Управление басом и канал низкочастотных эффектов (LFE). Часть 1

26 сентября 2005 года

Доброго дня, уважаемые дамы и господа.

Давайте представим мир, в котором мы живем, но не ту ничтожную часть, в которой мы существуем, а ту бесконечно огромную, которая находится вне и внутри нас. Представили? Ха-ха-ха. Тот, кто смог представить, уже не в состоянии читать дальше, он сошел с ума на ближайшие лет двадцать. Это была ловушка. Для тех же, кто не смог, продолжим. Логично предположить, что у этого мира есть законы. Хотя бы один. Возможно и не закон вовсе. Но ведь движемся, даже в некотором смысле развиваемся. Значит, закон есть.

Первая часть Закона гласит. Ноль разделяется на один и минус один. Один развивается в два, два в четыре, четыре в шестнадцать. Каждая часть обретает границу, борется за свою независимость. От каждой части образуются новые части и тоже мнят себя индивидуальностями.

Вторая часть Закона гласит. Части должны бороться между собой, изучать себя и других и таким образом получать опыт. Через опыт части должны понять, что они дополняют друг друга и начать объединяться. Из шестнадцати образуется четыре, из четырех два, из двух одно, один и минус один сливаются в ноль.

Графически закон выглядит так:

Вначале было ничего. То есть ничего не было. Впрочем, была мысль. Мысль ни о чем. Потом эта мысль ни о чем расстроилась, опечалилась, озадачилась о ни о чем. И взорвалась от напряжения. В общем, получился большой Бум. Началось творение вселенной. Количество материи увеличивалось, росло число тел, все разделялось, обретая границы между собой и ними, усложняясь, вихрясь в кружении, сталкиваясь, рождая все новые части и зависимости, меньшее соединялось, большое разрывалось, распадалось, завихряясь в спиральностях галактик, звездных скоплениях и планетарных системах. Появилось первое живое существо. Одноклеточное. В огромном океане. Одно. Ему было скучно. И оно начало делиться. Появились те, кто смогли выбраться на сушу и уже не могли вернуться обратно. Кто-то стал травой, кто-то деревом, кто-то забрался на дерево. Кто-то грыз корни дерева. Кто-то летал над деревом. Кто-то охотился за тем, кто на дереве.

Вот такой закон: Этот всеобщий закон повторяется многократно, многомиллионно и многомиллиардно на всех уровнях, начиная микрокосмосом, проходя через человека и заканчиваясь в макрокосмосе. Вас, людей все больше. Количество областей приложения усилий растет каждую секунду. Каждый специалист ныряет все глубже во все меньшую прорубь. Закон работает везде. В техногенном развитии: в карманах, сумках, домах с каждым прожитым днем N количество предметов возрастает на N+1, нужных предметов — телевизоров, пылесосов, мобильников, плееров, фотокамер:

По закону процессы должны постепенно менять свой знак. Когда-то: Как бы описывая полукруг и начиная движение в обратном направлении, но в другом качестве. Ученые сначала задумываются, потом начинают робко говорить, что вселенная перестает разбегаться и скоро начнет движение вспять. Вплоть до того момента, когда снова все соберется в точку.

Каждый меньший процесс в этом мире повторяет большой тотальный и идет по тому же алгоритму. Нужно учитывать, что маленькие процессы начинаются и заканчиваются, помогая большому. На Земле политический процесс постепенно переходит уже во вторую стадию, меняя направление. Соединение Германии, создание Объединенной Европы признаки этого. Внутри любого процесса существует много мелких, которые идут своим чередом. В этом смысле показательно развитие человеческой сексуальноси от первоначально жесткого размежевания на пары с помощью догм религии и морали, до роста разнообразных ответвлений лесби и гомо. И как следующий этап — шведско-французкие семьи. Теоретически, следуя логике закона, следует ожидать развития свингерского движения, возможно образования коммун.

Нужно отметить, что переход к следующему этапу не возможен, если полностью не пройден предыдущий. Поступательное движение базируется на опыте всех предыдущих этапов. Пропуск или большой шаг вперед, хотя и кажется на первый взгляд шагом прогресса, на самом деле означает, что пропущенную часть все равно обязательно придется пройти, проползти, исследовать собственной душой, головой, кожей потому, что таков закон.

В аудио-видео технике в настоящий момент этап развития вариантов. Множество форматов, внутри которых свои ветви и веточки. Из моно вырос многоканальный звук. И это правильно, это было предопределено еще в самом начале, потому что все идет по закону. Наша задача пройти каждый этап. Закончить его можно только, выполнив все миссии, разобравшись во всех нюансах. После этого откроются новые горизонты с другими задачами.

