Бас: цена глубины

Это третья статья серии о том, почему акустика, которая хорошо измеряется, может плохо звучать. В первой части мы выяснили, что АЧХ суммирует энергию не спрашивая, вовремя ли та пришла. Во второй — что комната добавляет к звуку копии и резонансы, и провели границу честности эквалайзера: ниже частоты Шрёдера он чинит физику, выше — только график.

Сегодня отправимся в самые низкие частоты спектра, где пересекаются темы предыдущих статей. Бас — это частоты, на которых колонка ещё не закончилась, а комната уже началась, и где одно-единственное конструктивное решение — каким образом нагрузить динамик — определяет характер звука сильнее, чем всё остальное железо вместе взятое.

Последняя октава

После перестановки и наведения порядка в комнате моя система впервые за годы зазвучала собранно — и, как это всегда бывает, новая расстановка только подчеркнула фундаментальную недостачу. Не хватало низа — и вовсе не громкости, а глубины: орга́нные педали, синтезаторные подклады, нижние струны рояля существовали скорее намёком. График подтверждал слух: ниже сорока герц кривая уходила вниз быстро и безвозвратно.

Ответ нашёлся быстро: до перестановки в комнате на тех самых тридцати герцах присутствовала мода, создающая ложное ощущение глубины. Переставив колонки и разобравшись с комнатой во второй статье, я вместе с модой убрал и иллюзию: то, что осталось, — честный отклик моих Piega P5, фазоинвертора с заводской настройкой около сорока пяти герц. Комната все это время выдавала мне чужой бас за родной.

Описать словами мое разочарование весьма непросто, ведь там, где бас ещё оставался — у самой настройки порта, — с ним вдобавок было что-то не так. Если раньше баса было много, но он был абсолютной кашей, то теперь стало отчетливо слышно, как бочка ударника набирала вес, но теряла резкость удара: щелчок и тело ноты будто расходились во времени. Ноты, попадавшие в эту область, звучали куда более похожими друг на друга, чем сыграл их басист, — точно порт подмешивал в каждую одну и ту же добавку. Кривая АЧХ там, у частоты настройки, ничего дурного не показывала — а слух показывал; у меня уже было правило на этот случай, ещё с прошлых стараний: если график в порядке, а слух недоволен, надо смотреть на время.

Почему внизу всё иначе

Сначала о том, почему бас вообще требует отдельной статьи, а не абзаца в одной из предыдущих.

Во-первых, масштаб: длина волны на 30 Гц — около одиннадцати метров. Чтобы создать на такой волне ощутимое давление, динамик должен сместить много воздуха: звуковое давление пропорционально смещаемому объёму и квадрату частоты. Следовательно, снижение частоты на одну октаву означает необходимость увеличить ход диффузора в четыре раза, чтобы сохранить уровень давления. На нижних частотах динамик работает на пределе механических возможностей, и любая поддержка — ящик, стена, резонатор — выглядит спасением.

Во-вторых, природа источника: на низких частотах динамик — это масса на пружине. Подвес и воздух внутри корпуса обеспечивают упругость, диффузор с катушкой создают инертность, вместе они формируют колебательную систему, чей резонанс является основой построения всего диапазона низких частот. Вопрос не в том, будет ли у динамика резонанс. Вопрос — сколько их будет и кто ими управляет.

И в-третьих, то самое следствие из второй статьи: спад АЧХ внизу — это фильтр, а фильтр — система минимально-фазовая, у которой форма графика амплитуды напрямую связана с временным поведением системы. Порядок спада и его добротность — это одновременно и наклон на графике, и групповая задержка, и характер переходного процесса. Кто выбрал форму спада — тот выбрал и время. Производитель делает этот выбор за вас в момент, когда решает, сверлить ли в ящике отверстие.

