Эквалайзеры и частотные корректоры

Не будет преувеличением сказать, что наиболее часто встречающаяся и наиболее широко используемая обработка звуковых сигналов - это обработка, связанная с изменением их тембра (частотная коррекция, эквализация, и др. синонимы). Постараемся в рамках статьи рассказать о том, какие бывают устройства частотной обработки звуковых сигналов, чем они отличаются друг от друга, и т.д.

Все множество устройств, осуществляющих частотную обработку сигналов, по характеру их влияния на АЧХ можно условно разделить на две основные группы.

Одна группа - это устройства, предназначенные для ручного оперативного изменения АЧХ звукового тракта оператором в процессе проведения живого концерта, звукозаписи, и т.д. Эти устройства носят самые различные названия: эквалайзеры, темброблоки и т.д. Отличительная их черта  - это то, что они не имеют своей собственной заранее заданной АЧХ. Их характеристики устанавливаются звукорежиссером в процессе работы, причем вносимое ими в АЧХ изменение может быть как отрицательным ("завал"), так и положительным ("подъем") для определенных частот (или полос частот) звукового диапазона. Как правило, все они имеют множество регуляторов.

Устройства другой группы предназначены только для ограничения диапазона (полосы частот) звукового тракта, они не дают возможности осуществлять подъем или завал отдельных частот звукового спектра, и могут изменять АЧХ (подавлять, "обрезать" сигналы) только на краях звукового диапазона. Эти устройства носят название обрезных фильтров (иногда просто "фильтров"). Изменение их характеристик практически невозможно, и в силу этого они имеют либо просто одну кнопку для включения их в тракт, либо, в самом сложном случае, еще и возможность перестройки частоты среза.

Начнем рассмотрение с того, что наиболее часто применяется в работе - с эквалайзеров.

Эквалайзеры

Эквалайзеры, с которыми можно встретиться на практике, отличаются большим разнообразием - от простейших НЧ- и ВЧ-регуляторов до сложнейших полностью параметрических эквалайзеров. Причем все эти типы эквалайзеров могут быть изготовлены по двум сильно различающимся между собой принципам построения - по последовательной или параллельной схеме.

В последовательной схеме весь сигнал проходит все элементы и узлы схемы, независимо от того, будет ли данная часть спектра сигнала изменяться в этом каскаде или нет (рис.1).

Рис.1

В параллельной схеме входной сигнал разделяется набором параллельно включенных фильтров на ряд частотных полос, выходные сигналы которых затем складываются со всем входным сигналом или вычитаются из него (рис.2).

Рис.2

Исторически первыми появились именно простейшие НЧ- и ВЧ-регуляторы последовательного типа, причем самые первые их образцы могли осуществлять лишь ослабление ("завал") АЧХ, и только на краях звукового диапазона . Более совершенные модели, появившиеся впоследствии (схема Баха и др.) позволяли обеспечить также и подъем АЧХ. Пройдя достаточно длинный эволюционный путь, схемы этих НЧ и ВЧ-регуляторов приобрели вид, показанный на рис.3.

По приведенной схеме выполнены практически все современные НЧ и ВЧ-регуляторы, которые в описаниях не совсем верно названы "регуляторами типа shelf" (далее мы еще вернемся к этому вопросу.) Резистором R1 регулируется АЧХ в области высоких частот, а резистором R2 в области низких частот. Регуляторы этого типа (от английского shelf "полка") не имеют явно выраженной частоты настройки, и их АЧХ имеет максимальную глубину регулирования на краях звукового диапазона и плавно уменьшается к его середине.

Рис.3

Так как оба регулятора имеют общий вход и собраны на одном же активном элементе - операционном усилителе (ОУ), то очевидно, что они неизбежно оказывают влияние друг на друга. Но в силу того, что работают они на противоположных краях спектра, это взаимовлияние сравнительно невелико. Сказывается оно только в средней части звукового диапазона, и в нормально спроектированных темброблоках, как правило, не превышает величины в 1…2 дБ на частоте 1 кГц. (Эта частота в звукотехнике условно принята за среднюю частоту звукового диапазона.)

