Эквализация помещения

«Нужно эквализировать помещение». Мы слышим это заявление так часто, что уже вряд ли задумываемся о том, что оно буквально означает. Мы знаем - с практической точки зрения это означает настройку эквалайзера в соответствии с вашим вкусом. Для этого можно воспользоваться последними высокотехнологичными анализаторами, магией вуду, или просто двигать ползунки, пока помещение «не зазвучит правильно».

В любом случае, что же мы на самом деле делаем, «эквализируя помещение»? На эту тему много разногласий, но все сходятся в одном: вы не можете изменить архитектуру помещения при помощи эквалайзера. Можно, однако, откорректировать отклик акустической системы. Это гораздо больше, чем семантика и имеет очень реальные практические последствия для нашего подхода к системе выравнивания звука.

Что эквалайзер «выравнивает»?

Давайте предположим, что у нас имеется АС (акустическая система) с плоской АЧХ в свободном поле. То есть - она не требует дополнительного выравнивания (equalize – выравнивать). Есть три категории взаимодействия, приводящие к изменению частотной характеристики АС, если она, за неимением лучшего слова, «неэквализирована».

Первая из них – взаимовлияние акустических систем. Когда добавляется вторая система, это приводит к изменению частотной характеристики практически в любом месте. Это верно для всех акустических моделей и любых конфигураций массивов или кластеров, независимо от любого заявления об обратном. Суммирование двух АС приводит к изменению частотного отклика в любом положении, и зависит от времени прибытия и разницы в уровнях между АС. По мере добавления АС изменения происходят пропорционально.

Вторая категория - взаимодействие АС с помещением. Оно, как правило, характеризуется как отражения или эхо. Механизм похож на взаимодействие громкоговорителей выше. АЧХ варьируется от позиции к позиции, в зависимости от относительного времени прибытия и уровня между прямым и отраженным звуком.

Оба указанных выше эффекта являются результатом суммирования в акустическом пространстве нескольких источников: либо акустических систем между собой, либо АС и отражений. Поэтому решения для этих взаимодействий очень тесно связаны.

Третье взаимодействие обусловлено эффектом коэффициента поглощения в условиях изменения температуры и влажности воздуха. Однако последствия этого взаимодействия являются небольшими по сравнению с первыми двумя, поэтому дальше мы его не будем рассматривать.

Решаются ли эти задачи при помощи эквалайзера? Ответом является "Да". Размер указанных выше проблем может быть уменьшен путем эквализации, и может быть достигнут существенный прогресс в направлении восстановления желаемой исходной АЧХ.

Если эквалайзеры были совершенно неэффективными, то зачем они занимали так много места в рэках в последние 35 лет? Однако, в практическом смысле, эквалайзер может обеспечить полный успех только в сочетании с другими методами, такими как: архитектурные модификации, точное позиционирование АС, задержки и корректная установка уровней.

В какой степени связка АС/помещение «эквализируема»? Об этом дискутируют уже более 15 лет. В частности, сторонники различных систем измерения сломали много копий на этом вопросе. Эквализация несомненно влияет, среди прочего, на взаимодействие помещения и акустической системы. Почему это спорно? Это происходит от исторического отношения эквалайзеров и анализаторов. Давайте отмотаем время немного назад и посмотрим.

Ранние методы анализа

В древности (в 1970-е годы), для выравнивания звуковых систем применялся достаточно сырой инструмент, известный как Real-Time Analyzer (RTA) и его товарищ - графический эквалайзер. Анализатор отображал амплитудно-частотную характеристику с разрешением в 1/3 октавы, а эквалайзер должен был корректировать показанные отклонения для восстановления плоской АЧХ.

Никакого значительного умения для этого не требовалось – недолгая возня с ручками EQ, чтобы все светодиоды на RTA встали в линию. Это настолько просто, что и обезьяна могла бы делать это, собственно, часто в результате система так и звучала.

Хотя это были стандартные инструменты тех дней, они имели серьезные ограничения, и эти ограничения не приводили к пониманию взаимодействия громкоговорителей друг с другом и с помещением.

Одним из таких ограничений является то, что у RTA отсутствует информация о временном аспекте отклика системы. Там нет информации о фазе, нет указаний на порядок прибытия энергии к микрофону. RTA не отличает прямой и отраженный звук, а также не указывает, являются ли вариации отклика взаимодействием одного громкоговорителя или взаимодействием громкоговорителя и помещения. Поэтому RTA не дает никакой помощи с точки зрения позиционирования АС, настроек задержки или в архитектурной акустике.

Во-вторых, RTA не дает никаких указаний относительно того, как отклик у микрофона связан с сигналом, поступающим от громкоговорителей. RTA дает отчет о состоянии акустической энергии у микрофона, безотносительно вероятных причин пиков и провалов в отклике. Эти пики и провалы могут быть связаны с ранними отражениями в помещении, или взаимодействием его с АС, что может быть поправлено эквализацией. А может, это шум лифта, или системы кондиционирования или вентиляции, или отражения от стальной балки перед громкоговорителем.

