Visi, kas tiktai kada nors yra bandę automobilyje išgauti gerą garso kokybę, puikiai supranta, kad viena iš didžiausių problemų yra žemi dažniai. O juk kaip tik jie suteikia garsui pilnavertį, sodrų skambesį. Ypatingai tai sunku pasiekti, jeigu norima gauti vienodai gerus rezultatus įvairaus žanro muzikai.
Visų pirma, reikėtų apibrėžti sąvoką „žemi dažniai“. Šiuo atveju kalbame apie dažnių diapazoną nuo 16-20 Hz iki 80-100Hz: bangos ilgis nuo 20 iki 3,4 metrų. Žinomos tokios sąvokos, kaip „kietas bosas“ (dominuoja spektras artimas 100Hz), tai yra labiausiai paplites žemų dažnių atkūrimo automobilyje variantas. Kitas variantas yra perdėtai „minkštas bosas“ yra retesnis, jame dominuoja stipri spektro dedamoji, esanti žemiau 50Hz.
Vėliau bandysiu paaiškinti, kodėl taip atsitinka. Be abejo, yra ir daugiau savokų, apibrėžiančių vieną ar kitą defektą. Žinoma, tai nėra tikslūs apibrėžimai, juo labiau, kad lietuvių kalba nėra pritaikyta tokiems terminams. Viskas, ką bandom išversti iš rusų ar anglų kalbos, gaunasi lyg ir „ne į temą“, tačiau galima bandyti. Daug kas, tikriausiai, yra girdėję tokias sąvokas kaip „vėluojantis bosas“.
Trumpai apie tai, kas yra vėlavimas.
Bet kuris instrumentas, kuriame dominuoja žemo dažnio signalai, pavyzdžiui, kad ir bosinė gitara, šalia pagrindinio dažnio skleidžia dar ir aukšto dažnio (virš 4-5 kHz) virpesius. Šie virpesiai lokalizuoja instrumento padėtį muzikinėje kūrinio scenoje, tuo tarpu, kai žemadažnis signalas yra pagrindinė „smogiamoji“ jėga. Paprastai aukštesni dažniai būna girdimi per priekinius garsiakalbius, kurie, turėdami lengvus difuzorius, puikiai juos atkuria. Tuo tarpu pagrindinį signalą atkuria sunkios konstrukcijos žemų dažnių kolonėlės, dažniausiai sumontuotos galinėje automobilio dalyje.
O tai dar labiau padidina laiko tarpą, per kurį žemadažnis signalas pasiekia klausytojo ausį. Priminsiu, kad garso greitis ore yra lygus 344 m/s. Be to, žemų dažnių kolonėlė paprastai turi savo nuosavą, konstrucijai būdingą užlaikymą, kuris apytikriai svyruoja tarp 10-30 milisekundžių. Taigi, vėlavimas yra skirtumas tarp laiko, per kurį klausytoją pasiekia to paties instrumento pradžioje – aukšti, o paskui – žemi dažniai.
Daug kas yra pasakęs, atseit jie girdi „kaip vėluoja“. Tai, žinoma, yra ne visai taip. Iš praktikos galėčiau pasakyti, kad vėlavimas iki 20 ms yra labai sunkiai identifikuojamas. Dažniau vadinamas vėlavimas iš tikrųjų yra fazinės charakteristikos netolygumas, kuris sukelia labai daug nemalonių papildomų garsų, tame tarpe ir vėlavimo suvokimą. Ypač tai būdinga automobiliui. Tai yra susiję su labai maža automobilio salono erdve, taip pat su labai dideliu atstumu tarp garsiakalbių, kurie atkuria skirtingų dažnių signalus. Taip pat žemiems dažniams labai didelę įtaką daro žemų dažnių kolonėlės montavimo vieta.