Так как оба регулятора имеют общий вход и собраны на одном же активном элементе операционном усилителе (ОУ), то очевидно, что они неизбежно оказывают влияние друг на друга. Но в силу того, что работают они на противоположных краях спектра, это взаимовлияние сравнительно невелико. Сказывается оно только в средней части звукового диапазона, и в нормально спроектированных темброблоках, как правило, не превышает величины в 1…2 дБ на частоте 1 кГц. (Эта частота в звукотехнике условно принята за среднюю частоту звукового диапазона.)

Некоторые же фирмы, пытаясь создать якобы крутые, но недорогие микшерские пульты, непосредственно в описанный выше регулятор добавляют еще и цепи для регулирования тембра звука на средних частотах. Вот тут-то и начинается!..

Например, пульт имеет в своем темброблоке, входящем в состав канальных ячеек, регулятор тембра в области средних частот на фиксированной частоте 2,5 кГц (так указано на лицевой панели). Но это верно только для случая регулировки "в плюс", т.е. для осуществления подъема на этой частоте. При попытке же осуществить указанным регулятором ослабление СЧ-сигнала частота, на которой будет происходить изменение АЧХ, оказывается, во-первых, ниже, чем указанная, а во-вторых - эта частота будет еще и зависеть от взаимного положения регуляторов ВЧ и СЧ. Причем изменяться она будет от своей номинальной частоты 2,5 кГц аж до 1 кГц! Нужен ли вам пульт с таким "горе-эквалайзером"?

По мере развития радиоэлектроники вообще и звукотехники в частности, стали создаваться и все более сложные регуляторы тембра. Сначала, в дополнение к рассмотренным широкополосным НЧ и ВЧ-регуляторам появились регуляторы, обеспечивающие возможность регулирования тембра на нескольких фиксированных частотах. Они, как правило, были собраны на LC-контурах, и в силу этого были громоздки и дороги, и только немногие могли позволить себе такую технику...

Положение самым радикальным образом изменилось с широким распространением транзисторов и микросхем. Развитие схемотехники позволило создать электронные аналоги катушек индуктивности с электронным управлением величиной индуктивности. Широкое применение нашли всем известные графические и параметрические эквалайзеры и их разновидности, в том числе упрощенные: полупараметрические, фильтры присутствия, и пр.

Графический эквалайзер

Это, в сущности, одна из разновидностей темброблоков, сконструированных для регулирования тембра на нескольких фиксированных частотах. Только органы управления им выполнены в виде движковых регуляторов-слайдеров, благодаря чему положение их ручек как бы отображает АЧХ устройства в графическом виде, откуда и произошло само это название. Следует, однако, помнить, что в эквалайзерах этого типа можно регулировать только величину подъема/завала АЧХ, остальные параметры определяются схемотехникой, и их изменение звукорежиссером невозможно.

Частоты, на которых осуществляется регулирование в графических эквалайзерах, унифицированы, и выбираются из ряда стандартных частот, которые перекрывают весь звуковой диапазон, и отстоят друг от друга на некоторый постоянный интервал. Этот интервал может составлять октаву, ее половину, или треть. Наибольшие возможности, естественно, имеют третьоктавные графические эквалайзеры, которые в силу этого и получили наибольшее распространение. Они могут быть выполнены как по параллельной, так и по последовательной схеме, однако последний вид наиболее распространенный.

Число полос регулирования может составлять от 27 в недорогих моделях до 31 в серьезных профессиональных. Наиболее часто графические эквалайзеры применяются для обработки суммарного сигнала, а не отдельных составляющих, для "доводки" общей картины, коррекции акустики зала, как другие виды эквалайзеров. Отчасти это может объясняться их относительной дороговизной.

Здесь необходимо сделать небольшое пояснение. Ни для кого не секрет, что графические эквалайзеры разных фирм звучат существенно по-разному. А если учесть, что построены они по одному принципу, идентичным структурным схемам, и почти идентичным принципиальным, то невольно возникает вопрос: "а почему, собственно?" Ответ в этом самом "почти".

Как уже говорилось, в графических эквалайзерах применяются не сами катушки индуктивности, а их электронные аналоги. Очевидно, что эти аналоги можно создавать схемотехнически различным образом. "Нормальный" колебательный контур имеет АЧХ, симметричную относительно его резонансной частоты (например, такую, как кривая 1 на рис.4).

