Устройства частотной обработки звуковых сигналов

Очевидно, не будет преувеличением сказать, что наиболее часто встречающаяся и наиболее широко используемая обработка звуковых сигналов - это обработка, связанная с изменением их тембра (частотная коррекция, эквализация, и др. синонимы). И даже в аппаратуру Hi-End после длительных дискуссий в стиле “психиатрической акустики” - стали, скрепя сердце, устанавливать регуляторы тембра... Однако, несмотря на широту применения и обилие их конструкций, у нас нет пока литературы, содержащей в систематизированном и доступном виде обобщенные сведения об этом классе звукопроцессоров. Постараемся в меру своих сил восполнить это упущение - правда, пока в скромном объеме журнальной статьи. О том, какие бывают устройства частотной обработки звуковых сигналов, чем они отличаются друг от друга, и еще кое о чем - и рассказывает приведенный далее материал.

Все множество устройств, осуществляющих частотную обработку сигналов, по характеру их влияния на АЧХ можно условно разделить на две основные группы.

Одна группа - это устройства, предназначенные для ручного, оперативного изменения АЧХ звукового тракта оператором в процессе проведения живого концерта, звукозаписи, и т.д. Эти устройства носят самые различные названия - эквалайзеры, темброблоки, усилители-корректоры, фильтры присутствия, и т.д. и т.п. Отличительная их черта - это то, что все вышеперечисленные элементы трактов не имеют какой-то своей собственной, заранее заданной АЧХ. Их характеристики устанавливаются звукорежиссером в процессе работы, причем вносимое ими в АЧХ изменение может быть как отрицательным - “завал”, так и положительным - “подъем” каких-либо частот (или полос частот) звукового диапазона. Как правило, все они имеют множество регуляторов.

Устройства другой группы - предназначены только для ограничения вами диапазона (полосы частот) звукового тракта, они не дают возможности осуществлять подъем или завал отдельных частот звукового спектра, и могут изменять АЧХ (подавлять, “обрезать” сигналы) только на краях звукового диапазона. Эти устройства носят название обрезных фильтров (иногда - просто “фильтров”). Изменение их характеристик вами практически невозможно, и в силу этого - они имеют либо просто одну кнопку для включения их в тракт, либо (в самом сложном случае) - еще и возможность перестройки частоты среза. Но обо всем этом - чуть позже.

Давайте начнем рассмотрение с того, что наиболее часто применяется в работе - с эквалайзеров (корявое, конечно, слово, но - оно уже прижилось в нашем языке, и приходится с этим смириться). Итак...

Эквалайзеры

Эквалайзеры, с которыми вы можете встретиться на практике, отличаются большим разнообразием - от простейших НЧ и ВЧ, и до сложнейших полностью параметрических. Причем все эти типы эквалайзеров могут быть изготовлены по двум довольно сильно между собой различающимся принципам их построения - по последовательной схеме, или по параллельной.

В последовательной схеме - весь сигнал проходит все элементы и узлы схемы, независимо от того, будет ли данная часть спектра сигнала изменяться в этом каскаде или нет (рис.1).

Рис.1

В параллельной схеме - входной сигнал набором параллельно включенных фильтров разделяется на ряд частотных полос, выходные сигналы которых затем складываются со всем входным сигналом, или вычитаются из него (рис.2).

Рис.2

Исторически - появились первыми именно простейшие НЧ и ВЧ регуляторы последовательного типа, причем самые первые их образцы могли осуществлять лишь ослабление (“завал”) АЧХ, да и то - только на краях звукового диапазона . Более совершенные модели, появившиеся впоследствии (схема Баха, и др.) - уже позволяли обеспечить также и подъем в АЧХ. Пройдя достаточно длинный эволюционный путь, схемы этих регуляторов НЧ и ВЧ приобрели вид, показанный на рис.3.

Рис.3

По приведенной схеме изготавливаются практически все современные регуляторы НЧ и ВЧ, о которых в описаниях вашей аппаратуры (не совсем, правда, верно) сказано - “регуляторы типа “shelf””. (Ниже мы еще вернемся к этому вопросу.) Резистором R1 - регулируется АЧХ в области высоких частот, а резистором R2 - в области низких частот. Регуляторы этого типа (от английского слова SHELF - “полка”) не имеют явно выраженной частоты настройки, и их АЧХ имеет максимальную глубину регулирования на краях звукового диапазона, и плавно уменьшается к его середине.

Так как оба регулятора имеют общий вход и собраны на одном же активном элементе - операционном усилителе (ОУ), то очевидно, что они неизбежно оказывают влияние друг на друга. Но в силу того, что работают они на прямо противоположных краях спектра, достаточно далеко отстоящих друг от друга, это взаимовлияние сравнительно невелико. Сказывается оно только в средней части звукового диапазона, и в нормально спроектированных темброблоках, как правило, не превышает величины в 1-2 дБ на частоте 1 кГц. (Эта частота в звукотехнике условно принята за среднюю частоту звукового диапазона.)