Эквалайзер не будет эффективным в случае лифтов или балки, но RTA не даст вам никаких оснований подозревать их в этих проблемах. Система анализа, которая показывает непонятно что, может применять разве что к анализу звучания колокола.

В-третьих, такой факт: 1/3-октавное разрешение по частоте совершенно недостаточно для решения выравнивания системы. Тем не менее, существует заблуждение, что настройка системы при помощи пары анализатор/EQ желательна. Это не так. Анализатор должен иметь в три раза большее разрешение фильтров для того, чтобы быть в состоянии обеспечить видимые данные, необходимые для обнаружения центральной частоты, полосы пропускания и величины отклонений.

1/3-октавный RTA в состоянии только достоверно определить полосы пропускания, в октаву и более. То, что выглядит как 1/3-октавный пик, может быть гораздо уже. То, что выглядит как широкий 2/3-октавный пик, на самом деле может быть высокий узкий пик, находящийся между 1/3-октавными точками. И что же графический эквалайзер с этим сделает?

К сожалению, отсутствие этой важной информации убаюкивает многих пользователей, давая им чувство самоуспокоенности, основанное на убеждении, что эквализация является единственным критически важным параметром для выравнивания системы. В многочисленных случаях применения эквалайзеров для устранения проблем они не обеспечили решения, а сделали только хуже.

Графические эквалайзеры не обладают способностью создания обратной интерактивной характеристики взаимодействия громкоговорителей с помещением. Проще говоря: "Вы не можете попасть отсюда туда".

Слышимые результаты всех вышеописанных действий создали негативное отношение к аудио-анализаторам в целом. Многие звукоинженеры решили, что их уши в сочетании со здравым смыслом могут дать лучшие результаты, чем слепое следование показаниям анализатора.

В результате, хотя RTA иногда встречаются в райдерах, они имеют весьма второстепенное значение.

Современные методы анализа

Технический прогресс привел к разработке и принятию в начале 80-х двух методов анализа: спектрометрии временной задержки Time Delay Spectrometry (TDS) и двухканального анализа на основе быстрого преобразования Фурье (FFT). Оба этих метода подали на стол совершенно новые возможности, такие как: измерение фазовой характеристики, способность идентифицировать эхо и высокое разрешение частотной характеристики.

То, что раньше выглядело как непонятная куча мусора, теперь, при помощи этих настоящих Маккой от анализа, могло быть детально рассмотрено. Сложность этих анализаторов требует хорошо подготовленных, высококвалифицированных практиков, чтобы реализовать их истинные выгоды.

Адвокаты обоих методов подчеркивают необходимость использования звукоинженерами всех инструментов для исправления аномалий в системе, не только эквалайзера. Линии задержки, позиционирование динамиков, оптимизация кроссовера и архитектурные решения должны быть использованы при любой возможности. И теперь у нас имеются средства, способные выявить различные взаимодействия.

Но по вопросу об "эквализации помещений" возникло разделение. Все стороны согласились, что АС и взаимовлияние нескольких АС может подвергнуться эквализации. Критические разногласия были по вопросу компенсации при помощи эквализации взаимодействия АС/помещение.

Лагерь TDS выступал за то, что взаимодействие АС/помещение вообще не подлежит эквализации и, следовательно, система измерения должна отсеивать это взаимодействие, оставляя на экране анализатора только эквализируемую часть - акустическую систему. Тогда выравнивание эквалайзером относится только к акустической системе, что было и раньше.

Система TDS была разработана, чтобы отсеивать из измерения частотную характеристику эффекта отражения с помощью синусоидального свип-сигнала и фильтра, отслеживающего задержку, таким образом, моделируя отклик в безэховой камере. Измерения помогают ясно увидеть взаимодействие АС в кластере и получить необходимые данные для оптимизации.

Такой подход может быть эффективным в средне- и высоко-частотном диапазонах, где частотное разрешение достаточно высокое даже при быстрых развертках, но он менее эффективен при анализе низких частот. Низкие частоты имеют довольно большие периоды, для них невозможно получить данные с высоким разрешением, не учитывая относительно большие временные промежутки, чтобы исключить влияние помещения на измерения.

Например, для достижения 1/12-октавного разрешения, эквивалентного западному темперированному строю, нужно записать данные длиной в 12 раз больше, чем период рассматриваемой частоты. Для 30Гц необходимо 360мс (12x30мс). Если применяется быстрый свип для удаления эхо из измерений, низкочастотные данные имеют недостаточное разрешение для практического использования.

Двухканальные FFT анализаторы используют различную длину времени записи. В области высоких частот, где период короткий, и время записи короткое. При уменьшении частоты время длины записи увеличивается, приблизительно соответствуя частотному разрешению. Измерения показывают постоянное соотношение прямого звука и ранних отражений, наиболее важной области с точки зрения восприятия тонального качества акустической системы.

Самые популярные FFT системы используют 1/24-октавное разрешение, которое означает, что измерения применены к прямому звуку и отражениям внутри 24-х длин волн за период времени по всему диапазону. Это хороший практический уровень разрешения, который позволяет нам применить аккуратную эквализацию с точностью до 1/8 октавы.