Рис.4

С его электронным аналогом уже сложнее. В силу неидеальности характеристик операционных усилителей (ОУ), АЧХ электронных аналогов "обычных" элементов могут довольно сильно отличаться от своих реальных физических прототипов. У наиболее распространенных эквалайзеров недорогих фирм, вынужденных ради снижения цены экономить буквально на всем, применяется простейший и дешевейший заменитель катушек индуктивности. Следствием этого является тот факт, что АЧХ самой такой "электронной катушки", как и эквалайзера в целом, несимметрична, причем величина этой асимметрии пропорциональна частоте регулирования, и увеличивается с ее повышением. Т.е. в области низких частот большинство графических эквалайзеров разных фирм имеют почти идентичные АЧХ. В области же высших частот в дешевых эквалайзерах АЧХ довольно сильно искажается, становясь, по мере роста частоты, все более "кривой", захватывая все больше и больше сигналов, лежащих ниже частоты, на которой осуществляется регулирование (кривая 2 на рис.4).

Наверное, большинство сталкивалось с этим явлением: если "рулишь" графическим эквалайзером в области низких частот, то все более-менее нормально. Но если поднимаешь 16 кГц, то явно замечаешь, как вместе с этим поднимаются и 12, и 8, и 6, а то - и 4 кГц... От такого дефекта позволяют себе избавиться только весьма дорогие и уважаемые фирмы: например, у всем хорошо известной Klark Teknik описанный дефект отсутствует. Вот их эквалайзеры и стали де-факто стандартом во всех студиях мира.

Параметрический эквалайзер

Как ранее уже отмечалось, частоты, на которых осуществляется регулирование в графических эквалайзерах, выбираются из стандартного ряда частот. Но всегда ли необходимо корректировать АЧХ именно на этих частотах? Весьма вероятно, придется подправлять именно нестандартные, произвольные частоты. В этом случае лучше использовать параметрический эквалайзер. В отличие от рассмотренных ранее, эти эквалайзеры, выпускаемые многими фирмами, часто бывают встроенными в пультовые ячейки. Как и графические, параметрические эквалайзеры также могут быть выполнены по параллельной или последовательной схеме.

Рис.5

В параметрическом эквалайзере (рис.5) для каждой полосы осуществляется независимая друг от друга установка всех параметров (отсюда и название "параметрический"): центральной частоты регулирования f₀, ширины полосы регулирования Width (∆f), или обратной ей величины - добротности Q (Q = f₀/∆f) и величины подъема/завала АЧХ. Иногда эти эквалайзеры еще называются эквалайзерами типа bell (от английского bell - колокол), это название соответствует виду АЧХ. Для регулятора типа bell АЧХ имеет действительно колоколообразную форму с максимальной глубиной регулирования на основной частоте его настройки, и плавно уменьшающейся по мере удаления от нее.

"Настоящие" параметрические эквалайзеры должны, таким образом, иметь для каждой полосы регулирования по три органа управления, по числу устанавливаемых параметров. Причем диапазоны изменения параметров могут иногда достигать весьма значительных величин. Так, например, если глубина регулирования тембра эквалайзером составляет обычно порядка 15…20 дБ, то частота настройки может изменяться уже в сто и более раз, а добротность в отдельных эквалайзерах может изменяться и в тысячу раз!

Иногда в некоторых моделях звуковой аппаратуры, например, в недорогих микшерных пультах, устанавливается вариант такого эквалайзера с урезанными возможностями - так называемый "полупараметрический" эквалайзер. Отличается он от обычного тем, что не предоставляет возможностей для изменения добротности эквалайзера, т.е. ширины полосы захватываемых им частот. А жаль...

Запомните! Только, если в имеющемся у вас эквалайзере на каждую полосу регулирования приходится по три ручки управления, то у вас настоящий параметрический эквалайзер. Если же число органов управления меньше трех, то это все же полупараметрический эквалайзер, что бы ни писал при этом сам изготовитель.

В некоторых дорогих моделях эквалайзеров иногда применяются некоторые дополнительные "маленькие хитрости", облегчающие и упрощающие работу с ними. Наиболее часто встречается применение так называемого "принципа пропорционального Q".

