Мониторинг. Урок 18. Активные контрольные комнаты

Фи­лип Нью­элл
Перевод и техническое редактирование
Александра Кравченко,
компания Sound Consulting
www.sound-consulting.net
vita46@yandex.ru









Не следует путать новые возможности дизайна активных помещений с «поддерживаемой реверберацией», которая с 1950-х годов использовалась в Королевском фестивальном зале (Royal Festival Hall), а позже в студиях «Лаймхаус» (Limehouse Studios). Это были системы, использующие настраиваемые резонаторы и многоканальные усилители для распределения естественных резонансов до нужной части помещения.

Они усиливали реверберацию и не были в состоянии ослабить ее, поэтому их способность справляться с нежелательными аспектами в акустике помещений наподобие стоячих волн была весьма ограниченной. У новых же систем появилось цифровое управление и способность к «изучению» аспектов помещения и его настроек, чтобы иметь возможность предсказывать возможные отклонения в характеристиках и производить корректировки активных управляющих излучателей.

Контроль стал возможен в четырех различных областях, связанных с той же концепцией «умной системы». Во-первых, это активный захват с использованием системы многоточечного обнаружения и контроля с последующим применением энергии противофазы, чтобы свести на нет проявление стоячих волн и резонансов помещения. Они эффективно «убивались» вблизи поверхностей помещения, и таким образом не возвращались обратно в комнату.

Громкоговорители в этих системах используются как активные поглотители, а акустическая энергия поглощения превращается в тепловую энергию, выделяемую их звуковыми катушками. Расстояние между громкоговорителями, расположенными над поглощающей стеной, выбирается примерно из того расчета, что расстояние между их центрами будет составлять половину длины волны наиболее высокой поглощаемой частоты.

Во-вторых, расширение подобной системы привело бы к значительному улучшению точности контроля акустических характеристик помещения в целом. Всем известна ситуация с поиском подходящей студии, когда одному продюсеру больше нравятся «мертвые» комнаты, в то время как другому больше нравятся «живые». Но если в этой студии есть два акустически разноплановых помещения, то в 85% случаев происходят накладки; всякий раз первый продюсер пытается заполучить «живую» комнату, в то время как вторая комната чаще всего простаивает. С помощью новой активной системы эти помещения могли бы стать приемлемо схожими за счет программно-адаптированной акустики с учетом индивидуальных предпочтений или даже почти безэховыми.

Некоторые их этих систем ориентируются на электрический тракт мониторных систем, позволяя им перекрестные ссылки, чтобы запустить передаточную функцию между настоящим входным сигналом и воспринимаемым звучанием в помещении. К этой разнице добавляются любые требуемые характеристики помещения, а также компенсационные сигналы для нежелательных резонансов помещения, отражений и стоячих волн. Эти системы уже «научились» самостоятельно анализировать и вносить необходимые изменения. Последующее развитие таких систем может вводить сигнал-погрешность в саму мониторную систему, и это – в-третьих.

Это высокоуровневые, в значительной степени минимально-фазовые системы мониторинга, способные к коррекции электрической фазы и амплитуды. Они позволяют использовать упреждающий сигнал-погрешность для достижения желаемого звучания в области прослушивания, а также для обеспечения в значительной степени линейности импульсной характеристики в помещении. В течение некоторого времени эта технология хорошо работала только для единственной точки в помещении, но в последнее время диапазон охвата значительно расширился.

Как правило, двухмиллисекундной задержки в мониторной системе достаточно для осуществления необходимой упреждающей компенсации. Что такое две миллисекунды? Для получения такой задержки достаточно просто отойти от мониторной системы примерно на 60 см. Этот эффект можно считать несущественным, и вряд ли он скажется на работе инженеров, например, во время мьютирования. Аспекты этой «системы линеаризации отклика» стали доступными независимо от контрольной системы помещения.

Четвертый аспект заключается в самой акустике студийных помещений. Изменение технологии может создавать изменяемую акустику без использования плотных штор, тяжелых стальных листов, деревянных панелей либо других громоздких приспособлений. Конечно, в качестве отправной точки хотелось бы иметь помещение с определенной «усредненной акустикой», ведь предполагаемое окно возможностей является воистину огромным; реальным становится также разделение требований к декоративной эстетике помещения и требований к акустике.

