Что такое фаза?
Первоисточник и графика: Алексей Данилов
Часто нам приходится слышать такие выражения, как «фазовое сложение», «противофаза», «проблемы с фазой», но каждый ли новичок в вопросе сведения и записи музыки понимает, о чем идет речь? Нет. Но ведь проблемы с фазой — вещь достаточно неприятная, и нужно, во первых, научиться определять эти проблемы, во-вторых, научиться их устранять, ведь каждая проблема должна быть ликвидирована. Давайте разбираться.
Итак, давайте начнем с определения понятия фазы. Можно провести несколько аналогий с такими понятиями, как «фаза в личной жизни», «фаза луны», «фаза экономического цикла» — все эти термины означают динамику развития, а в отдельно взятый момент времени — стадию развития. Так же и звуковая волна, динамично развиваясь, формирует некоторую закономерность отклонений от нулевой оси, ведь, как нам известно, звуковая волна представляет собой гармоническое колебание. Фаза — это стадия волны относительно нулевой оси в данный момент времени.
Волновая природа звука
Чтобы лучше понять систему возникновения звуковой волны, представим классический динамик, находящийся в трубе, наполненной воздухом. Если динамик совершит резкое движение вперёд, то воздух, находящийся в непосредственной близости диффузора на мгновение сжимается. После этого воздух расширится, толкая тем самым сжатую воздушную область вдоль по трубе.
Вот это волновое движение и будет впоследствии звуком, когда достигнет слухового органа и «возбудит» барабанную перепонку. При возникновении звуковой волны в газе создаётся избыточное давление, избыточная плотность и происходит перемещение частиц с постоянной скоростью. Про звуковые волны важно помнить то обстоятельство, что вещество не перемещается вместе со звуковой волной, а возникает лишь временное возмущение воздушных масс.
Если представить поршень, подвешенный в свободном пространстве на пружине и совершающий повторяющиеся движения «вперёд-назад», то такие колебания будут называться гармоническими или синусоидальными (если представить волну в виде графика, то получим в этом случае чистейшую синусойду с повторяющимися спадами и подъёмами). Если представить динамик в трубе (как и в примере, описанном выше), совершающий гармонические колебания, то в момент движения динамика «вперёд» получается известный уже эффект сжатия воздуха, а при движении динамика «назад» обратный эффект разряжения. В этом случае по трубе будет распространяться волна чередующихся сжатий и разрежений. Расстояние вдоль трубы между соседними максимумами или минимумами (фазами) будет называться длиной волны. Если частицы колеблются параллельно направлению распространения волны, то волна называется продольной. Если же они колеблются перпендикулярно направлению распространения, то волна называется поперечной. Обычно звуковые волны в газах и жидкостях – продольные, в твердых же телах возможно возникновение волн обоих типов. Поперечные волны в твердых телах возникают благодаря сопротивлению к изменению формы. Основная разница между этими двумя типами волн заключается в том, что поперечная волна обладает свойством поляризации (колебания происходят в определенной плоскости), а продольная – нет.
Проблемы с фазой при сведении двух звуковых дорожек
Фаза, при которой происходит смена восходящего движения нисходящим, или наоборот, называется пиком. Следует помнить, что звук — явление физическое, и для него не существует отрицательных значений. Нижний пик, если так можно выразиться, — это такой же звук. Разнонаправленные пики, одинаковые по высоте, имеют одинаковую громкость сами по себе, но в момент сложения двух сигналов с разнонаправленными пиками их сложение дает не увеличение громкости, а наоборот. Такое явление называется противофазой, т.е. когда фаза первой волны противоположна фазе второй относительно нуля децибел.
В простейшем случае проблема с фазой решается одним нажатием кнопки, предусмотренной специально для таких случаев в большинстве современных секвенсоров. В данном случае противоположные фазы складываются и громкость увеличивается. Но это справедливо для примера, в котором протифоваза идет на протяжении всей длины. Особенно неприятны случаи, когда дорожки разнородны, то есть 10 секунд идет противофаза, а следующие 10 фазы складываются — такую задачу нажатием одной кнопки уже не решить. Именно с избавлением от таких проблем связано большинство рекомендаций по записи ритмической основы (бас, бочка, рабочий) в моно.
