|
МОДЕЛЬ МУЗЫКАЛЬНОГО СИГНАЛА
В основе научного подхода к разработке
продукции компании "Старлингбокс" лежит понимание того, что реальный
музыкальный сигнал представляет собой достаточно сложный нестационарный
случайный процесс, спектр которого, в общем случае, является аддитивной
смесью дискретных спектральных компонент и широкополосного шума.
Проведенные нашей компанией комплексные теоретические
исследования и углубленный инструментальный анализ отдельных
музыкальных фрагментов показывают, что спектральная плотность мощности
музыкального сигнала, в общем случае, имеет неравновесную зависимость от частоты.
Основная энергия спектра сигнала располагается в области
основного тона колебания, его первой гармоники, однако у ряда
музыкальных инструментов, к примеру, у рояля, в силу особенностей
формирования звука, присутствуют спектральные составляющие, частоты
которых лежат значительно ниже основного тона. Причиной образования
субгармонических компонент и модуляционных шумов являются резонансные
процессы, обусловленные возбуждением струн нижнего диапазона частот
через акустическую деку инструмента, передающей энергию удара молоточка
по струне основного тона.
Представленная модель музыкального сигнала позволяет
адекватно формулировать базовые критерии оценки и технические
требования к основам и методам построения и разработки
звуковоспроизводящего тракта, технологическому обеспечению и
практической реализации.
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩЕГО ТРАКТА
Принятие такой модели значительно меняет традиционные
качественные методы анализа всего тракта воспроизведения сигнала. При
этом общепринятый гармонический метод является необходимым, но
недостаточным.
Анализ процесса воздействия широкополосного сигнала со
сложным спектральным составом на квазилинейную систему показывает, что
по аналогии с акустическими системами однополосная реализация
высококачественного усилительного тракта крайне сложна, учитывая
значительные изменения энергетики сигнала в диапазоне частот. При этом
реальные требования к линейности и другим параметрам этого устройства,
определяющих динамический диапазон, многократно возрастают по сравнению
с требованиями на базе общепринятой гармонической модели. Общепринятый
способ построения тракта на основе усилителя мощности на полный
диапазон, частотного разделения сигнала с помощью электронного
интегрального кроссовера на его выходе и многополосной акустикой
является, по сути, компромиссным, бюджетным или коммерческим решением и
не обеспечивает высококачественную передачу и воспроизведения полного
информационного поля сигнала.
Анализ усилительного тракта на основе данной модели,
кстати, во многом объясняет традиционные загадки, связанные с влиянием
параметров звукоусилительного тракта на характер и качество звука. В
частности, это и влияние обратной связи, и минимизация искажений на
этой основе и многое другое.
Кроме того принципиально меняются традиционные подходы к
требованиям и методам реализации частотно-разделительных цепей.
Неблагоприятное воздействие кроссоверных систем на звук известно всем,
как и влияние излучения обратной стороной диффузора динамических
головок. Многолетняя борьба с этими явлениями привели к созданию
различных вариантов акустического оформления. Наиболее адекватная
модель, минимизирующая возникновение паразитных резонансов и
оптимизирующая режим работы диффузора, это моделдь дипольного типа.
Разработанные комплексные методы аналоговой обработки сигнала,
примененные в системе для формирования полиампинговой структуры
Starlingbox, предельно минимизируют воздействие на структуру и
целостность звукового сигнала.
Безусловно, существует множество других аспектов,
лежащих в основе данной концепции, это и вопросы оптимального
согласования элементов тракта, обеспечивающие оптимальную
энергетическую передачу музыкального сигнала, и влияние параметров
внутриблочной ЭМС, и особые требования к параметрам и звуковой
сигнатуре элементной базе и многое другое.
ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА В ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩЕМ ТРАКТЕ
Оценка и нормирование
искажений сигнала выпускаемой аппаратурой звуковоспроизводящего тракта
ограничиваются предоставлением производителями раздельных паспортных
данных о неравномерности АЧХ электронных устройств и акустических
систем, а также нелинейных и, иногда, интермодуляционных искажений
усилительных устройств и источника сигнала, включая CD проигрыватели,
фонокорректоры и головки звукоснимателя. Эти данные получаются в
результате стандартных методов измерений параметров устройств при моно
гармоническом или мультисигнальном воздействии и работе на активную
фиксированную нагрузку. В некоторых случаях приводятся данные о времени
нарастания сигнала в усилителе мощности при подаче на вход
последовательности прямоугольных импульсов.
