К вопросу об убывании музыки

Электроника — наука о контактах.
Электроакустика — наука о преобразователях.

Применение в аналоговой аудиотехнике каскадов, корректирующих АЧХ/ФЧХ тракта передачи в соответствии с принятыми стандартами на предыскажения, применяемые при записи фонограмм на аудионосители основано, в основном, на использовании в корректирующих (усилительных) каскадах R C L цепочек, содержащих реактивные элементы (C или L), имеющих частотно-зависимый импеданс.

Применение корректирующих цепочек 1-го порядка (RL или RC) не вносит дополнительных переходных (колебательных) процессов в воспроизводимый аудиосигнал, чего нельзя сказать о корректорах более высоких порядков. Тем не менее, частотная коррекция цепями 2-го (и выше) порядков в аналоговых трактах применяется повсеместно т.к. вызвана:

• наличием в источниках аналогового звука электромеханических (100% не безрезонансных) или электромагнитных преобразователей, имеющих аномалии в рабочем диапазоне частот (магниторезистивные, пьезо-, фото-, термо- и «нано-» преобразователи не рассматриваем по понятным причинам);
• необходимостью использования многокаскадных усилительных схем, активные элементы которых имеют паразитные распределенные емкости (а соединительные провода — индуктивности) и, которые построены с применением обратных связей;
• наличием электродинамических (электростатических) преобразователей, например под названием «головка громкоговорителя» (также 100% не безрезонансных, в т.ч. даже в средней части рабочего частотного диапазона).

Необходимо отметить, что наиболее распространенные и применяемые на практике создателями аудиоаппаратуры способы расчета корректирующих цепей имеют в основе математический аппарат, основанный на описании эффектов, возникающих под воздействием периодических аргументов (каким может являться некий измерительный сигнал чистого тона или, например, сигнал квазистационарной помехи).

Эти методы не могут быть применены в чистом виде для частотной коррекции недетерминированного заранее музыкального аудиосигнала, кроме коррекции, полностью комплементарной (осуществленной теми же способами) той, которая использовалась при создании предыскажений в записи.

Кроме того, применяемый математический аппарат может содержать (и содержит) частные решения, расположенные в отрицательном квадранте плоскости реальных/мнимых корней, которые всегда отбрасываются на практике как нереализуемые, не имеющие практической ценности (сопротивления, емкости, индуктивности, частота, время и т.д. не могут быть отрицательными), что, по большому счету, является методологической ошибкой.

Так, например, цифровой процессор на основе функций БПФ (Быстрого Преобразования Фурье — FFT) не может быть заключительным звеном в устройстве обработки реального аудио сигнала и должен быть дополнен выходным аналоговым сумматором выполняющим коррекцию ошибок цифровой обработки на основе данных исходного (аналогового) сигнала.

Например, в случае построения цифровых полосовых фильтров для акустических систем нельзя применять только цифровые фильтры, необходимо чередовать цифровые полосовые фильтры аналоговыми, получаемыми путем вычитания выходного сигнала цифровых фильтров из исходного сигнала и дальнейшей аналоговой (до)корректировкой за пределами их полосы пропускания.

В противном случае, в тракте накапливается неконтролируемая погрешность цифровой обработки, приводящая к деградации результата — «уменьшению музыки».

Другой методологической ошибкой, которая распространена у разработчиков, является анализ/моделирование потерь и синтез необходимых корректирующих цепей, основанные на предположении эквивалентности механоакустических систем их электрическим аналогам. Ошибка заключается в том, что скорость передачи энергии в электрических (эквивалентных) системах близка к скорости света, в то время как в механоакустических системах (прототипах) скорость передачи энергии определяется скоростью распространения звука в материалах конструкции и воздухе, что, вообще-то, почти в миллион раз меньше…

Другими словами, это означает, что разработчики упускают из вида очередность происходящих процессов с точки зрения их течения во времени. Ошибка заключается еще и в том, что любая механоакустическая система состоит из реальных элементов, которые должны выдерживать определенную механическую нагрузку — иметь конструктивный запас прочности.

Запас прочности можно реализовать только лишь за счет увеличения массы этих элементов. Применительно к электрической эквивалентной схеме — это должно означать, что любой электрический элемент должен обладать свойствами индуктивности/емкости (механический аналог массы, в зависимости от ситуации, что рассматриваем: ток или напряжение), которую необходимо учитывать при построении эквивалентных схем, а это означает несовершенство применяемых для анализа эквивалентных моделей^[11].

Таким образом, в целях обеспечения «сохранности музыки» в аудиосигнале, необходимо уточнить допустимые методы и их ограничения по расчету и применению в классических (аналоговых и «новых» - цифровых) способах коррекции в аудиоаппаратуре.

Коррекция в узком частотном диапазоне (режекторы)

Активные усилительные каскады, в которых применяется та или иная частотная коррекция, не являются абсолютно идеальными (линейными) и вносят в усиливаемый сигнал собственные шумы и искажения. Как правило, независимо от способа коррекции: пассивной или включенной в ОС каскада, шумы и собственные искажения на выходе корректирующего каскада оказываются коррелированными с полезным сигналом.