Некоторые же фирмы в погоне за дешевизной, пытаясь одновременно с этим создать якобы более “крутые” микшерские пульты, непосредственно в описанный выше регулятор добавляют еще и цепи для регулирования тембра звука на средних частотах. Вот тут-то цирк и начинается!..

Например, один из широко распространенных в нашей стране дешевых пультов (да, да - Вы правильно догадались, это именно "Берингер"... L ) имеет в своем темброблоке, входящем в состав ячеек, регулятор тембра в области СЧ на фиксированной частоте 2,5 кГц (так, по крайней мере, указано на лицевой панели). Но... Увы, это верно только для случая регулировки “в плюс”, т.е. для осуществления подъема на этой частоте. При попытке же осуществить указанным регулятором ослабление сигнала на СЧ - частота, на которой будет происходить изменение АЧХ, оказывается, во-первых, ниже, чем указанная, а во-вторых - эта частота будет еще и зависеть от взаимного положения(!) регуляторов ВЧ и СЧ. Причем изменяться она будет от своей номинальной (2,5 кГц) и аж до 1 кГц! Нужен ли вам пульт с таким горе - “эквалайзером”, решайте сами. Мы же, со своей стороны, посоветовали бы помнить известную фразу - “Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной!”...

По мере дальнейшего развития радиоэлектроники вообще и звукотехники - в частности, стали создаваться и все более сложные регуляторы тембра. Сначала, в дополнение к рассмотренным широкополосным регуляторам НЧ и ВЧ появились регуляторы, обеспечивавшие возможность регулирования тембра на нескольких фиксированных частотах. Они, как правило, были собраны на LC-контурах, и в силу этого - были громоздки и дороги, и только немногие могли позволить себе такую технику...

Положение самым радикальным образом изменилось с появлением и широким распространением транзисторов и микросхем. Успехи в развитии схемотехники позволили создавать электронные аналоги трудоемких в изготовлении моточных элементов - катушек индуктивности, с электронным же управлением самой величиной их индуктивности. И в широкую практику вошли ныне хорошо знакомые всем графические и параметрические эквалайзеры и их всяческие разновидности, в том числе упрощенные - полупараметрические, фильтры присутствия, и прочие.

Графический эквалайзер - это, в сущности, одна из разновидностей темброблоков, сконструированных для регулирования тембра на нескольких фиксированных частотах. Только органы управления им - выполнены в виде “движковых” регуляторов, благодаря чему положение их ручек как-бы “отображает” АЧХ устройства в графическом виде, откуда и произошло само это название. Следует, однако, помнить, что в этих эквалайзерах этого типа можно регулировать только величину подъема/завала АЧХ, остальные параметры определяются его схемотехникой, и их изменение звукорежиссером - невозможно.

Частоты, на которых осуществляется регулирование в этом типе эквалайзеров - унифицированы, и выбираются ряда стандартных частот, которые перекрывают весь звуковой диапазон и отстоят друг от друга на некоторый постоянный интервал. Этот интервал может составлять октаву, ее половину, или треть. Наибольшие возможности, естественно, имеют именно треть-октавные графические эквалайзеры, которые в силу этого и получили наибольшее распространение. Они могут быть выполнены как по параллельной, так и по последовательной схеме, однако последний вид - наиболее распространенный.

Число полос регулирования может составлять от 27 (в недорогих моделях) до 31 - в серьезных, дорогостоящих. Наиболее часто графические эквалайзеры применяются для обработки уже суммарного сигнала, для “доводки” общей картины, а не отдельных составляющих, как другие виды эквалайзеров. Правда, отчасти это может объясняться и их относительной дороговизной.

Здесь необходимо сделать небольшое пояснение. Ни для кого, в сущности, не секрет, что графические эквалайзеры разных фирм - и звучат существенно по-разному. А если учесть тот факт, что построены они по одному принципу, по идентичным структурным схемам, и по почти идентичным - принципиальным, то невольно возникает вопрос (почти по Жванецкому!) - “а почему, собственно?” А ответ - в последнем, совсем маленьком, слове “почти”.

Как ранее уже говорилось, в графических эквалайзерах применяются не сами катушки индуктивности, а их электронные аналоги. Очевидно, что эти аналоги - можно создавать схемотехнически различным образом. И вот тут-то “собака и порылась”!

“Нормальный” колебательный контур - имеет АЧХ, симметричную относительно его резонансной частоты (например - такую, как кривая 1 на рис.4).

Рис.4

Вот с его электронным аналогом - уже сложнее. В силу неидеальности характеристик основных “строительных кирпичиков” современной звуковой схемотехники - операционных усилителей (ОУ), АЧХ электронных аналогов “обычных” элементов могут довольно сильно отличаться от таковых для своих реальных физических прототипов. У наиболее распространенных эквалайзеров недорогих фирм, вынужденных ради снижения цены экономить буквально на всем, применяется простейший и дешевейший заменитель катушек индуктивности. Следствием этого - является тот грустный факт, что АЧХ самой такой “электронной катушки”, как и эквалайзера в целом, несимметрична, причем величина этой асимметрии пропорциональна частоте регулирования, и увеличивается с ее увеличением. Т.е. в области низких частот - большинство графических эквалайзеров разных фирм имеют почти идентичные АЧХ. В области же высших частот звукового диапазона - в дешевых эквалайзерах АЧХ довольно сильно искажается, становясь по мере роста частоты все более “кривой”, захватывая все больше и больше сигналов, лежащих ниже частоты, на которой осуществляется регулирование (кривая 2 на рис.4).

