Одним из главных двигателей прогресса в мире высококлассного аудио является решение сверхзадач. Так, например, материалы диффузора, которые мы рассматривали ранее, должны обладать тремя взаимоисключающими свойствами: высокой жесткостью, низкой массой и способностью поглощать резонансы. Большинство материалов обладают лишь двумя свойствами из трёх, а создание диффузора, отвечающего сразу трём требованиям — это сверхзадача, которую каждый разработчик решает по-своему.
Таким же образом обстоят дела и в другой части акустики — в разделительном фильтре или кроссовере. О нём-то мы сегодня и поговорим.
- Оригинальное видео доступно по ссылке
Для чего нужен фильтр?
Начнём с того, для чего в принципе используются разделительные фильтры. Их основная задача — согласование излучателей в многополосной акустике. Концепция многополосности подразумевает, что каждый излучатель отвечает лишь за часть от полного диапазона воспроизводимых частот. Но просто доверить верхние частоты одному динамику, а нижние — другому недостаточно. Излучатели нужно согласовать по громкости и сформировать с их помощью максимально ровную, линейную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Именно эту задачу и выполняет кроссовер.
Он делает тише более громкий динамик и обрезает рабочий диапазон обоих излучателей таким образом, чтобы максимально незаметно состыковать их между собой без подъёма или провала АЧХ в месте стыковки. Кроме того, в кроссовер могут быть интегрированы дополнительные фильтры, позволяющие вырезать резонансные пики АЧХ. Схема кроссовера влияет и на другие параметры акустики, такие как фазочастотная характеристика и импеданс, что является одним из инструментов настройки звука в целом.
На первый взгляд всё это выглядит не так уж и сложно — рутинная инженерная задача. Но как только начинается борьба за качество звука, всплывает целый ряд нюансов, сложностей и неустранимых противоречий.
Точность стыковки
Основной рабочей характеристикой электрического фильтра является крутизна спада частоты, которую он обеспечивает. Самый простой фильтр, состоящий из одного элемента, называется фильтром первого порядка и даёт наиболее плавный спад отдачи. Чем сложнее конструкция фильтра, тем выше его порядок и тем круче он срезает ненужную область частотного диапазона. В современной акустике обычно используют фильтры 1-4 порядка, и выбор фильтра влияет на характер звука в зоне стыковки динамиков.
Акустика, в которой используются фильтры первого порядка, будет иметь достаточно широкий участок частотного диапазона, в котором оба излучателя работают одновременно. И этот участок будет воспроизводиться не так чётко и чисто, как остальная часть воспроизводимого диапазона частот. Исходя из этого вполне логично использовать фильтры более высокого порядка — например, четвертый порядок, дающий значительно меньший участок совместной работы двух динамиков. И наверняка все производители применили бы этот метод, если бы не целый ряд сопутствующих проблем. Во-первых, сложные фильтры снижают чувствительность и делают импеданс нелинейным, превращая акустику в более сложную нагрузку для усилителя, во-вторых, большое количество компонентов фильтра, через которые проходит сигнал, могут снижать детальность и микродинамику, делая звук более простым, схематичным и менее прозрачным, ну и в-третьих, чем сложнее фильтры и чем больше в них компонентов, тем они дороже.
В результате мы сталкиваемся с той же проблемой, что и с материалами диффузоров. Улучшаем один параметр — ухудшается другой. Повышаем разборчивость в месте стыковки, увеличивая порядок фильтра — снижаем чувствительность акустики, ухудшаем микродинамику и детальность по всему диапазону.
На практике производители выходят из положения разными способами. Излучатели подбирают таким образом, чтобы при стыковке полос можно было использовать естественный спад отдачи хотя бы одного из них. В этом случае можно поставить фильтр низкого порядка или даже вовсе обойтись без него. Чаще всего средне-низкочастотный излучатель подключается напрямую, а высокочастотник — через простой фильтр. Такой подход практикуют как в бюджетной акустике, для экономии, так и в High End моделях для минимизации потерь и искажений, возникающих в компонентах кроссовера. С бюджетными моделями всё понятно, а в High End это помогает добиться максимально цельного и естественного звучания средних и нижних частот. Как следствие — живая акустическая музыка, вокал, классика и традиционный джаз на такой системе звучат безупречно.
