Subwoofery - Pomiary i wyrównanie

1. Wprowadzenie

Niniejszy dokument powstał z potrzeby ustalenia standardowej procedury, która zapewni dobre pokrycie niskich częstotliwości, poprzez rozważenie najczęstszych sposobów rozmieszczenia subwooferów w rzeczywistych zastosowaniach. W tym pierwszym przewodniku, omówimy wyrównanie systemu subwooferów, praktykę, z którą nie wszyscy użytkownicy są zaznajomieni, ale która jest niezbędna dla maksymalizacji wydajności systemu. Następnie, w dwóch kolejnych dokumentach, przedstawimy instrukcje dotyczące optymalizacji najczęściej spotykanych konfiguracji subwooferów.

Wszystkie treści zawarte w tym przewodniku są poparte filmem instruktażowym na stronach edukacyjnych witryny www.rcf.it, gdzie opisujemy kroki, które użytkownik musi wykonać.

Do demonstracji i pomiarów wykorzystamy RDNet 4.0, dostępny w dziale download na stronie www.rcf.it.

2. Pomiary i wyrównanie

Jedną z podstawowych kwestii dotyczących różnych konfiguracji subwooferów, które będziemy omawiać, jest ich wyrównanie czasowe (wyrównanie fazowe) w stosunku do np. systemu głośników wiszących (line array), lub systemu rozproszonego. W tym przypadku wyrównanie czasowe dotyczy całego zestawu subwooferów i ma na celu połączenie ich z innymi zestawami głośnikowymi, szczególnie tam, gdzie oba systemy pokrywają się częstotliwościami, zazwyczaj częstotliwościami zwrotnic.

Częstotliwości zwrotnicy, zwykle od 50 do 100 Hz, mają długość fali do 7 metrów. W tym przypadku, wszelkie nieścisłości fazowe będą miały wpływ na większą część obszaru odsłuchowego i będą odbierane przez słuchaczy jako utrata uderzenia, utrata definicji i ciśnienia akustycznego przy niskich częstotliwościach. W tym samym czasie w zakresie średnich i wysokich częstotliwości, gdzie długość fali jest niewielka, rzędu centymetrów, ze względu na różne odległości pomiędzy głośnikami i słuchaczami, te niespójności są mniej oczywiste. Są one częściowo kompensowane przez nasz system słuchowy, jednak nie da się ich uniknąć w większości obszarów odsłuchowych.

Aby mówić "tym samym językiem" musimy nauczyć się, jak wykonać i zrozumieć pomiar akustyczny, a w szczególności pomiar odpowiedzi fazowej. Jeśli czytelnik ma jeszcze wątpliwości, jak wykonać pomiar, zapraszamy do lektury i praktyki z białą księgą "Wykonywanie pomiarów - przewodnik szybkiego startu" znajdującą się w Bazie Wiedzy na stronie internetowej www.rcf.it.

Jest to niezbędny punkt wyjścia, który pozwoli nam zrozumieć wszystkie rozważania, które pojawią się w dalszej części dokumentu. Ważne jest, aby czytelnik miał jasność co do tej części przed kontynuowaniem lektury.

2.1. Odczyt śladu fazowego pomiaru akustycznego

Wychodzimy z założenia, że sygnał sterujący w postaci szumu różowego (który zawiera wszystkie częstotliwości od 20 Hz do 20 Khz) jest identyczny na wszystkich ścieżkach sygnałowych do wszystkich urządzeń pomiarowych (głośników).

Dla tego pomiaru, wyjścia naszej karty dźwiękowej są zapętlone bezpośrednio z powrotem do wejść. Widzimy, że krzywa fazowa jest płaska, na poziomie 0 stopni, dla wszystkich częstotliwości, podobnie jak magnituda, czyli odpowiedź częstotliwościowa. Dzieje się tak właśnie dlatego, że porównujemy 2 identyczne sygnały.

Jeśli mierzony sygnał pochodzi z mikrofonu znajdującego się w pewnej odległości od głośnika, te dwa sygnały nie będą już takie same, więc będziemy mieli fazę, która będzie miała swój własny, szczególny obrót.

