Фазолинейная акустика

Статья легендарного Рауля Санчеса «О фазолинейности».

В 70-е годы многие производители акустических систем выпускали так называемые фазолинейные АС или, иначе, АС с линейной фазовой характеристикой (Linear Phase). Попробуем разобраться, что это такое. Начнем с общих понятий:
Минимально-фазовой называется система, которая при заданной АЧХ (т.е. зависимости уровня звукового давления (в дБ) от частоты) способна передать к выходу энергию, поступающую на ее вход, за кратчайшее время.
Фазочастотная характеристика (зависимость фазы от частоты или ФЧХ) минимально-фазовой системы называется минимально-фазовой характеристикой (МФХ) и получается путем применения преобразования Гильберта к АЧХ. Верно и обратное — АЧХ минимально-фазовой системы можно получить, применив преобразование Гильберта к МФХ.
Сама по себе МФХ не особенно интересна — гораздо интереснее так называемая избыточная ФЧХ (Excess Phase), которая представляет собой разницу между измеренной ФЧХ АС и МФХ, рассчитанной по измеренной АЧХ. Иными словами, избыточная ФЧХ (ИФЧХ) показывает тот дополнительный, избыточный фазовый сдвиг по отношению к минимально возможному для данной АС. Поэтому если АС является реально 100% минимально-фазовой, то ее ИФЧХ должна представлять собой практически прямую линию (0°). ИФЧХ, таким образом, описывает то, насколько реальная АС далека от минимально-фазовой.
А производной с обратным знаком от ИФЧХ является известное многим специалистам понятие «избыточное групповое время задерживания» (Excess Group Delay или ИГВЗ). ИГВЗ зачастую несколько проще интерпретировать, чем избыточную ФЧХ, но рассказ об этом выходит за рамки данной статьи.
Считается, что большинство отдельных динамиков характеризуется практически минимально-фазовым поведением, т.е. их ИФЧХ предполагается идущей вдоль отметки 0° во всей полосе частот, которую они призваны воспроизводить. В реальности дело обстоит не идеально «красиво» — никакого строгого нуля там, конечно, нет, а есть неоднородность порядка ±20°, что для реальных условий неплохо.
Однако законченные акустические системы собираются, как правило, из нескольких динамиков (кроме широкополосных АС), которые, хотя сами и являются практически минимально-фазовыми устройствами, но увязываются воедино при помощи кроссоверов, которые далеко не всегда являются такими же минимально-фазовыми. Более того, даже если сделать минимально-фазовыми и переходные фильтры, то этого все равно недостаточно — нужно еще разместить акустические центры (в дальнейшем АЦ, не путать с центром масс!) всех динамиков в одной плоскости. Именно АЦ, а не корзины динамиков, как это делается в подавляющем большинстве АС, — вот тогда можно рассчитывать на то, что вся АС как целое окажется минимально-фазовой в широкой полосе частот. Поэтому истинно минимально-фазовые многополосные АС встречаются довольно редко. Но если АС действительно таковы, то, вне зависимости от числа полос, звучать они должны так же, как хорошие широкополосники.
Это может показаться удивительным, но при разработке минимально-фазовых многополосных АС достаточно следить за одной только переходной характеристикой (ПХ), добиваясь ее идеальности путем внесения изменений в кроссоверы. Как только получится идеальная ПХ — все остальное приложится автоматически. Давно известно, что идеальная импульсная характеристика (а ПХ — лишь другая, более удобная для практической работы форма отображения импульсной характеристики) всегда дает идеальную АЧХ. Но обратное неверно — из идеальности АЧХ совершенно не следует идеальность импульсной характеристики.
Применительно к АС можно сказать, что гладкая, плоская осевая АЧХ с малой неравномерностью, снятая в безэховой камере, вообще говоря, почти ничего не говорит о том, что мы слышим, о чем я уже неоднократно писал. С другой стороны, если имеется практически идеальная ПХ, то отсюда автоматически следует, что и АЧХ будет практически идеальна. Разумеется, на той же оси, где получена идеальная ПХ.
Почти любая акустика на основе типовых конусных широкополосных динамиков (масса примеров приведена в статье О широкополосной акустике) является минимально-фазовой. Таковыми же являются электростаты от Quad — ESL-63 и ESL-969. А вот минимально-фазовую акустику с числом полос более одной целенаправленно выпускало всего несколько фирм в мире: Dunlavy, Spica, Technics, Thiel и Vandersteen.
Единичные экземпляры можно обнаружить у Bang & Olufsen — модель BeoVox M100, выпускавшаяся с 1977 по 1979 год и, что особенно удивительно, у B&W — модель DM6 1976 года выпуска.
изображение

