DSP w systemach głośnikowych - strojenie, podział pasma i wyrównanie czasowe

Mam tu na myśli procesory głośnikowe, bez których obecnie nie tylko duże, ale również średnie, a nawet mniejsze systemy się nie obejdą. W tym artykule postaram się przedstawić, jaką korzyść może nam dać wykorzystanie głośnikowych procesorów DSP, również w mniejszych systemach, np. monitorowych.

ANALIZATORY

Potrzebne nam będzie do tego, oczywiście oprócz procesora DSP, jakieś urządzenie lub oprogramowanie analizujące i przedstawiające charakterystykę amplitudową (mile widziana byłaby też charakterystyka fazowa) mierzonych zestawów/systemów. Najlepiej byłoby zaopatrzyć się w któryś z popularnych programów, np. SMAART czy SatLive albo dowolny
inny, który akurat mamy lub do którego mamy dostęp. W sytuacji gdy takowym nie dysponujemy, potrzebny nam będzie przynajmniej RTA, czyli analizator widma sygnału w czasie rzeczywistym (Real Time Analyzer).

A to już ucho nie wystarcza? - może ktoś zapyta. Ano nie. Kilka lat temu, podczas konwencji AES, jeden z producentów m.in. urządzeń pomiarowych zapraszał na swoim stoisku do wystrojenia, za pomocą equalizera i generatora szumu różowego, zestawu głośnikowego, tak aby uzyskać możliwie najbardziej płaską charakterystykę amplitudową. Oczywiście, poza EQ i szumem nic więcej - tylko ucho. Tych którym jako tako się to udało można było policzyć na palcach jednej ręki - znakomita większość uzyskiwała efekty wręcz zastraszające. "Ich" charakterystyka przenoszenia zestawu po zmierzeniu wyglądała jak przekrój przez Tatry Wysokie.

To dowodzi, że nasze ucho to jednak dość ułomny aparat i jeśli chodzi o uzyskanie efektów obiektywnych, nie można mu ufać. Pomijając oczywiście różne problemy ze słuchem (ubytki słuchu), różne przyzwyczajenia i osobiste preferencje sprawiają, że każdy "słyszy inaczej" i inaczej będzie stroił system. Dlatego też aby uzyskać miarodajne efekty nie obejdzie się bez dostępu do analizatora (co zresztą obecnie jest normą na każdym szanującym się stanowisku FOH).

Proszę mnie źle nie zrozumieć, nie jestem zwolennikiem coraz bardziej (niestety) modnej ostatnio metody miksowania "na oko", tj. z wykorzystaniem tylko, albo głównie, wskaźników wysterowania i poziomu, monitorów i wyświetlaczy, analizatorów i laptopów. Ucho, owszem, odgrywa moim zdaniem kluczową rolę przy realizacji dźwięku, ale jednak już na etapie soundchecku i oczywiście samego występu. Przygotowanie systemów do pracy to już inna bajka i nie wyobrażam sobie prawidłowego wystrojenia systemu nagłośnieniowego (ale też i monitorowego) bez urządzeń typu RTA czy oprogramowania pomiarowego - zwłaszcza w systemach wyrównanych liniowo.

Ale przejdźmy do rzeczy.

SPŁASZCZAMY

Na wstępie zaznaczmy, że rzecz dotyczyć będzie zestawów głośnikowych z aktywnym podziałem pasma - a więc pracujących w trybie bi-amp czy tri-amp - bo z zestawami stricte pasywnymi, z wbudowaną zwrotnicą, niewiele (oprócz popracowania korektorem) da się zrobić.

Wszystkim wiadomo, że korekcja zestawów czy systemów nagłośnieniowych, tak aby uzyskać możliwie płaską charakterystykę przenoszenia, to jedna z pierwszych powinności realizatora czy inżyniera systemu. Ta z kolei w głównej mierze zależeć będzie od warunków, w jakim przyjdzie im pracować, a więc przede wszystkim od akustyki pomieszczenia oraz innych rzeczy mogących wpływać na rozchodzenie się fal akustycznych.

Ale dlaczego mamy za każdym razem "walczyć" z zestawami, skoro już na wstępie możemy znacznie uprościć sobie robotę, jeśli odpalimy paczki, które same z siebie będą grały "płasko"? Wiadomo bowiem nie od dziś, że ideałów nie ma i charakterystyki przenoszenia większości produkowanych obecnie zestawów nagłośnieniowych mniej lub bardziej odbiegają od poziomej linii prostej.

