Компания Meridian Audio выбрала практически уникальный путь в проектировании своих аудиосистем, и в особенности акустических систем, где сигнал остаётся в цифровом виде до самого последнего момента, а акустика включает цифровые кроссоверы и обработку сигналов.

В первой статье из серии, посвящённой продукции и технологиям Meridian, Ричард Элен рассматривает философию компании в области проектирования цифровых акустических систем с цифровой обработкой сигналов (DSP).

Флагманские акустические системы Meridian DSP8000 — воплощение высокой производительности.

Рис. 1: Традиционная компоновка — один усилитель мощности питает двухполосную акустическую систему с пассивным кроссовером.

В каждой статье этой серии мы будем рассматривать различные аспекты аудиотракта — от источника до акустической системы. Учитывая их важность для общего воспроизведения звука, мы в первую очередь рассмотрим, что происходит в конце линии, а именно системы усиления и сами акустические системы, ведь именно здесь компания Meridian во многом прокладывает свой собственный курс среди производителей потребительской аудиотехники, предлагая решение, которое одновременно элегантно, эффективно и способно обеспечить исключительно высокое качество звука.

Традиционный подход

Традиционный метод проектирования аудиосистемы существует уже давно и практически не изменился за эти годы. Сигнал от источника, например проигрывателя компакт-дисков, подаётся на предусилитель или контроллер, а оттуда на линейном уровне на усилитель. От этого центрального блока оборудования сигнал высокого уровня поступает через длинные кабели к самим акустическим системам.

Тюнинг или High-Fidelity?

Задумайтесь на мгновение о вашем автомобиле. Вы покупали двигатель у одного производителя, подвеску у другого, а коробку передач у третьего? Скорее всего, нет. Тем не менее именно так часто собираются дорогие high-fidelity системы. О том, как будет работать такая составная система, как правило, ничего не известно и узнать невозможно. Компоненты выбираются независимо друг от друга и вне контекста звучания системы в целом, часто на основе неуместной, недостоверной или просто ошибочной информации.

Неудивительно, что священный грааль аудио — «музыкальность» — труднодостижим, если вообще достижим, в традиционной аудиофильской среде. В лучшем случае системы такого типа не являются интегрированными, а представляют собой тюнинговые автомобили: они хорошо делают что-то одно. Вот почему дорогие системы зачастую звучат наилучшим образом только при воспроизведении одного типа музыки.

Компания Meridian верит в полную, интегрированную систему и в то, что систему следует оценивать по тому, насколько хорошо весь комплект работает в реальных условиях. Вот почему все компоненты компании явно «говорят на одном электрическом и акустическом языке». Хотя их работа с оборудованием других производителей является образцовой, они по-настоящему раскрываются в ансамбле с оборудованием той же родословной.

За почти тридцать лет существования компания Meridian не только освоила параметры, на которых основана превосходная система высочайшего качества, но и усовершенствовала способность проектировать отдельные компоненты, составляющие такую систему.

Не забывайте, что система Meridian может быть такой же простой, как проигрыватель компакт-дисков и пара акустических систем DSP. Поскольку усилители и управление находятся в акустике, вам больше ничего не нужно.

Рис. 2: Альтернативная компоновка, при которой электронный линейный кроссовер питает пару усилителей, подающих сигнал на низкочастотный динамик и твитер.

Если вы рассмотрите подавляющее большинство современных и прошлых усилителей и акустических систем, вы найдёте ту же картину: один канал усиления обрабатывает весь слышимый диапазон частот системы. Одна пара кабелей передаёт этот сигнал в корпус акустической системы, а внутри корпуса высокоуровневый аудиосигнал разделяется на несколько полос и подаётся на соответствующие динамики. Схема, которая выполняет это разделение, называется кроссовером, и она состоит из ряда фильтров, разделяющих различные полосы в соответствии с требованиями различных динамиков.

