Предоконечные устройства звукоусилительного тракта

За долгое время - похоже, были рассмотрены практически все приборы и устройства, встречающиеся в практике звукорежиссуры и звукотехники. Однако целой группе устройств, тем не менее, ещё не разу не уделялось должного внимания. Это - последние слаботочные устройства, находящиеся в конце звукоусилительного тракта, непосредственно перед оконечными усилителями - кроссоверы и контроллеры акустических систем.

Здесь не случайно написано "кроссоверы и контроллеры" - так как, несмотря на существенное сходство в назначении и выполняемых функциях - это, по сути, два довольно различных типа устройств.

Различие между ними заключается, с точки зрения теории автоматического регулирования, в принципе реализации управляющего воздействия. Кроссоверы, в любых их ипостасях, осуществляют управление по возмущению, т.е. являются устройствами с "прямым управлением", а настоящие контроллеры - по отклонению, т.е. с "обратным управлением".

Однако - не будем вас пугать этими "страшными словами", понятными только инженерам, а рассмотрим эти два вида устройств по отдельности.

Кроссоверы

Кроссовер (иногда в англоязычной литературе именуемый кратко x-over) - это хорошо всем известное устройство для разделения всего звукового спектра на несколько частотных полос - для того, чтобы можно было подавать низкочастотные сигналы только на НЧ-звено громкоговорителя, а, скажем, высокочастотные сигналы - только на пищалки. Тем самым обеспечиваются условия для более качественной передачи звука, улучшаются и облегчаются условия работы громкоговорителей и оконечных усилителей мощности, уменьшаются интермодуляционные искажения в громкоговорителях и усилителях, и т.д. и т.п. Всё это вам, без сомнения, уже прекрасно известно, поэтому не будем здесь подробно на этом останавливаться.

Современные системы звукоусиления, зачастую оперирующие мощностями в десятки - а то и сотни - киловатт, конечно же, имеют гораздо большее число полос разделения звукового сигнала. Сейчас не редкость кроссоверы на 4-5 полос, а то даже и больше.

Однако - те времена, когда кроссовер был только кроссовером, и ничем больше - похоже, уже давно и навсегда канули в лету. Практически все они в настоящее время включают в себя множество дополнительных устройств - фазовращатели, лимитеры, и многое другое. Что же именно входит в состав такого современного "монстра-кроссовера", иногда называемого (не совсем верно) - контроллером?

Естественно, что основной элемент любого кроссовера - это сами фильтры, делящие звуковой сигнал на отдельные частотные полосы. Как правило, в большинстве выпускаемых универсальных кроссоверов эти фильтры - перестраиваемые, т.е. сам пользователь может установить необходимые именно ему границы отдельных полос и их количество. Все фильтры имеют два основных параметра - это вид передаточной характеристики, и крутизна среза АЧХ.

Вид передаточной характеристики фильтра определется его типом и определяет АЧХ кроссовера в полосе пропускания. Это может быть фильтр Бесселя, Баттерворта, Чебышева, и др. Каждый из этих фильтров имеет свои достоинства и недостатки.

Фильтр Бесселя, при прочих равных, имеет наилучшие ФЧХ и импульсный отклик, но наихудшую избирательность. Фильтр Чебышева - имеет наилучшую избирательность, но наихудшие переходную характеристику (импульсный отклик) и ФЧХ, а кроме этого - его АЧХ в полосе пропускания чисто принципиально всегда имеет некоторую волнообразную неравномерность. Фильтр же Баттерворта - имеет наилучшую из рассмотренных АЧХ и удовлетворительную ФЧХ, однако его селективные свойства несколько хуже, чем у фильтра Чебышева.

Как правило, в серьёзных кроссоверах изготовитель предлагает возможность выбора нескольких АЧХ, а уж какую из них использовать - решать вам самим. Кроме вида передаточной характеристики, в большинстве устройств имеется и несколько вариантов крутизны среза АЧХ (за пределами полосы пропускания). Наиболее часто используемые величины - это 12, 18, и 24 децибела на октаву.

