Цифровая коррекция пространственного звучания для аудиофила [перевод]

Принципы современных технологий цифровой коррекции пространственного звучания (Digital Room Correction, DRC) зачастую понимают неверно. Существует много статей на эту тему, но редко встречаются материалы, отвечающие на главный вопрос — какие вообще проблемы решает DRC? Как это работает? И почему это должно заботить аудиофила ? Попробуем же ответить на эти вопросы.

Какие проблемы решает цифровая коррекция пространственного звучания

Начнем с того, что попытаемся понять задачу цифровой рум-коррекции. Чтобы вникнуть быстро, нужно послушать, как ваши колонки отыгрывают низкие частоты. Давайте разбираться вместе. Нужно найти музыку с большим количеством баса. Чем больше будет разных низких нот — тем больше частот мы протестируем.

Я выбрал песню «Spanish Harlem» с альбома «The Raven» Ребекки Пиджон. Эта композиция отличается хорошим акустическим басом в соль мажоре с классической прогрессией «I-IV-V». Чуть позже я объясню, что побудило меня выбрать именно эту песню. Вы же выберете то, что нравится именно вам. Продолжим.

Что нужно услышать? Итак, сперва выкрутите громкость на комфортный уровень. Если есть измеритель звукового давления (можно использовать SPL-измеритель на смартфоне), настройте громкость так, чтобы уровень звукового давления в точке прослушивания составил 77–83 дБ(C).

Расположитесь поудобнее, закройте глаза и сконцентрируйтесь на басовой линии и басовых нотах. Все ли низкие ноты звучат на одном уровне? Возможно, некоторые ноты более выражены? Есть ощущение, что одна из нот превалирует?

Это непростое упражнение для ваших ушей — ведь мы уже привыкли к неровному воспроизведению низких частот. Возможно, многие вовсе никогда не слышали равномерную басовую линию, поэтому и сравнивать не с чем. В общем, придется потратить время для «настройки» ушей и концентрации на НЧ-партии музыкальной композиции. Помимо прочего, сфокусироваться может быть сложно из-за одновременного звучания разных музыкальных инструментов и вокала.

Вот почему лучше выбрать песню, где есть четкая басовая прогрессия с разными нотами. Эти ноты проще услышать и понять, какие звучат мягче или, наоборот, резче и громче. Такой подход помогает не только, когда вы собираетесь прослушать что-то спокойное с неплотной басовой линией (как в песне «Spanish Harlem»), но и если вы выбрали композицию с более насыщенными и громкими басами (например, «The Power of Goodbye» Мадонны). Как только подстроите свой слух — станет легче различать ноты.

Вернемся к «Spanish Harlem». Вот последовательность частот основных нот, на которых строится басовая линия (мелодия базируется на упомянутой прогрессии «I-IV-V»): 49-62-73; 65-82-98; 73-93-110.

Вот та отправная точка, когда у нас появляются конкретные данные и значения, которые помогут понять, какую же проблему решает DRC. Если коротко, то цифровая коррекция пространственного звучания призвана выровнять низкие частоты так, что все басовые ноты будут восприниматься одинаково отчетливо. Современные DRC-алгоритмы учитывают разные зоны прослушивания (точки) для обеспечения постоянных фазовой и частотной характеристик.

Почему, собственно, о неровном звучании басов нужно задуматься? Скоро мы получим ответ.

Раз мы уже знаем частоты нот нижнего регистра в песне «Spanish Harlem», то можем соотнести эти басовые ноты с реальными акустическими измерениями НЧ-характеристики колонок в комнате. Для моих измерений я использовал акустику, собранную на базе комплекта Purifi SPK4, специальный микрофон и программу REW в стандартном режиме (500 мс, без сглаживания). Сабвуферы не были задействованы.

Стандартные настройки предполагали захват звука микрофоном напрямую из колонок, а также захват ранних отражений и поздних до 500 мс в диапазоне от 20 Гц до 200 Гц. Все это было сгруппировано и отображено на диаграмме. Мы сосредоточимся на басовых частотах ниже 200 Гц:

Диаграмма показывает частотную характеристику от 20 Гц до 200 Гц по горизонтали и уровень звукового давления (SPL) с шагом в 5 дБ по вертикали. Для калибровки микрофона я использовал SPL-измеритель и розовый шум.

