в каждой отдельной точке воздушного пространства, причем график этой характеристики меняется в зависимости от разности расстояния между двумя АС. При добавлении новых АС в этот кластер неровности АЧХ растут пропорционально.
Вторая категория - взаимодействие АС и помещения. Встречаются такие названия этой категории, как сопряжение (coupling), отражения, эхо, реверберация. Механизм возникающих искажений в целом похож на взаимодействие между АС, описанное выше: прямые волны от источника взаимодействуют отраженными волнами, а отражающие поверхности помещения здесь выступают вторичными источниками звука. Звучание системы в зале подвергается гребенчатой фильтрации и отличается в разных местах, поскольку при передвижении все время меняется разность хода прямого и отраженного звука.
Оба вышеописанных взаимодействия есть результат суммирования множества акустических волн, распространяющихся в воздухе из разных направлений и с разным временем запаздывания. Поэтому методы диагностики проблем, возникающих от этих видов взаимодействия, перекликаются между собой.
Третий тип взаимодействия связан с переменчивыми атмосферными явлениями: разницей температур, влажностью, ветром и воздушным поглощением. Влияние этих факторов мало по сравнению с первыми двумя, поэтому мы не будем касаться его в этой статье.
Что же касается первых двух, возможно ли выровнять эти неравномерности АЧХ звукового поля при помощи эквалайзера? И «да», и «нет». Влияние вышеописанных проблем можно частично уменьшить эквализацией, что позволит лишь приблизиться к воссозданию исходной, желаемой АЧХ нашей идеальной системы. В самом деле, если эквалайзер бесполезен, почему же тогда это один из наиболее востребованных приборов за полувековую историю звукоусиления? Но на практике, эквалайзер может обеспечить полный успех в эквализации АЧХ только в совокупности с другими не менее важными мерами, такими, как модернизация архитектуры, точный подбор и направление акустических излучателей, регулировка взаимных задержки и уровня.
Насколько поддается эквализации взаимодействие АС и помещения? Дебаты по этому поводу продолжаются вот уже около 20 лет. В этом споре сошлись приверженцы двух различных методик акустических измерений. Дело в том, что, кроме всего прочего, мы корректируем то влияние, которое помещение оказывает на звуковую систему. АС и комната становятся одним целым, и это уже новая, гораздо более сложная система! Почему этот вопрос вызывает постоянные споры? Похоже, что причина лежит в исторической взаимосвязи между эквалайзером и анализатором спектра. Давайте попробуем разобраться.

