ΤΕΧΝΙΚΟ: "ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΕΣ"

[Giovanni Dimitropoulos]

ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΕΣ: ΠΩΣ ΕΠΕΜΒΑΙΝΟΥΜΕ ΣΕ ΑΥΤΟ ΠΟΥ ΑΚΟΥΜΕ


Είναι γνωστό, πως ο χώρος του σαλονιού ενός αυτοκινήτου είναι από τους πιο «δύσκολους», όταν πρόκειται να ακούσεις μουσική μέσα σ’ αυτόν. Ακόμη και αν όλη η βασική αλυσίδα αναπαραγωγής μουσικών θεμάτων (πηγή, ενισχυτής, ηχεία) είναι κορυφαία σε ποιότητα και σε εργαστηριακές επιδόσεις, τις περισσότερες φορές είναι πολύ δύσκολο να καταφέρει κανείς να αναπαράξει μέσα στο αυτοκίνητο την αίσθηση που δημιουργεί μια αντίστοιχη ακρόαση στο σαλόνι του σπιτιού του. Η μόνη λύση τότε είναι να επέμβεις στο αναπαραγόμενο φάσμα συχνοτήτων και το μέσον είναι οι ισοσταθμιστές.

Στο χώρο του αυτοκινήτου οι συνθήκες ακρόασης μουσικής είναι πραγματικά τραγικές. Οι μικρές διαστάσεις του σαλονιού, με τα τζάμια ολόγυρα, που οδηγούν σε πολύ γρήγορες ανακλάσεις, που «λερώνουν» το αυθεντικό μουσικό θέμα, το «μπουμάρισμα» από τα υπερβολικά πολλές φορές ηχεία αναπαραγωγής χαμηλών συχνοτήτων και ο εξωτερικός θόρυβος από την κυκλοφορία ή τον αέρα, που οδηγεί σε υψηλές στάθμες αναπαραγωγής, είναι μερικοί από τους παράγοντες που καθιστούν το αυτοκίνητο πολύ «δύσκολο» χώρο για ακρόαση μουσικής.

Αφού λοιπόν έχει κανείς φροντίσει να προμηθευτεί την καλύτερη δυνατή πηγή, ενισχυτή και ηχεία με τις καλύτερες δυνατές επιδόσεις και ποιότητα, είναι δυνατό να απογοητευθεί από το τελικό αποτέλεσμα που λαμβάνει σαν ακουστικό ερέθισμα. Ο μόνος τρόπος να επέμβει κανείς σ’ αυτήν τη φάση είναι μέσω ενός ισοσταθμιστή φάσματος ή απλά ισοσταθμιστή (equalizer).

 

[Giovanni Dimitropoulos]

[align=center]Πώς αντιλαμβανόμαστε την ανάπτυξη του ηχητικού πεδίου και πως αξιολογούμε τα ηχοσυστήματα.[/align]


Όταν μιλάμε για ισοσταθμιστή φάσματος σε ένα σύστημα αναπαραγωγής ήχου, εννοούμε μια ηλεκτρονική συσκευή που καταφέρνει να επιδράσει στην αναπαραγωγή του ηχητικού πεδίου, που δημιουργείται από την κίνηση των διαφραγμάτων των μεγαφώνων. Πώς όμως αντιλαμβανόμαστε και πώς εκτιμούμε την ποιότητα του αναπαραγόμενου ηχητικού πεδίου;

Αν διαβάσει κανείς μια δοκιμή ηχείου αυτοκινήτου σε κάποιο περιοδικό, θα παρατηρήσει ότι το μόνο κριτήριο για την ικανότητα αναπαραγωγής ήχου που παρατίθεται είναι οι εργαστηριακές επιδόσεις. Βασικά χρησιμοποιείται μία γραφική παράσταση, που είναι γνωστή με το όνομα απόκριση κατά συχνότητα και της οποίας συνηθίζεται να δίνουμε μόνο το κομμάτι εκείνο που αναφέρεται στο πλάτος της ακουστικής πίεσης, και όχι και εκείνο που αναφέρεται στη φάση της, γιατί πολύ απλά θα ήταν για το μέσο αναγνώστη πολύ πιο δύσκολη η αποδελτοποίηση των πληροφοριών που αυτό δίνει.