Простейшим примером этого традиционного подхода является двухполосная акустическая система, где выходной сигнал усилителя с полной шириной полосы подаётся на пассивный кроссовер, который формирует сигналы для твитера и низкочастотного динамика.

Как выясняется, это один из худших подходов, поскольку обработка высокоуровневых аналоговых сигналов требует, чтобы компоненты в первую очередь выбирались по их мощностным характеристикам, а не по качеству звука. Фильтры требуют индуктивности, ёмкости и сопротивления, и для работы на высоких уровнях и низких сопротивлениях, порядка нескольких Ом, без потери эффективности эти компоненты часто далеки от совершенства. Индуктивности имеют железный или ферритовый сердечник, а конденсаторы являются неполярными электролитами, что вносит искажения. На самом деле всё сложнее управлять на высоких уровнях мощности. Внезапно кабели, соединяющие выходы усилителя с акустическими системами, могут влиять на звук системы, что выгодно только производителям дорогих кабелей.

Даже если практически, ценой больших затрат, использовать индуктивности с воздушным сердечником и плёночные конденсаторы, дизайнеру всё равно сложно избежать компромиссов в частотной характеристике кроссовера, не создавая неприятных нагрузок на усилитель с точки зрения сопротивления или фазового угла. Кроме того, относительная эффективность динамиков должна быть хорошо согласована, чтобы избежать потери мощности и демпфирования, это ограничивает выбор дизайнера. Посмотрите на это иначе: в пассивной системе единственная мощность, доступная для питания компонентов кроссовера, это сам сигнал.

Решение, давно известное в профессиональной области, заключается в работе кроссовера на линейном уровне, то есть до усиления. Затем усиление следует после кроссовера, а не предшествует ему. В современных профессиональных системах живого звука чрезвычайно распространено передавать линейный сигнал на активный электронный кроссовер, затем на усилитель и, наконец, к реальным динамикам акустической системы.

Цифровой звук: музыка для ушей

Цифровая аудиотехнология теперь широко признана экспертами отрасли как лучшее средство для прослушивания музыки дома. Поскольку музыка, записанная в цифровом формате, может передаваться, даже на большие расстояния, и воспроизводиться без изменений из оригинала, подобно азбуке Морзе по телеграфной линии.

Почему это важно? Традиционные аналоговые системы ведут себя во многом как детская игра, в которой каждый игрок повторяет шёпотом услышанное сообщение следующему игроку в ухо, и так по цепочке. Каждая аналоговая связь, проигрыватель, усилитель, кабель, динамик, шепчет аналогию того, что слышит, следующему, но что-то всегда теряется или добавляется. То, что получается в конце, хотя и может быть очаровательным, может не походить на оригинальное сообщение.

Цифровой звук сначала кодирует музыку как цифры, единицы и нули, в паттернах, описывающих определённые звуковые волны. Это двоичный язык компьютеров, и спутать единицу с нулём очень сложно. Сколько бы ни была длинна цепь, в её конце цифровое оборудование слушает только паттерны этих двух цифр, которые оно собирает обратно в музыку, игнорируя всю остальную шёпотом переданную информацию как шум. Отсюда кристальная чёткость хорошего цифрового звука: никакая деталь не потеряна, никакой шум не добавлен.

Среди аудиофильских истин первостепенна та, что электронный путь музыки к нашим ушам должен быть как можно короче и проще, это сохраняет хрупкие нюансы живого исполнения. Вот почему, например, аудиофилы давно отвергают аналоговые регуляторы тембра, правильно видя в них электрические лабиринты, где тонкие музыкальные детали теряются или искажаются.

Однако типичная аудиофильская система в стиле пуриста далеко не чиста. Скорее, это путаница компонентов с различными реактивными свойствами, сплетённых вместе через клубок электрически причудливых кабелей. Каждый элемент удлиняет путь и повреждает деликатные гармонические, фазовые и другие соотношения, формирующие музыку. Забавная ирония заключается в том, что эти коробки и кабели обычно подбираются для регулировки тембра: каждый элемент выбирается по тому, как его голос изменяет сообщение.