Спектральный анализ  в прошлом: RTA

В 1970-е годы настройка звуковой системы возлагалась на устройство под названием RTA (англ. real time analyzer, анализатор спектра реального времени), которое предназначалось для диагностики проблем частотных характеристик, и устройство для решения этих проблем, - «графический эквалайзер». В состав анализатора, помимо всего прочего, входил генератор розового шума (случайного сигнала, в котором энергия равномерно распределена по октавам). Если к входу анализатора электрически подать такой сигнал, на его экране отобразится горизонтальная прямая линия. Для измерения характеристики акустической системы на нее подается розовый шум, к входу же анализатора подключался измерительный микрофон. На экране отображается график уровня звукового давления в зависимости от частоты с шагом в 1/3 октавы, а эквалайзер предлагается использовать для создания обратной кривой. При этом на анализаторе должна отобразиться прямая линия. Все это в совокупности должно бы привести звучание звуковой системы в состояние прозрачности и нейтральности.
Не требуется значительного опыта и знаний, чтобы дергать туда-сюда ручки эквалайзера до тех пор, пока светодиоды на экране ни выстроятся в одну ровную полоску. Это настолько просто, что даже новичок с этим бы справился. Но зачастую звучание оказывалось неудовлетворительным – «доводка» при помощи «пары опытных ушей» всегда оставалась обязательной и решающей. Хотя эти приборы были в свое время индустриальным стандартом, по своей сути они имеют некоторые ограничения.
Одно из таких ограничений - RTA «не видит» временные аспекты частотной характеристики системы. Различные частотные порции звуковой энергии приходят в точку назначения с разным временем запаздывания, не синхронно. Сначала приходит прямой сигнал от источников в порядке их расположения, потом – ранние отражения от поверхностей, потом – смесь резонансов помещения и поздних отражений. RTA сбросит все это в одну кучу, покажет усредненную по времени сумму всех этих вкладов, предварительно разбив их на частотные отсчеты. Не будет информации об изменении разных частотных компонент во времени, т.е. игнорируются важные сведения о том, как система реагирует на короткие импульсные сигналы. На практике это означает, что RTA не способен различить прямой сигнал от реверберационного "хвоста" и не в силах подсказать, из-за чего возникают неравномерности в показываемой характеристике - из-за взаимодействия нескольких АС между собой или из-за взаимодействия АС с помещением. Вам нужно найти наилучшее положение АС для оптимального озвучивания? Вам нужно найти время задержки для временной компенсации между разными излучателями? Анализатор оказывается беспомощным при решении подобных задач, равно как и при решении вопросов архитектурной акустики, например, при оптимизации отражений.
Второе ограничение - RTA не указывает, имеет ли изображаемая кривая хоть какое-то отношение к сигналу, поступающему на динамики систем. Он отображает состояние акустической энергии в полости микрофона, не давая представления о возможных причинах провалов и подъемов в показаниях. Эти провалы могут быть вызваны ранними отражениями или взаимодействием систем, что, в известной степени, поддается эквализации. Однако причиной неравномерности могут явиться поздние отражения, шум двигателя или вибрация декоративных панелей, нелинейные искажения или фон в плохом микрофонном кабеле. Эквалайзер не добьется успеха в борьбе с помехами такого рода, но не волнуйтесь: RTA даже не намекнет на их существование. Две разные звуковые системы могут оказаться совершенно одинаковыми по показаниям на экране анализатора, но если судить по звуку - одна из них может быть абсолютно неразборчива и немузыкальна, а другая - шедевр искусства и науки.
Третье ограничение состоит в том, что частотное разрешение в 1/3 октавы недостаточно для принятия решений по настройке звуковой системы. Существует миф о том, что анализатор и фильтры должны совпадать по частотам и ширине полос. На самом же деле очевидно: чтобы визуально определить параметры аномалии, такие как ее центральная частота, ширина и амплитуда, нужен анализатор спектра с разрешением в 3 раза больше (точнее), чем самый узкий имеющийся в наличии фильтр. Получается, 1/3-октавный анализатор подходит разве что для обнаружения аномалий шириной в октаву и более. «Подъем», который выглядит как возвышающийся пик на одной 1/3-октавной полосе, может на самом деле оказаться гораздо уже. То, что отображается как 2/3-октавный пик (2 полосы выдаются), может оказаться узким пиком, который находится между 1/3-октавными значениями частот (Рис.4). Что графический эквалайзер с этим сможет сделать?
К сожалению, отсутствие тонких деталей в измеряемой частотной характеристике привело многих пользователей к уверенности в том, что эквализация - это единственный критический параметр в отстройке звуковых систем. Как часто эквалайзеры использовались для решения проблем, которые они не могут решить по определению, а только делают хуже! Графический эквалайзер не позволяет создать частотную характеристику, обратную полученной при измерении АС в отражающем помещении. Попросту говоря, "назад дороги нет", - как ни двигай ползунки, полученная суммарная АЧХ эквалайзера никогда не вернет звучанию безэховую характеристику.
Слышимые последствия неправильного использования архаичного тандема анализатор + графический эквалайзер вероятнее всего и привели к негативному отношению к анализаторам спектра в целом. Многие инженеры пришли к справедливому заключению, что «пара опытных ушей» в совокупности со здравым смыслом, может подсказать гораздо лучшие решения, чем слепое доверие прибору. Их правота очевидна, и этим объясняется следующий факт: хотя запросы на RTA часто встречаются в райдерах туровых команд, в момент отстройки аппарата они служат лишь для успокоения совести. На память приходит концерт группы Metallica, на котором довелось поработать. Приходит их техник, подключает пульт группы, подает шум и давай «выравнивать» пляшущие столбики анализатора: это - его обязанность. Перед началом концерта появляется постоянный звукооператор группы, «Большой» Мик Хьюз, и под мощные раскаты бас-бочки все возвращает и возвращает фильтры в нулевое положение…