При применении FFT, с уменьшением частоты в анализируемых данных все больше и больше содержится отклика помещения. Это уместно, потому что на низких частотах взаимодействие АС/помещение все еще находится в области практической «эквализируемости».

Например, в арене отражение от большого табло прибывает на 150мс позже, чем прямой сигнал. Для 10кГц пики и провалы от этого отражения разнесены 1/1500 октавы. При 30Гц они будут только 1/3 октавы. Таким образом, табло по отношению к твиттерам находится в дальнем поле, и применение эквализации для устранения этого эффекта будет совершенно непрактичным, архитектурное решение, например – драпировка, было бы эффективней. Но для сабвуферов табло находится в более ближней зоне и гораздо практичней применение фильтра, чем 50-ти тонн поглощающих материалов, необходимые для акустического подавления отражений в этом диапазоне.

Много лет назад из лагеря FFT было сделано смелое заявление, что эхо в помещении может быть подавлено путем эквализации. К сожалению, эти заявления были сделаны в абсолютном выражении, без уточнения параметров, оставляя впечатление, что адвокаты FFT думали, что удаление всех эффектов реверберации в пространстве путем эквализации нежелательно или непрактично.

Хотя с теоретической точки зрения может быть доказано, что влиянием на частотную характеристику может быть полностью компенсирован эффект от разового эхо, это не значит, что это практично или желательно. Подавление может быть достигнуто, только если относительный уровень эхо меньше уровня прямого звука и если не возникает никаких других особых обстоятельств, вызывающих увеличение уровня отражений. (Увеличение уровня отражений вызывает аберрация с "неминимальной фазой" и обсуждение этого аспекта выходит за рамки данной статьи.)

Если уровни прямого звука и эхо равны, взаимоотмена пиков и падений становится бесконечно глубокой и необходимо применить соответствующий фильтр, чтобы уравнять эту бесконечность. Как мы знаем из научно-фантастических фильмов, случаются плохие вещи, когда встречаются положительная и отрицательная бесконечности.

Компенсация отклика требует регулируемой ширины полосы пропускания для фильтров и способности создать обратные гребенчатые фильтры для пиков и падений. С увеличением эха нужно большее число более узких фильтров.

Для корректировки эха длиной 1мс в диапазоне до 20 кГц потребуется около 40 фильтров, потому что есть 20 пиков и 20 провалов, с различной пропускной способностью - от 1 до 0,025 октавы. Эхо длиной 10мс потребует 400 фильтров с полосой до 1/400 октавы.

Очевидно, было бы безумием пытаться удалить все взаимодействия только для одной точки в зале. В реальном мире у нас нет намерений нападать на каждый незначительный пик или падение, мы стараемся бороться только с очевидными нарушителями. Чем уже фильтры, тем меньше у них практического значения, потому что реальный отклик различается в каждой точке помещения.

Практические решения

Это действительно возможно и целесообразно - подавить некоторые эффекты взаимодействия АС и помещения. Если бы это было невозможно, стандартной практикой была бы разовая эквализация в магазине, затем эквалайзеры помещались бы в стальной кофр без возможности доступа. С практической стороны - мы должны быть реалистами в том, что достижимо, и в том, что является лучшим средством для этого достижения.

Изменения в частотном отклике, обусловленные взаимодействием акустических систем между собой и взаимодействием АС/помещение, всегда будут отличаться, в зависимости от местоположения. После того, как вы увидите данные анализа высокого разрешения, взятые в нескольких позициях, вы навсегда расстанетесь с мыслью решить глобально эти проблемы при помощи эквализации.

Система, которая имеет минимальное количество вышеуказанных взаимодействий, будет иметь наибольшее равномерность в среде прослушивания и, следовательно, получит наибольшую практическую пользу от эквализации. Если звучание совершенно отличается на каждом месте в зале, сначала нужно просто настроить положение акустических систем относительно слушателей.

В зонах перекрытия динамиков применение задержек и контроль уровней сведет к минимуму ущерб в разделяемой области. Минимизация взаимодействия АС/помещение глобальные решения лежат в архитектурной модификации (драпировка), выбор направленно контролируемых элементов и точного размещения. Чтобы свести к минимуму взаимодействия АС между собой, требуется учитывать факторы направленности, размещения и построения кластеров.

Наконец, вы остаетесь с эквализацией. Наметьте точки в зале для каждой эквализируемой подсистемы, поместив микрофон в нескольких местах, и посмотрите на тенденции. Обычно, измерения проводятся в районе центральной зоны покрытия динамика. Держитесь подальше от районов с высоким перекрытием, где отклик будет резко меняться с каждый дюймом. Например, шов между кабинетами в кластере, или близко к стене. Каждая позиция будет уникальной, но если вы разместите фильтры на 4 из 6 пиков, то вы эффективно нейтрализовали отклик в этой области.

Боб МакКарти - руководитель отдела системной оптимизации компании Meyer Sound.