Например, снижение уровня сетевого фона (остатков поднесущей) высокодобротным классическим режекторным фильтром (корректирующим каскадом), выполненным с использованием минимально-фазовых механизмов, вносит в выходной сигнал переходной (колебательный) процесс и, вместе с тем, искажает по закону той же самой передаточной функции (которая рассчитана на борьбу с гармонической фоновой помехой) полезный аудио сигнал, проходящий через этот каскад. Чем выше добротность фильтра, тем выше степень искажения полезного сигнала, который, в общем случае, помехой не является.

С точки зрения слухового восприятия это означает уменьшение количества полезного аудио сигнала. Тем не менее, помеха (в данном случае — сетевой фон/поднесущая), как правило, является довольно стабильным во времени субгармоническим сигналом примерно постоянной амплитуды, в то время как о постоянстве амплитуды музыкального сигнала говорить не приходится (любая композиция когда-то начинается и заканчивается).

При этом происходит искажение динамики частотных компонент (а это определяется только реальным музыкальным сигналом), скорость изменения амплитуды которых (или производная этой скорости) попадает в частотную область режекторной коррекции. Та же самая помеха фона/поднесущей, присутствующая в фонограмме, могла быть значительно ослаблена, будучи смикширована в противофазе с подобранным по амплитуде, частоте и фазе (форме) сигналом противопомехи. При этом потерь полезного аудио сигнала в виде искажения его динамики из-за переходных процессов во временной области вблизи частоты режекции можно полностью избежать.

Аналогичная ситуация возникает в винил-корректорах по устранению в выходном сигнале резонансных инфранизкочастотных составляющих, обусловленных высокодобротным механическим резонансом звукоснимателя: приведенная масса тонарма, гибкость подвижной системы иглодержателя, отсутствие сопоставимых потерь (вообще — головка звукоснимателя, установленная иглой на пластинку представляет собой резонансную систему 6-го порядка, мы здесь рассматриваем только низкочастотный резонанс).

Применение на выходе винил-корректоров фильтров ВЧ, «срезающих» компоненты сигнала ниже определенной частоты — приводит таким видам искажений как потеря виртуальной постоянной составляющей (будет рассмотрена ниже) и повышению коэффициента детонации.

Не менее интересная ситуация наблюдается в выходном ФНЧ ЦАПов устройств цифрового воспроизведения (передачи/обработки) сигналов при восстановлении выходного сигнала из квантованных по времени отсчетов. Применение выходных ФНЧ высоких порядков с частотой среза равной или выше половине частоты квантования приводит к искажению АЧХ/ФЧХ полезного сигнала в области верхней граничной частоты канала передачи.

Более того, происходит искажение импульсной характеристики воспроизводимого сигнала как в области положительных отрезков времени, так и в области ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ (по отношению к интерполируемому отсчету).

Однако, ту же самую задачу по подавлению симметричного периодического сигнала (с частотой дискретизации) можно решить путем применения т.н. antialiasing фильтра — фильтра, построенного на эффекте микширования сигнала с его копией, задержанной по времени на величину периода частоты квантования. В этом случае на выходе фильтра удается получить сходный с применением режекторного фильтра эффект с гораздо лучшей (из-за отсутствия колебательного процесса) результирующей переходной характеристикой в области частоты подавления.

Это, кстати, объясняет субъективное улучшение звучания некоторых цифровых записей, переписанных на аналоговый магнитофон. Роль antialiasing фильтра в этом случае выполняет тракт записи-воспроизведения магнитофона ввиду конечных скорости движения магнитной ленты и ширины зазора магнитной головки. Во всех ли случаях это поможет — рассмотрим ниже.

Коррекция в широком частотном диапазоне

Здесь мы не будем рассматривать такой класс аудиоустройств как эквалайзеры. Принцип действия эквалайзера построен на использовании в том или ином виде колебательных контуров или цепей коррекции порядков выше 1-го, обладающих своими параметрами добротности (полосы пропускания) и коэффициентом перекрытия частотных полос между собой.

Параметры эти интересные, важные, но, к сожалению, к качественному звуку (отсутствие привнесенных колебательных процессов, отсутствующих в исходном сигнале) отношения не имеющие. Поэтому остановимся только на регуляторах, обеспечивающих монотонную регулировку в заданном частотном диапазоне.

Для обеспечения качественного звуковоспроизведения таких регуляторов абсолютно достаточно т.к. основное их назначение заключается в устранении частотного дисбаланса имеющихся на тех или иных носителях записей, изначально содержащих частотные погрешности из-за особенностей применяемой при их создании аппаратуры (контрольного тракта), либо из-за известных особенностей звукорежиссеров (недостаточно толерантных к музыкантам по жизни или имеющих «свой особый взгляд на звучание»).

• мостовая схема регулировок — полностью пассивная с применением потенциометров, имеющих обратнологарифмический закон изменения сопротивления от положения движка (тип В). Ее расчет приведен в [1];
• мостовая схема регулировок с применением линейных (тип А) или с S-характеристикой потенциометров, где частотнозависимые цепи включены в отрицательную обратную связь с выхода инвертирующего усилительного каскада с большим начальным коэффициентом усиления (и большим запасом устойчивости).