Почему бы просто не заменить всю испорченную цепь одним прозрачным цифровым звеном, особенно если источник музыки уже цифровой? В компании Meridian именно это и сделали. По сути, было решено преобразовать сигнал от источника в цифровую форму как можно раньше и на самом высоком уровне качества, если он ещё не был цифровым, затем поддерживать этот сигнал в цифровом виде как можно дольше, прежде чем преобразовать его обратно в аналоговый. Хотя часть слуховой системы от среднего уха до мозга фактически является цифровой, аналоговые звуковые волны несут звук от динамика через воздух к уху. Таким образом, в полной системе Meridian сигнал преобразуется из цифрового в аналоговый только непосредственно перед тем, как он поступает в усилитель.

Однако такой подход, би-ампинг или три-ампинг системы, слишком сложен и подвержен ошибкам, чтобы быть очень практичным в потребительской области.

Активная акустическая система

В середине 1970-х годов би-ампинг был почти неизвестен. Ещё более нетрадиционным был первый продукт компании Meridian, активная акустическая система M1, которая размещала как активный кроссовер и усиление, так и соответствующий блок питания в том же корпусе, что и динамики. Принцип показан в упрощённой форме на Рисунке 2.

Этот метод даёт ряд важных преимуществ. Во-первых, существует простое линейное соединение между предусилителем и акустическими системами: большой, тяжёлый блок и связанная с ним коммутация исчезают в одно мгновение. Во-вторых, кроссовер работает на линейном уровне, поэтому требования к компонентам такие же, как, например, у предусилителя, и качество такого кроссовера должно быть эквивалентным. Могут использоваться компоненты высочайшего качества, например металлоплёночные резисторы и пластиковые конденсаторы.

Но преимущества есть не только в компонентах. Дизайнер активного кроссовера может проектировать каждый элемент кроссовера, включая независимую регулировку фазы и амплитуды, а также фильтры со сложными характеристиками, требуемыми акустической системой, не беспокоясь о таких вопросах, как согласование эффективности динамиков или сопротивление конфигурации.

Кроме того, есть ещё одно важное преимущество: усилители подключены напрямую к динамикам, по одному усилителю мощности на полосу кроссовера. Прямое подключение означает, что усилитель может контролировать динамик по всему его диапазону. Постоянное соединение между усилителем и динамиком обеспечивает высокий коэффициент демпфирования.

Простыми словами, это означает, что если диффузор динамика совершает движение не из-за входного сигнала, в результате резонанса например, электрическая энергия, генерируемая этим движением, передаётся обратно на усилитель и сдерживает движение диффузора, позволяя усилителю контролировать динамик. Электромагнитное демпфирование уменьшает резонанс, эффекты диффузора и паразитные призвуки. Мало того: прямое соединение между усилителем и динамиком означает, что усилитель может контролировать движение диффузора за пределами диапазона полосы кроссовера, назначенной ему, это важно, потому что резонансная частота твитера, например, часто может быть за пределами частотной полосы, подаваемой на него кроссовером. В активной системе усилитель может справиться с этим, в пассивной нет.

Этот жёсткий контроль также позволяет системе Meridian прекрасно звучать на любом уровне, от шёпота до удивительно громкого крика. Также важно рассматривать акустическую систему как полную систему. Для дизайнера это даёт гораздо больше возможностей, чем просто би-ампинг существующей пассивной конструкции.

Меньше мощности — больше звука

На первый взгляд, у этого подхода есть недостаток: система требует усилителя мощности на каждую полосу кроссовера, а не просто один. Однако правда заключается в том, что активная акустическая система гораздо эффективнее. Когда один усилитель используется в пассивной системе, помимо мощности, рассеиваемой в виде тепла в кроссовере, необходимо также предусмотреть в усилителе резервы на всевозможные непредвиденные обстоятельства: странные сопротивления на определённых частотах, широкий диапазон нагрузок и так далее. Распространённый способ справиться с этими возможностями заключается в том, чтобы дать усилителю мощности в четыре раза больший ток, чем ему нужно, а также обеспечить его и его блок питания способностью обрабатывать странные нагрузки, с которыми он может столкнуться при использовании.

