низкие частоты что это такое
Воспроизведение звука и музыки: какие частоты используют и зачем их ограничивают
Содержание
Содержание
Собаки слышат до 45 кГц, кошки — до 79 кГц, дельфины и летучие мыши — выше 100 кГц, а человеческое ухо едва в состоянии услышать несчастные 20 Кгц, а чаще — всего 16-17 кГц. Почему все так? И зачем тогда гордые значения воспроизводимых частот типа «16 Гц — 40 кГц» на аудиотехнике? На каких частотах вообще звучат музыкальные инструменты и человеческий голос? Об этом ниже.
Что такое частота звука?
Звуковая волна, как и любая другая, имеет две главные характеристики — амплитуда и частота. Если к поплавку на озере привязать карандаш и устроить так, чтобы он чертил на движущейся бумаге свою траекторию (как кардиометр или сейсмограф), то получится синусоида:
Почему мы слышим хуже кошки?
Звуковые волны могут иметь любую частоту колебаний, но человеческое ухо улавливает их в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 Кгц. На самом деле, в идеальных лабораторных условиях некоторые слышат аж до 12–16 Гц, а те, кто не слышит, могут уловить низкочастотные колебания телом. А вот с высокими частотами все хуже. Лишь немногие смогут уловить 20 кГц, большинство же слышат лишь до 16-17 кГц, и с возрастом это значение падает до 8–10 кГц.
Более того, человеческое ухо наиболее чувствительно к диапазону от 2 до 5 кГц — это так называемая зона разборчивости. Чувствительность к волнам на разных участках спектра различается. Любой может записаться на аудиометрию — обследование слуха, чтобы получить аудиограмму — кривую чувствительности своих ушей по частотам. Правда, в медицине она измеряется в диапазоне от 125 Гц до 8 кГц, но даже в таком укороченном отрезке у всех будет видна неравномерность слуха. Чувствительность ушей зависит даже от времени дня и настроения.
Кроме того, воспринимаемая громкость зависит от частоты звука. К примеру, на малой громкости низкие и высокие частоты слышны хуже. Это как раз следствие того, что человеческое ухо заточено под средние частоты, позволяющие распознавать речь. Эффективная коммуникация — одно из главных эволюционных преимуществ человека, поэтому эволюция и наделила нас тем слуховым диапазоном, что мы имеем.
В свою очередь, эволюционные преимущества других животных могут отличаться. К примеру, летучие мыши ориентируются в пространстве, издавая и улавливая ультразвук, поэтому и слышат до 200 кГц. А большая восковая моль часто становится добычей летучих мышей, поэтому ей пришлось развить слуховой диапазон до 300 кГц, чтобы избегать встреч с ужасом, летящим на крыльях ночи. Кошка слышит ультразвук, потому что многие грызуны общаются на высоких частотах, а киты слышат инфразвук, чтобы общаться самим, потому что низкочастотные волны лучше передаются на большие расстояния.
Фундаментальная частота голоса мужчины — в районе 80-150 Гц, женщины — 150-250 Гц. Однако телефонные линии обрезают в звуке все, что ниже 300 Гц и выше 3,5 кГц. Почему? Потому что кроме фундаментальной частоты есть еще обертона. Это призвуки, которые появляются из-за того, что у человека звучат не только голосовые связки, но и гортань, голова, да и все тело целиком. Обычно они находятся выше основного тона, поэтому так и называются.
У мужчин обертона голоса достигают 4 кГц, у женщин — 5-6 кГц. Они сильно влияют на звучание, благодаря им мы можем отличить одного человека от другого и даже определить по голосу его телосложение. Соответственно, именно они, а не фундаментальный тембр, важны для телефонных переговоров.
Частоты музыки
Бас гитара, как и контрабас, обычно настраиваются в ми контроктавы — это 41 Гц, гитара — на октаву выше, 82 Гц. Скрипка, один из самых писклявых инструментов в оркестре, начинается с соль малой октавы (196 Гц) и заканчивается на ля четвертой октавы (440 Гц). Диапазон большинства фортепиано — от ля субконтроктавы (27,5 Гц) до до 5 октавы (523 Гц).
