Вопросы конфигурации и настройки звуковых систем

Михаил Ольшевский

Не секрет, что качество звука на концертах подчас оставляет желать лучшего.
Казалось бы, классные музыканты играют на лучших инструментах, опытные, квалифицированные звукорежиссеры «ваяют» звуковую картину, да и времена убогого «самопала» канули в лету, а результат по-прежнему не всегда радует слушателей.
В ряде случаев причиной неудач является неудовлетворительная работа звуковой системы.
Сразу уточним, речь пойдет о концертных системах, то есть системах для воспроизведения музыки, где важно эмоционально-художественное восприятие, что не мешает, однако, распространить некоторые выводы на другие звуковые системы.
Не претендуя на полноту освещения проблемы, попробуем разобраться в объективных и субъективных причинах, мешающих достижению качественного звука на концерте, а также рассмотрим некоторые пути их устранения методами конфигурации и настройки звуковой системы.
Для начала попытаемся понять, каковы, собственно, требования, предъявляемые к концертной звуковой системе; что мы вправе ожидать от ее работы; где граница ее «удовлетворительности».
Очевидно, что в конечном счете мы (то есть слушатели, звукорежиссеры и другие заинтересованные лица) хотим удовлетворить свои субъективные ожидания от прослушивания музыкального материала.
Одним из успешных вариантов субъективно ориентированного подхода к звуковоспроизведению является создание систем класса Hi End. Однако ввиду того, что в этой области принято оперировать скорее мистическими характеристиками, чем техническими, этот подход непригоден для профессиональной работы.
Профессионализм подразумевает повторяемость результатов.
Повторяемость результатов – это неотъемлемая черта любой профессиональной работы.
Повторяемость результата (всегда, вне зависимости от сферы деятельности) требует объективного подхода, а следовательно, и наличия объективных характеристик, эталонов и разработанных на их основе инструментов измерения.

Требования к звуковоспроизведению

В первой половине XX века требования к высококачественному звуковоспроизведению сводились к ширине полосы воспроизводимых частот, равномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), низкой величине нелинейных искажений и адекватному динамическому диапазону. Считалось, что фазовые соотношения спектральных составляющих не влияют на восприятие звука. С углублением познаний в области психоакустики, повышением качества звуковоспроизводящих устройств, появлением стереофонии, развитием музыкальных технологий выяснилось, что очень важное значение имеют также переходные характеристики (т.е. точное воспроизведение резких перепадов звукового давления) и тесно связанные с этим фазо-частотные характеристики (ФЧХ). Сделаем небольшое отступление о временном и спектральном представлениях сигнала.
Известно, что любой сигнал может быть  представлен как во временной области с помощью зависимости мгновенного значения от времени, так и в частотной области с помощью спектра сигнала, то есть в общем случае бесконечного количества гармонических колебаний разных частот с определенной амплитудой и начальной фазой.  
Следует отметить, что абстрактное математическое понятие спектра существенно отличается от привычной «картинки» на анализаторе спектра, который точнее было бы назвать измерителем спектральной плотности.
Взаимное соответствие между представлением сигнала во временной и частотной областях описывает математическое преобразование Фурье.
Для характеристики свойств тракта передачи сигнала, позволяющей рассчитать выходной сигнал по известному входному, используются: в частотной области амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики (АЧХ и ФЧХ); во временной области либо импульсная, либо переходная характеристика, представляющие собой математическое описание отклика на выходе тракта при подаче на его вход дельта-функции или функции Хэвисайда соответственно. Эти две функции представляют собой идеализированные математические абстракции.
Дельта-функция представляет собой импульс бесконечно малой длительности с единичной энергией. Очевидно, амплитуда такого импульса будет бесконечной.
Функция Хэвисайда представляет собой единичный скачок сигнала (то есть сигнал равен нулю на отрезке времени от минус бесконечности до нуля и единице на отрезке времени от нуля до бесконечности). Математическое преобразование Лапласа позволяет рассчитать выходной сигнал тракта, зная его импульсную или переходную ха-
рактеристику. Этот метод может использоваться, например, при моделировании реверберационных процессов в помещении. В качестве хорошего приближения к дельта-функции в этом случае может служить выстрел стартового пистолета. Отклик помещения записывается и оцифровывается.  Преобразование Лапласа позволит «наложить» свойства помещения на любой входной сигнал. Таким образом, мы получим ревербератор, имитирующий свойства конкретного зала.
В различных ситуациях предпочтение может быть отдано как спектральному, так и импульсному методу исследования, но следует ясно понимать, что это просто два взгляда на одни и те же физические явления.
 Для оцифрованных сигналов применяется дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и разработанный на его основе алгоритм  быстрого преобразования Фурье (БПФ), а вместо преобразования Лапласа используется его аналог для дискретных функций – так называемое Z-преобразование.

