Звуковой диапазон частот, эквалайзер

Область акустических колебаний, способных создавать ощущение звука при воздействии на орган слуха, ограничена по частоте. Для большинства людей от 18 до 25 лет, обладающих нормальным слухом, полоса частот колебаний, воспринимаемых в виде звука, лежит, с некоторыми отклонениями, в пределах между колебаниями с частотой 20 Гц (низшая граничная частота) и 20000 Гц (высшая граничная частота). Эту полосу частот принято называть звуковым диапазоном, а частоты, лежащие в его пределах - звуковыми частотами.

Колебания с частотами менее 20 Гц, называются инфразвуковыми, а колебания с частотами более 20000 Гц - ультразвуковыми: Эти частоты наш слух не воспринимает, однако, известно, что "инфразвук" оказывает определенное влияние на эмоциональное состояние слушателя. К сожалению, инфразвуковые частоты, которые, как показали современные исследования, в составе колебаний музыки и речи присутствуют, воспроизвести с магнитофонных записей, по техническим причинам, невозможно.

Это не единственное и, пожалуй, не самое главное, но все же препятствие, не позволяющее достичь при прослушивании музыки, переданной через электроакустическую систему, того же эмоционального воздействия, какое испытывает слушатель в концертном зале.

Частота звуковых колебаний определяет высоту (тон) звука: самые медленные колебания воспринимаются как низкие, басовые ноты; самые быстрые - как высокие звуки, напоминающие, например, комариный писк. Следует заметить, что люди не одинаково хорошо слышат все частоты звукового диапазона. Так, с возрастом, верхняя граница слышимых частот значительно понижается. Звуковой диапазон частот определяет предельные возможности слуха человека, выявленные с помощью многочисленных исследований и усреднения результатов многих опытов, проведенных со слушателями различных возрастов и с разной тренировкой.

Эквалайзер — устройство коррекции тембра сигнала, изменяющее амплитуды его частотных составляющих. Изначально эквалайзеры применялись чисто технически, для коррекции амплитудно-частотной характеристики неидеального звукового тракта. Однако вскоре они стали использоваться и творчески — для создания нужных тембров или аккуратного совмещения инструментов в фонограмме.

Основным параметром эквалайзера является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, частотная характеристика, frequency response). Она показывает, насколько эквалайзер усиливает или ослабляет те или иные частоты входного сигнала.

Наиболее распространенными типами частотных характеристик эквалайзеров являются «колокол» (bell), «полка» (shelf), обрезные НЧ- и ВЧ-фильтры (low-pass, high-pass), показанные на рис рисунке. (В отечественной литературе фильтром низких частот называется фильтр, пропускающий низкие частоты и подавляющий высокие частоты (low-pass). Аналогично с фильтром высоких частот (high-pass).)

По типу управления частотной характеристикой эквалайзеры делятся на параметрические и графические.

В параметрических эквалайзерах пользователь может выбирать одну из имеющихся форм АЧХ и задавать ее параметры: центральную частоту, коэффициент усиления и добротность.

Центральная частота — это частота центра «колокола» или частота, на которой происходит изгиб АЧХ (для «полок» и обрезных фильтров — это обычно точка уровня −3 дБ).

Коэффициент усиления для «колокола» задает усиление на центральной частоте, а для «полки» — в полосе усиления/подавления.

Добротность для эквалайзера типа «колокол» задает ширину усиливаемой или подавляемой полосы частот и определяется как отношение центральной частоты к ширине этой полосы, лежащей в пределах 3 дБ от коэффициента усиления на центральной частоте. Обозначается добротность обычно буквой Q. Аналогичная величина для «полок» и обрезных фильтров называется «крутизной спада» АЧХ и измеряется в децибелах на октаву. Увеличивая добротность, можно превратить фильтр-колокол в т.н. notch-фильтр, или режекторный фильтр, подавляющий конкретную частоту или очень узкую полосу частот. Комбинируя несколько эквалайзеров, можно получить более сложные формы АЧХ.

В графических эквалайзерах пользователь «рисует» требуемую АЧХ непосредственно на дисплее или с помощью набора регуляторов усиления на различных частотах.

Параграфические эквалайзеры — это гибрид параметрических и графических эквалайзеров. Они, как правило, позволяют управлять коэффициентами усиления с помощью ползунков (или в графическом виде на дисплее), но при этом имеют настройки добротности и центральной частоты для каждой полосы.

