Использование FIR фильтров. Новый метод коррекции частотных характеристик громкоговорителей Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Впрактических схемах операционный усилитель охватывается отрицательной обратной связью (ООС). Вследствие сдвига фаз между входным и выходным сигналом ОУ (с увеличением частоты в многокаскадном усилителе этот сдвиг фаз увеличивается) на некоторых частотах обратная связь может стать положительной. Если на этих частотах коэффициент усиления усилителя больше единицы, то на выходе схемы возникают автоколебания. Для исключения возникновения этих колебаний (самовозбуждения ОУ) используются цепи частотной коррекции.

Рассмотрим усилитель, охваченный ООС по напряжению (рис. 8.7). Положим, что в схеме используется трехкаскадный ОУ. Определим его коэффициент усиления. Будем считать передаточную характеристику ОУ идеальной, т. е. U вых =К о U вх . Тогда

где - коэффициент (глубина) обратной связи. Отсюда:

.

Здесь К=К 0 /(1+  К 0 ) - коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ООС. Если значение Ко велико, то

и
,

т. е. Практически не зависит от коэффициента усиления ОУ.

Обратимся теперь к рис. 8.7, б, в. На оси частот отмечена частота f пр , на которой сдвиг фаз между выходным и входным сигналом достигает 180°. Нетрудно теперь из графика определить наличие условий возбуждения в схеме. Если линия К*= 1/ пересекает АЧХ в точке, соответствующей частоте, большей f пр , то в схеме будут возникать ложные колебания. В этом случае сдвиг фаз по цепи обратной связи достигает величины, большей 360°. Следовательно, глубина отрицательной обратной связи усилителя ограничивается условием устойчивости ОУ. На рис. 8.7, б указаны пределы изменения возможного коэффициента усиления усилителя, при которых ОУ не возбуждается (область1).

Наиболее часто используемое на практике требование обеспечения устойчивости схемы, соответствующее максимально возможному запасу фазы в петле ООС (при принятой аппроксимации фазы на частоте f ср2 - 90°, в действительности 45°), заключается в следующем: прямая К*= 1/ (дБ) должна пересекать отрезок АЧХ с наклоном в 20 дБ/дек. В ряде случаев может оказаться достаточным и меньший запас по фазе на самовозбуждение, поэтому в усилителях с ООС удается использовать часть участка с наклоном 40 дБ/дек.

Е
сли требуется реализовать усилитель с ООС, для которого не удовлетворяется сформулированный критерий устойчивости, то в ОУ необходимо ввести цепи частотной коррекции. Последние должны в простейшем случае изменить АЧХ ОУ так, чтобы удовлетворялся критерий устойчивости для требуемогоК* . Если цепи коррекции выбраны таким образом, что наклон результирующей АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек и она проходит через точку частоты единичного усиления f T , то усилитель имеет полностью скорректированную частотную характеристику, которую называют оптимальной.

Рассмотрим некоторые цепи коррекции. Широкое распространение получила корректирующая цепочка дифференцирующего типа (коррекция на опережение по фазе) (рис. 8.8). Особенность АЧХ этой цепи - ее подъем в диапазоне частот от f 4 до f 5 со скоростью 20 дБ/дек.

Роль R1 обычно выполняет одно из внутренних сопротивлений ОУ. Часто и R1 реализуется внутри ОУ. Поэтому коррекция такого типа сводится лишь к подключению конденсатора С1 (иногда и R2 ) к соответствующим выводам.

Корректирующая цепочка интегрирующего тип
а (коррекция на отставание по фазе) приведена на рис. 8.9. АЧХ этой цепи по Боде в диапазоне частот отf 6 до f 7 падает со скоростью -20 дБ/дек. Роль сопротивления R3 играет, как правило, выходное сопротивление корректирующего каскада. Поэтому коррекция интегрирующего типа на практике сводится к подключению цепи R4С2.

К
ак же используются рассмотренные цепочки для коррекции двухкаскадных усилителей? На рис. 8.10 приведена исходная АЧХ двухкаскадного усилителя, частотные характеристики (кривые1 ’ , 2 ’ , 8 ’ ) используемых корректирующих цепочек (для них К< 0) и соответствующие скорректированные АЧХ (кривые 1, 2, 3). Из рисунка видно, что корректирующая цепочка дифференцирующего типа позволяет выполнить как частичную, так и оптимальную коррекцию АЧХ, при которой спад АЧХ во всей полосе частот ОУ составляет - 20 дБ/дек (кривая 2 на рис. 8.10, б ).

На практике для коррекции АЧХ ОУ применяется и ряд других цепочек. Важно отметить, что для каждого конкретного усилителя в справочных пособиях рекомендуется свой набор RС-цепочек, подключаемых к специальным выводам (высокоомным точкам схемы). Эти точки выбираются с таким расчетом, чтобы номиналы элементов цепи коррекции оказались небольшими. АЧХ современных двухкаскадных усилителей корректируются с помощью одной внешней цепи коррекции, трехкаскадных - как правило, с помощью двух цепей.

Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные чаще всего на основе МОП-конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. Такие усилители сохраняют устойчивость независимо от величины обратной связи, что является их несомненным достоинством. (Упрощается проектирование схем на их основе). Однако ОУ с внутренней коррекцией имеют ограниченную полосу пропускания и, следовательно, не позволяют в полной мере использовать динамические свойства усилителя для К* >>1 (в них частотная коррекция выполнена для наихудшего случая, т.е. для К*= 1).

Коррекция звука под особенности помещения давно используется звукорежиссерами для обеспечения настройки звука в студиях и концертных залах, имея целью ослабление влияния особенностей используемого помещения на звук. Особенно это важно для студий записи, которые не должны привносить в записываемый звук ничего дополнительного. В студиях в первую очередь используется акустическая обработка, а вот в залах для этого используются многополосные графические эквалайзеры или цифровые параметрические эквалайзеры. На слух или с помощью измерительного микрофона выявляются проблемы воспроизведения звука в разных частях помещения, после чего выполняется коррекция с помощью имеющихся эквалайзеров.

В идеальном случае аналогичную звуковую обстановку мы должны получить и в домашних условиях при прослушивании различных записей, что могло бы обеспечить звучание, каким его задумывал звукорежиссер. Реалии нашей жизни таковы, что немногие могут позволить себе полную акустическую отделку комнат в квартире или доме, а потому кто-то приглашает инсталляторов звукового оборудования, а кто-то пытается настроить всё самостоятельно. К сожалению, эта операция требует определенных теоретических знаний, опыта, а также соответствующей аппаратуры. Поэтому для домашних нужд все больше стали применяться автоматические системы калибровки, которые повторяют действия звукорежиссера или инсталлятора, но только делают это автоматически, с использованием выносного микрофона.

В большинстве статей, описывающих различную домашнюю аппаратуру, возможности систем калибровки практически не рассматриваются. А вопрос сравнения различных систем калибровки, насколько известно автору, не рассматривался вообще никем. Такое впечатление, что это своего рода табу среди обозревателей. Что же, давайте немного изменим этот мир. В данной статье мы попытаемся исправить это упущение и сравнить наиболее распространенные системы корректировки. При этом мы не будем сравнивать различия в звуке используемых ресиверов и их нагрузочную способность, не будем измерять искажения, как и исследовать дополнительную функциональность, даже если она касается звука - это совсем отдельная тема.

Также мы слегка затронем тему ручной эквализации, которая может быть полезна для владельцев ресиверов с не устраивающей их автоматической системой и для владельцев усилителей.

Немного теории

С развитием цифровых технологий в аудиоаппаратуре среднего и даже бюджетного классов мы получили возможность осуществлять предварительную коррекцию воспроизводимого звука в выбранной точке прослушивания через акустические системы (АС) с учетом особенности конкретного помещения, его размеров, схемы расстановки АС и окружающих предметов (мебели, штор, ковров и т. п.).

Задача таких систем, как минимум, выправить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в точке прослушивания в отдельности для каждой АС, а также суммарную при одновременном звучании нескольких АС в системе многоканального домашнего кинотеатра. Кроме АЧХ для согласования одновременной работы нескольких АС требуется также синхронизировать фазо-частотную характеристику (ФЧХ), а для улучшения восприятия музыки также обеспечить минимальное групповое время задержки (ГВЗ).

Задача усложняется, если используются АС разных производителей или модельных линий, сами АС имеют неравномерность АЧХ, а комната не имеет минимальной акустической обработки для уменьшения влияния переотражений. Добавляет сложностей, если АС и точка прослушивания выбраны неверно: часть частот усиливаются в точке прослушивания, что вызывает бубнение или неприятный окрас тембров, а часть частот взаимно вычитаются, образовывая провал на АЧХ, что приводит к обеднению музыкальных тембров и, опять же, дополнительной окраске звучания.

Принцип работы подобных систем коррекции заключается во внесении в исходный сигнал изменений на этапе обработки цифровым звуковым процессором (DSP) таким образом, чтобы в точке прослушивания получить наиболее ровные параметры воспроизведения, лишенные влияния комнаты и особенностей конкретных АС в составе домашнего кинотеатра.

Никогда не нужно забывать, что с помощью одной лишь предварительной коррекции звука невозможно решить все проблемы воспроизведения звука через АС в жилой комнате, и очень желательно изначально выполнить ряд мероприятий по правильной расстановке АС, выбору точки прослушивания, минимальной обработке помещения для устранения нежелательных отражений сигналов от стен, пола и потолка. И только после этого, когда все возможное для текущего помещения было сделано, можно приступить к коррекции сигнала как к заключительному этапу настройки звучания аудиосистемы в используемом помещении.

Автоматическая коррекция

В современных ресиверах внутри установлены достаточно производительные процессоры, которые с помощью замера отклика каждой АС в точке прослушивания могут в автоматическом режиме настроить коррекцию звука как по амплитуде, так и по фазе, что должно привести к минимальным отклонениям на графике АЧХ и синфазной работе разных АС.

