Integrarea unui subwoofer cu boxele principale: summing, crossover, gain si phase

Integrarea unui subwoofer nu înseamnă doar alegerea unei frecvențe de crossover și reglarea volumului. În zona în care subwooferul și boxele principale redau simultan aceleași frecvențe, rezultatul depinde de amplitudine, fază, delay, poziția surselor și camera în care se face ascultarea. Punctul relevant de însumare este poziția de ascultare, nu poziția fizică a boxelor sau a subwooferului.[1]

Ce inseamna summing

La o anumită frecvență, boxa principală produce o undă, iar subwooferul produce o altă undă. La poziția de ascultare, presiunea totală este suma celor două presiuni acustice:

Această adunare nu este scalară, ci vectorială. Fiecare contribuție are o amplitudine și o fază. Formula pentru amplitudinea rezultată este:

În această formulă, Δφ este diferența de fază dintre cele două surse la frecvența analizată și în aceeași poziție de măsurare.

O analogie simplă este adunarea a două săgeți. Gainul modifică lungimea săgeților, phase/delay modifică unghiul dintre ele, iar crossoverul modifică lungimea fiecărei săgeți în funcție de frecvență.

Exemple de insumare

Presupunând două surse cu aceeași amplitudine la aceeași frecvență, diferența de fază modifică nivelul rezultat astfel:

De exemplu, dacă boxa și subwooferul măsoară individual câte 74 dB la 80 Hz, suma lor poate deveni aproximativ 80 dB când faza este aliniată. Cu o diferență de fază de 90°, suma poate fi aproximativ 77 dB. Cu o diferență apropiată de 180°, rezultatul poate fi un dip adânc.

Crossoverul: unde se intalnesc subwooferul si boxele

Un sistem de bass management complet folosește un low-pass filter pentru subwoofer și un high-pass filter pentru boxele principale. Low-pass-ul reduce contribuția subwooferului peste zona de crossover. High-pass-ul reduce contribuția boxelor sub zona de crossover.

Într-un crossover Linkwitz–Riley de ordinul 4, denumit frecvent LR4, panta este de 24 dB/octavă. Ramura high-pass și ramura low-pass sunt în fază la întâlnire și au fiecare aproximativ −6 dB la frecvența de crossover.[5] Două amplitudini de 0,5 se adună la 1,0:

De aceea, curbele individuale ale boxei și subwooferului pot fi mai jos la frecvența de crossover, iar suma acustică poate rămâne plată.

Setarea 80 Hz nu garanteaza un crossover acustic la 80 Hz

Valoarea de pe un aparat descrie filtrul electric aplicat semnalului. Răspunsul acustic real include răspunsul natural al difuzorului, incinta, filtrele interne, latența DSP, poziția în cameră și reflexiile. Din acest motiv, un LPF setat la 80 Hz și un HPF setat la 80 Hz sunt puncte de pornire, nu o garanție că tranziția acustică are loc perfect la 80 Hz.

Când boxele merg full-range și nu primesc high-pass, crossoverul nu mai este complementar în sens clasic. Roll-off-ul natural al boxelor ține loc parțial de high-pass, iar rezultatul devine mai dependent de măsurători și de cameră.

Ce modifica gainul

Gainul stabilește amplitudinea subwooferului în raport cu boxele. Nu există o poziție universal corectă a potențiometrului. Într-un crossover LR4 ideal, dacă nivelul subwooferului este ridicat cu 5 dB, ramura subwooferului poate trece de la −6 dB la aproximativ −1 dB la frecvența de crossover. Boxa rămâne la −6 dB. Suma în fază produce în jur de +2,9 dB peste ținta inițială în zona crossoverului, iar sub crossover se poate obține aproape întregul surplus de +5 dB.

Această situație explică diferența dintre integrare și preferință tonală. Integrarea urmărește o tranziție coerentă; o curbă cu bass mai ridicat este o alegere de tonalitate care se aplică mai logic după ce tranziția a fost stabilizată.

Phase, polarity si delay

Termenii „phase”, „polarity” și „delay” sunt folosiți uneori interschimbabil, dar nu desemnează același fenomen.

La 80 Hz, perioada este 12,5 ms. Prin urmare, 1 ms corespunde la 28,8°, iar 6,25 ms corespund la 180°. Un metru de drum acustic corespunde la aproximativ 2,9 ms, folosind viteza sunetului de aproximativ 343 m/s.