Студия – образцовая система

В настоящее время наиболее приближенной к идеалу системой звуковоспроизведения следует признать качественно выполненную систему студийного мониторинга. Хотя и она далека от идеала, но де-факто студия все же является эталонным инструментом  для профессионального контроля.
На основе этого эталона построена вся современная индустрия звукозаписи, созданы общепризнанные ее шедевры.
То, что все звукорежиссеры проводят субъективную оценку качества звуковой системы путем воспроизведения любимой фонограммы (из той самой коллекции шедевров), косвенно является подтверждением фактического принятия этого эталона.
Субъективно эталонное качество звучания студии закреплено в жестких объективных критериях технических параметров:
– равномерная амплитудно-частотная характеристика АЧХ;
– линейная фазо-частотная характеристика ФЧХ;
– достаточный динамический диапазон;
– минимальные нелинейные искажения, особенно для гармоник высокого порядка.
Большое внимание уделяется отклику на импульсное воздействие.
Строгие требования предъявляются к помещению.
Этот комплекс требований позволяет донести первичный сигнал  до слушателя в первозданном виде (будь то первичный звуковой сигнал или синтезированный), внести минимум искажений при передаче сигнала.
Автор далек от мысли, что формальный перенос звучания студийных мониторов в концертный зал может являться идеальным решением всех проблем, но он может стать фундаментом, на котором хороший звукорежиссер сможет достойным образом воплотить свои художественные замыслы. Не имея такого фундамента, звукорежиссер обречен заниматься строительством на болоте.
До сих пор полемичным остается вопрос о необходимости обеспечения одинакового звукового давления и равномерной АЧХ на всех местах зрительного зала.
Большинство специалистов сходятся во мнении, что более предпочтительным  для эстетического восприятия являются плавно спадающий в направлении от сцены общий уровень звукового давления и несколько больший спад в  высокочастотной части спектра. Также определенный подъем в области низких частот, как правило, требуется на концертах современной музыки.
Эти предпочтения все же носят больше субъективный характер и зависят от общей концепции шоу. 

Три фактора, отличающие концертную систему и мешающие создать на большой площадке студийные условия

Для того, чтобы сформулировать требования, предъявляемые к концертной системе, логично было бы обратиться к райдерам концертирующих артистов, где звукорежиссеры формулируют требования к системе. Казалось бы, эти требования должны гарантировать определенный минимальный уровень качества работы системы.
Посмотрим критически на некоторые типичные пункты райдеров.
Акустические системы торговых марок или типов X или Y, но ни в коем случае не Z – к сожалению, как показывает практика, это не является гарантией результата, но все же…
Мощность системы, не менее …кВт в зале (возможен вариант Вт на душу населения), не менее…кВт на открытом воздухе. Иногда бывает уточнено RMS или Program – мало что характеризующий параметр ввиду того, что рассчитывается он произвольно в зависимости от честности, степени понимания вопроса и т.д.; фактически при сравнимых результатах заявленная мощность может отличаться в разы.
Звуковое давление у пульта …дБ (бывает указан тип взвешивающего фильтра) – сопоставимый и легкопроверяемый параметр, но до сих пор встречается в райдерах нечасто.
Диапазон воспроизводимых частот от…Гц до…Гц; Неравномерность АЧХ …дБ; Равномерное распределение звука по всем зрительским местам (бывает указана неравномерность…дБ) – эти требования сами по себе разумны и образуют систему сопоставимых и легкопроверяемых параметров, но числовые значения, приводимые в райдерах, часто выходят не только за рамки разумной достаточности, но и за рамки физической реализуемости. Чего стоят, например, 138(!) дБ у пульта, диапазон от 20 до 20000 Гц, неравномерность +/- 0 дБ и т.п. Излишне говорить, что заведомо нереализуемые требования хотя бы в одном пункте райдера приводят к негативному восприятию документа в целом, пренебрежительному отношению к другим пунктам райдера, что провоцирует массу конфликтов. Но это уже другая тема. А для нас важно, что качество звука на концерте, к сожалению, мало связано с выполнением райдеров.