Крутизна среза в 12дБ\октаву - означает, что мощность сигнала, лежащего вне полосы пропускания кроссовера будет уменьшаться в 16 раз на каждую октаву удаления от частоты среза, а 24дБ\октаву - уже в 256 раз. Очевидно, что большее ослабление - будет являться уже чистой воды пижонством, и особого смысла не имеет. Кроме этого, многими замечено, что лучше всего звучат кроссоверы с умеренной крутизной, порядка 12дБ\октава.

Изо всех дополнительных устройств в кроссовере - первое, что должно в нём иметься, вызвано к жизни самим принципом работы кроссовера как частотно-избирательной цепи, т.е. фильтра. Любые фильтры имеют нелинейную фазо-частотную характеристику (ФЧХ), причём эта нелинейность наиболее велика вблизи граничных частот полосы. Общеизвестен тот забавно-грустный факт, что если электрически просуммировать выходные сигналы всех полос обычного, "классического" кроссовера, то на частотах раздела полос результирующий сигнал будет просто-напросто равен нулю! Конечно, при сложении акустических сигналов уже с громкоговорителей - такого разительного результата не будет, но некоторая неравномерность суммарной АЧХ вблизи частот раздела тем не менее останется.

Вот для того, чтобы уменьшить это нежелательное явление, во многих кроссоверах встроены фазовращатели. По своей сути - они представляют собой нечто вроде одной ячейки от фэйзера, и позволяют изменять фазу сигналов, лежащих вблизи частоты среза. Благодаря этому создаётся возможность несколько улучшить равномерность суммарной АЧХ всей системы по звуковому давлению.

Однако это будет справедливо только в том случае, если АЧХ громкоговорителя, подключенного к выходу этой полосы частот, будет идеально линейной. Очевидно, что это - лишь "благое пожелание", т.к. реальная АЧХ подавляющего большинства громкоговорителей похожа на всё, что угодно, кроме желаемой прямой линии… Значит, необходимо бы предусмотреть и возможность не только разделения сигнала на отдельные полосы, но и коррекции АЧХ в отдельных полосах. И действительно, многие из современных кроссоверов такую возможность предоставляют. Причём в особо "навороченных" моделях это могут быть и параметрический и графический корректоры, одновременно или поочерёдно, по вашему выбору, а для ВЧ-динамиков дополнительно иногда предусматривается и специальная коррекция АЧХ рупора.

Итак - сигнал порезан на нужное вам число полос, они фазово выровнены, скорректированы по АЧХ. Кажется, всё? Не совсем ещё, однако…

Современные РА-системы, как правило, имеют довольно большие размеры, и вследствие этого - сигналы от различных громкоговорителей могут приходить к слушателям с задержкой относительно друг друга, что приведёт к вызванной этим неравномерности суммарной АЧХ (вследствие неизбежной интерференции), и к ухудшению импульсного отклика всей системы в целом. Для того, чтобы этого избежать - в ряде моделей кроссоверов в некоторые их полосы встраиваются индивидуальные, регулируемые линии задержки (Time Alignment Delay) для компенсации неодновременности прихода звука к слушателям от отдельных громкоговорителей.

Кроме этого - давно замечено, что в ряде случаев более приятное звучание акустики получается при как-бы "неправильном" подключении кромкоговорителей различных полос, когда динамики в одной из полос включены в противофазе относительно других полос. Для того, чтобы сделать это возможным, иногда предусматривается возможность инверсии (переворота) фазы сигналов отдельных полос звукового спектра относительно других. Ну, а о таких очевидных вещах, как индивидуальные регуляторы уровня выходного сигнала для каждой полосы и возможность мьютирования каждого выхода - наверное, и говорить особо не надо…

Ну, вроде бы - всё? Нет, не тот народ разработчики-электронщики, чтобы остановиться на такой "малости".

Подумали они - подумали, "почесали репу" - и вспомнили, что ведь после кроссовера есть ещё и усилитель мощности! А он может и сам перегрузиться до хрипа, да и дорогие динамики пожечь, чего доброго! А это уже "не есть хорошо". И решили, что не помешало бы оснастить выходы кроссовера ещё и лимитерами, для предотвращения описанных казусов. Сказано - сделано! И множество выпускаемых в настоящее время кроссоверов действительно, оснащены лимитерами, а некоторые даже и компрессорами. Да иногда ещё - и раздельными, индивидуальными, своими для каждой полосы!