Что это такое? Если вы еще раз взглянете на рис.5, то увидите, что при расширении полосы частот, захватываемых эквалайзером, неизбежно будет увеличиваться и площадь, заключенная между кривой, обозначающей АЧХ, и осью абсцисс, т.е. возрастает мощность сигнала, попадающего в эту полосу и подвергающегося регулированию. На практике это означает, что при расширении полосы регулирования возрастает и субъективно воспринимаемая громкость звучания сигнала после эквалайзера. А это нежелательно. Применение принципа пропорционального Q и помогает избавиться от этого неудобства.

Эквалайзеры, построенные по этому принципу, сохраняют постоянную площадь вышеописанной подынтегральной кривой, и поддерживают постоянную субъективно воспринимаемую громкость в полосе подвергающихся коррекции частот. Благодаря этому они более удобны в работе. Осуществляется этот эффект путем уменьшения предельно допустимой глубины регулировки тембра при расширении полосы частот, захватываемых эквалайзером.

Бывают и другие отступления от канонической конструкции. Одной из фирм был разработан эквалайзер, у которого глубина регулировки АЧХ на крайних частотах звукового диапазона увеличивается, компенсируя этим снижение чувствительности нашего слуха на указанных частотах. По опубликованным отзывам, это повысило удобство работы с эквалайзером. "Оборотной стороной медали" в таких эквалайзерах является то, что крайне сложно определить: какой, в сущности, уровень подъема или завала АЧХ был вами установлен? Ведь шкала глубины меняется! Хотя кого интересуют в данном случае цифры, ведь мы звук не измеряем, а изменяем!

Если имеющийся у вас параметрический эквалайзер многополосный, то, как правило, на крайних НЧ- и ВЧ-регуляторах имеется возможность переключения их характеристик регулирования bell/shelf. Вот именно этот режим shelf, встроенный в параметрический эквалайзер и являющийся одним из возможных режимов его работы, и есть "истинный" режим shelf. Такой регулятор типа shelf предоставляет вам возможность регулировать частоту и для регуляторов НЧ и ВЧ, но это совсем другая регулировка, не такая, как в регуляторе bell: изменяется частота, характеристика которой для НЧ-регулятора становится выше плавно спадающей, вплоть до величины 0 дБ (для ВЧ-регулятора ниже). Ниже этой частоты (в первом случае), и выше ее (во втором), все частоты поднимаются или ослабляются одинаково на установленную пользователем величину (рис.6, кривая 1).

Рис.6

Для наглядности и сравнения на этом же рисунке одновременно приведены и АЧХ ранее рассмотренных "обычных" НЧ и ВЧ-регуляторов (кривые 2). В "обычном" регуляторе - величина подъема (например, для, ВЧ-регулятора) постоянно возрастает с увеличением частоты, тогда как для "классического" shelf возрастает только до установленной вами величины, и при дальнейшем увеличении частоты входного сигнала не изменяется, и АЧХ образует как-бы своеобразную "полку".

Еще одно существенное различие в АЧХ этих двух видов регуляторов заключается в том, что максимальная крутизна АЧХ для "обычных" регуляторов НЧ и ВЧ составляет величину 6 дБ на октаву, тогда как для "классического" shelf эта величина увеличивается уже до 12 дБ на октаву. С практической точки зрения это означает, во-первых, что регулятор типа shelf в параметрическом эквалайзере позволяет более избирательно осуществлять регулирование на краях звукового частотного диапазона, в меньшей степени затрагивая сигналы, лежащие в его середине. Во-вторых, вследствие повышенной избирательности этого типа эквалайзеров, появляется возможность добиться большей величины регулирования подъема и завала АЧХ на краях диапазона, вплоть до 36 дБ, что принципиально невозможно получить в "обычных" НЧ и ВЧ-регуляторах, рассмотренных в начале статьи. Очевидно, что в силу различия АЧХ и звучать эти эквалайзеры будут существенно по-разному.

Особняком стоит тип эквалайзеров, называемых "параграфическими". По сути это гибрид из ПАРАметрического и ГРАФического эквалайзеров, отчего и произошло это необычное название. Такой эквалайзер - просто многополосный параметрический, но имеющий конструктивное исполнение регуляторов подъема/спада АЧХ как у графического, с потенциометрами в виде движков (слайдеров). У большинства параграфических эквалайзеров, однако, отсутствует возможность переключения типа bell/shelf, в отличие от параметрических. Но благодаря своим огромным возможностям они позволяют получать практически любые виды АЧХ. Из-за своей сложности они весьма дороги, и в силу этого имеют относительно небольшое распространение и выпускаются довольно ограниченным количеством фирм. А вот в программном (виртуальном) виде их существует очень много.

