Выравниваем сабы и топы speakers Full view

Выравниваем сабы и топы

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

 

Очень часто задаваемый вопрос: «Как выровнять сабвуфер с полно-диапазонной акустической системой?» Я думаю, вникнуть в это будет интересно. Задача добавления сабвуферов в акустическую систему для увеличения отдачи в НЧ области, как правило, требует решения трех основных вопросов.

• Разделение частотного диапазона для канала сабвуферов и полно-диапазонных акустических систем (кроссовер);
• Относительный уровень выходного сигнала для сабвуфера и полно-диапазонных акустических систем (гейн);
• Относительное время прихода сигнала на сабвуфер и на полно-диапазонные акустические системы (задержка).

Последний пункт, что является, пожалуй, самым сложным. Его мы рассмотрим в первую очередь. Мы также кратко остановимся на первом пункте.

Подробно рассмотрим эти два пункта, и они больше не будут слишком большой проблемой.

Динамики, по своей природе являются полосовыми фильтрами (band pass). Для упрощения измерений и большей наглядности того, что происходит на графиках, я буду использовать фильтры высоких и низких частот, а не фактические громкоговорители. Результат будет таким же, за исключением одного — расположения микрофона.

Так как в наших примерах микрофон не используется (только электрические измерения), он не может быть перемещен в другое место. Это может быть важно для измерения на высоких частотах, где диаграмма направленности акустической системы приведет к различиям в измеряемом отклике в разных местах. Для низкочастотных динамиков, которые по большей части всенаправленны, это не будет проблемой.

Существует еще одна проблема, касающаяся размещения микрофонов, о которой вы должны быть в курсе и которая может привести к различиям в измерениях — изменение относительного расстояния от двух тестируемых устройств (сабвуфера и полно-диапазонного кабинета) до измерительного микрофон (или уха слушателя). В одном положении микрофон может показать очень хорошее суммирование.

В другом месте, где разница в прибытии от саба и топа изменится на половину длины волны частоты в области кроссовера, будет происходить обнуление в суммарном отклике. При выполнении полевых измерений целесообразно установить микрофон(ы) в положение, в котором предполагаемая зона покрытия будет содержать характерные магнитуду и время прибытия звука.

Давайте представим гипотетическую систему, которая имеет полно-диапазонный кластер громкоговорителей, которые адекватно воспроизводят диапазон 60Гц — 14кГц. Мы добавим сабвуфер, который физически отделен от полно-диапазонного кластера. Сабвуфер адекватно воспроизводит вплоть до 30 Гц. Кривые отклика показаны на рисунке 1.

SubAlign_01

Рисунок 1. АЧХ отдельных моделируемых громкоговорителей.

Для выравнивания мы хотим применить фильтр Linkwitz-Riley 4-го порядка на 100Гц. Мы можем легко применить данный фильтр к сабвуферу, так как в данной точке (100Гц) он имеет ровный отклик, а падение происходит значительно выше предполагаемой области кроссовера.

Однако к кластеру это не относится. Его отклик в предполагаемом регионе кроссовера уже уменьшается с уменьшением частоты. Нам нужно применить фильтр, который, в сочетании с естественной реакцией кластера, даст акустический выход, соответствующий фильтру Linkwitz-Riley 4-го порядка с частотой 100Гц.

На рисунке 2 показан естественный отклик кластера, желаемый отклик для фильтра Linkwitz-Riley и результирующий отклик после коррекции фильтра. Для получения этого отклика использовался фильтр Баттерворта 3-го порядка на частоте 115Гц.

SubAlign_02

Рисунок 2. АЧХ кластера без фильтра (синий), желаемая АЧХ (зеленый), и кластер с фильтром (красный).

Снижение частоты среза и параметрический эквалайзер могут быть использованы для достижения более точного соответствия. Показанный отклик достаточно близко соответствует нашим целям.

Когда мы совмещаем выходные сигналы двух устройств, то получаем отклик, показанный на рисунке 3. Результирующая АЧХ вовсе не то, что мы хотим. Понятно, что что-то стало причиной изменений.

SubAlign_03

Рисунок 3. АЧХ отдельных полос частот и суммарный отклик.

Мы знаем, что акустические характеристики фильтра Linkwitz-Riley, при применении его к каждому из двух совмещаемых динамиков, должны подвести к плоскому отклику. Поскольку здесь не так, это указывает нам на проблему совмещения двух громкоговорителей во временной области.

Взгляд на огибающие временных кривых (ETC — Envelope Time Curve) полос пропускания (рисунок 4) подтверждает, что полосы не синхронизированы. Мы должны задержать кластер, но на сколько?

SubAlign_04

Рисунок 4. ETC индивидуальных полос.

Если мы для определения времени задержки выберем пики прибытия кластера и сабвуфера, то нам нужно задержать кластер на 14,7мс.

С другой стороны, мы можем попытаться согласовать приход кластера, выровняв его с сабвуфером по переднему краю ETC. Это потребует приблизительно 10мс задержки для кластера.

Частотные и временные события по обоим сценариям показаны на рисунках 5 и 6.

SubAlign_05

Рисунок 5 – Суммирующая АЧХ с задержкой кластера на 10мс (красный) и на 14,7мс (синий).

SubAlign_06

Рисунок 6 – Суммирующая ETC с задержкой кластера на 10мс (красный) и на 14,7мс (синий).