Параллельные стены больше не являются табу; более того, они могут быть даже желательными, так как создают более упорядоченные, а следовательно, и легче управляемые модели отражений. Увеличивается степень гибкости и при планировке внутри помещений.

Высказывались определенные опасения относительно того, не будет ли работа «противофазных» систем вызывать стресс, беспокойство либо тревогу у слушателей, однако опыт работы с такими системами в авиации и промышленности подтверждает, что при корректной настройке подобные системы скорее способствуют снижению стресса.

У особо чувствительных людей некоторое замешательство может вызывать нахождение в визуально мертвой комнате с воспринимаемой на слух живой акустикой, но я уверен, что это отнюдь не является непреодолимым препятствием.

1. Воссоздание импульса

Для системы восстановления импульса потребуется сравнение импульса электрического сигнала на выходе с микшерной консоли либо контрольного прибора с акустическим импульсом, воспринимаемым в непосредственной близости от позиции прослушивания.

Система адаптивного цифрового сигнал-процессинга сравнивает эти два сигнала и настраивает управляющий сигнал для мониторной системы с целью максимального соответствия этих двух сигналов. Разница между сигналами учитывала бы отклонения, производимые кроссоверами, усилителями и собственно громкоговорителями.

Поскольку система обработки сигнала должна применить коррекцию сигнала в мониторной цепи, то чем больше эта цепь является линейной до коррекции, тем ниже будет уровень последующей компенсации. При прочих равных условиях это позволило бы достичь большего уровня звукового давления, так как применялся бы меньший уровень корректировки. Моментом перегрузки мониторной системы была бы функция суммы желаемого выхода и корректирующего сигнала.

Следовательно, чем ниже уровень коррекции, тем больше доступной мощности собственно для музыкального сигнала. По этой причине нужно продолжать стремиться к поддержанию линейности мониторной системы. Предоставившиеся возможности ее линеаризации не должны использоваться как предлог к тому, чтобы не стремиться к максимальной точности и аккуратности мониторинга.

На рис. 1. показаны результаты, полученные Кларксоном (1) и его коллегами на очень простой акустической системе с использованием одной из версий данной технологии. Очевидно, что эти результаты были обнадеживающими, особенно с учетом достаточно сомнительного качества громкоговорителя. Эволюцией этих технологий является их способность к изучению мониторной системы и помещения.

В то же время желание осуществлять продолжительный контроль отклонений в мониторинге связано с наличием большого массива чувствительных микрофонов, свисающих с потолка; в принципе можно было бы придумать устройство, чтобы после адаптации системы они поднимались и втягивались в конструкции потолка.


(1) P. M. Clarkson, J. Mourjopoulos and J. K. Hammond, ‘Spectral, Phase and Transient Equalisation for Audio Systems’. Journal of the Audio Engineering Society, Vol 33, 127-132 (1985)






Рис.1. Спектральная, фазовая и переходная эквализация.
(After Clarkson, Mourjopoulos and Hammond, 1985, Journal
of the Audio Engineering Society, 33 127-132 ‘Spectral,
phase and transient equalisation for audio systems’)



После каких-либо изменений в этом помещении систему можно было бы заново перепрограммировать; для этого надо было бы просто еще раз опустить с потолка микрофонный сет и провести повторную адаптацию. Кроме того, можно было бы также разместить микрофоны в стратегически важных, не бросающихся в глаза местах, где они могли бы «знать», что именно они должны «услышать» при правильных настройках, что в какой-то мере позволило бы достичь непрерывности в контроле за отклонениями.

На рис. 2 показана характеристика типичной комнаты, измеренная в четырех разных точках (непрерывная линия). Пунктирной линией показаны исправления этой характеристики после ее оптимизации путем коррекции, которая применялась для позиции прослушивания (микрофон «0»).

Можно заметить, что характеристики в позициях 2 и 3 вполне очевидно деградировали по сравнению со своим исходным состоянием. Подобная система должна была бы работать только в том случае, если зажать голову слушателя в тиски; вряд ли двое и более человек могли бы извлечь пользу от использования такой системы в помещении.