Как уже говорилось, подавляющее большинство описанных выше эквалайзеров сконструировано по последовательному принципу построения. Наверняка у читателей возник вопрос - а в чем для практикующего звукорежиссера разница между последовательным и параллельным принципами? Основная, с этой точки зрения, разница заключается в том, что эквалайзер, созданный по последовательному принципу, имеет симметричный отклик АЧХ на перемещение регулятора подъема/завала АЧХ (рис.7).

Рис.7

Иными словами, АЧХ регулятора, установленного на +6 дБ, зеркально симметрична характеристике ослабления на -6 дБ относительно уровня в 0 дБ. То есть, если вы на двух последовательно включенных однотипных эквалайзерах установите на одном из них +6 дБ, а на другом - 6дБ, то при идентичности остальных параметров суммарная АЧХ будет линейной. В случае же с "параллельными" эквалайзерами этого получить не удастся. Почему? Вспомним, что в таких эквалайзерах прямой сигнал суммируется с сигналом, прошедшим сквозь полосовой фильтр. А что произойдет, если сложить или вычесть два сигнала с одинаковыми уровнями? Правильно, в первом случае сигнал просто возрастет вдвое, т.е. на 6 дБ, а вот во втором случае уменьшится до нуля!

Кроме этого очевидного факта есть и другое различие. Из-за принципиально неизбежных фазовых сдвигов в цепях фильтрации сигналы после них по-разному суммируются с прямым сигналом и вычитаются из него. В силу этого полоса частот, захватываемых регуляторами этого типа эквалайзеров, будет различна для регулировок "в плюс" и "в минус". Причем для случая подъема АЧХ полоса частот будет шире (т.е. добротность эквалайзера меньше), чем для завала (рис.8).

Рис.8

Однако в действительности это скорее преимущество, чем недостаток. В самом деле, ведь на практике относительно редко возникает необходимость поднять очень узкий участок спектра, в то время как ослаблять обычно приходится небольшие части звукового диапазона. Однако необходимость постоянно помнить о несимметричности АЧХ и связанные с этим неудобства существенно ограничивают сферу применения этого типа эквалайзеров. А ведь в силу особенностей схемотехники в параллельных эквалайзерах может быть получен звук существенно более высокого качества, чем в последовательных. Ведь в них прямой сигнал проходит только один каскад-сумматор, благодаря чему подвергается искажениям в меньшей степени, чем в обычных параметрических, где он вынужден проходить через абсолютно все цепи и каскады, имеющиеся в схеме!

Справедливости ради отмечу, что после выхода в свет первого параллельного эквалайзера, созданного легендарной фирмой Valley People, постепенно они все же завоевывают рынок и свое "место под солнцем", и после довольно долгого периода забвения их вновь начинают выпускать многие фирмы. Отличить их от обычных довольно просто даже по внешнему виду: если у крайнего левого положения регулятора подъема/завала АЧХ находится не цифра, обозначающая столько-то децибел, а значок "минус бесконечность децибел", то перед вами эквалайзер параллельного типа.

Фильтры

Казалось бы, что тут сложного? Одна кнопка, нажал и все! Но прежде чем нажимать, надо понять, что нажимаем? Тем более, что от разнообразия применяемых фильтров просто в глазах рябит. Фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя, первого порядка, второго, третьего... С самой различной крутизной: то в 6 дБ/октава, то в 12, 18, 24 дБ/октава, или даже еще больше... Чем же все они отличаются, и какой лучше выбрать?

Но сначала разберемся, какими вообще параметрами характеризуются фильтры. Разберем этот вопрос на примере одного фильтра, пропускающего низшие частоты звукового спектра и обрезающего высокочастотные составляющие. В отечественной литературе этот фильтр носит название ФНЧ (рис.9).