Что интересно, аудиофилы и меломаны отдают безусловное предпочтение первой схеме (схеме Баксандалла). С одной стороны они правы в том, что построение темброблока усилителя на основе этой схемы позволяет обойтись каскадами без общей обратной связи. Это однозначно лучше, чем вторая схема, НО: никто не задавался вопросом:

В фильтр какого порядка превращается схема Баксандалла при перемещении обоих движков регуляторов НЧ и ВЧ по одинаковую сторону от отметки 0? Отвечу: при величине коррекции больше +-10 дБ на частотах 100 и 10 000гц — может превратиться в фильтр порядка ВЫШЕ 1-го, который по определению имеет центральную частоту и немонотонную переходную характеристику и, таким образом, внесет амплитудные искажения в частотные составляющие музыкального сигнала, скорость изменения амплитуды которых попадает в область центральной частоты регулятора.

Круг замкнулся: пассивная схема вносит в сигнал неконтролируемые амплитудно-временнЫе искажения… Чем она тогда лучше схемы активной?

Как избежать указанного негативного эффекта в простейшей пассивной схеме? Проще простого — нужно исключить влияние регуляторов друг на друга (закон Кирхгофа для участка цепи). Суть идеи отражена на схеме Рис.1, описанной в [2], где переводчик-рецензент, как всегда, не увидел замечательной идеи схемы токовых сумматоров (Т1 и Т3) и начал нести ахинею вокруг наличия целых двух регуляторов громкости.

Резистор как причина деградации аудиосигнала — «убывания музыки»

Так случилось, что преподаваемый в ВУЗ-ах курс по теории электрических цепей рассматривает всего два типа искажений, присущих аналоговой усилительной аппаратуре: линейные искажения и нелинейные. Первые — интерпретируются урезанным до практического применения минимально-фазовым математическим аппаратом и призваны объяснять искажения АЧХ/ФЧХ тракта и «управлять» ими. Вторые — интерпретируют амплитудную нелинейность активных усилительных элементов при усилении гармонических сигналов и связанные с этим, как следствие, изменения их спектров.

Знание в совершенстве этих (с позволения сказать «достаточных») характеристик тракта передачи, никоим образом не приближает нас к его «музыкальности». Даже на противоречие между скоростями распространения электромагнитной энергии (сигналов) и собственно носителей тока — зарядов в проводнике — уже никто внимания не обращает. Действительно, какая разница: ток, напряжение и время являются мерой характеристики передаваемых сигналов (измеряемыми величинами), в то время как только ток и время — является мерой характеристики электрического заряда, т.е. — энергии в чистом виде.

Одним из замечательных следствий теории передачи информации (вопросами, которыми занимался академик Котельников) является энергетическая природа меры достоверности информации. Никакой способ кодирования, преобразования информации из одного вида в другой, например аналог/цифра (ток/напряжение) и/или наоборот — не нарушают это следствие.

Любые активные (не в смысле усилительные, а в смысле безреактивные) элементы/компоненты тракта передачи сигнала — представляют собой «устройства», вносящие энергетические (тепловые) потери, а значит — снижают энергию передаваемой информации, её достоверность. Соединительный провод в данном случае — не исключение. Именно поэтому, казалось бы, на первый взгляд абсолютно линейная схема тракта передачи «убивает музыкальный сигнал» настолько сильно, насколько много в этой схеме, например, активных сопротивлений (резисторов) в цепи прохождения сигнала. Больше других подобной схемотехникой увлекаются японцы: звук их изделий «чистенький», «ровненький», но «мертвененький».

• С точки зрения преобразователей: Например, для динамического микрофона/громкоговорителя, электромагнитной головки звукоснимателя, магнитофонных головок записи-воспроизведения — оптимальным будет токовый интерфейс. Для электретного микрофона, электростатического громкоговорителя, пьезозвукоснимателя, магниторезистивных и термоэлектрических преобразователей — интерфейс на основе разности потенциалов (напряжений).
• С точки зрения усилительных приборов, таких как полевые транзисторы и электровакуумные лампы: эти приборы являются единственными (кроме как, конечно же, активными усилительными) преобразователями интерфейса напряжение-ток! Биполярные транзисторы, в общем случае, являются усилителями тока и не являются преобразователями интерфейса, хотя могут работать таковыми на участке экспоненциальной входной характеристики база-эмиттер (со всеми недостатками такой схемотехники в виде нелинейных и временных — тепловых искажений).

Любое пассивное преобразование сигнала из одного интерфейса (ток) в другой (напряжение) и наоборот невозможно осуществить без использования сопротивлений, что автоматически приводит к деградации (уменьшению энергии) передаваемого сигнала. Такое преобразование является необратимым из-за тепловых потерь, нелинейных во времени. Тем не менее, практически во всех элементарных усилительных каскадах метод одно-двукратного преобразования «напряжение-ток-напряжение и наоборот» применяется повсеместно и считается основой построения усилителей!