Пока в многоканальном звуке не все ясно. Это касается и воспроизведения баса. Особенно воспроизведения баса. Давайте будем держаться внутри закона (как будто у нас есть выбор) и попробуем хотя бы частично выяснить вопрос с каналом LFE, или, по-русски, с каналом низкочастотных эффектов. А поможет нам в этом статья одного из самых компетентных в этой области специалистов — президента компании «Performance Media Industries» Anthony Grimani.

Управление басом и канал низкочастотных эффектов (LFE).

Anthony Grimani

Бас — подобно соли. Действительно, это так. Соль — приправа, которую мы добавляем к хорошей пище, чтобы сделать ее еще вкуснее. Относительно баса абсолютно то же самое. Акустическая система без баса лишена того последнего мельчайшего элемента, который превращает обычный процесс слушания музыки или просмотр кинофильма в захватывающий, эмоционально окрашенный опыт.

Соль, несмотря на свои достоинства, может практически уничтожить вкус прекрасно приготовленной пищи, если она используется ненадлежащим образом или в избытке. Полная аналогия с басом. Так же, как соль может испортить пищу, бас способен убить акустическую систему. Большинство из нас прекрасно представляют, к чему ведет неправильное звучание басов. Это примерно то же самое, если опрокинуть полную солонку на аппетитный кусок арбуза. Ха-ха.

Наша цель состоит в том, чтобы использовать бас для усиления эффекта реальности звука. Здесь лежит одна из самых больших проблем домашнего кинотеатра, поскольку три различных силы работают против того, чтобы не превратить чай с помощью баса в соленый.

Во-первых, помещения, в которых мы размещаем наши акустические системы, не являются особенно дружественными к басу. Во-вторых, характер баса в музыке, которую мы слушаем, очень различный. И, наконец, оборудование, которое мы используем для прослушивания, 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 АВ-процессорв, 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 управление басом может быть отнесено к 1980-ым годам, когда Miller & Kreisel Sound & Triad Speakers начали продвигать использование систем сателиты+сабвуфер. В то же самое время, лаборатория Долби представила систему отделения баса в декодерах Pro Logic. Идея состояла в том, чтобы убрать бас из маленьких центральных каналов.

Следующий шаг в управлении басом был сделан в 1990 году. В соответствии с придуманными ими стандартами THX, Lucasfilm требовали, чтобы каждая акустическая система давала 105dB баса в точке прослушивания, ровно столько, сколько мы имеем в киностудии. Понимая, что акустическая система, способная к созданию такого потрясающего баса, была бы непрактична в подавляющем большинстве помещений, THX решило снизить требования для акустических систем. Бас от всех каналов был переадресован к одному или нескольким сабвуферам, позволяя системе домашнего кинотеатра производить громоподобный бас, при небольших полочных колонках.

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 115dB баса в точке прослушивания. В этих новых, по тем временам, форматах для оптимизации воспроизведения низких частот включались следующие блоки:

Тестовая система для определения частотного диапазона и отдачи на басах каждой акустической системы (включая сабвуферы) в домашнем кинотеатре.
Фильтр с возможностью настройки для каждой акустической системы, чтобы гарантировать, что она получает только то, что способна воспроизвести.
«Умное» программное перенаправление и объединение низкочастотной составляющей для повышения качества баса всей системы домашнего кинотеатра.
Ограничитель пикового уровня баса для каждой акустической системы, для предотвращения перегрузок по басу.
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 в 1995 году, и все еще не доступно сегодня. Вместо этого в АВ-процессорах были применены упрощенные версии, включающие части и куски общей разработки. Самой распространенной является версия, которая требовалась THX для лицензирования.

Основы Управления Басом.

То, что мы находим сегодня в большинстве АВ-процесорв это — форма управления басом, которая включает highpass фильтр (фильтр низких частот) для каждой акустической системы (фронтальной левой и правой, центрального, левой и правого боковой и тыловых), соответствующий lowpass фильтр (фильтр высоких частот) для выхода сабвуфера, функцию переадресации басовой составляющей, лежащей ниже частоты фильтра highpass основных акустических систем и ограничитель пикового уровня баса.

Однако в помещениях, длина и ширина которых меньше 12 метров, эксперты рекомендуют применять highpass фильтры 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 же highpass фильтров для акустических систем 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.

