Фізіологічна регулювання тембру

Для високоякісного відтворення звукових програм вид наскрізний АЧХ всього тракту, мабуть, не менш важливий для слухового сприйняття, ніж малий коефіцієнт нелінійних спотворень. Невдалий вибір положень движків регулятора тембру (РТ) може зробити звучання настільки неприємним, що не захочеться слухати апаратуру навіть екстракласу з мінімальними власними спотвореннями інших видів. Незамінним пристроєм є еквалайзер, яким можна коригувати недоліки акустики приміщення, нерівномірність АЧХ гучномовців і інших ланок, тобто власне, вирівнювати сумарну АЧХ, а не регулювати тембр. Спектральну обробку відповідно до індивідуальних особливостей слуху і художнім смаком слухача, а також при переході від однієї фонограми до іншої з іншим тональним балансом, яка зазвичай визначається як "додати басів" або "прибрати високі", слід проводити спеціально призначеним для цього РТ, найчастіше двосмуговим.

Можна було б в якості РТ використовувати інший еквалайзер, але це марнотратно і незручно, так як вимагає (якщо він багатосмуговий) узгодженого переміщення багатьох двигунів в сусідніх частотних смугах. Якщо ж смуг трохи (3-5), то правильного закону регулювання домогтися практично неможливо.

В силу сказаного, РТ повинен викликати до себе не меншу увагу розробників, ніж інші вузли апаратури. Однак застосовувані в даний час РТ побудовані на основі нескладних частотно-залежних ланцюжків, які дозволяють отримувати в більшості випадків тільки асимптотично логарифмічні АЧХ (ЛАЧХ) найпростішого виду або близькі до них. Не змінює положення регулювання частот переходу і обмеження глибини регулювання тембру.

Для забезпечення природності звуковідтворення існуючі схеми РТ мало придатні. Вони "хороші" тільки при нейтральних положеннях регуляторів, коли їх вплив на АЧХ зникає. Про це свідчить велика різноманітність застосовуваних варіантів РТ (очевидно, через незадоволення від роботи відомих конструкцій).

Далі передбачається, що сумарна АЧХ системи звукопідсилення, включаючи акустичні системи в конкретному приміщенні, скоригована еквалайзером так, що практично не має неравномерностей. Необхідність застосування РТ при цьому викликається згаданими індивідуальним смаком слухача і особливостями фонограми. Розглянемо, яким вимогам повинен задовольняти РТ для забезпечення максимальної природності звучання.

Виходимо з фізіологічних особливостей людського слуху, враховуючи, що гучність звучання залежить не тільки від рівня звукового тиску (УЗД), а й від тембру сигналів.

За основу візьмемо відомі криві рівної гучності по стандарту DIN-45650, 1966 [1], наведені на рис.1, а. Виходячи з них, можна побудувати АЧХ органу слуху -залежність суб'єктивно відчутного рівня гучності (УГ) від частоти сигналу для деякого рівня звукового тиску L. Наприклад, при L = 75 дБ, провівши паралельно осі абсцис пряму, отримаємо її перетину з різними ізофон. У цих точках УГ такий же, як і на частоті 1 кГц тієї ж ізофон. З кожної точки перетину проводимо вертикаль до рівня, рівного УГ (в фонах) тієї ж ізофон (УЗД цієї ізофон на частоті 1 кГц). Сукупність отриманих точок і дає шукану АЧХ для L = 75 дБ. Сімейство АЧХ органу слуху при різних L показано на ріс.1,6.

Вхідним сигналом для органу слуху є звукові коливання, а результат - відчуття гучності і висоти тону. У зв'язку з цим зручно використовувати наступну модель слуху, чисто формальну, але корисну для наших цілей. Уявімо орган слуху у вигляді послідовності акустичного фільтра (АФ), в якому зосереджені частотні властивості слуху, і якогось частотно-незалежного перетворювача звукового тиску (ЗД) в відчуття гучності. Тоді сімейство АЧХ акустичного фільтра точно збігається з рис.1, б, тільки по осі ординат відкладений НЕ УГ в фонах, а УЗД на виході АФ в децибелах. Перетворювача залишається перевести УЗД в децибелах в УГ в фонах в співвідношенні один до одного. Результуюча АЧХ системи фільтр-перетворювач ідентична показаної на рис.1, б. У такій моделі зручно розглядати питання, що цікавлять нас частотні властивості слуху, оскільки вона дозволяє обійтися без одиниці рівня гучності "фон" і оперувати тільки з децибелами.

