Спектр музыкального сигнала диета для динамиков

Диета
для динамиков

Спектр музыкального сигнала

Какой он на самом деле?

Андрей ЕЛЮТИН

Музыкальный сигнал – пища для аудиосистемы. Точнее – не так.
Динамики музыку не слушают, ее восстанавливает наш мозг, получая сложный
сигнал, содержащий множество частотных составляющих. Задача динамиков
(не без помощи, разумеется, всего, что им предшествует, – усилителей,
источников сигнала и прочего) – донести эти частотные составляющие до
ушей слушателя в виде колебаний воздуха. Донести бережно, сохранив все,
что было в записи, но без дурацкой самодеятельности, то есть – не привнося
в сигнал того, чего там не было. Казалось бы, чего проще. Однако все,
чем без устали занимаются тысячи людей во всем мире уже сто лет, направлено
на решение этой, такой простой на словах задачи. А ведь прежде чем требовать
от аудиосистемы добросовестного усвоения предлагаемых музыкальных блюд,
не мешает разобраться, что входит в состав диеты.

Те данные, которые были нами собраны (за довольно долгое время)
и, в меру возможности, обобщены (тоже не сразу), обязаны своим появлением
на свет и концентрации в руках автора простому и искреннему любопытству
– самому мощному приводному механизму человеческих поступков. Однако провоцирующим
фактором послужили вопросы «из публики», которые публика задает с постоянством
и заинтересованностью, достойными куда лучшего применения, честное слово.
Речь идет о мощности динамиков – характеристике, приводящей публику в
большое и очень часто неуместное волнение. «У меня на динамиках написано
«100 Вт», а у тебя – только 80, слабак, однозначно». А что эти ватты означают,
если только отбросить случай, когда они не означают ничего (поклон на
45 градусов в сторону восходящего солнца, которое восходит не только над
склонами Фудзиямы, но и над берегами Янцзы).

Так вот вам, господа, ужасная правда, для начала разговора.
Определение и условия измерения мощности динамиков, приводимой в их технических
описаниях, даже самых подробных, никогда не расшифровывается. А расшифровка
этой характеристики приводится только в сухих и скучных текстах промышленных
стандартов. Согласно действующим нормам, максимальной допустимой мощностью
динамика считается такая мощность (в среднеквадратичном измерении), которая,
будучи подана на него, после 100 часов работы не вызовет его выхода из
строя или необратимых изменений параметров более допустимого. Например,
допустимым изменением резонансной частоты после такого испытания считается
ее снижение на 40%. Нормально, да? Такой вот, наполовину размахренный
динамик считается прошедшим тест на максимальную мощность. Это – условие
измерений номер один.

Условие номер два: какой сигнал подают на динамик во время
мучительного испытания. Смотрим в текст стандарта: «при подаче сигнала
с характеристикой розового шума, прошедшего через фильтр с частотной характеристикой,
соответствующей стандартному распределению мощности по спектру музыкального
сигнала». То есть – понятно, не просто шумовой или, сохрани господь, синусоидальный
сигнал, а некоторый условно усредненный, изображающий спектральный образ
«музыки всех времен и народов» в одной посуде. Характеристики этого фильтра
можно найти в специальной литературе, уж никак не в той, которую вкладывают
в коробку с динамиками типа «100 Вт, а хотите – так и 200!». У этой АЧХ
даже есть своя история. До конца 60-х год стандартной считалась кривая,
предложенная Международной Электротехнической Комиссией (по-нашему – МЭК,
по-ихнему – IEC). Музыку «всех времен и народов» международная комиссия
усреднила в кривую, изображенную зеленым на графике. Должен быть поблизости,
найдите.

Сама по себе кривая – довольно выразительна. Международные
спецы установили, что в реальном музыкальном сигнале содержание нижних
частот меньше по уровню, чем уровень средних, децибел в среднем на 10,
а верхних – сами видите насколько.