Необходимо отметить, что модное в
настоящее время нормирование уровня интермодуляционных искажений
является не более чем рекламным или маркетинговым ходом производителей
аппаратуры. Интермодуляционные искажения являются частным случаем
оценки уровня продуктов нелинейности тракта высокого порядка. Методика
измерений интермодуляционных искажений была разработана и широко
применяется для анализа нелинейности узкополосных каналов связи при
мультисигнальном воздействии, оценить которую традиционными методами
невозможно из-за фильтрующих свойств узкополосных резонансных систем,
формирующих эти каналы.
На самом деле существует много и
других методов оценки нелинейности систем, это модуляционные,
перекрестные, комбинационные искажения, уровень блокирования слабых
сигналов в присутствие сильных, компрессия коэффициента передачи на
заданную величину, при этом стандартным уровнем является уменьшение на
1 dB и ряд других специальных критериев.
Однако для широкополосных звуковых трактов вполне адекватным является
нормирование коэффициента нелинейных искажений. Такие измерения
являются необходимой частью технический требований к параметрам
устройств, но, как известно, достаточно далеки от истинной оценки
качества воспроизведения звука.
Для звуковых стереофонических систем
важной оценкой является также уровень подавления сигнала в соседнем
канале, который для обычной головки звукоснимателя составляет всего
20-30 дБ в среднечастотной области и около 15-20 дБ в верхней части
диапазона частот.
Мало кто из истинных ценителей качественного звука вообще обращает
внимание на эти характеристики, доверяя, прежде всего, своим слуховым
впечатлениям и руководствуясь, разве что, значениями выходной мощности
усилителя и чувствительности акустических систем для определения
необходимого уровня звукового давления в помещении конкретных размеров.
На самом деле реальная нагрузка
усилителей далека от активной фиксированной и носит ярко выраженный
комплексный характер. Например, характер частотной зависимости
импеданса одной из топовых акустических систем Alexandria XLF в линейке
фирмы Wilson Audio стоимостью $200 000 приведён на рисунке
Или очень уважаемой в России трёхполосной акустики TAD Evolution One стоимостью $30 000
Из этих графиков,
которыми вряд ли гордятся производители, и которые получены в
результате измерений, произведённых американскими техническими
экспертами журнала STEREOPHILE, видно, что реальная часть импеданса
имеет нелинейную зависимость от частоты и изменяется примерно в 4 раза,
а фаза изменяется в пределах 50 градусов (WA) или более чем в 5 раз и
90 градусов, соответственно, для (TAD) и также нелинейно зависит от
частоты. Эти рисунки со всей наглядностью демонстрируют серьезные
проблемы современных многополосных акустических систем со встроенным
интегральным кроссовером. Однако, даже эти зависимости являются
суперпозицией инструментального взаимодействия измерительного прибора
со входом кроссовера акустики на малых уровнях зондирующего сигнала и
не показывают СКАЧКИ ФАЗЫ в области стыковки частотных полос.
На самом деле в традиционных интегральных кроссоверах на частотах
раздела, как правило, используется комбинация фильтров низких и высоких
частот. При этом в области частоты среза фильтров образуются
разнонапраправленные фазовые сдвиги (отрицательный для ФНЧ и
положительный для ФВЧ). Образуется скачок фазы, который в наиболее
критичном случае может достигать 180 град. Это означает, что смежные
головки в ОБЛАСТИ ЧАСТОТЫ РАЗДЕЛА могут работать в противофазе или с
достаточно большим фазовым сдвигом, величина которого определяется
параметрами фильтров, динамических головок, разностью частот среза
фильтров при работе на комплексную нагрузку и т.д.
Эти специфические искажения, возникающие в многополосных акустических
системах с применением стандартных интегральных кроссоверов, хорошо
слышат музыкальные эксперты и продвинутые любители музыки, несмотря на
тщательный подбор смежных динамических головок по идентичности звуковой
сигнатуры.
Кроме того, например, при умеренной мощности в 70 Вт для подобной
акустики с учётом 3 dB пик-фактора усилитель должен отдавать в
комплексную нагрузку с нелинейной частотной зависимостью ток с
амплитудой импульсов не менее 10А и одновременно обеспечивать
минимальные искажения сигнала. Исследования показывают, что при работе
на изменяемую в 4 раза нагрузку и вариации её фазы в пределах 40
градусов уровень нелинейных искажений усилителя мощности возрастает
более чем на 10 дБ или более чем в 3 раза по сравнению с нормируемой
фиксированной. Вряд ли найдётся выпускаемый промышленностью, к примеру,
ламповый усилитель, способный адекватно работать на такую нагрузку в
полном диапазоне частот, по крайней мере, технические требования к
нему, могут оказаться запредельными.
