Акустическая автонастройка
Пространственная информация, присутствующая в фонограмме фильма, оценивалась звукорежиссером на неком эталонном комплекте акустики в студии. И чтобы получить аналогичное звучание дома, нужно не только использовать такие же акустические системы, но и помещение должно иметь сходные характеристики.
Понятно, что обеспечить подобное в большинстве случаев невозможно, поэтому и возникает необходимость в корректировке. Идеальная настройка комплекта домашнего театра подразумевает идентичность параметров всех каналов в данном помещении. То есть к месту прослушивания одинаковые сигналы должны приходить в одно и то же время, с одним и тем же уровнем и с одинаковыми спектральными изменениями. В первую очередь, вся акустика должна быть идентичной, и, во-вторых, все колонки в комнате должны быть установлены в одинаковых условиях: на одном и том же расстоянии от стен и до места прослушивания. Самый простой вариант настройки пространственного звучания осуществляет подстройку уровней и задержек по каналам.
Самый большой выбор AV-ресиверов с автоматической настройкой акустики предлагает Pioneer. Наиболее совершенный из них — VSX-AX5i (на фото)
Каждый из микрофонов в комплекте Lexicon MC-12 V4EQ при измерениях устанавливается вертикально: так в горизонтальной плоскости получается круговая диаграмма
Светодиод на пульте, слева от надписи EzSet, при работе меняет свечение (красный — уровень выше, желтый — ниже, зеленый — канал настроен)
В своей системе Room EQ фирма Denon использует специальный микрофон с круговой диаграммой направленности
Измерительный микрофон из комплекта AV-ресивера Yamaha RX-V2400RDS закреплен на подставке вертикально, чтобы обеспечить в горизонтальной плоскости круговую диаграмму
Но, по-хорошему, этот вариант еще проходит для комплекта одинаковых колонок: поэтому большинство домашних театров комплектуется идентичными сателлитами. Задача существенно усложняется, если на фронт ставится более качественная акустика. Кроме того, частотные характеристики одной и той же акустической системы при установке в разных точках помещения могут сильно отличаться. Так что для точной настройки необходима спектральная коррекция, для которой используются многополосные регуляторы — эквалайзеры, раньше аналогвые, а теперь все чаще цифровые. Поскольку выравнивание суммарной АЧХ на слух сложно (это искусство сродни настройке акустических музыкальных инструментов), то для упрощения процедуры используются измерительные микрофоны и автоматизированные системы настройки.
Так что же автоматизируют производители аппаратуры домашнего театра, чем это поможет нам? В режиме настройки должен присутствовать некий тестовый сигнал и его измеритель, в качестве которого используется микрофон.
Технические решения, используемые в готовых изделиях, имеют широкий спектр, и начнем мы с самых простых.
Минимально необходимый набор автонастроек должен охватывать установку канальных уровней и задержек. В системе EzSet фирмы Harman/Kardon микрофон встроен в пульт, и никаких дополнительных микрофонов не надо. Все готово к работе в любой момент, при необходимости не надо специально бежать за микрофоном, подключать его. Микрофонный провод тоже не мешается: пульт общается с основным блоком по ИК-каналу, включая при этом тест-сигналы и переключая каналы. На основе микрофона в пульте организован измеритель звукового давления, который может использоваться и для ручной настройки, и для иных целей. Но автоматизирована только установка уровней, задержки же все равно придется устанавливать вручную. К тому же, по нашему опыту, система критична к идентичности колонок. Когда ей был предложен комплект «разношерстной» акустики, результат настройки пришлось дорабатывать вручную. Причина этого, на наш взгляд, в различии спектральных характеристик акустических систем, а измерения, видимо, осуществляются на довольно узкополосном сигнале. Система используется практически во всех моделях AV-ресиверов фирмы уже несколько лет.