Вернемся к студии как эталону и попытаемся разобраться, что мешает добиться «студийного качества» на концерте.
Рассмотрим сначала, каковы основные отличия концертной системы от студийных мониторов и какие проблемы порождают эти отличия.
Далее мы с учетом этих отличий попытаемся «спроецировать» технические требования к студийному звуку на концертную систему.

Отличие 1 – большая озвучиваемая площадь
Если студийные мониторы предназначены практически для индивидуального прослушивания, то большая система должна обеспечить в идеале «все тоже самое», только для каждого из слушателей, а число их может достигать десятков тысяч.
Большие расстояния, преодолеваемые звуковой волной, делают ощутимыми те физические эффекты, которые не проявляют себя в небольшом помещении. Это снижение звукового давления с расстоянием из-за неплоского фронта волны, частотно-зависимое поглощение в воздухе, изменение направления распространения волны под воз-
действием ветра или вертикального температурного гра-диента (изменения темперауры воздуха в зависимости от высоты). Эти явления практически не позволяют качественно озвучить пространство протяженностью более 50 метров с помощью сосредоточенной группы громкоговорителей.
Рассмотрим эту проблему подробнее.
Для получения минимального спада звукового давления с расстоянием излучаемая волна должна быть плоской. Размер излучающей поверхности в этом случае должен превышать поперечный размер аудитории и быть соизмеримым с ее протяженностью. Поскольку соблюдение этого условия очевидно нереализуемо, нам придется мириться с определенным (в зависимости от сформированного фронта волны) падением звукового давления.
Частотно-зависимое звукопоглощение неизбежно приводит к изменению АЧХ системы в зависимости от расстояния между громкоговорителем и точкой прослушивания и соответственному изменению тембральной окраски звука.
Искажение заданного фронта волны, сопряженное с изменением направления  ее распространения, приводит к существенному изменению распределения звукового поля по сравнению с расчетным, изменению спектрального баланса и т.п. Наиболее ярким образом эти эффекты проявляются при работе на открытом воздухе. Наверно, все слышали, как изменяется звук на концерте после захода солнца, как появляется эффект «флэнжерения» при ветре.
Возможное решение проблем, описанных в этом пункте, – это применение распределенной системы, в которой расстояние от каждого слушателя до ближайшего к нему громкоговорителя минимально и равновелико. Однако такая система малопригодна для озвучивания концерта по многим причинам, одна из которых – отсутствие правильной локализации звукового образа.
Еще одна проблема «больших расстояний» - это относительно небольшая зона удовлетворительного стереоэффекта. То есть в случае попытки формально перенести домашнюю или студийную стереосистему в большой зал результат для большинства слушателей будет не лучший.