Как можно заметить, диапазон большинства музыкальных инструментов находится довольно низко по спектру, не выше 4-5 кГц. Зачем тогда вообще что-то выше условных 5 кГц в аудиотехнике?
К слову, первые граммофоны умели воспроизводить от 170 до 2 000 Гц, а с появлением электронной записи их диапазон расширился на 2,5 октавы — от 100 до 5 000 Гц. То есть как раз, чтобы воспроизводить диапазон голоса и большинства инструментов в оркестре. А другой музыки в 20-х годах прошлого века и не было.
Однако, как и в случае с человеческим голосом, решающую роль играют обертона. Они также зависят от «телосложения» инструмента — его габаритов, плотности дерева или металла, массы и т. п. Ведь когда нажимаешь клавишу ля на фортепиано — звучит не чистый синус, а весь инструмент целиком, включая и ноты ля в других октавах — они начинают колебаться в унисон. На этом эффекте основано звучание ситара — у него есть дюжина резонирующих струн, производящих характерный звон.
Более того, даже части самой струны, кратные ее длине, начинают колебаться в унисон. К примеру, половина, треть, четверть, пятая части струны будут издавать обертона на октаву или несколько октав выше фундаментальной частоты.
Обертона, которые кратны основному тону, называют гармоническими, или, попросту, гармониками. Именно они придают инструменту свой уникальный характер звучания, именно в них вся красота, именно количеством обертонов хороший инструмент отличается от плохого. Благодаря обертонам и гармоникам музыка предстает перед нами во всей полноте. Для них и нужен этот, на первый взгляд, пустой участок от 5 до 20 кГц.
Частотный диапазон у аудиотехники
Производители аудиотехники всегда стремились расширить диапазон воспроизводимых частот, чтобы добиться красоты и величественности звучания настоящих инструментов. Во времена ламповой техники верхняя граница едва достигала 12 кГц. Магнитная запись повысила порог до 15 кГц, но даже этот показатель могла выдать только студийная магнитная пленка с высокой скоростью протягивания ленты. У бытового катушечного магнитофона верхняя граница воспроизводимых им частот падает до 10–12 кГц, а в кассетных магнитофонах — и того меньше.
Все изменилось с появлением цифровой записи и CD, позволивших кодировать весь диапазон от 20 Гц до 20 кГц. Но вновь откатилось с появлением интернета и mp3, срезающих значительную часть верхов во имя меньшего объема файлов.
При этом сделать колонки, воспроизводящие весь диапазон, оказалось проще. Одни из первых студийных мониторов на рынке, Altec 604, в некоторых модификациях уже могли воспроизводить от 20 Гц до 22 кГц, а это 70-е годы прошлого века. Большинство современных колонок без проблем воспроизводят до 20 кГц, а нижняя планка зависит от диаметра вуфера, конструкции фазоинвертора и наличия саба.
Также нередко встречаются колонки с диапазоном до 30–40 кГц. Но нужно всегда смотреть на АЧХ, чтобы понять, на какой громкости они могут эти частоты воспроизводить, и будет ли их вообще слышно.
Тем не менее, многие обладатели колонок и наушников с расширенным частотным диапазоном (от 5/10/15 Гц до 30/40/50 кГц) утверждают, что они звучат ярче и/или глубже. Правда, чтобы это услышать, нужно воспроизводить музыку, в которой есть соответствующая информация. К примеру, ютуб режет все, что выше 16 кГц, mp3 даже в 320 bpm режет до 19 кГц, а стандарт CD (16 bit 44.1 кГц) срезает все, что выше 22 кГц. Расширенным диапазоном могут похвастаться стандарты типа DVD-Audio, Super Audio CD, DSD и некоторые другие, но музыки в таких форматах не так уж и много.
Если же наушники еще и беспроводные, то диапазон частот дополнительно ограничен кодеками Bluetooth. Даже Aptx-HD имеет потолок в 19 кГц, и только LDAC от Sony умеет транслировать музыку в высоком разрешении, но многие жалуются на слабое качество сигнала в таком режиме.