Galbūt esate pastebėję tokį reiškinį:
Tame pačiame kambaryje, keičiant žemų dažnių kolonėlės padėtį, labai keičiasi ir garso lygis žemų dažnių srityje. Teisingai parinkus kolonėlės (kolonėlių) vietą kambaryje, galima gana sėkmingai šiuo dėsningumu pasinaudoti ir automobilyje. Geriausia vieta automobilyje yra tolimiausias salono kampas. Jeigu automobilis vienatūris, tuomet geriausia vieta bagažinėjė ties galiniu langu, jeigu sedanas, tuomet gana optimali vieta yra galinės palangės kampas. Tinkamas bet kuris kampas, tačiau dažnai yra patogiau montuoti palangės centre, nors tai jau yra prastesnė vieta….. Visiškai neteisinga yra žemų dažnių kolonėlę atsukti į bagažo skyriaus dangtį. Deja, net ir patyrę meistrai dar kol kas eina lengviausiu keliu…
Kad daug tuščiai nešnekėti, siūlau paanalizuoti labai paplitusio garsiakalbio Pioneer TSW-303C charakteristikas.
Žemiau esantis grafikas – tai tos pačios charakteristikos, tačiau ne matavimo kameroje, o realiame vidutinių matmenų standartiniame kambaryje. Štai čia ir kyla problemos. Šios charakteristikos yra teorinės, tačiau atspindi priklausomybę nuo aplinkos, kurioje naudojama sistema.
Be abejo, imponuoja lygi geltona kreivė. Tačiau nesidžiaukite: viskas nėra taip gražu. Bėda tame, kad patalpos poveikis labai priklauso nuo patalpoje esančių daiktų, žmonių, taip pat nuo pačios kolonėlės vietos ir nuo klausytojo padėties. Automobilyje viskas yra dar sudėtingiau.
Iš esmės, norint pasiekti labai gerą rezultatą, būtina matuoti realią dažnuminę charakteristiką konkrečiame automobilyje.
Grafike matote tris skirtingas charakteristikas, kuriose yra simuliuojamas minimų akustinių sistemų darbas akustinėje kameroje.
Geltona spalvos kreivė priklauso garsiakalbiui patalpintam uždaro tipo dėžėje, kurios tūris yra ~46 litrai. Šiuo atveju gaunamas optimalus parametras Qtc ir jo vertė yra lygi 0,707 (taip vadinamas damping factor) (čia pagal Butterworth teoriją). Tokiu atveju garsiakalbio dažnuminė charakteristika gaunama pakankamai lygi ir manome, kad ši sistema dirba nuo 54Hz.
Raudona spalva – garsiakalbis patalpintas optimalaus tūrio fazoinvertoriaus tipo dėžėje. Tai yra 89 litrai vidinio tūrio su 8 cm diametro ir 18 cm ilgio rezonanse triūba (port’u). Charakteristika labai lygi ir darbinis diapazonas nuo 33 Hz.
Mėlyna spalva – garsiakalbis patalpintas „bandpass“ arba „juostinio filtro“ tipo dėžėje. Tai dviejų tūrių dėžė su rezonansine skyle iš priekinės kameros. Kamerų tūriai šiuo atveju vienodi ir lygūs 2 po 30 litrų. Portai gali būti du 8 cm ir abudu po 17 cm ilgio. Darbinė charakteristika juostinio tipo, nuo 38 Hz iki 106 Hz.
Kad būtų aiškiau, dėžės schematiškai pavaizduotos apačioje, atitinkama eile.
Žemiau esantis grafikas apskritai jaukia viską iš eilės. Esmė yra tame, kad norint gauti tolygią dažnuminę – fazinę charakteristiką reikia vienos labai svarbios salygos:
Visi to paties dažnio signalai turi būti su tos pačios fazės virpesiais (bosinio garsiakalbio, priešbosio ir aukštų dažnių).
Sakykime, turime žemo dažnio kolonėlę, kuri dirba 30-80 Hz dažnių juostoje ir turime priešbosį, kurio darbinis diapazonas yra 90 – 5000 Hz.