Szczególnie cenne może okazać się to w przypadku monitorów bądź side-filli, dzięki czemu już na starcie możemy uzyskać spory margines bezpieczeństwa od sprzężeń (im bardziej płaska charakterystyka, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że jakaś częstotliwość w wybijającym się paśmie zacznie nam "wyć", zwłaszcza że mikrofon też idealnej charakterystyki mieć raczej nie będzie, szczególnie poza osią).

Dysponując procesorem głośnikowym DSP możemy raz a dobrze "wypłaszczyć" charakterystykę przenoszenia naszego zestawu/monitora i później niezbędną korekcję pasma (w konkretnych warunkach akustycznych) dokonywać bądź "zwykłym" korektorem graficznym, bądź modyfikując nieco ustawienia presetu "płaskiego". Oczywiście, procesory głośnikowe nie należą do tanich urządzeń, a w hierarchii ważności systemu nagłośnieniowego zajmują dość odległe miejsce - wiadomo, najważniejsze są zestawy nagłośnieniowe, wzmacniacze, miksery, kable, mikrofony itp., bez procesora w dużej mierze mniejszych i średnich sztuk można się teoretycznie obejść.

Nie muszą to jednak być urządzenia "wypasione", wyposażone w dziesiątki funkcji, filtry FIR najnowszej generacji itp. Wystarczy na początek, jeśli procesor oferował będzie na każdym z wyjść kilka (przynajmniej 4) korektorów parametrycznych, opóźnienie (delay), no i oczywiście crossover (lub filtry dolno- i górnoprzepustowe).

Pomiarów charakterystyk naszych zestawów najlepiej byłoby dokonać w warunkach pola swobodnego, czyli w komorze bezechowej. Ale, bądźmy szczerzy, jest ich w Polsce dosłownie kilka i koszt wykonania w niej pomiarów nie jest mały. Warunki zbliżone do pola swobodnego możemy uzyskać też sami - w przestrzeni otwartej, czyli na tzw. "polu", "dworzu" czy jak tam sobie chcecie to nazywać.

Biorąc pod uwagę, że pomiary i korekcje takie wykonamy tylko raz, warto poświęcić na to jeden z pogodnych, bezwietrznych dni, w spokojnej okolicy, np. gdzieś poza miastem. Szczególnie ważne to jest w przypadku pracy z generatorem szumu różowego i  analizatorem RTA. W przypadku posługiwania się specjalistycznym oprogramowaniem pomiarowym, gdy dysponujemy sygnałami typu przemiatany sinus i okienkowaniem czasowym, pomiarów można dokonać w mniej sprzyjającym otoczeniu, np. w magazynie (pod warunkiem, że nie jest to duże i puste pomieszczenie o ścianach mocno odbijających dźwięk, bo wtedy bardziej będzie to pole pogłosowe, niż swobodne).

Jednak nawet taki program nie zagwarantuje nam braku zafałszowania wyników i wpływu pomieszczenia w zakresie małych częstotliwości. Przykładowo - długość fali dla tonu o częstotliwości 40 Hz wynosi 8,5 m. Aby poprawnie zmierzyć taką częstotliwość, okno czasowe systemu pomiarowego musi być na tyle długie, aby zmieścić przynajmniej jeden okres fali. Niestety, jest to zbyt długi czas, aby nie "wyłapać" odbić pomieszczenia, które zakłócą pomiar.

Dla częstotliwości wyższych problem ten sukcesywnie maleje, aby już przy częstotliwościach powyżej kilkuset Hz stać się nieistotnym. Nie dotyczy to, jak wspomniałem, pomiarów RTA, gdyż tam okna czasowe nie istnieją, a więc odbicia będą grały istotną rolę w całym paśmie akustycznym.

METODA

Korekcji charakterystyki najlepiej dokonać "na raty", i to jeszcze przed tym, jak wybierzemy i ustawimy na crossoverze punkt(y) podziału pasma. Jeśli nie możemy sobie dać rady z najniższymi częstotliwościami, zacznijmy mierzyć od 150-200 Hz w górę. Ustawiamy nasz mikrofon pomiarowy (ważne, aby był to naprawdę pomiarowy przetwornik o możliwe płaskiej charakterystyce przenoszenia) w polu dalekim, w osi przetwornika niskotonowego lub nisko-średniotonowego. Czyli jak daleko? W odległości będącej co najmniej trzykrotnością najdłuższego wymiaru zestawu (zapewne będzie to jego wysokość).