В пасторальных ранних 60-х эксперты смотрели в основном в
филармоническую сторону, и утвержденная высокими подписями и печатями
стандартная кривая спектра музыкальных записей по большей части основывалась
на записях классической музыки. В конце 60-х, когда «Битлз» уже почти
все отыграли, а другие как раз разошлись не на шутку, стало ясно, что
музыка изменилась. То есть не вся, а та, что составляла основную нагрузку
для звукозаписывающих компаний и основную диету для динамиков. «Современная»
(для тех времен) музыка требовала большей терпимости к повышенному содержанию
верхних частот, волосатые гитаристы, топчущие фузы, и взмокшие ударники
с двадцатью тарелками на душу ударного населения об этом позаботились.
Новую, постреволюционную кривую утвердила МЭК, а чуть позже взяла на вооружение
святая инквизиция международной стандартизации – германская контора промышленных
стандартов DIN. Что принято DIN, то принято всеми, это проверено неоднократно.
Прогрессивная кривая стандартного спектра DIN, ныне принятая всеми, –
на том же графике, лиловым цветом.

Культурная революция в конце 60-х изменила частотную характеристику.

Понимание вот этих вот кривых, хоть прошлой, классической,
хоть новой, хипповой, уже само по себе проливает свет на посулы производителей
насчет мощности. 100 Вт (или сколько там) максимальной мощности, указанной
для динамика, не означает, не означало и никогда, до следующей культурной
революции, не будет означать, что на него можно подать сигнал любой частоты
в пределах заявленной рабочей полосы с мощностью, заявленной производителем,
и ожидать, что все будет в порядке. На каких-то частотах, скорее всего,
так и будет. А на других – нет, но теперь вы знаете, что вам этого и не
обещали, в суде дело не пройдет.

< 1 2
3 4 5
6 7 8
>

Спектр музыкального сигнала

Какой он на самом деле?

< 1 2 3 4 5 6 7 8 >

Удар в бубен при воспроизведении станет ударом по пищалке. Совершенно не опасным даже при большой мощности.

А есть ли музыкальные инструменты, которые воспроизводятся только пищалками? Мы поискали у себя по сусекам и нашли. Вот спектрограмма обыкновенного, совершенно не академического бубна.

Здесь как раз в любой системе вся нагрузка упадет на пищалку, ведь ниже 5 кГц амплитуда сигнала падает просто стремительно. А фатальными для ВЧ-излучателей обычно оказываются как раз большие уровни сигнала на относительно низких (для пищалок) частотах, вблизи частоты их резонанса. Экспериментаторам на заметку: ударные ударным рознь.

Такова ситуация на верхах. А низы?

Низы не хотят

Внимательный читатель (вот вы, например) заметил, как интересно сложились отношения у стандартной кривой спектрального состава имени германского стандарта DIN. На нижних частотах реальность отличается от стандарта, как жизнь от литературы. То есть – жестче. АЧХ реальной музыкальной деятельности гордо возвышается над скучным немецким стандартом. Но не все время, а только до примерно 40 – 50 Гц. А ниже амплитуды быстро тушуется, норовя спрятаться ниже отметки -20 дБ. Как же так, где бунтарский дух, где дикие, невозможные, сладостные супернизы, типа там 20 герц, или, ладно уж, 25? Да нету их в НОРМАЛЬНОЙ музыке. Нету и все. И это мы сейчас беремся доказать.

Соло на контрабасе: бас, оказывается, не такой уж «контра»…

Первое доказательство того, что в реальных музыкальных фонограммах нет серьезных по уровню составляющих с частотами ниже 40 – 50 Гц – уже виденный вами усредненный график. Но статистика, в смысле усреднение – дело, родственное биржевым спекуляциям, поэтому постараемся быть поконкретнее. Какой вам показать басовый инструмент, записанный отдельно от других, чтобы звучал прямо-таки на инфразвуке? Ну или хотя бы на границе звукового диапазона, на 20 Гц? Ведь правила соревнований по автозвуку требуют равномерности АЧХ начиная с 20 Гц. Шаг вверх, шаг вниз – попытка к поражению.

Вот возьмем контрабас. Смотрим внимательно на спектр частот, производимых путем игры некоего талантливого чернокожего музыканта на крупнейшем басовом струнном. Смотрим и убеждаемся: при всех стараниях чернокожего таланта частот ниже 60 Гц – негусто. Максимум спектральной плотности приходится на 100 Гц, по нашей классификации – типичный диапазон мидбасов. Сабвуфер при исполнении этого соло почти что в отпуске.

Спектр удара в басовый барабан: максимум амплитуды приходится на 40 Гц.