В рекламных материалах всех систем описывается, что данная система с помощью выносного микрофона производит анализ всех параметров воспроизведения звука в конкретном помещении и выполняет все нужные коррекции для обеспечения наилучшего звучания. То есть на первый взгляд все системы достаточно равноценны, и при выборе аудио/видеоресивера нам уже не нужно обращать внимание, какая именно система калибровки установлена, а больше следует обращать внимание на количество каналов, мощность усилителя, возможности подключения мобильных устройств и т. д. Единственным видимым отличием систем разного уровня является наличие или отсутствие коррекции канала сабвуфера (как правило, в дешевых ресиверах канал сабвуфера не поддается коррекции АЧХ).

На практике оказывается, что разные системы совершенно по-разному влияют на оптимизацию звука, и конечный результат довольно сильно отличается при применении той или иной системы. Даже у одного производителя встречаются несколько классов таких систем, имеющих разные возможности по правке звука.

Между тем, все подобные системы обеспечивают минимальный комфортный уровень: определяют количество подключенных АС, расстояние до них и уровень усиления для каждой АС. Параметры можно выставить и вручную, но с помощью микрофона все выполняется точнее и быстрее.

Задача тестирования

Задачей обзора является практический тест различных систем автоматической калибровки звучания под особенности помещения в одинаковых условиях: на одних и тех же АС, в одной и той же жилой комнате с АС разных производителей на фронтах, центре и тыловых местах. Конечно, лучше иметь АС одной компании и одной серии, но нередко в силу различных причин встречаются ситуации, когда система собирается в течение некоторого времени и получается некоторый разнобой.

Тестирование проводилось как с вариантом настройки «из коробки», так и с ручным изменением различных параметров для достижения оптимальной АЧХ.

Что должна обеспечить идеальная система калибровки? Равномерную АЧХ в точке прослушивания при воспроизведении звука как через одну любую АС, так и через любое количество одновременно работающих АС. Для объемного звучания важно, чтобы при перемещении музыкального образа в созданном звуковом пространстве не менялась его тональность, чего можно добиться только хорошим совпадением АЧХ и ФЧХ в точке прослушивания.

Что может помешать получить ровную АЧХ в точке прослушивания?

1. Образование стоячих волн вследствие многократных отражений звуковых волн от стен. В точке прослушивания может возникнуть как усиление исходной амплитуды (пучность стоячей волны), так и ослабление амплитуды (узел стоячей волны).
2. SBIR-эффект - взаимодействие между прямым звуком из АС и отражения от ближних границ комнаты.
3. Ослабление амплитуды сигнала вследствие гашения волн от разных АС, фазы которых отличаются в точке прослушивания.
4. Изначальная кривая АЧХ самих АС.

Тестовое помещение и измерительная аппаратура

Пример тестового помещения для прослушивания музыки. Не реальное тестовое помещение, описанное в данной статье!

Тестовое помещение представляет собой жилую комнату размером 5,8×3,1×2,7 м (Д×Ш×В) с одной входной дверью и одной дверью на балкон. Фронтальная АС расположена по короткой стене на расстоянии 70 см от окна. Место прослушивания находится на кожаном диване в 2 метрах от фронтальной системы и в 3 метрах до стены сзади. Между диваном и фронтальной АС на полу имеется ковер со средним ворсом, на окне плотная штора. Сабвуфер расположен между левой АС и центральной стойкой с аппаратурой.

В помещении установлены следующие акустические системы:

Все полнодиапазонные АС являются двухполосными с фазоинвертором, сабвуфер оснащен одним 15″ динамиком с применением электромагнитной обратной связи в корпусе типа «закрытый ящик».

Для измерения используется следующая аппаратура:

• Измерительный микрофон Behringer ECM 8000
• Интерфейс XLR-to-USB Shure X2U с фантомным питанием для микрофона
• Шумомер CEM DT-815
• Ноутбук ASUS N46vz со встроенной звуковой картой (Realtek HD Audio)
• USB-аудиоинтерфейс Behringer U-Control UCA202 (чип PCM2902E)
• Программное обеспечение REW v5.1 beta 17
• Набор необходимых проводов, стойка типа «журавль», фотоштатив

Следует обратить внимание, что измерительная аппаратура и программное обеспечение не являются профессиональными, поэтому полученные в ходе теста графики рекомендуется сравнивать не с другими, а только между собой внутри данного тестирования. Впрочем, насколько известно автору, данный микрофон и программа REW являются широко распространенными среди любителей хорошего звука, и потому при определенных ограничениях результаты имеют право на сравнение.

Методика тестирования

Для снятия замеров звучания различных АС в точке прослушивания используется измерительный микрофон Behringer ECM 8000, который подключен через переходник Shure X2U в USB-порт ноутбука ASUS N46vz. На ноутбуке запущено ПО REW v5.1. Выход со встроенной звуковой карточки подключается на один из аналоговых входов тестируемого ресивера.

С помощью ПО REW формируется тестовый свип-тон, который воспроизводится выбранной АС через ресивер. Звуковые волны улавливаются измерительным микрофоном, данные с которого обрабатываются в ПО REW, в результате чего формируются графики АЧХ, ФЧХ, отклонения времени групповой задержки и т. п.

Для понимания того, что́ именно подвергалось правке, также делались замеры с выходов предварительного усилителя каждого канала, чтобы можно было детально изучить, в каких диапазонах и на какой уровень были произведены изменения в поданном на вход сигнале без участия АС. Для снятия данных с предварительного усилителя также использовался USB-аудиоинтерфейс Behringer U-Control UCA202.

Предварительно звуковые интерфейсы были откалиброваны по АЧХ и ФЧХ с помощью «петли», т. е. подачей сигнала на вход с выхода самой же звуковой карточки. В качестве калибровочного файла для измерительного микрофона использовался скачанный из интернета калибровочный файл под данный микрофон.

Вначале выполнялись замеры каждой АС в точке прослушивания, а также комбинации различных АС при совместной работе. Для каждой комбинации выполнялись по два замера: с выключенной системой калибровки, т. е. исходная характеристика, а также со включенной обработкой звука встроенной системой калибровки, что позволяет увидеть результат действия коррекции в точке прослушивания. Каждая система калибровалась несколько раз для получения лучшего результата в точке прослушивания.

После выполнения обязательной программы по замерам выполнялись ручные правки для достижения наилучших результатов, а также контрольное прослушивание звуковых материалов и определенных эпизодов из популярных фильмов с большим количеством объемных эффектов.

Исходные замеры

Для понимания того, с какими АС пришлось работать, ниже приведены АЧХ всех АС по отдельности, снятые в ближнем поле (для пар замерялась только одна из АС), т. е. когда микрофон расположен на расстоянии около 20 см от центра ВЧ-динамика. К сожалению, даже при таком замере не удалось избежать влияния особенностей помещения, но оно минимально.

Vandersteen Model 1C
	Горб на 58 Гц связан с влиянием комнаты на результаты замера. АЧХ довольно равномерная.
KEF Cresta
	Подъем вплоть до почти 1 кГц сильно выделяет эту АС на фоне других, что представляет для систем калибровки дополнительную проблему по выправлению АЧХ вровень с фронтальными АС.
AAD C-100
Rythmik F15
Все АС на одном графике

Симуляция влияния комнаты на итоговую АЧХ при подключении фронтальных АС и сабвуфера достаточно близка к реальности, что было получено в результате последующих замеров:

Расчетный график АЧХ в точке прослушивания в симуляторе комнаты REW

Тестируемые системы калибровки

1. Audyssey 2EQ (кратко на основе старых замеров ресивера Onkyo TX-N717)
2. Ручная правка канала сабвуфера с помощью Behringer FBQ2496
3. Ручная правка фронтальных АС с помощью Behringer FBQ2496

Audyssey

Системы под маркой Audyssey делятся на несколько классов, которые различаются функциональностью и точностью.

В основе работы системы коррекции АЧХ и ФЧХ лежит сложный FIR(КИХ)-фильтр, который позволяет достаточно точно корректировать исходную АЧХ по множеству точек. Разные классы системы Audyssey имеют различное разрешение фильтров, т. е. предоставляют разную точность правки звука.

После калибровки пользователю доступны следующие режимы, которые различаются итоговой кривой:

1. Ровный (Music для Onkyo) - наиболее ровная АЧХ для прослушивания в ближнем поле.
2. Референсный (Movie для Onkyo) - оптимизированная АЧХ для натурального звучания (по мнению разработчиков системы) с завалом в области ВЧ и небольшим провалом на частоте 2 кГц. Завал на высоких частотах рекомендуется исходя из требований THX для получения в домашних кинотеатрах звука, близкого к звуку в больших кинотеатрах.
3. Обход фронтов (в Onkyo не используется) - режим для тех, у кого вложены большие деньги во фронтальную акустику и акустическое оформление помещения (или кому просто нравится, как звучат фронты без дополнительной обработки). При этом коррекция остальных колонок привязывается к АЧХ фронтальных колонок.

Особенностью системы калибровки Audyssey является невозможность ручного изменения рассчитанных фильтров по правке АЧХ. Либо пользователь выбирает один из режимов, предложенных автоматом, либо отказывается и может воспользоваться отдельным графическим эквалайзером, который невозможно включить, пока используется один из режимов Audyssey. Единственное, как пользователь может воздействовать на результирующую АЧХ (по крайней мере, в реализации Onkyo) - немного поменять по вкусу тон регулировкой низких и высоких частот.

Все остальные параметры, такие как уровни, задержки, настройка кроссовера и т. д., можно править вручную.

Audyssey 2EQ

Audyssey 2EQ является базовой системой калибровки, и кроме типовых функций кроссовера и задержки выполняет коррекцию АС фильтрами с базовым разрешением в области СЧ/ВЧ без поддержки коррекции канала сабвуфера.

Пример работы системы Audyssey 2EQ по правке АЧХ (выход с предварительного усилителя Onkyo 717)

Изменения в АЧХ выполняются только в области средних и высоких частот начиная от 1 кГц, что позволяет решить только одну задачу - выравнивания характеристик различных АС на этих частотах.