Diferența de distanță măsurată cu ruleta este doar o aproximație. Filtrele, DSP-ul și centrul acustic al difuzorului adaugă întârzieri. Într-un exemplu miniDSP, diferența geometrică era de aproximativ un metru, dar rezultatul cel mai bun s-a obținut cu 1,5 ms, nu cu 2,9 ms.[3]

O aliniere buna acopera o zona, nu un singur punct

Este posibil ca subwooferul și boxa să fie aproape în fază exact la 80 Hz, dar să se despartă la 65 Hz și la 100 Hz. O astfel de reglare poate produce un punct bun și o tranziție slabă în jurul lui.

În zona de suprapunere, criteriul util este o sumă netedă pe o bandă relativ largă. În practică, alinierea nu se evaluează doar prin nivelul maxim la frecvența de crossover, ci prin comportamentul curbei combinate în întreaga zonă de overlap.

Direct plus reflectie: de ce apare anularea

În imaginea discutată, exista o sursă sonoră lângă un perete, un sunet direct și un sunet reflectat. Presupunând că distanța perete–ascultător este 1λ, iar boxa este la λ/4 de perete, drumul direct este:

Drumul reflectat este:

Diferența dintre cele două drumuri este:

O diferență de drum de jumătate de lungime de undă înseamnă 180° diferență de fază la poziția de ascultare. Dacă amplitudinile sunt egale, rezultatul este:

Graficul cu „cancellation dips” este un exemplu de comb filtering. Unda reflectată este o copie întârziată a undei directe. Deoarece faza produsă de întârziere depinde de frecvență, apar frecvențe unde undele sunt constructive și frecvențe unde sunt distructive.

La unele frecvențe, diferența de fază poate fi 0°, 360° sau 720°, iar undele se adună. La altele, diferența poate fi 180°, 540° sau 900°, iar undele se anulează. Această alternanță produce aspectul de pieptene.

Exemplu SBIR la 80 Hz

La 80 Hz, lungimea de undă este aproximativ:

Un sfert de lungime de undă este aproximativ 1,07 m. Dacă centrul acustic al boxei se află la aproximativ 1,07 m de peretele din spatele ei, reflexia parcurge aproximativ 2,14 m în plus. Această diferență este jumătate de lungime de undă la 80 Hz și poate produce o anulare în acea zonă.

Pentru o sursă aflată la distanța d de perete, prima anulare idealizată cauzată de acel perete apare aproximativ la:

Acesta este unul dintre motivele pentru care poziționarea unui subwoofer aproape de perete poate fi utilă: prima anulare față de acel perete poate fi împinsă deasupra benzii subwooferului. Rămân însă influențele celorlalți pereți, ale podelei, ale tavanului și ale modurilor camerei. Genelec descrie explicit faptul că reflexiile pot crește nivelul când sunt în fază cu sunetul direct și îl pot reduce când sunt în antifază; aceeași pagină tratează și modurile de cameră și null-urile de poziție.[2]

Doua tipuri de insumare care se suprapun

Într-un sistem real apar două fenomene distincte, dar guvernate de aceeași fizică:

Boxa principala + subwoofer

Aceasta este însumarea controlată prin crossover, gain, delay, phase și polarity. În zona crossoverului, obiectivul tehnic este ca ramurile să se adune coerent și să nu producă un hump sau un dip artificial.

Sunet direct + reflexii ale camerei

Chiar dacă subwooferul și boxele sunt aliniate între ele, fiecare sursă produce reflexii. Reflexiile pot genera vârfuri, anulări, comb filtering și moduri de cameră. Integrarea corectă a subwooferului nu elimină automat problemele acustice ale camerei.

Un crossover prost aliniat produce de obicei un dip sau un hump relativ larg în jurul frecvenței de crossover. Un comb filtering cu mai multe anulări repetate indică mai des o copie întârziată pe bandă mai largă: reflexie de perete, podea, tavan, masă sau altă suprafață.

Cum se interpreteaza masuratorile

O interpretare coerentă se bazează pe trei măsurători făcute din aceeași poziție:

1. boxa stângă singură;
2. subwooferul singur;
3. boxa stângă și subwooferul împreună.