В своих последних моделях AV-ресиверов (с окончанием на 05) Denon предлагает два варианта системы автонастройки: простую автоустановку и автоустановку с коррекцией акустики помещения — Room EQ. Здесь сначала определяется количество подключенных акустических систем, полярность их подключения, размер large/small (по воспроизведению басов). Затем измеряются и корректируются задержки, громкость в каждом канале и частотный отклик. Микрофон, как правило, входит в комплект поставки, но есть варианты и без него. Поэтому система рассчитана также на подключение не только собственного, но и микрофонов других производителей. Здесь надо уточнить, что для измерительных целей используются в подавляющем большинстве случаев только конденсаторные микрофоны — благодаря своей достаточно ровной частотной характеристике. Заметим здесь, что для настройки распределенных систем звучания, к которым относится и многоканальный домашний театр, исключительно важно использовать микрофон с круговой диаграммой.
Автоматическая калибровка звукового поля ACS в моделях домашних кинотеатров Samsung включена как составная часть в технологию обработки звукового сигнала sDSM, куда также входят функция объемного звучания и технология имитации 5.1-канального звука через наушники (Virtual Headphones). Здесь автоматически в каждом канале настраиваются время задержки, баланс, громкость и частотная характеристика.
Достаточно гибкую систему автонастройки YPAO использует в своих последних моделях AV-ресиверов и усилителей Yamaha. С особенностями ее работы можно ознакомиться, например, в S&V №2, 2004, где приводится тест ресивера RX-V2400RDS. Во всех моделях используется параметрический эквалайзер (10- или 7-полосный в зависимости от класса модели). Он позволяет более точно скомпенсировать влияния резонансов помещения на характеристики акустических систем. Ведь каждый резонанс характеризуется и своей определенной частотой и добротностью. Подогнать эти параметры с помощью параметрического эквалайзера можно намного точнее, чем с помощью графического, поэтому он и предпочтительнее.
Порядок работы YPAO следующий: вначале определяются подключенные каналы и полярность подключения (неправильно установленная полярность не корректируется, а выдается сообщение об этом), затем измерение и коррекция расстояния. Потом определяется размер колонок в каждом канале и частота кроссовера сабвуфера, частотные характеристики каналов с последующей их коррекцией, и в заключение устанавливаются равные громкости в каналах. Установка уровней после коррекции АЧХ позволяет избежать ошибок в установке уровней из-за различия АЧХ колонок (которые даже у одинаковых колонок могут меняться в зависимости от места расположения). Выравнивание частотных характеристик также имеет несколько опций на выбор:
— flat устанавливает среднюю характеристику по всем каналам (рекомендуется при одинаковой акустике);
— front подгоняет под характеристику фронтальных (для варианта, когда фронт более качественный);
— low/mid/high устанавливает среднюю, но с приоритетом по низким/ средним/высоким частотам.
Естественно, результат работы можно посмотреть, и если что не понравилось — поправить вручную.
Фирма Pioneer совместно с профессиональными звукоинженерами из AIR Studios разработала систему многоканальной акустической калибровки МСАСС. Для автоматизации она также использует отдельный всенаправленный конденсаторный микрофон, устанавливаемый в точке прослушивания. Надо заметить, что наличие МСАСС не гарантирует автоматизацию процесса, так как система имеет четыре уровня: ручной, автоматический МСАСС1, автоматический МСАСС2 и расширенный (advanced).
Ручной предусматривает более точную настройку каналов за счет их попарного сравнения. Есть модели, в которых установлен только ручной вариант (VCX-D812k, VCX-D712k), но в моделях с автоматической настройкой ручной вариант тоже, как правило, присутствует. МСАСС1 автоматически определяет число и размер подключенных громкоговорителей (large/small), их расстояние от места прослушивания, уровень, тембровый баланс (реализовано в модели VCX-D912k). МСАСС2 вдобавок к предыдущей обеспечивает настройку спектральных характеристик каждого канала при помощи 9-полосного эквалайзера. Она имеет два режима выравнивания:
— all-channel EQ делает характеристики всех каналов максимально гладкими, нейтрализуя последствия переотражений внутри помещения;
— front alignment EQ не меняет спектральные характеристики фронтальных каналов, а подстраивает под них все остальные. Этот режим предпочтительней при качественной фронтальной акустике.