Большинство аналоговых эквалайзеров вносят в сигналы частотно-зависимый сдвиг по времени. Другими словами, различные частотные компоненты сигнала задерживаются на различное время. Как правило, это нежелательный эффект, т.к. если на вход поступает импульсный сигнал (резкий удар или щелчок), то и на выходе желательно получить импульс, не размазанный во времени.

Фазово-частотная характеристика (ФЧХ, фазовая характеристика, phase response) показывает, насколько меняется фаза сигнала при прохождении через эквалайзер. 

Для большинства аналоговых эквалайзеров можно построить ФЧХ по известной АЧХ. При этом наибольшие изменения в ФЧХ происходят в местах быстрого изменения АЧХ. Это означает, что чем сильнее вмешательство в частотный диапазон, тем сильнее будут проявляться фазовые искажения — в обиходе часто говорят, что эквалайзер «крутит» фазу. 

Частотными компенсаторами пользуются не только для речевой фонограммы. Их применяют также для корректи­ровки шумов, а в некоторых случаях — музыки.

Наличие в пультах перезаписи фильтров, резко отсе­кающих низкие и высокие частоты, позволяет корректиро­вать такие дефекты, как низкочастотные помехи, иногда ~ высокочастотный шум и др.

Включение в речевой канал фильтра, круто обрезающего низкие частоты (фильтр ВЧ), в ряде случаев облегчает сглаживание «разнобоя» речевой фонограммы в области низких частот.

Комбинация фильтра ВЧ с фильтром, подавляющим узкую полосу около 200 Гц, позволяет избавиться от не­приятной для слуха глухой бочковатости, свойственной небольшим ателье речевых озвучений.

Включение фильтра присутствия, приподнимающего частоты в области 2000—4000 Гц, сообщает голосам свое­образную рельефность, выделяя их на фоне других зву­ков. Сказывается, по-видимому, эффективность формант: усиление этих обертонов придает голосу серебристый от­тенок, силу и звонкость. Наибольшей чувствительностью слух обладает к частотам в области 2000—4000 Гц и если в голосе исполнителя формант, лежащих в этой полосе, побольше, то при одной и той же акустической энергии он будет выигрывать в звонкости и громкости.-

Иной раз чрезмерное обилие свистящих в первичной записи речи удается скорректировать фильтром, подавляю­щим узкую полосу частотной характеристики в области 3000 Гц. В то же время известны случаи, когда кажущееся обилие свистящих звуков, как это ни парадоксально, устра­нялось именно подъемом частотной характеристики ее стороны высоких.

Так или иначе, какие бы комбинации фильтров ни применялись, надо, чтобы речь звучала «остро», зубные или шипящие звуки были четкими и даже слегка подчеркнутыми; без этого речь в фильме может быть неразборчивой.

Режекторными фильтрами можно вырезать (подавить) очень узкий участок в различных местах частотной полосы и, не ухудшая практически общего качества звукопередачи, вы­править тем самым некоторые технические дефекты фонограмм.

Пример использования. По одной только громкости нельзя судить о расстоянии до источника звука. Так, голос на открытом воздухе и в негулких помещениях доходит до слушателей с потерей низких частот. Поэтому, ослабляя фильтрами низкие час­тоты, иногда можно добиться эффекта отдаленного звука, если в первичной фонограмме речь звучит близко. Также простое регулирование громкости не дает и полноценного впечатления  приближения или удаления оркестра. В естественных условиях меняется не только  интенсивность звучания, но также окраска и соотношение прямых и отраженных звуков. Вспомним эффект приближения ду­хового оркестра на улице, когда вначале слышны одни только басовые звуки (туба, большой барабан), и только вблизи становятся различимы инструменты высоких ре­гистров.

Многообразие цифровых эквалайзеров, как аппаратных, так и программных, показало, что параметрические и графические эквалайзеры не имеют существенного преимущества друг перед другом в качестве звучания — и в том, и в другом лагере попадаются удачные и неудачные модели. Определяющей составляющей качества эквалайзера является его управляемость, особенности алгоритмов и способность контроля параметров прибора: АЧХ, ФЧХ, импульсной характеристики.

Читать далее