Optymalne ustawienie głośników - metoda Audio Physic

Wpływ ustawienia zestawów głośnikowych na odtworzenie obrazów pozornych jest często trudny do oszacowania. Zakładam, że zdecydowana większość audiofili pragnie uzyskać w warunkach domowych przestrzenny obraz słuchanej przez siebie muzyki. Taki, w którym wytworzone źródła pozorne, czy zarys sceny, choć w niewielkim stopniu przypominają rzeczywistość.

Są też tacy, którzy przyczyny niedostatecznej jakości efektów przestrzennych dopatrują się wyłącznie w złej jakości posiadanych komponentów audio. Jest to proste i zarazem bezpieczne "zrzucenie" winy na urządzenia hi-fi. Bardzo często słyszymy o rozgoryczeniu z jakim miłośnicy słuchania muzyki w domowym zaciszu żalą się, twierdząc: "Gdybym miał odtwarzacz CD o jakości wyższej przynajmniej o jedną klasę, to dopiero...". Łatwo jest eksperymentować ze zmianą sprzętu oczekując "drastycznych" zmian w jakości odtwarzanego dźwięku, zwłaszcza gdy sprzyjają temu możliwości finansowe. Prawda jest niestety taka, że przeważająca część użytkowników sprzętu hi-fi zdana jest na korzystanie z zakupionych już wcześniej urządzeń, bez możliwości dokonania sprawnej wymiany na atrakcyjniejsze modele. Ludzie, którym zależy na wysokiej jakości odtwarzania muzyki często zmuszeni są słuchać ulubionych płyt w niewielkich pomieszczeniach, bazując na ich konkretnej akustyce. Nie mają zarazem szerokich możliwości manewru w zakresie adaptacji akustycznej danego pokoju. Nie należy jednak załamywać rąk, tylko w pierwszej kolejności sięgnąć po "darmowe" eksperymenty z ustawieniem zestawów głośnikowych. Należy wszystkich ostrzec, że są to zazwyczaj żmudne i długotrwałe próby, których wymarzonym rezultatem będzie znalezienie w miarę optymalnego rozmieszczenia, znacznie polepszającego dotychczasowy odsłuch.

Chcemy przybliżyć Państwu jedną z koncepcji, której współautorami są Joachim Gerhard i Bernd Theiss, znani ze swych osiągnięć w zakresie projektowania zestawów głośnikowych pod nazwą Audio Physic oraz profesor Malcolm O. J. Hawksford z University Of Essex w Anglii.

Pierwsze kontakty z ustawieniem Audio Physic

Już na wystawie High End '95 we Frankfurcie, w niewielkim pokoju hotelowym jaki wynajęła firma Audio Physic, zwróciliśmy uwagę na bardzo dobre zobrazowanie przestrzenne słuchanych podczas demonstracji fragmentów muzyki. Dość kontrowersyjne mogło wydawać się wtedy ustawienie zestawów Spark, o którym we wstępie do prezentacji dużo opowiadali konstruktorzy. Krótka wzmianka na temat "mikro dostrojenia" sposobu ulokowania kolumn w pomieszczeniu jeszcze bardziej rozbudziła w nas ciekawość zgłębienia tajników nietypowej koncepcji. Kolumny stały poniekąd na środku pokoju. Rok później Audio Physic prezentowało swe nowe kolumny Avanti w znacznie większym pomieszczeniu, a właściwie w jednej z sal konferencyjnych hotelu Kempinski. Podczas przeprowadzonego później wywiadu z Joachimem Gerhardem, Grzegorz poprosił o przybliżenie nam tak ciekawej teorii rozmieszczania zestawów głośnikowych. Osobiście miałem natomiast możliwość wysłuchania pełnego wykładu na ten temat podczas pobytu w Kopenhadze na 100 Konwencji AES. Z niecierpliwością oczekiwałem na sesję odczytów z dziedziny psychoakustyki i słyszenia, na której Joachim Gerhard prezentował pracę zatytułowaną "Rozmieszczanie zestawów głośnikowych w celu optymalnego odtworzenia źródeł pozornych".

Można założyć, że ogólnie znane i opisane są zjawiska dotyczące akustyki typowych pomieszczeń odsłuchowych. Mimo wszystko rzadko spotyka się w literaturze inżynierskiej zalecenia, dotyczące ustawienia zestawów głośnikowych w systemach stereofonicznych. Te, które istnieją, dotyczą głównie ustawień pod kątem najlepszego rozciągnięcia niskich częstotliwości i osiągnięcia liniowości w całym paśmie. A przecież innym ważnym czynnikiem, który występuje od momentu wprowadzenia stereofonii w latach 50-tych, jest wytworzenie obrazów pozornych w normalnych pokojach.