Отличие 2 – большое количество излучателей, разнесенных в пространстве
Мощность одиночного громкоговорителя недостаточна для озвучивания большого пространства, поэтому применение групповых излучателей в виде стеков, кластеров, линейных массивов и пр. неизбежно. Излучателей, удовлетворительно воспроизводящих весь диапазон звуковых частот, не существует, поэтому также неизбежно разбиение диапазона на отдельные полосы. Для обеспечения корректной работы узкополосных излучателей используются фильтры, вносящие, как правило, фазовые искажения.
 Одновременно работающие в одной полосе излучатели, а также излучатели соседних полос на частоте раздела взаимодействуют (интерферируют) между собой, создавая сложную картину распределения звукового поля по озвучиваемой площади.
Это одна из основных проблем, возникающих при реализации больших звуковых систем, поэтому позже мы остановимся на этом пункте подробнее.
Конечно, не следует «демонизировать» само слово «интерференция». Это просто физическое явление, которое в разных ситуациях может быть как полезным, так и вредным.
Но то влияние, которое оно оказывает на звук, мы обязаны учитывать, во-первых, для того, чтобы осознавать пределы физической реализуемости наших требований к звуковой системе, во-вторых, для того, чтобы уметь минимизировать нежелательные для нас последствия этого явления.

Отличие 3 – помещения, в которых работает звуковая система, имеют большое разнообразие размеров и акустических свойств
Как влияет помещение на работу звуковой системы?
Каждая ограждающая поверхность помещения отражает исходную звуковую волну.
В свою очередь, вновь образовавшаяся волна отражается от других поверхностей.
Многократные переотражения формируют реверберационный процесс в помещении. Если в области средних и высоких частот отражения и первичный сигнал слабо кореллированы между собой и реверберация носит диффузный характер, то в области низких частот возникает характерная интерференционная картина в виде стоячих волн.
Реверберции как важнейшему свойству зрительных залов большое внимание уделялось с тех пор, как появились первые сценические представления. Это хорошо проработанная тема. Но в области низких частот проблемы, связанные с отраженным звуком, обострились с появлением систем звукоусиления, электромузыкальных инструментов и развитием современной музыки, для которой вообще характерен высокий уровень низкочастотной части спектра. А короткие атаки звуков ритм-секции, имеющие важнейшее значение для восприятия современной музыки, принципиально отличаются от звучания группы контрабасов симфонического оркестра.