И последнее перед разбором корпусов по типам. Существует непреложный принцип, известный как закон Хофмана: параметры чувствительности, глубины баса и объёма корпуса жёстко взаимосвязаны, и возможно выбрать лишь две характеристики из трёх. Если выбираете глубокий бас в компактном корпусе, придётся пожертвовать чувствительностью. Желаете получить глубокие басы высокой чувствительности? Тогда готовьтесь к крупногабаритному корпусу. Все дальнейшие варианты будут представлять собой различные пути вдоль сторон этого треугольника компромиссов, а не выход за его пределы.

Закрытый ящик: один резонанс

Закрытый ящик — это просто: герметичный объём воздуха работает дополнительной пружиной. Система «масса плюс две пружины» имеет один резонанс: выше него амплитудная кривая ровная, ниже — спад второго порядка, 12 дБ на октаву. Вся настройка сводится к одному параметру — полной добротности Qtc, которая задаётся соотношением объёма и параметров динамика и описывает, насколько охотно система звенит на своём резонансе. Qtc около 0,7 — классический компромисс: максимально ровная амплитудная кривая без горба. Однако 0,7 — всего лишь одна отметка на шкале, и весь спектр компромиссов между графиком АЧХ и временем, о котором пойдёт речь далее, здесь представлен в уменьшенном масштабе. При меньших значениях звук точнее по времени. Например, при Qtc=0,577 (характеристика Бесселя) сглаживается не АЧХ, а групповая задержка: звук чище, атака чётче, но спад наступает раньше. При 0,5 система задемпфирована критически: возврат диффузора без малейшего выброса, самый собранный бас из возможных — и самый ранний спад. Выше — больше уступок графику: Qtc ближе к единице и выше формирует у резонанса горб, имитирующий глубину у бюджетных колонок, — и звучит соответственно этому горбу. Таким образом, надпись «закрытый ящик» сама по себе ничего не значит: одна и та же схема может давать как точный, так и размытый звук — зависит исключительно от выбора производителя (или экономии).

На временной оси картина зачастую радует: задержка вблизи границы отсечки измеряется единицами миллисекунд, а импульсная реакция короткая и чистая. Закрытый ящик, грубо говоря, ничего не добавляет к сигналу, кроме собственного спада, — и в этом его ограничение: начинается он рано. Тот же динамик в фазоинверторе покажет на графике заметно более глубокий бас. Поэтому по стандартному перечню характеристик закрытый ящик проигрывает всегда — все его достоинства лежат в строках, которых в таблице нет.

Фазоинвертор: три резонанса

Фазоинвертор добавляет к системе резонатор Гельмгольца: воздух в порту — масса, воздух в ящике — пружина. К собственному резонансу динамика в ящике добавились резонанс Гельмгольца и — частотой выше, в середине диапазона — резонансы самой трубы порта (что подробно обсуждалось в первой статье); один резонанс закрытого ящика превратился в три. Возле частоты настройки резонатор берёт работу на себя: диффузор почти останавливается (его ход на Fb минимален), а излучает в основном порт. Выигрыш реальный и измеримый: система получает чувствительность, глубину и максимальную мощность, недостижимые для того же динамика в закрытом ящике, — несколько децибел в нижней октаве бесплатно. Точнее, не бесплатно. В рассрочку.

Первая расплата — порядок фильтра. Фазоинвертор — система четвёртого порядка: ниже настройки спад 24 дБ на октаву, а групповая задержка у среза — в два с лишним раза больше, чем у закрытого ящика с той же резонансной частотой, и зачастую сосредоточена она ровно там, где у музыки фундамент.

Здесь нужна честность, которой обычно не хватает обеим сторонам спора. Слышимость групповой задержки как таковой — на постоянном сигнале, в наушниках, в слепом тесте — вопрос дискуссионный, и махать ею как дубиной я не буду. Но задержка — лишь симптом более грубого механизма, который слышен бесспорно: накопленная энергия. Резонатор Гельмгольца — колебательная система с приличной добротностью: ему нужно несколько периодов, чтобы выйти на режим, и несколько — чтобы замолчать. Импульсный сигнал даже рядом с частотой настройки показывает это безжалостно: огибающая выхода нарастает с опозданием и затухает с хвостом.