Даже отрицательная обратная связь в усилительном каскаде реализуется методом двукратного преобразования интерфейса напряжение-ток-напряжение!

Регулятор громкости на основе переменного резистора также является устройством, реализующим двукратное преобразования интерфейса напряжение-ток-напряжение!

Выбор оптимального сигнального интерфейса между аудиокомпонентами

К сожалению, нет элементарных усилительных приборов, которые бы являлись преобразователями ток-напряжение. Также нет элементарного усилительного прибора, который бы оперировал только напряжением и являлся бы усилителем напряжения. Сама природа нам подсказывает, что использовать разность потенциалов (напряжение) в качестве меры качества (энергии) сигнала — не есть осознанная необходимость. Напряжение выступает в качестве мерила работы, которую производит или сможет произвести (про перегрузочную способность помните?) наш сигнал на входе-выходе усилительного каскада и означает не что иное, как величину потерь присутствующих на пути сигнала, являющихся нашей расплатой за использование несвойственных природе звукового сигнала интерфейса в виде разности потенциалов.

Действительно, если мы воспроизводим грамзапись, то:

• электромагнитная головка звукоснимателя является источником с токовым интерфейсом;
• динамическая головка громкоговорителя (конечный преобразователь) также управляется током;
• в усилителе применены биполярные транзисторы, которые являются токовыми усилительными элементами;
• …..

…то с какого рожна мы используем разность потенциалов (напряжение) в качестве интерфейса между компонентами усилительного тракта грамзаписи? Почему мы любую оценку качественных параметров этого тракта также делаем на основе измерения разности потенциалов? Да, так измерять удобнее (у нас все приборы ориентированы на измерение разности потенциалов), но слушаем-то МЫ без приборов!

Какими же свойствами (нами проектируемыми и измеряемыми) должны обладать усилительные каскады, а равно как и другие компоненты тракта при реализации токового интерфейса между ними или интерфейса на основе разности потенциалов? Попробуем представить их идеализированные параметры в таблице:

Даже при беглом взгляде на таблицу видно, что токовый интерфейс предпочтительнее из-за меньшего количества ограничений исходных параметров, влияющих на качество передачи сигнала и допускает большую свободу конструктора в реализации схемных решений.

Также видно, что токовый интерфейс менее энергоемок, а значит — обладает большим КПД, а значит — меньшими искажениями ВСЕХ типов! И что еще характерно — регулятор громкости на основе переменного резистора не является оптимальным для обоих интерфейсов.

Корректирующие цепочки — преобразователи интерфейса

Вначале этой статьи не зря приведена фраза о том, что корректирующие цепочки содержат реактивные элементы (C или L), имеющие частотно-зависимый импеданс. Теперь мы знаем, что эти элементы вкупе с активными сопротивлениями являются устройствами — двукратными преобразователями интерфейсов, вносят потери в передаваемый сигнал и, несмотря на предназначенную функциональность, приводят к «уменьшению музыки».

Первая «инженерно-оптимизированная» реализация частотной коррекции без использования специально привнесенного активного сопротивления потерь, как элемента - преобразователя интерфейса предпринята в [3], где недостатки активных и пассивных элементов, а также схемотехнические ограничения использованы во благо обеспечения требуемой частотной коррекции.

Также известно много других схемотехнических решений, где заданные постоянные времени частотной коррекции далеко не оптимальным образом реализуются паразитной емкостью переходов транзисторов (эффект Миллера), активных схем мультипликации (умножения/деления) R, C, L на основе положительных/отрицательных обратных связей, параллельного канала обработки сигнала и т.п. [4,5]

После перечисленного выше, уже кажется довольно странным реализовывать частотную коррекцию тракта передачи лишь в полностью пассивном варианте (применяя до и после корректирующих цепочек активные буферные каскады), а также в полностью активном за счет введения частотной зависимости в обратную связь (ОС). В последнем случае — странно вдвойне т.к. усилительный каскад сначала рассчитывается исходя из максимальной полосы пропускания и устойчивости (со своим набором преобразователей напряжение-ток-напряжение, задающих сигнальные рабочие точки активных элементов), а потом с помощью ОС загоняется в рамки нужной частотной кривой вкупе с многократными преобразованиями сигнальных интерфейсов как внутри каскада, так и в цепи ОС.

И в каждом преобразователе — резисторе, RCL-цепочке полезный сигнал уменьшается — деградирует, причем по-свОему и параллельно (в первом приближении — одновременно) с другими цепочками. Одно дело — уметь разбираться в такой схемотехнике. Другое — найти в себе смелость поставить перед собой вопрос: «А зачем делать именно так?»

Конечно, не все элементы схем участвуют в сигнальном контуре. Есть необходимость в обвязке, хотя бы для обеспечения рабочих точек активных усилительных элементов по постоянному напряжению (току), построения качественных источников питания, смещения, всевозможных схем задержек и авторегулировок, защит по напряжению/току и температуре (в выходных каскадах) и т.п.

В обвязке также могут применяться реактивные элементы. Очень хороший материал о нелинейных искажениях, вносимых конденсаторами, используемых в усилителях звуковой частоты приведен в [6]. Причем автор провел свои исследования в условиях, максимально приближенных к реальным т.е. когда действительно используются реактивные свойства конденсатора, а именно — диэлектрика между его обкладками. Результаты неутешительные: конденсаторы могут вносить до 2% искажений!

