Wyrównanie (czasowe) sygnałów - idea i zasada "działania"

Wynika to oczywiście z faktu określonego czasu, potrzebnego na pokonanie danej drogi przez falę akustyczną, która - jak chyba wszystkim wiadomo - porusza się z prędkością dźwięku, czyli ok. 340 m/s.

Z wyrównywaniem czasowym, a więc stosowaniem opóźnień sygnałów, w nagłośnieniu spotykamy się zarówno w skali makro (koncertowe nagłośnienia strefowe, czyli tzw. delaye i opóźnienia poszczególnych zestawów głośnikowych lub ich grup w systemach instalacyjnych), jak i w skali mikro (wyrównywanie czasowe pomiędzy głośnikami w zestawie).

Często też będziemy mieć do czynienia z czymś pośrednim między skalą mikro i makro, tj. wyrównywaniem czasowym pomiędzy poszczególnymi zestawami czy modułami, np. w klastrze systemu liniowego albo pomiędzy takowym klastrem a subbasami.

JAK TO DZIAŁA?

Wielu mniej doświadczonym (żeby nie powiedzieć - domorosłym) dźwiękowcom wydaje się, że wyrównanie czasowe przetworników w zestawie głośnikowym jest równoznaczne ze zmierzeniem różnicy w odległości cewek tychże przetworników od płyty czołowej obudowy, a następnie dodanie opóźnienia odpowiadającego tej odległości do sygnału przetwornika, który jest bliżej czoła obudowy (przeważnie będzie to głośnik nisko-średniotonowy, gdyż driver głośnika tubowego jest głębiej w obudowie, właśnie "z powodu" współpracy z tubą).

Niestety, takie rozumowanie jest błędne, gdyż nie bierze ono pod uwagę faktu istnienia "po drodze" owego sygnału filtru zwrotnicy oraz samego głośnika, który z elektrycznego punktu widzenia również jest filtrem. Jak bowiem (mam nadzieję) wszystkim wiadomo, każdy filtr "kręci" fazą sygnału przezeń przechodzącego, w efekcie czego na jego wyjściu mamy dodatnie (pozytywne) przesunięcie fazowe dla częstotliwości, które nie zostały odfiltrowane.

Ponieważ 360-stopniowemu przesunięciu fazowemu odpowiada przesunięcie sygnału o całą długość fali (jeden pełny cykl), co z kolei może być wyrażone zarówno w jednostkach czasu jak i odległości, każde przesunięcie fazowe jest równoznaczne z opóźnieniem czasowym sygnału.

PRZYKŁADY

Jeśli dla przykładu weźmiemy pod uwagę najbardziej "sztandarową" częstotliwość 1 kHz (czyli 1.000 cykli na sekundę), jednej długości fali odpowiada czas 1/1.000 s, czyli 1 ms. W takim razie 360-stopniowemu przesunięciu fazowemu odpowiadać będzie opóźnienie sygnału o 1 ms, 180-stopniowemu (połowa fali) 0,5 ms, a przesunięciu o 90 stopni (1/4 długości fali) - opóźnienie wynoszące 0,25 ms. Dla 2 kHz jeden cykl trwa o połowę krócej (0,5 ms), a więc i opóźnienia sygnału będą o połowę krótsze, niż dla 1 kHz. Z kolei dla częstotliwości 20 Hz przesunięcie fazy o połowę długości fali odpowiada opóźnienie równe 25 ms lub - wyrażone w odległości, przy prędkości dźwięku 340 m/s - 8,5 m.

DO RZECZY

Wróćmy jednak do naszego wyrównania czasowego. Jak już wcześniej wspomniałem, wszystkie filtry wpływają na fazę sygnału, który zostanie przez nie przepuszczony. Tak więc jeśli chcemy poprawnie wykonać czasowe wyrównanie głośników, musimy wziąć pod uwagę nie tylko różnice w odległości ich cewek od czoła obudowy, ale również przesunięcia fazowe spowodowane przejściem sygnału przez crossover, ewentualne korektory po podziale pasma oraz sam głośnik.