Ни одна из кривых АЧХ не выглядит так, как должна выглядеть при хорошем суммировании (плоский отклик). Временные характеристики показывают, что короткая задержка находится ближе к идеальной характеристике, чем длинная задержка.
Мы могли бы начать подбирать разное время задержки в попытке оптимизации отклика в обеих областях. К счастью, есть лучший путь.

Основная проблема в том, что от сабвуфера мы получаем только низкочастотную информацию.

Из уравнения: ?t =1/?f, где ?t является временным разрешением, а ?f является разрешением по частоте, мы видим, что высокое частотное разрешение (малое значение ?f) дает низкое временное разрешение (большое значение ?t).

Для увеличения временного разрешения, чтобы нам точно определить положение кластера, нам необходимо отправить на сабвуфер более высокие частоты (соответствующие высокому ?f).

Если возможно, то нужно отключить low-pass фильтр на сабвуфере, чтобы получить более высокую частоту в выходном сигнале. Это может помочь в более точном определении времени прихода энергии от сабвуфера.

Давайте предположим, что мы не можем это сделать, или если мы можем, то это по-прежнему не дает нам достаточного временного разрешения.

Нам необходим способ получения точной информации о времени прибытия без высокочастотной составляющей. Это, казалось бы, невыполнимая задача, но только во временной области. В частотной области существует доступная методика, которая также дает достаточно точную информацию относительно времени.

Это групповая задержка. Математически групповая задержка определяется как отрицательная скорость изменения фазового отклика относительно частотного (?g = ?d?/d?).

На рисунках 3 и 4 показаны различные области одного и того же измерения для отдельных полос пропускания. Если мы посмотрим на групповую задержку этих же данные на рисунке 7, то можем получить весьма ценную информацию.

SubAlign_07

Рисунок 7. Групповая задержка кластера (красный) и сабвуфера (синий) с применяемым фильтром. Частотный предел (плато) каждой кривой указывает время прихода сигнала от каждого динамика.

Здесь мы видим, что время прибытия кластера составляет примерно 3,3мс. Это очень хорошо коррелирует с графиком ETC на рисунке 4.

Не беспокойтесь из-за появления кривой сабвуфера в области высоких частот. Это происходит из-за низкого отношения сигнал-шум для измерений выше 400 Гц. Как показано на рисунке 3, на частоте 200 Гц выход сабвуфера меньше на 24 дБ.

Наше применение фильтра четвертого порядка указывает на уровень менее -48 дБ на частоте 400 Гц и далее быстро уменьшается. Так что не удивительно, что шумы видны на более высоких частотах.

Мы можем посмотреть на кривую сабвуфера в районе 300 Гц, чтобы получить данные о верхнем частотном пределе его групповой задержки. Это примерно 11мс. Групповая задержка кластера на этой частоте около 3,9мс.

Это немного отличается от 3,3мс на высоких частотах, и вызвано сдвигом фазы high-pass фильтра и естественным band-pass фильтром самого динамика. Low-pass фильтр, используемый на сабвуфере, будет иметь такой же фазовый сдвиг, а следовательно, подобная групповая задержка будет различаться в высокочастотном регионе, если наши измерения SNR будут достаточно хороши, чтобы увидеть это.

Высчитаем разницу между 11мс и 3,9мс, и у нас теперь есть значение 7,1мс для использования в настройках задержки для кластера. Суммирование (также, как отдельные полосы пропускания) показано на рисунках 8 и 9. Это почти точный отклик, которого мы добивались.

SubAlign_08

Рисунок 8. АЧХ отдельных полос и суммарный отклик с задержкой кластера на 7,1мс.

SubAlign_09

Рисунок 9. ETC отдельных полос и суммарный отклик с задержкой кластера на 7,1мс.

Существует ошибка, менее чем в 0,5дБ, в районе 150Гц. Эта ошибка из-за не точного соответствия выхода кластера фильтру Linkwitz-Riley (см. рисунок 2).

Существует еще один пункт, который представляет интерес и помогает понять, как low-pass фильтр «очевидным» образом влияет на время прибытия.

Я говорю «очевидно», потому что только кажется, что время прибытия меняется. На рисунках 10 и 11 показаны, соответственно, ETC и импульсная характеристика low-pass фильтра Баттерворта 4-го порядка.

SubAlign_10

Рисунок 10. ETC low pass фильтра с различными частотами.

SubAlign_11

Рисунок 11. Импульсная характеристика low pass фильтра с различными частотами.

Единственным различием в этих кривых является угол частоты (в точке -3дБ) фильтра. Истинное время прибытия для всех этих кривых составляет 5 мс. Дополнительный high-pass фильтр с временем прихода 5мс будет правильно сочетать его с low-pass коллегой по графику.

Если high-pass фильтр задерживает прибытие таким образом, что оно происходит позднее чем за 5мс, будут ошибки при суммировании фильтров, как это показано на рисунках 5 и 6.

Мы рассмотрели, как отклик электронных фильтров можно объединить с откликом громкоговорителя для получением желаемого отклика (выравнивание). Мы рассмотрели, как поведение low-pass фильтра может создать видимость, что время прибытия больше, чем на самом деле.

Мы также показали, как использование групповой задержки помогает определить правильную задержку с относительно высокой точностью, когда имеются ограничения из-за низкочастотной природы динамика.

Надеемся, что некоторые из вас найдут применение для этих технологий.

Чарли Хьюз, глава компании Excelsior Audio Design & Services, член AES, ASA, CEA и NSCA.

Оригинал материала.


  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Обсуждение