Aceeași verificare se repetă pentru boxa dreaptă. Într-o cameră simetrică, o aliniere realizată cu o boxă poate funcționa și cu cealaltă. Într-o cameră asimetrică, suma poate fi perfectă doar pentru un canal, iar rezultatul devine un compromis.[1]

Procedura de masurare cu REW

O metodă comună folosește măsurători separate pentru subwoofer și boxe, apoi verificarea sumei. MiniDSP descrie o secvență bazată pe alegerea poziției subwooferului, egalizare, activarea crossoverelor, setarea delayului, verificarea celuilalt canal și corecția finală.[3]

Pozitia subwooferului

Poziția subwooferului poate schimba semnificativ răspunsul în cameră. O evaluare practică compară câteva poziții posibile și alege varianta cu răspuns utilizabil în jurul viitorului crossover, nu doar varianta cu cel mai mult nivel brut.

O singura sectiune de crossover

Dacă un AVR sau un DSP aplică LPF și HPF, filtrul intern al subwooferului este de obicei pus pe bypass sau la frecvența maximă disponibilă. În caz contrar, două filtre low-pass pot ajunge în cascadă și pot modifica panta și faza.[3]

Alegerea frecventei initiale

Frecvența de crossover este mai stabilă când se află într-o zonă în care boxele încă pot reda controlat, subwooferul are răspuns curat, iar camera nu produce un null sever. Cu high-pass disponibil, un punct de pornire frecvent este aceeași frecvență și aceeași topologie de filtru pe ambele ramuri, de exemplu LR4.

Masuratori separate cu referinta temporala

Pentru compararea fazei între măsurători separate, REW poate folosi o referință temporală prin loopback sau acoustic timing reference. Scopul este eliminarea întârzierilor variabile ale computerului și ale interfeței, astfel încât măsurătorile să aibă aceeași referință de timp.[4]

În cazul acoustic timing reference, semnalul de referință este un sweep de frecvențe înalte și este redat de o boxă cu tweeter; subwooferul nu poate servi drept canal de referință acustică.[4]

Delay sau phase

Diferența geometrică de distanță oferă un punct de pornire. La 80 Hz, 0,1 ms reprezintă aproximativ 2,9°, iar 0,5 ms reprezintă aproximativ 14,4°. Reglajul util se confirmă prin suma măsurată pe o bandă în jurul crossoverului, nu printr-un singur punct.

Metoda „deep null”

Metoda „deep null” folosește anularea ca indicator de aliniere. Nivelurile celor două ramuri sunt apropiate la crossover, polaritatea subwooferului este inversată, iar delayul sau phase-ul este modificat până când anularea devine cât mai adâncă și mai largă. După revenirea la polaritatea normală, aceeași relație de fază produce de regulă însumare constructivă.

Verificarea ambelor canale si corectia finala

După o aliniere inițială cu un canal, se verifică și celălalt canal. În sistemele stereo, delayuri diferite aplicate stângii și dreptei doar pentru rezolvarea crossoverului pot afecta imaginea stereo. După integrare, egalizarea este folosită mai sigur pentru reducerea vârfurilor modale; boosturile mari în null-uri adânci tind să fie ineficiente deoarece null-ul este cauzat de geometrie și fază.

Varianta orientativa fara microfon

O variantă aproximativă fără microfon folosește un ton sau zgomot îngust în jurul frecvenței de crossover. Se compară boxa singură cu subwooferul singur, se apropie nivelurile percepute, se inversează polaritatea subwooferului, apoi se ajustează phase până când sunetul devine cât mai slab. După revenirea la polaritatea normală, un sweep lent pe o zonă mai largă indică dacă tranziția este relativ uniformă.

Metoda auditivă poate produce o integrare rezonabilă într-un singur loc de ascultare, dar nu separă precis problemele de crossover de modurile camerei. O măsurătoare cu microfon calibrat oferă informații mult mai clare.

Rezumat conceptual

Într-o formulare compactă: crossoverul determină unde se suprapun sursele, gainul determină cât contribuie fiecare sursă, iar faza/delayul determină dacă aceste contribuții se adună sau se anulează. Camera poate modifica puternic rezultatul, chiar atunci când subwooferul și boxele sunt aliniate corect între ele.