Энтони Граймани (Anthony Grimani) об управлении басом

Энтони Граймани 28 лет занимается проблемами воспроизведения звука, имеет ряд работ и патентов на эту тему.
В одной их его статей речь идёт о многоканальном звуке, но многие положения актуальны и для обычной системы «стерео» или «стерео+сабвуфер». Как выбрать частоту раздела? Как расположить акустику в помещении и т. п.?
Вольный перевод статьи «Bass Management and the LFE Channel» болтается по Сети с 2005 г., но качество перевода меня не удовлетворило, поэтому пришлось переводить «с русского на русский». При моём переводе были опущены интереснейшие вопросы секса, Вселенной, объединения Германии и т. п.

А вот полезную техническую составляющую я сохранил и постарался уточнить.

↑ Введение

Для того, чтобы хотя бы приблизиться к адекватному воспроизведению современных многоканальных записей, нужен сабвуфер. Распространено мнение, что его можно ставить в любое место т. к. ухом он не локализуется. Это большое заблуждение.

Оптимальная расстановка основных колонок, воспроизводящих диапазон частот СЧ+ВЧ, с целью создания объемной стереофонической картины, скорее всего, вступит в противоречие с оптимальным местом расположения басовика. Разделение колонки на две части и размещение каждой части в оптимальном для воспроизведения звука месте, может решить многие проблемы. Колонки для воспроизведения частот от 80…100 Гц имеют небольшие размеры, вес. Это позволяет устанавливать их в оптимальное место комнаты на время прослушивания, а потом возвращать на другое место.

Информация из статьи может помочь в совершенствовании наших домашних систем звуковоспроизведения.

Наша цель состоит в том, чтобы использовать бас для усиления эффекта реальности звука. Здесь есть немало проблем.
Во-первых, помещения, в которых мы размещаем наши акустические системы, не слишком приспособлены к воспроизведению баса. Во-вторых, характер баса в музыке, которую мы слушаем, очень различный. И, наконец, оборудование может внести такую путаницу из-за многочисленных манипуляций над сигналами баса, что, настраивая систему, оконфузиться может даже доктор наук.

↑ Начала Управления Басом

Термин «управление басом» был введен мною примерно в 1995 году для полного описания расширенных функций АV-процессоров, чтобы помочь пользователям в трудной задаче конфигурирования их систем, куда, разумеется, включалось и воспроизведение баса. Однако некоторые понятия управления басом проистекают от более ранних систем.

Первое упоминание об управлении басом может быть отнесено к 1980-м годам, когда Miller & Kreisel Sound & Triad Speakers начали продвигать использование систем, состоящих из сателлитов и сабвуферов. В то же самое время, лаборатория Долби представила систему отделения баса в декодерах Pro Logic. Идея состояла в том, чтобы убрать бас из маленьких ящиков центральных каналов.

Следующий шаг в управлении басом был сделан в 1990 году. В соответствии с придуманными ими стандартами THX, фирма Lucasfilm требовала, чтобы каждая АС (акустическая система) давала 105 дБ баса в точке прослушивания, ровно столько, сколько имеется в киностудии. Понимая, что акустическая система, способная к созданию такого потрясающего баса, была бы непрактична в подавляющем большинстве помещений, THX решила снизить требования к АС. Бас от всех каналов был переадресован к одному (или нескольким) сабвуферам, позволяя системе домашнего кинотеатра производить громоподобный бас, притом, что большинство колонок небольшого полочного формата.

Окончательное развитие концепция управления басом получила в 1995 году с появлением многоканальных цифровых форматов Dolby Digital и DTS. Оба формата включали дополнительный канал, названный LFE (канал низкочастотных эффектов), который призван был обеспечить громкий бас, а именно создать давление в 115 дБ баса в точке прослушивания.

В этих новых, по тем временам, форматах для оптимизации воспроизведения низких частот включались следующие блоки:

1. Тестовая система для определения частотного диапазона и отдачи на басах каждой АС (включая сабвуферы) в домашнем кинотеатре.

2. Фильтр с возможностью настройки для каждой АС, чтобы гарантировать, что она получает только то, что способна воспроизвести.

3. «Умное» программное перенаправление и объединение низкочастотной составляющей для повышения качества баса всей системы домашнего кинотеатра.

4. Ограничитель пикового уровня баса для каждой акустической системы, для предотвращения перегрузок по басу.