О работе этой системы в составе ресивера Pioneer VSX-AX5i с пятиполосным эквалайзером можно прочитать в S&V №1 за 2004. Однако это не единственная модель с МСАСС2: Pioneer пока является лидером по количеству моделей, оснащенных автоматической настройкой surround.
Расширенная МСАСС учитывает еще и реверберационные явления в комнате, отделяя отраженный сигнал от прямого, но это проблема более высокого порядка, уже где-то пересекающаяся с областью личных предпочтений, поэтому наряду с автоматическим режимом присутствует и ручной, когда система просто измеряет реверберационные параметры комнаты и выводит их на экран, а бремя выбора уже ложится на вас. Для более точной установки положения акустических систем к усилителю может прилагаться DVD-video-диск эталонной калибровки, где в формате DTS записаны два типа сигналов. Первый делает возможным установку расстояний с точностью до сантиметров, второй позволяет выбрать лучший угол разворота колонок.
Одним из наиболее подверженных влиянию помещения является низкочастотный диапазон, поэтому системы автонастройки устанавливают даже в сабвуферы. Например, Velodyne ставит ее в сабвуферы серии Digital Drive. Один из этой серии, Velodyne DD-10, был представлен в S&V №8 за этот год. В комплект входит микрофон, имеется встроенный 8-полосный параметрический эквалайзер и генератор тест-сигнала. Если тестовый сигнал подать еще и на вход усилителя, то получится частотная характеристика всего комплекса, график которой выводится на экран обычного телевизора. Двигая с помощью пульта ДУ ползунки виртуальных регуляторов, можно менять параметры сабвуфера, тут же видя результат этих изменений. Честно говоря, система очень похожа по функционированию на самые первые образцы подобных систем, о которых мы упоминали в начале статьи, но выполнена в цифровом виде. Даже опытному аудиофилу сложно соревноваться с автонастройкой частотных характеристик. Точно установить на слух спектральный баланс всей многоканальной системы непросто и профессионалу с музыкальным образованием. Однако подобный вариант с индикацией конечной АЧХ позволяет и неискушенному слушателю довольно точно произвести предлагаемую настройку. А она все же, по идее, должна быть несколько дешевле полностью автоматической. Поэтому подобное направление, где решение принимаете вы, а электроника только показывает результат, мы оцениваем как вполне перспективное, особенно в тех случаях, когда есть желание получить отличные результаты, не считаясь с потерями времени.
Однако, казалось бы, самое логичное решение частотной коррекции, уже реализованное во многих моделях, — измерить реальную частотку и смоделировать инвертированную АЧХ при помощи фильтров — не всегда дает полностью удовлетворяющий всех результат. Недостаточно скомпенсировать и выровнять АЧХ громкоговорителя, даже в реальном помещении, — надо еще учесть и влияние этого помещения на другие звуковые параметры. Поэтому проблемы автонастройки пространственного звучания в дальнейшем их развитии перерастают в проблему компенсации влияния реального помещения. Дело в том, что в любом помещении возникают так называемые стоячие волны, приводящие к появлению резонансов. Также заметны и реверберационные явления вследствие многократного переотражения звуковой волны от стен, пола, потолка и пр. Например, резонанс в помещении вылезает в виде горба на суммарной АЧХ, измеренной микрофоном системы автонастройки. Но просто снизить уровень в этой полосе, сгладив характеристику, оказывается недостаточно, ведь резонанс проявляется и в повышенном послезвучании. Последнее в некоторой мере можно подкорректировать, сформировав сигнал противоположный послезвучанию и подав его на динамик. Вот мы и пришли к давно известному принципу активного гашения колебаний, реализовать который на практике, да еще не в одной точке, а в солидном пространстве и на сигнале с широким спектром, пока еще не удается. Но попыток реализации немало, хотя наиболее интересные нюансы подобных систем, как правило, не раскрываются. Результирующая АЧХ после подобных корректив, измеренная традиционным образом, как правило, довольно далека от идеально ровной, но исследования некоторых фирм показали, что субъективно лучше воспринимается более быстрое затухание резонансов, чем плоская АЧХ. Конечно, для получения наилучших результатов необходим комплексный подход с правильной установкой поглощающих покрытий, размещением колонок (которое, возможно, придется менять в процессе оптимизации). Но все равно полностью устранить резонансы в домашних условиях — задача