Как меняется звук рядом со сценой: особенности высоких частот
Иногда при настройке звука возникает странная ситуация: сначала снижение уровня действительно помогает — высоких частот становится меньше. Но затем изменения будто перестают работать. Сколько ни убирай верх эквалайзером, внизу системы он все равно остается. Почему так происходит?
Для начала разберемся, для чего нужен шейдинг линейного массива и как он выполняется. Шейдинг в данном случае — это частотная или уровневая коррекция отдельных секций акустической системы, чтобы звук распределялся по залу более равномерно. На рисунке 1 показана частотная характеристика в четырех точках измерения по оси покрытия крупноформатного линейного массива на арене: сверху — до шейдинга высоких частот, снизу — после.
Рисунок 1: крупноформатный линейный массив, измеренный по оси в четырех точках: сверху — до шейдинга высоких частот, снизу — после.
Выше 4 кГц все заметнее проявляется поглощение звука воздухом. Чем дальше слушатель находится от системы, тем сильнее ослабляются высокие частоты. По этой причине расстояние до каждой точки измерения можно определить не только по схеме зала, но и по тому, насколько сильно проседает верхний диапазон.
В примере используется цветовая маркировка: зеленая, оранжевая, розовая и желтая кривые — от самой дальней точки к самой ближней. Зеленая кривая относится к самой дальней зоне покрытия: задержка составляет 168 мс, и потери высоких частот там максимальны. Желтая кривая соответствует более близкой зоне у нижней части массива: задержка составляет 72 мс, поэтому высоких частот там заметно больше.
Коррекцию можно выполнять вручную — с помощью HF-фильтров эквалайзера, где HF - высокие частоты. Иногда за это отвечает автоматическая система компенсации потерь в воздухе. В обоих случаях цель одна: сделать верхний диапазон более равномерным по всей глубине зала — от ближних рядов до дальних мест.
Важно уточнить: задача не всегда состоит в полном устранении потерь высоких частот. Иногда достаточно просто уменьшить разницу между ближними и дальними позициями, чтобы звучание воспринималось более цельно и предсказуемо.
Хотя в данном примере шейдинг дает хороший результат, на практике нередко возникает ощущение, что настройку не удается довести до желаемого баланса. В нижней части системы по-прежнему сохраняется избыток высоких частот: попытки убрать его эквализацией дают лишь частичный эффект. Первые несколько децибел снижения действительно меняют ситуацию, но дальше высокие частоты почти не реагируют на дополнительную коррекцию. Разберемся, почему так происходит.
Сильное перекрытие
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно разобраться с одним важным понятием из теории линейных массивов — временное рассогласование (time offset). Речь о разнице во времени прихода звука от разных элементов системы.
В низкочастотном диапазоне отдельные элементы массива работают почти всенаправленно. Звук от всех кабинетов сильно перекрывается (рисунок 2, левая часть). Где бы ни находился слушатель, он воспринимает звучание всей системы сразу. В пространстве перед системой сигналы от всех элементов приходят почти одновременно, поэтому низкие частоты складываются и усиливают друг друга — возникает суммарный эффект (рисунок 2, правая часть).
Рисунок 2: один элемент массива (слева) и массив из 18 элементов (справа) на частоте 63 Гц.
Выше и ниже системы картина меняется. Звук от разных элементов приходит с заметной разницей по времени, поэтому он уже не складывается в единое, ровное звучание. Вместо цельного сигнала получается смесь отдельных приходов, и того же эффекта суммирования, как перед системой, уже нет.
Чем больше длина системы, тем заметнее становится разница во времени, с которой звук от верхних и нижних элементов достигает слушателя. В результате звук сильнее концентрируется по направлению вперед, и зона покрытия постепенно сужается.
Например, если находиться прямо над массивом длиной около 3 метров, звук от нижнего элемента придет примерно на 10 миллисекунд позже, чем от верхнего. Увеличение длины массива усиливает этот эффект и делает низкие частоты более направленными. Именно длина массива в первую очередь определяет, как ведут себя низкие частоты. Если требуется более узкое покрытие по низу — увеличивается длина массива.