Динамические показатели системы и нелинейные искажения

Максимальное звуковое давление, создаваемое системой, должно обеспечивать достижение  желаемого змоционального воздействия на слушателя, которое определяется исполнителем, звукорежиссером и другими заинтересованными лицами, но может регламентироваться санитарными нормами и другими законодательными актами.
В разных странах регламенты сильно различаются.  
В России уровень звукового давления в театрально-зрелищных учреждениях регламентируется, в частности, Правилами охраны труда в театрах и концертных залах, утвержденными Министерством культуры Российской Федерации от 01.12.1998 г.
Правила распространяются на все действующие театры и концертные залы независимо от их ведомственной принадлежности.
Согласно этому документу, уровень звучания в зале при звукоусилении не должен превышать 96 дБ, а при звукооформлении – 100 дБ.
Если производители студийных громкоговорителей могут позволить себе роскошь нормировать допустимою мощность громкоговорителей из соображения обеспечения качества воспроизведения, то допустимые режимы драйверов, используемых в концертных системах, определяют границу, за которой следует их физическое разрушение.
Ни о каком качестве звуковоспроизведения при работе на предельной мощности говорить не приходится. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) громкоговорителя очень редко публикуется производителями, очевидно, по причине своей величины, пугающей потенциального покупателя. Если в электрической части звукового тракта речь идет о КНИ порядка 0,01% и менее, то КНИ мощного громкоговорителя редко бывает ниже 10% при мощности, составляющей 10% от максимально допустимой. При предельной мощности КНИ может достигать 100% и более.
На самом деле все это не так страшно, как может показаться. Искажения, возникающие в громкоговорителях, – «мягкие», основная доля их приходится на вторую и третью гармоники. На слух такие искажения воспринимаются гораздо лучше, чем «немузыкальные» искажения, создаваемые усилителями и другими приборами электрической части тракта.
Кроме того, максимальная мощность системы требуется, как правило, в достаточно короткие моменты «апофеоза» концерта, а средний уровень находится значительно ниже.
Тем не менее из вышесказанного следует, что желание всех заинтересованных в хорошем звуке иметь большую мощность системы и, соответственно, хороший запас по звуковому давлению и низкие искажения вполне понятно. Не надо только забывать, что каждые 3 дБ (каких-то 3 дБ) на индикаторе пульта требуют удвоения количества громкоговорителей, усилителей, потребляемой энергии, кабелей и т.д.
В большой туровой системе это превращается в фуры тяжелых ящиков, тонны нагрузок на подвесные конструкции и деньги…деньги…деньги…
 Поэтому выбор мощности звуковой системы – это всегда сложный компромисс между пожеланиями звукорежиссера и возможностями бюджета. Подход к решению этого вопроса должен быть ответственным и обоснованным.
Учитывая вышесказанное, крайне важно использовать все резервы мощности системы.
Неиспользованные резервы часто кроются в настройках лимитеров и нестыковках в диаграмме уровней. Небрежное отношение к установке срабатывания лимитеров приводит к существенному недоиспользованию мощности или к выходу из строя драйверов. Поясним на типичном примере. Часто фирменные пресеты контроллеров используются без учета конкретного типа усилителей. В случае, когда пресет рассчитан для усилителей с чувствительностью 0 дБ, а используются усилители с чувствительностью +6 дБ, мы получаем недобор мощности системы в четыре (!) раза. В случае обратного несоответствия мы можем получить четырехкратную перегрузку драйверов и/или перегрузку усилителей.
Другой пример – это несоответствие выходного уровня микшерного пульта и входной чувствительности системного контроллера. Как правило, контроллеры рассчитаны на максимально возможные входные уровни. Номинальный уровень может составлять и +6, и +12, и +18 дБ. Если индикаторы пульта «пристреляны», например, на 0 дБ, то недобор мощности будет катастрофическим.
Как правило, с ошибками в построении диаграммы уровней системы связано и появление перегрузки в электрической части тракта, продуцирующей искажения, которые в норме появляться не должны.
Для максимального использования мощностных резервов системы крайне важна и правильная звукорежиссура. Приведем только один характерный пример.
Автор неоднократно имел возможность наблюдать на концерте одной известной отечественной рок-группы следующую картину: удар по большому барабану подводил индикатор пульта к уровню 0 дБ, в то время как все остальное время уровень не превышал -10 дБ. Причем на слух все было приемлемо. Запас мощности звуковой системы клуба, где проходил концерт, позволял такое вольное ее распределение, то есть 90% на «бочку», а 10% на все остальное. Понятно, что правильно настроив барабан (именно сам музыкальный инструмент) и используя динамическую обработку, можно добиться того же результата, перераспределив проценты наоборот, и сэкономить таким образом  90% мощности системы. В условиях концерта на большой площадке такая «роскошь» очевидно непозволительна.