Pomiar wykonujemy w pełnym paśmie, bez - jak wspomniałem - aktywnego crossovera, aczkolwiek dobrze jest załączyć filtr górnoprzepustowy, o odpowiednio dobranej częstotliwości, tak aby z jednej strony nie tłumił pasma użytecznego, a z drugiej zabezpieczał przetwornik przed nadmiernym obciążeniem go zbyt niskimi częstotliwościami o dużej energii.

Po otrzymaniu charakterystyki spróbujmy korektorem parametrycznym wyrównać ją, korygując najbardziej widoczne anomalie, tak aby otrzymać przebieg możliwie najbardziej zbliżony do płaskiego, oczywiście w użytecznym paśmie. Aby określić szerokość tegoż pasma, spójrzmy na zakres częstotliwości średnich i ustalmy miejsce, od którego amplituda sygnału spada już permanentnie i z dość dużym nachyleniem. Może to też być region, w którym pojawiają się ostre i głębokie "piki", bądź to tłumiące, bądź podbijające sygnał. Te zakresy nas już zupełnie nie interesują i nie ma tam co grzebać korektorem.

Po spłaszczeniu charakterystyki wybieramy punkt crossovera (albo częstotliwość graniczną filtru dolnoprzepustowego), dzięki czemu odfiltrowane zostają te częstotliwości, w których sygnał gwałtownie spada albo pojawiają się wspomniane wcześniej "śmieci" w postaci "pików". Aczkolwiek z wyborem częstotliwości crossovera czy filtru LPF można się wstrzymać do momentu zakończenia kolejnego kroku, czyli zmierzenia charakterystyki drivera (zakładamy dla uproszczenia, że mamy zestaw dwudrożny, ale dla trójdrożnego będzie to wyglądało generalnie tak samo, tylko plus dodatkowy pomiar i korekcja dla trzeciego przetwornika).

Pomiar drivera również dobrze jest wykonywać bez crossovera, ale - aby zabezpieczyć przetwornik przed uszkodzeniem - zakres przemiatania sygnałem testowym należy ograniczyć od dołu. Najlepiej sprawdzić jaka jest preferowana przez producenta najniższa częstotliwość crossovera dla danego przetwornika i od niej zaczynać przemiatanie sinusem. Nieco gorzej sprawa wygląda w przypadku szumu różowego jako sygnału testowego - tutaj już bez crossovera albo filtra górnoprzepustowego się nie obejdzie.

Przy czym nie musimy zgadywać jaka to będzie częstotliwość, tylko również - posiłkując się danymi producenta - ustawić najniższą rekomendowaną częstotliwość. Kolejny krok wygląda identycznie, jak dla woofera - za pomocą filtrów parametrycznych staramy się wyrównać charakterystykę przenoszenia drivera, pamiętając że jeśli pozostawimy 3-decybelowe podbicie w jakimś paśmie, to jeśli w podobnym paśmie podbita jest charakterystyka mikrofonu, uzyskamy aż 6-decybelową "górkę" dla układu mikrofon-zestaw głośnikowy, co znacząco pogorszy odstęp od sprzężenia. To akurat będzie istotne w przypadku monitorów podłogowych, ale i może mieć wpływ na sprzęganie się mikrofonów na scenie z nagłośnieniem FOH, jeśli jest ono wystarczająco blisko sceny albo - co gorsza - za sceną i wykonawcami.

Teraz możemy powrócić do wyboru punktu crossovera, który powinien znaleźć się w takim zakresie nakładających się pasm przetwarzania obu przetworników, w którym zachowują się one stosunkowo liniowo. Jeśli oznaczymy sobie taki region, wybrać możemy dowolny punkt w jego obrębie, aczkolwiek generalna zasada jest taka, że im mniejszy driver i mniejsza tuba, tym punkt podziału powinien znajdować się wyżej na osi częstotliwości. I na odwrót - większe drivery, współpracujące z większymi tubami, mogą już zaczynać pracować w obrębie nieco niższych częstotliwości.