Рис.9

Но сначала немного о терминологии. На Западе нет таких организаций, как Госстандарт. В силу этого отечественные термины и их английские эквиваленты не всегда совпадают буквально. Например, как без дополнительных пояснений понять исходное обозначение того же ФНЧ? Ведь нажимая, скажем, кнопку MPX Filter, вы точно знаете, что ненужные высокочастотные сигналы будут убраны. А ФНЧ? То ли он отфильтровывает (т.е. удаляет) НЧ-сигналы, то ли, наоборот, только их и оставляет, удаляя все остальное? А вот английское его обозначение Low-pass («низкие проходят») понятно и безо всяких объяснений. Вот чтобы избежать подобных неудобств, приведем перечень совпадающих терминов:

ФНЧ = Low-pass = High-cut (низкие пропускаются, высокие обрезаются)

ФВЧ = High-pass = Low-cut (высокие пропускаются, низкие обрезаются)

Иногда вместо полных слов Low или High могут быть их сокращенные формы, Lo и Hi соответственно. Заметим еще, что в англоязычной литературе допускается использовать то обозначение фильтра, которое более наглядно выявляет его основную функцию в данном месте тракта. Очевидно, что если на лицевой панели какого-либо прибора будет написано High-cut, то сразу понятно, что это обрезка полосы сигнала со стороны ВЧ. А вот если вместо этого будет надпись ФНЧ, то придется еще некоторое время соображать, о чем идет речь... Поэтому далее будем придерживаться английской терминологии.

Сначала немного математики. Порядок фильтра - это число, показывающее наивысшую степень математического полинома, который аппроксимирует частотную характеристику этого фильтра. Несколько туманно? С практической точки зрения все гораздо проще. Термин "порядок фильтра" всего-навсего определяет конечную крутизну среза его АЧХ за пределами полосы пропускания (рис.9). Каждому последовательному нарастанию порядка фильтра соответствует изменение конечной крутизны среза в 6 дБ/окт. Так, фильтр первого порядка имеет конечную крутизну среза 6 дБ/окт, второго - 12 дБ/окт, фильтр третьего порядка имеет конечную крутизну среза 18 дБ/окт, четвертого - 24 дБ/окт, и так далее.

Полоса пропускания рассматриваемого Low-pass фильтра - это полоса частот от самых низших (как бы от нулевой частоты) до той частоты, на которой коэффициент передачи фильтра уменьшится на 3 дБ. Эта частота (f₀) называется частотой среза фильтра. После нее коэффициент передачи фильтра более-менее равномерно уменьшается (спадает) со скоростью (крутизной), определяемой порядком фильтра.

Рис.10

(Для удобства и взаимопонимания "электронщики всего мира" определяют граничные частоты по уровню -3 дБ. Если по каким-либо причинам необходимо указать граничные частоты по другому уровню, то это всегда оговаривается).

Здесь необходимо сделать небольшое пояснение. Говоря о крутизне среза АЧХ фильтра за пределами полосы пропускания, мы не зря сделали оговорку именно о конечной крутизне среза. В зависимости от типа фильтра эта величина "в окрестностях" частоты среза может быть существенно иной. Для сравнения различных типов фильтров на следующих рисунках приведены АЧХ фильтров Бесселя (рис.10), Баттерворта (рис.11) и Чебышева (рис.12). Эти характеристики были рассчитаны для фильтров четвертого порядка с частотой среза в 1 кГц. Фильтры высоких порядков (выше второго) чаще всего создаются путем каскадного (последовательного) соединения фильтров более низких порядков. В данном случае фильтры четвертого порядка синтезированы путем последовательного соединения двух фильтровых звеньев второго порядка.

Рис. 11

На этих рисунках отображены как АЧХ отдельных звеньев (красная и зеленая кривые), так и суммарная АЧХ всего фильтра (синяя кривая).

Очевидно, что фильтр Бесселя, с точки зрения его фильтрующих свойств (и только!)- выглядит наихудшим, а Чебышева наилучшим. Однако только с этой точки зрения. Ведь надо не только хорошо отфильтровать ненужное, но и максимально хорошо передать нужное? А с точки зрения передачи полезных сигналов ситуация "с точностью до наоборот"...