Проектирование для неизвестного неизбежно означает избыточное проектирование. Но в правильно интегрированной активной системе каждая часть системы, включая усилители и блок питания, может быть спроектирована специально для обеспечения требуемой мощности, не более и не менее, и на известную, тщательно определённую нагрузку. Это может очевидно улучшить эффективность и снизить необходимость в избыточном проектировании. Таким образом, такая конструкция не обязательно должна быть дороже традиционного пассивного подхода. Она, безусловно, может быть более эффективной и действенной.

Но есть ещё кое-что. Представьте, что мы слушаем музыкальное произведение, включающее бас-партию и тарелки, и что для точного воспроизведения этого на выбранном уровне в двухполосной системе мы хотим видеть реалистичное напряжение 20 В пиковой амплитуды на клеммах как твитера, так и низкочастотного динамика. Для этого в пассивной системе, даже игнорируя потери в кроссовере, усилителю необходимо создать 40 В пиковой амплитуды. Для системы с сопротивлением 8 Ом это требует средней мощности 100 Вт, по закону Ома мощность равна квадрату напряжения, делённому на сопротивление. В эквивалентной активной системе с линейным входом 1 В пара усилителей по 25 Вт справится с той же задачей.

Распространите эту логику на трёхполосную систему, и три усилителя по 25 Вт в активной конфигурации сделают ту же работу, что и усилитель на 250 Вт, питающий пассивную систему. В качестве примера из продуктовой линейки Meridian: DSP6000 включает четыре канала усиления по 70 Вт. Это эквивалентно примерно 1 кВт для обычной пассивной системы.

DSP8000 — внутреннее устройство

Жёсткий корпус, ламинированный из русской берёзовой фанеры и алюминиевого сплава, покрыт шестью слоями вручную нанесённого рояльного лака. Шесть горизонтально расположенных низкочастотных динамиков нейтрализуют резонанс корпуса. Задний размещённый кроссовер DSP и восемь усилителей мощности установлены на прецизионно обработанном радиаторе.

Из этих сравнений видно, что активная система может производить удивительно высокие уровни громкости от значительно меньшей усилительной системы. В активной системе достижимы значительные улучшения эффективности, даже если её сложнее проектировать, или, скорее, можно сказать, что можно реализовать более сложную конструкцию со многими дополнительными функциями для достижения этих и других преимуществ.

Расширение низких частот

Активная акустическая система — это не просто улучшение эффективности и общей производительности системы. Активный подход может обеспечить преимущества, которые пассивная система просто не способна реализовать. Мы не можем изменить законы физики, но можем использовать их в наших интересах.

Существует известная зависимость между нижней частотой среза минус 3 дБ, физическим объёмом корпуса и эффективностью. Она выражается формулой: эффективность равна объёму, делённому на частоту в кубе, умноженному на константу, связанную с конструкцией системы. Если кратко, это означает, что цена уменьшения корпуса — либо меньше басов, либо ниже эффективность. Возможность рассматривать активную акустическую систему как полную систему, активный кроссовер с фильтрацией, усилитель, блок питания, динамик и корпус, позволяет модифицировать общую характеристику и производительность системы, по существу изменяя эту константу в приведённом выше уравнении.

Например, оригинальная система Meridian «Interactive Bass» использовала вспомогательную фильтрацию, и особое согласование обеспечивает спад шестого порядка плюс дополнительную октаву басов по сравнению с пассивной акустикой того же объёма и эффективности. Выражаясь более впечатляюще, пассивная акустическая система с эквивалентным воспроизведением басов потребовала бы в восемь раз больший объём или вдвое большие линейные размеры.

