ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДОКУМЕНТ

НЕОБХОДИМОСТЬ РАСШИРЕННОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА,
ИЛИ ЗАЧЕМ НУЖЕН SUPERTWEETER™ (СУПЕРТВИТЕР)

Доктор Пол Миллз, главный инженер, отдел домашнего аудио, Tannoy Limited.

ВСТУПЛЕНИЕ

Все мы привыкли к концепции сабвуфера, привыкли к расширению низкочастотного диапазона системы громкоговорителей для дополнительного реализма. SuperTweeter™ по сути делает то же самое, только на другом конце слышимого спектра, расширяя частотный диапазон громкоговорителя на несколько октав выше общепринятой границы человеческого слуха. Этим достигается повышение тембральной точности инструментов и улучшение переходной характеристики, причем преимущества воспринимаются даже на басовых частотах. Эти эффекты до сих пор были очевидны всем, кто слушал Tannoy SuperTweeter™, но скептики могут пожелать задать ряд вопросов:
* Имеется ли какая-либо музыкальная информация выше 20 КГц – принятой верхней границы человеческого слуха?
* Если да, воспринимаема ли эта энергия?
* Как может SuperTweeter™ улучшать воспроизведение во всем диапазоне звуковых частот, даже на низких частотах?
* Приносит ли он пользу на всех записях?
Для того чтобы ответить на эти вопросы наряду с другими, сначала мы рассмотрим энергетический спектр некоторых музыкальных инструментов, перед тем, как сделать вывод о влиянии ширины частотного диапазона на фазовую характеристику и взаимодействие гармоник, сделав особый акцент на Dual Concentric™. Затем мы рассмотрим некоторые аспекты механизма человеческого слуха.

ХАРАКТЕР ЗВУЧАНИЯ МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

На Рис. 1 показан общепринятый частотный диапазон музыкальных инструментов. Для воспроизведения обертонов или гармоник в дополнение к частоте основной гармоники необходим более высокий частотный диапазон. Именно эти гармоники придают музыкальным инструментам их характерное звучание. Без них все инструменты звучали бы как синусоидальный тестовый сигнал. Существует также семейство инструментов с неизменяемой высотой тона, такие как тарелки или треугольник. Во всех случаях видно, что частотный диапазон простирается до 15 КГц. Это точно сходится с работой Сноу, опубликованной в 1931 году, в которой показывалось, что для совершенного воспроизведения оркестровой музыки требуется максимальная частота 14 КГц.

На Рис. 1 показан общепринятый частотный диапазон музыкальных инструментов. Для воспроизведения обертонов или гармоник в дополнение к частоте основной гармоники необходим более высокий частотный диапазон. Именно эти гармоники придают музыкальным инструментам их характерное звучание. Без них все инструменты звучали бы как синусоидальный тестовый сигнал. Существует также семейство инструментов с неизменяемой высотой тона, такие как тарелки или треугольник. Во всех случаях видно, что частотный диапазон простирается до 15 КГц. Это точно сходится с работой Сноу, опубликованной в 1931 году, в которой показывалось, что для совершенного воспроизведения оркестровой музыки требуется максимальная частота 14 КГц.

Рис. 1 Частотный диапазон музыкальных инструментов

В то время это было общепринятой истиной, и идентичная информация до сих пор воспроизводится во многих современных учебниках. Быстрое измерение анализатором спектра показывает, что это вовсе не так, но мало кто из исследователей рассматривал истинный частотный диапазон музыкальных инструментов или проводил глубокие исследования механизма человеческого слуха в высокочастотном диапазоне.
Наиболее тщательное исследование спектра, цитируемое нами, провел Бойк [2], и с его разрешения мы приводим некоторые рисунки. На Рис. 2 показан спектральный состав звука трубы с сурдинкой определенного типа. Как можно видеть, выше 20 КГц имеется значительное количество энергии, уровень которой не падает ниже уровня шумов вплоть до 100 КГц. Подобный результат получается и для инструментов из других музыкальных семейств, например скрипка и гобой показывают наличие энергии выше 40 КГц.
А инструменты с неизменяемой высотой тона, например, ударные, генерируют самое большое количество ультразвука. Удар в тарелки (Рис. 3) показал 40% энергии выше 20 КГц, а треугольник, как оказалось, довольно сильно звучит на 100 КГц (Рис. 4).