Αν διαβάσει κανείς όμως και μια δοκιμή ηχείου οικιακής χρήσης, θα δει ότι πάλι η ίδια γραφική παράσταση χρησιμοποιείται, μόνο που σ’ αυτήν την περίπτωση παρατίθεται και μια «ακουστική εκτίμηση» για την αξιολόγηση της ικανότητας αναπαραγωγής ήχου του ηχείου. Η διαφορά στην προσέγγιση οφείλεται στο γεγονός ότι θα έπρεπε να υπάρχει ένα σαλόνι αυτοκινήτου με διαστάσεις, υλικά κατασκευής και θέσεις τοποθέτησης των ηχείων που να είναι διεθνώς προτυποποιημένα, ώστε να έχει νόημα η ακουστική εκτίμηση μέσα σ’ αυτό ως μέσο σύγκρισης ηχείων αυτοκινήτου, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τα οικιακά ηχεία.

Παρ’ όλα αυτά, όμως, ο τρόπος που αντιλαμβανόμαστε και αξιολογούμε την ικανότητα ενός ηχείου να αναπαράγει σωστά τον ήχο παραμένει ο ίδιος και κατά τα διεθνώς καθιερωμένα περιλαμβάνει και τη, μετρούμενη, απόκριση κατά συχνότητα και την, υποκειμενικά διενεργούμενη, ακουστική εκτίμηση.

Η εύλογη απορία που προκύπτει αμέσως είναι γιατί να μην εφεύρουμε μια μέτρηση (που, από τη στιγμή που θα έχουν προτυποποιηθεί οι συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται, θα είναι και αντικειμενική και αξιόπιστο κριτήριο σύγκρισης) που να αντικαταστήσει την ακουστική εκτίμηση ή αν κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατό να καταργηθεί η ακουστική εκτίμηση σαν μέσον αξιολόγησης ηχείων.

Για να εξηγήσουμε αυτήν την καθ’ όλα λογική απορία, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι πληροφορία μας δίνει η απόκριση κατά συχνότητα και τι η ακουστική εκτίμηση. Η γραφική παράσταση της απόκρισης κατά συχνότητα δίνει πραγματικά πολύ λίγες πληροφορίες για το ηχείο, αφού από τη μια προκύπτει με την παραδοχή ότι η αλυσίδα που καταλήγει στο ηχείο διαμορφώνει ένα γραμμικό σύστημα και από την άλλη αναφέρεται στη μόνιμη ημιτονοειδή (steady state) κατάσταση του συστήματος και δεν λαμβάνει υπ’ όψη τη μεταβατική συμπεριφορά του. Πολλές φορές δε, αναφέρεται σε ανηχοϊκές συνθήκες, δηλαδή δεν λαμβάνει υπ’ όψη της την επίδραση του χώρου, με τις ανακλάσεις που αυτός επιβάλλει, στην αναπαραγωγή του ηχητικού πεδίου. Βέβαια, όταν πρόκειται να συγκρίνουμε ηχεία έχουν καθιερωθεί οι ανηχοϊκές καμπύλες, αλλά όταν πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε ισοσταθμιστή μας είναι χρήσιμο να ξέρουμε και την επίδραση του χώρου στην αναπαραγωγή του ηχητικού πεδίου.

Η ακουστική εκτίμηση τώρα λαμβάνει υπ’ όψη της όλους εκείνους τους παράγοντες που διαφεύγουν της απόκρισης κατά συχνότητα, και μη γραμμικότητες και μεταβατικές συμπεριφορές, κι αυτό γιατί χρησιμοποιεί σαν διέγερση μουσικό σήμα, που ως γνωστόν είναι ένα μεταβατικό σήμα, με έντονες εναλλαγές, εξάρσεις και εν πάση περιπτώσει είναι αυτό στο οποίο πρέπει να ανταποκριθεί το ηχοσύστημά μας.