Кроме того, это согласование минимизирует движение диффузора низкочастотного динамика для заданной выходной мощности. Действительно, отклонение диффузора для фазоинверторной системы, такой как DSP7000, 5000 или 5500, составляет лишь одну треть от того же динамика в пассивном закрытом корпусе при равном широкополосном возбуждении.

Возможность воспроизводить басы из корпуса в восемь раз меньшего объёма — полезная способность, поскольку это позволяет создавать акустические системы физически подходящего размера, в человеческом масштабе. Это означает, что они легче вписываются в комнату и занимают меньше места. Но это также означает, что стереообраз и образ окружающего звука будут значительно улучшены, потому что чем ближе акустические системы к точечному источнику, тем больше они могут «исчезнуть» при воссоздании звукового поля в комнате для прослушивания, особенно при использовании продвинутых технологий декодирования Meridian, таких как Ambisonics и Trifield.

Цифровой канал связи

Когда началось широкое распространение цифровых носителей для распространения музыки, от Compact Disc в 1984 году до DVD и новейшей спецификации DVD-Audio, появился ещё один шаг, который можно было сделать: хранить сигналы в цифровой области как можно дольше, от источника до акустической системы.

Когда речь заходит об активных акустических системах, цифровой дизайн имеет много преимуществ. Во-первых, нет длинных аналоговых кабелей, несущих линейные сигналы к акустическим системам с возможностью наводки гула и шума. Вместо этого требуется только тонкий кабель, несущий один канал цифровых аудиоданных. Фактически добавляется второй кабель для коммуникационных сигналов между различными частями системы, но он не несёт аудио. Полный уровень подаётся на акустические системы, устраняя потенциальные проблемы с шумом на низких уровнях сигнала, и у акустической системы теперь есть пользовательский интерфейс, по крайней мере для управления и индикации громкости. Фактически акустические системы Meridian имеют дисплей, который может отображать ряд параметров системы или может быть выключен.

Измерение DSP

Теперь мы подходим к тому, что является, пока, последним шагом на этом пути: добавлению цифровой обработки сигналов к цифровой акустической системе. В конструкциях акустических систем Meridian DSP цифровая обработка сигналов используется для реализации кроссовера.

Это означает, что цифро-аналоговый преобразователь может быть размещён ещё позже в цепи. Фактически отдельный преобразователь используется для каждой полосы акустической системы, максимизируя динамический диапазон системы. Текущая система может обеспечить до 120 дБ, обеспечивая лучшую интермодуляционную производительность и уровень собственного шума ниже 10 дБ УЗД.

Однако это только начало. Благодаря цифровой обработке сигналов на борту можно сделать гораздо больше. Например, можно проектировать «невозможные» кроссоверы с линейной фазой, крутыми срезами и компенсацией временных задержек. И благодаря высокоточной фазировке между динамиками «луч» системы может быть направлен для наилучшего восприятия в позиции прослушивания. Существует даже контроль оси, который позволяет точно настроить среднечастотный диапазон в соответствии с ростом слушателя.

Регулировка громкости в акустической системе Meridian DSP осуществляется прецизионной комбинацией аналоговых и цифровых методов, сочетающих лучшее из обоих миров. Кроме того, «баланс» — это не просто изменение относительных уровней динамиков. Вместо этого регулировка баланса — это регулировка «Где я сижу?». Если вы слушаете стереосистему и перемещаетесь влево, вы слышите больше уровня от левого динамика, потому что вы ближе к нему, и дальше от правого, от которого слышите меньше. Но это только часть картины.

Поскольку вы ближе к левому динамику, звуку требуется меньше времени, чтобы добраться от динамика до ваших ушей, и вы дальше от правого динамика, поэтому звук прибывает дольше. Подход компании Meridian к «балансу», использующий возможности цифровой обработки сигналов, автоматически регулирует эти тонкие временные задержки, поэтому где бы вы ни решили сесть, сигналы прибудут в нужное время, а также на нужном уровне.