Realiai, jeigu naudojame 2 eilės filtrą (dažniausiai sutinkamas automobilinėje aparatūroje), kurio kreivės statumas yra 12 dB oktavai (tai reiškia, kad jeigu per tokį filtrą paduodamas signalas žemų dažnių kolonėlei ir skyrimo ribinis dažnis yra 80 Hz, ties 160 Hz ši kolonėlė gaus 12 dB silpnesnį signalą, nei darbinėje juostoje), atitinkamai priešbosio garsiakalbis ties 45 Hz gaus taip pat -12 dB signalą. Reiškia, dažnių juostoje 45 – 160 Hz dirbs tiek priešbosis, tiek ir žemų dažnių kolonėlė, tik skirtingu pajėgumu. Tačiau signalai, kurių fazė tarp šių dviejų spinduolių sutaps, bus sustiprinti. Tuo tarpu jeigu fazė tarp jų bus priešinga – sunaikins vienas kitą. Ten, kur fazė bus tarpinė, vyks dalinė interferencija…
Kova su faziniais iškraipymais yra labai komplikuota. Idealiausią fazinę charakteristiką gali duoti tiktai vienas plačiajuostis spinduolis, tačiau pagaminti tokį garsiakalbį, kuris gerai dirbtų bent nuo 30Hz iki 16 KHz, kol kas dar niekam nepavyko. Daugiajuostėse sistemose su šia problema kovojama, montuojant garsiakalbius kaip galima arčiau vienas kito ir taip, kad sutaptų jų visų akustiniai centrai. Pavyzdžiui, trijuostėje sistemoje mechaniškai tai pasiekiama taip: žemų dažnių garsiakalbis būtų arčiausiai klausytojo, vidutinių – nuo 5 iki 15 cm giliau, o aukštų tonų – dar giliau. Deja, toks sprendimas yra visiškai neįmanomas automobilyje.
Iš patirties galima būtų teigti, kad automobilyje žemų dažnių garsiakalbis turi gerai dirbti dažnių juostoje nuo 35 Hz iki 80 Hz. Realiai tai labai siauras diapazonas. Šias kreives paanalizuosime vėliau. Sekantis grafikas yra minėtasis vėlavimas. Esant jam tokio dyžio, į jį galime nekreipti dėmesio. Laikykim, kad tokio normalus žmogus nejaučia. Ekspertas gali, nors ir tai, manyčiau, kad daugiau remdamasis kitais požymiais, nei tiesioginiu suvokimu. Tačiau nemanyčiau, kad Lietuvoje yra daug ekspertų. Informacijai: žinoma, kad normalaus žmogaus ausis jaučia garso sumažėjimą -4dB dažnuminėje charakteristikoje. Tačiau šiek tiek geriau skiria garso padidėjimą. Ekspertas, turintis labai gerą ausį -2dB. Iš čia yra priimtas dažnuminės charakteristikos netolygumo standartinė vertė +/- 3dB. Tai yra kompromisas. Taip pat kompromisas yra seniai nusistovėjusi pakankamos dažnuminės charakteristikos sąvoka. Tai yra 30Hz ir 16 KHz. Tai taip pat ne iš oro traukti dydžiai. Normalus žmogus girdi nuo ~16Hz iki ~16-18KHz dažnius.
Dabar dar vienas dalykas, kurį norėčiau priminti:
žmogaus ausis logaritmuoja suvokiamo garso lygio amplitudę. Taip pat žemus dažnius žmogus girdi blogiau.