Cały czas należy jednak pamiętać, aby nie przekraczać najniższej rekomendowanej przez producenta częstotliwości podziału. Należy też pamiętać, że im mniejsza częstotliwość podziału, tym lepsza kierunkowość zestawu, zwłaszcza w zakresie częstotliwości średnich - dotyczy to szczególnie zestawów z wysokotonowym głośnikiem tubowym.

POZIOMY I CZASY

Nadszedł czas na... czas, ale najpierw - trzymajmy poziom. Chodzi oczywiście o wyrównania czasowe oraz poziom sygnałów przetworników. Spróbujmy ustawić mikrofon na osi biegnącej między przetwornikiem nisko-średniotonowym a wysokotonowym i przeprowadźmy pomiar. Wyjścia crossovera ustawmy tak, aby średni poziom głośności był mniej więcej taki sam w całym użytecznym dla danego zestawu zakresie częstotliwości. A teraz spójrzcie na charakterystykę częstotliwościową i fazową w punkcie podziału. Tragedia, prawda?

Można jednak temu co nieco zaradzić. Korzystając z funkcji pomiaru charakterystyki impulsowej lub ETC porównajmy, jakie są czasy dotarcia sygnałów z obu przetworników. Zapewne będą różne. Korzystając teraz z opóźnienia ustawmy taką wartość w jednym z nich (oczywiście w tym, który jest "bliżej"), aby wyrównać te czasy. Przeprowadźmy pomiar jeszcze raz i ponownie spójrzmy na otrzymane charakterystyki - częstotliwościową i fazową. Wyglądają lepiej? Założę się, że tak.

Jeśli nie dysponujemy oprogramowaniem pomiarowym, a tylko analizatorem RTA, będzie trochę trudniej. Ale i tutaj nie jesteśmy bez szans. Spróbujmy zmienić polaryzację sygnału z wyjścia wysokich częstotliwości crossovera. Dla częstotliwości podziału powinno pojawić się wąskie wcięcie. Teraz spróbujmy zmieniać czas opóźnienia tak, aby uzyskać jak najgłębsze wcięcie. Zmieniając na powrót polaryzację sygnału HF powinniśmy uzyskać ładną charakterystykę w punkcie podziału. Ot, i cała filozofia.

Ostatni krok to zapisać ustawienia w pamięci procesora i... przejść do następnego zestawu, z którym musimy zrobić dokładnie to samo. Jeśli rzecz dotyczy monitorów, pomimo naszych zabiegów i tak może nam się nie udać "wycisnąć" z nich wszystkiego. Tak zapewne będzie w sytuacji, gdy dwa lub więcej monitorów będzie grało blisko siebie - nie unikniemy wtedy efektu filtra grzebieniowego.

Nasza pięknie wypłaszczona charakterystyka dla pojedynczego zestawu, przy współpracy dwóch czy trzech znów zacznie mieć górki i dolinki. Niestety, te "wypukłości" nie są punktami minimalnofazowymi, toteż nie uda nam się ich raczej zniwelować za pomocą korekcji. Może więc się okazać, że pojedynczy, dobrze wystrojony monitor będzie w stanie zagrać głośniej, niż dwa pracujące blisko siebie.

Jeśli już jednak musimy ustawić dwa (rider!), możemy zrobić inny "myk". Zamiast mikrofonu pomiarowego, którego używaliśmy przy ściąganiu charakterystyk, podłączamy do naszego RTA bądź programu, ten mikrofon, który będzie pracował w pobliżu tych konkretnych monitorów, i przy takim ustawieniu, jakie, teoretycznie przynajmniej, będzie miał podczas koncertu. W takim to układzie spróbujmy teraz dokonać korekty częstotliwości tych najbardziej uciążliwych zafalowań charakterystyki układu mikrofon-monitor(y).

Powinno choć trochę pomóc i pozwolić uzyskać nieco większy poziom głośności w monitorach. Jeśli jednak się Wam to nie uda, zwalcie to proszę na procesor, a nie na mnie, bo - o czym wszyscy chyba wiemy - nie ma jednej idealnej recepty na uzyskanie dobrego i głośnego brzmienia w każdej sytuacji. Mimo wszystko - powodzenia!

Piotr Sadłoń

---

Autor przy pisaniu tego artykułu korzystał z pracy Bruce’a Maina.