X4L - wzmacniacz z DSP z serii X
Biznes „nagłośnieniowy” – w porównaniu z innymi dziedzinami techniki (np. przemysłem samochodowym, czy ...
Bezspornie urządzenia tego typu oddają nieocenione usługi w procesie strojenia i wyrównywania brzmienia systemu pod warunkiem, że… umie się z niego korzystać i zna ograniczenia z tym związane. Często bowiem technicy czy inżynierowie dźwięku są zaskoczeni kiepską korelacją zmierzonej charakterystyki systemu z odczuciami słuchowymi. Innymi słowy system, którego charakterystyka wygląda czasem wręcz tragicznie, brzmi całkiem dobrze, i vice versa, piękna, wręcz równa jak stół charakterystyka na analizatorze nie idzie w parze z równie pięknym brzmieniem nagłośnienia. W czym tkwi problem?
METODY POMIARU CHARAKTERYSTYKI
Na dobry początek przyjrzyjmy się sposobom, jakimi najczęściej dokonuje się pomiarów charakterystyki systemów głośnikowych (pisząc "charakterystyka" mam na myśli charakterystykę amplitudową, a więc taką, gdzie na skali pionowej będziemy mieli poziom ciśnienia w dB, a na poziomej częstotliwość w skali logarytmicznej).
Jak, mam nadzieję, wszystkim wiadomo, RTA to analizator sygnału, który "wyświetla" jego przebieg w funkcji częstotliwości, w czasie rzeczywistym (Real Time Analyzer). W wersji jak najbardziej tradycyjnej nie będzie to taka charakterystyka, jaką znamy np. z programów SMAART czy SatLive - jest to bowiem bank filtrów, których liczba i szerokość jest zależna od typu analizatora.
Najpopularniejszym, oferującym przyzwoitą rozdzielczość, jest analizator tercjowy, w którym całe pasmo podzielone jest na 31 filtrów o procentowo (w stosunku do częstotliwości środkowej) stałej szerokości. Inną opcją jest stosowanie analizatorów software’owych, takich jak np. wspomniane wyżej, przy czym w ich przypadku mamy do czynienia nie tyle z dzieleniem sygnału na poszczególne pasma i ich "cząstkowe" analizowanie, co raczej z obróbką cyfrową sygnału za pomocą odpowiedniego algorytmu (FFT - o czym też pisaliśmy już na łamach LSI). OK, ale dość oczywistości.
Niezależnie od tego, które z urządzeń wykorzystujemy, klasyczna metoda pomiarowa polega na podaniu na głośniki szumu różowego, który charakteryzuje się stałym rozkładem energii sygnału w pasmach (oktawowych, tercjowych, itd.), i wyrównywaniu brzmienia systemu za pomocą korektora, tak aby uzyskać na analizatorze charakterystykę maksymalnie zbliżoną do płaskiej.
Jak wspomniałem wcześniej, RTA to bardzo przydatne narzędzie, pod warunkiem iż przestrzegane są pewne zasady ich użytkowania, jednak w przypadku pracy nagłośnienia w pomieszczeniach zamkniętych korelacja wyników pomiarów z wrażeniami słuchowymi może być niezbyt dobra. Zasadniczym tego powodem jest lokalizacja mikrofonu pomiarowego. Jeśli przetwornik ten umieścimy w polu bliskim (gdzie stosunek energii sygnału docierającego bezpośrednio z głośnika do energii sygnałów odbitych od ścian jest na korzyść tej pierwszej), korelacja pomiarów z wrażeniami słuchowymi jest całkiem niezła.
Odległość od zestawu, w której mikrofon jest jeszcze w polu bliskim, jest oczywiście zależna od wielkości systemu, poziomu emitowanego dźwięku oraz właściwości akustycznych pomieszczenia (współczynnika pochłaniania, liczby widzów). Można jednak przyjąć orientacyjnie, że wynosi ona od 3 do 5 m. Jeśli w tym miejscu będziemy starali się uzyskać maksymalnie płaską charakterystykę nagłośnienia, efekt "audialny" powinien być adekwatny.