Фактически в этой базовой системе нет коррекции под помещение, влияние которого проявляется в основном в области низких частот. Коррекция возможна только вручную с помощью встроенного графического эквалайзера, который включается только при выключении в меню использования настроек правки АЧХ системой Audyssey. И если вам повезло, и единственный горб в ваших условиях находится ровно на частоте 63 Гц, то он будет эффективно устранен вручную. В других случаях широкое влияние и фиксированная частота графического эквалайзера не позволит убрать горбы на АЧХ, не затронув соседние участки. Для канала сабвуфера может использоваться эквалайзер с более низкой сеткой частот, но опять же частоты фиксированные и могут не совпасть с проблемными в вашей комнате.

При использовании ресивера с системой 2EQ можно порекомендовать приобрести сабвуфер с собственной системой калибровки или использовать между ресивером и сабвуфером дополнительное устройство по коррекции АЧХ, которое может быть как автоматическим, так и ручным (параметрический эквалайзер). При этом хотя бы самые нижние частоты будут воспроизводиться верно, а все что выше частоты работы сабвуфера будет воспроизводиться «как есть».

Audyssey MultiEQ XT32 в ресивере Onkyo TX-NR818

Эквализация основных каналов

Система MultiEQ XT32 является старшей в ряду систем компании Audyssey. Ею обычно оснащаются топовые линейки аппаратов, но порой XT32 можно встретить и в среднем классе ресиверов.

График АЧХ левого канала до калибровки и после в режимах Movie («Кино») и Music («Музыка»):

Красная кривая - АЧХ левого канала в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино», зеленая - в режиме «Музыка»

На графиках АЧХ видна отличная работа XT32 как по выравниванию АЧХ в области горбов, так и в вытягивании провалов (насколько это возможно).

Режимы «Кино» и «Музыка» отличаются лишь на частоте около 2 кГц и в области ВЧ после 6 кГц до конца диапазона. Для наглядности отличий правки посмотрим АЧХ левого канала, снятую с выхода предварительного усилителя:

Красная кривая - АЧХ левого канала с предварительного усилителя в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино», зеленая - в режиме «Музыка»

В остальном диапазоне отличия «Кино» от «Музыки» настолько малы, что ими можно пренебречь. В дальнейшем все АЧХ будут выводиться только для режима «Кино».

График АЧХ правого канала до калибровки и после в режиме «Кино»:

Красная кривая - АЧХ правого канала в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино», зеленая - в режиме «Музыка»; сверху графики с предварительного усилителя, снизу графики с микрофона

Здесь мы видим агрессивную правку АЧХ в области НЧ и уже более спокойную правку на СЧ и ВЧ.

Также одной из особенностей ХТ32 является маниакальное желание выправить АЧХ даже там, где АС уже практически перестает играть. В данном случае частотный диапазон фронтальных АС начинается от 38 Гц, но за счет комнаты они еще играют от 30 Гц. Но Audyssey усиливает сигнал вплоть до 10 Гц (тут только в левом канале), что может перегрузить АС и усилитель на больших уровнях громкости, когда не используется отдельный сабвуфер.

Вернемся к АЧХ левой и правой АС до калибровки и посмотрим, насколько отличается АЧХ в проблемной области НЧ, где комната влияет больше всего:

Красная кривая - АЧХ левого канала в режиме Pure Direct, синяя - правого канала

На графике мы видим, что АС с одинаковыми АЧХ в ближнем поле довольно сильно отличаются по АЧХ в точке прослушивания, т. к. находятся на разных местах в комнате и имеют разную картину переотражений в связи с отсутствием полной симметрии в расстановке.

Но после работы Audyssey XT32 разница в АЧХ резко сокращается:

Красная кривая - АЧХ левого канала в режиме «Кино», синяя - правого канала в режиме «Кино»

Теперь посмотрим на достаточно сложный центральный канал, который имеет сильную неравномерность АЧХ:

Красная кривая - АЧХ центрального канала в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино»

Как видим, Audyssey отлично выправил АЧХ в области нижних частот. Но в данном случае больше важна не сама правка АЧХ, а согласованность с фронтальными АС, чтобы центральный канал сильно не выделялся своим звучанием. Для этого посмотрим на графики АЧХ всех трех передних АС - левой, правой и центральной:

Красная кривая - АЧХ левого канала в режиме «Кино», синяя - правого канала, зеленая - центрального канала

И опять хочется поаплодировать системе Audyssey XT32 за проделанную работу по выправлению характеристик совершенно разных АС. На практике во время прослушивания при включении режима «Кино» центральный канал действительно настолько гармонично сочетается с фронтальными АС, что порой кажется, что вся акустика - одного производителя.

Для того чтобы понять, как звучит система без калибровки, опять же достаточно посмотреть на графики АЧХ трех систем в режиме Pure Direct:

Красная кривая - АЧХ левого канала в режиме Pure Direct, синяя - правого канала, зеленая - центрального канала

Эквализация сабвуфера

Теперь перейдем к АЧХ канала сабвуфера и посмотрим, что нам может предложить XT32 здесь:

Красная кривая - АЧХ канала сабвуфера в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино»

Мы видим, что АЧХ сабвуфера была выправлена достаточно хорошо, насколько это было возможно при текущем его размещении.

На АЧХ с выходов предварительного усилителя можно рассмотреть корректирующую кривую канала сабвуфера:

Фиолетовая кривая - АЧХ канала сабвуфера с выхода предварительного усилителя в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино»

Здесь опять проявляется склонность Audyssey выравнивать АЧХ на любых частотах: даже на частотах выше 400 Гц система пытается вытянуть звук, который сабвуфер уже совсем не воспроизводит. Хорошо, что это происходит при работающем кроссовере, поэтому негативных последствий не вызывает. С другого же края АЧХ на данном сабвуфере все вполне нормально, т. к. он физически способен воспроизвести частоты от 10 Гц. Но вот с другим сабвуфером, который играет, скажем, от 30 Гц, могут возникнуть проблемы в связи с завышением уровня сигнала на самых нижних частотах, ниже 30 Гц, где сабвуфер уже ничего не воспроизводит. И если в него не встроен фильтр инфранизких частот, то усилитель может вхолостую усиливать сигнал, который динамик не в состоянии воспроизвести. Это нужно учитывать при проигрывании музыки или фильмов с большим уровнем громкости.

Эквализация тыловых каналов

Что касается АС тыловых каналов, то там все тоже хорошо выправилось, что наглядно видно на графиках АЧХ этих АС в режиме «Кино»:

Красная кривая - АЧХ левого заднего канала в режиме «Кино», синяя - правого заднего канала

Итог

Мы убедились, что Audyssey выправляет АЧХ каждой АС достаточно хорошо, и это означает, что сигнал из каждой отдельной АС будет максимально достоверно доходить до точки прослушивания.

Но что происходит, если один и тот же сигнал воспроизводится в обоих каналах - например, голос или другой любой монофонический сигнал?

Для этого взглянем на комплексную АЧХ работы фронтальных АС вместе с савбуфером:

Красная кривая - АЧХ трифоника в режиме Pure Direct, синяя - в режиме «Кино»

В совместной работе двух фронтальных АС вместе с сабвуфером после коррекции Audyssey в режиме «Кино» исправлены многие проблемы, хотя разница не такая впечатляющая, как сравнение изменений в каждом канале отдельно.

Чего очень сильно не хватает в ресивере Onkyo - так это возможности сохранить несколько настроек коррекции под разные ситуации: поскольку коррекция в Audyssey достаточно детальная, то при смене обстановки текущая правка становится не совсем актуальной. Например, можно было бы использовать несколько настроек для следующих ситуаций:

1. прослушивание с одним сабвуфером для одного человека (музыка для себя)
2. прослушивание с двумя сабвуферами (или вторым сабвуфером) для одного человека c раскрытым экраном для проектора (кино для себя)
3. прослушивание с двумя сабвуферами для нескольких человек на диване (кино для семьи)
4. тестовые варианты для выбора наилучшего положения точек замера

Также не хватает визуализации сделанных изменений. В YPAO мы можем смотреть настройки параметрического эквалайзера, скопировав настройки в ручной режим. В MCACC сделанные корректировки видны в меню настройки графического эквалайзера. И только в случае ресиверов Onkyo пользователь лишен какой-либо возможности визуально оценить сделанные изменения, без помощи внешнего микрофона оценка изменений возможна только на слух. Но это не особенность Audyssey, а его реализация у Onkyo. В современных ресиверах Denon можно посмотреть корректирующую кривую по каждому каналу и оценить ее изменения при различных замерах.

Advanced MCACC в ресивере Pioneer SC-LX56

Фирма Pioneer в своих ресиверах использует фирменную систему многоканальной акустической калибровки под названием MCACC. Кроме стандартных функций по определению подключенных АС, расстояния до них и уровня усиления, MCACC предлагает правку АЧХ, а также обещает корректировку ревербераций и времени групповой задержки.

После выполнения автоматической калибровки все настройки, за исключением контроля фазы, доступны для ручной корректировки. Для большего удобства предусмотрено 6 ячеек памяти для сохранения разных вариантов настроек под разные ситуации.

Полный процесс калибровки занимает достаточно продолжительное время, при котором на разных этапах по кругу воспроизводятся самые различные тестовые сигналы. Основной замер выполняется в одной точке положения микрофона, после его окончания результат автоматически записывается в память, и на экране появляется главное меню. Видео процесса полной калибровки можно .

После завершения калибровки в ячейке памяти М1 был сохранен вариант «Symmetry», а в ячейке М2 - вариант «All ch adj». В дальнейшем на графиках будут использоваться обозначения М1 и М2, что соответствует этим вариантам.

Эквализация основных каналов

Механизмами для правки АЧХ являются:

1. 9-полосный графический эквалайзер для всех каналов, кроме сабвуфера, с частотами 63, 125, 250, 1к, 2к, 4к, 8к, 16к (Гц).
2. Параметрический эквалайзер для корректировки стоячих волн (только в минус) с центральной частотой от 63 Гц. Используется для сабвуфера, центрального канала и всех остальных АС.

Для каждой пары АС настраивается один из вариантов размера - Large или Small. При установке в Large на АС подается весь частотный диапазон, при установке в Small - только часто́ты выше частоты́ среза, а все, что ниже - уходит на сабвуфер. Неудобно, что частота среза для АС типа Small устанавливается одна на всех от 50 до 200 Гц, при этом до 80 Гц есть только два значения: 50 и 80 Гц, что немного ограничивает точную настройку кроссовера под применяемые АС.

