Фазовое и временнóе согласование динамиков на частоте раздела полос.

[SOVA]

Вот тут некоторые неравнодушные к звуку Личности пишут сказки.
Я не сказочник, но как-то обмолвился о своём методе согласования динамиков. Последнее время был сильно занят на работе, но сейчас появился чуток времени, чтобы выполнить обещание.
Сразу скажу, что эта тема не в противовес сказке, а скорее, моё видение данной проблемы.
Второе - это не интерактивная сказка. Список проблемных вопросов поставлен и на них будет дан ответ. Можете вставлять свои дополнения, но статья написана по первоначальным вопросам.

Итак, первая часть:
---
Фазовое и временнóе согласование динамиков на частоте раздела полос.

Список вопросов:

• Спектр сигнала BURST 100 Гц 5 периодов
• Cигнал BURST, прошедший через фильтр НЧ и ВЧ 1-го порядка
• Cигнал BURST, прошедший через фильтр НЧ и ВЧ 2-го порядка
• Cигнал BURST, прошедший через фильтр НЧ и ВЧ 3-го порядка
• Cигнал BURST, прошедший через фильтр НЧ и ВЧ 4-го порядка
• ФЧХ фильтра Линквитца 2-го порядка
• ФЧХ фильтра Баттерворта 2-го порядка
• ФЧХ фильтра Баттерворта 2-го порядка с разнесёнными частотами
• Какой временной вид имеет сигнал BURST при оптимальных фильтрах?
• Как лучше согласовывать временные задержки – по сигналу BURST или по фазовой характеристике?

Ответы на эти вопросы мы будем искать с помощью программы Микрокап. Паять одноразовые фильтры нет необходимости, так как результаты моделирования полностью адекватные и есть возможность математического анализа полученных результатов.

Пункт 1. Спектр сигнала тоновой посылки с заполнением 100 Гц и длиной 5 периодов (50мс) не является узкополосным. Измеряю его с помощью программы Спектралаб вживую. Формирую сигнал, соединяю вход звуковой карты с выходом и провожу измерения:


Как видим, спектр сигнала сплошной и содержит частоты даже в 100 раз выше, чем частота основного тона.
Очень интересен тот факт, что в спектре сигнала существуют частоты, гораздо ниже основной частоты. Прекрасно видно нижние гармоники 10, 30, 50, 70 герц. Этот факт известен, но внимание ему уделяют недостаточное. Пока просто отметим это как данность.
Вывод номер один: Сигнал тоновой посылки имеет широкий сплошной спектр. Анализировать прохождение сигнала тоновой посылки через любую систему нужно, учитывая полосу частот минимум в 100 раз выше и в 10 раз ниже, чем сигнал основного тона. В математическом анализе и при измерениях сигнал тоновой посылки можно заменять другим сигналом со сплошным спектром (белый или розовый шум, свип-тон).

[Suhodol]

Давай, Илья! Тем более, что большее кол-во мнений и анализов пойдет на пользу при попытке понять физику процесса (по крайней мере на графиках).
Ну а как это в авто, это уже ..... потом!

[Куряка]

Цитата:

Сообщение от SOVA

Вывод номер один:1. Сигнал тоновой посылки имеет широкий сплошной спектр. 2.Анализировать прохождение сигнала тоновой посылки через любую систему нужно, учитывая полосу частот минимум в 100 раз выше и в 10 раз ниже, чем сигнал основного тона. 3. В математическом анализе и при измерениях сигнал тоновой посылки можно заменять другим сигналом со сплошным спектром (белый или розовый шум, свип-тон).

У тебя я нашёл сразу три вывода. Вопросы по выводам можно, или ещё рано?

[Suhodol]

Игорь Петрович! Ты в своей сказке "умничай", и кстати что-то ты медленно пишешь (меряешь)!!! Давай уже кратинки фильтров!
Не мешай!