Рис.12

Если внимательно посмотреть на АЧХ звеньев, составляющих фильтры, то видно, что в фильтре Бесселя она максимально гладкая, без выбросов. В фильтре же Чебышева имеется значительный пик на АЧХ одного из звеньев. Казалось бы, ну и что тут такого? Суммарная-то АЧХ вполне приемлемая? Но дело в том, что при подаче на вход данного звена импульсного сигнала, или любого сигнала с крутым фронтом из-за этого пика на АЧХ схема начнет "звенеть", т.е. в момент появления указанного фронта она будет сама генерировать постепенно затухающий сигнал с частотой, соответствующей положению этого пика на АЧХ звена. А ведь в исходном сигнале его нет! Налицо паразитный призвук, явно не улучшающий звучание… Да и при подаче сигнала большой амплитуды, совпавшего по частоте с частотой этого пика, фильтр может просто перегрузиться и внести в сигнал искажения. Кроме этого, суммарная АЧХ фильтра Чебышева в принципе всегда имеет неустранимые неравномерности в полосе пропускания, так называемые "пульсации". Они, конечно, могут быть несколько меньшими, чем в нашем примере, но сути дела это не меняет.

Рис.13

Могут спросить: откуда в сигнале возьмутся импульсные составляющие? Но реальный звуковой сигнал именно таков, он может быть похож на все, что угодно, кроме, конечно, идеальной синусоиды. Фильтр Баттерворта среди рассмотренных нами типов фильтров, занимает некоторое промежуточное положение. Он имеет (при прочих равных условиях) достаточно плоскую, без выбросов и пульсаций, АЧХ в полосе пропускания и вполне удовлетворительную крутизну среза АЧХ за пределами этой полосы. Благодаря этим своим свойствам он и получил наибольшее распространение в звуковой аппаратуре. На следующих рисунках показаны фазо-частотные характеристики, т.е. зависимость вносимого фильтром фазового сдвига от частоты (ФЧХ) для рассматриваемых нами фильтров: Бесселя (рис.13), Баттерворта (рис.14) и Чебышева (рис.15).

Рис.14

Здесь мы также видим, что ФЧХ фильтра Бесселя самая ровная, Баттерворта несколько менее ровная, но, тем не менее без изломов, Чебышева же и существенно неровная, и немонотонная, имеет довольно резкие изломы. Таким образом,можно сделать вывод, что фильтр с самой гладкой АЧХ имеет и самую ровную ФЧХ, а с самой неравномерной АЧХ будет иметь и самую плохую ФЧХ. Естественно, что этот закон распространяется вообще на все, относящееся к фильтрам. Т.е. чем выше порядок фильтра и чем лучше его фильтрующие свойства (крутизна среза АЧХ), тем хуже будет его ФЧХ. Здесь опять может возникнуть вопрос: ну и что? Дело в том, что ФЧХ устройства непосредственно отображает его способность передавать форму сигналов: без изменения, с приемлемыми небольшими изменениями, или же искаженными до неузнаваемости. Ведь если какая-либо цепь имеет нелинейную ФЧХ, то это значит, что разные частотные составляющие сигнала сдвигаются по фазе по-разному, и как следствие, изменяется сама форма этого сигнала.

Рис.15

В последнее время и в литературе, и в практике звукотехники все большее внимание уделяется как раз вопросам максимально точной передачи формы исходных сигналов, а, значит, и линейности ФЧХ. Заметим, что речь идет именно о линейности ФЧХ, а не о том, чтобы она была плоской, как в случае АЧХ. Если ФЧХ - наклонная линия, но линейная, т.е. прямая, то это означает, что весь сигнал задерживается на какой-то интервал времени, а это уже не имеет непосредственной связи с возможными его искажениями.

Таким образом, различные типы фильтров будут давать и различные результаты при их применении. И при выборе фильтра пользователю необходимо в первую очередь решить, что именно будет главным? Если необходимо максимально хорошо передать сам сигнал, а качество собственно фильтрации вторично, то необходим фильтр Бесселя. Эта ситуация возникает, например, при конструировании акустических систем. Ведь НЧ-излучатель по своей сути это Low-cut фильтр. Если же важнейшим является качество фильтрации, а качество передачи самого сигнала особой роли не играет, то лучше применить фильтр Чебышева, и желательно более высокого порядка. (Могут сказать - где это качество сигнала не имеет значения?! Например, на радио при выдаче в эфир сигнала с телефонной линии. При этом бывает желательно применить одновременно даже два фильтра, Low-cut и High-cut).