Интересной особенностью является возможность корректировки завала целевой кривой в ВЧ-диапазоне начиная от 2 кГц. В настройке Х-Curve можно выбрать уровень убывания наклона дБ на октаву.

Красная кривая - АЧХ левого канала в режиме Pure Direct, синяя - MCACC M1, зеленая - MCACC M2

Настройки графического эквалайзера левого канала:

Настройка коррекции стоячих волн для фронтальных АС:

Изменение АЧХ на графике вполне совпадает с настройками графического эквалайзера для левого канала и фильтра стоячих волн. Отчетливо видна работа графического эквалайзера по широкой правке АЧХ, при которой не выпрямляются отдельные горбы и провалы, а идет общая корректировка кривой.

Также для систем калибровки сложным является центральный канал, который сильно выделяется по своей АЧХ в области нижних и средних частот, и без правки он по звуку отличается от фронтальной пары АС.

График АЧХ центрального канала до и после калибровки:

К сожалению, чуда не произошло: вся неравномерность практически сохранилась в обоих режимах работы системы MCACC. На этом примере видно, что совсем разные АС вместе с MCACC лучше не использовать, т. к. уравнять их АЧХ не получится.

Выравнивание времени групповой задержки

Одной из главных особенностей MCACC заявлена борьба с реверберациями и выравнивание времени групповой задержки. На сайте компании по этому поводу много красивых видео, которые показывают, какая неприятность существует до калибровки и что после калибровки наступает звуковая нирвана.

Ну, а теперь самый волнительный момент - посмотрим избыточное время групповой задержки без коррекции и после калибровки.

Черная кривая - групповая задержка в режиме Pure Direct, красная - после калибровки MCACC, зеленая - после калибровки Audyssey

Чуда не произошло и тут: график избыточного времени групповой задержки практически не изменился.

Для сравнения приведен тот же график левого канала с ресивера Onkyo 818 в режиме «Музыка». Видно, что кое-где задержка даже меньше, несмотря на отсутствие подобных рекламных заявлений у Onkyo.

Может показаться, что замеры были сделаны неверные, но сам же ресивер нам предоставляет графики до и после калибровки, на которых видно, что произошло только смещение всех графиков вверх, а по частоте они остались практически неизменными.

На всех остальных замерах как отдельных АС, так и при одновременной их работе также не видна разница в корректировке времени групповой задержки, хотя при замерах в режиме М1 и М2 всегда выбирался контроль фазы «Fullband Phase Ctrl».

Эквализация сабвуфера

График АЧХ канала сабвуфера до и после калибровки:

Красная кривая - АЧХ сабвуфера до калибровки, синяя - MCACC M1, зеленая - MCACC M2

На графике видно, что практически никакой коррекции выполнено не было. Это и не удивительно, т. к. отдельного графического эквалайзера для сабвуфера здесь просто нет (в том же Onkyo 818 кроме Audyssey есть ручной графический эквалайзер сабвуфера с соответствующим набором частот), а расхождения на графиках - только из-за работы фильтра стоячих волн на частоте 63 Гц.

Поскольку сабвуфер имеет достаточно ровную собственную АЧХ, и место его расположения выбрано оптимальное, настроив срез на частоте 50 или 80 Гц, можно получить вполне ровную АЧХ сабвуфера. С другим сабвуфером или другим срезом все может быть более плачевно.

Итог

График АЧХ в режиме трифоника с частотой среза на сабвуфер 80 Гц:

Левый и правый канал в режиме трифоника

При одновременной работе фронтальных АС и сабвуфера итоговая АЧХ вполне предсказуема и не дарит никаких сюрпризов в виде появившихся провалов и горбов.

В целом по системе MCACC можно сказать, что она является вполне стандартной и позволяет настроить в автоматическом режиме все базовые параметры, а также 9-полосный графический эквалайзер и 3-полосный параметрический эквалайзер стоячих волн.

Подход к реализации системы MCACC достаточно интересен и имеет много возможностей по ручной правке, анализу результата, возможностям сохранять настройки в несколько ячеек памяти, но все ограничивается двумя очень серьезными недостатками:

1. Используется обычный графический эквалайзер с фиксированными центральными частотами. Для современной системы калибровки нужен более точный механизм, и если бы вместо графического эквалайзера был параметрический, то возможностей по настройке было бы гораздо больше.
2. Ограничение всех настроек 63 Гц снизу. Непонятно почему, но ниже 63 Гц что-либо настроить возможности нет, хотя в этом диапазоне лежат основные проблемы акустики помещений. Собственно, из-за этого ограничения напрочь отсутствует эквалайзер для сабвуфера.

YPAO RSC в ресивере Yamaha RX-A2010

Фирменная система калибровки YPAO компании Yamaha предоставляет как общие функции по установке уровней, задержки, настройке кроссовера, так и поканальную правку АЧХ.

На каждый канал для ручной правки выделяется по 7 фильтров параметрического эквалайзера (за исключением канала сабвуфера, где только 4 фильтра). Для каждого фильтра можно выставить центральную частоту, уровень коррекции, добротность фильтра.

Центральная частота фильтра выбирается из списка 28 фиксированных частот: 31,3; 39,4; 49,6; 62,5; 78,7; 99,2; 125,0; 157,5; 198,4; 250,0; 315,0; 396,9; 500,0; 630,0; 793,7; 1,00к; 1,26к; 1,59к; 2,00к; 2,52к; 3,17к; 4,00к; 5,04к; 6,35к; 8,00к; 10,1к; 12,7к; 16,0к (Гц). Для канала сабвуфера используются только первые 10 частот до 250 Гц включительно.

Добротность (Q) выставляется от 0,5 до 10,08: 0,5; 0,63; 0,794; 1; 1,26; 1,587; 2; 2,52; 3,175; 4; 5,040; 6,35; 8; 10,08.

После автоматической калибровки пользователю на выбор предлагается три варианта коррекции эквалайзером:

• Усредненный - наиболее ровная АЧХ
• По фронту - все АС подтягиваются к АЧХ фронтальных АС
• Натуральный - оптимизированная АЧХ для натурального звучания (по мнению разработчиков системы)

Во время описываемого тестирования, а также тестирования YPAO в ресивере Yamaha 1071 было выявлено, что на текущий момент есть две отличающиеся системы калибровки:

1. YPAO RSC (Reflected Sound Control)

Обе системы очень похожи внешне и по функциональности за одним исключением: в качестве механизма коррекции АЧХ в системе YPAO используется только 7-полосный эквалайзер на каждый канал (4-полосный на сабвуфер), а в системе YPAO RSC в дополнение к этому используется более сложный фильтр для фронтальных АС и центрального канала - предположительно FIR(КИХ)-фильтр.

После выполнения автоматической калибровки в системе YPAO RSC выполняется расчет сложного фильтра правки АЧХ (будем называть его просто RSC), а сверху него с помощью существующего параметрического эквалайзера выполняются правки для получения нескольких вариантов эквалайзера («Усредненный», «По фронту», «Натуральный»).

При копировании настроек одного из режимов в ручной эквалайзер мы получаем на выходе точно такую же правку, как и при работе соответствующего «автоматического» режима. Однако при обнулении ручного эквалайзера график на выходе предварительного усилителя не линейный, а содержит правки фильтра RSC, который нельзя отключить.

В системе YPAO для всех каналов используется только параметрический эквалайзер, и при его обнулении на выходе получается ровная прямая, как и в YPAO RSC для каналов объемного звучания и сабвуфера.

Эквализация основных каналов

График АЧХ левого канала до и после калибровки:

Красная кривая - график АЧХ без коррекции, синяя - в режиме «Натуральный», зеленая - в режиме «Усредненный»

Правки в области НЧ выполнены фильтром RSC, а в области ВЧ разница из-за разных настроек параметрического эквалайзера.

Посмотрим на графики с предварительного усилителя левого канала:

Черная кривая - график АЧХ без коррекции, красная - в режиме «Натуральный», синяя - в режиме «По фронту», зеленая - в режиме «Усредненный»

А вот что пользователь видит в параметрическом эквалайзере левого канала, скопировав настройку «Натуральный»:

И скопировав настройку «Усредненный»:

В параметрическом эквалайзере автоматически настраивается только общая правка на НЧ и ВЧ, и два режима «Натуральный» и «Усредненный» отличаются только правкой на ВЧ: для «Усредненного» правка в плюс +2,5 дБ на частоте 12,7 кГц, для «Натурального» правка −0,5 дБ на частоте 5 кГц и −1,5 дБ на частоте 16 кГц.

В режиме «По фронту» остается только фильтр RSC, а параметрический эквалайзер сбрасывается. Если пользователь скопирует любой режим эквалайзера, а потом его сбросит, то на выходе предварительного усилителя получится как раз кривая RSC «По фронту».

К сожалению, нами не был найден способ, как отключить действие фильтра RSC, чтобы фактически осталась правка только параметрического эквалайзера. Но на практике это и не нужно, т. к. фильтр RSC вполне корректно правит горбы на АЧХ и его можно дополнить ручными настройками параметрического эквалайзера.

Правки в области примерно до 500 Гц имеют максимальную амплитуду до 6-7 дБ, после чего вплоть до 3-4 кГц амплитуда постепенно уменьшается. Правка в ВЧ-области отдана на откуп параметрическому эквалайзеру, который каждый пользователь может изменить под свои предпочтения.

Неприятной неожиданностью стал подъем в области самых нижних частот F3 (граничная частота по уровню −3 дБ), где фронтальные АС уже практически не играют, но фильтр RSC пытается вытянуть АЧХ с помощью максимального усиления вплоть до нескольких герц. То же можно увидеть и в работе Audyssey XT32, который мы не можем править. В YPAO есть параметрический эквалайзер сверху автоматического фильтра, но, к сожалению, выправить им этот диапазон не удалось, т. к. его минимальная частота всего 31,3 Гц. Нужно это учитывать при настройке домашней акустики или подключить сабвуфер - тогда график начинает заваливаться ниже частоты среза:

Черная кривая - график АЧХ без коррекции, красная - в режиме «По фронту», синяя - попытка правки эквалайзером на 31,3 Гц, зеленая - при включении кроссовера для сабвуфера на частоте 80 Гц

Но данная особенность проявилась только на фронтальных АС, для АС центрального канала подъема на самых низких частотах нет.