[SOVA]

Пункт 2. Самый лёгкий. Фильтры НЧ и ВЧ первого порядка. По сути – просто один конденсатор и один резистор (для активных фильтров) или один конденсатор и одна индуктивность (для пассивных фильтров).
Рассчитал все фильтры я с помощью программы Filter Wiz Pro 3.0 Для наглядности все фильтры рассчитаны на частоту 100 Гц, но с небольшими оговорками.
Вот вид синусоиды, прошедшей через оба фильтра, а также сумма сигналов с выходов фильтров НЧ и ВЧ:

Все обозначения есть в подписях, ноя поясню:
Синий график – это входной сигнал. Красный график – сигнал на выходе фильтра НЧ. Зелёный график – сигнал на выходе фильтра ВЧ (для удобства график сдвинут на 10мВ вверх). Фиолетовый график – сумма сигналов с обоих фильтров.
График изменения фазы от частоты также прилагается.

Здесь красный график – АЧХ и ФЧХ фильтра нижних частот, синий график – АЧХ и ФЧХ фильтра верхних частот, зелёный – их сумма.
Почему сумма? Это пример того, какой звуковой сигнал будет доходить до слушателя, если динамики нижней и верхней полосы имеют одинаковую чувствительность и расстояние от слушателя до каждого из динамиков одинаковое. Припоминаете? Это именно тот идеальный случай, какой мы ищем при настройке многоканальной системы.

Что значат эти графики? Очень многое.
Первое: на частоте раздела полос сигналы фильтров НЧ и ВЧ неодинаковые. Сигнал ВЧ фильтра опережает сигнал НЧ фильтра на четверть периода. На графике ФЧХ это видно как +-45 градусов на частоте 100 Гц.
Второе: из-за разной фазы сигнала суммарный сигнал (доходящий до слушателя) не в два раза больше, чем каждое слагаемое, а только в 1,41 раза. Это видно по АЧХ, где на частоте раздела фильтры имеют ослабление -3дБ.
Третье: сумма сигналов фильтров полностью повторяет входной сигнал. АЧХ и ФЧХ суммарного сигнала напоминает линейку из параллельной сказки. Идеальный случай.

Вывод номер два: сигналы на выходе фильтров могут не совпадать по времени даже при фильтрации первым порядком и получении идеального сигнала для слушателя. Дальше этот вывод проверим на других фильтрах.

[SOVA]

Пункт 3. Самый тяжёлый. Потому, что нужно учитывать тип фильтра. Он кардинально изменяет всю картину. Поэтому делаю отсев применяемого фильтра.
Аппроксимацию по Бесселю сейчас рассматривать не буду. Крутизна фильтра даже четвёртого порядка ненамного выше, чем первого и в акустике он применяется очень редко.
Фильтр Баттерворта самый распространенный. Его рассмотрю очень подробно и обсосу со всех сторон.
Фильтр Чебышева имеет неравномерность в полосе пропускания и мне в акустике ни разу не встречался.
Эллиптические фильтры иногда применяются для фильтрации низко порезанной пищалки, но звук у них ужасный.
Инверсный Чебышев реализуется при высоком порядке и относится к экзотике. Его не трогаю.
А модификацию Линквица – Рили рассмотрю подробно. Почему – узнаете.

Начну с фильтра второго порядка Баттерворта. Здесь придётся инвертировать фазу высокочастотного звена, так как на частоте раздела фильтра второго порядка сдвиг фазы на выходах фильтров НЧ и ВЧ равен +-90 градусов и динамики работают в противофазе.
Смотрите сами:

Цвета такие: Синий – входной сигнал, Красный – выходной сигнал фильтра НЧ, Зелёный – выходной сигнал фильтра ВЧ, Чёрный сумма сигнала фильтра НЧ и инвертированного сигнала фильтра ВЧ.
Также частотные графики:

Красный – соответственно НЧ, синий – ВЧ, фиолетовый – сумма НЧ и инвертированного ВЧ.
Что вижу?
Первое: Динамики обоих полос при инверсии верхней полосы работают синфазно. Это хорошо.
Второе: Сумма сигналов фильтров НЧ и ВЧ на частоте раздела больше, чем входной сигнал. Виден явный горб +3дБ на графике АЧХ. Почему это происходит? Да потому, что фильтры Баттерворта на частоте раздела ослабляют сигнал на 3дБ, или в 0,707 раз. А при синфазной работе их сумма будет в 1,41 раза больше чем входной сигнал. Это известная особенность фильтров Баттерворта.
Третье: суммарный сигнал ни по фазе, ни по форме, ни по амплитуде не повторяет входной. В таком виде фильтр Баттерворта применить для фильтрации акустики нельзя.
А ведь это самые распространённые фильтры! Стоят в каждом усилителе!

