Эквалайзеры "на пальцах"

И снова об эквалайзерах… Хотя сейчас мы посмотрим на историю их возникновения с технической точки зрения.

"А ну-ка, приподними там частоту в районе 3 КГц — нет, не так широко — ага, а на 800 герцах чуть понизь. Отлично". Это отрывок из обычной беседы современных музыкантов и звукорежиссеров. Да, мы пользуемся, и любим пользоваться, эквалайзерами. А что это за устройства такие, какие технологии за ними стоят? Данная тема несколько сложнее, чем может показаться на первый взгляд. А поскольку этот материал рассчитан на почти что новичков, то от очень многого нам придется абстрагироваться и объяснить все на предельно понятных примерах. Причем сразу предупреждаю опытных радиотехников, которые по этой теме могут рассказать очень многое и привести кучу литературы: я все объясню на простейших LC-контурах.

Колебательный контур

Давайте представим себе замкнутую цепь, в которую подключены только конденсатор (C) и катушка индуктивности (L). На первоначальном этапе мы ее размыкаем для того, чтобы зарядить конденсатор от внешнего источника питания, а после замыкаем. Какие процессы произойдут дальше? Конденсатор, разряжаясь, отдает ток катушке индуктивности, энергия магнитного поля в которой возрастает и достигает максимума в тот момент, когда конденсатор полностью разрядится. После этого идет обратный процесс, когда катушка тратит свою магнитную энергию, а конденсатор накапливает электрическую, то есть перезаряжается. Потом картина повторяется наоборот, и так много раз. Получаются своего рода "электромагнитные качели", а если научным языком — возникают свободные периодические гармонические колебания. Описанная нами цепь называется замкнутым колебательным контуром. Причем частота колебаний в нем зависит только от величин емкости и индуктивности. Для того, чтобы колебания стали явно затухающими, в данную цепь добавляется активное сопротивление — резистор. Но вернемся к первоначальному опыту c LC-контуром. Если мы его разомкнем и включим в данную цепь источник переменной ЭДС, в котором будем плавно изменять частоту переменного напряжения, то можем получить характеристики, показанные на графике, где fo — собственная частота колебаний контура. При совпадении частоты напряжения на источнике ЭДС и собственной частоты колебаний контура возникает эффект резонанса. Тут важно отметить, что одной из ключевых характеристик колебательного контура является его добротность — величина, описывающая степень резонансного отклика на внешнее напряжение той же частоты. Она обозначается буквой Q ("quality"). Соответственно при высокой добротности резонансный отклик велик, при низкой — мал.

Фильтры

Фильтры, как ясно из названия, — это специальные устройства, предназначенные для отделения чего-либо — в нашем случае частот. Простейшие фильтры — это и есть контуры. Например, если вы посмотрите на вариант с низкой добротностью, то сможете заметить такой момент: низкие частоты пропускаются без ослабления вплоть до определенного значения. Это и есть простейший (Г-образный) фильтр НЧ (низких частот, или, по-английски, low-pass). В принципе, низкую добротность в нем можно обеспечить, взяв очень плохую катушку индуктивности с большим омическим сопротивлением либо конденсатор с плохой изоляцией между пластинами. Но это не есть хорошо. Гораздо проще подключить к LC-контуру полезную нагрузку звукового усилителя, а добротность данного контура (или, как теперь уже удобнее будет говорить, звена фильтра) уже определяется отношением сопротивления нагрузки к реактивному сопротивлению конденсатора или катушки. Резонансная частота в данном случае уже будет называться частотой среза. Но как сделать такой фильтр максимально эффективным, то есть добиться очень крутого спада частотной характеристики после среза? В этом случае нужно использовать несколько однотипных простейших звеньев. Например, как вы понимаете, букву "Г" можно превратить в "П" или "Т", поэтому есть возможность получить П-образные звенья и Т-образные звенья.

Соединять можно и дальше, достигая максимально крутого спада частотной характеристики. И тут главное отличие с контурами. Дело в том, что в данном случае под добротностью фильтра, обозначаемой той же буквой Q, понимается крутизна среза — чем она больше, тем выше добротность. Если в звеньях фильтра НЧ вы замените конденсаторы на катушки, а катушки на конденсаторы, то получите фильтр высоких частот (ВЧ — по-английски "high-pass"), который пропускает высокие частоты с определенно заданной. Данные фильтры разрабатывались в эпоху становления радио, и качество звука в нем, как вы понимаете, было весьма далеко от идеала. И как сегодня наш современник радуется техническим новинкам и апгрейду своего РС, точно так же в начале прошлого века слушатели радио приходили в восторг от появившихся ручек регулирования "Тембр ВЧ" и "Тембр НЧ". По существу, это и есть описанные нами фильтры НЧ и ВЧ. Пользователь получил возможность улучшать, или "выравнивать", звучание. По-английски "выравнивать" — "equalize", и мы пришли к таким устройствам, как эквалайзеры.

Эквалайзеры

Простейшими эквалайзерами и были фильтры НЧ и ВЧ, к которым впоследствии в ряде устройств добавился регулятор в области средних частот. Революция произошла с изобретением и применением полосовых (band-pass) фильтров. Например, мы возьмем два описанных выше LC-контура с высокой добротностью и небольшой разбежкой в их резонансных частотах. Связаны они будут чисто индукционно (т.е. расположим рядом две катушки), внешнее напряжение подается только на один из них. Общая резонансная область всей этой системы немного расширится. А поскольку данную модель можно весьма усложнить, добавляя все новые и новые контуры, то в результате мы получим целую полосу частот, а не одну резонансную частоту. Такой достаточно сложный фильтр называется полосовым.

Что получилось в итоге? Мы можем разбить слышимый частотный спектр на определенное количество полос и управлять каждой из них в отдельности. Появились многополосные эквалайзеры. Самый простой пример, достаточно долго применяемый в современной звукотехнике, — графический эквалайзер. В нем все разбито на строго определенное количество полос, имеющих определенную ширину, и точно указаны основные частоты работы фильтров. В результате пользователь регулирует только уровни каждой из этих полос. Параметрические эквалайзеры включают в себя специфические фильтры, в которых вы можете указывать центральную частоту и параметры частотного среза фильтра. Параграфические эквалайзеры на данный момент присущи большей частью программному обеспечению и позволяют практически рисовать частотную картину эквалайзера.

То, о чем не было сказано

На самом деле это описание базировалось только на LC-фильтрах, а типов фильтров в мире уже разработано очень много, и на разных элементах, и с разными схемами, и с разными алгоритмами. Во многих случаях имеются до сих пор закрытые ноу-хау. С ростом производительности компьютеров появились возможности эффективного использования Быстрого Преобразования Фурье, то есть автоматического перехода в спектральную область. Там также можно часто встретить очень много различных новаций и алгоритмов. В общем, время не стоит на месте.

Кристофер, christopher@tut.by