Необходимо вспомнить и еще об одной разновидности нелинейных искажений.
Часто опытные звукорежиссеры вносят общий плавный спад  в АЧХ системы на частотах выше 10 кГц. Эту меру можно расценивать как вынужденный компромисс. Связана она в первую очередь с искажениями, возникающими при больших давлениях в рупорных излучателях и фазовыравнивающих волноводах линейных массивов.
Результатом этих искажений будет появление дополнительных по отношению к  исходному сигналу кратных, а также суммарных и разностных частот. В то время, как кратные и суммарные частоты  оказываются в верхней части звукового диапазона, где восприятие слуха снижено, или за пределами звукового диапазона, разностные частоты попадают в более низкий диапазон, где слух наиболее чувствителен. Например, продуктом искажений двух сигналов с частотами 15 кГц и 18 кГц окажется, в частности, звук с частотой 3 кГц. В случае воспроизведения сложного музыкального сигнала с перегруженным в области 10-20 кГц спектром нижняя часть диапазона, воспроизводимого ВЧ-драйвером, может оказаться дополненной большим количеством артефактов, ужасающих своей немузыкальностью.
Такого типа искажения хорошо заметны при воспроизведении хорового вокала, если нижняя частота воспроизведения ВЧ-драйвера находится около1 кГц или ниже.
Бороться с этим явлением можно известными методами: разбиением рассматриваемого диапазона на полосы и общим повышением линейности излучателей.
Возможность кардинального улучшения характеристик излучателей высокочастотного диапазона предоставляют FIR фильтры, уже применяемые в некоторых цифровых контроллерах. Высокие требования к производительности процессора и объему оперативной памяти до последнего времени сдерживали применение этой технологии в системах, работающих с живым звуком. Возможность независимого воздействия на амплитудную и фазовую характеристики фильтра, а также прецизионного пошагового конструирования импульсного отклика открывает новые возможности для компенсации искажений, вносимых реальным излучателем, значительно приближая его характеристики к идеалу. Помимо этого FIR фильтры позволяют в разы увеличить крутизну частотного раздела в кроссоверах, снижая интерференцию излучателей соседних полос и не привнося фазовых искажений. К сожалению, в области низких частот существуют ограничения по применению FIR фильтров, обусловленные возрастанием латенсии (вносимой задержки) прибора, в котором фильтр реализован, до неприемлемых величин. Допустимой для системного контроллера можно считать латенсию в две-три миллисекунды, что соответствует расстоянию не более метра, преодолеваемому за это время звуковой волной.
Нелинейные искажения, возникающие в слуховом аппарате, также целесообразно учитывать при микшировании, особенно при высоких уровнях звукового давления.  Нелинейность слухового аппарата характеризуется появлением гармоник низкого порядка, этим она сходна с нелинейностью громкоговорителей.
Гармоники низкого порядка значительно меньше воспринимаются слухом, поэтому  даже при коэффициенте нелинейных искажений в десятки процентов (как в громкоговорителях, так и в ушах) звук может оставаться приемлемым.
Наиболее неприятные проявления этих искажений – это появление в полосе наибольшей чувствительности слуха
(2-4 кГц) продуктов искажений других частот. Это могут быть гармоники частот 1-2 кГц или разностные частоты из более высокого диапазона. Проявляется это в очень резком, «сверлящем уши» звучании. В этом случае практически бесполезно бороться со следствием, «вырезая» область 3 кГц, гораздо эффективнее может оказаться убавить частоты около 1,5 кГц.

Частотный диапазон и распределение мощности

Воспроизведение полного диапазона частот, которые принято считать звуковыми, то есть 20 Гц-20 кГц, является непростой технической задачей даже в студии. Большая требуемая мощность ВЧ-драйверов концертной системы приводит к увеличению размеров и массы их подвижной системы и в результате к падению эффективности на самых высоких частотах. Эффективное воспроизведение самых низких частот требует применения сабвуферов (или их массивов) очень большого размера и большой мощности. Поэтому на практике частотный диапазон ограничивается 30-50 Гц снизу и 16-18 кГц сверху. Исключение составляют сабвуферы для спецэффектов в театре и кино, где нижняя граница воспроизведения может быть даже ниже 20 Гц.
Распределение выходной акустической мощности системы по частотам звукового диапазона должно ориентировочно соответствовать спектральному распределению воспроизводимой музыки.
Общепринятым эталонным сигналом, заменяющим музыкальный сигнал в акустических измерениях, связанных с мощностью, является розовый шум. Спектр розового шума имеет существенное сходство со среднестатистическим спектром музыкального сигнала.
Как правило, в многополосных полнодиапазонных кабинетах соотношение мощностей драйверов разных полос соответствует распределению розового шума. Небольшие вариации возможны в области низких частот, что делает различные кабинеты более или менее предпочтительными для определенного стиля музыки.
При проектировании большой системы также следует иметь в виду, что для соответствия звуковой системы стилю музыки может потребоваться запас в несколько децибел в области низких частот (по сравнению с необходимым для воспроизведения розового шума). Переводя эти несколько децибел в единицы мощности, мы можем обнаружить, что потребуется, например, в несколько раз больше сабвуферов. Эти факторы следует учитывать также при выборе «калибра» линейного массива.
Для кабинетов, предназначенных для объединения в кластеры, традиционно соблюдался принцип равномерности АЧХ отдельного кабинета, несмотря на то, что АЧХ кластера была мало похожа на АЧХ отдельного кабинета. Но поскольку реальных возможностей для расчетов результирующих характеристик кластера не было (а без применения компьютера с соответствующим ПО сделать это на практике малореально), то равномерная АЧХ по крайней мере давала определенную предсказуемость его «поведения».
Широкое распространение технологий линейного массива совпало по времени с распространением цифровых контроллеров акустических систем, появлением доступных компьютеров и ПО. Вновь разрабатываемые акустические системы, как правило, снабжаются пресетами для цифровых контроллеров. И если для отдельно взятого кабинета «кластерного» типа сочетание фирменного пресета и самого кабинета дает, как правило, равномерную АЧХ, то для одиночного элемента линейного массива подход может быть принципиально другим. Так как отдельные элементы линейного массива не предназначены для самостоятельного использования, то и требование равномерной АЧХ для них, по существу, не имеет смысла.
АЧХ линейного массива сильно зависит от его размера и изгиба, а также от расстояния и направления до точки измерения.
Не вдаваясь в физические основы работы линейных массивов, отметим их важные отличия. Во-первых, линейный массив всегда требует эквализации. Во-вторых, ВЧ-секция элемента линейного массива должна иметь в разы большую мощность по отношению к традиционному широкополосному кабинету.
В предельных случаях необходимая эквализация в области ВЧ (при условии равномерности АЧХ одиночного элемента массива) может превышать 20 дБ, а в области НЧ – 10 дБ.
Позже мы еще вернемся к вопросам эквализации линейных массивов.