Рис. 2. Эквализация установившегося отклика по одной точке.
Сплошная линия – изначальная характеристика;
пунктирная линия – после коррекции для позиции «0»



На рис. 3 показаны импульсные характеристики в тех же точках замера, и вновь подтверждается ухудшение характеристик в позициях 2 и 3. На рис. 4 показан минимально-множественный среднеквадратичный подход, используемый для того, чтобы найти «наилучшее из возможных усреднение» в желаемой области помещения, находящейся между точек замеров.

Пунктирная линия, соответствующая откорректированным характеристикам, показывает, что применение этого метода позволило достичь явного преимущества. На всех точках в пределах этой области импульсная характеристика оказалась значительно улучшенной по сравнению с исходной.



        



Рис. 3. Эквализация импульсной                                                       Рис. 4. Эквализация импульсной
характеристики  по одной точке                                                   характеристики  по нескольким точкам



При условии допустимости низкоуровневых нелинейных искажений, в то время как все остальные показатели фазовой и частотной характеристик должны быть откорректированы еще до этого, можно достичь точности импульса; когда импульсная характеристика является корректной, то корректными должны быть и все остальные факторы.

В случае отказа системы обработки мониторная система останется в рабочем состоянии. Как уже было сказано, чем больше линейность мониторной системы и помещения до применения обработки, тем легче это для самого процессора, так что если система обработки вписывается в существующую мониторную цепь, то в этой цепи не должно быть больше никаких элементов, работающих на приспособление этой системы.

Переключение системы обработки в режим «bypass» либо ее полное удаление должно просто вернуть систему в первоначальное состояние.

Это не значит, что нужно как-то перебиваться с урезанным сетапом до тех пор, пока система обработки не будет починена либо заменена. Поскольку эта система предназначена для основной мониторной системы, она не работала при переключении на мониторы ближнего поля.

Отсутствие входного сигнала в основной системе означало отсутствие выходного сигнала. Она не должна пытаться компенсировать отклонения у мониторов ближнего поля.

Очевидно, что для второй мониторной системы может быть установлена вторая система сигнал-процессинга, но для этого, вероятно, нужно менее сложное устройство, более подходящее для бытовых hi-fi систем.


2. Активный контроль помещения

Описанные выше системы могут внести огромный вклад в решение извечных проблем стандартизации характеристик и единообразия результатов. В конце 1980-х годов два ведущих исследователя в этой области – Стив Эллиотт и Фил Нельсон из ISVR добились серьезного прогресса в разработке развлекательных приложения для автомобилей, но, как можно было заметить, эти приложения были бы уместными везде, где требуется точное и высококачественное воспроизведение звука.

Наряду со второй веткой исследований – активным контролем помещения – во многих областях мог быть сделан огромный шаг вперед.

Это второе направление исследований – система активного контроля помещения – несколько сложнее, чем просто система восстановления импульса, и, в свою очередь, подразделяется на два поднаправления. В первом речь идет о подавлении нежелательных эффектов помещения, а во втором – о полном контроле при создании желательной акустики в любом помещении.

Грубо говоря, наибольшая сложность должна была возникнуть в помещениях в форме куба. Первое поднаправление применялось бы главным образом в тех помещениях, в которых опорный сигнал был доступен напрямую с электрического входа в усилитель или в мониторную систему.

Подобные приложения включали бы контрольные комнаты, домашние hi-fi системы, комнаты прослушивания и звукового контроля, концертные залы, в которых используются public address системы – в отличие от залов для оркестров, опер и пр. Таким чисто акустическим помещениям подошло бы второе поднаправление.

3. Помещения с «электрическим ориентиром»

Проверенный временем метод борьбы с нежелательными низкочастотными проявлениями в помещениях заключался в применении резонаторов, а также панельных либо мембранных поглотителей. Одним из значимых определяющих факторов в их использовании является то, что их эффективность напрямую зависит от их размеров; как правило, они должны быть большими, иногда даже очень большими, занимающими от 30% до 70% объема помещения, в котором они установлены.

В контрольных комнатах студий звукозаписи объем помещения зачастую является чем-то бесценным; много оборудования и людей умудряются вдавливаться в эти комнаты, которые не больше студийных контрольных комнат предыдущей генерации.