Теперь вспомните, что период на тридцати герцах — тридцать три миллисекунды, и что бочка ударника — это не тон, а удар: широкополосный всплеск, от щелчка наверху до тела внизу. Высокие частоты удара передаются системой немедленно, низкие — только после разгона резонатора. Вот мой разъехавшийся во времени удар бочки: щелчок отдельно, тело отдельно. И вот же причина моего монотонного баса: ноты, попавшие в окрестность настройки, получают от резонатора одинаковую поддержку и одинаковый хвост — на всех нотах порт подыгрывает одно и то же.

Ниже настройки — другая расплата. Под частотой Fb порт перестаёт нагружать диффузор: акустическая пружина исчезает, ход растёт лавинообразно, и инфранизкий мусор — рокот пластинки, ветер в записи, монтажные стыки — раскачивает динамик на полную, производя интермодуляцию во всей его полосе. Закрытый ящик в той же ситуации просто мягко спадает, удерживая диффузор пружиной воздуха.

Третью расплату мы уже обсуждали в первой статье, упомяну коротко: труба порта имеет собственные резонансы в середине диапазона и подтекает обратными волнами из ящика. Пассивный излучатель, кстати, правил не меняет: это тот же резонатор, где вместо столба воздуха в трубе колеблется мембрана на подвесе, — трубных призвуков нет, но вся временна́я арифметика четвёртого порядка остаётся при нём.

Ещё одна расплата — взаимодействие с комнатой. Во второй статье обсуждалось, как комната добавляет баса — усиление от близких границ, а в небольшой комнате ещё и общий подъём давления (room gain). Пологий спад закрытого ящика этот подъём встречает красиво: 12 дБ на октаву вниз против подъёма комнаты дают в сумме почти ровное продление — система спадает, комната добавляет. Крутой обрыв фазоинвертора сложить с подъёмом комнаты не получается: выше обрыва комната добавляет туда, где и так плато, — получается горб; ниже обрыва добавлять уже не во что. Знакомый почерк: бас гудит на семидесяти и отсутствует на тридцати. Безэховая кривая, ради которой выбирали фазоинвертор, в комнате не живёт.

Здесь же находится ответ на вечный вопрос о возможности установки больших колонок в маленькое помещение. Большая колонка приносит свой ровный глубокий бас, room gain и усиление от стен разом и неуправляемо: отодвинуть её от стен на спасительные метры в тесной комнате негде, и бас наслаивается сам на себя. Маленькая колонка, сознательно поставленная к стене, даёт предсказуемый, управляемый низ. Качественный бас в небольшом помещении достижим, однако требует расчётов, а не определяется исключительно размерами оборудования.

А разницу спадов можно просто услышать. Представьте себе три последовательно понижающиеся басовые ноты, например, из припева песни «High by the Beach» Ланы Дель Рей. Пропустим эти ноты через два разных фильтра: мягкий спад закрытого корпуса и резкое падение характеристики фазоинвертора, настроенного из примеров выше — и получается, что третья, наиболее глубокая нота оказывается прямо на границе перехода. У закрытого третья нота тише первых двух, но звучит — с необходимой глубиной, в нужное время; у фазоинвертора эта нота либо полностью пропадает, либо превращается во что-то очень странное, и фраза из трёх нот превращается в две с дырой. Та же музыка, та же гордая «глубина 35 Гц» на бумаге — а нота либо есть, либо её нет.