Наверное, большинство из вас сталкивалось с этим явлением - если “рулишь” графическим эквалайзером в области низких частот, то все более-менее нормально. Но - если поднимаешь, скажем, 16 кГц - то явно замечаешь, как вместе с этим поднимаются и 12, и 8, и 6, а то - и все 4 кГц... Неприятно? Еще бы! От такого дефекта позволяют себе избавиться только весьма дорогие и уважаемые фирмы - например, у всем хорошо известной “Klark Teknik" описанный дефект отсутствует. И благодаря, в частности, и этому - их эквалайзеры давно уже стали стандартом де-факто во всех студиях мира.

Позволим себе здесь сделать ма-а-алюсенькое “лирическое отступление”. В силу многолетнего пребывания нашей страны за “железным занавесом”, в оторванности и изоляции от всего остального мира, у нас практически неизвестен “широким массам трудящихся”, в том числе - большинству звукорежиссеров, реальный мировой рейтинг фирм-изготовителей звукотехнического оборудования. (И, видимо, еще очень долго это положение не изменится.) А это, совместно со святой нашей верой в печатное слово, частенько приводит к очень и очень грустным результатам... Поэтому, выбирая себе технику для покупки, будьте осторожнее! Если вы видите два достаточно схожих (по описаниям) изделия, но одно из них в несколько раз дешевле - вспомните, и задайтесь лишний раз тем же незабвенным вопросом: “а - почему, собственно?..”.

Однако - “вернемся к нашим баранам”, то бишь эквалайзерам...

Как ранее уже отмечалось, частоты, на которых осуществляется регулирование в этом типе эквалайзеров, выбираются из стандартного ряда частот. А рассчитывать в своей работе на то, что вам всегда и везде повезет с необходимостью корректировать АЧХ именно на этих частотах - было бы явным верхом самонадеянности. Скорее всего, вам придется в большинстве случаев “подправлять” именно нестандартные частоты. Вот в этом случае - придется использовать уже параметрический эквалайзер.

Выпускаемые многими фирмами, эти эквалайзеры (в отличие от предыдущих) часто бывают встроенными и в пультовые ячейки, а не только стоящими на всей сумме. Как и графические, параметрические эквалайзеры также могут быть выполнены по параллельной или последовательной схеме.

В параметрическом эквалайзере для каждой полосы осуществляется независимая друг от друга установка всех параметров (отсюда и название - “параметрический”): центральной частоты регулирования f0, ширины полосы регулирования WIDTH (Df), или обратной ей величины - добротности Q (Q= f0/Df) и величины подъема/завала АЧХ. Иногда эти эквалайзеры еще называются эквалайзерами типа “bell”, это название - соответствует виду АЧХ. Для регулятора типа “bell” (от английского слова BELL - “колокол”) АЧХ имеет действительно “колоколообразную” форму, с максимальной глубиной регулирования на основной частоте его настройки, и плавно уменьшающейся по мере удаления от нее (рис.5).

Рис.5

“Настоящие” параметрические эквалайзеры, таким образом, должны иметь по три органа управления для каждой полосы регулирования, по числу устанавливаемых вами параметров. Причем диапазоны изменения параметров могут иногда достигать весьма значительных величин. Так, например, если глубина регулирования тембра эквалайзером составляет обычно порядка 15-20 дБ, то частота настройки может изменяться уже в 100 и более раз, а добротность - в отдельных эквалайзерах может изменяться и в тысячу раз!

Иногда в некоторых моделях звуковой аппаратуры (например, в недорогих микшерных пультах) устанавливается вариант такого эквалайзера с урезанными возможностями - так называемый “полупараметрический” эквалайзер (калька английского “semi-para EQ”.) Отличается он от обычного тем, что не предоставляет вам возможностей для изменения добротности эквалайзера, т.е. ширины полосы захватываемых им частот. (А жаль!...)

Запомните! Только, если в имеющемся у вас эквалайзере на каждую полосу регулирования приходится по 3 ручки управления - то у вас настоящий параметрический эквалайзер. Если же число органов управления меньше трех - то это все же полупараметрический эквалайзер, что бы не писал при этом сам изготовитель.

В некоторых, как правило - дорогих - моделях эквалайзеров иногда применяются некоторые дополнительные “маленькие хитрости”, облегчающие и упрощающие работу с ними. Наиболее часто - встречается применение так называемого “принципа пропорционального Q”.