Итого - получается, что в таком "супер-пупер-кроссовере" есть и собственно кроссовер, и фазовращатели, и эквалайзеры, и спец. корректоры, и лимитеры, да и многополосные компрессоры - по сути, тоже есть! Казалось бы - чего ж ещё можно желать? Вроде, всё мыслимое уже имеется?

Ан, нет! В стремлении предоставить пользователю как можно больше возможностей (или в погоне за ценой - как знать?…) разработчики пошли ещё дальше. И в совсем уж умопомрачительные изделия стали встраивать и вовсе, казалось бы, немыслимые, совсем даже "не-кроссоверные", устройства. Так, недавно одна из фирм объявила о создании прямо-таки целого "монстра", в котором кроме всех вышеописанных узлов, встроен ещё и автоматизированный графический эквалайзер с микрофонным входом и встроенным генератором розового шума. Такой эквалайзер сам настраивает всю РА-систему на линейную (или любую другую, требуемую вам) АЧХ.

Кроме этого, туда же разработчики установили ещё и систему для подавления акустической обратной связи (Feedback Suppressor), и систему для дистанционного управления несколькими типами усилителей, и ещё некоторые устройства… Кажется, единственное, чего там нет - это источника собственных музыкальных программ! Но как знать, глядишь - вдруг, скоро и таковой появится…:-)

Конечно, называть такие сложные аппараты простым словом "кроссовер" - уже вроде как и не совсем удобно. Видимо, поэтому их и именуют более звучно, чаще всего это что-то вроде "Loudspeaker Control System", или - в просторечии - контроллеры, хотя последнее абсолютно неверно!
Настоящий контроллер - это нечто существенно иное.

Контроллеры

Все вышеописанные приборы - по своей сути универсальны, т.е. могут применяться с самыми различными типами и видами акустических систем. И в этом, наряду со множеством несомненных достоинств, кроется и ряд принципиально неустранимых недостатков.

Во-первых, это довольно длительная процедура настройки. Здесь гибкость и универсальность проявляют свою оборотную сторону, ведь не так просто из множества возможных сочетаний параметров выбрать самый оптимальный их вариант.

Во-вторых, всегда существует вероятность (особенно - в условиях живой концертной и гастрольной работы) случайного ошибочного изменения установленных значений настроек.

В-третьих, практически ни один серийный кроссовер не позволяет работать с перекрытием полос. Имеющиеся же в некоторых моделях отдельные сабвуферные выходы - тоже, полностью не решают эту проблему.

И, наконец, что самое важное - ни один, даже самый "крутой" кроссовер, оснащённый и лимитерами, и вообще всем на свете - чисто принципиально не способен полностью, на всё 100%, защитить сами динамики от перегрузок и выхода вследствие этого из строя. Да, усилители мощности - лимитеры защищают от перегрузок, и вполне надёжно, а вот акустику - увы!…

От всех перечисленных недостатков абсолютно свободны только именно настоящие контроллеры, которые, однако, весьма дороги. Кроме дороговизны - у них, правда, есть и ещё один небольшой недостаток, а именно - некоторая "неуниверсальность", да простится нам это малость корявое слово! Все они являются узкоспециализированными, и каждый их них предназначен для работы с одним, строго определённым типом акустики. Впрочем, это не "смертельный" недостаток, так как для большинства выпускаемых контроллеров имеется довольно широкий набор сменных модулей, обеспечивающих работу с различными акустическими системами.

Итак - чем же настоящие контроллеры отличаются от сложных многофункциональных кроссоверов? Казалось бы, те же самые входы и выходы? Так, но всё-же - не совсем. Да, главный вход - аналогичный, да и выходы - тоже. Но кроме этого, есть и ещё несколько входов. Зачем? Об этом - скажем чуть позже.