Порядок — это судьба

Эквалайзером можно перекроить амплитудную кривую любой из этих систем. Срезать горб настройки, дотянуть спад, выровнять плато — всё это работает, мы внизу, в минимально-фазовой зоне, где коррекция честная. Не работает другое: никакой коррекцией нельзя сделать из системы четвёртого порядка систему второго. Для заданной формы среза групповая задержка и переходный процесс минимально-фазовой системы определены однозначно — чьим бы именем ни называлась реализация. Можно эквалайзером попытаться отодвинуть срез фазоинвертора ниже — но профиль останется профилем четвёртого порядка, и сам манёвр небезопасен: ниже частоты настройки диффузор, как мы уже видели, остаётся без акустической пружины, и и даже небольшие 3дБ скорее всего приведут к тому, что катушка встретиться с задней пластиной с печальными и непоправимыми последствиями. Срезав горб, вы уменьшите звон — вместе с ним уйдёт и глубина, которую горб изображал. Каждое «бесплатное» свойство, купленное трубой в ящике, оплачено во временно́й области, и валюта обмену не подлежит. Порядок фильтра — это не настройка. Это судьба.

Отсюда обратное следствие, и оно интереснее: если порядок — судьба, то у закрытого ящика судьба завидная, просто бедная. Второй порядок с его честным временем можно — оставаясь в минимально-фазовой зоне — корректировать без угрызений с минимальными рисками (в разумных пределах). Что приводит нас к самому элегантному, на мой вкус, приёму во всей низкочастотной инженерии.

Преобразование Линквица

Linkwitz Transform — активный фильтр, который математически подменяет резонанс закрытого ящика другим, заданным проектировщиком системы: биквад срезает собственную пару полюсов системы и ставит на её место целевую — ниже частотой, с выбранной добротностью. Не эквалайзер по мотивам кривой, а замена самой кривой: закрытый ящик с f3 на восьмидесяти герцах начинает вести себя как закрытый ящик с f3 на сорока — включая, и это ключевое, поведение во времени. Преобразование живёт в минимально-фазовом мире, поэтому всё здесь честно: новая амплитудная кривая приносит с собой новую — корректную для неё — фазовую и переходную характеристику второго порядка. Звон не добавляется. Порядок не меняется. Глубина появляется.

Подчеркну еще раз — это очень важный момент, который часто упускают из вида. Я слышал фразы, что использование LT это то же самое, что просто “дунуть бас”, и получить соответствующие проблемы с групповой задержкой (что по факту является подъемом добротности системы qtc выше 1). Но реальность данного фильтра все же интереснее — на сайте Линквитца есть подробное объяснение почему это работает, но в двух словах это можно объяснить тем, что после преобразования поступающий на динамик сигнал идеально противопоставлен его стремлениям отклонятся от целевого импульса. Главное держите qtc под контролем.

Расплата от этого тоже честная и объявлена заранее: то самое увеличение в четыре раза хода диффузора на октаву глубины — и соответствующая мощность усилителя. LT не обманывает физику, он переносит расход с акустики на электронику и механику: динамику нужен запас хода, усилителю — запас тока, и оба запаса тратятся на реальное смещение воздуха, а не на раскрутку резонатора.

Поэтому у преобразования Линквица есть область применимости, и она очерчена громкостью. На уровнях домашнего прослушивания — а не стадионных — требуемый ход остаётся в линейной зоне приличного динамика, и закрытый ящик с LT даёт глубину фазоинвертора с временем закрытого ящика. На высоких уровнях ход упирается в механический предел, и выбор перестаёт быть бесплатным: либо больше суммарная площадь диффузора, либо резонатор. Что выбрать — зависит от того, что вы строите: систему для вечеринки или систему для одного кресла, где альбом дослушивают до конца не вставая. Это разные задачи, и проектируются они по-разному — мысль, к которой в этих статьях я буду возвращаться ещё не раз.