Что же это такое? Если вы еще раз взглянете на рис.5, то увидите, что при расширении полосы частот, захватываемых эквалайзером, неизбежно будет увеличиваться и площадь, заключенная между кривой, обозначающей АЧХ, и осью абсцисс, т.е. возрастает мощность сигнала, попадающего в эту полосу и подвергающегося регулированию. В практическом применении это означает, что при расширении полосы регулирования - возрастает и субъективно воспринимаемая громкость звучания сигнала после эквалайзера. А это не очень-то и удобно. Вот применение принципа пропорционального Q - как раз и помогает избавиться от этого неудобства.

Эквалайзеры, построенные по этому принципу, сохраняют постоянную площадь подынтегральной кривой, описанной выше, поддерживая этим постоянной субъективно воспринимаемую громкость в полосе частот, подвергающихся коррекции, и благодаря этому более удобны в работе. Осуществляется это путем уменьшения предельно-допустимой глубины регулировки тембра при расширении полосы частот, захватываемых эквалайзером.

Бывают и еще некоторые отступления от канонической конструкции. Так, одной из фирм был разработан эквалайзер, у которого глубина регулировки АЧХ на крайних частотах звукового диапазона увеличивается, компенсируя этим снижение чувствительности нашего слуха на указанных частотах. По опубликованным отзывам, это тоже сильно повысило удобство работы с эквалайзером.

“Оборотной стороной медали” во всех таких эквалайзерах (увы, за все в этой жизни приходится расплачиваться!) является то, что вам может быть крайне сложно определить - какой, в сущности, был вами установлен уровень подъема или завала АЧХ? Ведь шкала-то глубины меняется! Хотя, впрочем, кого интересуют в данном случае цифры, ведь мы звук не измеряем, а изменяем!

Однако - хватит уже об “отступлениях”. Все равно, все возможные их варианты - не перечислить...

Если имеющийся у вас параметрический эквалайзер - многополосный, то, как правило, на крайних НЧ и ВЧ регуляторах имеется возможность переключения их характеристик регулирования “bell/shelf”. Вот именно этот режим “shelf”, встроенный в параметрический эквалайзер и являющийся одним из возможных режимов его работы, и есть “истинный” режим “shelf”. (Помните, чуть ранее мы обещали вернуться к этому вопросу подробнее?)

Такой регулятор типа “shelf” предоставляет вам возможность регулировать частоту и для регуляторов НЧ и ВЧ, но это - совсем другая регулировка, не такая, как в регуляторе “bell”: изменяется частота, ВЫШЕ которой для НЧ-регулятора, (или НИЖЕ - для ВЧ-регулятора), характеристика становится плавно спадающей, вплоть до величины “0 Дб”. Ниже этой частоты - в первом случае, и выше ее - во втором, все частоты поднимаются или ослабляются одинаково, на установленную вами величину (рис.6), кривые 1 и 2.

Рис.6

На этом же рисунке для наглядности и сравнения одновременно приведены также и АЧХ ранее рассмотренных “обычных” регуляторов НЧ и ВЧ (кривые 3 и 4).

В “обычном” регуляторе - величина подъема (для, например, ВЧ-регулятора) постоянно возрастает с увеличением частоты, тогда как для “классического” “shelf” - возрастает только до установленной вами величины, и при дальнейшем увеличении частоты входного сигнала не изменяется, и АЧХ образует как-бы своеобразную “полку”.

Еще одно существенное различие в АЧХ этих двух видов регуляторов заключается в том, что максимальная крутизна АЧХ для “обычных” регуляторов НЧ и ВЧ составляет величину в 6 дБ на октаву, тогда как для “классического” “shelf” эта величина увеличивается уже до 12 дБ на октаву. С практической точки зрения - это означает, во-первых, что регулятор типа “shelf” в параметрическом эквалайзере позволяет более избирательно осуществлять регулирование на самых краях звукового частотного диапазона, в гораздо меньшей степени затрагивая сигналы, лежащие в его середине. Во-вторых же, что является несколько менее очевидным следствием более высокой избирательности этого типа эквалайзеров, появляется возможность добиться более высокой величины регулирования подъема и завала АЧХ на краях диапазона, вплоть до величин порядка 36 дБ, что принципиально невозможно получить в “обычных” регуляторах НЧ и ВЧ, рассмотренных в начале этой статьи. Очевидно, что в силу различия АЧХ - и звучать эти эквалайзеры будут существенно по-разному. Выбор - за вами!

Несколько особняком стоит особый класс эквалайзеров, так называемых параграфических. Но - не бойтесь, ничего особого нового или страшного в них нет! По своей сути - это гибрид из ПАРАметрического и ГРАФического эквалайзеров, отчего и произошло это весьма необычное название, поначалу многих повергающее в трепет. Такой эквалайзер - просто многополосный параметрический, но имеющий конструктивное исполнение части органов управления (а именно - регуляторов подъема/спада АЧХ) как у графического, в виде потенциометров с линейным перемещением их ручек ( “движковых”). У подавляющего большинства параграфических эквалайзеров, однако, как правило (в отличие от параметрических), отсутствует возможность переключения типа “bell/shelf”. Но благодаря своим огромным возможностям они позволяют получать практически любые требуемые вам виды АЧХ. Но из-за своей сложности они весьма дороги, и в силу этого имеют относительно небольшое распространение, да и выпускаются параграфические эквалайзеры довольно ограниченным количеством фирм.

