Амплитудно-частотная характеристика

Вопрос о том, какой должна быть идеальная АЧХ наушников, вызывает жаркие споры как у специалистов звукозаписи, так и у аудиофилов. Ни для кого не секрет: разработчики громкоговорителей стремятся сделать АЧХ горизонтальной до 1 кГц, а затем равномерно уменьшать отдачу — так, чтобы к 22 кГц снижение амплитуды составило 6 дБ (в том месте, где обычно располагается слушатель). Такая АЧХ дает естественное и приятное звучание. Между тем, измерить характеристики громкоговорителей сравнительно легко. Нужно лишь расположить откалиброванный микрофон на месте слушателя или поместить колонки вместе с микрофоном в безэховую камеру и измерить АЧХ посредством любой программы, предназначенной для этих целей.

И наоборот, параметры наушников нельзя достоверно определить, просто разместив микрофон между чашками. Именно поэтому для измерении мы пользуемся муляжом головы человека с микрофонами, в частности (но не только) Neumann KU100, а также специализированным измерительным оборудованием и программным обеспечением. Измерять параметры колонок посредством микрофонов, размещенных в муляже — совсем не то, что при помощи микрофонов, расположенных свободно. В последнем случае полнодиапазонные громкоговорители в помещении, подвергнутом акустической обработке, или в безэховой камере продемонстрируют, скорее всего, плоскую (горизонтальную) АЧХ. От них также можно ожидать спада на низких и высоких частотах. Если же установить микрофоны в муляж головы, результат измерений окажется совершенно иным. Дело в том, что строение внешнего и внутреннего уха человека значительно влияет на АЧХ — при ее измерении у барабанной перепонки или у входа в ушной канал. Даже если драйвер наушников дает совершенно плоскую АЧХ, внешнее и внутреннее ухо играют роль эквалайзера, усиливая одни частоты и ослабляя другие. К тому времени, когда звуковые волны достигают барабанной перепонки, их частотные и фазовые составляющие изменятся, АЧХ перестает быть плоской. Если измерить этот параметр у барабанной перепонки, мы, скорее всего, получим плоский график только до 200 Гц, за ним последует постепенный подъем на 15-20 дБ с пиком в области 3 кГц, а затем спад (см. рис. ниже).

FF — изначальная (плоская) АЧХ; DRP — АЧХ, измеренная у барабанной перепонки.

Дело усложняется еще и тем, что свою лепту в искажение АЧХ вносит форма головы и торса слушателя. Ее влияние выражает так называемая HRTF (Head-Related Transfer Function — передаточная функция, связанная с формой головы слушателя). Поскольку форма головы, торса и ушей у каждого человека уникальна, постольку индивидуальна и его HRTF. Разумеется, идеально симметричных людей нет, в связи с чем HRTF для левого уха не такая, как для правого. Муляж головы создан с расчетом на усреднение обеих HRTF. Если измерить эти функции на одинаковом расстоянии от левого и правого уха и под одинаковым углом к ним, отличия в АЧХ при прослушивании левым и правым ухом все-таки будут наблюдаться. АЧХ излучателя, измеренная при помощи микрофонов, установленных внутри уха, не является плоской, однако разработчики применяемых для измерений муляжей предлагают графики изменения идеальной АЧХ в ушном канале муляжа. Эти графики можно использовать в качестве калибровочных — применять для обработки данных измерений АЧХ с тем, чтобы исключить из тракта влияние муляжа. Вам уже показалось, что теперь мы может определить, является ли АЧХ наших наушников идеально гладкой? Увы, это не так. В отличие от громкоговорителя амбушюра наушника играет роль акустического устройства связи — представляет собой небольшую полость, где располагается как ухо слушателя, так и драйвер. Если форма черепа и торса слушателя на звучание почти не влияет, то ушные полости оказывают на АЧХ наушников и восприятие музыки очень заметное воздействие.

Амбушюра и полость с драйвером обладают собственной акустикой. Здесь, как в любом пространстве возникают отражения, интерференция и поглощение звуковых волн, в итоге на АЧХ возникают пики и провалы. На этот показатель влияет даже то, как надеты наушники. Когда мы слушаем установленные в комнате громкоговорители, мы слышим не только их, но и результаты влияния самого помещения. Форма комнаты тоже вызывает пики и провалы на результирующей АЧХ — отражения, интерференцию и поглощения (такие же возникают в полости наушников). К счастью, эта полость имеет малый объем, поэтому пики и провалы появляются лишь в области выше 2-3 кГц, где наше ухо менее чувствительно к перепадам АЧХ — при условии, что пики не очень высоки, а провалы не слишком широки. Также наш мозг нивелирует индивидуальные особенности строения наших ушей; ведь мы же давным-давно привыкли к ним.