Вначале - об основном. Так как каждый контроллер предназначен для работы со вполне конкретной акустикой - то вполне естественно, что абсолютно никаких настроек не нужно. Всё, что требуется - разделение полос, их частотная, амплитудная и временная коррекция - уже заранее заложено изготовителем, и вам не требуется прилагать ни малейших усилий для настройки системы! (Ну, кроме, возможно, подстройки общего характера звучания по вашему вкусу…)

Нравится? Ещё бы, ведь таким образом при установке и настройке всей РА-системы экономится масса времени и усилий.

А самое главное отличие настоящего контроллера от "самого-пресамого" кроссовера - это как раз наличие ещё тех самых нескольких дополнительных входов, которые являются управляющими. На них подаётся сигнал с выхода усилителя мощности, и именно этот сигнал и "видят" все схемы защиты. Таким образом устраняется главное слабое место систем защиты из обычных кроссоверов, которые просто реагируют на некий, довольно-таки "абстрактный" уровень электрического сигнала на своём выходе. В противоположность им, контроллер видит реальный уровень сигнала на выходе усилителя мощности, т.е. непосредственно тот сигнал, который поступает на сам громкоговоритель.

Благодаря этому защита становится гораздо более надёжной, так как никакие возможные изменения положения регуляторов оконечного усилителя мощности не изменяют условий работы схем защиты.

Но - не только этим интересны контроллеры. Если внимательно посмотреть на перечень параметров головок громкоговорителей, то там вы увидите несколько, и весьма отличающихся друг от друга, различных цифр мощности. Как минимум, это будут долговременная (тепловая) мощность, и кратковременная (пиковая). (Не путать с "китайскими РМРО"!). Кроме них, иногда и указывается и максимально допустимая амплитуда колебаний (ход) диффузора, ограниченная его конструкцией. Так вот - благодаря тому, что, как уже говорилось, каждый контроллер предназначен для работы со вполне конкретной акустикой - он и может контролировать все эти параметры одновременно.

Действительно, если настроить защитный лимитер в обычном кроссовере по допустимой долговременной тепловой мощности (предположим, что это вам каким-то образом удалось) - то получим существенное недоиспользование потенциала РА-системы по громкости, так как все пики при этом будут самым безжалостным образом срезаны. И - абсолютно напрасно, так как большинство современных громкоговорителей могут выдерживать весьма значительные кратковременные перегрузки, в ряде случаев - аж до десятикратной! Иначе говоря, добрую половину потенциально возможной громкости вы просто потеряете…

В то же время, если по каким-либо причинам на НЧ-динамик попадёт очень уж особо низкочастотная составляющая - то его диффузор может просто вылететь за пределы нормального рабочего хода, что приведёт к выходу динамика из строя, и обычный лимитер в этом случае его не спасёт. Поэтому в контроллерах имеются, как правило, не одна, а несколько защитных цепей лимитеров. Один - реагирует на долговременную тепловую мощность (THERMAL), второй - на максимально допустимую пиковую (TRANSIENTS), третий - на ход диффузора (EXCURSION). Конечно же, для ВЧ-громкоговорителей защита по амплитуде хода подвижной системы не очень актуальна, так как все они имеют крайне малые амплитуды перемещения, и поэтому защитные цепи для них имеют несколько упрощенную схему, по сравнению с НЧ-каналами.

Кроме этого - в контроллерах, как правило, при отсутствии обратного сигнала от усилителя мощности (обрыв в линии, или авария самого усилителя) - выходной сигнал для безопасности громкоговорителей мьютируется, так как контроллер в этом случае не может осуществлять полноценную защиту.

В некоторых моделях контроллеров - дополнительно имеется и динамическая, настраиваемая коррекция АЧХ по кривым равной громкости (тонкомпенсация), что помогает получить более плотный и комфортный звук.

Таким образом, хороший контроллер позволяет полностью использовать весь потенциал вашей РА-системы, и в то же время максимально защитить - систему от всевозможных неприятностей, а вас - от необходимости тратить деньги на ремонт. К сожалению, широкое применение контроллеров сильно сдерживает их довольно-таки "кусачая" цена, которая даже для двух-трёхполосных контроллеров начинается примерно с полутора-двух тысяч долларов…

Михаил Чернецкий, aka LONG