Современный спектральный анализ

Технологический прогресс привел к развитию и всеобщему признанию в начале 1980-х двух методов анализа: спектрометрия временных задержек (Time Delay Spectrometry - TDS), и двухканальный БПФ - анализ (Dual channel FFT - двухканальное быстрое преобразование Фурье). Оба метода предложили совершенно новые возможности, такие, как измерение амплитудной и фазовой частотных характеристик, способность различать отражения и высокое разрешение по частоте и амплитуде. С тех пор прескверно звучащая "груда дров" больше никогда не выглядела на графиках так же, как и система-шедевр, а для осознанного использования всех реальных преимуществ новых измерительных средств потребовались серьезные знания, высокая квалификация и практические навыки пользователя.
Приверженцы обеих методик настаивают на том, что для устранения аномалий характеристики звучания необходимо использовать не только эквалайзер, но все имеющиеся в распоряжении звукоинженера возможности. Всегда, когда только возможно, должны использоваться линии задержки, грамотное расположение АС, оптимизация настроек кроссовера и архитектурные/акустические решения. Тем более теперь, коль к нам в руки попал инструмент для точного измерения различных акустических явлений. Но что касается "эквализации зала", единого мнения достигнуть так и не удалось. Все согласились, что взаимодействие "АС-АС" в некоторой степени эквализируемо. А вот по поводу того, подвергается ли эквализации и в какой степени взаимодействие "АС-помещение", разногласие осталось.
Сторонники TDS считают, что феномен "АС-помещение" нельзя откорректировать еще и поэтому, что измерительная система должна отбрасывать данные об отклике помещения, отображая на экране лишь подлежащую коррекции отдачу самой звуковой системы. «Потом инверсия полученной частотной характеристики прилагается к сигналу при помощи эквалайзера, и нам не следует идти дальше этого», - говорят они.
Согласно этому система TDS была разработана так, чтобы из измерений исключалась информация о частотных свойствах отражений. В составе такой системы имеется генератор синусоидального сигнала качающейся частоты (sweep) и схема обработки, включающая в себя фильтр и скользящую задержку. Сигнал подается на систему, записывается ее отклик, в результате обработки которого получается безэховая характеристика АС. Такой метод измерений способен ясно показать аномалии, возникающие из-за взаимодействия нескольких АС в кластере, а эти данные могут оказаться очень полезными для оптимизации. Подход TDS оказывается очень эффективным на средних и верхних частотах, где разрешение по частоте остается высоким даже при быстром изменении частоты задающего генератора, но он менее эффективен на низких частотах. Периоды низких частот настолько велики, что получить данные высокого разрешения в этом диапазоне частот можно только с увеличением времени записи каждой выборки, а тогда в процесс измерения попадает и отклик помещения.
К примеру, для получения разрешения в 1/12 октавы нужно записать измеряемый сигнал длительностью в 12 раз больше, чем период колебаний на исследуемой частоте. Для частоты 30 Гц понадобится 360 мс. Чтобы можно было считать безэховыми измерения на этой частоте согласно этому методу, первые отражения от стен/пола/потолка должны прийти к микрофону позже, чем 360 мс, а это эквивалентно расстояниям в сотни метров, т.е. «безэховыми» эти измерения можно назвать только в очень, очень большом помещении – такого человек еще не построил. Быстрое скольжение частоты сигнала возбуждения помогает выделить из общего звука безэховые свойства звуковой системы, но эта идея ограничена в практическом использовании из-за недостатка разрешения на низких частотах.
Анализаторы по принципу Dual FFT, с другой стороны, используют запись сигналов переменной длительности. В диапазоне ВЧ время анализируемой записи мало, а с постепенным падением исследуемых частот оно увеличивается, и тем самым создается примерно постоянная частотная разрешающая способность во всем диапазоне. Измерения такого рода показывают фиксированное соотношение прямого сигнала и ранних отражений для каждой частоты, что является незаменимой оценкой субъективного тонального качества звучания системы в зале. Считается, что, поскольку человек слышит отраженный звук, необходимо учитывать его при измерениях.
Немаловажным достоинством многих Dual-FFT – систем является их стимуло-независимость: если в TDS для возбуждения применяется синусоидальный сигнал качающейся частоты, то в этих анализаторах эталонным может быть практически любой звуковой сигнал, представленный во всем измеряемом диапазоне частот: розовый, белый шум, музыка.
Наиболее популярные измерительные системы такого типа имеют разрешающую способность в 1/24 октавы по частоте, то есть измерения сосредоточены на прямом звуке и отражениях в пределах 24-х периодов по времени. Имея такое хорошее разрешение, можно точно прилагать эквализацию фильтрами с добротностью примерно 1/8 октавы и шире. В этом методе с уменьшением частоты все больше и больше отраженной энергии участвует в графике полученной частотной характеристики. Эффект появления отражения в измерениях при понижении частоты - не ступенчатый, как в TDS, а носит плавный и постепенный характер. Довольно неплохо, если учесть, что на низких частотах взаимодействие АС и отклика помещения находится еще в практических пределах пригодности к эквализации.