Podstawy psychoakustyczne

Eksperymentując z ustawieniem kolumn, można osiągnąć przestrzenne, transparentne odtworzenia dźwięku, nieraz nawet w pomieszczeniach o trudnej adaptacji akustycznej. Pamiętać należy, że istnieje pewna zależność od rodzaju użytych do eksperymentów zestawów głośnikowych. Pomijając fakt, że metoda proponowana przez autorów oparta jest na wiedzy empirycznej, są oni przekonani o istnieniu dostatecznych danych psychoakustycznych, wyjaśniających korzyści proponowanego przez nich ustawienia. Bardzo często firmy wytwarzające zestawy głośnikowe projektują je w taki sposób, aby wyrównanie charakterystyki przenoszenia niskich częstotliwości możliwe było do osiągnięcia na drodze optymalnego rozmieszczenia ich w pokoju. W fazie projektowania nie skupiają się na efekcie stereofonicznym, związanym z rozstawieniem. Przypuszczalnie taka optymalizacja metody projektowania nie dotyczy zjawiska lokalizacji i nie uwzględnia wymagań dla trójwymiarowego, stereofonicznego odtwarzania dźwięku.

Z psychoakustyki wiadomo, że mózg nie jest w stanie rozróżnić pomiędzy dźwiękiem bezpośrednim a odbiciami, o ile odbicia są opóźnione mniej niż ok. 30ms (w zależności od różnicy poziomów). Efekt ten nazwany został 'prawem pierwszego frontu falowego'. Zgodnie z nim, wczesne odbicia nie wpływają na postrzegany obraz, a szkodliwe są tylko późniejsze. To prawo nie jest jednak do końca ścisłe. Istnieją różne sposoby percypowania, zależne od poziomu, czasu opóźnienia i kierunku odbicia. Na przykład, odbicia z zakresu poniżej 1ms mogą przestrzennie przyciągnąć postrzegany obraz w swoim kierunku. Także powinno być zauważalne, że większość odbić zależna jest od częstotliwości. W rezultacie przestrzenne przesunięcia również zależą od częstotliwości. Dla opóźnień z przedziału 1ms do 5ms, rozszerzenie postrzeganego obrazu ma miejsce także w połączeniu z przesunięciem obrazu ze źródła w kierunku odbicia. Absolutny limit postrzegania dla odbić wynosi ok. -30 dB w odniesieniu do poziomu źródła. Odbicia z opóźnieniami dłuższymi niż 5 ms, ale krótszymi niż ok. 30ms do 80ms nie pogarszają naszych zdolności do lokalizowania dźwięków, tylko dają odczucie zwiększenia przestrzenności. Przy stereofonicznym odtwarzaniu efekt podwyższenia przestrzenności często akceptowany jest jako wartościowy, co zapewne dobrze znamy z praktyki. Odbicia z opóźnieniami dłuższymi niż 80 ms odbierane są jako echo. Należy więc ich unikać przez odpowiednie projektowanie pokoju i jego wnętrza. Z przedstawionych powyżej zależności wynika, że każdy układ zestawów głośnikowych optymalizowany pod kątem najlepszego odtworzenia źródeł pozornych, powinien minimalizować liczbę wczesnych odbić poniżej 5ms i maksymalizować różnicę poziomów pomiędzy sygnałem pochodzącym bezpośrednio od kolumn, a odbiciami.

Ustawienie

Jako punkt wyjścia do osiągnięcia jak najlepszych, końcowych rezultatów zalecono spróbować od ustawienie przedstawione na pierwszym rysunku. W typowo ukształtowanym pokoju odsłuchowym, zestawy głośnikowe ulokowane są w pobliżu ognisk elipsy, którą można wrysować w obwód pokoju (jest to uproszczony model, który może zawodzić w przypadku pokoi kwadratowych). Miejsce odsłuchowe znajduje się blisko jednej z dłuższych ścian pokoju, w środku, pomiędzy zestawami. Odległość słuchacza od tylnej ściany wynosi typowo 0.4 m do 1 m, w zależności od wielkości pokoju. Aby zmniejszyć wpływ modów pokoju, które maksymalnie występują w przypadku ustawienia kolumn w punkcie środkowym pomiędzy dwoma ścianami, obydwa zastawy przesuwa się. Gdy kąt zawarty pomiędzy jednym zestawem, słuchaczem, a drugim zestawem wynosi poniżej 60 stopni, to należy przesunąć je w kierunku do słuchacza. Jeśli kąt jest większy od 60 stopni, przesunięcia dokonujemy w kierunku przeciwnym (od słuchacza). W rezultacie, tak rozpięty kąt powinien zawierać się w przedziale 70 stopni do 90 stopni.