Жанры музыки и частоты
Стоит сказать, что не всегда гармоники и обертона делают музыку лучше. Слышимый диапазон можно представить себе, как тесный лифт, инструменты — как его посетителей, а обертона и гармоники — как их вес и габариты. В этом случае оркестр будет похож на группу детей — большинство инструментов не обладают большим диапазоном и занимают строго свое место, поэтому их может поместиться много.
Но в той же рок-музыке звучание инструментов многократно усиливается, обертонов становится слишком много, это больше похоже на сумоистов в пуховиках. Чтобы уместить их в лифт, нужно убрать лишнее — снять пуховики. Этим занимается звукорежиссер — он ограничивает частотный диапазон каждого инструмента фильтрами хай-пасс и лоу-пасс, а с помощью эквалайзера убирает ненужные и выделяет нужные гармоники.
К примеру, электрогитары, вокал и рабочий барабан обычно ограничивают от 100–150 Гц до 8–12 кГц, бас и бочку — от 20–40 Гц до 6–10 кГц и т. п. Да, звучание каждого инструмента становится менее богатым, но за счет этого в общем миксе они не мешают, а дополняют друг друга.
Появление синтезаторов дало возможность сделать чистый синус без обертонов, и уже потом обогатить его нужным количеством гармоник. Это позволило создать очень густой и четкий бас глубиной до 20 Гц, что невозможно проделать с живыми инструментами.
Заключение
Теперь понятно, почему музыка в высоком разрешении — это по большей части всякий джаз, кантри и классика, где сведение выполняется по минимуму, либо вообще отсутствует. Вполне возможно, что такая музыка в ультравысоком разрешении будет звучать максимально живо и естественно в наушниках, играющих от 4 Гц до 51 кГц.
В некоторых жанрах электронной музыки также встречается бас в районе инфразвука. Однако чаще всего электроника, рок и метал не содержат информации за пределами слышимого диапазона. Там все лишние обертона заботливо вырезал господин звукорежиссер, а те, что как-то выжили, добил мастеринг-инженер. Зато осталась самая сочная часть, которую будут отлично воспроизводить любые колонки и наушники.
Специфика низких частот в автомобиле: где взять бас и как его настроить
Вопрос этот отнюдь не праздный. Автомобильная аудиосистема строится совсем иначе, нежели домашняя. Тут играет роль и ограниченность пространства салона, и особенности установки акустических систем. Потому и подход к решению задачи выглядит для многих непривычно.
Причина, по которой я хотел бы начать именно с этой темы, очень проста. Как показывает практика, далеко не каждый автомобилист захочет перестраивать штатную аудиосистему полностью. Поэтому многие ограничиваются лишь ее легким апгрейдом для более уверенного звучания низкочастотного диапазона. В большинстве штатных систем бас — это действительно одно из самых слабых мест. Акустические оформления динамиков зачастую оставляют желать лучшего, а штатный сабвуфер, если он вообще есть, редко в какой системе может похвастать достойным звуком.
Штатные сабвуферы, как правило, построены на небольших динамиках и имеют пластиковые корпуса
Сразу должен предупредить, что речь пойдет именно о нормальной музыкальной системе, в которой бас — это плотный фундамент, придающий звучанию полновесность независимо от жанра. К сожалению, словосочетание «автомобильный сабвуфер» у многих сегодня ассоциируется с непонятными сооружениями в багажниках, которые издают гудящие и дребезжащие звуки и не имеющие к музыке никакого отношения. Эти «50 оттенков баса» и прочие автозвуковые извращения давайте оставим за бортом, а за ориентир возьмем хорошую домашнюю систему.
Акустические условия
Первое заметное отличие автомобильных условий от домашних заключается в том, что объем салона ограничен. Многие скептики оперируют именно этим аргументом, полагая, что строить в автомобиле аудиосистему высокого класса бессмысленно. В таких случаях я обычно возражаю, что с домашним подходом это действительно так. А вот если грамотно использовать специфику «малых объемов», то можно добиться впечатляющих результатов, что неоднократно доказывалось практикой.
Собственно, одна из основных особенностей акустических свойств салона автомобиля — это «помощь» в воспроизведении низких частот. Понятно, что с понижением частоты длина звуковой волны растет. Например, на частоте 1000 Гц длина волны около 30 см, а на 300 Гц — уже больше метра. С еще большим понижением она становится и вовсе соизмеримой с размерами салона.