К примеру, отражение от табло стадиона приходит на 150 мс позже прямого звука. На частотах около 10 кГц соседние пики и провалы от этого отражения расположены на расстоянии 1/1500 октавы друг от друга. На частотах около 30 Гц они будут удалены на 1/3 октавы друг от друга. Таким образом, табло находится в большом удалении по отношению к пищалкам, и эквализация с целью компенсации высокочастотного отзвука от табло не будет иметь практического смысла. Архитектурная модификация, например, плотная ткань, лучше подойдет для решения проблемы. Для сабвуферов же табло находится в ближнем поле, и если низкочастотный отклик от него беспокоит так сильно, то целесообразнее применить коррекцию, чем завозить 60 тонн акустического поглотителя для подавления нежелательного низкочастотного отражения.
Другой пример касается взаимодействия двух и более АС. Когда необходимо увеличить мощность звука, растет количество используемых акустических систем, и их группируют определенным образом в кластеры. Известно, что звучание кластера существенно отличается от звучания одной составляющей его АС. Пусть имеется горизонтальный блок из 2-х систем, расстояние между акустическими центрами которых составляет 45 см (см. рис. 1), а угол между осями - 30°. Каждый модуль имеет свою собственную направленность, так что, чем выше частота, тем меньше взаимодействие между двумя «лучами». Более высокие частоты имеют более короткие длины волн, и, начиная с частоты 700 Гц, горизонтальная диаграмма направленности кластера становится изрезанной провалами и подъемами – «лепестками». В зависимости от положения измерительного микрофона в пространстве на разных частотах будет происходить сложение и вычитание двух звуковых волн, и возникнут соответствующие неравномерности АЧХ звукового поля. Очевидно, что на слух это будет восприниматься как искажение тембра звучания. Но имеет ли смысл эквализировать эти аномалии, если они сильно зависят от местоположения? Очевидно, нет, тем более, что многие провалы будут очень глубокими и узкими. С понижением частоты сигнала ситуация постепенно приходит в норму. Ниже 700 Гц происходит только сложение – в пределах угла покрытия кластера нет локальных «провалов» диаграммы направленности. На слух этот диапазон частот окажется немного громче. Как правило, этот излишек нижних-средних частот, возникший в результате близкого расположения двух АС, может быть успешно устранен эквализацией.
Много лет назад приверженцы FFT смело заявляли, что эхо помещений можно компенсировать эквалайзером. К сожалению, эти утверждения не сопровождались конкретными рекомендациями. Возникло впечатление, что они просто-напросто нашли желаемым или практичным удалять все эффекты реверберации в пространстве электронной эквализацией. И хотя компенсировать влияние отдельно взятого отражения вполне реально с теоретической точки зрения, отсюда еще не следует, что это практически осуществимо или желаемо. Компенсация осуществима только при условии, что относительный уровень отражения не превышает уровень прямого сигнала. Если уровни прямого звука и отражения равны - результирующий провал в АЧХ становится бесконечно глубоким, а соответствующий фильтр для компенсации этого провала - бесконечно высоким. Когда встречаются две бесконечные противоположности, результат встречи непредсказуем.
В случае же выполнения этого условия компенсация влияния одного отражения потребует использования «гребенки» фильтров с переменной шириной полосы пропускания/подавления, да такой, чтобы создавала характеристику, обратную для каждого пика и провала "расчески" АЧХ звукового поля. Если количество отражений растет, необходимо иметь все больше фильтров с все более острой характеристикой для эквализации эффекта реверберации. Чтобы откорректировать на частотах до 20 кГц отражение, приходящее с задержкой в 1 мс, потребуется 40 фильтров: возникает 20 провалов и 20 пиков с шириной от 1 до 0.025 октавы. Эхо с задержкой в 10 мс потребует 400 фильтров с полосой пропускания до 1/400 октавы!
Очевидно, попытка удаления всех артефактов взаимодействия прямого и отраженного звука даже в одной точке пространства выглядит безумием, ведь реальный реверберационный отклик может состоять из тысяч отдельных отражений. Но кроме этого, какой смысл опираться на одну точку пространства, ведь конечная цель - равномерное озвучивание некоторой площади? Даже умудрившись применить такую сложную эквализацию для одной точки, мы портим картинку во всех остальных точках плоскости прослушивания.
На практике никто не намерен атаковать фильтрами каждый отдельный тонюсенький провал/пик, легче отследить и нейтрализовать наиболее близкие и повторяющиеся аномалии. Ведь чем уже используемые фильтры, тем меньше практической пользы они представляют, т.к. АЧХ изменяется по мере передвижения по озвучиваемой площадке.