Rys. 1) Szkic zalecanego rozmieszczenia głośników

Odległość pomiędzy słuchaczem a kolumnami ma główny wpływ na wytworzenie obrazów pozornych. Przede wszystkim określa opóźnienie pierwszych odbić od podłogi (rys.2). Przyjmując wysokość h1 na jakiej znajdują się uszy słuchacza podczas odsłuchu kolumn z odległości d oraz wysokość h2 na której znajduje się źródło dźwięku można zdefiniować opóźnienie:

t= 1/c { sqrt [d² + (h₁ + h₂)²] - sqrt [d² + (h₁ - h₂)²]}

gdzie c [m/s] jest prędkością dźwięku. Funkcja ta jest monotoniczną funkcją d i ma maksimum dla d=0. W konsekwencji, im krótsza jest odległość pomiędzy zestawami a słuchaczem, tym dłuższe jest opóźnienie pochodzące od odbić od podłogi. Podobne wnioskowanie dotyczy odbić od sufitu. Inną zaletą krótkiej odległości jest podwyższenie poziomu ciśnienia dźwięku bezpośredniego.

Rys.2) Odbicie od podłogi

Aby przybliżyć jakiego typu problemy występują przy różnych koncepcjach rozstawienia zestawów zastosowano metodę obiektywną, opartą na pomiarach. Zmierzono odpowiedź impulsową kilku popularnych ustawień w pustym pokoju o wymiarach 5.78 m na 3.96 m na 2.4 m. Przyjęto trzy różne rozstawienia kolumn i mikrofonu pomiarowego (A - tzw. ustawienie angielskie; B - tzw. ustawienie niemieckie; C - ustawienie proponowane przez autorów) przedstawione na rys. 3.

Rys. 3) Trzy warianty ustawienia kolumn i mikrofonu do pomiaru odpowiedzi impulsowej

Po przeanalizowaniu wyników pomiarów pierwszych 5 ms odpowiedzi impulsowej można zaobserwować wiele rozproszonych w czasie odbić dla ustawień A i B (rys.4,5). Jest to związane z rozwartymi kątami odbicia sygnału. Zafalowania w dziedzinie czasu będą także powodowały zafalowania w dziedzinie częstotliwości. Wskazuje to na zależność powstawania obrazów pozornych od częstotliwości. W ustawieniu proponowanym przez autorów zaobserwować można tylko trzy odbicia (rys.6). Są one w znacznym stopniu podobne do transjentu inicjującego. Weźmy także pod uwagę, że pierwsze z odbić pochodzi od ściany znajdującej się za pozycją słuchacza. Poczynione obserwacje pozwalają przypuszczać, że odbicie to nie ma zbytnio utrudniającego wpływu na postrzeganie źródeł pozornych. Korzyści uzyskane z wytłumienia lub przesunięcia o taką samą wielkość od ścian całego układu kolumn i miejsca odsłuchowego są raczej subtelne. Pozostałe odbicia mogą być w pewnym stopniu stłumione przy użyciu grubej, wypukło uformowanej pianki, czy gąbki (rys.7). Ustrój taki o wymiarach 1 m na 0.5 m. można zamocować na płasko na odbijających powierzchniach. W warunkach domowych szybko można to sprawdzić wieszając na ścianie np. kilimek.

Rys. 4) Odpowiedź impulsowa zbierana przez mikrofon w ustawieniu A (tzw. ustawieniu angielskim)

Rys. 5) Odpowiedź impulsowa zbierana przez mikrofon w ustawieniu B (tzw. ustawieniu niemieckim)

Rys. 6) Odpowiedź impulsowa zbierana przez mikrofon w ustawieniu C (ustawienie proponowane przez Audio Physic)

Rys. 7) Wpływ rozmieszczenia w pomieszczeniu materiałów tłumiących na odpowiedź impulsową zbieraną przez mikrofon

Mikro dostrojenie

Wyjaśnić należy wspomniany wcześniej termin "mikro dostrojenia" danego ustawienia kolumn. Charakterystyczną cechą proponowanego ustawienia kolumn jest duża czułość na kąty ustawienia kolumn i ich odległości od słuchacza. Po raz kolejny można odwołać się do akustyki psychofizjologicznej. Przy założeniu rozdzielczości ludzkiego słuchu ok. 1.4 stopnia, i uwzględnieniu geometrycznego położenia układu słuchacz-kolumny (dla kąta 80 stopni) można obliczyć, że zmiana ustawienia jednej z kolumn o 12 mm będzie zauważalna w odsłuchu. W osiągnięciu tego, co autorzy nazywają "mikro rozstawieniem" skuteczne okazały się dwie metody postępowania.