Фазовые характеристики многополосных АС. 07.01.2014 02:56
Фазовые характеристики многополосных акустических систем
Фазировка многополосной ситемы — очень важный шаг при её настройке. Для кого-то нижеописанное кажется очевидным, а кто-то и понятия не имел о фазировке. Раз уж речь выше зашла о правильном подключении динамиков в многополосной системе в соответствии с подводимой фазой, не лишним будет напомнить о неизбежных фазово-временных задержках, вносимых разделительными фильтрами. То есть тот пассивный фильтр, который стоит перед динамиком, сдвигает фазу проходящего сигнала, поэтому вероятная полярность подводимого к динамику сигнала может меняться, что может потребовать соответственно обратной полярности подключаемого к выходу динамика для восстановления фазы в данной полосе частот. И еще хорошо, если (относительно других полос) фазу динамика для восстановления синфазности полос нужно просто перевернуть на 180 градусов, а вот если значение некруглое, необходима какая-то линия задержки, дополнительно сдвигающая фазу до круглых знчений 0 или 180.. Причем, в результате разность фаз сигналов СЧ и ВЧ полос может стать 360 градусов, то есть ВЧ-динамик отстанет на один период граничной частоты.
Примеры комбинаций фаз
Сложение фаз
Сложение фаз
На рисунке видно, что фазы направлены в одну сторону, а значит складываются. Это идеальная картина.
Противофаза
Противофаза
Те же самые волны, только по маркеру можно видеть, что пики у них разнонаправлены. Это называется противофаза. Каждая из этих дорожек по отдельности воспроизведет звук, вместе они не воспроизведут ничего. Мы будем слышать тишину в каждой точке волны.
Частичное сложение после параметрического эквалайзера
Частичное сложение после параметрического эквалайзера
На рисунке также показана противофаза, но с одним отличием: нижний файл обработан параметрическим эквалайзером, соответственно его звучание изменилось. Вместе со звучанием изменилось графическое представление. Однако, пусть и видоизмененный, но это все также звук, похожий на волну верхней дорожки. Т.е. если сложить их, то полного вычитания не произойдет, как в случае строгой противофазы. При сложении мы все же получим какую-то часть звука, но это будет совершенно не то, что хотелось бы получить.
Саб, бас и задержки.
Я понимаю, у нас не автозвуковой форум. Но ведь и у нас хватает увлеченных и озабоченных? Может, кому-то будет интересно…
Вобщем, одна из проблем звука в машине — дикое отставание баса от остальной музыки внутри небольшого салона авто. Довольно часто такое встречается. Причем, если цифровые задержки при настройке фронта используются очень часто, то для сабвуфера решение предлагается обычно одно — противофазное включение.
Но мы, перфекционисты, всегда стремимся к идеалу: а как сделать еще лучше? так чтоб никакие мелочи не портили впечатление?
На одном звуковом форуме зашел разговор на эту тему.
Что получилось в результате, я решил выложить и у нас.
———————————————
Нужно ли учитывать саб при настройке задержек на фронт, или наплевать?
И насколько помогает включение саба в противофазе, если нет возможности поработать задержками? От нечего делать решил заняться рисованием. Так нагляднее рассуждать о протекающих процессах.
Возьмем систему, в которой мидбасы стоят на растоянии 0.5м (ближний) и 1м (дальний), а саб удалён на 2 метра, в багажник. До ушей слушателя сигнал от каждого из излучателей будет приходить с задержкой, пропорциональной расстоянию. Поэтому на графиках сигнал от каждого из них сдвинут относительно нуля. За ноль я взял фазу электрического сигнала, поступающего на вход процессора ГУ (то есть,без всяких там внесенных цифровых задержек). Для саба я еще ввел ГВЗ=20мс, что может и утрировано слегка (для наглядности), но для ФИ не так уж и нереально.
В качестве сигнала использовал короткий импульс, и рассмотрел частоту 50Гц. Этот диапазон может воспроизводиться и мидбасами, и сабом. Тем интереснее рассмотреть, что получается при попытке воспроизвести один и тот же сигнал тремя излучателями одновременно.
Вышло вот что:
Саб в фазе, без цифровых задержек
Что тут видно? красная и коричневая кривая — мидбасы. Сигнал от них приходит с совсем небольшой задержкой, поэтому они совсем мало сдвинуты относительно ноля. Но расстояния до мидбасов неодинаковые, поэтому одна кривая начинается чуть раньше другой, что приводит к небольшому размазыванию рисуемого ими импульса. Сигнал от саба достигает точки прослушивания значительно позже. Поезд, практически, уже ушел. Но форма сигнала та же, вроде как эхо пришло. Но никакого криминал тут нет.