Более того,
приведённые выше графики показывают зависимость импеданса и фазы по
входу кроссовера с учётом трансформированных аналогичных характеристик
динамических головок и подводящих кабелей, т.е. то, что "видит"
усилитель, а вот то, что "слышит" потребитель, т.е. изучаемый акустикой
сигнал, фазовые характеристики которого определяются искажениями
полного звукового тракта и уровень которых намного выше приведённых на
рисунках. К сожалению, в реальных условиях измерить фазовые
характеристики излучаемого сигнала не так-то просто. Эти дополнительные
искажения обусловлены нелинейной зависимостью фазовых характеристик RLC
элементов кроссовера от уровня воздействующих на них сильноточных
сигналов.
Свой вклад в общий уровень фазочастотных искажений вносят и усилители.
Далеко не все производители приводят характеристики фазовых искажений
усилителей мощности, значения которых также имеют достаточно большой
уровень. Например, у транзисторных усилителей мощности американской
фирмы ATI, кстати одной из немногих, приводящих подобные данные по
понятным причинам, суммарный набег фазы при уровне выходной мощности не
более 1 Вт даже при работе на фиксированную активную нагрузку
составляет около 20 град в звуковом диапазоне частот.
Таким образом,
суммарное изменение значений фазы в тракте только по входу акустических
систем на малых уровнях сигнала и даже без учета параметров источников,
фонокорректоров и кабелей может иметь значения, превышающие многие
десятки градусов, и это у элитных изделий лучших мировых
производителей. И если даже в общем случае на частотах раздела
кроссовера диафрагмы диффузоров смежных динамических головок могут
двигаться в противоположных направлениях, внося тот неприятный
диссонанс в звучание, который легко слышат опытные аудиофилы, на слух
определяя с достаточной точностью значения этих частот, то можно
представить какой "раздрай" испытывают динамические головки
многополосных акустических систем в полном диапазоне воспроизводимых
сигналов. При этом практические исследования показывают, что один
синусоидальный сигнал, излучаемый двумя смежными головками и имеющими
сдвиг по фазе 90 градусов на слух воспринимается как два различных
сигнала.
Значительные фазовые сдвиги и нелинейная зависимость фазовой
характеристики в диапазоне частот многополосных акустических систем с
интегральным кроссовером могут являться одним из основных источников
неприятных для слуха искажений в его наиболее чувствительном диапазоне
примерно от 300 Гц до 5-8 кГц, а также приводят к изменению соотношений
в структуре спектральных составляющих и спектральной плотности
исходного широкополосного музыкального сигнала и, следовательно, к
искажениям формы импульсного музыкального сигнала, нарушению временных
соотношений, появлению тембральной окраски, резкости в средне-
высокочастотном диапазоне частот, нарушению слитности звучания,
масштаба звуковой картины, размытости локализации источников.
Наличие подобных искажений многократно усиливает влияние крайне
неприятных для слуха нелинейных искажений за счёт эффекта Доплера,
возникающих в динамических головках акустических систем при
мультисигнальном воздействии и значительном смещении диффузора.
Понятно, что здесь рассмотрена только небольшая часть искажений и
эффектов влияния параметров звукового тракта на качество
воспроизведения звука, но она имеет определяющее влияние в системах
высокого уровня.
Безусловно, достаточно трудно отдельно оценить влияние конкретного типа
искажений сигнала в полном звуковом тракте, однако наш опыт показывает,
что подобный тип искажений очень часто является причиной "каши" при
воспроизведении тутти симфонического оркестра, резкости и
"синтетического" звучания голоса и музыкальных инструментов.
ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ МУЛЬТИАМПИНГОВОЙ АУДИОСИСТЕМЫ "STARLINGBOX"
В приведённом выше анализе искажений, возникающих в акустических
системах с применением традиционных интегральных кроссоверов для
формирования частотных полос, не ставилась цель бросить тень на
продукцию известных компаний, пользующихся заслуженным авторитетом и
уважением среди аудиофилов всего мира. Эти изделия, как правило,
отражают лучшие современные технологии и разработаны замечательными
профессионалами, любящими свое дело и понимающими многое в звуке. С
некоторыми из них имею честь быть знакомым и был рад возможности
участия с ними в содержательных дискуссиях о методах и перспективах
развития направления в целом. Тем не менее, необходимо отметить, что в
целом индустрия звуковоспроизведения следует определенным рыночным
правилам и законам, которые имеют коммерческие ограничения и во многих
случаях бизнес интересы превалируют над задачей получения предельной
точности и естественности воспроизведения звука, т.е. главной задачей
аппаратуры Hi-End в истинном понимании этого смысла.