Σχετικά τώρα με μεθόδους μέτρησης με τη χρήση μουσικού σήματος, δεν έχει καθιερωθεί ακόμη κάποια μέθοδος μέτρησης, παρ’ όλο που διεθνώς γίνονται έρευνες και διατυπώνονται αρκετές προτάσεις. Μέχρι στιγμής, πάντως, δεν έχει καθιερωθεί κάποια, και συνεπώς δεν μπορούμε να αποφύγουμε την ακουστική εκτίμηση και ας έχουμε σαν βοήθεια και κάποιες χρονοσυχνοτικές αναπαραστάσεις).

 

[Giovanni Dimitropoulos]

[align=center]Πώς μπορούμε να επέμβουμε στην ανάπτυξη του ηχητικού πεδίου σ’ ένα χώρο.[/align]



Από τη στιγμή που έχουμε αντιληφθεί και έχουμε αξιολογήσει τον τρόπο με τον οποίο αναπαράγεται η μουσική από ένα συγκεκριμένο ηχοσύστημα σε συγκεκριμένο χώρο, ο δρόμος που έχουμε για να επέμβουμε σ’ αυτόν είναι η παρεμβολή κατάλληλων φίλτρων στη διαδρομή του ηλεκτρικού σήματος, πριν την τελική ενίσχυσή του και την οδήγησή του στον ηλεκτρακουστικό μετατροπέα (ηχείο). Οι ηλεκτρονικές αυτές συσκευές που «χωρίζουν» το φάσμα των ακουστών συχνοτήτων σε περιοχές και εφαρμόζουν φίλτρα σ’ αυτές, ονομάζονται ισοσταθμιστές, αλλά πριν αναφερθούμε στην εμπορική μορφή των ισοσταθμιστών και προσπαθήσουμε να περιγράψουμε τα είδη τους που κυκλοφορούν στην αγορά, είναι χρήσιμο να πούμε λίγα πράγματα για τα ίδια τα φίλτρα.

Τα φίλτρα, γενικώς χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες: τα παθητικά αναλογικά, τα ενεργά αναλογικά, τα ψηφιακά και τα διακοπτομένων πυκνωτών. Σε ισοσταθμιστές χρησιμοποιούνται συνήθως ενεργά αναλογικά ή ψηφιακά φίλτρα για να υπάρχει και η δυνατότητα ρύθμισης απολαβής, ενώ παλιότερα χρησιμοποιούνταν κυρίως παθητικά αναλογικά φίλτρα.

Η συμπεριφορά των φίλτρων, τα οποία είναι στην απόλυτη πλειοψηφία γραμμικά, περιγράφεται στο πεδίο του χρόνου από μια διαφορική εξίσωση, στην αναλογική περίπτωση ή από μια εξίσωση διαφορών, για την περίπτωση ψηφιακών φίλτρων, ενώ στο πεδίο των συχνοτήτων περιγράφονται από μια γραμμική αλγεβρική εξίσωση, που προκύπτει από το μετασχηματισμό Laplace στην πρώτη και το μετασχηματισμό Ζ στη δεύτερη. Η αναπαράσταση, όμως, στο πεδίο των συχνοτήτων θεωρεί μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση και συνεπώς δεν μπορεί να περιγράψει τη μεταβατική συμπεριφορά των φίλτρων, κάτι που είναι δυνατό να εκτιμηθεί έμμεσα, από το λεγόμενο συντελεστή ποιότητας, Q, και να αναπαρασταθεί, είτε με μεταβατική διέγερση των φίλτρων, είτε με κατάλληλες μεθόδους χρονοσυχνοτικής αναπαράστασης, όπως είναι τα διαγράμματα CSD (Cumulative Spectral Decay), ή τα διαγράμματα CAE (Cumulative Attack Envelopes), που τελευταία έχουν αποδειχθεί καλύτερα.