Коефіцієнт передачі K (f, L) акустичного фільтра при частоті f і УЗД L (відношення вихідного ЗД до вхідного) на частоті 1 кГц постійний і дорівнює одиниці. Частотні залежності K (f, L) для різних L показані на рис.1, в. Вони отримані з рис.1, б зрушенням його кривих у вертикальному напрямку до збігу ординат кривих, що відповідають частоті 1 кГц.

Криві на рис.1, в являють собою природні АЧХ слуху. Їх вигляд відповідає відомому фактом, що зі зменшенням інтенсивності звуку чутливість до низькочастотних коливань падає. При змінах інтенсивності орган слуху "автоматично перемикається" з одного АЧХ на іншу, але ми цього не помічаємо, поки сприймаються звуки відносяться до природних, звичних сигналам. Наприклад, звучання рояля правильно ідентифікується, незалежно від того, чи знаходиться слухач впритул до нього або в дальньому кінці просторого залу, де створюється ЗД набагато менше. У цьому сенсі жодна АЧХ (рис.1, в) не є більш "правильної", ніж інші. У той же час будь-яке спотворення природних АЧХ відразу ж відчувається (це легко помітити, вклавши в вуха по грудочки вати).

Згідно кривим рис.1, в вухо сприймає звуки в приміщенні, на відкритій місцевості, в будь-якій обстановці, і звучання здається природним, якщо обстановка природна. Регулятор тембру звукопідсилювального пристрою важко вважати елементом природної обстановки, оскільки натуральні сигнали, спектр яких перетворений РТ, вже не будуть сприйматися так само, як під час відсутності РТ. Іншими словами, АЧХ системи РТ-орган слуху, взагалі кажучи, істотно відрізняються від природних АЧХ (рис.1, в), тому і звучання в більшості випадків далеко від природного.

Чи не можна знайти такий закон регулювання тембру, який не перекручував би вид залежностей на рис.1, в. Для цього від РТ потрібно така корекція, яка б криву | для L = 60 дБ перекладала, наприклад, в криву L = 80 дБ, криву L = 80 дБ - в криву L = 100 дБ і т.д.

Інакше кажучи, під дією РТ система РТ - АФ повинна перемикатися з однієї АЧХ на іншу, подібно до того, як один АФ робить це в природних умовах при змінах УЗД. Змінивши таким чином рівень НЧ і ВЧ щодо 1 кГц, можна було б змусити слух повірити, що йому пропонується натуральне звучання, оскільки амплітуди спектральних компонентів сигналу перебували б у звичному співвідношенні, хоча і при іншій гучності.

Для регулювання тембру важливі не стільки АЧХ слуху самі по собі, скільки відмінності між ними (наскільки змінюється АЧХ при переході від одного УЗД до іншого). Тому для відповіді на поставлене вище питання розглянемо наведені на рис.2 частотні залежності різниці (в децибелах) між значеннями K (f, L) для прийнятих за опорний УЗД рівнів L, рівних послідовно, наприклад, 40, 60 і 100 дБ, і значеннями K (f, L) для інших УЗД. Ці залежності йдуть безпосередньо з рис.1, в. Всі криві повинні проходити через точку (1 кГц - 0 дБ), але деякі з них для більшої наочності трохи зміщені по вертикалі від свого дійсного положення. Добре помітно, що вони мають схожий характер у широкому діапазоні інтенсивностей звуку, що спрощує шуканий закон корекції. По суті, рис.2 показує, якими мали б бути зміни АЧХ системи РТ-АФ при регулюванні тембру, що зберігають природність звучання.

Розглянемо для прикладу, які зміни АЧХ системи РТ-АФ при взаємодії з органом слуху традиційного РТ низьких частот [2, стор.30], асимптотична ЛАЧХ якого горизонтальна від нульової частоти до частоти переходу fa (рис.3, а), після якої вона убуває з нахилом -20 дБ / дек. в сторону високих частот до частоти вирівнювання fв. Так як РТ включений до АФ, а АЧХ останнього залежить від ЗД приходить звуку, то результуюча АЧХ системи РТ-АФ не визначається просто твором коефіцієнтів передачі РТ і АФ (як в лінійних системах), яке можна знайти складанням відповідних ординат графіків рис.2 і З, а (при логарифмічному масштабі множення замінюється складанням). Так допустимо надходити тільки, щоб представити приблизний вигляд результуючої АЧХ і при невеликій глибині регулювання.