Последующий компромисс систем управления акустикой совместно с изменчивостью внутренней акустики, обусловленной переменчивой численностью персонала и оборудования, является одной из причин нынешнего акцента на использовании мониторов ближнего поля.

При прослушивании небольших громкоговорителей в непосредственной близости от них изменчивость помещения не оказывает такого эффекта на субъективно воспринимаемый звуковой баланс, предоставляя изо дня в день лучшую устойчивость воспринимаемого характера звука, хотя и с ущербом для общего частотного и динамического диапазона.

Необходимо учитывать наличие резонансов в воздушном объеме любого данного помещения, т.к. появление в нем большого количества людей и оборудования приводит к изменению этого объема, вытеснению воздуха и изменению картины отражений внутри этого помещения.

Моды и резонансы могут значительно измениться, но для всех задач и предпочтений резонаторы, настроенные в условиях пустых помещений, останутся настроенными на их предустановленных частотах.

Неизбежным следствием этого будет то, что в целом звуковой характер помещения может существенно измениться. Активные системы являются цифровыми адаптивными системами управления, которые могут поглощать энергию у границ помещения и гасить эффект от нежелательных стоячих волн и резонансов.

Опять-таки массив из чувствительных микрофонов сравнил бы отклик в помещении с электрическим входом в мониторную систему. Если люди не хотят слушать в условиях безэховой камеры, тогда не все отражения будут абсорбированы.

С другой стороны, отклонения в характеристике, которые считаются вне допустимых пределов, будут форсировать подачу соответствующего сигнала на погашение нужной частоты к контрольным излучателям в помещении. Уровень поглощения энергии будет программируемым, что открывает большие возможности для контроля параметров, определяющих общий характер помещения.

В настройке системы можно учесть свои личные предпочтения на данный момент, что позволяет следовать личным симпатиям, антипатиям и вкусам продюсеров, инженеров и музыкантов. Среда в этом помещении может изменяться и лучше подходить то для записи, то для микширования – в зависимости от настроений либо требований вовлеченного персонала.

В рамках вышеприведенной концепции существует много возможностей творческого развития. В управляющие сигналы могут быть введены характеристики желаемых реверберационных полей. Системы контроля за помещением можно связать с оборудованием восстановления импульса в мониторной системе, что позволит улучшить корреляцию с условиями безэховой камеры.

Характеристика помещения, которое трудно поддается коррекции с помощью импульсной системы, может быть подавлена/смягчена в самом помещении, что значительно облегчает задачу для системы контроля мониторов. Системы, наподобие описанных выше, могли бы дать возможность радикально улучшить существующие помещения, без их разрушения либо перестройки.

Активные системы можно было бы разместить внутри существующих систем акустических «ловушек», при минимальном времени на установку, минимальных коммерческих издержках и прочих неудобствах.


4. Практическое применение

Типичный автомобильный фургон для звукозаписи с его акустическими проблемами можно считать хорошим опытным образцом для применения данной технологии. Правилами дорожного движения Великобритании установлены ограничения на размеры подобных транспортных средств. И хотя размеры такого фургона – 9 м х
2,4 м х 2,4 м. – являются, по-видимому, оптимальным компромиссом, с точки зрения акустики это настоящий кошмар.

Одинаковые ширина и высота усугубляют проблемы пересекаемых мод, в то время как параллельные внутренние поверхности слабо способствуют распаду отражений и стоячих волн. Из соображений эргономики и минимизации внутренних пересекаемых мод мониторы устанавливаются так, чтобы их излучение было вдоль фургона.

Отражения от задней стены – а это примерно 6-7,5 м от излучаемой поверхности мониторов – могут привести к возникновению стоячих волн вдоль фургона. Возникшие в итоге узлы и пучности образуют впадины и всплески в низкочастотной характеристике, которые не могут быть выровнены традиционными методами.

Из-за эргономических ограничений — с целью минимизации эффекта от стоячих волн — могут быть внесены лишь минимальные изменения либо в позицию громкоговорителей, либо инженера. Много лет назад были проведены исследования, призванные найти решение этой проблемы акустическими методами; в результате пришли к выводу, что для начала эффективного контроля низких частот потребуется низкочастотный поглотитель с минимальной глубиной от 120-150 см.