Поэтому неизвестно что лучше (с инженерной точки зрения / в условиях ограничения бюджета): использовать не совсем линейный конденсатор нужного номинала, либо заведомо отличный конденсатор меньшего номинала и активную схему умножения его емкости. То же самое относится к индуктивностям: использовать катушку с сердечником, либо воздушную + активную схему умножения ее индуктивности, либо гиратор.

Единственное правило, в отношении которого нужно помнить всегда: если большой номинал емкости или индуктивности (реактивного элемента) обусловлен причинами энергетического характера, например первичным питанием всей схемы, то обязательно нужно применять реактивный элемент, указанный номинал которого и нормированное сопротивление потерь в частотном диапазоне определены конструктивно несмотря на его стоимость и размеры — здесь физику обмануть еще никому не удавалось.

Способ коррекции противофазным сигналом

В некоторых случаях разработчики того или иного аудиоустройства сталкиваются с проблемой, решить которую стандартным способом либо сложно, либо невозможно в принципе. Примеров таких великое множество:

• Регулировка уровня громкости каналов стереоусилителя одинарным переменным резистором;
• Подавление низкочастотных помех стереофонического проигрывателя грампластинок без применения фильтра верхних частот;
• Регулировка добротности входного RLC контура усилителя воспроизведения магнитофона без увеличения шумовой составляющей;
• Токовый тонкомпенсированный регулятор громкости;
• Многое, многое другое…

Все эти проблемы решаемы, если применить способ коррекции, основанный на использовании сигнала, противофазного основному. Например, если на вход сумматора подать два сигнала: основной и ему противофазный, который монотонно изменяется с ростом частоты (фильтр не выше 1 порядка), то подбором соотношения уровней/фазы основного и противофазного сигналов можно получить практически любую результирующую АЧХ, соответствующей для фильтров более высоких порядков, но без характерного «звона» на переходной характеристике.

Действительно, если из основного сигнала, не имеющего в себе переходных процессов вычесть его же копию, также не имеющую переходных процессов, то вряд ли на выходе мы сумеем получить некий неконтролируемый переходной процесс. Это невозможно в принципе.

О технике получения противофазного сигнала. Существует два широко распространенных способа:

• противофазный сигнал в широком частотном диапазоне можно получить усилением исходного сигнала на (-1) т.е. применить инвертор (трансформатор);
• противофазный сигнал в узком частотном диапазоне можно получить двумя-тремя последовательно включенными цепочками фазовращателей (all-pass, всепропускающих фильтров).

Для измерений на синусоидальном сигнале, где нет разницы в форме между верхней и нижней полуволной (предыдущим периодом/текущим/последующим периодом), безусловно, оба способы верные. В случае применения к звуковому сигналу, верным будет только первый способ т.к., на самом деле, фазовращатели, построенные по второму способу являются линиями задержки (в достаточно узком диапазоне частот). Задержка звукового сигнала на половину его периода — не будет соответствовать противофазному сигналу из-за природной асимметрии и непостоянства амплитуды (формы звуковых колебаний).

Для звукового сигнала, коррекция, выполненная с использованием второго способа получения псевдопротивофазного сигнала — приведет к искажениям формы первоначального сигнала — потери фазовой взаимоствязи его частотных компонент. Таким образом, второй способ получения противофазного сигнала для осуществления минимально-фазовой частотной коррекции внутри рабочего диапазона частот использовать категорически нельзя.

Однако, в некоторых случаях, где частотная коррекция должна быть осуществлена в отношении помехи (не связанной с полезным сигналом), например при пост-цифровой обработке звукового сигнала (в отношении помех частоты дискретизации), наоборот, применение второго способа может значительно снизить специфические, определяемые только передаваемым сигналом искажения.

Применяя различные методики коррекции в отношении полезного сигнала и сопутствующих ему помех — мы сохраним «количество музыки» в тракте.

Коррекция в акустических системах

Появление средств автоматизации оптимизации разделительных фильтров, используемых для создания акустических систем позволило на несколько порядков снизить трудоемкость получения ровной АЧХ систем (на синусоидальном сигнале), состоящих из нескольких излучателей. Это факт.

Но, как в любой другой области информатизации, если программа написана для «дурака», то только «дураки» и будут работать с этой программой. Не хочу никого обидеть, но скажите: разве переходные (импульсные) характеристики, звучание современных «фирменных» АС, которые явно создавались (рассчитывались) с использованием этого замечательного программного обеспечения, далеко «ушли» по звучанию от лучших образцов акустики, созданной «по наитию» и на основе величайшего опыта исследователей предыдущих лет [12]?

О чем и разговор… Значит дело совсем не в дорогостоящем программном обеспечении, не в шикарнейшей измерительной базе (определяющей T-S: «вторичные половые признаки» динамиков), а дело в методологии.

Возьмем для примера искажения дифракции звуковых волн, возникающих при работе среднечастотной головки громкоговорителя в закрытом оформлении.