При точному розрахунку необхідно брати до уваги не тільки форму АЧХ, а й відповідає їй УЗД. Для цього кожну криву рис.2 потрібно змістити по вертикалі на величину, рівну різниці УЗД між нею і опорної АЧХ, що служить початком відліку. Той же результат, показаний на ріс.3,6 штриховими лініями, слід також і з рис.1, б, якщо побудувати залежності від f різниці УГ між опорною АЧХ і АЧХ для інших УЗД.

Отримаємо частотні залежності (штрихові криві на рис.3, б) відносного рівня вихідного сигналу АФ для різних L (без РТ). Очевидно, що ЗД на виході АФ одно К (ЩР1_, де Р1. - ЗД сигналу на вході АФ, УЗД якого дорівнює L. В якості опорного рівня для рис.3 взято УЗД L = 60 дБ, створюваний на вході АФ у відсутності РТ ( йому відповідає ЗД, рівне Р60).

У цих координатах легко побудувати результуючі відносні АЧХ системи РТ-АФ. Процедура полягає в знаходженні кривих АЧХ, що відповідають рівням підйому сигналу регулятором тембру над вихідним УЗД для різних частот, і потім - в знаходженні значень, прийнятих цими кривими для тих же частот (допоміжні тонкі прямі на рис.3, б). Добре помітно, наскільки сильно загальні АЧХ при такому РТ (суцільні товсті ламані лінії на рис.3, б) відрізняються від природних. Неважко побудувати подібні АЧХ для інших типів РТ і переконатися, що вони теж сильно спотворюють природні АЧХ слуху.

З причини, про яку говорилося вище, рис.2 ще не дає безпосередньо шукані АЧХ фізіологічного регулятора тембру. Щоб отримати останні, його криві потрібно привести до виду рис.3, б, як було зроблено раніше, і потім провести побудова, зворотне рис.3, б, тобто по результуючої АЧХ системи РТ-АФ (наприклад, суцільна товста крива на рис.3, в, що збігається за формою з кривою L = 100 дБ на рис.2, б) отримати АЧХ РТ. Процедура полягає в наступному:

• знайти точку перетину спільного АЧХ з будь-якої АЧХ АФ (штрихові лінії). Ордината цієї точки дорівнює підйому УЗД на виході системи РТ-АФ на даній частоті f;

• знайти перетин вертикалі, опущеної з цієї точки, з горизонталлю, що проходить на рівні ЗД, відповідному тієї ж АЧХ. В результаті отримаємо точку, що дає підйом УЗД регулятором тембру на вході АФ, що викликає даний підйом УЗД на виході системи РТ-АФ. Сукупність отриманих точок і дає шукану АЧХ РТ (штрихпунктирна лінія на рис.3, в). По виду вона схожа на АЧХ АФ, але з меншою кривизною на низьких частотах.

Можна показати, що РТ з АЧХ виду рис.3, в (штрихпунктирна лінія) переводить АЧХ АФ для будь-якого значення УЗД в АЧХ, близьку до АЧХ АФ деякого вищого (щодо взятого) значення УЗД. Тому загальні АЧХ такого РТ разом з органом слуху близькі до природних.

Таким чином, сімейство АЧХ фізіологічного РТ буде нагадувати рис.2, тільки лінії повинні мати меншу кривизну. Схема пасивного РТ показана на рис.4, а, сімейство його АЧХ в діапазонах НЧ і ВЧ для положень перемикача SA1 "0" - "3" - на рис.4,6.

Характерними відмінностями запропонованого способу регулювання тембру від існуючих, як видно з рис.3, в, 4,6, є:

• формування АЧХ на низьких частотах, прогнути до осі абсцис (нахил із зменшенням частоти плавно зростає), в той час як відомі РТ мають на НЧ прямо протилежну АЧХ, опуклу в бік від осі абсцис (нахил із зменшенням частоти зменшується);

• зміна АЧХ одночасно й узгоджено на всіх частотах НЧ (і окремо) ВЧ діапазонів при будь-якій глибині регулювання. У традиційних РТ зміна форми АЧХ охоплює частину діапазону;

• змінюється нахил АЧХ в залежності від глибини регулювання. У більшості РТ нахил АЧХ фіксований,

• змінюються лише частоти переходу;

• нахил АЧХ в діапазоні 250 Гц-1 кГц при найглибших регулюваннях не досягає 20 дБ / дек. (Таке або більшого значення можливо тільки на більш низьких частотах). У традиційних РТ нахил АЧХ має якраз таку величину (20 дБ / дек.), Тобто занадто великий з точки зору природності звучання;

• швидке, але не дуже велика зміна АЧХ на частотах вище 1 кГц і вихід на насичення вже при f = 2. 4 кГц.