Обратите внимание на амплитуду. Самый большой скачок между двумя пиковыми значениями превышает 20 дБ. Для наших ушей разница в 20 дБ воспринимается как повышение громкости в четыре раза (или понижение — это зависит от конкретной басовой ноты). Кроме того, есть разница между двумя каналами.

Анализируя песню «Spanish Harlem», мы видим, что ноты между 70 и 100 Гц остались на низком уровне, а 110 Гц уже просто резонируют в моей комнате. Это видно и на графике. В зависимости от ноты я слышу некоторые НЧ-звуки в четыре раза громче или тише. Мое личное субъективное восприятие соответствует объективным результатам измерения, показывающим частотную характеристику в басовом диапазоне.

Мы слышим разницу в воспроизведении нот нижнего регистра — и мы видим ее на диаграмме. Почему же дело с низкими частотами обстоит именно так?

Почему басы звучат неравномерно?

Ответ кроется в размерах и пропорциях помещения. Роль играют также стройматериалы и акустическая подготовка, но в случае с длинными волнами важнее всего пропорции комнаты.

Чтобы проанализировать помещение, можно воспользоваться акустическим онлайн-калькулятором. Например, подойдет AMROC Room Mode Calculator. Введя размеры помещения в калькулятор, вы получите полный модальный анализ комнаты.

Очень неплохо, если звук с веб-браузера можно вывести на вашу звуковую систему. Так вы сможете выбрать любые комнатные моды (нужно просто навести курсор мыши) и услышать, как именно они звучат в помещении (не забудьте убавить громкость). Это хороший способ ощутить все своими собственными ушами. Попробуйте — ведь ничто не сравнится с реальным слуховым восприятием. Также имеет смысл перемещаться по комнате во время прослушивания мода: возможно, где-то моды будут казаться менее выраженными, а в других местах появится гудящий эффект.

Суровая правда такова, что немногие из нас владеют подготовленными комнатами для прослушивания музыки с правильными пропорциями. Короче говоря, наши музыкальные комнаты чаще обладают неправильной модальной плотностью. На некоторых частотах все комнатные резонансы собираются в кучу. Иногда такое происходит на самой «неподходящей» частоте. К примеру, на сабвуферной частоте среза 80 Гц.

Именно низкие частоты, идущие ниже переходной частоты (ее также называют «частотой Шрёдера»), образуют моды, а также стоячие волны и резонансы. Все это приводит к тому, что комната оказывается под властью басовых отзвуков, но не акустических систем. Перечитайте и вникните в этот абзац — в нем заложены суть и смысл использования цифровой коррекции пространственного звучания.

Вот вам пример измерений, сделанных в типичной комнате для прослушивания музыки. Измерительный микрофон всегда находился в одной точке прослушивания, а колонки три раза меняли свое положение, не увеличивая и не уменьшая радиус более чем на 60 см:

Как видно из диаграммы, басовая характеристика сильно скачет, и зависит это не только от изменения расположения колонок — АЧХ непостоянна при любом раскладе. Колонки контролируют ситуацию только выше 300 Гц. Помещение значительно меньше влияет на звуки от 300 Гц и выше.

Правильное расположение колонок и оптимальная точка для прослушивания могут изменить положение дел, однако чаще всего получается так, что АЧХ меняется лишь в плане распределения пиков по горизонтали, но комнатные моды никуда не деваются.

Диаграмму я взял из работ канадского ученого-акустика Флойда Е. Тула (Floyd E. Toole). Он утверждает, что за годы исследований пришел к следующему выводу: около 80% помещений оказывают значительное влияние на окраску звука. Согласно Флойду, именно звучание басов в 30% случаев является решающим фактором при субъективной оценке той или иной акустической системы. Флойд также утверждает, что любая АС может звучать лучше, если использовать систему коррекции для басовых частот. Ученый, конечно, ничего не гарантирует, но предлагает попробовать.