5. Система коррекции АЧХ акустических систем под помещение для оптимизации воспроизведения низких частот посредством анализа стоячих волн в помещении и характеристик отражений в помещении и применения соответствующих корректирующих фильтров.

К сожалению, управление басом в полностью законченном виде так и не попало на потребительский рынок и в 1995 году, и до сих пор. Вместо этого в АV-процессорах были применены упрощенные версии, включающие части и куски общей разработки. Самой распространенной является версия, которая требовала THX для лицензирования.

↑ Основы Управления Басом

Сегодня в большинстве АV-процесоров используется форма управления басом, которая включает в себя:
— ФВЧ (фильтр высоких частот, т. е. пропускающий только высокие частоты) для каждой акустической системы кроме сабвуфера (двух фронтальных, центрального канала, и тыловых),
— ФНЧ (фильтр низких частот т. е. пропускающий только низкие частоты) для сабвуфера,
— функцию переадресации басовой составляющей, лежащей ниже частоты ФВЧ основных акустических систем;
— ограничитель пикового уровня баса.

В помещениях, длина и ширина которых меньше 12 метров, эксперты рекомендуют применять ФВЧ для акустических систем. Резонансы стоячих волн в таких комнатах делают невозможным размещение колонок так, чтобы был получен одновременно гладкий бас и четкая звуковая сцена. Применение фильтров для АС позволяет свободно их перемещать для получения четкой звуковой сцены, не заботясь о воспроизведении баса, поскольку эту роль берет на себя сабвуфер, который может быть расположен так, чтобы получить наиболее гладкий бас, при этом его размещение не влияет на локализацию звуковой сцены.

ФВЧ для АС и ФНЧ для сабвуфера должны быть установлены в соответствии с двумя факторами: резонансами помещения и способностями воспроизведения баса основными акустическими системами (рис. 1).


В идеальном случае АV-процессор должен применять для каждой АС фильтр с индивидуальной частотой среза, обусловленной возможностями АС и ее положением в комнате. В реальности этого нет. АV-процессоры обычно делают с возможностью плавной регулировки пользователем частоты, ниже которой сигнал из всех акустических систем перенаправляется на сабвуфер, или без плавной регулировки с использованием фиксированной частоты ниже которой бас опять же пойдет на сабвуфер. АV-процессоры с фиксированной частотой предлагают для АС опцию «Большие/Маленькие» (Large/Small), при установке «Больших» АС фильтр убирается, а при «Маленьких» АС — устанавливается. Если процессор имеет возможность плавно регулировать частоту раздела, то эта частота может быть установлена дополнительно к настройкам «Большие/Маленькие».


Хотя нам хотелось бы иметь фильтры с регулируемой частотой, фильтры с фиксированной частотой не так уж плохи. Обширное исследование проблемы показало, что оптимальная частота настройки дискретных фильтров — 80 Гц. Подавляющее большинство людей начинает слышать сабвуфер отдельно (локализировать в пространстве) на частоте около 185 Гц, а 80 Гц явились абсолютным минимальным пределом, ниже которого никто не мог определить нахождение сабвуфера. Это привело к тому, что большинство изготовителей выбрало частоту 80 Гц для своих фиксированных фильтров.

Первичные резонансы в жилом помещении обычно ниже 80 Гц, так что основные АС можно располагать для получения хорошей звуковой сцены, не заботясь о басовых резонансах (рис. 2). Кроме того, относительно небольшие динамики способны обеспечить звуковое давление 105 дБ на частоте до 80 Гц.

Следующий вопрос — перенаправление баса. (На самом деле, это происходит перед фильтрацией, но не будем углубляться …) В совершенной системе, бас от любого канала с любой частотой и с любым уровнем может быть перенаправлен на любой другой канал.

Средняя (обычная) система перенаправления баса далека от идеала. Некоторые AV-процессоры отвечают только минимальным требованиям системы Dolby: Большой фронт + маленький центр + маленький тыл + нет сабвуфера; или маленький фронт + маленький центр + маленький тыл + есть сабвуфер.

В первом случае, бас с частотой ниже частоты фильтра центральных и тыловых колонок, вместе с LFE каналом, направляется на фронтальные колонки (рис. 3). Во втором случае, когда частота баса ниже частоты фильтра фронтальных, центральных и тыловых колонок, он направляется на сабвуфер вместе с LFE каналом (рис. 4). Большинство процессоров, тем не менее, работает где-то между системой полного переназначения и минимальными требованиями.