Widzimy na przykład, że w pewnej odległości pomiędzy mikrofonem a głośnikiem, częstotliwość 60 Hz, (czerwony ślad), dociera do mikrofonu z fazą 0°.

Teraz odsuńmy mikrofon od głośnika i uchwyćmy drugi ślad fazowy; (żółty ślad) Widzimy, że 60Hz dociera teraz z fazą 90°.

Oznacza to, że podczas gdy na czerwonym śladzie 60Hz dotarło do mikrofonu po zakończeniu całego okresu (długości fali). Teraz w żółtym śladzie mamy okres + 90 stopni przesunięcia fazowego lub okres i ¼.

Obliczmy teraz po prostu czas względem okresu przy częstotliwości 60Hz, który jest równy 1/60. W milisekundach 1000/60 = 16,7 milisekundy.

Oznacza to, że cały okres, w którym faza obraca się o 360° wykonując pełny cykl trwa 16,7 milisekundy.

Nasz żółty ślad, w porównaniu do czerwonego, przybywa z 90 stopniowym przesunięciem fazowym, więc jeśli 360 ° jest równe 16,7 milisekundy, 90 ° będzie równe 16,7 / 4 = 4,2 milisekundy.

Więc jeśli chcemy wyrównać żółty ślad z czerwonym musimy dodać opóźnienie do żółtego o 4,2 milisekundy.

Można łatwo wywnioskować, że kiedy mówimy o pomiarze fazy, mówimy o pomiarze czasu; kiedy mówimy o pomiarze czasu względem dźwięku, mówimy o odległości (metrach), ponieważ dźwięk potrzebuje 1 sekundy na przebycie około 343 metrów.

Jeśli więc chcielibyśmy wiedzieć, ile wynosi długość fali przy częstotliwości 60Hz, musimy podzielić 343, czyli odległość przebytą przez dźwięk w ciągu sekundy w metrach, przez częstotliwość. Otrzymamy 343/60 = 5,7 metra. Możemy powiedzieć, że w ciągu 5,7 metra częstotliwość 60Hz kończy cały cykl (okres), który wyrażony w fazie mierzy 360°. ¼ cyklu, który mierzy 90° wyrażone w fazie i który mierzy 5,7 / 4 = 1,43 wyrażone w metrach. Z tego powodu, w wielu głośnikach opóźnienie jest wyrażane w metrach, ale może być również wyrażone w sekundach (lub lepiej, milisekundach). To samo opóźnienie, w stosunku do konkretnej częstotliwości, może być również wyrażone w stopniach.

Zapoznając się z bezpośrednią zależnością pomiędzy czasem, odległością, częstotliwością i fazą, będziemy w stanie bezpiecznie zestroić różne źródła dźwięku.

Zobaczmy teraz efekt opóźnienia, nie tylko z punktu widzenia zestrojenia z uwzględnieniem jednej częstotliwości, jak w poprzednim przykładzie, 60Hz, ale w zakresie częstotliwości. W tym przypadku jesteśmy zmuszeni do dodania parametru przy porównywaniu lub wyrównywaniu 2 śladów fazowych: Nachylenie (kąt) lub trend śladu fazowego. Czyli jego prędkość obrotowa w rozpatrywanym zakresie częstotliwości.

Wróćmy do przykładu, w którym mamy 2 identyczne sygnały jako odniesienie i mierzone w naszym dwukanałowym systemie pomiarowym.

Wyrównując te dwa sygnały za pomocą programowego automatycznego wykrywacza opóźnień otrzymamy opóźnienie delta = 0 z płaską fazą. (Czerwony ślad). Dodajmy teraz progresywne opóźnienie 1 ms (żółty ślad), 2 ms (fioletowy ślad), 4 ms (zielony ślad) i 8 ms (biały ślad). Oczywiście krzywe są różne, ponieważ te same częstotliwości docierają z różnymi opóźnieniami, w porównaniu do sygnału odniesienia. Widzimy na przykład, że przy 1 Khz, gdzie okres jest równy 1 ms i opóźnienie jest takie samo (żółty ślad), mamy całkowity obrót fazy.