Практическое значение

Как видим, вполне возможно в некоторой степени устранить эффекты акустического взаимодействия. Если бы это было невозможно, все было бы проще: отстраиваем систему на базе, помещаем эквалайзер в металлический каркас (чтоб никто ничего не крутил) и айда колесить по залам и стадионам, и менять ничего не нужно...
Благодаря вышеописанным акустическим явлениям частотные характеристики звуковой системы сильно меняются с изменением места расположения измерительного микрофона. Поэтому, увидев спектральные измерения высокого разрешения, сделанные в разных озвучиваемых местах, вы больше никогда не вернетесь к мысли, что эквализация глобально влияет на звук в зале.
Система, в которой взаимодействия сведены к минимуму, будет характеризоваться наибольшей равномерностью озвучивания, и использование эквалайзера может принести практическую пользу. Если же в разных местахсистема звучит по-разному, то - большинство звукооператоров «строят» для получения приемлемого звука на пульте и без особого энтузиазма переходят к микшированию. В самом деле, чтобы уменьшить взаимодействие «АС/АС», требуется применение направленных компонентов, точное расположение и монтаж систем. В зонах, где лучи систем перекрываются, временные задержки и подстройка уровня позволяют приуменьшить деструктивные явления. Чтобы ослабить взаимодействие «АС/помещение», нужны глобальные меры по акустической отделке, направленные компоненты АС и точное их позиционирование. В условиях туровой работы это возможно, особенно если требуется сложное измерительное оборудование и временные затраты.

Рекомендации

Представим себе систему, в которой предприняты все меры по оптимизации: подобраны углы, направления, обработка, временные параметры, сделано все возможное по акустике зала, т.е. потрудились настоящие профессионалы своего звукового дела. И тогда единственное, чем систему можно еще немного улучшить, - это эквалайзер. Для каждой группы систем, работающей со своим эквалайзером, измерьте АЧХ в ее зоне озвучивания. Устанавливайте микрофон в столько позиций, сколько возможно. Выбирайте позиции с характерным звучанием, где на слух ощутимы "подъемы". Это необходимо для того, чтобы видеть, какие тенденции в работе системы общие, а какие - локальные. В частности, если перед вами кластер, сделайте замеры около оси одной акустической системы - в зоне ее максимального звукового давления. Старайтесь избегать зон сильного взаимодействия, где частотная характеристика сильно меняется даже при сдвиге на сантиметры, например, угловой сектор касания двух трапецеидальных кабинетов или пространство в непосредственной близости к стенам.
В каждой позиции измерения частотный отклик будет уникален, и вы увидите на изрезанных графиках множество провалов/подъемов. "Прикосновения" фильтрами эквалайзера заслуживают не только те из них, которые повторяются на всех графиках или имеют общие черты. Приструнив пять-шесть систематических 'нарушителей" амплитудно-частотной плавности как можно более широкими параметрическими фильтрами, можете считать звучание в этой части аудитории адекватным и нейтральным. Благо, современные цифровые контроллеры акустических систем предоставляют для этого все необходимое, совмещая кроссовер и параметрик в одном компактном корпусе.

В заключение

Современные программные анализаторы спектра способны отображать массу частотных параметров и характеристик, раскрывающих всю правду о качестве звучания звуковых систем, но это ничего не даст, если мы будем продолжать мыслить в духе 1/3-октавного менталитета прошлого. Частотная коррекция была, есть и будет атрибутом звукоусиления, но получить максимальную пользу от эквалайзера можно лишь с пониманием акустических механизмов, стоящих за неровностями на графиках, и используя правильные инструменты для их устранения. «Пара хороших ушей», в частности, не последний пункт в этом списке.