Фазовые характеристики и фазовые искажения

Влияние искажения АЧХ на звук хорошо себе представляют все, кто хотя бы один раз пользовался любым эквалайзером. Что касается ФЧХ, то ее влияние на звук не столь очевидно, формальные требования к системе в этой области обычно не предъявляются, однако ее влияние на эстетическое восприятие концертного звука очень существенно. Поэтому остановимся подробнее на этом вопросе.
Отклонение ФЧХ от линейной приводит к разному запаздыванию составляющих сигнала с разными частотами. Это приводит к субъективному размыванию
звука, потере слитности, фокусировки, детализации, звук становится мутным, непрозрачным и т.п. Звук большого барабана перестает «бить в грудь», хотя звучит при этом более-менее нормально. Посмотрим, как это выглядит.
Для исследования приключений, или скорее злоключений сигнала в звуковом тракте мы используем прямоугольный импульс длительностью 5 миллисекунд, изображенный на рисунке ниже.

Тестовый импульс

Выбор сигнала реальной длительности (в отличие от математических абстракций) не дает возможности количественного анализа тракта, зато имеет спектр, близкий к реальным звуковым сигналам и удобен для наблюдения на экране осциллографа.
Напомним, что для неискаженного воспроизведения сигнала требуется не равномерная, а линейно спадающая ФЧХ (или нулевая ФЧХ как частный случай линейной). Линейный спад ФЧХ означает общую задержку сигнала (то есть одинаковую для всех его спектральных составляющих) без искажения его формы.
На следующем рисунке  изображена нулевая ФЧХ  испытуемого тракта, и под ним результат его воздействия на тестовый импульс.

Нулевая ФЧХ

Видимые несущественные искажения связаны с неидеальностью нашего экспериментального тракта, а именно с ограничением воспроизводимых частот снизу на уровне около 10 Гц.
Ниже показана линейно спадающая ФЧХ тракта, вносящего задержку 5 мс.

Линейная ФЧХ тракта, вносящего задержку 5 мс

Линия ФЧХ на графике претерпевает разрывы через каждые 360 градусов
изменения фазы. Эти разрывы условны. Если вычертить график без разрывов,
то он не уместится на разумном формате бумаги. Кривизна линии связана с
логарифмическим масштабом на оси частот. Понять, что функция линейна,
можно, оценив изменения фазы, приходящиеся на равные интервалы частот.
Например, на интервале от 0 до 100 Гц фаза меняется на 180 градусов, на
интервале от 100 до 200 Гц - также на 180 градусов и т.д.
Ниже на рисунке мы видим задержанный на 5 мс импульс, прошедший тракт без видимых искажений.