График АЧХ правого канала до и после калибровки (для наглядности одновременно АЧХ с микрофона и предварительного усилителя):

Красная кривая - график АЧХ правого канала до коррекции, зеленая - в режиме «Усредненный», синяя - в режиме «Натуральный»

Теперь перейдем к центральной АС, которая является достаточно сложной из-за своей своеобразной АЧХ:

Красная кривая - график АЧХ центрального канала до коррекции, зеленая - в режиме «Усредненный», синяя - в режиме «Натуральный»

К сожалению, все особенности АЧХ остались на графике и после работы всех фильтров, т. е. YPAO не удалось выровнять кривую АЧХ и приблизить ее к фронтальным АС.

Но у нас в запасе есть параметрический эквалайзер, с помощью которого можно попытаться выправить АЧХ вручную. На примере центрального канала оценим возможности параметрического эквалайзера в правке АЧХ в области НЧ/СЧ. Несколько правок, и в итоге:

Красная кривая - график АЧХ центрального канала до коррекции, синяя - в режиме «По фронту» с ручной правкой эквалайзера

После ручной правки график АЧХ неплохо выровнялся, что заметно и на слух: центр теперь не так сильно выделяется своим звучанием.

И если наложить график АЧХ центральной АС на график АЧХ левой АС, то видно, что АЧХ теперь отличаются не так сильно:

Красная кривая - график АЧХ левого канала, синяя - центральный канал после ручной коррекции

На графике с предварительного усилителя можно посмотреть разницу в фильтрах:

Красная кривая - график АЧХ центрального канала с выхода предварительного усилителя до коррекции, синяя - в режиме «Усредненный», зеленая - в режиме «По фронту» с ручной правкой эквалайзера в полосе до 2 кГц

Правка параметрического эквалайзера для центрального канала на экране выглядит следующим образом:

Эквализация тыловых каналов и сабвуфера

Теперь перейдем к тыловым каналам. После взгляда на графики АЧХ с предварительного усилителя становится ясно, что на тылах работает только обычный параметрический эквалайзер без сложного фильтра RSC:

Красная кривая - график АЧХ в режиме «Натуральный», синяя - в режиме «По фронту», зеленая - в режиме «Усредненный»

То ли инженеры Yamaha решили, что на тыловые каналы не нужна дополнительная точность, то ли пока не хватает вычислительных мощностей встроенного процессора DSP.

Точно такие же графики мы можем обнаружить на всех каналах обычной системы YPAO (без приставки RSC), где в качестве инструмента правки АЧХ используется только параметрический эквалайзер (например, в ресивере Yamaha RX-V1071).

К сожалению, сложным фильтром RSC обделили не только тыловые АС, но и канал сабвуфера:

Зеленая кривая - график АЧХ канала сабвуфера с предварительного усилителя до коррекции с кроссовером 200 Гц, синяя - в режиме «Натуральный»

Соответственно, в автоматическом режиме АЧХ сабвуфера практически не подвергается изменению:

Красная кривая - график АЧХ канала сабвуфера до коррекции с кроссовером 200 Гц, синяя - в режиме «Натуральный», зеленая - в режиме «Усредненный»

Попытки выправить АЧХ канала сабвуфера параметрическим эквалайзером особого результата не дали, т. к. на нижних частотах шаг центральной частоты эквалайзера достаточно большой:

Черная кривая - график АЧХ канала сабвуфера до коррекции с кроссовером 200 Гц, красная - после ручной правки параметрическим эквалайзером

Для оценки возможностей эквалайзера в канале саба был подключен второй сабвуфер и выполнены попытки поправить АЧХ ручными настройками. Но и в этом случае из-за ограниченности набора центральных частот эквалайзера существенного изменения также добиться не удалось, поэтому для полной правки канала сабвуфера лучше применить сабвуфер со встроенной калибровкой или отдельное внешнее устройство (далее будет описан вариант использования внешнего параметрического эквалайзера).

Но для обоих сабвуферов установка кроссовера на частоту менее 80 Гц позволяет избежать больших колебаний на АЧХ, что для многих будет вполне приемлемо по полученному результату.

Ручная правка АЧХ с помощью Behringer FBQ2496

Поскольку у нас имелось соответствующее оборудование, было решено привести пример возможности ручной коррекции звука с помощью недорогого внешнего параметрического эквалайзера для сравнения с системами автоматической коррекции.

Ручная правка канала сабвуфера

В качестве такого устройства был выбран достаточно популярный цифровой параметрический эквалайзер для настройки АЧХ сабвуфера в составе подавителя обратной связи Behringer FBQ2496. В FBQ2496 присутствуют по 20 фильтров на два канала. Для каждого фильтра достаточно точно выставляется центральная частота от 20 Гц до 20 кГц.

В области НЧ шаг составляет от доли герца (в начале диапазона) до нескольких герц: 20,00; 20,23; 20,46; 20,70; 20,94; 21,18 ... 60,49; 61,10; 61,80; 62,52; 63,25 ... 120,5; 121,9; 123,3; 124,7; 126,2 ... (Гц).

В области ВЧ шаг уже составляет десятки и сотни герц: 5,024; 5,082; 5,141; 5,200; 5,260; 5,321 ... 19,099; 19,321; 19,544; 19,771; 20 (кГц).

Для настройки сабвуфера была снята исходная АЧХ, выбран диапазон правки от 10 до 120 Гц и автоматически сформированы фильтры в программе REW, после чего они были загружены в эквалайзер по MIDI-интерфейсу.

Настройки фильтров для правки АЧХ сабвуфера

Кроме автоматически сформированных фильтров по результатам замера были добавлены еще два фильтра со следующими параметрами:

• Частота 44,2 Гц, усиление −2 дБ, добротность 0,5
• Частота 153 Гц, усиление −6,5 дБ, добротность 0,16

Итоговые кривые АЧХ при работе сабвуфера со срезом на 200 Гц:

Зеленая кривая - до работы эквалайзера, синяя - работа эквалайзера по 12 фильтрам

В диапазоне до 67 Гц график АЧХ превращается практически в прямую линию, а дальше до 120 Гц отклонения не превышают 3 дБ. В дальнейшем лучше установить частоту раздела 60 или 80 Гц.

Однако надо понимать, что была выполнена настройка только канала сабвуфера, а при его совместной работе с фронтальными АС, если АЧХ в НЧ-области на них не правится, придется выполнить корректировку настроек в зависимости от наложения сигнала от сабвуфера и фронтальных АС в области выбранной частоты раздела.

Ручная правка фронтальных АС

В случае, когда в системе не используется сабвуфер и музыка прослушивается только через фронтальные АС, подключенные к стереоусилителю, возможно задействовать для коррекции звука параметрический эквалайзер.

Для теста был выбран диапазон вплоть до 1 кГц. Были выполнены замеры в программе REW исходных АЧХ двух АС, выполнена автоматическая генерация фильтров по целевой прямой на уровне 75 дБ, далее фильтры были загружены в эквалайзер через MIDI-интерфейс. Никаких дополнительных правок настроек эквалайзера больше не выполнялось. Под левый канал ушли все 20 фильтров, под правый - только 17.

График АЧХ с выходов эквалайзера показывает, что фильтры сформированы достаточно сложной формы, местами узкой добротности, что потребовало использования большого количества фильтров на каждый канал.

Изменение АЧХ для левой АС:

Красная кривая - АЧХ левой АС без работы эквалайзера, синяя - при включенном эквалайзере, черная - с выхода эквалайзера

Изменение АЧХ для правой АС:

Зеленая кривая - АЧХ правой АС без работы эквалайзера, синяя - при включенном эквалайзере, черная - с выхода эквалайзера

Здесь мы видим, что для каждой отдельной АС график АЧХ в области до 1 кГц стал ровнее, и остались только провалы, которые не стоит вытягивать за счет изменения амплитуды сигнала.

Audyssey MultiEQ XT32 в программе ARC2 (Advanced Room Correction 2)

Ранее были рассмотрены только «железные» решения, когда система коррекции была встроена в ресивер или использовался внешний параметрический эквалайзер. Но существуют и программные решения, позволяющие корректировать сигнал в соответствии с особенностями акустики помещения.

Недостатком такого способа является привязанность к компьютеру как источнику сигнала, а также обработка только 2 стереоканалов. Преимуществом же является гибкость настроек и возможность использовать его в связке с любым интегральным усилителем.

Система ARC2 (Advanced Room Correction 2) построена на базе решения Audyssey MultiEQ XT32 и позволяет не только выполнить замеры в нескольких точках, но и посмотреть получившуюся АЧХ для каждого канала, а также скорректировать целевую кривую, выбрав любую предварительную настройку или вручную отредактировав ее под свой вкус.

Использовать VST-плагин можно в любом проигрывателе, поддерживающем VST-расширения, а также для воспроизведения любых звуков в Windows при условии установки нескольких программ. Для этого понадобятся:

1. ASIO4All
2. Virtual Audio Cable
3. ASIO FX Processor

Настроив вывод всего звука в виртуальный кабель, включаем VST-плагин ARC2 в программе ASIO FX Processor и выводим звук на линейный выход звуковой карточки.

Для выполнения замера АЧХ с помощью внешнего микрофона потребуется звуковая карточка с поддержкой ASIO и частоты дискретизации 48 кГц.

АЧХ левого канала системы ARC2:

Красная кривая - АЧХ левой АС без работы ARC2, синяя - при включенном ARC2, зеленая - при ARC2 с включенной опцией «Full Range Bass Correction»

Результат работы ARC2 похож на тот, что мы видим после Audyssey XT32 в ресивере Onkyo. Разница в том, что мы можем в режиме реального времени править целевую кривую и сразу же получать результат.