Рис. 2 Спектральное распределение энергии для трубы

Рис. 3 Спектральное распределение энергии для тарелок

Рис. 4 Спектральное распределение энергии для треугольника

О ГАРМОНИКАХ, ФАЗЕ И DUAL CONCENTRIC™

Динамик Dual Concentric™ в своем рабочем диапазоне частот гораздо лучше сохраняет гармонические составляющие инструментов по сравнению с традиционным раздельным расположением динамиков. Это происходит потому, что низкочастотные и высокочастотные звуки генерируются в одной точке пространства (точечный источник звука), и не возникает временных и фазовых различий между гармониками, стоящими ниже и выше частоты раздела кроссовера, как это имеет место для раздельных динамиков.
Также точно сохраняется соотношение амплитуд основного тона и гармоник как на акустической оси, так и при смещении с оси. В обычной комнате большинство звуков, воспринимаемых человеческим ухом, являются отражениями направленного не по оси звука, создаваемого громкоговорителем. Ровная внеосевая характеристика динамика Dual Concentric™ означает, что отраженная энергия обладает такой же гармонической структурой, что и прямая энергия, излучаемая по оси. Это проиллюстрировано на Рис. 5.
Другая характерная особенность динамика Dual Concentric™, функционально вытекающая из его природы точечного источника звука, это создание им линейной фазовой характеристики. Любой динамик или звуковоспроизводящее устройство проявляют свойства низкочастотного фильтра [3], и, следовательно, действуют как частотонезависимая линия задержки в полосе пропускаемых частот, то есть, другими словами, задают линейную фазовую характеристику. Однако, при использовании раздельных динамиков, не синхронизированных по фазе, возникают грубые фазовые ошибки в полосе пропускаемых частот, тогда как Dual Concentric™ обладает практически идеальной линейной фазовой характеристикой (Рис. 6). При этом лучше сохраняется гармоническое взаимоотношение инструментов и улучшается переходная характеристика. Тем не менее, нужно заметить, что фазовая характеристика все-таки отклоняется от идеальной на очень высоких и очень низких частотах. Это естественный результат спада амплитудно-частотной характеристики системы на высоких и низких частотах. Для уменьшения фазовой ошибки на низких частотах, как правило, мы добавляем сабвуфер, который делает несколько больше, чем просто добавляет бас. Мы считаем, что основным преимуществом применения хорошо согласованного сабвуфера является именно такое уменьшение фазовой ошибки. Музыка, не имеющая ярко выраженной басовой составляющей, будет звучать более естественно после устранения этой ошибки.

Рис. 5 Как динамик Dual Concentric™ сохраняет взаимоотношение гармоник

Рис. 6 Сравнение фазовой ошибки Dual Concentric™ и системы с раздельными динамиками

Аналогично, добавление супертвитера SuperTweeter™, согласованного по фазе с акустическим центром динамика Dual Concentric™, уменьшит высокочастотную фазовую ошибку, отодвинув частоту среза верхней границы полосы пропускания гораздо выше, с типовым значением -6 дБ на 54 КГц и -18 дБ на 100 КГц. Итак, даже если пока не рассматривать восприятие звука выше 20 КГц, добавление супертвитера SuperTweeter™ позволит лучше сохранить гармоническое взаимоотношение между инструментами. Для иллюстрации этого на Рис.7 приведена фазовая ошибка для частоты среза 20 КГц и частоты среза 54 КГц. Ясно видно, что фазовая ошибка меньше не только на высоких частотах, но даже на такой низкой частоте, как 5 КГц.