Не убеждает? Ну и правильно. Контрабас это что, есть еще басовый барабан, по которому либо взмокший и голый по пояс лабух, либо облаченный во фрачную пару оркестрант как хрястнут, и…

… и получат максимум амплитуды спектра на 40 Гц. А ниже все падает по-прежнему стремительно, и к отметке 20 Гц, столь священной для некоторых, от звучания самого грозного басового инструмента остаются рожки да ножки.

Ну что еще вам показать? Хотите – знаменитые японские барабаны Kodo, самый большой из которых весит четыре центнера? Вот спектр их звучания, записанный, чтобы на было разговоров, самой что ни на есть компетентной в таких делах компанией – Sheffield. От нуля пишут, как есть.

Результат внимательного и вдумчивого (ну, мы же вас знаем не первый год) изучения спектрограммы: максимум – на 60 Гц, граница информативного баса – 30 Гц. Все, что ниже – мелкие дребезги.

Даже огромные японские барабаны Kodo бьют в основном в полосе 40 – 60 Гц.

Есть еще китайцы, куда же без них. Они тоже, еще при Желтом Предке (тамошнем Царе Горохе) придумали супербарабаны. Потом эти супербарабаны записала для своих нужд суперкомпания по супер-хай-энду Burmester. На графике слева – спектр всех этих суперов.

Кули одолели самураев, существенная энергия спектра звучания их громоподобного ударного инструмента простирается до 30 Гц. Но как бы – не более (вернее, не менее) того.

Довольно стукачей, они надежд не оправдывают. Есть еще претенденты на басовые лавры. Вспомним впечатляющие пассажи на клавишах кафедрального органа: кого они оставляют равнодушным, тому, значит, в детстве прививку от басов сделали…

Для остальных, не привитых, спектр классического исполнения токкаты ре-минор Баха, произведения общепризнанно культового как в музыкальном отношении, так и в звуковом (что не одно и то же, это понятно).

Китайский вариант басовых барабанов. Уже ниже, но те так, как можно было подумать.

Токката ре-минор Баха: образец глубоко басовой записи.

Культовость, как оказалось – вполне реальная и в смысле спектрального состава. Играемые кафедральным органом ноты действительно простираются до границ слышимости, хотя, надо признать, там их амплитуда – не сногсшибательная. Мы не случайно дополнили этот график кривой стандартного спектра по «старой» схеме МЭК. В пределах ответственности стандарта (до 50 Гц) очень похоже, согласитесь. Но ниже 50 Гц амплитуды вовсе не спешат падать, оставаясь невеликими, но заметными до инфразвуковых частот.

< 1 2 3 4 5 6 7 8 >

Журнал “Автозвук”

Спектр музыкального сигнала

Какой он на самом деле?

< 1 2 3 4 5 6 7 8 >

Популяризованное исполнение токкаты. Мидбасов – больше, суббасов – меньше, а с верхними частотами – история совсем грустная.

А вот в конце тех же 60-х был такой ансамбль из Голландии под названием Ekseption. (Это не опечатка, пишется именно так.) Они первыми, или почти первыми, начали популяризировать классические музыкальные произведения, сочетая филармонические инструменты с современными для 60-х. Токката ре-минор (автор – И.С. Бах, аранжировка Р. Ван ден Линден) всегда была визитной карточкой Ekseption. Спектр их визитной карточки – слева.

Забавно, что на характере спектрограммы в большей степени сказались следы прогресса в деле звукозаписи за последние 30 лет, нежели популяризация исполнения. Спектр на нижних частотах – более «доходчивый», чем при классическом исполнении, нетрудных для прочтения простой аппаратурой мидбасов полно, а серьезных низких – совсем даже не очень. А вот на верхних частотах, несмотря на то, что к баховской партитуре щедрой рукой герра Ван ден Линдена были добавлены ударные, энергия существенно скромнее того, что сейчас записывается. А уж как мы в свое время совели от линденовских тарелочек, казалось – уж шире полосы записи не бывает. А она, как выяснилось, вот какая, выше 10 кГц – слезы, да и только. Ничто так не старит, как годы…

Однако вернемся к басам, это голландцы и ностальгия отвлекли, общими усилиями. Итак, первое заключение, которое мы имеем право сделать: реальный музыкальный сигнал существенных составляющих ниже 30 – 40 Гц почти никогда не содержит. А раз так, то и характеристики сабвуфера надо оптимизировать под реальный сигнал, а не под математическую абстракцию.