практически нереальная. И в любом случае приходится прибегать к помощи фильтров. Из конкретных реализаций можно, например, назвать систему TMREQ фирмы Tag McLaren, используемую в процессоре AV192R (о нем мы писали в S&V №8, 2003). Или Meridian Room Correction фирмы Meridian. Вычислительную мощь таких аппаратов хорошо демонстрируют их параметры. Например, в новой версии процессора от Meridian на эти задачи работают два мотороловских 48-битных процессора с производительностью 300 MIPS, и только флэш-память занимает 8 Мбит. Рабочая область оптимизации охватывает звуковой диапазон до 250 Гц, где в основном и проявляется большинство резонансов, и процесс оптимизации включает в себя до 24 тестов и занимает время до 20 минут (в зависимости от количества каналов). Результат обработки можно получить или в виде импульсных характеристик, или в виде спектров (аналогичных нашим кумулятивным спектрам), где видны затухающие процессы на каждой измеряемой частоте. На экран для сравнения можно вывести два таких спектра.
Все рассмотренные выше системы использовали только один микрофон, и оптимизация осуществлялась для одной точки. Годится, если театр рассчитан на одно посадочное место (есть театр одного актера, а тут получается театр одного зрителя). Поэтому, естественно, в мозгах инженеров давно крутится проблема, как расширить зону оптимизации. Понятно, что это задачка еще сложнее (и намного) предыдущей и не всегда имеет решение в конкретных условиях. Но пусть идеала достичь не удастся, но улучшить ситуацию, безусловно, можно. Хотя, на первый взгляд, все невероятно просто: надо взять не один, а несколько микрофонов. Все правильно, только вот алгоритм оптимизации весьма не прост. И из реально продаваемых моделей нам удалось найти только одну подобную: Lexicon MС-12 V4EQ (в названии модели важно наличие последних четырех символов, так как без них в обычном МС-12, мы о таком писали, систем автоматизации не установлено). Процедура настройки в этой модели предполагает размещение четырех микрофонов по углам зоны оптимизации или у конкретных мест зрителей. В общем-то больше ничего знать и не надо: поставил микрофоны и включил нужную функцию. Все остальное должна сделать автоматика. В обработку заложено четыре степени коррекции, какой из них для вас и в ваших условиях дает лучший результат — решать уже вам. Кроме того, использование нескольких микрофонов позволяет уловить стоячие волны более высокой частоты, ведь ограничение обработки во многих моделях до частоты 250 Гц вызвано еще и тем, что более высокочастотные резонансы могут иметь локальный характер, ограниченный в пространстве, и не попадать в зону чувствительности микрофона. Есть и иные способы решения поставленной задачи, но ценность V4 EQ в том, что она делает это с традиционным набором домашнего театра.
Рекомендации по выбору
По степени сложности системы автонастройки легко делятся на три категории. Самая простая ограничивается установкой уровней и задержек. Но, честно говоря, и вручную с этой задачей может справиться каждый, причем и времени это займет немного. И по нашему мнению, такие системы вряд ли получат широкое распространение, хотя в начальный период подобных моделей может быть немало. Другая категория — с коррекцией акустики помещений. Это довольно сложные устройства с большим объемом вычислений, набор подходящих методов и алгоритмы обработки здесь находятся пока в стадии поиска и становления. И некоторое время это будут больше показные модели для престижных домашних театров, которые призваны более подчеркивать материальное положение его владельца, так как это, скорее всего, будут дорогие эксклюзивные устройства. А вот системы, позволяющие в дополнение к установкам уровней и задержек еще и корректировать частотные характеристики каналов, действительно очень полезны и удобны, и результат их достаточно хорошо заметен. Правда, желательно, чтобы для настройки использовался параметрический эквалайзер, и даже пяти полос его не всегда может быть достаточно. Примерно на каждый горб и провал используемой акустической системы должна быть своя полоса, иначе не справиться с задачей выправления частотных характеристик. Даже наиболее простые из этих систем, только выравнивающие частотку, во-первых, дают ощутимый эффект, в чем мы убедились в стенах нашей лаборатории. Во-вторых, справляются с этой задачей не только быстрее, но и заметно лучше, чем на слух (хотя некоторые ручные варианты, типа упомянутого Velodyne могут не уступать по точности автоматическим). Это наиболее перспективная категория.