Чем обусловлены различия в неравномерности АЧХ сферического корпуса акустической системы (АС) от корпуса в виде параллелепипеда? За счет каких эффектов АЧХ головки в этих разных корпусах различны? И для всех ли видов звуковых сигналов будет постоянная во времени АЧХ, однажды измеренная для синусоидального тестового сигнала? Вы понимаете, что если такие вопросы задаются, то ответ на них совсем не прост, как кажется.

Как только звуковая волна «оторвалась» от крайнего витка каркаса звуковой катушки электромагнитного громкоговорителя, о минимально-фазовых корректирующих фильтрах в акустическаой системе можно забыть. Почему? Потому, что резонансные явления (начиная с гильзы звуковой катушки) в АС разнесены в пространстве, а с учетом конечной скорости звука в материалах, из которых изготовлены элементы АС — еще и по времени. Все на этом. Применение способов локальной коррекции в разделительных фильтрах АС можно ограничить только следующими причинами:

• коррекции АЧХ, вызванной основным механическим резонансом подвижной системы (в низкочастотной области рабочего диапазона излучателя);
• коррекции АЧХ для обеспечения совместной работы частотных полос (идеализированных излучателей);
• коррекции АЧХ основной кривой потерь, вызванных дифракцией (сферического) корпуса, а это плавная кривая от 0 до +4…+6 дБ с характерной точкой +2…+3дБ;
• коррекцией АЧХ основной кривой потерь короткого акустического замыкания для открытых систем в области ниже первого акустического резонанса (1-го максимума).
• частичной коррекции потерь, обусловленных упругостью подвеса диффузора+воздуха внутри корпуса АС (корректор Линквица, [8])

Этот список причин коррекции АЧХ, которые допустимо реализовывать в пассивных фильтрах АС — полный и расширению не подлежит.

Даже высокочастотный резонанс купола пищалки (диффузора мидбасовой головки на верхней рабочей частоте) нельзя корректировать применением классического режекторного фильтра. Хотя большинство начинающих проектировщиков это делают, с успехом применяя программы оптимизации расчета. Для понимания этого нужно отойти от классических представлений на синусоидальном сигнале и перейти к представлениям (в собственном воображении) о воспроизведении головками произвольного непериодического сигнала.

На синусоидальном сигнале периоды обезличены, поэтому математика и работает (без разницы какая полуволна является причиной, а какая — следствием). В музыкальном же сигнале — импульс является «единицей», достаточной характеристикой сигнала, первопричиной всего, а его нежелательные копии, сдвинутые по оси времени (и возможно с измененным спектром) — искажениями.

Причем нет никаких гарантий, что последние по спектральному составу/фазовой структуре компонент одинаковы с первичным импульсом, а значит нет гарантии, что устранив последние за счет первых «минимально-фазовым способом» — мы не затронем…то, что хотели сохранить. Это все равно, что замкнуть цепь ООС в усилителе — автоматически получим рост спектра гармоник. Снова мы пришли к выводу, что бездумно примененная линейная коррекция порождает нелинейные искажения.

Причем, что характерно, головка динамического громкоговорителя является токовым преобразователем. Это значит, что часть искажений, определяемых механизмом электромеханического преобразования, контролируемого током — являются минимально-фазовыми и могут быть скорректированы пассивными фильтрами АС (то же самое относится к электростатическим АС). Искажения АЧХ акустической системы, обусловленные геометрией излучателя/корпуса, скоростью звука в средах (воздух, материал компонентов АС), а к ним можно отнести в т.ч. направленность излучения — являются искажениями временными и ввиду отсутствия механизма по их своевременному преобразованию обратно в ток звуковой катушки - не могут быть устранены при минимально-фазовом варианте построения пассивных фильтров внутри АС. Даже если бы такой механизм был, низкий собственный КПД преобразователя акустической энергии в электрическую не даст этого сделать [11].

Это означает всего лишь то, что идеальную пассивную АС, которая во всех отношениях не является точечным (по отношению к длине звуковой волны) объектом, построить нельзя! Маэстро Линквиц в чем-то прав [8]. Это также означает то, что никакими способами организации обратной связи по звуковому давлению, вообще способами, основанными на принципах обратного регулирования — нельзя добиться полного исключения искажений, вносимых АС.

Поэтому авторы, предлагавшие в акустических агрегатах способ реализации электромеханической обратной связи на НЧ [9] — правы лишь частично и лишь в рамках известных ограничений. Но и они не предложили методику оценки (выбора) динамических головок, применение которых дает в их схеме наилучшие результаты (оставим даже проблему нестабильности магнитной индукции в зазоре). Тем не менее, прямая регулировка в цепях предыскажения сигнала в целях снижения последствий искажений, вносимых АС, — возможна.

Цифровые искажения

Если коротко, то проблема выглядит так: По двум-трем-четырем отсчетам, получаемым в моменты квантования с частотой дискретизации внутри временного интервала, соответствующему одному периоду наивысшей частоты исходного аналогового звукового сигнала — этот сигнал не восстановить (с достаточной точностью соответствия оригиналу по амплитуде, фазе, форме).