Как уже говорилось, подавляющее большинство описанных выше эквалайзеров сконструировано по последовательному принципу построения. Наверняка у вас возник вопрос - а в чем разница (с точки зрения практикующего звукорежиссера) между этими двумя принципами, последовательным и параллельным?

Основная, с этой точки зрения, разница - заключается в том, что эквалайзер, созданный по последовательному принципу, имеет симметричный отклик АЧХ на перемещение регулятора подъема/завала АЧХ (рис.7).

Рис.7

Иными словами, АЧХ регулятора, установленного на (к примеру) “+6дБ”, зеркально симметрична характеристике ослабления на “-6дБ” относительно уровня в 0дБ. Т.е. если вы на двух, последовательно включенных, однотипных эквалайзерах установите: на одном из них “+6дБ”, а на другом “-6дБ” (при идентичных прочих параметрах) - то суммарная АЧХ будет линейной. В случае же с “параллельными” эквалайзерами - этого получить не удастся.

Вспомним, что в таких эквалайзерах прямой сигнал - суммируется с сигналом, прошедшим сквозь полосовой фильтр. А что произойдет, если сложить или вычесть два сигнала с одинаковыми уровнями? Правильно, в первом случае - сигнал просто возрастет вдвое, т.е. на +6дБ, а вот во втором случае - уменьшится до нуля, т.е. затухание составит “минус бесконечность децибел”!

Кроме этого, достаточно очевидного, факта - есть еще и другое различие. Из-за принципиально неизбежных фазовых сдвигов в цепях фильтрации сигналы после них суммируются с прямым и вычитаются из него по-разному. В силу этого - полоса частот, захватываемых регуляторами этого типа эквалайзеров, будет различна для регулировок “в плюс” и “в минус”. Причем для случая подъема АЧХ полоса частот буде шире (т.е. добротность эквалайзера - ниже), чем для завала (рис.8).

Рис.8

Хотя, говоря реально, это скорее преимущество, чем недостаток. В самом деле, ведь на практике относительно редко возникает необходимость поднять очень уж узкий участок спектра, в то время как ослаблять - преимущественно приходится достаточно небольшие части звукового диапазона. Однако необходимость постоянно помнить о несимметричности АЧХ, и связанные с этим неудобства существенно ограничивают сферу применения этого типа эквалайзеров. А жаль, так как звук в таких эквалайзерах чисто принципиально может быть получен существенно более высокого качества, чем в последовательных. Ведь в них прямой сигнал проходит только один каскад - сумматор, благодаря чему подвергается искажениям в гораздо меньшей степени, чем в обычных параметрических, где он вынужден проходить через абсолютно все цепи и каскады, имеющиеся в схеме!

Справедливости ради - скажем, что после выхода в свет первого такого эквалайзера, созданного еще легендарной фирмой Valley People, они все же постепенно завоевывают рынок и свое место под солнцем, и после довольно долгого периода забвения их вновь начинают выпускать многие фирмы. Отличить их от обычных довольно просто даже по внешнему виду: если у крайнего левого положения регулятора подъема/завала АЧХ находится не цифра, обозначающая сколько-то там децибел, а значок “минус бесконечность децибел”, то перед вами - эквалайзер параллельного типа.

Однако - пожалуй, хватит уже об эквалайзерах. Пора переходить и к дальнейшей части нашего “повествования”. Итак, часть вторая -

Фильтры

Казалось бы, что тут сложного? Всего-то одна кнопка, нажал - и всех делов! Но, согласитесь, прежде чем нажимать, неплохо бы и понять - а что, собственно, мы нажимаем? Тем более, что от разнообразия применяемых фильтров - частенько просто в глазах рябит. Ну, действительно - фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя... Первого порядка, второго, третьего... С самой различной крутизной - то в 6дБ/октава, то - в 12, 18, а иногда - и 24дБ/октава, или даже еще больше... Чем же все они отличаются, и какой лучше выбрать?

На первую часть вопроса мы постараемся здесь ответить, а вот выбор - как всегда, за вами...

Давайте сначала разберемся, а какими вообще параметрами характеризуются фильтры? Ну, пусть не всеми, а хотя бы основными? Чтобы не утруждать вас излишними подробностями, разберем этот вопрос на примере одного фильтра, пропускающего низшие частоты звукового спектра и обрезающего высокочастотные составляющие. В отечественной литературе этот фильтр носит название ФНЧ (рис.9).