Minusem pomiarów w polu bliskim jest to, że efekt finalny (w postaci zmierzonej charakterystyki) jest mocno uzależniony od pozycji mikrofonu w pionie, co dotyczy głównie systemów złożonych z kilku modułów ustawionych lub podwieszonych jeden nad drugim - a przecież wiadomo, że w dobie systemów line array właśnie tak wyglądają stosowane nagłośnienia.
Nawet niewielkie przesunięcie mikrofonu w dół lub w górę może znacząco wpłynąć na kształt zmierzonej charakterystyki. Efekt ten można w znacznym stopniu zredukować, jeśli odsuniemy mikrofon na dalszą odległość od systemu, czyli umieścimy go w polu dalekim, gdzie efekt "pracy" poszczególnych modułów jest zbliżony. Ponadto chcemy uzyskać najlepsze brzmienie systemu w tym miejscu, gdzie statystycznie znajdzie się największa liczba słuchaczy, a wiadomo, że przy samych głośnikach, w polu bliskim, będzie ich dużo mniej, niż w większej odległości od sceny.
"RÓWNOWAŻENIE" CHARAKTERYSTYKI
Mikrofon nie ma takich zdolności "percepcyjnych", jak nasze ucho, nie potrafi zlokalizować, gdzie jest źródło sygnału czy odróżnić dźwięk bezpośredni, dochodzący w pierwszej kolejności, od odbić, które docierają z pewnym opóźnieniem. Dla mikrofonu jest to obojętne, dlatego też w efekcie sygnały bezpośrednie nakładają się z odbiciami i powstaje jeden wielki "misz-masz".
Bardzo łatwo to sprawdzić - wystarczy stanąć tuż obok mikrofonu pomiarowego i posłuchać "na własne uszy", jak brzmi system nagłośnieniowy, a następnie sygnał z mikrofonu posłuchać za pomocą słuchawek, najlepiej zamkniętych, z możliwie dobrą izolacją od otoczenia.
Niskie częstotliwości mają tendencję do "ciągnięcia" się w pomieszczeniach, tj. wybrzmiewają dłużej, niż częstotliwości wysokie, co generalnie wynika z mniejszej absorpcji basów, niż sopranów. Z tego powodu pomieszczenia zamknięte są "ciężkie basowo", jeśli bierzemy pod uwagę całkowite pole dźwiękowe. Widać to wyraźnie na wskazaniach RTA, gdzie częstotliwości basowe są przeważnie dominujące nad resztą pasma.
Odruchową reakcją mniej doświadczonych inżynierów dźwięku czy realizatorów jest próba "wyrównania" charakterystyki przez podcięcie najniższych częstotliwości (ale nagle bas przestaje "kopać") lub - co gorsza - podbicie wyższych częstotliwości, przez co system brzmi nienaturalnie ostro. Dlatego też, gdy korzystamy z RTA w pomieszczeniach, zamiast próbować "spłaszczać" przebieg charakterystyki, należy dążyć do uzyskania "krzywej docelowej" albo, inaczej, ważonej. Cóż to takiego?
Jest to przebieg charakterystyki częstotliwościowej często wykorzystywany do strojenia systemów nagłośnieniowych w teatrach. Wygląda ona mniej więcej tak, że do ok. 2 kHz jest to linia pozioma (w rzeczywistości oczywiście nigdy nie uzyskamy tak idealnego przebiegu), zaś powyżej tej częstotliwości zaczyna sukcesywnie opadać z nachyleniem mniej więcej -3 dB/okt, tak że przy częstotliwości 10 kHz jest już prawie 10 dB niżej w stosunku do 2 kHz. Ta metoda była i wciąż jest często stosowana i daje całkiem niezłe efekty.
COŚ NOWEGO
Postęp technologiczny sprawił, że pojawiły się inne, nowe metody strojenia systemów. Mowa o tzw. funkcji przejścia (transfer function), która w sposób kompleksowy porównuje sygnał na wejściu i wyjściu systemu, zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości. Dostajemy też zarówno informacje o amplitudzie, jak i o fazie badanego sygnału - w formie dwóch charakterystyk.
Podstawowa różnica między analizą funkcji przejścia a tradycyjną analizą w pasmach częstotliwościowych w czasie rzeczywistym polega na konieczności uwzględniania opóźnienia sygnału z mikrofonu, wynikającego z różnicy czasu dotarcia sygnału referencyjnego i mierzonego.
