MASTERS-КЛАСС: компрессия и лимитирование звукового сигнала в цифровой среде
Введение
Компрессия — один из важнейших процессов обработки звукового сигнала. Компрессия, в большинстве случаев, выполняется электронным прибором или специальной компьютерной программой (плагином), которые способны уменьшить динамический диапазон звукового сигнала, говоря проще — сократить разницу между самым тихим и самым громким звуками (уровнем сигнала).
Изначально компрессор был разработан для использования в радиопередающих сетях с целью повысить уровень громкости воспроизведения и минимизировать возможные искажения воспроизводящих устройств.
В настоящее время компрессия применяется практически на всех этапах работы со звуковым сигналом — от записи речи и музыкальных инструментов до подготовки сигнала к передаче в оконечные каскады усилителей мощности.
Работа с компрессией требует определённых знаний и практических навыков, и пренебрежение ими может привести к непоправимым последствиям.
Сегодня мы предлагаем вам ознакомиться с рекомендациями одного из мэтров современной индустрии звукоусиления, идеолога работы со звуковым сигналом в цифровой среде — Микеле Марани.
Настройка компрессии
В качестве примера рассмотрим настройку компрессии на усилителе MARANI MDA4-10KDM. Данная компрессия будет использоваться для комплекта, оснащенного парой 18-дюймовых сабвуферов, соединенных параллельно. Каждый НЧ-динамик обладает мощностью 1 кВт (RMS) и сопротивлением 8 Ом, что в данной конфигурации подключения дает нам комплект с показателями 2 кВт/4 Ом.
При работе пары 18-дюймовых сабвуферов RMS-компрессор используется для обеспечения тепловой защиты.
Для корректного использования пикового лимитера необходимо учитывать параметр Xmax (максимальное смещение звуковой катушки громкоговорителя). Конкретнее, поскольку Xmax относится к механическим параметрам, нам необходимо иметь информацию о максимальном напряжении или пиковой мощности, которую может выдержать динамик.
Разберем процедуру шаг за шагом.
При настройке усилителя MDA4-10KDM для правильной компрессии сначала необходимо убедиться, что установлено правильное выходное сопротивление в управляющем ПО на первой странице редактирования.
Как было сказано выше, характеристики громкоговорителей — 2 кВт/4 Ом.
Выбираем значение 4 Ohm в поле Speaker Drive.
В случае использования сабвуферов в качестве подключенных кабинетов нет необходимости калибровать выход усилителя под акустическую нагрузку, поэтому можно оставить значение GENERIC в поле Speaker.
Теперь, учитывая, что нам известна максимальная мощность усилителя MDA4-10KDM, для упрощения расчетов установим значение порога срабатывания (Thr) для выходных RMS-компрессора и пикового лимитера в единицах Vrms (см. рис. ниже).
Выбор единиц измерения для блоков динамической обработки сигнала выходной секции, доступных на MDA4-10KDM, позволяет отображать значения порога срабатывания в выбранной величине: если выбраны единицы Vrms, то значение будет выражено как максимальное напряжение, если выбраны единицы Watts, то значение будет выражено как максимальная мощность, выдаваемая усилителем после применения соответствующего блока обработки.
Примечание: Под «максимальным напряжением» или «мощностью» мы понимаем максимальное значение, на которое также динамически влияет заданное время атаки и восстановления. Только значение порога срабатывания жесткого лимитера точно выражает макс. напряжение или мощность, поскольку время атаки данного блока обработки является фиксированным и равно 0.
Далее в статье будут приведены значения для единиц Vrms.
Теперь перейдем к настройке RMS-компрессора и пикового лимитера.
1. RMS-компрессор (RMS Compressor)
В качестве первой оценки мы видим, что динамики могут работать с параметрами 2 кВт/4 Ом, что дает нам максимальное напряжение = 89 В.
Усилитель MDA4-10KDM при сопротивлении нагрузки 4 Ом может фактически выдавать 89,4 Vrms, поэтому в принципе ограничение мощности не требуется. Поэтому RMS-компрессор можно использовать только для целей обеспечения тепловой защиты.
Расчет значения порога срабатывания
Значение порога срабатывания для RMS-компрессора может быть вычислено несколькими способами, ниже перечислены некоторые из них:
1) Нам известна информация о кратковременной мощности AES в Вт (работа в течение 2 часов) и минимальном значении сопротивления нагрузки в Ом (в противном случае просто используйте номинальное значение, в нашем случае это 4 Ом). Получаем следующую формулу:
Порог срабатывания (Vrms) = √Paes*Rmin
2) Нам известна информация о долговременной мощности в Вт (работа в течение 100 часов) и номинальном значении сопротивления нагрузки в Ом:
Порог срабатывания для тепловой защиты (Vrms) = √P*Rnom
С данными, которые имеются в нашем распоряжении, обратимся к первому уравнению и найдем пороговое значение для компрессора.
Порог срабатывания RMS = √(2000*4) = 89,4 Vrms, что позволяет работать с мощностью 1977 Вт. Вы можете проверить это, если измените единицы Vrms на Watts с помощью селектора в ПО.
Поскольку мы хотим использовать RMS-компрессор для тепловой защиты, но у нас нет данных о долговременной мощности (100 часов работы), мы можем приблизительно рассчитать ее из мощности AES с помощью коэффициента:
Долговременная мощность = 0,8*Paes
Получаем результирующую формулу порога срабатывания для тепловой защиты √(2000*0,8*4) = 80 Vrms, что в нашем случае означает установку RMS-компрессора на значение 79,26 Vrms. Это эквивалентно рабочей мощности 1571 Вт.