Но перед этим - немного о терминологии. Дело в том, что у “проклятых буржуинов” - нет такой организации, как Госстандарт. (Счастливчики!..) И поэтому они применяют не те термины, к которым их обязывают зачастую не слишком сведущие в этом деле начальники, а те, которые удобнее. Вот в силу этого отечественные термины и их английские эквиваленты не всегда совпадают “в лоб”. Например - ну как, в самом деле, умозрительно (т.е. без дополнительных пояснений) понять исходное обозначение - скажем, тот же ФНЧ? Ведь - нажимая, скажем, кнопку MPX Filter - вы точно знаете, что ненужные высокочастотные сигналы будут убраны. А ФНЧ... То ли он отфильтровывает (т.е. удаляет) НЧ-сигналы, то ли - наоборот, только их и оставляет, удаляя все остальное? Тогда как английское его обозначение “Low-pass” - понятно и безо всяких объяснений. Вот чтобы избежать подобных неудобств, приведем маленький перечень совпадающих терминов:
ФНЧ = Low-pass = High-cut. ФВЧ = High-pass = Low-cut. Иногда вместо полного слова "Low" или "High" - может быть его “кастрированная” форма, "Lo" и "Hi" соответственно.

Заметим еще, что, в зависимости от контекста и для удобства изложения и понимания в англоязычной литературе допускается использовать (как вы уже, наверное, и сами заметили) то обозначение фильтра, которое более наглядно выявляет его основную функцию в данном месте тракта. Т.е. можно написать как "Low-pass" (фильтр, пропускающий НЧ -составляющие), так и "High-cut" (фильтр, обрезающий ВЧ-составляющие). Хотя по сути - фильтр один и тот же.

Очевидно, что если на лицевой панели какого-либо вашего прибора будет написано “High-cut”, то сразу понятно, что это - обрезка полосы сигнала со стороны ВЧ. А вот если там же будет надпись “ФНЧ” - то, согласитесь, придется еще некоторое время “почесать репу”, чтобы сообразить, о чем вообще речь-то идет... Мы далее постараемся придерживаться английской терминологии.

Начнем немного с конца. Порядок фильтра - это число, показывающее наивысшую степень математического полинома, который аппроксимирует частотную характеристику этого фильтра. Несколько “туманно”, да? Не бойтесь, ничего страшного здесь нет! С практической точки зрения - все гораздо проще. Термин “порядок фильтра” всего-навсего определяет конечную крутизну среза его АЧХ за пределами полосы пропускания (рис.9). “Одному порядку” фильтра соответствует конечная крутизна среза в 6дБ\октава. Все, точка!
Т.е. если у вас фильтр, скажем, третьего порядка - то его конечная крутизна среза будет 6х3=18дБ/октава. Если четвертого - то 24дБ/октава, и так далее.

Рис.9

Полоса пропускания рассматриваемого Low-pass фильтра - это полоса частот от самых низших (как-бы от “нулевой частоты”) до той частоты, на которой коэффициент передачи фильтра уменьшится на 3дБ. Эта вторая частота (f0 ) называется частотой среза фильтра. (Так уж договорились “электронщики всего мира”, по умолчанию для удобства и взаимопонимания определять граничные частоты по уровню “-3дБ”.) В случае, если по каким-либо причинам бывает необходимо указать граничные частоты по другому уровню, то это всегда должно оговариваться. Если же особо не оговорено, то частота среза всегда определяется указанным выше образом. После нее коэффициент передачи фильтра более-менее равномерно уменьшается (спадает) со скоростью (крутизной), определяемой порядком фильтра.

Здесь необходимо сделать небольшое пояснение. Говоря о крутизне среза АЧХ фильтра за пределами полосы пропускания, мы не зря сделали оговорку именно о конечной крутизне среза. В зависимости от типа фильтра, в окрестностях частоты среза эта величина может быть существенно иной.

Для сравнения различных типов фильтров между собой на следующих рисунках приведены АЧХ фильтров Бесселя (рис.10), Баттерворта (рис.11) и Чебышева (рис.12). Эти характеристики были рассчитаны для фильтров 4-го порядка с частотой среза в 1 кГц. Фильтры высоких порядков (как правило, выше второго) наиболее часто создаются путем каскадного (последовательного) соединения фильтров более низких порядков. В данном случае фильтры 4-го порядка созданы как обычно, путем последовательного соединения двух фильтровых звеньев второго порядка.

Рис.10

Рис.11

Рис.12

На этих рисунках отображены как АЧХ отдельных звеньев (красная и зеленая линии соответственно), так и суммарная АЧХ всего фильтра (синяя линия).

Очевидно, что фильтр Бесселя, с точки зрения именно (и только!) его фильтрующих свойств - выглядит наихудшим, а Чебышева - наилучшим. Однако - это только с этой точки зрения. (Вы, надеемся, не забыли, что нам же надо не только хорошо отфильтровать ненужное, но и максимально хорошо передать нужное?) Вот с точки зрения именно передачи нужных сигналов - ситуация, что называется, “с точностью до наоборот”. Увы...

Если вы внимательно посмотрите на АЧХ составляющих фильтры звеньев, то увидите, что в фильтре Бесселя она - максимально гладкая, без выбросов. В фильтре же Чебышева имеется весьма значительный пик на АЧХ одного из звеньев.