Можно задействовать опцию «Full Range Bass Correction» для выравнивания в области самых низких частот, выбрать одну из предварительно заложенных кривых, а также редактировать до 4 пользовательских кривых. В нашем случае при использовании измерительного микрофона с калибровкой IK000008 вместо IK000002 пришлось изменить кривую в области ВЧ:

После коррекции в обоих каналах на выходе получаем две ровных АЧХ:

Зеленая кривая - АЧХ левой АС при включенной ARC2, синяя - правой АС при включенной ARC2

Если сравнить графики АЧХ на выходе предварительного усилителя с ресивера Onkyo при включенном режиме «Кино» настройки Audyssey и с выхода звуковой карточки при работе ARC2, то можно заметить, что они практически полностью совпадают и различаются только небольшим смещением микрофона при замере:

Красная кривая - АЧХ левой АС при включенной ARC2, синяя - левой АС при работе Audyssey XT32 в ресивере Onkyo

Программный комплекс ARC2 можно рассматривать как некий специфический эквалайзер, где пользователь задает не кривую правки, а сразу же требуемую кривую АЧХ в точке прослушивания, и система генерирует необходимый фильтр для обеспечения заданного значения по данным предварительного замера с микрофона на требуемой площади прослушивания.

Финальное сравнение «железных» систем эквализации

Хочется сразу предупредить, что тестирование ресиверов производилось в разное время, поэтому сравнивать графики разных ресиверов нужно с пониманием того, что измерительный микрофон мог быть немного сдвинут (хотя он выставлялся всегда строго по линейке и далее отстраивался тестовыми замерами в режиме Pure Direct для совпадения АЧХ с предыдущими замерами). Положение измерительного микрофона больше влияет на область СЧ и ВЧ, где каждые 5 мм смещения могут существенно поменять картину. В области НЧ такие перемещения практически незаметны, а сколько-нибудь критичны лишь перемещения на несколько сантиметров.

Чтобы продемонстрировать различия, приведем графики АЧХ левого канала для каждого ресивера без применения правки системами коррекции:

Синяя кривая - АЧХ левой АС системы YPAO без коррекции, зеленая - системы MCACC, красная - системы Audyssey

Как видим, в области НЧ различия минимальные, да и на остальном диапазоне тоже несущественные, поэтому, учтя факт этих небольших различий, приступим к сравнению АЧХ с различных систем.

К сожалению, ни один из протестированных ресиверов ни в каком виде не показывает исходные графики замеренных АЧХ (хотя бы в упрощенном виде со сглаживанием 1/6 октавы) для визуальной оценки проблемных областей и возможности для начала частично решить их с помощью поиска оптимального расположения АС и места прослушивания. Все нужные данные присутствуют после замера, а используемые процессоры и качество вывода изображения на телевизор позволяют вывести график АЧХ, но по каким-то причинам никто из производителей это не делает.

Рассмотрим правку левого канала MCACC и YPAO:

Синяя кривая - АЧХ левой АС системы YPAO при настройке «Усредненный», зеленая - системы MCACC при настройке М2

В области НЧ все очень похоже, т. к. правка обеих систем минимальна, но график YPAO выглядит немного лучше за счет вытягивания некоторых провалов. На частотах ниже 40 Гц система YPAO пытается вытянуть АЧХ за счет дополнительного подъема, что выглядит достаточно красиво, и на небольшой громкости это даже приятно на слух, но вот включать музыку на повышенной громкости с такой правкой не рекомендуется из-за возможной перегрузки усилительной части и искажений со стороны НЧ-динамика.

График АЧХ левого канала систем Audyssey и YPAO:

Синяя кривая - АЧХ левой АС системы YPAO при настройке «Усредненный», красная - системы Audyssey при настройке «Кино»

Правка НЧ-области системой Audyssey более точная, и график АЧХ более линеен за счет среза пиков и вытягивания провалов. Так же как и YPAO, система Audyssey пытается вытянуть АЧХ ниже 40 Гц за счет усиления сигнала. На частотах около 6 кГц у Audyssey видится подъем, который на слух ощущается как более «открытое» звучание. В остальном графики очень похожи.

Перейдем к центральному каналу, как самому интересному для анализа работы системы коррекции АЧХ (в связи с изначально большой неравномерностью АЧХ этого канала в тестируемой системе):

Красная кривая - АЧХ центрального канала системы Audyssey, зеленая - системы YPAO в режиме «Натуральный», синяя - системы MCACC в режиме М2

Графики после систем MCACC и YPAO имеют достаточно большую неравномерность в полосе частот от 100 Гц до 700 Гц, что на слух воспринимается как окраска звучания относительно фронтальных АС. График после Audyssey наиболее ровный и, как мы рассмотрели в части описания Audyssey MultiEQ XT32, практически совпадает с АЧХ фронтальных каналов.

Однако для YPAO была произведена ручная коррекция с помощью параметрического эквалайзера, и теперь их разница с Audyssey совсем незначительная и проявляется только на отрезке от 100 до 180 Гц:

Красная кривая - АЧХ центрального канала системы Audyssey, зеленая - системы YPAO с ручной правкой эквалайзера

Дальше сравним сразу несколько одновременно звучащих АС, чтобы оценить, насколько корректна оказалась правка для воспроизведении сигнала не из одной АС, а сразу из нескольких - это любой монофонический сигнал, голос или же инструмент, расположенный по центру.

АЧХ в режиме трифоника (фронты + саб со срезом на 80 Гц) систем MCACC и YPAO:

Красная кривая - АЧХ в режиме трифоника системы YPAO при настройке «Усредненный», зеленая - системы MCACC при настройке М2

АЧХ в режиме трифоника после корректировки системами MCACC и YPAO очень похожи, особенно в области НЧ, где обе системы практически не правят канал сабвуфера и далее вместе повторяют все горбы и провалы. Подъем в области ВЧ на YPAO может быть легко изменен параметрическим эквалайзером.

Трифоник (фронты + саб со срезом на 80 Гц) Audyssey и MCACC:

Зеленая кривая - АЧХ в режиме трифоника системы MCACC при настройке М2, синяя - системы Audyssey XT32 при настройке «Кино»

Правка АЧХ системой Audyssey XT32 очень хорошо заметна в области НЧ, где в канале сабвуфера получается практически «полочка», а далее все горбы срезаны и вытянуты некоторые провалы.

Трифоник (фронты + саб со срезом на 80 Гц) Audyssey и YPAO:

Красная кривая - АЧХ в режиме трифоника системы YPAO при настройке «Усредненный», синяя - системы Audyssey XT32 при настройке «Кино»

Опять же видим отличную работу Audyssey в канале сабвуфера и в остальном НЧ-диапазоне.

Сложным тестом является одновременное воспроизведение сигнала всеми АС - фронтальными, центральной, тыловыми и сабвуфером. В этом случае важны все параметры: правка АЧХ каждого канала, правильно настроенное расстояние до колонок, уровни усиления по каждому сигналу, совпадение фазы. При воспроизведении тестового сигнала одновременно во всех АС разница в итоговых АЧХ оказалась достаточно приличной:

Красная кривая - АЧХ одновременной работы всех 5.1 каналов системы YPAO при настройке «Усредненный», синяя - системы Audyssey XT32 при настройке «Кино», зеленая - системы MCACC при настройке М2

Графики систем MCACC и YPAO практически совпадают в области частот от 100 Гц до 800 Гц, далее до 3 кГц в YPAO наблюдается небольшой провал - видимо, связанный с тем, что тыловые каналы правятся лишь минимально. В области работы сабвуфера разница порядка 7 дБ, чему пока тяжело дать объяснение. Возможно, разница связана с ошибками замеров, либо какие-то каналы были установлены у системы MCACC в Large (без среза на сабвуфер), или, возможно, системы по-разному отрабатывают разложение стереосигнала одновременно на 5 каналов.

График АЧХ системы Audyssey отличается ровной «полочкой» в диапазоне работы сабвуфера, но потом идет спад примерно на 7 дБ и далее более-менее прямая АЧХ с провалами на частотах 197 и 356 Гц, но без значительного подъема на частоте 165 Гц, как в других системах, что связано, вероятнее всего, с особенностями центрального канала. Завал в области 2 кГц является особенностью режима «Кино» и практически отсутствует в режиме «Музыка».

Итоги

1. Audyssey MultiEQ XT 32 за самые ровные графики АЧХ всех каналов, включая сабвуфер
2. YPAO RSC за хорошую работу сложного фильтра RSC по правке проблем в области НЧ
3. MCACC за наглядность представления информации о выполненных изменениях
4. YPAO за работу во всем диапазоне частот
5. Audyssey 2EQ за выправление АЧХ разнородных АС в диапазоне ВЧ

1. YPAO (все) за гибкий параметрический эквалайзер на каждый канал
2. MCACC за 9-полосный графический эквалайзер и 3-полосный эквалайзер стоячих волн
3. Audyssey (все) за графический эквалайзер, включая эквалайзер канала сабвуфера (реализация Onkyo)

1. Audyssey MultiEQ XT 32 и YPAO RSC. Тяжело однозначно выбрать лидера, т. к. одна система отлично выправляет АЧХ во всем диапазоне, а вторая хоть и хуже выправляет АЧХ, но имеет возможность дополнительной правки полученного результата с помощью параметрического эквалайзера под личные предпочтения.
2. MCACC. Неплохой набор возможностей ограничен лишь используемыми средствами для правки.
3. YPAO. Автоматическая настройка лишь незначительно правит АЧХ каналов, что требует обязательного изменения настроек параметрического эквалайзера для получения приемлемого результата.
4. Audyssey 2EQ. Отсутствие правки ниже 1 кГц не позволяет скорректировать влияние помещения.

В случае использования компьютера в качестве источника и при прослушивании только стереозаписей наилучшим вариантом будет использование Audyssey MultiEQ XT32 в программе ARC2, т. к. такое решение совмещает сразу две особенности: отличную работу автомата и возможность ручной правки.

Audyssey 2EQ

Плюсы: базовая система калибровки основных параметров.

Минусы: отсутствие какой-либо коррекции в области ниже 1 кГц, что не позволяет исправить проблемы, связанные с особенностями помещения.

Audyssey MultiEQ XT32 (в ресивере)

Плюсы: самая мощная система по выравниванию АЧХ всех каналов в полном диапазоне (как под особенности помещения, так и под разнородные АС, включая тыловые и сабвуфер), простота для конечного пользователя.