Если принять во внимание, что пространство внутри фургона на вес золота, то тут и обсуждать нечего.
Набор из контрольных громкоговорителей с предустановленной глубиной не более 16 см может эффективно «удалять» заднюю стенку фургона на частотах ниже 200 Гц. При поглощении энергии на этом рубеже уменьшается также последующая передача сквозь конструкцию и, как результат, уменьшаться утечка звука наружу.

Конечное расстояние от громкоговорителей до задней стены может быть запрограммировано в систему таким образом, что время прибытия звуковой волны можно спрогнозировать с помощью системы управления, обнулив ее по прибытии «всасыванием» нежелательной энергии.

Небольшие клиновидные громкоговорители могут располагаться вдоль стыка между стеной и потолком для последующего контроля при возникновении многих других проблем внутри этой среды. Перспективы использования подобных систем контроля кажутся вполне благоприятными. Теперь уже вполне очевидно, что потенциал для развития этих технологий очень обширный.

Я неоднократно высказывал свое убеждение в том, что проблемы с мониторингом должны решаться внутри мониторной системы, в то время как проблемы с акустикой помещения должны решаться акустическими средствами. Я также утверждал, что частотные проблемы должны решаться в частотном домене, а временные – во временном. Активный контроль допускает – пусть и в ограниченной степени – определенное количество кросс-доменных исправлений.

Адаптивный цифровой контроль с помощью упреждения на величину задержки может способствовать решению временных, фазовых и амплитудных искривлений таким способом, который невозможен аналоговыми средствами.

Как это всегда бывает, данная технология тоже имеет свои слабые стороны и проблемные участки. В то время, как все цифровые системы хранения и обработки являются все еще не до конца совершенными и не считаются абсолютно предпочтительными и универсальными для всех приложений, эти системы, несомненно, остаются полезными, особенно для решения проблем в трудных условиях, когда традиционная акустическая обработка затруднена либо невозможна.

Идея активного управления все еще находится на этапе становления, но с течением времени и благодаря техническому прогрессу многие внутренние проблемы будут решены, что принесет огромные преимущества.
Все предыдущее краткое обсуждение является лишь легким касанием поверхности очень емкого и сложного предмета.

Коммерческие системы уже находятся в профессиональном использовании и обеспечивают выравнивание характеристик в ограниченных условиях прослушивания, таких, как студии пост-продакшн, где в небольших помещениях инсталлировано большое количество оборудования и где нет практически никакой возможности добиться адекватного акустического контроля. В этой главе я пытался выделить те сферы, в которых применение цифрового адаптивного активного управления в будущем будет наверняка расширяться.

Однако в тех сферах, где необходим мониторинг высочайшего разрешения, применение последующих поколений подобных систем может быть возможным лишь после того, как появится уверенность, что сами они обладают достаточной для этого разрешающей способностью и звуковой нейтральностью, что их собственные ограничения ни в коей мере не повлияют на разрешающую способность звукового тракта.

Я бы предположил, что диапазон от 0 до 60 кГц мог бы быть минимально приемлемой полосой пропускания для подобных устройств, тогда как характеристики современных аналоговых ленточных магнитофонов простираются до 30 кГц, а цифровые носители и системы записи вскоре уверенно возьмут барьер в 100 кГц.

Любые компоненты, которые имеют отношение к электронной начинке мониторной системы, должны иметь максимально возможную полосу пропускания в любом звене этой цепи. Нельзя ведь контролировать температуру кипения воды с помощью термометра, рассчитанного на температуру от 0°C до 50°C.

Я призываю к осторожности, прежде чем сломя голову бросаться в объятия новой технологии в порыве ее абсолютного признания. Для многих очень привлекательными являются слова «цифровой» и «компьютерный», но авторитетные производители знают об исключительной важности высокой степени звуковой нейтральности, которую должны демонстрировать электронные системы, если они не являются просто игрушками.

Сначала я боялся, что чересчур рьяный маркетинг может дискредитировать стабильный прогресс в этой сфере, но, к счастью, на сегодняшний день продвижение продукции с использованием этих технологий проводилось достаточно предсказуемо.