Другой способ уменьшить негативное влияние фильтров — использование высококлассных комплектующих, которые наиболее прозрачны для звука. Это плёночные и бумаго-маслянные конденсаторы, катушки индуктивности с «воздушным сердечником» или катушки с проводниками из медной фольги, безиндукционные резисторы и т. д. Стоимость одной такой детали фильтра может составлять тысячи и даже десятки тысяч рублей, а пара кроссоверов, имеющих сложную схему и собранных исключительно из комплектующих класса High End, будет стоить как пара среднебюджетных колонок целиком. Из чего следует, что акустика с по-настоящему высококлассными кроссоверами, прозрачными для полезного сигнала, не будет стоить дешево. Если же в описании средне- и низкобюджетной модели упоминаются высококачественные комплектующие, это значит как минимум то, что производитель уделил данному вопросу достаточно внимания и избегал откровенно бюджетных комплектующих. Можно ожидать, что такая акустика будет выделяться на фоне конкурентов более детальным и прозрачным звучанием.
Контроль скорости
Вторая проблема, с которой сталкиваются разработчики при использовании кроссоверов — это ухудшение фазочастотной характеристики (ФЧХ). Фаза сигнала меняется с разной степенью в зависимости от порядка фильтра, который применяется. Да и в принципе сам факт использования кроссовера уже говорит о том, что сигнал поступит на излучатели с небольшой задержкой. А добиться объёмной звуковой картины с точной фокусировкой звуковых образов можно только имея ровную ФЧХ. Это же качество отвечает за способность акустики воспроизводить музыку со сложными ритмическими рисунками.
При этом не только кроссовер искажает фазу. Сами излучатели изначально не обладают идеальной фазовой характеристикой, а суммарная ФЧХ акустики зависит ещё и от их расположения на передней панели — если твитер оказался ближе к ушам слушателя, чем установленный под ним среднечастотник, даже при одинаковой фазе излучателей и фильтра средние частоты будут немного запаздывать, что исказит ритмическую картину и нарушит построение звуковой сцены.
В руках умелого и опытного разработчика все эти факторы влияния на фазу превращаются из проблемы в рабочий инструмент, с помощью которого можно оптимизировать ФЧХ акустики. Учитывая фазовую характеристику излучателей, он может использовать фильтры таких порядков, которые будут способствовать выравниванию общей ФЧХ. Например, используя более высокий порядок фильтра на верхних частотах, их можно «замедлить» и выровнять по фазе со средними, который отстают по фазе из-за большей отдалённости среднечастотника от ушей слушателя. А наклон передней панели акустики и любые другие способы отдалить или приблизить излучатель к точке прослушивания позволяют регулировать фазу сигнала без какого-либо негативного влияния на звук. Одним словом, те изменения фазовой характеристики, которые неизбежно вносит фильтр, можно либо обратить во благо, либо компенсировать, подобрав оптимальное расположение динамиков относительно слушателя.
Идеальный кроссовер
Сверхзадача применительно к кроссоверу выглядит следующим образом: выровнять частотную и фазовую характеристики, не перегрузить усилитель и избежать при этом деградации сигнала. И если применить качественные комплектующие и согласование фаз, она вроде бы выполняется, но всё же любой динамик звучит чище, детальнее и прозрачнее, если он подключён к усилителю напрямую без какого либо фильтра. А возможно ли это? Существует как минимум два условия, при которых пассивные фильтры в акустике не нужны. Первое — использование одного широкополосного динамика, если он имеет достаточно ровную частотную характеристику и не требует фильтров для исправления её неравномерностей. Однако в современном Hi-Fi такая конструкция встречается нечасто, поскольку акустика с широкополосными динамиками имеет специфический характер звучания с заметными жанровыми ограничениями и, как следствие, существует ограниченный круг любителей такого звука, высоко ценящих достоинства «шириков» и готовых мириться с их недостатками.
Подавляющее большинство Hi-Fi и High End колонок являются многополосными. Впрочем, и среди многополосных моделей можно встретить акустику, не имеющую пассивного кроссовера. Это возможно при условии, что речь идёт о модели с активными частотными фильтрами.