Минусы: невозможность правки результата работы коррекции, нет возможности задать параметры перед началом измерений, нет возможности сохранить несколько результатов коррекции, вытягивание АЧХ за пределами диапазона работы АС.

Audyssey MultiEQ XT32 (в составе программы ARC2)

Плюсы: самая мощная система по выравниванию АЧХ всех каналов в полном диапазоне под особенности помещения, возможность ручной правки целевой кривой.

Минусы: требуется компьютер в качестве источника, обработка только стереовывода, сложность настройки сквозного тракта для вывода всех звуков с компьютера.

Advanced MCACC

Плюсы: возможность правки эквалайзера, настроенного автоматом, несколько ячеек памяти для разных настроек и результатов замеров, наглядное представление информации о сделанных изменениях, точность выставления центральной частоты параметрического эквалайзера фильтра стоячих волн (начиная от 63 Гц).

Минусы: отсутствие эквалайзера для сабвуфера, настройка фильтра стоячих волн только от 63 Гц, наихудший результат выправления АЧХ в области НЧ, одна частота кроссовера сабвуфера для всех каналов.

YPAO (обычная)

Плюсы: возможность правки результата настройками параметрического эквалайзера.

Минусы: невозможность точно настроить АЧХ сабвуфера, требуется некоторая квалификация пользователя для точной настройки АЧХ с помощью ручной правки эквалайзера, большой шаг центральных частот параметрического эквалайзера и максимум 7 полос на каждый канал.

YPAO RSC

Плюсы: совмещение сложного фильтра RSC для правки проблем в области НЧ и СЧ с возможностью правки результата настройками параметрического эквалайзера.

Минусы: невозможность точно настроить АЧХ сабвуфера, неотключаемая правка фильтра RSC в режиме ручного эквалайзера, отсутствие фильтра RSC для тыловых каналов и сабвуфера, требуется некоторая квалификация пользователя для точной настройки АЧХ с помощью ручной правки эквалайзера, большой шаг центральных частот параметрического эквалайзера и максимум 7 полос на каждый канал.

Что же нам может дать цифровая обработка в акустических системах? Во-первых, хочу сразу оговорить, что не существует волшебной платы, установив которую в недорогую систему, получим волшебный звук. Акустические проблемы колонки должны лечиться акустическим путем. Например, нельзя устранить цифровой обработкой проблемы, связанные с резонансами корпуса акустической системы, стоячими звуковыми волны внутри корпуса, органные резонансами трубы фазоинвертора. В первую очередь нужна правильно спроектированная акустическая система с хорошо подобранными компонентами. Но все же некоторые параметры поддаются коррекции с помощью цифровой обработки звука. Рассмотрим результаты на живом примере.

В качестве подопытного кролика используем систему CL3212 производства фирмы PARK AUDIO. Система представляет собой громкоговоритель состоящий из 12” головки 12CL76 и 1” драйвера DE250 производства итальянской фирмы B&C Speakers(Италия). Для начала рассмотрим работу пассивной системы. Пассивная система – это система, не имеющая встроенного усилителя и использующая для разделения частотного спектра на полосы пассивный кроссовер. В системе CL3212 для низкочастотного динамика использован фильтр 2-го порядка с крутизной спада 12 дБ/октаву а для высокочастотного динамика — фильтр 3-го порядка с крутизной спада 18 дБ/октаву.

Рис.1 Теперь проведем измерения акустической АЧХ на расстоянии 1 метр от колонки

Рис.2 АЧХ пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Мы видим, что в то время, как АЧХ системы достаточно линейна, фазовая характеристика этим похвастаться не может. Возможности пассивного фильтра ограничены. В частности довольно сложно с его помощью совместить акустические центры головок. Для этого требуется вводить задержку электрического сигнала, подаваемого на одну из головок, а в пассивном фильтре это сложно реализовать. Можно попытаться откорректировать АЧХ пассивной системы с помощью параметрической эквализации.

Рис.3 АЧХ эквализированной пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы стала более линейной, но ФЧХ выровнять не удалось. Современные методы цифровой обработки сигналов позволяют решить эту проблему. Предварительно хотелось бы немножко рассказать о теоретических основах. В описаниях акустических систем или звуковых процессоров периодически встречается термин – FIR фильтрация.

Что это такое? Вкратце рассмотрим разницу между двумя классами фильтров, применяемыми в обработке звука: IIR фильтры От Infinite Impulse Response, на русском – фильтры с бесконечной импульсной характеристикой. Это цифровая реализация привычных нам аналоговых фильтров. Описываются они привычными нам терминами: фильтр верхних частот Батерворта 4-го порядка (крутизна спада 24 дБ/октаву), частота среза 1500 Гц. Также к этому типу фильтров относятся параметрические корректоры АЧХ (привычные нам эквалайзеры). Они обычно описываются параметрами: частота настройки, уровень подъема/спада и ширина полосы или добротность). Такие фильтры просты в реализации. Они являются так называемыми минимально-фазовыми фильтрами. Это означает, что любое изменение АЧХ неизбежно меняет фазовые соотношения в сигнале. Чем выше крутизна среза фильтра или добротность полосового фильтра – тем больше получаем сдвиг фаз на частоте среза.

FIR фильтры От Finite Impulse Response, на русском – фильтры с конечной импульсной характеристикой. В аналоговом виде такие фильтры реализовать невозможно. Главным достоинством FIR фильтров является то, что они позволяют корректировать АЧХ сигнала, не влияя на его фазу. С ними мы можем использовать разделительные фильтры, не вносящие сдвига фаз на частоте перегиба и использовать эквализацию, не вносящую фазовых сдвигов на корректируемых частотах. В общем можно сказать так: эти фильтры делают именно то, что должны делать, и ничего более. Но, к сожалению, не обходится и без недостатков. FIR фильтры вносят задержку в обрабатываемый сигнал, причем, чем более низкочастотный сигнал нам нужно обработать, тем большую временную задержку внесет наш фильтр. Если для бытовых систем, которые обычно работают самостоятельно, можно позволить довольно большие величины задержки, то в профессиональной акустической системе, которая практически всегда работает совместно с другими системами (например с сабвуферами) задержки более 2 мсек недопустимы. Поэтому частотный диапазон обработки FIR фильтров обычно ограничивается средними и высокими частотами. Для коррекции низкочастотного диапазона используют традиционные IIR фильтры. Давайте посмотрим, какой станет наша система после разделения полос и коррекции АЧХ с помощью FIR фильтров. Настроим эту же систему в активной Bi-Amp конфигурации. Каждая из головок подключена к своему каналу усиления, а разделительные фильтры и коррекция АЧХ реализованы с помощью процессора (DSP), входящего в состав усилительного модуля DX700DSP.

Рис.4 АЧХ системы CL3212, раздельные усилители НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации. Измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы превратилась практически в прямую линию, фазочастотная характеристика в области средних частот также стала практически прямой линей. В области низких частот выровнять фазу не удается, т.к. вследствие больших задержек обработки на низких частотах нельзя использовать FIR фильтрацию Теперь попытаемся понять, как влияет линейность фазовой характеристики на воспроизведение звука акустикой. Для тестирования используем в качестве тестового сигнала меандр (прямоугольные импульсы). «Идеальный» меандр представляет собой сумму бесконечного числа синусоид, каждая из которых имеет свою амплитуду и фазу. Поэтому при прохождении меандра через аудиосистему можно выявить проблемы в временной области. Все синусоидальные компоненты должны быть переданы системой без искажений времени прихода для того, чтобы получить на выходе опять прямоугольную волну. Важно осознавать, что задержка по времени системы не должна быть равна нулю. Но она должна быть одинаковой для всех частот в пределах полосы пропускания системы. Такое условие будет легко выполняться, если тестируемая система имеет ровную фазовую характеристику. Даже притом, что никто не слушает меандр через акустические системы, он представляет собой четкий тестовый сигнал, глядя на который очень легко увидеть временные искажения сигнала, проходящего через громкоговоритель. Амплитудные или временные искажения сразу видны и это помогает понять причины искажений. Итак, попробуем пропустить прямоугольный сигнал через нашу систему с пассивным фильтром:

Рис. 5 Меандр на выходе CL3212 с пассивным фильтром

На фронтах полученных импульсов видна неидеальная временная стыковка сигналов от НЧ и ВЧ головок, а на плоской части – неравномерность, вызванная неравномерностью АЧХ системы. Это дает нам два ключа для улучшения формы выходного сигнала: — сгладить частотную характеристику. — улучшить временную стыковку динамиков между собой (это даст, в том числе, выравнивание фазовой характеристики системы). Теперь проведем аналогичное измерение для активной системы с FIR фильтрацией.

Рис. 6 Меандр на выходе CL3212 с раздельными усилителями НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации.

Мы видим, что исчезли все временныенестыковки на фронтах сигнала, плоская часть импульса стала совершенно ровной. Переходные характеристики системы ощутимо улучшились. Это благоприятно скажется на четкости и прозрачности воспроизведения звука акустической системой. Система также станет более предсказуемой при попытках ее дополнительной эквализации в конкретных акустических условиях. Многочисленные прослушивания подтвердили эти результаты.

При записи грампластинок для повышения отноше-ния сигнал/шум предусматривается подъем высоких час-тот. Да и сам электромагнитный звукосниматель, как отмечалось, дает почти линейный рост ЭДС с частотой, начиная от самых низких частот. В силу этого для работы с электромагнитными звукоснимателями нужно применение усилителей-корректоров с нормированной АЧХ. Коррекции подлежат два участка частотного диапазона. В диапазоне частот от 50 до 500 Гц усиление должно падать с крутизной 20 дБ/декаду. В диапазоне от 500 до 2000 Гц оно остается постоянным,а начиная с частоты 2,12 кГц вновь должно линейно падать. Кривая АЧХ является обратной кривой зависимо-сти колебательной скорости резца при записи, которая нормируется по международным нормам.