Кроме того,
разделение рыночных ниш диктует конкретную направленность работ в
создании аппаратуры определенного сегмента - будь то производители
компонентной базы, ламповых или транзисторных усилителей, акустических
систем, цифровых или аналоговых источников.
Решение задачи
системного подхода, прецизионного согласования составляющих тракта без
потери звуковой сигнатуры одна из главных и стратегических задач нашей
компании. Многолетние научные исследования, широкий опыт практической
деятельности, сотрудничество с известными музыкантами, лучшими в своей
профессии реставраторами и создателями уникальных музыкальных
инструментов, глубоко понимающих принципы формирования звука,
историческую ретроспективу эволюции технологии и звучания акустических
инструментов от Баха и до Скрябина, от салонных роялей Bechstein
"золотого периода" до современных концертных Steinway и Yamaha,
струнных инструментов кремонской школы Амати, все это явилось основой
разработки новых методов создания электронной аппаратуры, акустики, а
также нестандартных принципов построения комплексных систем и элементов
согласования компонент звукового тракта "Starlingbox".
В основе нашего подхода лежат следующие концептуальные аспекты:
- полиампинговое усиление, при котором используется три или два
усилителя для максимальной реализации звукового потенциала каждого из
них;
- ламповые однотактные усилители собственной разработки на
прямонакальных триодах в базовом диапазоне частот, включающем область
средних и высоких частот;
- выходные ультралинейные трансформаторы специальной конструкции,
созданных компанией, в которых впервые значительно ослаблены, а в
моделях высшего уровня полностью исключены искажения, присущие
традиционным трансформаторам и обусловленных наличием гистерезисных
явлений и вихревыми токами в магнитном сердечнике;
- впервые разработанные нашей компанией бескроссоверные параметрические
принципы формирования частотных полос и каналов, обеспечивающие
"бесшовную сшивку" динамических головок;
- отсутствие конденсаторов в полном сигнальном тракте от источника до акустических систем;
- линеаризация фазочастотных характеристик акустической системы и полного звукового тракта.
Реализация подобных технических решений позволила получить тот
"фирменный" звук систем "Старлингбокс", который высоко ценят
музыкальные эксперты, многочисленные любители музыки и которым гордимся
мы.
Для звука наших систем характерна необычная слитность звучания
музыкальных инструментов в оркестре с чистым и ясным тутти
симфонического оркестра, глубина тембральных переходов, музыкальных
пауз и послезвучий, деликатность звукоизвлечения, предельно
естественная передача оттенков звуковой сигнатуры, атмосферы и
масштабной звуковой картины.
Удивительная лёгкость, прозрачность и выразительность звучания голоса и
отдельных музыкальных инструментов прекрасно сочетается с богатой
звуковой палитрой и голографичностью звуковой об'емной сценой,
напоминающей звуковую "пульсирующую" сферу.
Информативность и точность передачи мельчайших деталей, яркая
музыкальность и образность звуковоспроизведения системой "Старлингбокс"
- именно за это мы любим слушать и ценим настоящую МУЗЫКУ.
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД
Применяемый в настоящее время метод
“покомпонентного” формирования аудиосистем носит ярко выраженный
коммерческий характер и не позволяет потребителю создать оптимальную
для него систему, обеспечивающую определенный уровень качества звука.
Существующая многолетняя практика убедительно доказывает, что
великолепный по исполнению “универсальный” компонент с набором
выдающихся стандартных технических характеристик может обеспечить
высокое качество звука в определенной системе и быть совершенно
неубедительным в другой.
Именно качество звучания полной аудиосистемы является определяющим
критерием оценки той или иной аппаратуры для потребителя. Только
системный подход позволяет решить достаточно серьезные вопросы
оптимизации технических характеристик каждого из применяемых компонент
в конкретной системе и обеспечить их тщательное согласование в
законченном тракте.
Данная задача требует глубоких инженерных знаний и может быть решена только на достаточно высоком профессиональном уровне.
В целом опыт работы со звуком показывает, что это чрезвычайно тонкая
материя, не допускающая вольностей и грубого обращения. Доступность
методов инструментальной реализации в области звуковых частот является
обманчивой и требует применения достаточно продвинутых технологий,
опыта, знаний, умений и, главное, любви к звуку.
|
|