Иногда процессор может перенаправить бас от малых АС как к сабвуферу, так и к большим фронтальным акустическим системам. Это в общем случае плохая идея, потому что бас больших колонок будет взаимодействовать с басом сабвуферов. Лучше послать бас от маленьких основных АС к сабвуферам и только к сабвуферам, собственно, как и делает большинство процессоров.

Когда ФВЧ и ФНЧ настроены, и весь бас направлен на соответствующие АС, нужно настроить ограничитель пикового уровня баса. Он будет препятствовать искажениям баса, даже при самых больших громкостях. Из-за распространения внутренних ограничителей в активных сабвуферах, не все АV-процессоры включают ограничители, но они часто встречаются в THX-сертифицированных аппаратах.

Функция ограничения позволяет предотвратить выдачу процессором повышенного напряжения, которое может привести к перегрузке основных АС или сабвуферов (рис. 5). Ограничители обычно применяют на выходе для сабвуфера, но некоторые процессоры также имеют на борту ограничители для основных АС в случае, если отсутствует сабвуфер и LFE канал, а также если бас от маленьких колонок направляется на фронтальные АС.


Для «малых» АС, суммарный бас перенаправляемый на сабвуфер может превысить его возможности. Уровень ограничения обычно выставляется путем прослушивания тестовых басовых шумов, генерируемых самим АV-процессором. Уровень тестового шума увеличивают до тех пор, пока искажения не становятся слышимыми, в контроллер вводят уровень начала искажений. При достижении этого уровня контроллер включает ограничитель.

↑ Мифы и заблуждения

Теперь, когда мы имеем представление об управлении басом, пришло время рассеять некоторые мифы, а также исследовать часто встречающиеся заблуждения, касающиеся воспроизведения баса.

↑ 1. Низкий бас не направлен

Я бы давно разбогател, если каждый раз спорил бы на деньги с теми, кто утверждают, что могут указать направление, откуда исходит низкий бас, существует немало людей, которые уверены, что могут услышать направленность вплоть до 20 Гц. Да, мы способны различать обертона басовых инструментов выше 120 Гц, и эти обертона должны выходить из основных АС, правильно расположенных в помещении, для получения четкой звуковой сцены. Однако, мы не можем, я повторю, не можем, локализовать басы ниже 80 Гц.

Самое умное, что мы можем сделать с ненаправленными басовыми частотами — это воспроизводить их в тех местах помещения, где они не будут сильно взаимодействовать с резонансами стоячих волн. Эти резонансы заставляют басовый импульс длиться до двух секунд, а это очень плохо, это слишком затянуто, слишком медленно. Прослушивание стереосистемы в помещении с двухсекундными басовыми резонансами, практически сводит к нулю разрешение звуковой картины, такое прослушивание музыки — безумие, или ведет к безумию.

↑ 2. Использование полнодиапазонных АС не является поводом для отказа от использования системы управления басом

Чтобы управление басом стало бессмысленным, каждая акустическая система должна иметь 37-сантиметровый басовый динамик (или двойные 30-сантиметровые басовые динамики) и работать от усилителя 200 ватт. Все, что меньше, обязательно пострадает от перегрузки при больших громкостях.

Также нужно помнить, что эти огромные, как бегемоты, колонки должны быть размещены таким образом, чтобы их взаимодействие с басовыми резонансами помещения было оптимальным. Поверьте, что практически невозможно разместить в комнате семь колонок так, чтобы каждая одинаково взаимодействовала с басовыми резонансами комнаты. Результат неподходящего взаимодействия — чрезвычайно неровный бас. Получится, что одни акустические системы будут выдавать быстрый, но тощий бас, а другие протяжный и анемичный.

Единственно правильный путь для решения проблемы состоит в том, чтобы осуществлять управление басом и стратегически правильно разместить в помещении сабвуферы для оптимального взаимодействия с резонансами комнаты. Исследования показали, что некоторые варианты расположения в помещении являются очень даже неплохими в свете сказанного выше. Одно из лучших размещений — это когда четыре сабвуфера располагаются крест на крест (рис. 6).