Рис. 7 Добавление супертвитера SuperTweeter™ обеспечивает меньшую фазовую ошибку

ВОСПРИЯТИЕ УЛЬТРАЗВУКА ЧЕЛОВЕКОМ

До сих пор мы рассматривали, как добавление супертвитера SuperTweeter™ улучшает фазовую и переходную характеристики громкоговорителя, особенно Dual Concentric™, в диапазоне до 20 КГц, традиционно называемом слышимым диапазоном. Мы знаем, что музыкальные инструменты производят энергию до 100 КГц и выше, но можем ли мы воспринимать ее?
Японские исследователи во главе с Т. Оохаши [5] провели эксперименты с широкополосными записями с частотами до 60 КГц, причем супертвитер SuperTweeter™ можно было включать и отключать. Отслеживая активность деятельности мозга испытуемых и анализируя субъективные оценки при прослушивании вслепую, они пришли к выводу, что слушатели действительно реагировали на ультразвуковые составляющие музыки.
В следующем документе [6] приводится заключение, что субъекты с сильной глухотой при распознавании речи и звуков полагались на ультразвуковое восприятие. Делается вывод о механизме передачи колебаний через кость, возможно, на маленький орган в среднем ухе, называемый сферическим мешочком, который практически связан с улиткой уха – органом, отвечающим за слух, насколько нам известно.
При разработке супертвитера SuperTweeter™ был отмечен интересный результат. Мы пытались подавить пик величиной 10 дБ в АЧХ на частоте 30 КГц электронным способом с помощью кроссовера. Для измерений мы использовали псевдослучайную цифровую последовательность шумовых сигналов с полосой частот 100 КГц. Слушатели могли без труда определить наличие или отсутствие этого пика, даже при прослушивании вслепую. При этом, однако, в измеренной амплитудно-частотной характеристике ниже 28 КГц не наблюдалось никаких изменений, что дополнительно подтверждает результаты вышеупомянутого исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном официальном документе мы показали, что при звучании музыкальных инструментов создается энергия в гораздо более высокочастотной области, чем общепринятая граница человеческого слуха. Исследования показали, что мы способны реагировать на эту энергию, что обосновывает добавление супертвитера SuperTweeter™ при использовании широкополосных источников сигнала. Даже при использовании традиционных компакт-дисков в качестве источника сигнала применение супертвитера SuperTweeter™ уменьшает фазовую ошибку и улучшает переходную характеристику значительно ниже 20 КГц. Это приводит к повышению точности воспроизведения тембра на всех частотах, поскольку при этом гармоники звучания инструмента не имеют временных искажений. От этого выигрывает любой высококачественный громкоговоритель, но Dual Concentric™ особенно, благодаря его превосходной изначальной фазовой синхронизации. Однако нужно подчеркнуть, что даже с добавлением супертвитера SuperTweeter™ громкоговоритель с динамиком Dual Concentric™ по-прежнему эффективно действует как совмещенный точечный источник звука, поскольку на нем лежит груз создания наибольшей части музыкальной информации.
Мы рассчитываем, что наши записи и электронные аудиокомпоненты имеют широкую частотную полосу, превосходную переходную характеристику и точность передачи тембра. Нет смысла, чтобы громкоговоритель оставался слабым звеном в этом отношении.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Автор выражает благодарность Джеймсу Бойку (Калифорнийский технологический институт, лаборатория музыки) за его интерес и разрешение использовать некоторые его измерения, а также Эмброузу Томпсону из компании Tannoy за его ценную помощь.

ССЫЛКИ

[1] W. B. Snow, Jour. Acous. Soc. Amer., Vol. 3, No. 1, Part 1 (1931).
[2] J. Boyk, There’s Life Above 20kHz- A Survey of Musical Instrument Spectra to 102.4kHz, http://www.cco.caltech.edu/~boyk.
[3] D. Jensen, High Frequency Phase Specifications- Useful or Misleading? JAES, Vol. 36, No. 12 (Dec. 1988).
[4] W. Marshall Leach JR, The Differential Time Delay Distortion and Differential Phase-Shift Distortion as Measures of Phase Linearity, JAES, Vol. 37, No. 9 (Sept. 1989).
[5] T. Oohashi et al, High-Frequency Sound Above the Audible Range Affects Brain Electric Activity, AES Preprint No. 3207 (91st Convention, New York).
[6] M. Lenhardt et al, Ultrasonic Speech Perception, Science, Vol. 253 (July 1991).