Внаслідок наведених вище відмінностей відомі РТ або створюють недостатній УГ на низькочастотному краї звукового діапазону, або надлишковий підйом на частотах 250 Гц-1 кГц, що призводить до надмірно "опуклого" звучанням на цих частотах. На ВЧ формується підйом або спад до частот, набагато більших 2-4 кГц, а це "ріже" слух і значно погіршує природність звучання.

Регулятор забезпечує тільки підйом АЧХ, так як в більшості випадків цього цілком достатньо [3]. При бажанні його можна доповнити ланками, що забезпечують спад АЧХ. Характеристики цих ланок повинні бути симетричними кривим рис.4, б щодо лінійної АЧХ і розташовуватися нижче її відповідно до рис.2.

Для реалізації в НЧ діапазоні нахилу менше 20 дБ / дек. і його зростання з пониженням частоти застосовано сходовий включення RC-ланцюжків. Тембр НЧ регулюють дискретно перемикачем SA1, а ВЧ - плавно потенціометром R15. Підлаштування резистором R14 встановлюють бажану максимальну величину підйому ВЧ. НЧ регулятор має чотири положення, з яких одне нейтральне. Число ступенів регулювання можна збільшити додаванням додаткових сходових ланок на проміжні АЧХ для більш плавного регулювання. Але вже цей спрощений варіант допоможе оцінити переваги запропонованого способу регулювання в порівнянні з відомими РТ і навіть нескладними засобами досягти значного поліпшення якості звуковідтворення, якщо ці кошти базуються на природних закономірностях і властивості людського слуху.

Як і будь-який пасивний РТ, схема вносить значну загасання, послаблюючи сигнал на частоті 1 кГц приблизно в 15 разів. Для компенсації цього необхідно спільно з нею застосовувати відповідний каскад посилення. Попередній каскад повинен мати якомога більш низький вихідний опір (не більше 600 Ом), а вхідний опір наступного каскаду повинно бути не менше 50-100 кОм. Нестандартні величини опорів в схемі отримують з'єднанням декількох резисторів. Бажано підібрати номінал елементів НЧ ланок з точністю не гірше 2-3%.

Слід застерегти від спроб сформувати АЧХ типу рис.4, б за допомогою еквалайзера. Як показує досвід,

Регулювання тембру таким способом робить звучання на НЧ глибоким і соковитим, тоді як звичайні РТ роблять його тьмяним і підкреслюють окремі частотні групи. На ВЧ звучання стає свіжим і виразним, а не сухим і неживим, як у звичайних РТ. В результаті підвищується прозорість і зрозумілість звукової картини в порівнянні з існуючими РТ, поліпшується сприйняття в рівній мірі симфонічної, естрадної музики й мови (не потрібен перемикач "мова-музика"). Зазначені відмінності, зрозуміло, з'являються тоді, коли регулятори РТ знаходяться в положеннях, відмінних від нейтральних.

Автоматично створюється "ефект присутності", з яким по природності не йдуть ні в яке порівняння звукові образи, одержувані за допомогою відомих способів реалізації такого ефекту [2, стор. 40, 59]. Адже регулювання відбувається за законом зміни тембру сигналу при наближенні слухового об'єкта.

Застосування такого способу регулювання тембру виправдано, перш за все, в високоякісної стаціонарної апаратури, що експлуатується в конкретному приміщенні прослуховування. У трактах цифрової обробки сигналу необхідний закон зміни коефіцієнта передачі РТ від частоти зручно реалізувати чисто програмним методом.

1. Блауерт Й. Просторовий слух.-М. Енергія, 1979.

2. Сухов Н.Є. Бать С. Д. Колосов В. В. Чупак А. Г. Техніка високоякісного звуковоспроізведенія.- К. Техніка, 1985.

3.Тарасов В. Пасивний регулятор тембру // Радіо.- 1989.-№9.R