В некоторых случаях, например, в кроссоверах или дорогих пультах, для лучшего приспособления к конкретной ситуации может быть предусмотрена возможность переключения крутизны среза фильтра, иногда даже с возможностью переключения на выбранный пользователем тип фильтра. К сожалению, это встречается не часто…

И в заключение - немного об "общих вопросах", связанных с частотной коррекцией. Ранее уже говорилось, что АЧХ и ФЧХ тесно связаны друг с другом. И относится это не только к фильтрам как таковым, но и вообще к любым цепям передачи сигналов. Для всех минимально-фазовых цепей существует строгая взаимно-однозначная связь между АЧХ и ФЧХ. Под "минимально-фазовой цепью" подразумевается отсутствие в этой цепи тракта особых звеньев, так называемых фазовращателей (не путать с кнопками на микшере для переворота фазы микрофонов).

Строго говоря, практически все электронные цепи, имеющиеся в звуковой аппаратуре, являются именно минимально-фазовыми. Исключением является, пожалуй, только устройство эффектов phaser. Вот оно построено именно на основе фазовращателей.

Что же следует из упомянутой связи между АЧХ и ФЧХ? Прежде всего то, что, если вам известна АЧХ какого-либо устройства, то можно однозначно установить и его ФЧХ, и наоборот, по известной ФЧХ можно определить АЧХ. Т.е. если два устройства имеют строго одинаковые частотные характеристики, то они в обязательном порядке будут иметь и абсолютно идентичные фазово-частотные характеристики.

И если какая-либо фирма заявляет, что ее эквалайзер "не крутит фазу", не верьте. Если, конечно, речь не идет об однополосном эквалайзере и о сдвиге фаз на основной частоте его регулирования. Вот только на этой единственной частоте, являющейся частотой резонанса электронной схемы, фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом будет равен нулю. Однако в том нет никакой заслуги разработчиков и изготовителей, это просто общее свойство всех резонансных цепей. Но, повторимся еще раз - только на этой частоте. Во всех других случаях не бывает!

Теоретически, конечно, можно создать подобное устройство, но для этого придется напихать в него такое количество фазовращателей, что стоить он будет как "Мерседес", а от вашего прекрасного звука останутся лишь воспоминания. Ведь каждый фазовращатель - это лишний активный элемент, транзистор или микросхема, а, значит, и неизбежно сопутствующее этому увеличение шумов и искажений.

К тому же такое устройство, скорее всего, будет физически нереализуемо. Ведь для перестройки частоты в эквалайзерах и так уже используются сдвоенные переменные резисторы, а если еще придется одновременно с этим изменять параметры энного количества фазовращателей, то количество резисторов может вообще превысить все разумные пределы!

Конечно, на это можно возразить: то, что невозможно сделать в "аналоге", возможно в "цифре". В принципе это верно. Но ни для кого не секрет, что качество чисто программных эквалайзеров, реализованных в различных компьютерных Plug-in, мягко говоря, оставляет желать лучшего. Не в последнюю очередь это связано с тем, что фактически любая программа является лишь математической моделью своего физического прототипа. А все частотно-избирательные цепи в звуковой аппаратуре относятся к классу так называемых IIR-фильтров, т.е. фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (Infinite Impulse Response). Или, говоря проще, при подаче на вход любого частотно-избирательного устройства какого-либо внешнего воздействия его выходной сигнал также будет длиться бесконечно. А, как сказано у Стругацких, "познание бесконечности требует бесконечного количества времени"...

Таким образом, чтобы строго смоделировать "в цифре" то, что "в аналоге" получается само собой, потребуется вычислитель с бесконечно большой вычислительной мощностью и с неограниченной разрядностью. А как мы все хорошо понимаем, это невозможно. Поэтому, чтобы получить реально работающие цифровые обработки, приходится упрощать вычислительные алгоритмы, сокращая объем вычислений до разумного минимума. Естественно, что это далеко не самым лучшим образом сказывается на главном результате, - на получаемом звуке. А теперь представьте, как в эти упрощенные алгоритмы включают еще и кучу вычислений для компенсации фазовых сдвигов… Похоже, в обозримом будущем не приходится всерьез рассчитывать на широкое и повсеместное внедрение эквалайзеров, "не крутящих фазу". Ведь сейчас хорошо звучащие цифровые эквалайзеры собираются с использованием доброго десятка мощнейших DSP-процессоров типа SHAPC. И при этом они все же "крутят фазу"…