Ради баланса скажу хорошее и про фазоинвертор, потому что физика не делит конструкции на хорошие и плохие. Большой объём, низкая настройка — на двадцати герцах и ниже, — просторный профилированный порт, фильтр инфраниза в усилителе: такой фазоинвертор выносит проблемы за пределы музыкального диапазона и делает ровно то, что обещает; так строятся серьёзные сабвуферы и студийные мониторы дальнего поля, и в своём классе задач они правы. Проблема не в отверстии как таковом. Проблема в том, что в массовом сегменте отверстие сверлят не ради этих честных двадцати герц, а ради красивой цифры «35 Гц» на маленьком ящике, у которого нет ни объёма, ни хода, чтобы заработать её честно, — настройку задирают повыше, горб маскируют под глубину, и весь счёт за это великолепие приходит во временну́ю область, которой нет в таблице характеристик.

Альтернативные подходы

Закрытым ящиком и фазоинвертором список не исчерпывается — за ними стоят рупор, трансмиссионная линия и открытый щит, и все расплачиваются по тому же счёту, просто другой монетой.

Рупор — акустический трансформатор: он согласует тяжёлую мембрану с лёгким воздухом — и делает это настолько хорошо, что подарков сразу два. Чувствительность растёт на десяток-другой децибел, а диффузор почти перестаёт двигаться — малый ход означает малые нелинейности мотора и подвеса и почти ничего не смазанного во времени. По расплатам этой статьи рупор выглядит отличником. Но его счёт выписан в метрах: чтобы всерьёз нагрузить тридцать герц, раструбу нужна половина длины волны — без малого шесть метров. Прямой рупор такого размера — архитектура, а не мебель; свёрнутый в комнатный корпус, он расплачивается складками: каждый изгиб — это задержанные резонансы и рябь в той самой середине, ради чистоты которой всё затевалось. Поэтому настоящие басовые рупоры обитают в кинотеатрах и концертных залах, где пространство позволяет развернуться, — дома же «рупорный бас» обычно означает компактную версию с неизбежными ограничениями.

Трансмиссионная линия — самый недооценённый пункт этого списка, и на ней стоит задержаться. Идея: за динамиком — длинная труба, настроенная четвертьволновым резонансом на нижнюю границу и заполненная поглотителем. Звучит как ещё один резонатор — им она и является, но с принципиальной разницей. У порта добротность резонанса высокая и почти не управляемая: он либо работает — со всем своим хвостом, — либо нет. У трансмиссионной линии добротность в руках проектировщика: набивка дозирует резонанс плавно, от «почти порт» до «почти закрытый ящик». Это единственное оформление, где обменный курс между глубиной и временем не зашит в конструкцию, а выбирается. Хорошо посчитанная трансмиссионная линия даёт спад заметно более пологий, чем у фазоинвертора, — комнатный подъём она встречает почти так же красиво, как закрытый ящик, — держит диффузор нагруженным там, где порт его уже бросил, и подпирает низ без монотонного гула настройки. По совокупности расплат это самый честный способ купить глубину после закрытого ящика с коррекцией.

Почему же тогда трансмиссионные линии — экзотика? Потому что «хорошо посчитанная» — это приговор. У трубы, кроме основного резонанса, есть кратные, и сидят они выше — вплоть до нижней середины: недоглушил — трансмиссионная линия запоёт на выходе призвуками, знакомыми по трубе порта из первой статьи; переглушил — резонанс умер, и остался большой дорогой закрытый ящик. Между этими краями нет формулы — есть моделирование, сечения, сужение трубы, плотность и распределение набивки, и всё это своё для каждого динамика. Фазоинвертор считается на салфетке и прощает ошибку децибелом горба; трансмиссионная линия не прощает почти ничего, и доводить её приходится измерениями и ушами. Дешёвой она не бывает и по железу: труба в четверть волны — на тридцати герцах это почти три метра — должна куда-то поместиться и из чего-то состоять. Парадоксально, но оформление с наиболее справедливым компромиссом редко встречается среди массовых продуктов — не потому, что оно плохо, а потому, что требует тщательной проработки и времени.