Jedna z nich, łatwa do zastosowania w warunkach domowych, to subiektywny test na słuch, natomiast druga, to obiektywne pomiary w dziedzinie czasu - badanie odpowiedzi impulsowej. W rozmowie jaką przeprowadziłem z Joachimem Gerhardem zapewniał on, że znacznie więcej wniosków można wyciągnąć opierając się na takich właśnie pomiarach, niż analizując widmo sygnału i dokonując obserwacji w dziedzinie częstotliwości. On sam nie wie dlaczego tak rzadko operuje się w dziedzinie czasu.

Instrukcja postępowania w przypadku metody "na słuch" jest bardzo prosta. Kiedy znajdzie się właściwe, przybliżone ustawienie zestawów głośnikowych, należy wysłuchać monofonicznego przykładu muzycznego o szerokim pasmie, z zamierzonej pozycji odsłuchowej. Gdy obraz pozorny muzyki jest przesunięty bardziej w jedną stronę na wszystkich częstotliwościach, zestaw głośnikowy znajdujący się po tej stronie należy odsunąć dalej. Trzeba zwiększać odległość małymi przyrostami, do momentu, kiedy główna część muzyki postrzegana będzie ze środka. Gdy wysokie częstotliwości są bardziej zauważane z jednej strony, kolumna stojąca po tej stronie powinna być skręcona na zewnątrz lub kolumnę z drugiej strony należy skręcić do wewnątrz, także przy pomocy małych kroków. Opisane wyżej dwie procedury dostrojenia ustawienia należy powtarzać do momentu osiągnięcia stabilnego obrazu przy wszystkich częstotliwościach.

Rys. 8) Suma i różnica odpowiedzi impulsowej w przypadku gdy jeden z głośników jest oddalony o 5 cm od pozycji optymalnej

Dokonując "mikro rozstawienia" za pomocą pomiarów należy rozpocząć od umieszczenia mikrofonu w pozycji centralnej, w której normalnie znajduje się głowa słuchacza. Mierząc równolegle odpowiedź impulsową dwóch zestawów głośnikowych, można zaobserwować różnicę w odległości jako podwójny impuls (rys.8). Następnie zmieniamy pozycję jednej z kolumn do momentu, gdy z pomiarów uzyskamy tylko jeden impuls. Kolejnym krokiem będzie podłączenie jednego z zestawów w przeciwfazie i zmienianie kąta jego ustawienia do momentu maksymalnego wygaśnięcia impulsu. W celu uwiarygodnienia zabiegów związanych z "mikro dostrojeniem" można przedstawić na wykresie sumę i różnicę sygnałów dwóch optymalnie rozstawionych kolumn (rys.9).

Rys. 9) Suma i różnica (kolumny podłączone w fazie lub w przeciwfazie) odpowiedzi impulsowej po wykonaniu mikro rozsatwienia

Wymagania dotyczące kolumn

Należy także zwrócić uwagę na wymagania odnośnie kolumn głośnikowych. Istotnym problemem o jakim należy pamiętać, jest fakt, że nie każda para zestawów głośnikowych odpowiednio dobrze pracuje przy proponowanym ustawieniu. Wiąże się to bezpośrednio z niewłaściwym dopasowaniem lub - potocznie mówiąc - sparowaniem kompletu kolumn. Różnica poziomów pomiędzy dwoma zestawami wynosząca 0.5 dB może powodować przesunięcie obrazu o 1 stopień. Kolumny powinny także być zaprojektowane pod kątem niskich efektów dyfrakcyjnych zachodzących na krawędziach obudowy.

Podsumowanie

Tak ciekawy projekt był wynikiem wieloletnich, subiektywnych doświadczeń. Mimo to, jego zalety mają odniesienie do wiedzy z psychoakustyki, a także znajdują potwierdzenie w przeprowadzonych pomiarach. Myślę, że przeczytanie niniejszeg artykułu przybliży Państwu problematykę związaną z ustawieniem zestawów głośnikowych w pomieszczeniu odsłuchowym. Celem pracy Joachima Gerharda i jego przyjaciół było zachęcenie ludzi zainteresowanych odtwarzaniem trójwymiarowego dźwięku audio, aby eksperymentowali we własnym zakresie. Może tym razem część z Państwa, którzy nie mają możliwości zmiany pokoju odsłuchowego, czy wymiany sprzętu spróbuje tanim kosztem na nowo "odkryć Amerykę". Pierwszy kierunek przedstawiło Audio Physic. Zaproponowali ustawienie zestawów głośnikowych, dające bardzo dobre rezultaty przy odtwarzaniu obrazów pozornych. Jak napisali w podsumowaniu swej pracy, tylko w ten sposób można ocenić prawdziwy potencjał zawarty w dwóch kanałach stereo i dwóch kolumnach.

Michał Kamiński