Импульс, задержанный на 5 мс

Теперь посмотрим на нелинейную ФЧХ тракта и на результат ее воздействия на наш импульс. 

"> Пример нелинейной ФЧХ тракта

"> Выходной импульс. Нелинейная ФЧХ

Мы видим, что импульс претерпел значительные искажения. Короткие фронт и спад импульса, содержащие большую часть энергии высокочастотных составляющих, остались на своем месте, а низкочастотная составляющая импульса оказалсь задержанной.
Напомним, что АЧХ исследуемого тракта равномерна.
Для имитации фазовых искажений мы использовали один фазокорректирующий (или так называемый allpass) фильтр второго порядка.
В реальности фазовые искажения вносят в той или иной мере все звенья звуковой системы. С учетом того, что любые фильтры, с помощью которых мы целенаправленно воздействуем на АЧХ, дают побочное влияние на ФЧХ, результирующие фазовые искажения сигнала могут изменить сигнал до неузнаваемости (исключением могут быть цифровые фильтры, реализованные на основе конечной импульсной характеристики или FIR фильтры, но это тема для отдельной беседы).
Посмотрим теперь, как  искажают сигнал различные звенья электрической части тракта.

"> Искажения, вносимые обрезным фильтром (24 дБ, 30 Гц)

 

Искажения, вносимые двухполосным кроссовером и обрезным фильтром

Комментарии, думаю, излишни.

Подадим теперь на вход тракта сэмплированный звук большого барабана, который изображен на следующем рисунке.

Звук большого барабана на входе тракта

Посмотрим на результат воздействия двухполосного кроссовера и обрезных фильтров на звук большого барабана.

"> Звук большого барабана на выходе тракта

Искажения формы не так заметны, как на тестовом сигнале, однако хорошо видно, что амплитуда колебаний в начальной части импульса стала меньше, а основная доля медленных низкочастотных колебаний стала запаздывать относительно участка быстрых колебаний, ответственных за «щелчок». Таким образом, звук большого барабана становится «размытым». Громкоговорители, а тем более их группы вносят еще более существенные фазовые искажения.
На следующих двух рисунках показаны характерные искажения, вносимые недорогим третьоктавным графическим эквалайзером с поднятой (верхний рисунок) и вырезанной (нижний рисунок) на 15 дБ частотой 100 Гц. Мы используем тестовый импульс длительностью 5 мс.

Импульс с поднятой частотой 100 Гц

Импульс с вырезанной частотой 100 Гц

Мы видим также заметно искаженный импульс, который приобрел к тому же длинный резонансный хвост.
Еще раз отметим, что все классические фильтры, используемые в электрических цепях для корректировки АЧХ, неизбежно влияют и на ФЧХ. Причем общие правила таковы: чем более крутые фильтры мы используем, то есть чем большие перепады амплитуды на меньшем интервале частоты мы создаем, тем большие фазовые искажения мы получаем.
Исключением могут быть соответствующим образом спроектированные FIR фильтры, важным свойством которых является возможность независимого синтеза АЧХ и ФЧХ.
Отсюда важные выводы.
1. Все фильтры, включенные в цепь прохождения сигнала, являются потенциальными источниками фазовых искажений. Следует с осторожностью применять фильтры с высокой крутизной.
2. Необходимо учитывать влияние фильтров на фазовый сдвиг сигнала на частотах раздела кроссовера. Существенным может оказаться даже включение «безобидного» обрезного фильтра низких частот. В сочетании с фазовым сдвигом, вносимым кабинетом, можно получить полную «противофазу» на частоте раздела и соответствующий провал в АЧХ.

В следующей части статьи мы рассмотрим эффекты интерференции излучателей, влияние помещения на работу звуковой системы, затронем вопросы эквализации линейных массивов, поговорим о способах формирования диаграмм направленности, уделив внимание «кардиоидным» сабвуферам и направленным суббасовым массивам.