Jeigu imsime, pavyzdžiui, 4 KHz (jautriausia dalis) ir, pavyzdžiui, 30 Hz, tai skirtumas bus apie 40 dB arba 100 kartų. Kad būtų aiškiau, iš seno žinyno ištraukiau seną tiesą. Grafikas pats kalba už save. Kreivės parodo, kiek reikia pastiprinti atitinkamus dažnius, kad žmogus suvoktų tą patį garso lygį. Kaip jau minėjau, geriausiai žmogus girdi tarp 2,5 KHz ir 4 KHz. Dažniui aukštėjant arba mažėjant, ausies jautrumas krinta. Tačiau didėjant garso stiprumui, ausies jautrumo priklausomybė nuo dažnumo mažėja ir esant garso lygiui apie 80 dB, galime teigti, kad visus dažnius ausis, tiksliau – žmogaus klausos mechanizmas, suvokia beveik vienodai (čia žinoma labai sąlyginai, žr. paveiksliuką 80 dB kreivę). Iš čia yra priimta, kad atskaitos lygis, prie kurio atliekami visi derinimai, yra 80dB. Tai dėl to, kad prie tokio garso lygio žmogaus ausis, sakykim, yra „tobuliausia“. Visi žino, kad yra tokia funkcija „loudness“, tačiau ne visi žino, kad tai – ne „žemų pastiprinimas“, o paminėto žmogaus ausies netobulumo kompensacija, kad nesijaustų šis trūkumas, kai yra reguliuojamas garsas. Šios funkcijos minusas yra tas kad dėl normalaus jos veikimo turi būti du garso reguliatoriai: vienas – nekeičiantis dažnuminės charakteristikos (pagalbinis), o kitas – su kuriuo yra tiesiogiai reguliuojamas garso lygis, keičiantis ne tik garso lygį, tačiau ir atitinkmai koreguojantis dažnuminę charakteristiką. Derinti reikėtų taip: pagrindinį garso reguliatorių palikti tokioje vietoje, kur jis jau nebedaro įtakos dažnuminei charakteristikai – tai turėtų būti 80 dB lygį atitinkanti atžyma, o su pagalbiniu patalpoje nustatyti 80dB siekiantį garsą. Tuomet reguliuojant garsą, reikės mažiausiai reguliuoti tembrus. Kad suprastumėte, apie ką kalba, labai įdėmiai pastudijuokite žemiau esančias kreives. Nuo to, kaip Jūs suprasite, priklauso, kaip dažnai reguliuosite tembrus savo audio sistemoje keisdami garso stiprumą…
Bandykime įvertinti, kuri iš šių akustinių dėžių yra geresnė.
Iš esmės, čia reikia rinktis mažiausią iš visų blogybių. Normalus žemų dažnių kolonėlės darbinis diapazonas yra iki 80 Hz. Tai yra susiję su dviem faktoriais:
svarbiausias – laikoma jog dar iki 100Hz (kitur kalbama iki 150Hz) žmogus nesuvokia, iš kurios pusės sklinda garsas. Tai kalbama apie patalpas. Deja, mašinoje, net ir esant tokiam dažniui, nesunku nustatyti garso šaltinio kryptį (kodėl ? žinom kodėl, bet tai kita tema).
Antra priežąstis yra ta, kad nuo 80 Hz jau gali normaliai dirbti bet kokios kolonelės; idealiu atveju – priešbosiai. Mums yra labai svarbu, kad ties šia riba būtų maksimalus boso garsiakalbio ir priešbosio suderinamumas.
Dabar, jeigu įvertinsime, kad priešbosio fazinė charakteristika yra ideali (tai yra fazė signalo fazė lygi nuliui netoli numatomos sujungimo vietos), mums svarbu, kad bosas, dirbantis 80Hz ir žemiau, turėtų fazinę artimą „0“ arba „180“ laipsnių. Be abejo, tai nėra visai taip, tačiau reikia stengtis. Problema tame, kad dar yra filtrai su savo specifinėm dažnuminėm dažnuminėm charakteristikom. Paprastai retai kur stiprintuvai turi filtrus, kurie „nupjauna“ boso dažnuminę stačiau, nei 12dB per oktavą. Tik geri stiprintuvai „pjauna“ 18dB. Tai idealiausias atvejis, nes būtent toks trečios eilės filtras duoda mažiausius fazinius ir intermoduliacinius iškraipymus. Jeigu mes paduosime bosui blogai išfiltruotą signalą, jis dar efektyviai dirbs pavyzdžiui, ties 200 Hz, o tai jau bus blogai. Nes mašinoje pilna atspindžių, kurie interferuodami pridarys tiek naujų signalų, kad bus baisu klausyti, bosas dar labiau lokalizuosis iš savo buvimo vietos. Iškraipymus geriau kol kas padėkime į šalį, nes tai – ne mažiau ilga ir sudėtinga tema. Galiu tik informacijai pasakyti, kad realiai nėra garsiakalbių, kurie duotų mažesnius, nei 2-3 % iškraipymus. O dauguma – apie 5-10 %! O kalbam apie stiprintuvus su 0,0000001 % iškraipymais! Bet tai – dar kita tema. Tokie stprintuvai reikalingi net ir prie garsiakalbių su 10% iškraipymais.