В этот момент звуковые волны в обычном представлении прекращают свое существование, и диффузор динамика начинает создавать равномерное чередование сжатий-разряжений воздушной массы по всему объему. Подобно поршню в цилиндре. И здесь не в последнюю очередь многое будет зависеть от амплитуды колебаний диффузора. Ниже частота — выше амплитуда. В замкнутом объеме салона автомобиля это создает эффект акустического усиления низких частот: ниже частота — больше ход диффузора — выше акустическое усиление.
Акустическое усиление в салоне автомобиля (дБ/Гц)
В теории «помощь» салона начинается с 50-100 Гц в зависимости от размеров автомобиля. Чем меньше авто, тем с более высоких частот начинает проявляться этот эффект. Причем с понижением частоты на каждую октаву прирост усиления составит 12 дБ. На практике, конечно же, все не так радужно — скажутся утечки воздуха, потери звуковой энергии через вибрации и т.д. К тому же эта математическая модель не учитывает индивидуальных особенностей разных салонов. И дело не только в геометрических размерах, значение может иметь даже материал обивок.
Разные акустические условия при закрытом и открытом верхе делают кабриолеты и родстеры одними из самых сложных при построении аудиосистем высокого уровня
Почувствовать эффект «помощи» салона на низких частотах очень просто. Включите любую композицию с акцентированным басом. Обратите внимание на то, как звучит низкочастотный диапазон. Теперь откройте двери и крышку багажника. Уверен, разницу почувствуете сразу же — как будто регулятором тембра убавили низкие частоты.
А нужен ли сабвуфер?
Зная эту особенность замкнутого салона, логично предположить, что в автомобиле и вовсе нет необходимости в отдельном сабвуферном звене. Возможно оно и так, но давайте сравним автомобильную акустику с домашней. И в том, и в другом случае используются громкоговорители близких калибров — от 5 до 8 дюймов. 6,5 дюймов – «золотая середина» и классика автомобильных динамиков.
Домашняя колонка — это цельный законченный узел, спроектированный и изготовленный так, чтобы создать для динамиков наилучшее акустическое оформление. А самое главное — прочный корпус, лишенный вибраций. В машине, к сожалению, о таком чаще всего приходится только мечтать. Корпусами для динамиков в большинстве случаев становятся двери или какие-нибудь ниши и пространства в кузовных элементах. Получить в таких условиях нормальное воспроизведение низких частот? Ой, да не смешите.
Так установлены динамики в Burmester 3D High End Sound System за 8000 Евро. Мягко говоря, не самое лучшее акустическое оформление:
Вот и получается, что в большинстве случаев акустика способна более-менее эффективно «дотянуть» лишь до 80-100 Гц, что бы там ни заявляли производители. Какая уж тут основательность звучания.
Положение можно исправить либо серьезным укреплением дверей с превращением ее в тяжеленную «железобетонную» конструкцию, либо изготовлением для динамиков отдельных корпусов. Ну или вовсе удариться в какую-нибудь экзотику:
В любом случае попытки создать низкоиграющую акустическую систему сводятся к радикальному вмешательству в конструкцию автомобиля, а для этого нужно быть совсем уж фанатиком. А посему получается, что сабвуфер — самый рациональный способ решить автомобильную проблему низких частот. Другое дело, каким именно он должен быть и как его бесшовно срастить с остальной акустикой, чтобы он не бубнил в багажнике сам по себе, а являлся полноценной частью звуковой системы.
Изготовление корпусов в дверях — не такой экзотический, но тоже весьма радикальный и затратный способ создания нужного акустического оформления для динамика. На фото — работа Александра Лысенко
Выбор сабвуферного звена
Думаю, нет смысла подробно останавливаться на выборе конкретной концепции сабвуфера, для человека, знакомого с домашней техникой, многие вещи очевидны. Но кое в чем автомобильная специфика все же отличается от домашней.