↑ 3. LFE канал — не тождественен с каналом сабвуфера

Сигнал LFE нужно представлять себе как путь для супергромкого баса, без такого решения были бы перегружены основные каналы. Звукоинженеры прибегают к нему в тех случаях, когда основные каналы просто не могут произвести достаточно баса, чтобы сотрясти дом. Имейте в виду, что в кинотеатрах, уровень громкости устанавливается по определенным нормам, согласно которым, в точке прослушивания уровень давления максимального звука должен составлять 105 дБ. В диапазоне средних частот 105 дБ обеспечивают достаточную громкость, но в области глубоких басов этого может оказаться недостаточно для получения того удовольствия, которое мы ожидаем испытать, глазея на рекламные щиты фильмов с изображением суперменов наперевес с оружием безграничной огневой мощью.

Чтобы получить реальный сотрясающий грудь бас, мы должны достигнуть 115 дБ. Основным каналам не хватает 10 дБ до требуемого максимума, и здесь на помощь и должен придти LFE канал. Дополнительные10 дБ действительно могут оторвать от кресла. LFE канал используется только в тех эпизодах, где нужен очень сильный бас, в течение же остальной части фильма, ОН НЕ НУЖЕН. LFE канал может быть подключен непосредственно к сабвуферам без всякой регулировки, на этот счет нет никаких правил.

↑ 4. Должно быть ОДНО, только ОДНО, и единственное аудио соединение между АV-процессором и активным сабвуфером

Часто АV-процессоры предлагают LFE выход в дополнение к сабвуферному выходу, а некоторые сабвуферы имеют мультивход. Может возникнуть желание подключить такой процессор через его два выхода к двум отдельным сабвуферам и использовать один сабвуфер для LFE канала и другой — для суммированного баса всех каналов. В подавляющем большинстве случаев это будет очень плохой идеей, потому что нам нужны оба сабвуфера, работающие совместно для оптимальной работы с басовыми резонансами комнаты. Самое эффективное использование двух сабвуферов происходит тогда, когда они отрабатывают суммарный бас от основных каналов, а по мере надобности — LFE канал.

↑ О сабвуферах с мультивходами

Понятие сабвуфера с мультивходами, которые имеют различную фильтрацию, а также возможность суммирования, не имеет смысла в свете нашего обсуждения управления басом. В многоканальной аудио, подчеркиваю, аудиосистеме с управлением басом, сабвуферу нужен один вход, переключатель полярности фазы, выключатель сети — и всё!
Все другие входы с вводящими в заблуждение названиями, как-то: суммирующий стерео вход, lowpass фильтр, контроль громкости и проч. могут быть полезны только в системе стерео без управления басом и ничего не делают, кроме как добавляют к сложности и стоимости сабвуфера. Это создает дополнительные сложности для инсталлятора или пользователя, поскольку найти нужный вход для АV-процессора, управляющим басом — непростая задача.

↑ 5. Нет НИКАКИХ ясных правил, которые бы указывали, в каком частотном диапазоне должен работать LFE канал

Производственные характеристики (то, что инженеры пишут на диск), применяемые к LFE каналу столь различны, что определение верхней частоты для системы воспроизведения является часто упражнением в тщетности. Сигнал LFE канала на некоторых дисках записан в диапазоне до 50 Гц, в то время как другие диски (обычно из-за ошибок инженеров) перекрывают полный диапазон! Наиболее распространенным и безопасным в такой дурацкой ситуации, является использование ФНЧ 80 Гц для LFE канала.
Однако некоторые АV-процессоры не применяют ФНЧ к LFE каналу вообще, подразумевая тем самым, что очень направленный бас, выше 150 Гц на некоторых записях мог бы потенциально быть произведен сабвуферами. Остерегайтесь этих процессоров, так как обычно нет никакого способа добавить внешний фильтр без серьезных последствий, ведущих к искажению баса основного канала.

↑ 6. Отношение уровня LFE к уровню баса главных каналов не должно регулироваться в АV-процессоре

Оно должно быть таким, что сигналы LFE были бы на 10 дБ громче сигналов эквивалентного уровня в любом другом канале. Некоторые ранние DTS музыкальные диски содержали LFE каналы, которые были на 10 дБ громче промышленного стандарта. По этой причине, некоторые процессоры включают DTS режим, который уменьшает LFE канал на 10 дБ. Диски с такими записями больше не выпускаются, поэтому нет никакой другой причины, чтобы сделать уровень LFE канала регулируемым отдельно от канала баса. Если в вашем АV-процессоре такая регулировка имеется, вы рискуете никогда не узнать, как должна на самом деле звучать музыка с ваших многоканальных дисков.