Поправить суммарный горб можно, если раздвинуть частоты настройки фильтров НЧ и ВЧ.
Сейчас попробую.
Ага, вот что-то получилось.
Сигналы:

Цвета на этом рисунке те же, что и выше. Вижу, что сумма сигналов на выходе фильтров имеет ту же амплитуду, что и входной сигнал. Но фаза сигналов на выходе фильтров выглядит как-то странно. Посмотрю АЧХ и ФЧХ:

Здесь представлены уже три графика. Верхние два вам знакомы, а с третьим познакомлю чуть позже.
Масштаб графиков укрупнён для большей наглядности процессов. Что можно увидеть на графике АЧХ? Я раздвинул частоты настройки фильтров для того, чтобы получить максимально ровную АЧХ, но всё равно выше и ниже частоты раздела видны небольшие «горбики». Эти маленькие горбики – очень плохой признак.
Посмотрите на ФЧХ – фиолетовая линия идёт от красной к синей, с небольшими изгибами. Эта неравномерность итоговой ФЧХ приводит к несфазированности всей аудиосистемы и разрушает звук. Такой путь не приводит к согласованию акустической системы. Более наглядно это видно на третьем графике.
Третий график отображает групповое время задержки (ГВЗ) каждого из фильтров.
Красная линия – фильтр НЧ, синяя – фильтр ВЧ, зелёная – суммарный сигнал.
Отчётливо видны три полочки суммарной ГВЗ – 0, 1 и 3 миллисекунды. Как согласовать систему, которая доносит до слушателя музыку тремя пакетами только в полосе пропускания фильтров? Ответ – никак.

Вывод номер три: Первое: Фильтр второго порядка требует переворота фазы ВЧ канала. Второе: Динамики на частоте раздела работают синфазно, поэтому нужен фильтр, дающий ослабление 6дБ на этой частоте. Третье: Фильтры Баттерворта не годятся для музыки ни под каким соусом.

[vvv]

измерения верные, графики тоже, выводы - не совсем.
попытаюсь объяснить (не претендуя на абсолют)

все делают одну и ту же ошибку: они смотрят на графики ФЧХ в точке стыка фильтров и естественно видят, что на стыке одну ДГ надо бы переплюсовать. конечно надо, переплюсовали, отлично.
только все забывают, что вся свистопляска с фчх на стыке фильтров происходит в пределах одной октавы (полоктавы вниз и полоктавы вверх от частоты раздела)
и забывают, что переплюсовав одну ДГ, мы перевернем ее фчх не только в пределах одной октавы, а во всем диапазоне и, соответственно, получив красивую фчх на стыке развалим до и после, в сумеречных зонах, за краями той самой октавы.
кто-то может возразить: так там уже -12дб от общего уровня (при 2-м порядке)
ну извините, если 1 сигнал приходит в фазе, а второй, ослабленный фильтом
на 12дб в противофазе - это очень хорошо слышно, мозг выносит сразу же.
впрочем так же как и отсутствие переплюса на стыке

и что делать? а ничего, читать вот это:
http://cxem.net/sound/dinamics/dinamic9.php

или применять разные порядки среза, например сверху первым, снизу вторым.
ну и переплюсовывать головки зло, обсуждалось неоднократно.

p.s. Бессель - наше всё
потому что, ну просто потому что, достаточно проанализировать те же графики что и для Баттерворта, только применительно к Бесселю.