Τα φίλτρα, επίσης, χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες, ανάλογα με την επέμβαση που κάνουν στο φάσμα του σήματος που δέχονται σαν είσοδο. Έτσι έχουμε τα χαμηλοπερατά και υψιπερατά φίλτρα που επιτρέπουν τη διέλευση των συχνοτήτων που είναι μικρότερες ή μεγαλύτερες, αντίστοιχα, από κάποια συχνότητα, που ονομάζεται συχνότητα αποκοπής. Υπάρχουν ακόμη τα ζωνοπερατά και τα ζωνοαπαγορευτικά φίλτρα, που επιτρέπουν ή απαγορεύουν αντίστοιχα, τη διέλευση μιας ζώνης συχνοτήτων γύρω από μια κεντρική συχνότητα και τέλος τα φίλτρα σχισμής.

Τα φίλτρα χαρακτηρίζονται από διάφορα χαρακτηριστικά τους, όπως η τάξη τους και οι ιδιοσυχνότητες με τους αντίστοιχους συντελεστές ποιότητας ή οι συχνότητες αποκοπής ή η κεντρική συχνότητα και το εύρος ζώνης.

Η τάξη του φίλτρου δείχνει πόσους πόλους έχει το φίλτρο και καθορίζει την κλίση της απόκρισης κατά συχνότητα του πλάτους του. Μεγαλύτερη τάξη αντιστοιχεί σε πιο απότομη κλίση, πιο απότομη αποκοπή. Για κάθε πόλο τώρα ενός φίλτρου, υπάρχει μια αντίστοιχη ιδιοσυχνότητα ω ο και ένας συντελεστής ποιότητας συντονισμού ή απλά συντελεστής ποιότητας Q, Q=2π (μέγιστη αποθηκευμένη ενέργεια /σύνολο της ενέργειας που χάνεται ανά περίοδο), στην κεντρική συχνότητα, που δείχνει την τάση του φίλτρου να ταλαντώσει ή να διατηρεί τη συγκεκριμένη ιδιοσυχνότητα, καθώς επίσης κι αυτό που ονομάζουμε «ταχύτητα» του φίλτρου.

Η διατήρηση κάποιων συχνοτήτων λόγω της τάσης του φίλτρου να ταλαντώσει, οδηγεί τελικά σε μείωση της διαύγειας αναπαραγωγής, ενώ η ταχύτητα του φίλτρου κρίνεται από το ρυθμό με τον οποίο αποσβένυται το σύνολο των συχνοτήτων στην περιοχή διέλευσης, και συνεπώς ταχύτερο φίλτρο οδηγεί σε οξύτερη αναπαραγωγή μετώπων κύματος. Υπάρχει, μάλιστα, μια αντιστοίχιση συντελεστών ποιότητας, απόσβεσης (damping) ταλαντώσεων και ταχύτητας φίλτρου.

Q < 0.5, τότε το φίλτρο δεν ταλαντώνει καθόλου και είναι πολύ αργό (περίπτωση υψηλής απόσβεσης, overdumping). Q = 0.5, τότε το φίλτρο οριακά δεν ταλαντώνει και είναι αρκετά αργό (περίπτωση κρίσιμης απόσβεσης, critical dumping). Q > 0.5 και έως Q < 0.8, τότε το φίλτρο ταλαντώνει ελάχιστα και είναι καλής ταχύτητας. Q < 0.8 και έως Q = 1, τότε το φίλτρο είναι ταχύτατο, αλλά ταλαντώνει έντονα.

