Д.А.Давыдов
Автоматическая оптимизация АЧХ системы звуковоспроизведения
Denis Davydov
Automatic Optimization of Amplitude-Frequency Response of Sound Reproduction System

Настройка амплитудно-частотной характеристики системы необходима для достижения высокого качества звуковоспроизведения. Это позволяет до-биться более правильного звучания, более точной передачи звуковой картины, передать эмоциональную составляющую музыки. Особенно эта проблема за-метна в системах домашнего кинотеатра. В такой системе обычно используется не менее 6 акустических систем – 5 широкополосных громкоговорителей и из-лучатель сверхнизких частот, именуемый сабвуфером, который расширяет диа-пазон воспроизводимых частот до 20 Гц снизу. Необходимость коррекции АЧХ в таких системах очевидна – 99% пользователей не имеют либо возможности, либо достаточных технических знаний, чтобы расположить громкоговорители должным образом. Предлагаемая система позволяет снять с пользователя часть действий, связанных с частотной настройкой и расположением излучателей, ав-томатически настраивает задержки для каждого канала, которые влияют на ло-кализацию кажущегося источника звука, и оптимизирует амплитудно-частотную характеристику, которая отвечает за точность и адекватность вос-произведения всего диапазона воспроизводимых частот. Для решения данной задачи необходимо определить АЧХ тракта и поме-щения прослушивания и получить АЧХ корректора, которая будет обратной измеренной АЧХ. В большинстве помещений прослушивания невозможно обеспечить равномерную АЧХ на низких частотах и на нижней середине. При-чина – стоячие волны в помещении. Тем не менее, баланс между уровнями вос-произведения низких и средних частот надо соблюдать, и дело это довольно тонкое. В качестве тестового сигнала наиболее удобен в данном случае «белый шум»: этот сигнал имеет равномерно распределенные спектральные состав-ляющие, отчего и получил свое название по аналогии с белым светом. Он по-зволяет «размазать» картину стоячих волн в помещении, т.к. реальный сигнал, в отличие от синусоидального, тоже «размазывает» эту картину. Для получения такого сигнала цифровыми методами наиболее удобно использовать так назы-ваемые генераторы псевдослучайных чисел, которые и формируют соответст-вующие спектральные составляющие. Предлагается использовать генератор Парка-Миллера как наиболее удобный для программной реализации. Соответ-ствующие константы были предложены и опробованы Парком и Миллером в 1969 году, по именам которых и был назван алгоритм. Для правильной оценки АЧХ и точной звукопередачи необходимо соблю-дать правильность фазирования каналов друг относительно друга. Если громко-говорители будут включены в противофазе, возникают сильные искажения АЧХ в области низких частот. Предложенная схема обеспечивает правильное фазирование громкоговорителей. При прохождении тракта изменяется спектральное распределение мощно-сти сигнала. Вклад в этот процесс вносят усилитель мощности, громкоговори-тель, акустические условия прослушивания. «Тонким местом» является взаи-модействие громкоговорителя и акустики помещения. Для коррекции АЧХ производится спектральный анализ сигнала с применением процедуры быстро-го преобразования Фурье. Быстрое преобразование Фурье представляет собой набор алгоритмов, направленных на сокращение числа операций по вычисле-нию дискретного преобразования Фурье. На основе вычисленной АЧХ коррек-тора осуществляется синтез цифровых фильтров. Выход тестового сигнала подключается к усилителю мощности, усилитель подключен к излучающим звук громкоговорителям. Подвергшись влиянию всех компонентов тракта, акустический сигнал поступает на микрофон. Далее сигнал, будучи оцифрованным и записанным, подвергается обработке: вычис-ляется его спектральная плотность, которая и будет соответствовать АЧХ трак-та; на ее основе синтезируется АЧХ корректора, которая обратна АЧХ тракта с небольшим отклонением – она вычисляется относительно среднего значения полученной спектральной плотности сигнала. Окончательным результатом вы-числений является разностное уравнение, на основе которого синтезируется цифровой фильтр, «записываемый» в корректор. Помимо своей основной задачи, устройство может проводить оценку за-паздывания сигнала одного громкоговорителя относительно другого и вводить компенсирующую задержку. Это позволяет проводить настройку звукового тракта в таких условиях, где принципиально невозможна правильная установка громкоговорителей. Целью данной инженерно-технической работы является разработка уст-ройства, в реальном времени формирующего сигнал, обработанный с учетом АЧХ помещения. Реализовать такое устройство можно на базе сигнального процессора, ПЛИС и т.д. или же использовать для анализа и коррекции персо-нальный компьютер.