По пяти отсчетам уже можно, но достоверно — только синусоиду, не содержащую постоянной составляющей. По большему количеству отсчетов — уже сигнал со 100% сохранением его формы, например так, Рис.2. Вверху — оригинальный сигнал, Внизу — прошедший через цифровой тракт передачи CD-DA (AudioCD)

Это означает, что для формата CD-DA наивысшей частотой, гарантированно передаваемой в соответствии с разрешением, определяемым спецификацией стандарта, является 44100/5 = 8820Гц. Все, что мы слышим выше этой частотной границы — это «интерполяционные домыслы» имеющегося в нашем распоряжении после-ЦАП-ового фильтра нижних частот, похожие на исходный сигнал, Рис.3. Вернее — это результат деления импульсной характеристики студийного пред-АЦП-шного ФНЧ на импульсную характеристику после-ЦАП-ового ФНЧ (фильтр низких частот) проигрывателя.

Нужно быть большим аудиофилом, чтобы верить в соответствие ФНЧ собственного дорогого проигрывателя студийному, где создавалась (оцифровывалась) запись. И нужно быть большим оптимистом, чтобы констатировать превосходство цифрового тракта передачи над аналоговым [7]. Сложилась ситуация, когда для оценки цифрового тракта передачи до сих пор применяются методы измерений и качественные оценки, характерные для тракта с аналоговыми носителями информации.

Естественно, какие-то параметры качества стали идеальными: неравномерность в полосе частот, уровень шумов, уровень детонации. Но те типы параметров, которые в случае перехода от аналоговых носителей на цифровой тракт значительно ухудшились — где они? Про них «вежливо» забыли: паразитная амплитудная модуляция (ПАМ), фазовые искажения… А уж про новые ограничения, которые новый формат «нес в свет»: скорость изменения АЧХ/ФЧХ на краях рабочего диапазона, привнесенные импульсные характеристики фильтров нижних частот «канала записи-воспроизведения»… — о них разработчики решили вообще ничего не говорить. Также как ничего не говорят о том, что искажения сигнала, вызванные ограничениями цифрового формата стали являться функцией передаваемого сигнала, нежели следствием недостатков носителя информации или устройств записи-воспроизведения.

Без звукового сигнала — цифровая аппаратура идеальна!
Музыка, записанная в цифре, сама себя разрушает!

Искажения виртуальной постоянной составляющей

Термин «Виртуальная постоянная составляющая» (сокращенно — ВПС) ввел Е.С.Алешин [10] и предложил механизм ее восстановления на основе схемы компаратора-интегратора.

Доказано существование в звуковых сигналах неизвестной до сих пор составляющей (ВПС), которая безвозвратно утрачивается (разрушается) в дифференцирующей среде современного звукового тракта (Рис.5) — сигнала, определяющего коэффициент несимметричности звуковых колебаний относительно нулевого потенциала. Суть искажений виртуальной постоянной составляющей изображена на Рис.6.

Разрушение ВПС снижает динамический диапазон звукового тракта, а поскольку звуковой сигнал не является функцией периодической и постоянной величины, то потеря ВПС является источником амплитудно-временных искажений, определяемых звуковым сигналом и существующих в тракте только при наличии звукового сигнала.

Тем не менее, непонятно, почему автор намеренно снизил частоту (в районе 20Гц), выше которой появление искажений ВПС он считает маловероятным. Иметь в тракте звукопередачи нижнюю граничную частоту 20Гц по уровню -3дБ можно разными «способами», например такими:

• ФВЧ 1-го порядка с постоянной времени t=7950 мкс
• три последовательно включенных ФВЧ 1-го порядка с t=16000мкс
• двенадцать последовательно включенных ФВЧ 1-го порядка с t=32000мкс
• два последовательно включенных ФВЧ 1-го порядка с t=16000мкс + восемь последовательно включенных ФВЧ 1-го порядка с t=32000мкс, и т.д.

Сколько компараторов и сколько интеграторов (Рис.7) и с какими постоянными времени необходимо применить в схеме для комплементарного восстановления ВПС, если неизвестна суммарная дифференцирующая характеристика тракта записи фонограммы?

Причем это должно касаться не только итогового (сведенного) звукового сигнала, представляющего собой суть предназначенного быть записанным на носителе, но также и искажений, возникающих на каждом первичном участке (до сведения воедино) записей, в тракт которых вполне могут входить любые промежуточные тракты записи/воспроизведения (аналоговые, цифровые) и т.д. со своими частными дифференцирующими свойствами.

Таким образом, предложенная автором единая схема восстановления ВПС для участка тракта воспроизведения не позволит в одночасье справиться с глобальной задачей восстановления ВПС, если неизвестны частные законы дифференцирования звуковой компоненты каждого из инструментов (голосов), составляющих полный звуковой сигнал в тракте записи. И не были ли использованы в качестве «необходимой драматической компоненты» собственно искажения от потери ВПС самим звукорежиссером (искажения, возникающие на его контрольном тракте)?