Natomiast korekcja dokonana przed crossoverem nie ma dla nas w tym momencie żadnego znaczenia, bo zniekształcenia fazy, które tam się też niewątpliwe dokonały, będą dotyczyły całego sygnału, a więc będą takie same dla wszystkich przetworników. To samo będzie się tyczyć wyrównania czasowego między systemem szerokopasmowym a subwooferem(ami), gdyż tu również nie wystarczy tylko zmierzenie odległości między nimi i wpisanie jej do procesora (lub odpowiadającego jej opóźnienia), bowiem w fazie sygnału namiesza nam jeszcze crossover i sam głośnik, a może też i dodatkowa korekcja barwy już za crossoverem.

DO DZIEŁA

Spróbujemy teraz zaprzęgnąć tę wiedzę do wykonania wyrównania czasowego w dwudrożnym zestawie głośnikowym, złożonym z klasycznego 12-calowego nisko-średniotonowego głośnika otwartego oraz tubowego drivera ciśnieniowego. Zanim jednak przystąpimy do "mieszania" w opóźnieniach, musimy się upewnić, że oba przetworniki są odpowiednio połączone, tj. mają tę samą polaryzację, tak względem siebie jak i względem sygnału wejściowego. Nie będziemy się teraz zagłębiać, jak tego dokonać, bo to podstawowa wiedza, którą każdy inżynier systemu, realizator i technik powinien posiadać.

Na rysunku 1 mamy zaprezentowane "podrasowane", tzn. wyrównane charakterystyki przenoszenia obu głośników, "obcięte" za pomocą crossovera Linkwitz-Rileya 4 rzędu (czyli o nachyleniu 24 dB/okt), w punkcie podziału 1 kHz. Dla zwrotnicy o takim nachyleniu, aby wynikowa charakterystyka była zbliżona maksymalnie do linii poziomej, punkt przecięcia się charakterystyk obu przetworników musi wypaść 6 dB poniżej poziomu ustalonego.

Żeby spełnić to założenie oba głośniki muszą pracować z takim samym poziomem SPL. Niby wszystko wygląda OK - poziomy odtwarzania przetworników są takie same, ich charakterystyki przecinają się dokładnie w punkcie przez nas założonym, zarówno na osi częstotliwości, jak i poziomów SPL. Powinna nam wyjść piękna, równa jak stół charakterystyka wynikowa. Czy tak będzie w rzeczywistości?

Spójrzmy na rysunek 2, bo właśnie na nim możemy zaobserwować, co nam faktycznie z tego wyszło. Jak widać, do ideału bardzo daleko - wynikowa charakterystyka wygląda gorzej niż dwie nałożone na siebie charakterystyki obu przetworników!! Nie dość, że punkt podziału "uciekł" nam co nieco w lewo na osi częstotliwości to, co gorsza, zamiast wyrównania charakterystyki w punkcie podziału (zasypania dołka) mamy 11-decybelowe wcięcie! Dodatkowo mamy małe odbicie w okolicy 600 Hz, czego wcześniej nie było. Co się stało?

Wszystkiemu winna jest niezgodność fazowa przetworników - oba odtwarzają tą samą częstotliwość (w punkcie podziału), ale z dużym przesunięciem fazowym, stąd to wytłumienie. Kręcenie korektorem nic tutaj nie pomoże, ponieważ wpłynie mniej więcej tak samo na zmianę charakterystyk obu głośników, a problem z fazą pozostanie. Jedyne wyjście to wprowadzić odpowiednie opóźnienie jednego z nich, aby wyrównać je czasowo

JAK TO ZROBIĆ?

Na rysunku 3 możemy zobaczyć dodatkowo przebieg charakterystyki fazowej sygnału wynikowego (po crossoverze). Widać wyraźnie dość gwałtowną zmianę w nachyleniu tej charakterystyki w okolicy punktu podziału pasma, co również wskazuje na niedopasowanie fazowe przetworników. Mamy więc już potwierdzenie z dwóch źródeł, że coś jest nie tak z fazą.

W tym miejscu wielu z tych, którzy praktykują wyrównywanie czasowe sygnałów - czy to poszczególnych głośników w zestawie, czy całych zestawów (systemów) względem siebie - aplikuje niewielkie opóźnienie sygnału bliższego głośnika lub zestawu, obserwując co dzieje się z charakterystyką fazową. Następnie sukcesywnie zwiększa dodawane do sygnału opóźnienie, starając się uzyskać maksymalnie liniowy (co nie znaczy - płaski!) przebieg fazy w funkcji częstotliwości.