Оборудование активного контроля является инструментом для использования акустиками. Оно не может заменить акустиков. Одной из причин, почему было так много неудач при использовании графических эквалайзеров в мониторных системах, было то, что в огромном количестве случаев мониторы воспринимались как часть электронного оборудования, следовательно, их «настройка» и особенности применения оставались в руках инженеров-техников, которые зачастую знали об акустике ничтожно мало.

Как уже отмечалось ранее, чем больше помещение подходит для использования активного контроля, тем меньше оно в нем нуждается. Это как система коррекции отклонений: лучше, когда нет нужды ничего корректировать. Активный контроль не является универсальным решением всех акустических проблем, но он уже занял свое место в инструментарии акустиков, и по мере развития его роль будет лишь возрастать.

Акустические решения акустических проблем связаны с источником этих проблем. Поэтому они снимают эти проблемы. Система активного контроля компенсирует проблему и делает это очень и очень деликатно, однако акустическая проблема при этом никуда не девается.

Поэтому коррекция артефактов наверняка не приведет к их удалению. С другой стороны, в проблемном помещении, в котором вопрос акустической обработки по каким-то причинам не поднимается, с помощью систем активного контроля можно, несомненно, добиться значительного улучшения.

Следует отметить, что когда существующие системы линеаризации частотной характеристики помещения используются для удаления резонансов и отражений в отклике мониторной системы, то они это делают с сигналом от мониторов, а не со звуком речи или прочими звуками внутри помещения. Таким образом, они очень близки по своей концепции к акустически «безсредным» помещениям, которые обсуждались в предыдущих Уроках.

То ли характеристики помещения изначально «убиваются» акустически, то ли используется цифровой адаптивный фильтр для подстройки помещения от сигнала мониторов – в конечном счете мы в любом случае получаем относительно безэховые условия мониторинга в помещении с собственной акустической средой.

Поэтому философия сказанного заключается в том, что оба этих подхода пребывают в тесной гармонии друг с другом.
Активный контроль может быть очень полезен своей возможностью предоставлять переключения между различными желаемыми кривыми эквализации. Если, к примеру, студия будет использоваться для мультимедийных работ – скажем, для ремикса фильмов – то для мониторинга можно выбрать по желанию любые подходящие кривые для необходимой компенсации.

Может быть, со временем что-то и изменится, но так уж сложилось, что оптимальная акустика контрольной комнаты для микширования фильмов и микширования компакт-дисков – это не одно и то же. Сейчас все больше студий строится с прицелом на их многофункциональное использование, и не исключено, что это может быть едва ли не единственным условием их выживания на рынке звукозаписи в будущем.

Времена меняются, и это может стать хорошим подспорьем для сторонников активного контроля. Прогресс, вероятно, будет быстрым и интересным, и я уверен, что необходимые исследования, которые будут затребованы аудиологией и психоакустикой, пойдут на пользу всем вовлеченным в акустику.

Единственное, что есть у респектабельных электронных компаний и чего хронически не достает акустикам, так это достаточного финансирования исследований.

В прошлом значительная часть финансирования, которая направлялась на исследования восприятия звука, направлялась либо в медицинские институты, занимающиеся лечением нарушений слуха, либо коммуникационным компаниям (или оборонным ведомствам), которые занимались проблемами разборчивости речи.

К сожалению, та часть мозга, которая имеет дело с восприятием устной речи, существенно отличается от той части, которая воспринимает музыку. Это одна из причин, почему так много «законов» и «правил» о прослушивании музыки, основанных на всеобщих заблуждениях.

Наконец-то мы уже наблюдаем значительное увеличение финансирования исследований, направленных на изучение тонкостей восприятия музыки. Многое из этого уже является результатом исследований технологий цифровой компрессии данных и слышимости их артефактов.

В результате исследований активного контроля появится новый источник для исследований слышимости, что, несомненно, поможет всем нам.

Библиография:
Ronald Genereux, ‘Adaptive Filters for Loudspeakers and Rooms’.
Audio Engineering Society Preprint, 93rd Convention, San Francisco (1992)


Редакция благодарит автора
за любезно предоставленные материалы