Корректным было бы предположить, что в звуковом сигнале присутствуют призвуки от множественных потерь ВПС с частотным диапазоном (потерь), соответствующим гораздо бОльшим скоростям колебаний «виртуального нуля» — до 2500…6000 изменений в секунду. Можно согласиться с Е.С.Алешиным в количественной оценке уровня этих призвуков: единицы-десятки процентов (!) от величины основного сигнала. Где и кто видел последний раз запись, гистограмма уровней в которой, соответствовала бы динамическому диапазону выше 30дБ?

Что, ни в одной фонограмме нет компонент с уровнем ниже -30 дБ? Должны быть! Компоненты такие, безусловно, в записи были, но мы их уже не увидим, поскольку они замаскированы искажениями потерь ВПС сигналов более высоких уровней. Поскольку пик гистограммы, обычно, приходится на уровни, соответствующие -8…-12 дБ от максимально возможных для аудиотракта, то все это говорит о том, что искажения ВПС составляют не менее -22…-18 дБ от основного сигнала, либо примерно одну десятую, либо 10%... Комментарии здесь излишни.

Учитывая то, что структура сигнала в соседних временнЫх фреймах - единицах восприятия звука человеком должна быть идентична [7], то предложенный автором способ коррекции ВПС является частичным и позволяет решить проблему только в отношении одной скорости колебаний «виртуального нуля» до максимум 40…60 изменений в секунду, оставляя нескомпенсированной потерю ВПС в голосовой (наиболее чувствительной для слуха) частотной области.

Поскольку заранее не известны дифференцирующие свойства всего тракта (каскадов его составляющих, свойств носителей, преобразователей, примененных как ДО микшера звукорежиссера, так и ПОСЛЕ него), применение интегратора, который, в общем, не является комплементарным устройством исправления потерь, не приведет к полному восстановлению ВПС, а значит — не может решить проблему в принципе.

Данное устройство окажется абсолютно неработоспособным в случае наличия в обрабатываемом сигнале двух несимметричных и инверсных (по отношению к 0) последовательных пакетов высокочастотных колебаний, каждый из которых вызывает собственную потерю ВПС в тракте в случае, если в сигнале им сопутствует мощная низкочастотная компонента с периодом полуволны, на котором эти высокочастотные пакеты укладываются полностью вместе с «хвостами» искажений ВПС от каждого пакета.

Т.е. внутри полуволны мощной низкочастотной компоненты потеря ВПС каждого высокочастотного пакета в сумме составит 0 и никакого сигнала коррекции (способного выправить потерю ВПС каждого высокочастотного пакета в отдельности) на выходе интегратора не появится. Хотя, при определенных стечениях обстоятельств, определяемых фазовыми соотношениями компонент сигнала — все же возможны некие реакции (срабатывания схемы), которые, тем не менее, не будут соответствовать существу решаемой проблемы с логической (методологической) и математической (численной) стороны.

Таким образом, безоговорочно принимаем факт существования потерь ВПС и считаем это «новым» видом искажений, присутствующих во всех существующих на сегодня (в мире) трактах звуковоспроизведения. Однако принцип решения проблемы восстановления виртуальная постоянной составляющей, предложенный автором требует повторного исследования, возможно, поиска совсем другого принципа определения потерь ВПС.

Наболевшие вопросы

Вы еще не «устали» от этих способов официального «убийства звука» по поводу или без повода?

Что я имею ввиду:

• Зачем использовать корректирующие цепочки в режиме двухкратного преобразования напряжение-ток-напряжение?
• Зачем на вход биполярного транзистора подавать сигнал в виде «напряжения» и большую часть обвязки всей схемы тратить на линеаризацию «выхлопа» (выпрямление экспоненты входной характеристики), зная, что этого не сделать никогда?
• Зачем применять резистивную нагрузку в усилительном каскаде на полевом транзисторе или вакуумной лампе?
• Зачем в схемах на биполярных транзисторах применять разделительные конденсаторы, ограничивающие спектр сигнала снизу, если с функцией сдвига уровня по постоянному напряжению замечательно справляется каскад с общей базой?

Использованная литература:

1. Расчет регуляторов тембра. Л.Ривкин, Радио №1 1969г. стр. 40-41
2. Предварительный усилитель низкой частоты, Радио №6 1973г. стр. 58
3. RX — корректор. А.М.Лихницкий, Аудиомагазин № 2000г.
4. Винил-корректор OBH-8. А.Никитин
5. Схемотехника японских магнитофонов. Н.Сухов. Радиоежегодник 1990
6. Сравнение: конденсаторы для усилителей
7. О восприятии музыкального сигнала. С. Поляков. "Мир Audio", 2004г.
8. З.Линквиц http://www.linkwitzlab.com
9. Ю.Митрофанов, А.Пикерсгиль. Электродинамическая обратная связь в акустических системах. Радио №5 1970г. стр. 25-26.
10. Патент WO 02/43339 от 30.05.2002.
11. Электроакустика, Т.Хаясака, Москва «Мир», 1982г. (перевод И.И.Иванчика)
12. Loud Speakers, N.W.McLachlan, Oxford, 1934

• искажения ачх
• коррекция усилителя
• усилитель звука на транзисторах