Итак, на АЧХ заметны три характерные частоты, задающие ее вид: 50, 500 и 2120 Гц. Им соответствуют постоянные времени 3180, 318 и 75 мкс. Они позволяют рассчитать корректирующие RC-цепочки в схеме усилите-ля-корректора. Эти цепи могут быть выполнены в виде пассивных цепей коррекции или в виде элементов коррек-ции, включенных в цепь отрицательной обратной связи.

Необходимость введения коррекции усложняет схему усилителя. Обычно применяется специальный корректи-рующий усилитель, дотягивающий сигнал с выхода звуко-снимателя до типичного для остальных источников сигна-лов уровня порядка 0,15—0,3 В. Разумеется, учитывая малый уровень выходного напряжения современных зву-коснимателей, усилитель должен быть с предельно малым уровнем собственных шумов и наводок. Любители считают высшим шиком ламповый корректирующий усилитель, хотя получение от него малого уровня шумов более чем проблематично.

Аббревиатура RIAA, хотя и принадлежит Американской ассоциации звукозаписывающей индустрии, начиная с 1954 года она фактически ассоциируется во всем мире со стандартом коррекции частотных характеристик долгоиграющих виниловыхгрампластинок в противовес существовавшим многочисленным стандартам для старых патефонных пластинок, которые были рассчитаны на скорость вращения 78 оборотов в минуту. Хотя в Европе и не приветствовалось введение стандарта, разработанного Американской ассоциации звукозаписывающей индустрией (стандарта RIAA), но введение общего международного стандарта все-таки становилось велением времени. Международная электротехническая комиссия, МЭК, (IEC), ввела стандарт частотной коррекции для долгоиграющих виниловых грампластинок, который оказался практически идентичным американскому стандарту. Единственное отличие заключалось в том, что стандарт МЭК рекомендует производить срез нижних звуковых частот в режиме воспроизведения грамзаписи, причем, с целью уменьшения НЧ рокота (так называемого рокот-эффекта, вызываемого биением частоты вращения диска), рекомендуется вводить ослабление с уровнем -3 дБ на частоте 20 Гц (при переводе во временные характеристики это соответствует постоянной времени 7950 мкс). Большая часть производителей высококачественных предусилителей посчитала, что их оборудование будет укомплектовано электропроигрывателями высокого качества, поэтому проблема рокота их не будет касаться, в силу чего требования МЭК ими были проигнорированы. Следовательно, используемый ими стандарт выравнивания частотных характеристик грампластинок фактически являлся стандартом RIAA.
Тем ни менее, на производителей аппаратуры до сих пор зачастую оказывается сильное давление на предмет изменения параметров проигрывателей, соответствующих стандарту RIAA вводя коррекцию амплитудно-частотной характеристики в области низких частот.

Такая политика определяется тем, что:

• часть ламповых усилителей мощности оказывается чувствительной к насыщению магнитного сердечника выходного трансформатора в случаях, когда на низких частотах (менее 50 Гц) поступает сигнал большой амплитуды (в том числе и от рокот-эффекта);
• НЧ громкоговорители отражательного типа очень легко перегружаются при частотах, ниже частот их акустического среза из-за слишком малого демпфирования, вызываемого движением диффузора. Для громкоговорителей отражательного типа, установленных на отражательных досках, характерна частота среза чуть ниже 100 Гц, тогда как для свободно стоящих отражательных громкоговорителей нижняя граница сдвигается до 50 Гц, или даже еще ниже;
• записи на долгоиграющих виниловых грампластинках характеризуются низкочастотным (менее 20 Гц) шумом из-за деформаций и вибраций диска проигрывателя.

Таким образом, из вышесказанного следует, что все эти проблемы могли бы быть сняты введением низкочастотной коррекции в каскаде воспроизведения аппаратуры, соответствующего стандартам RIAA.
Одним из возможных позитивных подходов к этой проблеме является возможное принятие рекомендаций МЭК относительно постоянной времени 7950 мкс, но более разумным решением было бы введение соответствующим образом рассчитанного фильтра высоких частот, имеющего на краю диапазона ослабление порядка 12 дБ на октаву, или же еще большее значение, с резонансной частотой порядка 10 Гц (так называемые резонансные рокот-фильтры для подавления НЧ шумов, определяемых несовершенством механической части проигрывателя). Плеер компакт-дисков как-то не выявил необходимости введения фильтра нижних частот с резонансной частотой 10 Гц для решения проблем, связанных с плохо сконструированными громкоговорителями или с вызывающими вопросы выходными трансформаторами. Но тогда сразу же возникает вопрос, а причем же здесь виниловые долгоиграющие грампластинки? Коробление и рокот являются в чистом виде проблемами механической части, и, следовательно, должны решаться чисто в этих рамках, а не с использованием электрических ухищрений.

Так как операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель с очень большим коэффициентом усиления, то вероятность его самовозбуждения при введении отрицательной обратной связи весьма велика. Поэтому для обеспечения устойчивости ОУ необходимо принимать специальные меры. Устойчивость ОУ оценивают с помощью логарифмических амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.

При построении АЧХ обычно используют логарифмический асштаб по обеим осям координат, т. е. коэффициент усиления Ыражается в децибелах. Используя формулы (4.42), (4.46) и полагая, что 2, легко построить АЧХ и ФЧХ для одного каскада. Для удобства анализа характеристики аппроксимируют в виде прямых (рис. 6.15).

АЧХ представляет собой горизонтальную линию на уровне . На частоте среза излом и при АЧХ представляет собой прямую с наклоном 20 дБ при изменении частоты в 10 раз, т. е. 20 дБ на декаду. Таким образом, скорость спада АЧХ, построенная для одного каскада при , равна .

Если оценивать скорость спада АЧХ с помощью октавы (из-менения частоты в два раза), то можно считать, что скорость спада АЧХ однокаскадного усилителя составляет (рис. 6.15, а).

Частота среза, соответствующая излому аппроксимированной АЧХ, приблизительно равна граничной частоте усиления в реальной АЧХ. Максимальная погрешность их равенства при аппроксимации АЧХ составляет 3 дБ.

Построенную с помощью выражения (4.46) ФЧХ (рис. ) также можно аппроксимировать в виде прямой, проведенной от точки до точки , в которой 90°. На частотах ФЧХ представляется горизонтальной прямой на уровне . При такой идеализации отклонение от реальной ФЧХ составляет не больше 5,7°.

Амплитудно-частотная характеристика многокаскадного усилителя строится путем суммирования АЧХ отдельных его каскадов и имеет несколько изломов, число которых соответствует количеству каскадов.

На рис. 6.16, а приведена АЧХ трехкаскадного усилителя, построенная путем суммирования АЧХ каскадов с частотами среза и коэффициентами усиления в области низких частот .

Фазочастотная характеристика многокаскадного усилителя (рис. 6.16, б) строится путем суммирования фазовых характеристик отдельных каскадов с построенной выше АЧХ.

Из рис. 6.16, а видно, что в диапазоне частот от до скорость спада АЧХ составляет , от до , а на участке от до сот - 60 дБ ( - частота единичного усиления).

Таким образом, каждый каскад увеличивает скорость спада АЧХ на .

Фазовый сдвиг на частоте составляет -45°, на частоте - 135° и на частоте - 225° (рис. 6.16, б).

При введении отрицательной обратной связи угол сдвига между выходным и входным напряжениями усилителя должен составлять 180°, если четырехполюсник обратной связи не имеет реактивных элементов, т. е. [см. формулу (2.34)].

При положительной обратной связи с учетом имеем .

Таким образом, чтобы за счет реактивных элементов усилителя отрицательная обратная связь стала положительной, дополнительный фазовый сдвиг должен составлять 180°.

Для обеспечения запаса устойчивости усилителя по фазе принимаем, что сдвиг нйне должен превышать 135°. Тогда можно считать, что область устойчивости работы многокаскадного усилителя, в частности ОУ, при введении отрицательной обратной связи определяется участком АЧХ со спадом , так как на частоте фазовый сдвиг составляет 135°.

При глубокой отрицательной обратной связи .

На рис. 6.16, а , выраженный в децибелах, может быть представлен прямыми 2 и 3, отражающими различную глубину обратной связи. В точках пересечения этих прямых с АЧХ усилителя без обратной связи А и Б имеем , т. е. именно в этих точках выполняется другое условие самовозбуждения усилителя

Таким образом, на частотах усилитель не самовозбуждается, так как, несмотря на выполнение условия (6.22), обеспечивается достаточный запас устойчивости по фазе. На частотах усилитель работает неустойчиво, так как могут выполняться оба условия самовозбуждения усилителя (6.22) и (2.34).

Для повышения устойчивости ОУ при введении глубокой отрицательной обратной связи проводится частотная коррекция АЧХ с помощью пассивных -цепей, включаемых в схему операционного усилителя. Корректирующие цепи изменяют АЧХ таким образом, что ее спад на всех частотах составляет (рис. 6.16, а). Наиболее просто осуществить коррекцию АЧХ, включив в схему ОУ конденсатор достаточно большой емкости так, чтобы постоянная времени корректирующей цепи превышала . Тогда АЧХ усилителя сдвинется влево, и точка, соответствующая ее частоте среза , будет определяться уже величиной емкости , а спад АЧХ составляет в диапазоне частот . Если частота больше частоты единичного усиления сот кор скорректированной АЧХ, то усилитель будет устойчив при любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих частот от 0 до . Недостаток такого способа коррекции состоит в том, что, обеспечив устойчивость усилителя, мы ограничим его полосу пропускания.

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются ОУ общего применения, при разработке принципиальных схем которых учтено использование корректирующего конденсатора . ОУ, называемые усилителями с внутренней коррекцией, не требуют дополнительных корректирующих элементов и устойчивы любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих Однако узкая полоса пропускания ограничивает применение с внутренней коррекцией.

Если необходимо усиливать сигналы высокой частоты, то используют ОУ с внешней коррекцией, когда усилитель имеет дополнительные внешние выводы для подключения корректирующих цепей.

Эти выводы позволяют выбрать оптимальную коррекцию АЧХ усилителя путем подключения к выводам коррекции навесных конденсаторов или -цепей. В спецификациях изготовителей ОУ обычно приводятся инструкции по применению цепей внешней коррекции.