Επιπλέον σε ζωνοπερατά / ζωνοδιαβατά φίλτρα η σχέση του Q με το εύρος ζώνης είναι γνήσια φθίνουσα, δηλαδή αυξανομένου του Q μειώνεται το εύρος ζώνης, άρα φίλτρα πολύ στενής ζώνης έχουν μεγάλο Q, μικρό συντελεστή απόσβεσης και άρα τάση να συντονίζουν ή να διατηρούν για μεγάλο χρονικό διάστημα μια διέγερση στην ιδιοσυχνότητά τους. Έτσι ενώ μια μεταβατική διέγερση μπορεί να διακοπεί η απόκριση του φίλτρου δεν διακόπτεται ταυτόχρονα, αλλά μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, δίνοντας το φαινόμενο κωδωνισμού (ringing), που φαίνεται στο διάγραμμα CSD σαν εμμονή του συστήματος στην αναπαραγωγή κάποιων συχνοτήτων, ακόμη και αφού η διέγερσή τους παύσει.

 

[Giovanni Dimitropoulos]

[align=center]Τι είναι ισοσταθμιστής και ποια η θέση του στο ηχοσύστημα;[/align]


Ένας ισοσταθμιστής, λοιπόν, δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια συσκευή που αποτελείται από φίλτρα (ή φίλτρο), που αναλαμβάνουν να εισάγουν απόσβεση, ή ενίσχυση σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων, από πριν καθορισμένες ή επί τόπου καθοριζόμενες. Η θέση του είναι μετά την πηγή (ραδιοκασετόφωνο, ραδιο-cd) και πριν τον ενισχυτή ισχύος.

Οι ισοσταθμιστές χωρίζονται βασικά σε επτά είδη:
1) τους γραφικούς ισοσταθμιστές (graphic equalizers)
2) τους ισοσταθμιστές απόρριψης ζωνών (band-reject equalizers)
3) τους ισοσταθμιστές αποκοπής και ενίσχυσης (cut & boost equalizers)
4) τους ισοσταθμιστές συνεργασίας (synergestic equalizers)
5) τους παραμετρικούς (parametric equalizers)
6) τους προγραμματιζόμενους (programmable equalizers) και
7) τους προσαρμοζόμενους (adaptive equalizers), από τους οποίους οι πιο γνωστοί στο χώρο του αυτοκινήτου είναι οι γραφικοί και οι παραμετρικοί.

Τα χαρακτηριστικά τους, που δίνονται στα τεχνικά εγχειρίδια περιλαμβάνουν τα κανάλια που δέχονται, τον αριθμό των περιοχών στις οποίες χωρίζουν το φάσμα (σε κάθε μια αντιστοιχεί και ένα φίλτρο), τις ρυθμιζόμενες παραμέτρους και το εύρος ρύθμισής τους.

Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε πως ορολογία, όπως ένα τρίτο της οκτάβας, ένα δεύτερο της οκτάβας, ένα δέκατο της οκτάβας, αναφέρονται στην απόσταση μεταξύ των φίλτρων, που συνιστούν τον ισοσταθμιστή και όχι στο εύρος ζώνης τους. Πολλές φορές είναι δυνατό να ρυθμίζεται η ενίσχυση ή απόσβεση των φίλτρων και η κεντρική τους συχνότητα, όπως ο συντελεστής ποιότητας τους Q.

Γραφικοί ισοσταθμιστές είναι οι ισοσταθμιστές που επιτρέπουν μόνο τη ρύθμιση της στάθμης κάθε φίλτρου και έχουν πάρει το όνομά τους από τη συνηθισμένη μορφή του πίνακα με τα ποτενσιόμετρα ελέγχου τους, η σχετική θέση των οποίων δίνει λίγο-πολύ τη μορφή της απόκρισης πλάτους κατά συχνότητα που εμφανίζουν.

Οι ισοσταθμιστές απόρριψης ζωνών είναι συνήθως ειδικά σχεδιασμένοι για βέλτιστη ισοστάθμιση του ακουστού φάσματος, με φίλτρα που απέχουν ένα τρίτο της οκτάβας, έχουν χαμηλό συντελεστή ποιότητας, είναι φίλτρα ελάχιστης (αλλαγής) φάσης, είναι συνδυαζόμενα, δεν υπερβαίνουν τα -14dB σε βήματα του 1dB. Ο κυματισμός του πλάτους της τελικής απόκρισης κατά συχνότητα του ισοσταθμισμένου ηχητικού πεδίου, κάτω από αυτές τις προϋποθέσεις είναι μη ακουστός, αφού έχει αποδειχθεί ότι το εύρος ζώνης των ζωνοαπορριπτικών φίλτρων που χρησιμοποιούνται προκειμένου να μην παρατηρείται κωδωνισμός (το οποίο αντιστοιχεί, βέβαια, σε χαμηλές τιμές του Q), συμπίπτει με το κρίσιμο εύρος ζώνης, τη διαφορά δηλαδή μεταξύ συχνοτήτων που είναι δυνατό να διακρίνει το ανθρώπινο αυτί.