На первый взгляд, казалось бы - ну, и что тут такого? Подумаешь, выброс! Суммарная-то АЧХ, вроде, вполне приемлемая? Если бы так... Дело в том, что из-за этого пика на АЧХ при подаче на вход данного звена импульсного сигнала, или просто любого сигнала с крутым фронтом - схема начнет “звенеть”, т.е. в момент появления указанного фронта она будет сама генерировать постепенно затухающий сигнал с частотой, соответствующей положению этого пика на АЧХ звена. А ведь в исходном-то сигнале его нет! Как вы думаете, сильно наличие этого паразитного призвука улучшит ваш исходный сигнал? Вот, то-то и оно!..
(Вы, конечно, можете спросить - откуда в вашем сигнале возьмутся импульсные составляющие? Да очень просто - ведь сам реальный звуковой сигнал именно таков. Он может быть похож на все, что угодно - кроме, конечно, синусоиды...)

Да и просто, при подаче сигнала большой амплитуды, совпавшего по частоте с частотой этого пика, фильтр может элементарно перегрузиться и внести в сигнал тривиальнейшие искажения. Кроме этого, суммарная АЧХ фильтра Чебышева чисто принципиально всегда имеет неустранимые неравномерности (так называемые “пульсации”) в полосе пропускания. Они, конечно, могут быть несколько меньшими, чем в нашем примере, но сути дела это не меняет.

Фильтр же Баттерворта среди рассмотренных, наиболее распространенных в звукотехнике типов фильтров, занимает некоторое промежуточное положение. Он имеет (при “прочих равных”) достаточно плоскую, без выбросов и пульсаций, АЧХ в полосе пропускания и вполне удовлетворительную крутизну среза АЧХ за пределами этой полосы. Благодаря этим своим свойствам он и получил наибольшее распространение в звуковой аппаратуре среди всех рассмотренных выше типов фильтров.

На следующих рисунках показаны фазо-частотные характеристики, т.е. зависимость вносимого фильтром фазового сдвига от частоты (ФЧХ) для рассматриваемых нами фильтров - Бесселя (рис.13), Баттерворта (рис.14) и Чебышева (рис.15).

Рис.13

Рис.14

Рис.15

Здесь мы также видим, что ФЧХ фильтра Бесселя - самая ровная, Баттерворта - несколько менее ровная, но тем не менее сохраняющая монотонность (т.е. без изломов), Чебышевская же - и существенно неровная, и немонотонная, имеет довольно резкие изломы. Таким образом, если внимательно рассмотреть совокупность всех иллюстраций по фильтрам, то последует вывод, что фильтр с самой гладкой АЧХ - имеет и самую ровную ФЧХ, а с самой неравномерной АЧХ - будет иметь и самую плохую ФЧХ. Естественно, что это распространяется на все вообще, относящееся к фильтрам. Т.е. чем выше порядок фильтра, чем лучше его фильтрующие свойства (крутизна среза АЧХ) - тем хуже будет его ФЧХ.

Здесь опять - может возникнуть вопрос: а нам-то что? Ну, ФЧХ... Ну, неровная... Ну, и что? Да то, что ФЧХ устройства самым непосредственным образом отображает его способность передавать форму сигналов - без изменения, с приемлемыми небольшими изменениями, или же вообще - исказив ее до полной неузнаваемости. Ведь если какая-либо цепь имеет нелинейную ФЧХ, то это значит, что различные частотные составляющие сигнала изменяются (сдвигаются) по фазе по-различному, и как следствие - изменяется сама форма этого сигнала. А в последнее время и в литературе, и в практике звукотехники все большее внимание уделяется как раз вопросам максимально точной передачи именно формы исходных сигналов - а, значит, и линейности ФЧХ. Заметим здесь, что речь идет именно о линейности ФЧХ, а не о том, чтобы она была плоской, как в случае АЧХ. Если ФЧХ - наклонная линия, но линейная, т.е. прямая - то это означает, что весь сигнал всего-навсего задерживается на какой-то интервал времени, а это уже не имеет непосредственной связи с возможными его искажениями.

Таким образом, различные типы фильтров - будут давать и различные результаты при их применении. И при выборе фильтра для своего конкретного применения вам необходимо в первую очередь решить, что именно для вас будет главным? Если необходимо максимально хорошо передать сам сигнал, а качество собственно фильтрации для вас - вторично, то необходим фильтр Бесселя. (Эта ситуация возникает, например, при конструировании акустических колонок. Ведь НЧ-излучатель по своей сути - это именно Low-cut фильтр.) Если же для вас важнейшим является именно качество фильтрации, а качество передачи самого сигнала особой роли не играет - то лучше применить фильтр Чебышева, и желательно более высокого порядка. (Скажете - чушь? Не может такого быть? Может, и еще как! Например - на радио, при выдаче в эфир сигнала с телефонной линии. При этом достаточно часто желательно даже применить одновременно два фильтра, Low-cut и High-cut. )

В некоторых случаях (например, в кроссоверах, или дорогих пультах), в аппаратуре может быть предусмотрена возможность переключения крутизны среза фильтра, иногда - даже с возможностью переключения на выбранный вами тип фильтра, для лучшего приспособления к вашей конкретной ситуации. К сожалению, это встречается не так часто, как бы хотелось...