Теперь, когда мы услышали и замерили «неравномерные» басы, стало ясно, что комната играет важную роль с точки зрения распределения модов. Также мы пришли к выводу, что помещение, по большей части, контролируется басами, если говорить о звуках ниже переходной частоты. Пришло время изучить принципы работы DRC-систем.

Как работает DRC?

Ниже приведен пример идеальной фазо-частотной характеристики. Только лишь ближе к 0 Гц есть некоторые отклонения. Напомню, нас сейчас интересует отрезок от 20 до 200 Гц:

В нашем примере, демонстрирующем некую безупречную АС, характеристика абсолютно плоская, но есть смещение -3 дБ на 20 Гц. Обратите внимание на то, что фазовая характеристика соответствует частотной.

Однако в реальной ситуации, когда у нас есть обычная комната, мы получаем что-то «стандартное» вроде тех измерений, о которых речь шла выше (скачки в 20 дБ):

Все комнаты разные — по крайней мере, большинство комнат отличаются друг от друга. Мне приходилось делать измерения во многих помещениях, и за годы деятельности я пришел к выводу, что на низких частотах, как правило, бывают перепады от 15 до 20 дБ. Случались исключения, но то были специализированные студийные помещения с просчитанными пропорциями.

Вот фазовая характеристика в точке прослушивания:

Как я уже объяснил, комната всегда оказывается под влиянием низких частот вне зависимости от используемых колонок. Измеренный акустический отклик помещения уже не может быть представлением минимально-фазовой системы, так как в комнате присутствуют НЧ-отражения, стоячие волны и резонансы. Реальная фазовая характеристика показана выше.

Вернемся к работе DRC-систем. Если в двух словах, то современная система коррекции не только способна улучшить АЧХ, снизив перепады, но и скорректировать фазу низкочастотных отражений.

Все DRC-программы работают на основе акустических измерений. Цифровая система делает анализ, выбирает минимальный фазовый отклик, а затем инвертирует амплитудную характеристику и использует ее как фильтр к измеренному ранее отклику. В результате получается плоская частотная характеристика. Эквализация амплитудной характеристики одновременно корректирует фазовый отклик.

Помимо прочего, DRC-софт независимо корректирует избыточную фазу — то есть низкочастотные комнатные отражения. Коррекция работает так, что в точке прослушивания фазовая и частотная характеристики (в басовой области) приближаются к идеалу.

Важное замечание: избыточная фаза — это разница между реальным сигналом и минимальным фазовым откликом.

Вот пример измерений, сделанных с использованием акустики, оснащенной двумя 15-дюймовыми вуферами и портами. Кроме того, были задействованы два сабвуфера по 18 дюймов. Вся система прошла через цифровую коррекцию:

Как видите, все получилось очень похоже на показанный ранее график с минимальной фазой. Более того, оба канала идентичны, несмотря на то, что я использовал ассиметричный сетап. К сожалению, в REW нет возможности вывести фазу и частоты на одну совмещенную диаграмму. Будь такая опция, я бы показал вам результат.

Как и в прошлый раз, микрофон был установлен в точке прослушивания, настройки REW не менялись (500 мс, без сглаживания). Таким образом, мы получили информацию о прямом звуке из колонок, ранних отражениях и поздних с ограничением в 500 мс. Было бы здорово, если бы существовал специальный аудиофильский прибор, который по нажатию одной кнопки менял бы воспроизведение низких частот. Цифровая коррекция — это замечательный опыт для уха.

За последние десять лет DRC-технологии сделали большой шаг вперед. Существующий в наши дни продвинутый софт с 64-битными КИХ-фильтрами обладает полностью прозрачным функционалом: пользователь сам может настроить все, что захочет.

Есть один важный аспект, который для многих не всегда очевиден — DRС подразумевает коррекцию частотной характеристики в зависимости от времени. В этом заключается важное отличие обычного параметрического эквалайзера (или другого эквалайзера, не учитывающего время) от профессиональной DRC-системы.

Эффект стандартного эквалайзера распространяется сразу на все без разбора: прямой звук, ранние отражения, поздние отражения. Получаемый в результате звук не всегда соответствует ожиданиям, поэтому аудиофилы зачастую предпочитают вовсе не использовать эквалайзер.