Отсюда важный вывод: попытки эквализировать низкие частоты на уровне одного кабинета обычно не дают результата. Слушатель все равно слышит суммарный сигнал от всех элементов, которые работают как единый источник. Поэтому в низкочастотном диапазоне массив воспринимается как одно целое.
С высокими частотами ситуация совсем другая. Их направленность формируется уже не за счет сложения сигналов, а с помощью рупоров и волноводов. Они направляют звук в нужную сторону за счет геометрии. Причина в том, что длина волны высоких частот очень мала — измеряется сантиметрами. Поэтому компактный волновод способен эффективно управлять направлением излучения.
На рисунке 3 показано, как ведет себя один динамик на высоких частотах (4 кГц) — звук направлен узко, в вертикальной плоскости. Если сравнить это с низкими частотами (63 Гц, рисунок 2), разница становится очевидной: там звук распространяется гораздо шире.
Рисунок 3: направленность на частоте 4 кГц для одного элемента (слева) и верхней части массива (справа).
За счет узкой направленности волновод удерживает звук в нужном направлении: стоит немного сместиться в сторону — и уровень высоких частот заметно падает. На низких частотах все иначе — там звук расходится практически во все стороны.
Если связать это с предыдущим объяснением, получится простое правило: на низких частотах слышен весь массив сразу, а на высоких — только те элементы, которые направлены в сторону слушателя. Как только точка прослушивания выходит за пределы диаграммы направленности волновода, вклад высоких частот от этого элемента резко уменьшается.
Поэтому в разных точках зала слышны разные элементы системы. Ближайшие работают на передние ряды, верхние — на дальние. За счет этого можно достаточно точно регулировать уровень высоких частот в зависимости от расстояния до слушателя.
Верхние элементы системы работают на самые дальние ряды, поэтому именно здесь чаще добавляют высокие частоты — по мере распространения в воздухе они постепенно ослабевают. Часть компенсации достигается за счет геометрии подвеса: углы между кабинетами настраиваются так, чтобы в верхней части системы возникало больше перекрытия, а значит — и суммирования. Оставшаяся корректировка выполняется уже с помощью обработки сигнала.
Избыток высоких частот, который часто слышен вблизи системы (см. рисунок 1), связан не только с меньшими потерями в воздухе. Здесь проявляется еще один фактор, который не всегда очевиден. Попробуем разобраться, откуда он возникает.
Вопрос физики
Еще раз посмотрим на рисунок 3 — особенно на нижнюю часть покрытия. Хорошо видно, что слушатели, находящиеся ближе к сцене, не попадают в область, куда направлены высокие частоты от верхних элементов системы. Однако это не означает, что высокие частоты туда совсем не попадают. Рупоры и волноводы не работают как жесткие фильтры, полностью отсекающие звук за пределами своей диаграммы направленности. Они эффективно направляют звук в нужную сторону, но часть сигнала все равно выходит за ее пределы. У одних систем это выражено сильнее, у других слабее, но полностью избежать этого невозможно — сказывается физика распространения звука. В результате часть высокочастотной энергии от верхних элементов все равно доходит до ближних слушателей. И в ряде случаев ее оказывается заметно больше, чем хотелось бы ожидать.
На рисунке 4 показано излучение верхней половины массива на частоте 16 кГц. Для наглядности используется более детализированное представление (разрешение 1/12 октавы), которое позволяет лучше увидеть проблему. Точка прослушивания в передней части зала уже попадает под воздействие этого «рассеянного» сигнала — и то же самое фиксирует измерительный микрофон.
Рисунок 4: верхняя половина массива, 16 кГц, разрешение 1/12 октавы.
Небольшое уточнение: подобный эффект отображается не во всех программах моделирования. При низком частотном разрешении (например, 1/3 или 1 октава), которое используется во многих системах расчета, он может просто не проявляться. Кроме того, важна сама модель расчета — без учета фазовых соотношений картина будет неполной.
Поэтому отсутствие проблемы в прогнозе еще не означает, что ее нет в реальности. В приведенных примерах использована программа Meyer Sound MAPP 3D, которая работает с высоким разрешением (до 1/24 октавы), учитывает фазовые взаимодействия и позволяет анализировать импульсную характеристику.