Oczywiście, nie ma nic złego w tej metodzie, jest dość powszechnie stosowana i - co ważne - działa. Jest jednak pewna trudność w precyzyjnym wyrównaniu sygnałów za jej pomocą. Otóż kilka ostatnich kroków podczas zwiększania opóźnienia sygnału, zarówno zanim dojdziemy do tej właściwej wartości, jak i w sytuacji gdy już nieco ją "przewalimy", w zasadzie nie wywoła zauważalnych zmian w przebiegu charakterystyki.

A więc możemy (tzw. fuksem) trafić w dokładnie tę wartość, o którą trzeba opóźnić sygnał, a możemy (co bardziej prawdopodobne) tylko się o nią "ocierać". OK, ktoś powie, że 0,01 ms w tą czy w tamtą nie robi już aż tak dużej różnicy, a przynajmniej nie jest to słyszalne. Fakt, ale oprócz poprawienia charakterystyki amplitudowej właściwie dobrane opóźnienie sygnału (a więc zestrojenie fazowe poszczególnych sygnałów) sprawia, że wiązka promieniowanego dźwięku jest dokładnie prostopadła do osi podłużnej (inaczej, do powierzchni czołowej) zestawu.

A przecież w systemach line array, kiedy "strzelamy" konkretnymi jego modułami w dość precyzyjnie wybrane miejsce na widowni, odchylenie wiązki nawet o jeden czy dwa stopnie w dużej odległości od systemu spowoduje pokrycie zupełnie innego obszaru, niż sobie założyliśmy w naszych obliczeniach systemu.

Jest też drugi problem - a jeśli ktoś nie dysponuje programem do analizy sygnału, który wykreśla również charakterystykę fazową, a tylko zwykłym RTA? No cóż, ma pecha. Za pomocą tej metody nie uda mu się wyrównać charakterystyki amplitudowej zestawu/systemu.

IDZIEMY NA ŁATWIZNĘ?

Jest też łatwiejsza metoda, nie wymagająca konieczności dysponowania oprogramowaniem, które będzie pokazywać nam zmianę fazy sygnału wraz z częstotliwością. W tym przypadku w zupełności wystarczający będzie zwykły RTA, a metodą tą możemy bardzo precyzyjnie zestroić nasze głośniki w zestawie, bo trzeba przyznać, że o wiele lepiej jest posługiwać się nią przy strojeniu zestawu (poprzez wyrównanie czasowe jego głośników), niż całych systemów (np. subbasów do górek czy też odwrotnie).

Pierwszy krok polega na odwróceniu polaryzacji głośnika wysokotonowego (no właśnie, polaryzacji, a nie jak to się często (błędnie!) mówi - fazy. Fazy bowiem nie można "odwrócić", a jedynie "przesunąć", jeśli już). Teraz zwiększamy sukcesywnie wartość opóźnienia sygnału "bliższego" głośnika, obserwując stopniowe pogłębianie się "zapadłości" w punkcie podziału. Gdy osiągniemy największe wcięcie w paśmie, którego wartość będzie się mieścić przeważnie w zakresie od -30 do -40 dB, możemy być pewni, że ta wartość opóźnienia jest optymalną w tym układzie.

Znacznie łatwiej jest ją uzyskać tą metodą, niż poprzez linearyzowanie charakterystyki fazowej "na oko", bowiem zmiana opóźnienia tylko o jeden krok spowoduje zmniejszenie głębokości zapadłości na charakterystyce amplitudowej nawet o kilka decybeli! Teraz wystarczy tylko powrócić do właściwej polaryzacji drivera i charakterystyka amplitudowa powinna się pięknie spłaszczyć.

SZCZEGÓLNY PRZYPADEK

Na rysunku 4 widzimy dwie charakterystyki tego samego zestawu, z tą różnicą, że jedna z głośnikiem HF we właściwej polaryzacji, a druga (ta bardziej płaska) z odwróconą polaryzacją drivera. Tak się akurat szczęśliwie złożyło, że po odwróceniu polaryzacji przetwornika wysokotonowego charakterystyka amplitudowa zestawu wygląda naprawdę nieźle. W takiej sytuacji można pokusić się o to, by na tym zakończyć swoje wyrównywanie czasowe zestawu i uznać sprawę za załatwioną. Tak po prawdzie, to przed tym, zanim cyfrowe procesory DSP stały się powszechnie dostępne, tak właśnie wyglądało poprawianie "dołków" w punktach podziału pasma.