Przy bardzo niskich częstotliwościach, gdzie okres, na przykład przy 30 Hz, wynosi 33 milisekundy, opóźnienie o 1 milisekundę (żółty ślad) nie zmienia znacząco odczytu. Można powiedzieć, że wraz ze wzrostem opóźnienia mierzonego sygnału, trend fazowy ma tendencję do stromizny, patrząc w dół.I odwrotnie, jeśli sygnał mierzony dociera wcześniej niż sygnał odniesienia, trend fazowy będzie odwrotny z tendencją do stopniowego wzrostu.

Z tego co do tej pory zostało powiedziane można wywnioskować, że zestrojenie, biorąc pod uwagę jedną częstotliwość, można wykonać na kilka sposobów: po uzyskaniu prawidłowej odpowiedzi fazowej w częstotliwości zwrotnicy, załóżmy 70 Hz, możemy teoretycznie dodać opóźnienie równe jednemu cyklowi, i wielokrotności, lub pół cyklu z odwróconą polaryzacją i zawsze będziemy mieli dwa ślady w fazie przy tej konkretnej częstotliwości.

Z tych śladów jednak tylko jeden będzie tym, który da najlepszy wynik. Ten, który zagwarantuje spójną sumę nie tylko w jednym punkcie, przy 70 Hz, ale w szerszym zakresie częstotliwości wokół zwrotnicy. Zobacz poniższe rysunki, aby lepiej wyjaśnić ten aspekt.

Dodajemy, programowo, czysty sygnał różowy, filtrowany przy 70 Hz filtrem Linkwitz-Riley 24 dB na oktawę, aby wirtualnie wygenerować wiszący klaster (niebieski ślad) i postawiony na ziemi system subwooferów (czerwony ślad). Na poniższym rysunku sygnały te są idealnie w fazie. Widzimy, że suma generuje idealnie liniową odpowiedź (żółty ślad).

Teraz dodajmy opóźnienie do sygnału suba równoważne 1 okresowi przy 70 Hz i porównajmy odpowiednie odpowiedzi fazowe. Widzimy, że przy 70 Hz zawsze mamy tę samą wartość, więc jesteśmy w fazie z wierzchołkami, ale nachylenie toru fazy sub jest bardziej strome, ponieważ jest opóźniony, w porównaniu do poprzedniego i w porównaniu do tego z wierzchołków.

Jeśli teraz zsumujemy te 2 tory, zobaczymy, że przy 70 Hz zawsze mamy spójną sumę, ale już nie w otaczających częstotliwościach, z wyraźnym znoszeniem się (biały ślad).

Z tego przykładu możemy wywnioskować, że wyrównywanie systemu subwooferów za pomocą jednego odsłuchiwanego tonu, co jest dość powszechną praktyką, może prowadzić do rozregulowania systemu w różnych cyklach przy częstotliwości odcięcia.

2.2. Wyrównanie systemu subwooferów

Biorąc pod uwagę to, co zostało powiedziane w poprzednim paragrafie, musimy ocenić zestrojenie naszego systemu w zakresie częstotliwości, gdzie nachylenie lub trend fazy dwóch źródeł (System wiszący i subwoofer na ziemi), muszą być jak najbardziej na siebie nałożone, aby uzyskać spójną sumę we wszystkich częstotliwościach w obszarze crossovera.

Zobaczmy jednak, dlaczego konieczne jest "wyrównanie" systemów. Głównie z dwóch powodów:

Fizycznie różne odległości głośników.

Na rysunku widać wyraźnie, że system subwoofera znajduje się bliżej punktu strojenia, w tym przypadku stacji FOH, niż wiszący klaster. Z tego powodu konieczne będzie dodanie opóźnienia do systemu subwoofera w celu wirtualnego oddalenia ich od siebie, aby upewnić się, że odległości Sub-FOH i Cluster-FOH są równe.

I w tym momencie musimy dodać jeszcze opóźnienie wynikające z wewnętrznego opóźnienia poszczególnych produktów, które różni się w zależności od modelu, DSP, a także rodzaju zastosowanego filtra LP lub HP. Istnieje dokument do tego celu, który można pobrać z sekcji technicznej na stronie internetowej www.rcf.it, gdzie znajdziemy wszystkie dane dotyczące wstępnego zestrojenia różnych produktów RCF w różnych kombinacjach, przy różnych częstotliwościach cięcia.