Как это проявляется в измерениях? В частотной области эффект уже заметен — он выражается в избытке высоких частот. Теперь посмотрим, как он выглядит во временной области.
На рисунке 5 сравниваются импульсные характеристики, полученные в двух точках: ближе к центру массива (верхняя часть рисунка) и в нижней зоне покрытия (нижняя часть).
Возникает вопрос: откуда берется рассеянная структура во втором графике? Это та самая высокочастотная энергия, приходящая от элементов, расположенных выше. Она появляется позже, потому что проходит больший путь и достигает слушателя с задержкой по сравнению со звуком от нижних кабинетов.
Рисунок 5: импульсная характеристика в двух точках — напротив шестого и шестнадцатого элементов массива.
Если пытаться убрать избыточную яркость в нижней части массива, ослабляя только нижние кабинеты, результат всегда будет ограничен. Поздняя высокочастотная энергия не изменится, потому что она формируется не этими элементами. В итоге шейдинг снижает основной ранний пик в импульсной характеристике, но почти не влияет на более поздний шлейф, приходящий от верхних элементов системы. В реальных условиях подобные эффекты сложно изучать изолированно — слишком много переменных. Здесь помогает моделирование, которое дает более наглядную картину.
На рисунке 6 показаны два виртуальных измерения для массива из 18 элементов, выполненные в точке «D» (обозначена золотой звездой). Красная кривая — импульсная характеристика всего массива. Синяя — только двух нижних кабинетов, при отключенных остальных (с 1 по 16).
Весь шлейф на красной кривой — это энергия, приходящая с задержкой от остальных элементов системы.
Рисунок 6: две импульсные характеристики, рассчитанные для точки D: красная кривая — весь массив, синяя — только два нижних кабинета.
Другие элементы
Разберем ситуацию подробнее. Оставим включенными два нижних кабинета (17 и 18) и начнем постепенно добавлять элементы выше по массиву — по два за раз. Это позволит понять, какой вклад вносит каждая часть системы в импульсную характеристику.
На рисунке 7 красной кривой показана импульсная характеристика всего массива, а синей — результат при поочередном подключении пар элементов, расположенных выше.
Так становится понятно, почему избыток высоких частот в нижней зоне не всегда удается убрать шейдингом нижних кабинетов: часть этой энергии приходит вовсе не от них, а от элементов, расположенных выше в массиве.
Рисунок 7: поочередное включение пар кабинетов позволяет определить их вклад в поздний шлейф импульсной характеристики, измеренной в нижней части системы.
Когда уровень высоких частот снижается только на нижних кабинетах, ситуация улучшается — но лишь до определенного момента. При этом уменьшается уровень прямого сигнала на несколько дБ, и в итоге доля высоких частот, приходящих сверху, становится заметнее. То есть ухудшается соотношение прямого и отраженного (или запаздывающего) звука. В результате вблизи сцены может возникнуть странное ощущение: кажется, будто нижние элементы массива почти не работают. У слуха нет четкого первого сигнала, за который можно зацепиться, чтобы точно определить источник звука.
Иногда пытаются пойти другим путем — не снижать уровень снизу, а наоборот, поднять высокие частоты в верхней части массива, чтобы сравнять баланс. Но это приводит к замкнутому кругу: увеличение уровня сверху одновременно усиливает и тот самый разлет высоких частот вниз, усугубляя проблему.
Практика показывает более надежный вариант. Сначала уровень высоких частот в нижней зоне уменьшается до тех пор, пока это дает ощутимый результат. Как только дальнейшая коррекция перестает влиять на звук, стоит вернуть 1–2 дБ назад. Это позволяет сохранить достаточный уровень прямого сигнала и дает слуху четкую точку локализации. В большинстве случаев баланс оказывается наиболее комфортным для восприятия.
Рисунок 8: пример настройки, при которой звучание в ближней части удалось максимально приблизить к желаемому результату. Обратите внимание на выраженный шлейф в импульсной характеристике (Live IR) в верхней части изображения.