Для домашней техники объем корпуса хоть и играет определенную роль, но не такую значимую, как в автомобиле. Здесь желательно уместить всю конструкцию в как можно меньших объемах. Задача эта весьма противоречивая, и ее решение — сплошные компромиссы. Как только зажимаешь динамик в тесный объем, сразу же возрастает нижняя граничная частота и сабвуфер превращается просто в вуфер. Чтобы восстановить статус-кво, производителям приходится утяжелять подвижную систему, а это влечет за собой снижение чувствительности, а значит, требует более мощного усилителя. Поэтому не стоит удивляться автомобильным басовым моноблокам с мощностью в сотни Ватт — им обычно приходится тягать достаточно тугие драйверы.
Так что при выборе динамика приходится расставлять приоритеты — либо отдать предпочтение «легковесам» с мягкими подвесами и малым весом подвижки, с хорошим импульсным откликом и не заоблачными требованиями к усилителю, но которые при этом будут требовать крупных корпусов, либо «тяжеловесам», которые умещаются в компактные корпуса, но требуют усилителей повышенной мощности.
Сабвуфер совсем не обязательно должен быть большим и занимать половину багажника. Это может быть и небольшая аккуратная конструкция, не съедающая в багажнике полезное место
Теперь немного о размерах динамиков. То, что большие громкоговорители при прочих равных требуют больших корпусов, полагаю, и так очевидно. Но есть еще и другой фактор. От размера сабвуфера напрямую зависит еще и то, насколько удачно его получится срастить с акустическими системами. Например, если с басовым потенциалом у последних совсем все плохо, то выбирать какой-нибудь тяжеловесный 15-дюймовый саб как минимум глупо — он вряд ли нормально будет работать выше 50-60 Гц. А вот, например, «десятки» при прочих равных, могут легко дотянуться снизу до акустики и неплохо с ней состыковаться.
Пожалуй, это два основных момента, на которые следует обратить внимание при построении низкочастотного звена для автомобильной аудиосистемы. Все остальное — вопросы конкретных реализаций динамиков. Могут быть и легкие сабвуферы больших размеров, и маленькие «тугоходы». Каждый из них, естественно, требует своего подхода к выбору акустического оформления. Но это отдельная тема и сейчас углубляться в нее нет необходимости.
Кстати, что касается оформления, то тут считаю нужным упомянуть сабвуферные динамики для установки free-air. Они обычно стоят немного особняком. Такие не требуют отдельных корпусов. Вернее, корпусами для них будет объем багажника – они ставятся в заднюю полку или перегородку между багажником и салоном. Несмотря на кажущуюся простоту, обеспечить им должное оформление довольно сложно хотя бы из-за того, что приходится радикально укреплять до каменной жесткости посадочные места для динамиков, а это связано с высокой трудоемкостью таких работ. Кинуть в багажник корпус куда как проще, поэтому «фриэйрных» сабов на рынке крайне мало. Хотя, на мой взгляд, это все же одни из самых лучших сабвуферов, с которыми обеспечивается наиболее точное звучание НЧ-диапазона.
Проблемы «заднего баса»
Продолжая тему сращивания звучания сабвуфера с АС, должен затронуть еще один важный вопрос — локализация саба. Казалось бы, наши уши не определяют положение источника звука в том частотном спектре, в котором работает сабвуфер. Вот почему никто особо не стремится разместить его в передней части салона, а классикой считается установка в багажнике.
Не хотите ставить саб в багажнике? Да пожалуйста, хоть в торпедо встраивайте… Можно и в буквальном смысле
Однако на практике в очень многих случаях бас все равно воспринимается как бы идущим сзади, когда основная звуковая картина формируется впереди слушателя, а низкие частоты живут своей жизнью. Причин этому может быть несколько.
Причина первая: вибрации
От могучих басовых аккордов могут резонировать рядом расположенные панели и элементы. А эти звуки, как вы понимаете, уже далеко не низкочастотные. Они так хорошо «подмешиваются» к звучанию сабвуфера, что мы не всегда можем идентифицировать их, но общую картину они заметно испортят.
Лечится обработкой кузовных элементов вибродемпфирующими материалами, посадкой пластиковых обивок на уплотнительные «противоскрипные» материалы, надежным креплением корпуса сабвуфера и, в конце концов, элементарным наведением порядка в багажнике.