[Артёмыч]

Отличная тема, изучил её и её "копии" на магнитоле, бассклубе и т.д
Воспользовался ей, не с первого раза получилось, потом получше =) Но в конце такая весчь происходит, что бас- он становится точный, но какой-то сухой и вообще без мяса. Для тестовых дисков самое то, а вот на повседнев хочется добавить... (может тут уже во вкусовщине дело), вопрос - у меня у одного так выходит ? По остальным аспектам вроде вопросов нет =)

[KYRON]

Цитата:

Сообщение от Артёмыч

Отличная тема, изучил её и её "копии" на магнитоле, бассклубе и т.д
Воспользовался ей, не с первого раза получилось, потом получше =) Но в конце такая весчь происходит, что бас- он становится точный, но какой-то сухой и вообще без мяса. Для тестовых дисков самое то, а вот на повседнев хочется добавить... (может тут уже во вкусовщине дело), вопрос - у меня у одного так выходит ? По остальным аспектам вроде вопросов нет =)

Бас становится правильный,как на концерте в живую,потому что он такой и есть,а не с подгуживанием к которому все в основном привыкли....Потому что согласовать фазы в авто в идеале трудновато....

[Andr]

Цитата:

Сообщение от KYRON

Бас становится правильный,как на концерте в живую,потому что он такой и есть,а не с подгуживанием к которому все в основном привыкли....Потому что согласовать фазы в авто в идеале трудновато....

Вова, а можно поинтересоваться что для тебя является отправной точкой в достижении верхушки качества звучания? Концертное звучание? или все таки студийное?



Ты как настраиваешь? Как тебе нравится или есть какой образ в голове, эталон звука?

[Артёмыч]

Цитата:

Сообщение от Andr

Вова, а можно поинтересоваться что для тебя является отправной точкой в достижении верхушки качества звучания? Концертное звучание? или все таки студийное?



Ты как настраиваешь? Как тебе нравится или есть какой образ в голове, эталон звука?

Студийное звучание оно правильное, но оно не прёт. Люди почему домой покупают домашку а не мониторы ? ибо им интересно слушать не огрехи звукорежиссера, а интересно получать "мурашки" по коже просто от того, что он слышит, пусть это даже "приукрашено" .... (Сори что высказался, адресован ответ был не мне).
Просто асдс слушать в мониторах или на концертах - думаю ответ очевиден.

По поводу эталона, конечно он есть. Как говорит Ирина Аркадьевна, даже когда не достаёт части звуков, наш головной мозг по эталону может добавить эти недостающие гармоники, и понять что за инструмент ....
Пример простой, в подъезде по "кашлю" могу отличить родственников семьи от других, при этом им даже говорить не надо.

[Andr]

Цитата:

Сообщение от Артёмыч

Студийное звучание оно правильное, но оно не прёт. Люди почему домой покупают домашку а не мониторы ? ибо им интересно слушать не огрехи звукорежиссера, а интересно получать "мурашки" по коже просто от того, что он слышит, пусть это даже "приукрашено" .... (Сори что высказался, адресован ответ был не мне).
Просто асдс слушать в мониторах или на концертах - думаю ответ очевиден.

По поводу эталона, конечно он есть. Как говорит Ирина Аркадьевна, даже когда не достаёт части звуков, наш головной мозг по эталону может добавить эти недостающие гармоники, и понять что за инструмент ....
Пример простой, в подъезде по "кашлю" могу отличить родственников семьи от других, при этом им даже говорить не надо.

Ну в машине как ты понимаешь нереально разместить живой концерт. И приходится довольствоваться сухим безжизненым безмурашковым материалом из студии....

а записи концертов) Ну мы все наверное понимаем что нет тоже четкого определения "правильная концертная запись".

Так о чем разговор?

[KYRON]

Цитата:

Сообщение от Andr

Вова, а можно поинтересоваться что для тебя является отправной точкой в достижении верхушки качества звучания? Концертное звучание? или все таки студийное?



Ты как настраиваешь? Как тебе нравится или есть какой образ в голове, эталон звука?

А чем отличается концертный бас от студийного...?
Звучание контрабаса будет разным...? Думаю нет...Вот звучание контрабаса в живую и есть в моей голове при настройке...Любая вкусовщина будет преступлением против автозвука....