Ten pierwszy zawsze będzie miał krótszą drogę. Opóźnienie sygnału z mikrofonu musi obejmować nie tylko różnicę w czasach dotarcia sygnałów na wejście analizatora, ale również latencję analizatora. Brak synchronizacji czasowej sygnału pomiarowego z referencyjnym spowoduje wyświetlenie błędnych charakterystyk - głównie fazowej.
Dodatkowym "bonusem", jaki oferuje analiza funkcji przejścia, jest okienkowanie czasowe, które pozwala wyeliminować opóźnione sygnały (odbite), docierające do mikrofonu pomiarowego. Dzięki temu pomiar ten jest wolny od problemu "ciągnącego" basu, który jest na porządku dziennym w analizie RTA. Długość okna czasowego, którą musimy wybrać, określi nam, ile z wybrzmiewania czy też zanikania sygnału "weźmiemy" do analizy, a ile odrzucamy.
Niestety, nie ma jednej optymalnej wielkości okna czasowego dla całego spektrum. Krótkie okno wycina znaczną część odpowiedzi pomieszczenia (pogłos lub wczesne odbicia + pogłos), jednak kosztem pogorszenia rozdzielczości w zakresie niskich częstotliwości. Okna długie charakteryzują się dobrą rozdzielczością, jednak "połykają" zbyt dużo niepożądanych odbić sygnału. Jak to w życiu bywa, trzeba wybrać "złoty środek".
Ludzki układ słuchowy jest "logarytmiczny", tzn. reaguje nie na bezwzględną zmianę częstotliwości, ale proporcjonalną. Co mam na myśli? Np. zmiana częstotliwości sygnału o oktawę (co jest odbierane przez nasz słuch jako ta sama nuta, ale brzmiąca wyżej) polega na sukcesywnym podwajaniu kolejnych częstotliwości.
A więc kolejne częstotliwości, które oddziela odległość oktawy, nie będą się zwiększały o tę samą wartość (np. 100, 200, 300 Hz, itd.), ale o tę samą wielokrotność (np. 125, 250, 500 Hz, itd.). Dlatego też analiza sygnału w RTA jest dokonywana - o czym już pisałem wcześniej - w filtrach nie o stałej szerokości bezwzględnej, ale o stałej szerokości procentowej.
To też nam sugeruje, że również i okna czasowe używane w analizie funkcji przejścia nie powinny mieć stałej wartości, ale zmieniać się wraz z częstotliwością - zmniejszać się wraz ze wzrostem częstotliwości, i vice versa. Dzięki temu otrzymujemy "bezechową" charakterystykę w zakresie sopranów, z sukcesywnym poprawianiem się rozdzielczości w zakresie basów.
Kolejną zaletą funkcji przejścia w stosunku do tradycyjnej analizy w pasmach tercjowych jest znacznie większa szczegółowość przebiegu charakterystyki, która w RTA jest mocno "aproksymowana", zwłaszcza w zakresie najniższych częstotliwości. Np. zwykły RTA praktycznie nie jest w stanie wykryć efektu filtra grzebieniowego, o czym zresztą więcej za moment. Dzięki obróbce sygnału w procesie FFT od razu uwidaczniają się problemy wynikające z interferencji fazowych pomiędzy źródłami sygnału - czy to całymi zestawami głośnikowymi (np. subbasami), czy też między poszczególnymi przetwornikami w zestawie.
Wykorzystanie analizy funkcji przejścia z oknami czasowymi o zmiennej szerokości pozwala na zestrojenie systemu w sposób zbliżony do metody pomiaru RTA w polu bliskim (płaski przebieg charakterystyki amplitudowej w funkcji częstotliwości), choć mikrofon pomiarowy jest ustawiony w polu dalekim. Przewaga tej metody nad RTA polega na tym, że uwzględnia ona wpływ tłumienia wyższych częstotliwości przez powietrze, które można skompensować odpowiednią korekcją (w polu bliskim fala dźwiękowa przebywa jeszcze zbyt krótką drogę, aby ten efekt był zauważalny).
Innym problemem jest odpowiednie ulokowanie mikrofonu pomiarowego względem mierzonych zestawów głośnikowych, aby uniknąć mocnych (o dużym poziomie) wczesnych odbić sygnału.