5 симпатий

Однако первенство в создании многополосных минимально-фазовых акустических систем принадлежит концерну Matsushita Electric — инженеры подразделения Technics, занимавшегося выпуском аудиотехники для дома, начали с того, что провели исследования форм сигнала различных музыкальных устройств и голосов. Был разработан специальный метод измерений, с помощью которого можно было оценивать фактическую достоверность (можно еще сказать точность) передачи звука акустическими системами. С помощью прецизионных измерительных приборов был проанализирован целый фортепьянный концерт, произведена его запись на студийную ленту — в ходе сравнения форм «живого» сигнала с тем, что получалось на выходе различных АС, наметился путь решения проблемы достоверности звуковоспроизведения. Сразу же стало ясно, что типовая акустика принципиально не в состоянии корректно воспроизводить даже отдельные инструменты, что, среди прочего, обусловлено временными задержками в поступлении сигналов от отдельных динамиков, входящих в состав АС.
Решение было найдено после подключения к работе линии задержки BBD (Bucket Brigade Device или пожарная цепочка). С ее помощью выяснилось, что принцип монтажа корзин громкоговорителей АС в одной плоскости ошибочен. В результате длительных измерений с участием BBD за счет пространственного разнесения громкоговорителей в горизонтальной плоскости (т.е. по глубине) стало возможным размещать в одной плоскости не корзины динамиков, а акустические центры излучения, что привело к существенной линеаризации ФЧХ и, как следствие, к более высокому качеству звуковоспроизведения.


Первыми на свет появились АС SB-7000 — трехполосная акустика, представляющая собой образец минимально-фазовой системы звуковоспроизведения, которая в марте 1975 года была представлена ошеломленной публике на пресс-конференции в Токио.

2 симпатии

Подобное решение обеспечивает заметное увеличение естественности звучания, необычайно широкую стереобазу и отличную локализацию источников звука в воспроизводимом материале, что обычно поражает слушателя при прослушивании. Разумеется, в АС были применены особые переходные фильтры — минимально-фазовые. В целом, звучание SB-7000 очень напоминает звучание крупногабаритной широкополосной акустики. Кроме того, в SB-7000 установлен басовик диаметром 35см с диафрагмой, изготовленной не из бумаги, как принято думать, а из трехслойного арамида (аналога кевлара). Среднечастотник диаметром 12см на мягком подвесе изготовлен по точно такому же принципу. Пищалка сконструирована на основе постоянного магнита из стронций-ферритового сплава. Впоследствии изобретение, естественно, разошлось по всему миру.
Для того чтобы добиться от многополосных минимально-фазовых АС максимально хорошего звучания в закрытом помещении, необходимы, кроме всего прочего, подставки определенной высоты с возможностью тонкой регулировки как высоты установки, так и угла фронтального наклона АС от слушателя, поскольку для каждой минимально-фазовой АС существует не только своя собственная оптимальная высота для прослушивания (относительно ушей слушателя), но также и необходимость обеспечения идеальной «вертикали» акустических центров всех динамиков. О критичности перечисленного именно для минимально-фазовых АС писал в свое время даже главный редактор журнала Stereophile, Джон Аткинсон.
Так, например, упоминавшаяся выше акустика Bang & Olufsen BeoVox M100, фабрично комплектовалась подставками такого рода, а в руководстве пользователя содержалось подробное пояснение, как, путем fine-tuning установки АС, добиться максимально качественного звучания.
Кроме того, акустику такого рода лучше устанавливать как можно дальше от всяких отражающих поверхностей с тем, чтобы находиться в поле преимущественно прямого звука с минимальным подмешиванием переотражений.
В реальных жилых комнатах этого в большей или меньшей степени можно добиться путем установки АС у длинных стен как можно дальше от углов. И, конечно, сидеть желательно поближе (в разумных пределах). Это связано с тем, что минимально-фазовое поведение обеспечивается (и то при условии надлежащей «настройки») лишь в узком фронтальном пучке, а в боковом излучении оно сильно деградирует, либо полностью утрачивается. Так что прибивать голову к месту необязательно, но подойти к вопросу со всем тщанием, безусловно, стоит.
Здесь же будет уместно заметить, что многие люди наивно полагают, что если акустика — коаксиальной конструкции, это автоматически превращает ее в, якобы, точечный излучатель или некое подобие широкополосника. Должен разочаровать — коаксиальность конструкции не является гарантией минимально-фазовой системы…