И в заключение - немного об “общих вопросах”, связанных с частотной коррекцией. Выше уже говорилось, что АЧХ и ФЧХ тесно связаны друг с другом. И относится это не только к фильтрам, как таковым, но и вообще - к любым цепям передачи сигналов. Для всех минимально-фазовых цепей существует строгая взаимно-однозначная связь между АЧХ и ФЧХ. Говоря “минимально-фазовая цепь” - имеется в виду, что в этой цепи тракта нет особых звеньев, так называемых фазовращателей (не путать с кнопками для переворота фазы микрофонов!).

Строго говоря, практически все электронные цепи, имеющиеся в звуковой аппаратуре, являются именно минимально-фазовыми. Исключениями являются, пожалуй, только устройства эффектов - фэйзеры. Вот они - построены именно на основе фазовращателей.

Что же следует из упомянутой связи между АЧХ и ФЧХ? Прежде всего то, что, если вам известна АЧХ какого-либо устройства, то можно однозначно установить и его ФЧХ, и наоборот - по известной ФЧХ определить АЧХ. Т.е. если два устройства имеют строго одинаковые частотные характеристики, то они в обязательном порядке будут иметь и абсолютно идентичные фазово-частотные характеристики. Чудес - не бывает, запомните! (Ну, по крайней мере - в этой области...)

И если какая-либо фирма заявляет, что ее эквалайзер “не крутит фазу” (знакомый текст, не правда ли?) - не верьте. Если, конечно, речь не идет об однополосном эквалайзере и о сдвиге фаз на основной частоте его регулирования. Вот только на одной-единственной этой частоте, являющейся частотой резонанса электронной схемы, фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом будет равен нулю. Правда, никакой заслуги разработчиков и изготовителей в этом нет, это - просто общее свойство всех резонансных цепей. Но, повторимся еще раз - только на этой частоте. Во всех других случаях - не бывает!

То есть - теоретически, конечно, возможно создать подобное устройство, но для этого придется напихать в него та-а-акое количество фазовращателей, что стоить он будет как “Мерседес”, но от вашего прекрасного звука - оставит лишь “рожки да ножки”. Ведь каждый фазовращатель - это лишний активный элемент, транзистор или микросхема, а, значит, и неизбежно сопутствующее этому увеличение шумов и искажений.

Не говоря уж о том, что такое устройство, скорее всего, будет физически нереализуемо. Ведь для перестройки частоты в эквалайзерах - и так, уже используются сдвоенные переменные резисторы, а если еще придется одновременно с этим изменять параметры энного количества фазовращателей, то количество резисторов, сидящих на одной оси, может вообще превысить все разумные пределы!

Конечно, на это можно возразить - то, что невозможно сделать в “аналоге”, возможно в “цифре”. В принципе, это верно. Но... Пожалуй, ни для кого не будет большим секретом тот довольно грустный факт, что качество чисто программных эквалайзеров, реализованных в различных компьютерных Plug-in - мягко говоря, оставляет желать лучшего.

Не в последнюю очередь это связано с тем, что фактически любая программа является лишь математической моделью своего более-менее реального физического прототипа. А все частотно-избирательные цепи в звуковой аппаратуре относятся к классу так называемых IIR-фильтров, т.е. фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (Infinite Impulse Response). Или, говоря проще, при подаче на вход любого частотно-избирательного устройства какого-либо внешнего воздействия - его выходной сигнал также будет длиться бесконечно. А как хорошо написали братья Стругацкие в известной книге - “познание бесконечности требует бесконечного количества времени”...

Таким образом, чтобы строго смоделировать “в цифре” то, что “в аналоге” получается само собой, потребуется вычислитель с бесконечно большой вычислительной мощностью и с неограниченной же разрядной сеткой. А как мы все хорошо понимаем, это невозможно. Поэтому, чтобы получить реально работающие цифровые обработки - по необходимости приходится “урезать” вычислительные алгоритмы, сокращая объем вычислений до разумного минимума. Естественно, что это далеко не самым лучшим образом сказывается на главном результате, на получаемом звуке. А теперь - попробуйте себе представить, как в эти, и без того “обкромсанные” алгоритмы впихнуть еще и кучу вычислений для компенсации фазовых сдвигов. Впечатляет?

Похоже, в обозримом будущем - не приходится всерьез рассчитывать на широкое и повсеместное внедрение “не крутящих фазу” эквалайзеров. Ведь сейчас хорошо звучащие цифровые эквалайзеры собираются с использованием доброго десятка(!) мощнейших DSP-процессоров типа SHAPC. И при этом - они все же “крутят фазу”...

Однако, пора и закругляться. А то размер этой статьи - тоже, того и гляди, “может превысить все разумные пределы”...К сожалению, просто невозможно охватить подробно весь круг тем, связанных с вопросами частотной обработки и их применением в практике звукотехники - например, гитарных эквалайзеров, различного рода регуляторов типа “Air”, других типов фильтров, и прочего. Если у Вас возникнут какие либо вопросы, неясности - то пишите непосредственно автору. Ваши письма помогут полнее узнать круг интересующих вас вопросов и необходимых тем.

Михаил Чернецкий. E-mail :LONG