Причина вторая: неудачный корпус
Попробуйте при включенном сабе просто прикоснуться к нему ладонью. У хорошего корпуса вибраций быть не должно. Если же они есть, то вот вам и вторая причина — кроме диффузора динамика звук излучают сами стенки корпуса. Причем тоже далеко не на самых низких частотах. Этим в основном грешат дешевые сабвуферы с плоскими стенками, большинство из них изготавливается из ДСП толщиной в лучшем случае 18-20 мм.
Выход — делать нормальный корпус с толстыми стенками, усиливать его внутренними распорками или применять многослойную конструкцию с использованием вибродемпфирующих материалов в качестве промежуточных слоев. Недостаток — трудоемко, да и корпус слишком тяжелый получается. Легкость конструкции с достаточной жесткостью сочетают в стеклопластиковых корпусах. Сантиметровой толщины для стеклопластиковых стенок сложной формы вполне хватает, чтобы сделать конструкцию достаточно монолитной.
Криволинейные поверхности стеклопластикового корпуса даже при толщине около 1 см имеют достаточную жесткость
Здесь же отмечу и проблему, связанную с возможной некачественной сборкой. Неплотно посаженный динамик или даже небольшая негерметичность — и паразитные призвуки обеспечены. Многие почему-то думают, что это важно только для закрытого акустического оформления. Отнюдь, фазоинверторное к этому еще больше чувствительно — там перепады давления внутри корпуса выше, чем в закрытом корпусе.
Причина третья: завихрения воздуха
На низких частотах ход диффузора часто оказывается весьма значительным, особенно если «поддать жару». При этом, если сам динамик закрыт слишком плотным защитным грилем, то на больших амплитудах могут появляться завихрения воздуха, которые будет хорошо слышно.
Если используется корпус фазоинверторного типа, то еще одним потенциальным источником может стать сам порт. Особенно, если он имеет слишком маленькое сечение или острые края.
Причина четвертая: неправильная настройка фильтров усилителя
Очень важно в сабвуферном канале правильно ограничивать частотный диапазон сверху. Подобрать срез фильтра нижних частот можно только опытным путем, отталкиваясь, опять же, от потенциала фронтальной акустики. В самом простейшем случае такая возможность обычно есть в сабвуферном усилителе, для более сложных систем с процессорами можно выбирать не только частоту среза, но и, например, крутизну фильтра, а иногда даже и его добротность. В custom-системах топового уровня такие возможности процессоров оказываются востребованными. Естественно, если настройщик имеет достаточный опыт и имеет представление о том, что именно он настраивает.
Цифровые процессоры дают практически неограниченные возможности настройки аудиосистемы. Настройка, как правило, производится с компьютера через специальный софт
В отличие от домашних систем, в автомобилях частота настройки ФНЧ в сабвуферном канале обычно лежит в пределах 50-100 Гц. Что касается крутизны фильтра, то принято считать, что чем она выше, тем лучше, но я бы с этим утверждением поспорил. Настройка — дело творческое и сугубо индивидуальное, шаблонный подход не всегда приносит нужный результат.
Важно понимать, что согласовать сабвуфер с акустическими системами необходимо не только по их АЧХ, но и по фазе. Многие специализированные сабвуферные усилители имеют для этого так называемые «фазовращатели». Проще, если у вас система с цифровым процессором, там можно оперировать задержками, как правило, виртуально отодвинув ими фронтальные каналы.
Если вы уже все перепробовали, но сабвуфер по-прежнему звучит отдельно от всего остального и локализуется сзади, просто перекиньте «+» и «-» на динамике. Иными словами, переверните фазу и попробуйте повторить настройку.
Заканчивая этот материал, хотелось бы отметить следующее. Принимая любое решение — простой ли апгрейд штатной системы или построение сложной custom-системы на топовых компонентах, всегда держите в голове, чего именно вы хотите добиться. Автозвук — это средство повысить комфорт вашего личного пространства, конкретно — вашего автомобиля. Звучание должно быть аккуратным, точным и, главное, приносящим удовольствие.