И есть вариант для романтиков — не строить ящик вовсе. Открытый щит выпускает заднюю волну на волю, резонансам корпуса просто негде завестись, и звучит это на удивление живо; но на низах фронт и тыл встречаются и гасят друг друга, и дипольный спад в 6 дБ на октаву приходится чем-то оплачивать — либо громадными «крыльями» по бокам щита, либо большими динамиками и сварочным аппаратом вместо усилителя. Здесь глубина также достигается большим ходом и мощностью, но обходится без ящика. Развилка всё та же: выигрыш в одном месте оплачивается в другом — временем, размером, сложностью или окраской; рупор, лабиринт и щит счёт не обнуляют — каждый лишь платит его по-своему.

Есть путь проще: разделить задачи, отдав нижний диапазон специальному динамику в собственном ящике с отдельным усилителем. Это сабвуфер — и стоит защитить несправедливо опороченное понятие. Дурная слава саба, будто он только «бубнит» и годен лишь для кино, — это про неправильный выбор, а не про идею: кинотеатральный саб настроен на максимум давления у двадцати герц, с фазоинверторным горбом и DSP «под удар», и для музыки он и правда груб. А саб, собранный по той же логике, что прослеживается весь этот разговор, — закрытый, с LT, с честным временем, аккуратно сшитый с главной акустикой по уровню, фазе и частоте раздела, — музыке не враг, а ровно то, что ей нужно: короткий и глубокий низ, который диффузор главной колонки не вытянет по механике, и освобождённая от баса середина в придачу. Почему разделение сигнала, спрятанное в самом низу, на слух почти не заметно — дойдём и до этого в статье про кроссоверы. Для системы одного кресла это, пожалуй, самый недооценённый ход — просто потому, что саб все привыкли считать кинотеатральным. 

Что я услышал

Финал моей истории с последней октавой предсказуем по построению статьи, но я всё же доскажу. Я оставил прежний корпус без изменений, закрыл порт и продолжил слушать: получившаяся добротность Qtc естественно сложилась случайно, исходя из свойств драйвера и объёма, а не моего выбора. LT я не паял — тогда я ещё не погрузился в аналоговую схемотехнику, вся коррекция по-прежнему жила в цифре: биквад в уже существующей у меня обработке заменил получившийся резонанс целевым — добротность 0,577, частота сорок герц. И на этом я не стал требовать от LT большего: следующую октаву глубины я не выкупил у диффузора и усилителя, а получил у комнаты — колонку в этот раз поставил не посреди комнаты, а обратно к стене, и пологий спад встретился с тем самым усилением от близких границ, о котором шла речь во второй статье. В комнате кривая легла почти вровень с той анэхоичной мечтой, которую на бумаге обещал только фазоинвертор. На слух это были другие тридцать герц. Удар бочки снова стал ударом — щелчок и вес слились в одно событие; орга́нная педаль перестала быть гулом и стала нотой, у которой слышна высота. Бас не стал «больше». Он стал короче — ровно настолько, насколько коротким его сыграли.

Закономерность серии сохраняется и ниже: две системы с одинаковой кривой уровня не гарантируют одинаковый бас — кривая говорит, докуда система играет, и молчит о том, когда она начинает и когда заканчивает. Но если в комнате и корпусе запоздавшая энергия была помехой, которую мы учились вычитать, то здесь, в ящике, она впервые оказалась предметом выбора: конструктор решает, сколько времени энергия будет жить в его басе, ещё до того, как первый диффузор сдвинется с места.

Частотой выше то же самое решение принимает сам диффузор — у него есть собственные представления о том, когда и как колебаться, и они куда своевольнее, чем у послушного воздуха в ящике. И это стало моей новой проблемой — АЧХ стала честной и почти ровной, а необъяснимые для меня на тот момент призвуки в середине и выше остались. Будем разбираться в них в следующей статье — о динамиках, через две недели. А между статьями — рабочие заметки: вырезанные разделы, измерения, неудачи на стенде — в канале «Архитектура звука».