Najczęściej stosowanymi zwrotnicami pasywnymi w zestawach są układu drugiego rzędu, o nachyleniu charakterystyki 12 dB/oktawę. Taki crossover "produkuje" 3-decybelowe wcięcie w charakterystyce w punkcie podziału, a sygnał drivera jest przesunięty w fazie o 180 stopni w stosunku do woofera.

Odwrócenie polaryzacji przetwornika HF sprawia, że automatycznie pracuje on w fazie z głośnikiem LF, a dołek na charakterystyce zanika. W wielu urządzeniach głośnikowych z pasywną zwrotnicą tak właśnie rozwiązany jest problem nierównomierności w punkcie podziału pasma.

Pytanie: czy różnica w brzmieniu zestawu zgodnego i niezgodnego w polaryzacji jest słyszalna? I tak, i nie. Konkretnie - jeśli sygnał jest mocno niesymetrycznym przebiegiem, odwrócona polaryzacja drivera jest słyszalna, jeśli sygnał jest symetryczny - nie jest. Tak więc korzystniej jest pozostawić przetworniki w polaryzacji zgodnej, a charakterystykę wynikową zestawu "podrasować" za pomocą procesora głośnikowego, wprowadzając opóźnienie sygnału o odpowiedniej wartości.

Proszę zwrócić uwagę na rysunek 5, który od rysunku 4 różni się tylko tym, że dołączono do niego również charakterystykę fazową. Jak widać, odwrócenie polaryzacji drivera dużo pomogło, ale jednak przebieg fazy w funkcji częstotliwości w okolicy punktu podziału pasma odbiega nieco od linii prostej, co świadczy jednak o pewnym niedopasowaniu sygnałów.

Z kolei rysunek 6 ilustruje proces strojenia czasowego wg. metody opisanej wyżej (z tymczasowym odwróceniem polaryzacji i uzyskaniem największego "doła"). W tym przypadku maksymalne wcięcie wynosi -37 dB, co odpowiada opóźnieniu sygnału głośnika LF o 0,417 ms. Jeśli w tym przypadku zmienimy opóźnienie o jeden krok, czyli na 0,396 ms, wgłębienie zmniejszy się aż o 10 dB!

Na rysunku 7 mamy dorzuconą charakterystykę fazową przypadku z opóźnieniem 0,417 ms. Jak widać, w punkcie podziału jest to pionowa linia prosta, co oznacza, że przesunięcie fazy wynosi tam 180o.

Rysunek 8 prezentuje finalną charakterystykę amplitudową i fazową, po "wykryciu" i "zaaplikowaniu" właściwej wartości opóźnienia sygnału głośnika "bliższego". Porównując te charakterystyki z tymi z rysunku 5 (czyli z układem, gdzie tylko odwrócono polaryzację drivera HF), zauważamy, że przebieg fazy w regionie, gdzie następuje podział pasma jest bardziej liniowy na rysunku 8, niż na 5, a ponadto nie występuje drobne wcięcie w okolicy 600 Hz, co również wynikało z odwrotnej polaryzacji przetwornika HF w stosunku do LF.

Jeśli dokonujemy wyrównania czasowego opisaną wyżej metodą, a więc bez oglądania charakterystyki fazowej, po otrzymaniu największego "dołka" i przywróceniu właściwej polaryzacji głośnika HF dobrze jest jednak spojrzeć (jeśli nasz system pomiarowy na to pozwala) na przebieg fazy. Dobrze jest się bowiem upewnić, czy aby nie jesteśmy o jeden cykl do przodu lub do tyłu, przez opóźnienie niewłaściwego głośnika lub poprzez opóźnienie tego właściwego o 360o za dużo. W obu przypadkach charakterystyka amplitudowa będzie wyglądała tak samo, jednak jeden rzut oka na charakterystykę fazową pomoże stwierdzić, że jednak coś jest nie tak!

Piotr Sadłoń

---

W przygotowaniu artykułu autor korzystał z opracowania tego tematu przez Johna Murraya, skąd również zaczerpnięte są wykresy ilustrujące opisywany przypadek.