Если пики и провалы передвинуть в область высоких частот, звучание — несмотря на «горбатую» АЧХ — будет казаться гораздо менее окрашенным. В связи с этим достоверно измерить АЧХ наушников выше 2 кГц и даже авторитетно судить о нем становится очень трудно. Если наушники, располагаясь в определенном месте муляжа, дали определенную АЧХ, они же, будучи надеты в том же положении на голову живого человека, не обеспечат такую же АЧХ у его барабанной перепонки! (Впрочем, это отнюдь не значит, что АЧХ не дает достоверной информации о звучании наушников на частотах выше 2 кГц — дает и еще какую!) В связи с этим мы делаем множество замеров: изменяя положение наушников на муляже и меняя сам муляж, подмечаем общее для всех измерений, в частности, высокие пики и широкие провалы на АЧХ. Как акустическая обработка помещения может кардинально улучшить звучание акустических систем, так и анализ наших измерений позволяет менять геометрию амбушюр, их материал и угол наклона, а также конструкцию излучателей с тем, чтобы наушники давали меньше окрашиваний. Мы проводим целую серию критических прослушиваний, используя модели корпусов будущих наушников и применяя методы математического анализа.

Наша задача — создать наушники с естественным точным звучанием. Для этого мы стремимся к тому, чтобы их АЧХ была горизонтальной до 2 кГц, а затем немного снижалась. По нашему мнению, такое снижение отдачи имитирует особенности передачи высоких частот напольными колонками и компенсирует недостатки, связанные с тем, что драйверы наушников находятся друг от друга всего в 20 см (среднее расстояние между ушами человека). В итоге верха передаются более естественно.

Ниже приведены результаты измерения наушников LCD-4, сделанные в точке DRP (ear-drum reference point — у барабанной перепонки) при помощи муляжей, изготовленных Audeze и другими фирмами. Разбежка оказалась довольно значительной, что неудивительно, если учесть разницу в форме ушей и того, как в разных муляжах смоделировано внутреннее ухо человека. Амплитудно-частотные характеристики наушников LCD-4, полученные на разном измерительном оборудовании

Ниже приведены те же измерения LCD-4, но добавлена идеальная, по мнению наших специалистов, АЧХ (красный график).

Идеальная АЧХ для каждого человека будет индивидуальна, поскольку данные измерения позволяют лишь приблизительно судить об отдаче наушников на разных частотах и не способны подменить собой реальное прослушивание. Кроме того, мозг учитывает индивидуальные особенности строения человеческого уха, поэтому звучание наушников с идеальной АЧХ покажется слушателю несколько пресным, тем не менее, отдача будет восприниматься как одинаковая на всех частотах, от баса до верха.

Между тем АЧХ, сколь бы важна она ни была, не является всеобъемлющей характеристикой наушников. Она лишь показывает, с какой амплитудой передается та или иная частота — сильнее, слабее или на том же уровне, что и другие. АЧХ не позволяет сделать вывод о том, вовремя ли воспроизводятся эти частоты (этот показатель называется временнЫм согласованием). Для его определения мы дополнительно измеряем отклик наушников на дельта-импульс.

Почему необходимо измерять отклик на дельта-импульс

По виду отклика на дельта-импульс можно судить о том, как наушники воспроизводят сигнал с крутым фронтом, а это один из важнейших показателей — от него зависит прозрачность звуковых образов и четкость их прорисовки. У двух моделей наушников с одинаковой АЧХ могут оказаться кардинально различное временное согласование, потому и звучать они будут совершенно по-разному. Например, если записать выстрел из ружья и построить его АЧХ, получится довольно однородная по амплитуде кривая в широком диапазоне частот — но такой же вид имеет и АЧХ белого шума! Разница в том, что при выстреле все частоты излучаются практически одновременно, а белый шум формируется в течение более длительного времени.

Наушники с идеальным временным согласованием воспроизводят любой звук в точности так, как он записан. Если поместить у излучателя таких наушников столь же идеальный микрофон, то он зарегистрирует сигнал, ничем не отличающийся от исходного.

Увы, этот идеальный вариант недостижим на практике. Виной тому — физические величины, в первую очередь, инерция. В связи с этим диафрагмы наушников Audeze выполняются из сверхтонкого материала, очень легкого и чрезвычайно быстро откликающегося на движения звуковой катушки, которая создает равномерное усилие по всей поверхности диафрагмы. Такие ухищрения нужны для того, чтобы приблизиться к недостижимому — к идеальному отклику на дельта-импульс. В частности, диафрагмы наушников LCD-4 изготовляются из нано-материала в течение не часов или дней, а нескольких недель, зато они начинают стирать грань между теорией и практикой. Иными словами, фирма Audeze расширяет границы возможного.

Результаты измерения отклика на дельта импульс интерпретировать сложнее, чем АЧХ. Идеальный его график представляет собой вертикальный отрезок — амплитуда мгновенно «подскакивает» от нуля до максимума и тут же возвращается к нулю с минимальными биениями. Получается, что чем меньше времени занимает «подскок» и «возвращение», тем прозрачней оказывается звучание реальных наушников.