"PODŁOGOWE ODBICIA"
Efekt odbić "podłogowych" jest bodajże najpopularniejszym przykładem wczesnych odbić (early reflection), który jest odpowiedzialny za powstawanie ciekawego, acz szkodliwego zjawiska, słyszalnego głównie w zakresie niskich częstotliwości. Mowa o filtrze grzebieniowym, który powoduje powstawanie na charakterystyce głębokich wcięć. Jest on doskonałym przykładem zasady "im mniej, tym lepiej", którą należy stosować w przypadku niektórych akustyków. W czym rzecz?
Ano w tym, o czym wspomniałem wcześniej - jeśli mamy do dyspozycji "zwykły" RTA, efekt ten jest niezauważalny, właśnie z powodu małej rozdzielczości analizy. Nie ma więc "pokusy" dla nieuświadomionych (żeby nie powiedzieć otwarcie - niedouczonych) realizatorów do "naprawiania" takiej charakterystyki, czyli np. podbijania tych częstotliwości, dla których owe wcięcia są znaczne.
Ale wróćmy do tematu. Efekt odbić od podłogi może być minimalizowany przez stosowanie zależnego od częstotliwości okienkowania czasowego o odpowiednio dobranych parametrach albo - co jest łatwiejsze - usytuowanie mikrofonu pomiarowego
blisko podłogi lub na blacie umieszczonym w miejscu odsłuchu. Inna sprawa, że efekt ten w zasadzie zanika, gdy pojawi się publiczność, a więc nie trzeba sobie aż tak bardzo nim zawracać głowy podczas strojenia systemu przed imprezą, gdy na widowni jest jeszcze pusto.
Pułapką, w jaką wpadają niedoświadczeni technicy systemów i/lub realizatorzy, jest próba poprawiania wszelkich niedoskonałości charakterystyki za pomocą korektora, podczas gdy w pewnych sytuacjach to nic nie da, mało tego - może wręcz pogorszyć sytuację. Equalizer działa bowiem "globalnie", podczas gdy trzeba działać "lokalnie" (pisaliśmy co nieco na ten temat w poprzednim numerze).
Te sytuacje, gdzie kręcenie korektorem nic nie daje, to:
- opisany wcześniej efekt odbić od podłogi
- interferencje między poszczególnymi głośnikami w zestawie
- odbicia od obiektów znajdujących się w bliskiej odległości od mikrofonu pomiarowego.
Za anomalie na charakterystyce w tych przypadkach odpowiadają zależności fazowe i kompensować je można tylko zmieniając czasy dotarcia sygnałów poszczególnych źródeł, bądź to przez zmianę ustawienia zestawów, bądź wprowadzenie opóźnień odpowiednich sygnałów.
PODSUMUJMY
Właściwe użycie tradycyjnej metody z analizatorami RTA jest bardzo użyteczne przy pomiarach w każdej odległości od systemu, jeśli pracujemy w plenerze. W pomieszczeniach sprawdza się, gdy mikrofon pomiarowy jest ustawiony w polu bliskim (co jednak w większości przypadków nie jest korzystne), natomiast jeśli mikrofon ulokujemy w dalszej odległości, odbicia od podłogi i ścian oraz nierównomierna (dla różnych częstotliwości) absorpcja sygnału przez ściany powoduje pewne problemy. Aby je minimalizować trzeba stroić system nie "na płasko", ale stosując krzywą ważoną, opisaną wcześniej.
Jeśli bowiem "wyciągniemy" wysokie częstotliwości, tak aby zrównać je z niskimi (wg. wskazań analizatora), system będzie brzmiał ostro, bardzo nieprzyjemnie. Niezaprzeczalną zaletą tej metody jest jej stosunkowa prostota, o ile zna się i stosuje jej opisane tutaj ograniczenia.
Analiza za pomocą funkcji przejścia uwalnia nas od niektórych problemów towarzyszących metodzie tradycyjnej, ale z drugiej strony wymaga większej wiedzy i umiejętności operatora.
Piotr Sadłoń
Piotr Sadłoń jest Redaktorem Naczelnym Live Sound Polska. Kontakt: sadlon@livesound.pl.