Кроме того, процессоры компании могут обеспечивать декодирование с использованием технологий Trifield и Ambisonic, которые буквально воссоздают объёмный образ оригинальной среды в комнате для прослушивания, производя невероятно реалистичный опыт объёмного звука и даже поворачивая звуковую сцену в соответствии с местоположением слушателя.

Акустические системы Meridian DSP используют внутреннее разрешение 48 бит с фиксированной точкой. Это намного превышает то, что кто-либо может реально услышать, но при выполнении операций цифровой обработки сигналов создаются дополнительные биты, и жизненно важно их сохранять. Кроме того, каждый раз, когда цифровые сигналы обрабатываются, они должны быть правильно дитерированы.

Дитеринг — это особая форма шума, который добавляется к цифровому сигналу каждый раз, когда над ним выполняются операции. Он сглаживает несовершенства и значительно улучшает звук системы. Фактически, правильно оптимизированный сигнал дитеринга может сделать разрешение цифровой системы фактически бесконечным.

Технология цифровой обработки сигналов также используется для обеспечения дополнительных функций, таких как регуляторы тембра, и, поскольку динамик знает уровень звукового давления, которое он производит, регуляторы громкости могут быть реализованы более естественно, чем когда-либо прежде. Те же принципы могут обеспечить динамическое расширение басов в меньших акустических системах, где низкие частоты усиливаются больше на низких уровнях. Система вычисляет движение диффузора, частоту и уровень, и в результате может обеспечить защиту басов, отключаясь при риске превышения параметров. Также вычисляется температура звуковой катушки, позволяя обеспечить точную тепловую защиту. И наконец, может быть рассчитана компенсация для различных расположений акустической системы в комнате, например компенсация границ, когда она размещается около стены.

Цифровая обработка сигналов также применяется, когда вы используете систему на разных уровнях. Наши уши менее чувствительны к басам и высоким частотам, когда мы слушаем тихо. Цифровая обработка сигналов может компенсировать это в соответствии с тщательно исследованными психоакустическими принципами.

Акустические системы человеческого размера

Акустические системы Meridian выглядят, как и звучат, отчётливо, и, конечно, оба эти фактора связаны. Было показано, что акустические системы, которые максимально приближены к человеческим, производят наилучший звуковой образ, в некотором смысле отражая положение человеческих органов чувств.

«Голова» акустической системы Meridian DSP, как показано на DSP8000, производит подавляющее большинство звука от 200 Гц и выше, а это именно тот диапазон, где происходит стерео и окружающая локализация. Если убрать или отключить «голову», вы можете очень мало что различить. Психоакустически мы лучше всего слушаем в небольших пространствах, в акустических системах, которые имеют сходные физические характеристики с говорящим человеком.

Акустические системы компании по сути «человеческого размера», потому что психоакустические исследования указывают, что люди наиболее развиты, чтобы воспринимать звуковую систему такого размера, и поэтому она будет звучать наиболее естественно.

Столько же усилий уходит на дизайн корпуса, сколько и на электронику внутри, и ключевая идея здесь — чрезвычайно высокая целостность конструкции. Корпуса тяжёлые и жёсткие, без случайного движения. Как правило, они включают несколько слоёв дерева и металла, скреплённых вместе для максимального демпфирования. DSP6000 и DSP8000, например, включают боковые низкочастотные динамики, которые расположены горизонтально друг против друга, так что суммарное движение равно нулю. Продвинутые материалы гарантируют, что корпус настолько инертен, что движение прекращается мгновенно, как только прекращается возбуждение, без каких-либо призвуков.

Акустические системы Meridian DSP лучше всего рассматривать как музыкальные инструменты. Наиболее сложные для воспроизведения звуки — это звуки отдельных инструментов, например фортепиано или флейта, и небольшие ансамбли, которые находятся в том же масштабе, что и комната для прослушивания. Если бы вы записали живое струнное трио в вашей среде прослушивания, самым сложным тестом для системы высокой верности было бы воспроизвести этот опыт в той же комнате. Акустические системы Meridian DSP поднимаются к этой задаче.ы