Переворачиваем фазу и смотрим что получается.
Саб в противофазе, без задержек
Как будто бы расстояние между первыми пиками стало меньше, отставание сократилось и саб (на слух) подвинулся вперед. Пусть не идеально совпало, но как бы улучшилось. Но если присмотреться, противофаза дает себя знать. Посмотрите на расстояние не между верхними, положительными полуволнами, а между отрицательными нижними? расстояние даже увеличилось! Кроме того, есть еще неприятности. На следующем рисунке я выделил желтым цветом участки, в которых сигнал приходит к слушателю с взаимовычитающимися параметрами.
Саб в противофазе, вычитания
Учитывая, что слышать мы будем усредненное значение, можно попробовать представить себе как будет выглядеть кривая усредненного, результирующего, сигнала и насколько она будет похожа на исходный.
Конечно, бас в салоне авто имеет компрессионный характер, т.к. размеры салона обычно меньше длины волны. Но думаю, это не значит, что время прихода пика давления и закон его изменения (форма сигнала) из-за этого не имеет больше значения.
Из-за такого отставания саба звучание иной системы напоминает то, что можно услышать в коридоре музыкальной школы: в одной комнате играют что-то на гитаре и поют, а в другой кто-то выдувает из геликона «бу-БУ, бу-БУ, бу …»
Теперь разрешим себе цифровые задержки. Причем даем разное значение для левого и правого мидбасов, чтобы не только с сабом их поравнять, но и друг относительно друга выровнять.
Цифровые задержки мидбасов относительно саба и друг друга
Картинка получилась чертовски красивая, не находите?
В реальной жизни, конечно же, так свести тяжело. Хотя бы потому, что редко встречаются процессоры с достаточно мелким шагом выбираемых задержек, и скорее всего так точно свести все сигналы не удастся. Но тем не менее…
Значение ГВЗ я взял немаленькое. Насколько оно реально?
Запускаем JBL SpeakerShop, берем первый приглянувшийся саб из базы (Cerwin-Vega! LE12S), ставим его в оптимальный фазоинвертор. Смотрим:
Group Delay Cerwin-Vega! LE12S (ported)
В рабочем диапазоне 60-30Гц ГВЗ находится в диапазоне 6-11мс. Меньше, чем на моих картинках, но сравнимо.
Теперь о том, почему теория не всегда сходится с практикой? Потому что теория — упрощение, жизнь сложнее. Например, чтобы достичь идеально точного согласования саба с мидами мало учитывать только расстояние и ГВЗ. Например, тот же сабик в ФИ-оформлении будет иметь свою неровную ФЧХ, и это тоже нужно учесть.
Phase Responce (ported)
Смотрите, фаза крутится (только ящиком!) на более чем заметные величины. Если перевести эти повороты фазы в расстояния, да сложить с неравномерной ГВЗ, картинка немного усложнится. Еще больше можно ее усложнить, если вспомнить что LPF/HPF, разделяющие сигнал на полосы имеют кроме АЧХ еще и свои собственные ФЧХ, то есть тоже балуются фазой.
АФЧХ Баттерворта
(это не моя картинка, спёр где-то в дебрях Инета. Думаю, меня простят — я же не в коммерческих целях 
)
И даже больше того. Фильтры имеют своё ГВЗ! (про фильтра и ГВЗ подробнее прочитать можно, например тут ).
Кстати, вот за что я люблю фриэйр (одно из). Сравним ГВЗ и ФЧХ для того же саба в условиях ФЭ (желтая кривая) с оптимальным для него ФИ.
Phase Responce & Group Delay. Ported vs Closed(FreeAir)
Резюме.
Что я хотел показать своими художествами?
При настройке задержек нужно таки учитывать четвертую полосу. Её нужно считать полноценной и равноправной с прочими. При настройке задержек самым дальним динамиком, относительно которого вычисляется задержка нужно считать саб, а не дальний мидбас.
Учесть абсолютно все параметры, влияющие на фокусировку баса конечно трудновато. Но задержка фронта на время отставания баса работает куда продуктивнее, чем переворачивание фазы на сабе. Фазовращатель для саба — полумера.
Кстати, если у кого есть время и желание, можно еще порисовать как выглядит переворачивание фазы не для одной частоты, как у меня, а хотя бы для трех: средней и граничных частот рабочего диапазона саба. Картинка будет еще убедительнее, я думаю.
Изменено 25 сентября, 2009 пользователем Каток