В этой связи в несколько новом свете предстает столь распространенное устройство для подъема басов в усилителях – bass boost, который практически всегда настроен на частоты между 40 и 45 Гц. На первый взгляд устройство – не царских кровей, типа – для долбежки, в ущерб музыкальности. А теперь давайте посмотрим не предвзято: подъем частот на 40 Гц означает их (относительное) ослабление на частотах ниже 40, 30 и так далее. Значит, если организовать АЧХ сабвуфера с разумным спадом к 40 Гц, а затем приподнять АЧХ на этой отметке, то есть шанс получить частотную характеристику, оптимизированную по отношению к спектру реального музыкального сигнала.

В свете реального музыкального спектра распространенное устройство bass boost начинает выглядеть по-другому…

Чем плоха АЧХ сабвуфера с излишне широкой полосой пропускания? Да вот чем: очень часто (в том числе у нас в тестах) вы можете видеть частотные характеристики сабвуферов, простирающиеся до самых нижних, глубоко инфразвуковых частот не просто без спада амплитуды, а еще и с подъемом. Такое нередко бывает, например, при установке в режиме free air. Как следствие, такой сабвуфер будет играть не бог весть как на реально басовых частотах (выше 35 Гц). Зато начнет неуместно стараться на частотах ниже 30 Гц, где музыки уже нет, а возможность болтаться с большой амплитудой, порождая искажения – есть.

А как же тогда с самим понятием «сабвуфер»? Ведь, как следует из названия, «сабвуфер» – звено акустической системы, предназначенное для воспроизведения не просто низких, а сверхнизких (суббасовых) частот. А есть ли они вообще в этом мире? Давайте поищем.

Такова спортивная жизнь

На соревнованиях по автозвуку возможности аудиосистемы по части суббасовых частот оцениваются по одной и той же стандартной фонограмме с судейского диска IASCA Competition. Это – запись произведения под названием «The Vikings», выполненная в музыкальном центре имени Мортона Майерсона в Далласе, штат, сами понимаете, Техас. Чудовищного размера (как сообщается в сопроводительной брошюре) орган, играющий в очень большом помещении, производит величественные звуки. Спектр, отражающий это величие, – внизу слева.

Спору нет, здесь суббасовые частоты – в изобилии. Амплитуда сигнала даже на 10 Гц более чем существенная. Система, способная не напрягаясь отыграть то, что записано на этой дорожке судейского диска, действительно заслуживает призов и наград. Но посмотрим на все это практичным взором. Тем более что составители диска нам в этом сами помогли. На настроечном диске Setup&Test, записанном в лаборатории Sheffield также по заказу IASCA, есть еще два варианта «Викингов». На одном из них исходная запись подверглась процедуре «обрезания» нижних частот фильтром шестого порядка с частотой среза 50 Гц. Результат – на дорожке 27 диска IASCA Setup&Test. На следующей дорожке записано то, что изъято из исходной фонограммы в результате небезболезненной процедуры.

Слушателю предлагается оценить, насколько изменилось звучание его системы при воспроизведении нетронутой фонограммы, содержащей весь спектр частот, и «обрезанной». Как правило, разница слышна. В большом числе случаев (не во всех, но в большом числе) отфильтрованная запись звучит лучше. Но побеждают те, у кого лучше звучит неотфильтрованная, ведь только она содержится на судейском диске.

Многие великолепно звучащие аудиосистемы не воспроизведут того, что записано на судейском диске IASCA. Правда, это не записано больше нигде. Или почти нигде…

Но теперь взгляните: отфильтрованная фонограмма по своему спектральному составу на удивление близка к спектру «нормальной» (типичной, ожидаемой, назовите как угодно) записи. Получается, что требования к «спортивной» установке и к обычной, мягко говоря, не совсем совпадают. С одной стороны, это оправдано: судейская запись предъявляет повышенные требования к системе, как полагается на соревнованиях. А с другой стороны, многие великолепно звучащие аудиосистемы в таком соревновании проиграют, ибо не воспроизведут того, что записано на судейском диске и не записано больше нигде. Или почти нигде. Вот теперь про это «почти».

< 1 2 3 4 5 6 7 8 >

Журнал “Автозвук”