Примечание: На практике мощность не всегда ограничена 1571 Вт, поскольку (см. далее) для целей тепловой защиты устанавливаются большие значения времени атаки и восстановления. Поэтому ограничение мощности в 1571 Вт появится только после определенного времени, когда сигнал превысит пороговое значение.
Расчет времени атаки и восстановления RMS-компрессора
Для тепловой защиты время атаки (Attack) и восстановления (Release) должно быть определено на основе «нагревательных свойств» катушек. В частности, может потребоваться получить от производителя указание по времени постепенного повышения температуры катушки громкоговорителя.
Тем не менее, как правило, время атаки может быть определено на основе частоты Fhp (частота системного фильтра ВЧ (HPF)), рекомендуемой производителем громкоговорителя. Вы можете использовать следующую формулу для вычисления времени атаки:
Время атаки = 100/Fhp
Например, это означает, что если частота системного фильтра ВЧ для громкоговорителя установлена на 40 Гц, то время атаки RMS-компрессора рассчитывается как 100/40 = 2,5 с.
Что касается времени восстановления, это значение можно рассчитать на основе времени атаки. Обычно время восстановления = время атаки, умноженное на 2 или 3, что будет достаточным, учитывая столь долгое время атаки. Для большого запаса по надежности вы можете применить формулу:
Время восстановления = 3*время атаки
Используя в качестве примера Fhp = 40 Гц, настройка RMS-компрессора будет следующей:
2. Пиковый лимитер (Peak Limiter)
Для оптимальной настройки пикового лимитера необходимо знать параметр Xmax громкоговорителя. Как известно, пиковый лимитер в основном используется для обеспечения защиты от механических повреждений, вызванных смещением катушки громкоговорителя. Настройку пикового лимитера необходимо выполнять в зависимости от значения Xmax и соответствующего максимального напряжения для конкретного громкоговорителя, указанного производителем.
Если в наличии нет данных о пиковом напряжении, можно предположить, что громкоговоритель способен выдерживать значение Vrms (89,4 Vrms), используемое для расчета порога срабатывания RMS-компрессора.
Поэтому мы можем начать с данного значения для безопасной настройки порога срабатывания пикового лимитера и его времени атаки/восстановления.
Исходя из того, что Vpeak = √2*Vrms, а порог срабатывания RMS-компрессора = 79,26 Vrms, для расчета порога срабатывания пикового лимитера (Vpeak) мы можем использовать следующую формулу:
Vpeak = √2*Vrms*Klp
В этой формуле применяется поправочный коэффициент Klp, необходимый для «коррекции» разной скорости срабатывания RMS-компрессора при обнаружении соответствующего сигнала с разной частотой. Обычно мы можем использовать «прогрессивный» коэффициент Klp для разных частотных диапазонов:
20 Гц < Fhp < 100 Гц → Klp = 1…1,4;
100 Гц < Fhp < 400 Гц → Klp = 1,4…2;
400 Гц < Fhp → Klp = 2.
Таким образом, если значение Fhp комплекта (два сабвуфера 18”) составляет около 40 Гц, как в примере с RMS-компрессором, мы можем считать коэффициент Klp равным 1, поэтому порог срабатывания для пикового лимитера можно установить как THRpeak = 1,4*79,26*1 = 112,09 Vpeak.
В нашем ПО значение порога срабатывания пикового лимитера задается в Vrms, поэтому нам необходимо вернуться к определению данного параметра также в единицах Vrms = THRpeak/(1,4) = 79,26.
Я понимаю, вы можете спросить, в чем необходимость перехода к представлению Vpeak, а затем обратно, если в конечном итоге порог срабатывания для RMS-компрессора (Vrms) и пикового лимитера (Vpeak) кажутся одинаковыми. Дело в том, что в зависимости от значения Fhp коэффициент Klp может отличаться от 1. И в этом случае вычисление значения Vpeak, а затем его приведение в единицы Vrms для настройки порога срабатывания пикового лимитера в ПО даст два разных значения для RMS и PEAK.
Теперь, получив значение Vpeak для порога срабатывания пикового лимитера, получим время его атаки и восстановления. Имея точное значение Fhp, мы можем использовать следующую таблицу:
В нашем примере Fhp = 40 Гц, соответственно время атаки (Attack) = 16 мс, а восстановления (Release) = 256 мс.
Настроим пиковый лимитер в ПО:
3. Жесткий лимитер (Hard Limiter)
В нашем случае для низкочастотных громкоговорителей применение жесткого лимитера является опциональным, поскольку правильно настроенный пиковый лимитер является достаточным средством защиты АС данного типа.
Данный лимитер с фиксированным временем задержки, равным 0, является последней линией защиты и используется для жесткого ограничения сигнала, если усилитель может превысить пиковое напряжение, связанное с расчетным значением Xmax. Это, в первую очередь, характерно для ВЧ-громкоговорителей, которые подвержены механическим повреждениям гораздо больше, чем НЧ-громкоговорители.
Зачастую в качестве максимально допустимой мощности до появления механических неисправностей задается значение +3 дБu от долговременной мощности RMS (что означает увеличение долговременной мощности в два раза).
Автор: Микеле Марани.
Перевод и адаптация: Леонид Верещагин, компания «Имлайт».
Информационная статья. Не является рекламой.