Параметрический эквалайзер
Обычный эквалайзер позволяет регулировать только уровень в каждой из частотных полос, которых может быть от трех до тридцати (для третьоктавного эквалайзера). В параметрическом эквалайзере можно менять еще и характеристики (параметры) полосовых фильтров: частоту настройки и ширину полосы фильтра (или иначе — добротность). Параметрический эквалайзер более сложен в управлении, так как имеет больше вариантов установки. Благодаря такой гибкости число полос у параметрического эквалайзера может быть даже меньше, чем у простого графического, при тех же возможностях регулировки.
У истоков задачи
Проблема коррекции частотной характеристики возникла сразу при создании систем озвучивания помещений с использованием звукоусилительной аппаратуры. Характеристики помещения таковы, что для комплекта микрофон-усилитель-акустика всегда существует некая частота, на которой возникает акустическая обратная связь. Этот эффект многие наверняка могли слышать в залах при настройке микрофонов. Чтобы избавиться от него, необходимо уменьшить усиление, но только для этой частоты. Для решения задачи и были предназначены первые эквалайзеры. Практика показала, что с помощью подобных устройств можно не только избавиться от акустической обратной связи, но и выровнять частотную характеристику системы звукоусиления в широком диапазоне частот. Конечно, эквалайзеры перекочевали затем и в бытовую технику. Среди профессиональных решений необходимо отметить работу советских акустиков по электронной коррекции звучания в зале Кремлевского дворца съездов (первое подобное решение в мировой практике). А прообразом всех современных систем автоматической коррекции акустики помещений, используемых в AV-ресиверах, можно считать разработанный фирмой Acoustic Research в начале 80-х цифровой эквалайзер. Он работал только для низких частот (до 1 кГц), и дело дальше единичных образцов, которые предлагались по цене $1000, не пошло.
Равнение по хлопку
Самую оригинальную и самую быструю систему автонастройки предлагает фирма JVC в комплекте домашнего театра серии QP, где используется ресивер RX-ES1. Вся настройка заключается в том, что вы вызываете функцию Smart Surround Setup и просто хлопаете в ладоши. И все. Звук хлопка представляет из себя импульсный сигнал, по которому электроника определяет необходимые уровни и задержки и фиксирует их. Также интригует и то, что в системе нет микрофона, являющегося обязательной отличительной особенностью систем автонастройки. Как же тогда все это работает? На самом деле конструкция динамика (точнее, динамического громкоговорителя) аналогична конструкции динамического микрофона (именно динамического, но не конденсаторного): постоянный магнит и звуковая катушка, механически связанная с мембраной (или с диффузором громкоговорителя). Поэтому динамик может работать и как микрофон, что, видимо, и используется в Smart Surround Setup. Таким образом, звук вашего хлопка преобразуется в динамике в электрический сигнал, и далее полученные в каждом канале сигналы обрабатываются процессором. Естественно, достоверный результат здесь может быть получен только при использовании однотипных колонок во всех каналах. Если же колонки разные, то и их «микрофонные» характеристики также будут отличаться и по чувствительности, и по спектру, так что установить точно уровни электронике вряд ли удастся. Хотя погрешность установки задержек может быть и небольшой (если сильно не отличаются фазовые характеристики или не перепутана полярность). Кстати, немалую негативную черту в микрофонные способности колонок вносит разделительный фильтр.