В такой конструкции каждый динамик имеет свой индивидуальный усилитель мощности, а распределение сигнала по полосам обеспечивает аналоговый активный фильтр или цифровой процессор, располагающиеся в схеме до усилителя мощности. Всё это даёт много плюсов. Усилители с подключёнными к ним динамиками находятся в максимально комфортном режиме работы, поскольку работают в более узком диапазоне частот с более ровным импедансом нагрузки. Таким образом повышается коэффициент демпфирования, снижается уровень искажений, звук получается более чистым, прозрачным и динамичным.
Стыковка полос, компенсация неравномерностей АЧХ и ФЧХ происходит в той части схемы, где влияние комплектующих не так велико, как в пассивном фильтре акустики. К тому же себестоимость маломощных комплектующих активного фильтра на один-два порядка ниже тех, которые используются в пассивным кроссовере — значит даже в среднебюджетной модели можно использовать топовые аудиофильские комплектующие. В результате активные фильтры способны обеспечить точную стыковку полос без каких-либо заметных потерь прозрачности, детальности и динамики.
Если же в роли кроссовера используется цифровой процессор, возможности выравнивания рабочих характеристик акустики практически безграничны и настройку можно произвести с прецизионной точностью, придав АЧХ линейный вид и сформировав при этом линейную ФЧХ. Однако и тут не обходится без подводных камней: за высокую точность настройки можно заплатить деградацией сигнала, которая происходит в процессе цифровой обработки звука. Поэтому цифровые кроссоверы, как правило, применяют в активных колонках начального уровня — как классических стереопарах, так и разного рода мультирум-колонках.
Минимизировать негативный эффект от цифровой обработки звука в принципе возможно. Для этого нужно произвести повышающее преобразование частоты и разрядности сигнала до максимальных значений и все дальнейшие манипуляции с АЧХ и ФЧХ производить уже в высоком разрешении. А для этого потребуются достаточно мощное «железо» и сложные алгоритмы обработки звука. И то, и другое стоит дорого, поэтому по-настоящему высококлассные цифровые кроссоверы можно встретить только в дорогой студийной технике и High End аппаратуре.
Ещё одна специфика применения аудиопроцессоров в роли кроссовера — необходимость подавать на них цифровой сигнал. Это значит, что все аналоговые источники будут подключаться через аналого-цифровой преобразовать, качество которого во многом определит качество звучания всего, что коммутируется «по аналогу».
Необходимое уточнение
И в заключение ещё один важный чисто практический момент. Надо понимать, что не всякая активная акустика имеет внутри активный кроссовер. Если производитель не упоминает в описании, какие именно фильтры используются в интересующей вас модели, но при этом хотя бы одна колонка в системе является пассивной, способ подключения подскажет, какой кроссовер установлен внутри. Если используется обычный двухжильный акустический кабель — значит, перед нами самая обычная акустика с пассивным кроссовером и одним усилителем на канал. Если же кроссовер активный, то в схеме используется би-ампинг и колонка будет подключаться специальным кабелем с четырьмя контактами.
Итог
Кроссоверы в пассивной акустике — это всегда набор компромиссов. Сложные фильтры обеспечивают более точную стыковку полос, но делают акустику более тяжелой нагрузкой для усилителя и могут скрадывать мелкие детали и оттенки записей, если качество комплектующих недостаточно высоко. Простые фильтры более прозрачны для полезного сигнала, но в зоне стыковки полос звучание может быть недостаточно разборчивым и чистым. Для решения сверхзадачи — создания идеального кроссовера — разработчики используют дорогие высококачественные комплектующие и рассчитывают фильтры таким образом, чтобы учесть специфику АЧХ динамиков и ФЧХ всей конструкции. Иными словами, качество пассивного кроссовера всецело зависит от бюджета и мастерства инженеров-проектировщиков.
Второй, более радикальный способ избавиться от негативного влияния пассивных фильтров — использовать активные фильтры, которые работают исключительно в сочетании с конфигурацией би-ампинг (или три-ампинг, если акустика трёхполосная). Такая схема, особенно с фильтрами на основе высокопроизводительного цифрового аудиопроцессора, наиболее перспективна с точки зрения качества звука, однако в Hi-Fi и даже в High End она пока не получила повсеместного распространения.