Басы могут «накапливаться» в комнате, поэтому нам необходимо уменьшить амплитуду низких частот во времени. Также басовые частоты способны создавать отражения, громкость которых превышает прямые звуки. В любом случае, цифровая акустическая коррекция специально придумана для решениях сложных задач, связанных с низкими частотами и отражениями. Большинство программ, работая с низкими частотами, учитывают временные отрезки до 500 мс или 750 мс. Этого достаточно, так как потом слышимый уровень звука значительно падает.

Помните — мы имеем дело с резонансами и стоячими волнами. Некоторые частоты затухают быстрее других. Иногда низкочастотные звуки становятся причиной продолжительных резонансов, и создается впечатление, что этот гуд никогда не остановится.

Акустическая подготовка — это хорошо, но по факту достичь результата весьма сложно. Чтобы справиться с частотами ниже 100 Гц, нужно обставить всю комнату басовыми ловушками. А еще нельзя забывать о том, что басовые ловушки не всегда уместны с эстетической точки зрения, они стоят недешево и, будучи «пассивными» системами, не умеют различать частоты, поглощая их все — включая те, которые не следует.

Ловушки устроены так, что они могут привести к излишнему поглощению звука в области средних и низких частот — и музыка лишится теплоты. Я не противник акустической обработки помещений, но есть задачи, которые решаются специально созданными инструментами.

Что касается конкретных продуктов, здесь тоже есть сложности: не весь софт устроен одинаково. Я тестирую DRC-программы уже несколько лет — есть только три полностью коммерческие системы, которые правильно работают как с минимальной фазой, так и с избыточной. Я назову их: Acourate, Audiolense и Dirac. Из некоммерческого софта отмечу Denis Sbragion Digital Room Correction. Эта программа тоже работает корректно.

К вопросу, конечно, можно подойти с другой стороны. Некоторые пользователи-умельцы используют для акустической коррекции свои методы: Moving Mic Measurement, rePhase и уже упомянутый REW. Проблема в том, что не весь софт и не все техники подходят для правильной цифровой коррекции пространственного звучания. Не специализированные инструменты обладают ограниченным функционалом, что снижает качество результата. Отмечу, что REW и rePhase — это отличные инструменты для своих задач.

Как правило, DRC-софт создает коррекционные фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ/FIR). Смысл заключается в том, что коррекция магнитуды (амплитуда и фаза) может быть применена независимо от коррекции избыточной фазы. Для использования готового КИХ-фильтра понадобится специальная DSP-обработка. С этими задачами справляются, например, Roon и JRiver.

Итог

Надеюсь, статья получилась полезной и объяснила, почему 80% комнат для прослушивания музыки наполнены резонансами, которые окрашивают звучание низких частот. Помещение всегда контролируют низкие частоты — и это не зависит от используемой акустики. Надеюсь, что ваши уши смогут настроиться необходимым образом, чтобы выбрать правильный музыкальный материал и проанализировать звучание (об этом речь шла в начале).

Специализированный DRC-софт способен частично устранить стоячие волны, комнатные резонансы и моды. Для этого программы используют независимую коррекцию магнитуды и избыточной фазы.

Зная, какой должна быть характеристика идеальной АС, вы можете использовать цифровую коррекцию, чтобы оптимизировать звучание своей системы. Правильный результат — это четкие, собранные и разборчивые басы. Услышать такое воспроизведение низких частот у себя дома — вот настоящее аудиофильское удовольствие.

К DRC-инструментам стоит относиться как к способу решения проблем, связанных с НЧ-искажениями и правильной подачей прямого звука. Упомянутый мною софт можно купить за 300–400 долларов. Добавим сюда USB-микрофон за 100 долларов и получим действенный способ улучшения звучания домашней музыкальной системы.

В этой статье мы сфокусировались на низких частотах, однако DRC можно использовать для создания любых других фильтров и систем временного выравнивания. Также DRC подойдет для многоканальных сетапов.

Наслаждайтесь музыкой!

Оригинал: Understanding Digital Room Correction For Audiophiles