Ponieważ wszystkie produkty RCF są zarządzane przez cyfrowe procesory DSP, mają one swoją własną, nieodłączną latencję (opóźnienie). Dodatkowo, każdy głośnik ma swoją własną odpowiedź fazową, wynikającą z różnych charakterystyk przetworników i obudów, stąd potrzeba posiadania dokumentu podsumowującego z danymi dotyczącymi strojenia wstępnego. Taki punkt wyjścia jest przydatny, ponieważ dodając wartości związane z odległościami głośników możemy spróbować zestroić system nawet bez wykonywania pomiarów. Najbezpieczniej jest zawsze wykonać pomiar.

Używając programu pomiarowego RDNet, będziemy w stanie, przy odrobinie wprawy, wykonać dokładne pomiary akustyczne i idealnie zestroić nasz system.

W świetle tego, co zostało powiedziane do tej pory, przejdźmy do rzeczywistego strojenia systemu składającego się z klastra z HDL 28A w połączeniu z systemem subwoofera in-line 9007-AS.

Wyznaczamy teraz obszar, w którym będzie znajdował się mikrofon pomiarowy. Zazwyczaj ustawia się go na stanowisku FOH, ale nie zawsze jest to dobra praktyka, gdyż nie ma pewności, że stanowisko realizatora dźwięku jest zawsze tym, na którym jest najwięcej osób.

Na początku musimy ustalić punkt zwrotnicy naszego systemu. Weźmy dla przykładu 80 Hz. Problemem jest teraz określenie, w jakim obszarze częstotliwości konieczne jest wyrównanie. Zrozumieliśmy, że błędem jest strojenie systemu tylko w zakresie częstotliwości odcięcia, ale musimy wziąć pod uwagę trend fazowy w szerszym zakresie. Oto jak to ustalić:

Ustawiamy presety crossovera w subwooferach i klastrze na 80Hz a następnie przechwytujemy ślad magnitudy klastra.

Wyłączamy klaster i rejestrujemy ślad magnitudy subów poprzez zwiększanie głośności aż do uzyskania około 3/6dB więcej w krzywej wielkości, niż poziom klastra. W tym momencie podnosimy i obniżamy głośność subwoofera o 10 dB i sprawdzamy, gdzie przecinają się obie krzywe, w zakresie niskich i wysokich częstotliwości.

Te dwa ekstrema, od 70 Hz do 100 Hz, będą punktami, w których ślad fazowy obu systemów powinien być tak podobny, jak to tylko możliwe.

Odnieśmy się do tego, co zostało powiedziane wcześniej, odczytując trendy śladów fazowych, pamiętając, że po wzięciu śladu referencyjnego klastra, jeśli mamy ślad subów o większym nachyleniu (kącie) w dół, oznacza to, że mają one zbyt duże opóźnienie; przeciwnie, jak to się częściej zdarza, ślad fazowy subów będzie miał dodatnie nachylenie, w górę, co oznacza, że docierają one wcześnie i dlatego będziemy musieli je opóźnić.

Do tego typu prac w procesie strojenia systemu, zastosowanie RDNet 4, który łączy w sobie oprogramowanie pomiarowe z pełnym zarządzaniem wewnętrznymi procesorami DSP głośników, jest niezwykle pomocne zarówno w odniesieniu do dokładności wyników, jak i oszczędności czasu. Po odpowiednim zmierzeniu i opóźnieniu subwooferów uzyskaliśmy optymalny trend fazowy.

Widzimy, że w obrębie dwóch białych słupków, które określają nasze okno zestrojenia, trend fazy klastra, (żółty ślad), oraz subów (czerwony ślad), jest dopasowany, jako że oba ślady mogą być nałożone na siebie, ponieważ są bardzo podobne. Dlatego też ślady magnitudy subów podniesionych i obniżonych o 10 dB mogą być również nałożone na siebie. Jako dodatkowe sprawdzenie, teraz ukrywając górną i dolną granicę, mierzymy sumę dwóch źródeł, porównując ją z pojedynczymi pomiarami i sprawdzając, że w obszarze crossovera, w naszym oknie, występuje spójna suma.

Możemy powiedzieć, że nasz system jest prawidłowo zestrojony.