3 симпатии

Слушал 7000 и 8000.
7000 даже думал купить.
В итоге купил Peerless 1120.
Не гарантирует фазолинейность счастья.

7 симпатий

В аудио ничего ничего не гарантирует.

4 симпатии

Ну почему. Радиолка гарантирует уют :slight_smile:
И испортить её сложно. Или какая-нибудь колонка всё-во-всём.
Тоже испортить сложно.

В продолжение статьи.
С одной стороны, человек практически нечувствителен к фазовым искажениям, особенно если фаза меняется плавно. С другой стороны, звучание АС с линейной фазовой характеристикой заметно отличается от звучания обычных АС в тех же самых условиях, причем в лучшую сторону, т.е. в отличие от подавляющего большинства уловок и приманок в сфере аудио, эффект от фазолинейности — не плод воображения. Насколько этот эффект велик — это уже другой вопрос, но он реально существует. Как уже говорилось выше, АС с линейной фазовой характеристикой, прежде всего, увеличивают естественность звучания (что особенно хорошо слышно при воспроизведении живых, а не электронных инструментов), а также улучшают стереобазу и локализацию в целом.
Довольно любопытным является то, что подобные особенности звучания (в той или иной степени) можно получить не только от АС, которые специально проектировались как фазолинейные, но и от некоторых других, при создании которых ни о чем таком и не думали…
негативное (или скептическое) отношение аудиофилов (особенно тех, кто тяготеет к «живой» музыке) к многополосной акустике и выраженное стремление именно к двухполосным или, еще лучше, широкополосным АС, имеет объяснение — даже самая типовая двухполосная АС, как правило, звучит более натуралистично, чем многополосная. Исключения, конечно, бывают, но где их найдешь?
Однако по причинам, изложенным выше, даже двухполосные АС звучат недостаточно естественно. Да, они могут иметь ровную АЧХ, минимальные искажения, чистые переходную, частотно-переходную и прочие характеристики, но звучание при этом все равно остается несколько синтетическим.

Примеры и графики ГВЗ из статьи не стал приводить, там уже инженерия начинается.

спорный тезис

В качестве примеров современной фазолинейной акустики можно привести Vandersteen 2ce Signature, которую не так давно «вскрывал» Борзенков.
На фото видна специфика расположения динамических головок.

1 симпатия

Что-нибудь может гарантировать что-то, но никакое отдельно взятое это что-то

Классная фирма, одна из самых интересных сейчас, на мой взгляд.

3 симпатии

Фирма действительно интересна с точки зрения отношения к звуку - звук главнее дизайна. Не стесняются войлок крепить на фасад, максимально заужать фронтальную панель и тп.
Вот ещё одна интересная модель Vandersteen model Five


Нечто похожее по концепции делает Wilson Audio.

Wilson Audio Sasha

Мусатов АС-12 - отечественный подход в вопросе фазолинейных АС, но измерения не видел, к сожалению. Возможно просто схожий дизайн…

Не увидел в описании фазолинейности.

2 симпатии

Универсальная фазолинейная АС должна являться точечным источником звука, то есть иметь (та-дам!) коаксиальную конструкцию. Все вот эти кубики один на другом со сдвигом и подобное - фазолинейны только в определённой ТП.

1 симпатия

Но ведь коаксиал не является точечным источником :slight_smile:

1 симпатия

Но ведь он максимально приближен, остальное ещё хуже :slight_smile:

У коаксиала допплер+диффузор в качестве рупора. В общем, не похоже на лучшее решение.

1 симпатия