Нighpass фильтры для акустических систем и lowpass фильтры сабвуфера должны быть установлены согласно двум факторам: резонансам помещения и способностям воспроизведения баса основными акустическими системами (см. рис. 1).

Рис. 1. Частотная кривая для «Маленький» 
установки основной акустической системы.​​

Идеальный вариант, если бы АВ-процессор применял для каждой акустической системы свой фильтр с частотой среза, обусловленной возможностями акустики и ее положением в комнате. В реальном мире об этом можно только мечтать. АВ-процессоры чаще всего дают возможность пользователю две возможности: первую — регулировать частоту, ниже которой сигнал из всех акустических систем пойдет на сабвуфер, вторую- задействовать или нет, по желанию, фиксированную частоту ниже которой бас опять же пойдет на сабвуфер. АВ-процессоры с фиксированной частотой предлагают для акустических систем опцию «Большой/Маленький» (Large/Small), при «Большой» установке фильтр убирается, а при «Маленький» — устанавливается. Если процессор предлагает фильтры с регулируемой частотой, то частота фильтра может выбираться в дополнение к установке «Большой/Маленький».

Рис.2 Длина звуковой волны 
совпадает с длиной помещения.​

Хотя нам хотелось бы иметь фильтры с регулируемой частотой, фильтры с фиксированной частотой не всегда плохи. Обширное исследование проблемы, проводимое в Европе, показало, что фильтры 80Hz — лучший выбор из частотно фиксируемых фильтров. Выяснилось, что подавляющее большинство людей начинают слышать сабвуфер отдельно (локализировать в пространстве) в среднем на частоте 185 Гц, а 80 Гц явились абсолютным минимальным пределом, ниже которого никто не мог определить нахождение сабвуфера. Это привело к тому, что большинство изготовителей выбрали частоту 80 Гц для своих фиксированных фильтров. Первичные резонансы в помещении — обычно ниже 80 Гц, так что основные акустические системы можно располагать для получения хорошей звуковой сцены, не заботясь о басовых резонансах (см. рис. 2). Кроме того, относительно небольшие динамики способны произвести громкость в 105dB на частоте не более чем 80 Гц.

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

К сожалению, средняя (обычная) система перенаправления баса далека от идеала. Некоторые AВ-процессоры имеют не что иное, как минимальные требования системы Dolby (1) 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 (см. рис. 3). Во втором случае, когда частота баса ниже частоты фильтра фронтальных, центральных и тыловых колонок, он направляется на сабвуфер вместе с LFE каналом (см. рис. 4). Большинство процессоров, тем не менее, работают где-то между системой полного переназначения и минимальными требованиями.

Рис.3 Большой фронт/маленький центр/
маленький тыл/ нет сабвуфера.​

Рис. 4. Маленький фронт/маленький центр/
маленький тыл/ есть сабвуфер.​

Иногда процессор обеспечивает пользователя опцией перенаправления баса от маленьких акустических систем как к сабвуферу, так и к большим фронтальным акустическим системам. Это — вообще плохая идея, потому что бас больших колонок будет взаимодействовать с басами сабвуферов. Лучше послать бас от маленьких основных акустических систем к сабвуферам и только к сабвуферам, собственно, как и делают большинство процессоров.

Когда high- и lowpass фильтры настроены, весь бас направлен на соответствующие акустические системы, нужно настроить ограничитель пикового уровня баса. Он препятствует искажениям баса, даже при самых больших громкостях. Из-за распространения ограничителей в активных сабвуферах, не все АВ-процессоры включают ограничители, но они часто встречаются в THX-сертифицированных аппаратах.

Функция ограничителя — предотвратить выход из процессора повышенного напряжения, которое приведет к перегрузке основных акустических систем или сабвуферов (см. рис. 5). Ограничители обычно применяются на выходе для сабвуфера, но некоторые процессоры также имеют на борту ограничители для акустических систем в случае, если отсутствует сабвуфер и LFE канал, а также бас от маленьких колонок направляется на фронтальные акустические системы.

Рис.5. Ограничитель пикового уровня баса. Все акустические
системы «маленькие», суммарный бас на сабвуфере
превышает его возможности воспроизведения.​

Уровень ограничителя обычно выставляется путем прослушивания тестовых басовых шумов, генерируемых самим АВ-процессором, увеличивая уровень тестового шума до тех пор, пока искажение не становится слышимым, и вводя в контроллер уровень, где это искажение начинается. При достижении этого уровня контроллер задействует ограничитель.

Конец первой части.

Желаю Вам, всяческих благ.

Федорив Андрей