Στους ισοσταθμιστές αποκοπής και ενίσχυσης έχουμε συνδυασμό ζωνοαπορριπτικών και ζωνοπερατών φίλτρων, ενώ στους ισοσταθμιστές συνεργασίας έχουμε πρώτα μια βαθμίδα bass-treble και στη συνέχεια μια βαθμίδα ισοσταθμιστή με ρυθμιζόμενες κεντρικές συχνότητες.

Ένας παραμετρικός ισοσταθμιστής, όπως άλλωστε δηλώνει και το όνομά του, επιτρέπει τον καθορισμό από το χρήστη των παραμέτρων του κάθε φίλτρου ισοστάθμισης, όπως κεντρικές συχνότητες, ενίσχυση ή απόσβεση και συντελεστής ποιότητας. Τυπικά τα φίλτρα ισοστάθμισης ενός τέτοιου ισοσταθμιστή είναι δεύτερης τάξης και τέσσερα με πέντε στον αριθμό (δηλαδή τέσσερις με πέντε περιοχές ισοστάθμισης). Τυπικά, η κεντρική συχνότητα κάθε περιοχής είναι ρυθμιζόμενη σε ένα εύρος 10:1 ή 25:1, με τα κέντρα των περιοχών σε διαφορετικές συχνότητες. Συνήθως εμφανίζονται ενισχύσεις της τάξης των 15dB και αποσβέσεις της τάξης των 25 έως -40dB. Το Q είναι τυπικά ρυθμιζόμενο σε ένα εύρος 10:1 (συνήθως από 0.29 έως 2.9).

Προγραμματιζόμενοι ισοσταθμιστές είναι οι γραφικοί ισοσταθμιστές που χρησιμοποιούν ψηφιακά ρυθμιζόμενα αναλογικά φίλτρα και μια τυπική τέτοια μονάδα είναι ικανή να «θυμάται» 128 προεπιλεγμένες καμπύλες ισοστάθμισης, αποθηκευμένες στη μνήμη της και έτοιμες για ανάκληση ανά πάσα στιγμή.

Οι εγκάρσιοι ισοσταθμιστές είναι πιο εξωτικές συσκευές, αφού υλοποιούνται βασικά με ψηφιακά φίλτρα, αντίθετα με τα προηγούμενα είδη και η επίδρασή τους στο αναπαραγόμενο φάσμα δεν είναι διαισθητικά αντιληπτή, αφού επιδρούν στο χρονικό πεδίο και χρειάζεται να γίνουν εκτεταμένοι υπολογισμοί για να εξαχθεί η καμπύλη ισοστάθμισης του φάσματος που προκύπτει για μια μεταβολή των παραμέτρων των φίλτρων που χρησιμοποιούν. Τα πλεονεκτήματά τους είναι πολλά, αφού καταλήγουν στην παραγωγή συχνοτικών αποκρίσεων χωρίς κυματισμούς, αλλά μάλλον είναι υπερβολικό το να χρησιμοποιηθούν σε αυτοκίνητο, όπως άλλωστε και οι προσαρμοζόμενοι ισοσταθμιστές που χρησιμοποιούν πληροφορία που συλλέγουν με τη βοήθεια μικροφώνου και λειτουργούν σαν ένα σύστημα ελέγχου, όπου η προς έλεγχο συμπεριφορά είναι η αναπαραγωγή του ηχητικού πεδίου.