Grįžkime prie dėžių. Iš karto matyti, kad tiek fazoinvertorius, tiek uždara dėžė ties 80 Hz turi 60 laipsnių fazės pokytį. Ir kuo labiau dažnis krinta, tuo blogiau. Tik fazoinvertoriaus fazė įgauna ~180 laipsnių dydį ties savo nuosavu tunelio rezonansu 30 Hz. Reiškia, ji patenkinamai dirbs tik ties šiuo dažniu, o pagrindinėje zonoje, sakykim, bus ne kas. Tuo tarpu „juostinio filtro“ tipo dėžė ties 80 Hz jau turi 140 laipsnių fazę ir toliau artėja prie 180 ir tik mažiausiai girdimais dažniais jos fazinė charakteristika darosi blogesnė. Tai pagrindinis šio tipo dėžių privalumas prieš visas likusias. Be šio privalumo, juostinio filtro dėžė dar turi tą pliusą, kad ji pati yra kaip 4 eilės filtras (24 dB oktavai), tai yra, ji pati riboja sau dažnuminę charakteristiką į aukštų dažnių pusę. Tai dar labiau padeda jai susiderinti su priešbosiais. Taip pat, šio tipo dėžės gerai atkartoja stačiakampius impulsus. Nekalbu jau apie montavimo privalumus. „Vamzdį“, kurio diametras būna apie 10 – 15 cm, visada galima gana nesunkiai įvesti tiesiai į automobilio saloną.
Jeigu jos tokios geros, kodėl pas mus dar nepaplito? Visų pirma – dėl pakankamai sudėtingo skaičiavimo, gaminimo ir derinimo. Šio tipo dėžės labai jautrios garsiakalbio parametrams. Įvertinant tą faktą, kad visi gamintojai meluoja, pateikdami duomenis, tikrai sunku atlikti būtinus paskaičiavimus. Jeigu išmatuosite garsiakalbių parametrus patys, rasite gana didelį išsibarstymą net to pačio modelio garsiakalbiui. Tačiau daugeliu atvejų nepatyręs muzikos mylėtojas ar meistras instaliuotojas daro didelę klaidą, pasirinkdamas lyg ir lengvesnį kelią, tai yra gamindamas uždaro arba fazoinvertoriaus tipo dėžę. Šios dėžės turi savų pliusų, tačiau su jomis automobilyje dažniausiai nepavyksta pasiekti norimo rezultato, nenaudojant papildomo filtro, galinčio keisti signalo fazinę bei dažnuminę charakteristikas.
Tokio filtro panaudojimas labai kelia audiosistemos kainą ir tuo pačiu sudėtingumą. Realiai man neteko sutikti daug automobilinių audiosistemų savininkų, kurie savo automobiliuose yra sumontavę tokius aktyvinius filtrus. Tuo tarpu su „juostinio filtro“ tipo dėže dažniausiai galima patenkinti ir gana reiklaus klausytojo poreikius, nenaudojant papildomos elektroninės įrangos, išskyrus gerą stiprintuvą su atitinkamais standartiniais filtrais. Realiai visada yra pigiau pagaminti palyginus brangią „juostinio filtro“ tipo dėžę nei „sukalus“ paprastesnę, sukti galvą ką daryti toliau.