↑ 7. Нет НИКАКОЙ необходимости в LFE канале для подавляющего большинства музыкальных приложений

Продолжают выпускаться многоканальные музыкальные записи, имеющие содержание для LFE канала, где бас в главных каналах очень далек от перегрузки. Необъяснимо, но некоторые записывающие музыку инженеры думают, что они должны поместить что-то в LFE канал, только для того, чтобы пользователи услышали звук, исходящий из сабвуферов.

Если честно, то это — ущербная логика, потому что сабвуферы в управляемых басом системах (которых большинство), получают и LFE канал и суммарные басы основного канала. Поэтому, как вы уже догадались, неважно есть ли бас в LFE канале. Пользователи и инсталляторы многоканальных систем действительно не должны волноваться по поводу музыкальных записей с LFE каналом, если они устанавливают свои системы с управлением баса правильно. Время от времени, однако, системы с управлением басом выдают такой ужасный бас, что кажется, что система настроена неправильно, или что-то сломалось.

А дело оказывается всего лишь в плохой записи. Инженер, который делает запись, не имея системы управления басом и не пользуясь полнодиапазонной системой, просто не может представить, как его диск на такой системе будет звучать. Есть два пути решения подобной проблемы. Первый — это каждый раз перестраивать систему при смене диска, второй — не пользоваться этим диском. Такие никудышные диски не редкость (среди звукоинженеров немало профанов), пора начать предъявлять претензии к производителям.

↑ 8. АV-процессор, принимая многоканальный аналоговый сигнал от DVD-Audio и SACD проигрывателей, в большинстве случаев не имеет блока управления басом, который поступает с аналогового входа

В отличие от цифрового входа, где поступающий сигнал проходит через управление басом (что всегда происходит в цифровом виде) перед тем, как преобразуется в аналоговый, аналоговый вход должен пропускать свои сигналы через АЦП (аналого-цифровые преобразователи) прежде, чем их можно будет подвергнуть управлению басом. Но нет смысла сигналы форматов с высоким разрешением, такие как Packed PCM (PPCM) или Direct Stream Digital (DSD) преобразовывать сначала в аналог, потом снова в цифру для обработки.

По этой причине в музыкальных многоканальных форматах задачу управления басом решают проигрыватели дисков, процессоры которых, к сожалению, не имеют достаточной мощности и гибкости в настройках. Фактически, некоторые проигрыватели даже не имеют в настройках опции переключения между «Фронт Большие/Фронт Маленькие», а ограничиваются только опцией «Большие». Кроме того, ЦАПы проигрывателей дисков на выходах «сабвуфер» не дотягивают до необходимого максимума для воспроизведения баса на достаточно высоких уровнях.
Уровень выхода «сабвуфер» обычно снижен либо на 10 дБ (для проигрывателя без управления басом) либо на 15 дБ (для проигрывателя с управлением басом), в надежде на то, что сигнал будет повышен процессором. Это хорошо, за исключением того, что во многих процессорах не предусмотрено такое повышение на аналоговых входах сабвуфера…

Решение этих проблем состоит в том, чтобы установить все выходы проигрывателя на «Большие» и подключить внешнее устройство управления басом между проигрывателем и процессором. (Устройства управления басом, кроме прочих других выпускают Outlaw Audio и Miller & Kreisel). Это не очень воодушевляет, но все-таки лучшее, чем получить бас минус 15 дБ.

К счастью, на горизонте появилось и другое решение. Это универсальные цифровые интерфейсы, такие как FireWire, которые могу работать с PPCM и DSD. Они появляются среди последних моделей проигрывателей дисков и АV-процессоров. Соединив проигрыватель и процессор посредством такого интерфейса можно настраивать звук, и в том числе бас, как и при обычном цифровом соединении.

↑ Заключение

Появляются и воплощаются новые мысли, идеи и схемы в области воспроизведения баса. Но, рассматривая проблему в целом, надо признать, что до правильного управления басом для получения мощного, чистого, плотного баса в условиях домашнего кинотеатра или комнаты прослушивания, еще далеко. Но многое можно сделать уже сейчас, при правильном понимании предмета.



Благодарю за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации