Проект МиниМакс

[kolas]

Приветсвую! Здесь я хочу поделиться опытом построения экзотического проекта для своего дома. В этом сообщении будет общее введение. Слайды, измерения и технические детали я постораюсь не затягивая на долгое время (ахтунг - неделя-месяц для меня не долго ) выложить в будующих сообщениях.

Цель проекта проста и вечна: хочется большого звука из небольших объемов. Здесь под словом "большой" подразумевается не "стадионный" громкий и не инфрабасовый "коричневый", но достаточно громкий для квартиры и достаточно широкополосный для прослушивания любимых записей c наслаждением. Под "небольшим" объемом здесь будет подразумеваться ящик в форме параллелепипеда объемом порядка 20 литров. Достаточная широкополостность подразумевает 50(а может и ниже!) - 15000 Гц без завала, с минимально возможной неравномерностью АЧХ аля поживем увидим. Под любимымой записью подразумевается любимая запись в цифре (ахтунг - мертвый звук), да-с.

Для достижения этих целей была выбрана следующая стратегия: 1) высокая чувствительность излучателей, 2) акустическое оформление - ПАС 4) тада! прикладная дискретная математика, или другими словами, цифровая обработка цифрового сигнала в реальном времени 5) измерение микрофоном!

Сразу хочу сообщить, что все измерения будут проводиться сургучно-веревочным метотодом на коленке и всяким хламом, не обещают абсолютных значений, и будут нести скорее качественную чем количественную информацию.

Ниже перечислим компоненты из которых будем делать из Г опытную К.

Головки: НЧ-СЧ 4а32, ВЧ - noname из коаксиоаного авто, всех по паре
Ящик: фанера 18мм объем ~20л ПАС
Усилитель: panasonic музыкальный центр, 4 канала
Источник и фильтры: нетбук процессор atom N2600, операционная система Ubuntu 12.04, фильтры brutefir, звуковая карта пока используется втроенная для измерения и настройки

Немного о компонентах: исключительное УГ начиная с головок и заканчивая дохлым процессором. Как можно логадаться, акустика будет двухполосной стерео, фильтры цифровые, каждая полоса выходит аналогом из звуковой карты по отдельному каналу и усиливается непосредственно своим усилителем.

О головках: кошмар - 4а32 не будет играть в таком маленьком ящике! ВЧ - выкрасить и выбросить, чувствительность маленькая. Но на самом деле 4а32 был выбран намеренно тк большой, и пищалка как кстати очень легко помемтилась на керн своего большого брата, а также была оснащена специально расчитанным для неё рупором. В итоге получилось все достаточно предсказуемо. Об этом будет подробнее в следующих постах.

Что касается ящика: объем маленький 4а32 явно зажат как в тисках, ниже 100 Гц полная катастрофа. Но ПАС позволил играть ниже 100 Гц хоть и на 10 Дб тише )) увы. Но ура чувствительности динамика и математике, которая позволила эту несправедливость скорректировать. Об этом тоже бутет написано позже.

Что касается измерений: обычный копеешный емкостной микрофон, ARTA demo mode. Ноутбук жены с операционной системой "виндовс маст дай 7" крутит ARTA, которая "шипит" в line out, из которого идет провод к моему ноуту, и слушает line in, куда включен микрофон. В свою очередь, второй ноут бук слушает свой line in, куда подключен первый ноутбук, отправляет принятый сигнал на фильтры, далее, после фильтров, сигнал попадает на line out, далее усиливается и воспроизводится. Звук попадает на микрофон, который слушает ARTA.

Немного математики: пусть есть громкоговоритель, пусть громкоговоритель искажает, тогда возможно так исказить сигнал, что после громкоговорителя получится почти оригинал. Конечно это прибаутка, но до какого-нибудь приемлемого уровня искажений это работает!

[kolas]

Приветствую! Начну я пожалуй с акустического оформления (ахтунг - будет много колхоза). В качестве оного выступает ящик из березовой фанеры 18 мм и внутренними размерами 100х320х660мм, и того порядка 18 л за вычетом объема динамика 4а32 и внутренней перегородки. Также имеется ПАС на задней стенке, 40 отверстий по 9 мм. Но позвольте, скажете вы, высота корзины 4а32 от фланца до края магнитной системы больше 100 мм, и будете правы! Это было сделано намеренно, в задней тенке было выпилено отверстие под магнит, шайба от отверстия была приклеена к магниту и подогнана заподлицо с задней стенкой, а большой круг от отверстия под динамик был приклеен к задней стенке соосно динамику. При установке динамика на место задняя стенка стягивается с динамиком через шайбу шурупами. Таким образом, помимо упрочняющей перегородки имеем опрочняющую корпус корзину, и наоборот упрочняющую корзину корпус.
Вложение 206285Вложение 206286
В качестве поглотителя были использованы палалоновые губки для мытья посуды, мне удалось найти с волнистым профилем, чему я был очень даже рад


Конечно в будующем эти ящики я обязательно отделаю чем-нибудь более радостным для глаз, может быть вы мне с этим поможете, буду рад!
На сегодня я закончу, в следующираз рассказ пойдет про динамики.

Для затравки

[rogozhin]

kolas, все очень аккуратно, но мочалки не подходят!

[funny the rat]

Очередная попытка слепить из известной субстанции нечто похожее на конфетку

[subsonic]

[.OFF].мочалкин блюз... [/OFF]

[kolas]

Приветсвую! Сегодня я, как и обещал, хочу рассказать про динамики. Начну, пожалуй, с пресловутых 4а32. Первое что бросается в глаза это высокая паспортная чувствительность, что не мудрено для динамика такого диаметра и не самым слабым мотором (мягко говоря). Еще мне понравилось обозначенная на бумажном шильдике динамика его резонанстая частота написанная синей ручкой, не заю кем, но надеюсь знающим человеком (47 и 45 Гц). Не понравилось только обилие клея на краях дифузора, которым их измазал какой-то муд-к при монтаже на родное дело, т.е. в кино. Динамики уфимские 1990-го года, бумага черная, на ощупь очень тонкая, если сравнивать с компрессионными басовиками.
АЧХ 4а32 как есть без оформления в блишнем поле

Так как было решено из этих широполосников делать кооксиалы, первым делом был удален визер, или как там его, и лишний клей. На обножившийся керн был приклеен пятак из ватмана, такой же пятак был приклеен к ВЧ динамику, и далее оба они были склеены вместе (кстати удобно если надо снова отодрать).
Получилось как-то так

Теперь про ВЧ. При близком рассмотрении это оказались пищалки от автоакустики alpine с неодимовыми магнитами. Первым делом был удален полярный конденсатор-фильтр и припаян жесткий медный провод к контактам.
АЧХ ВЧ как есть с акустической линзой поражает воображение
Так как изначально задумывалось делать рупор выламываю линзу.
АЧХ ВЧ без линзы заставляет ругаться матом

Сейчас немного о рупоре. Существует олдовая и точная теория рупора, и я не стал ей пренебрегать. Нашел в интернетах замечательную программу для расчета рупора (Horn по-моему ее звали) с заданными требованиями, спасибо авторам!. Эта программа выдала эскиз лепестка рупора, который я вырезал из картона восемь раз на каждый рупор, и все это чудо склеил. Теоретически рупор был приближен к идеальному, но чтобы это стало реальностью, нужна правильная предрупорная камера. К сожалению, такой стройной теории, как в случае с рупором, для предрупорной камеры нет. Во время изготовления последней, мне похоже удолось понять роль предрупорной камеры. Как мне видится, эта роль заключается в выравнивании давления по объему рупорной камеры, и передачи этого давления на горло рупора. Таким образом, излучателем в рупоре становится воздух в горле рупора, что, на мой взгляд, и объясняет высокие характери такого оформления.
Итого получается вот такая картонка
АЧХ ВЧ в рупоре
Видно как, благодаря рупору, существенно выросла отдача в районе верхней середины, даже высокие частоты гаснут на фоне такой громкости.

На этом я заканчиваю рассказ про динамики. Из приведенных измерений видно, что эти компоненты как были унылой субстанцией так ими и остались, единственное удалось расширить диапазон частот ВЧ в более низкую область. В следующий раз я расскажу как с помощью математики возможно поправить такое положение вещей. Т.к. ноутбук, на котором крутилась арта приказал долго жить (после того как на него пописал мой младший), поэтому, измерений временно не будет, и речь больше пойдет про теорию и настройку програмного обеспечения для фильтров на линуксе.

[Nitro]

ВЧ - уж точно редкостное, удачно дополнят только мусорное ведро. Надо брать под такую затею что-то с металичским куполом на мягком подвесе и мощной магнитной цепью. Иначе движение вхолостую.

[kolas]

Приветсвую! Сегодня я, как и обещал, буду рассказывать про цифровые фильтры. Как было сказано ранее, сабж акустика предназначена для воспроизведения только цифровой записи, т.е. мертвого звука. Причина проста - моя лень и моя жаба. Несомненно, хорошая аналоговая техника всегда будет на голову выше цифры, ибо ближе к реальному живому звуку, но вот только бюджет и усилия, которые необходимо приложить для достижения этой хорошести очень велики, и требуют почти фанатичной отдачи этому делу. Конечно, винил и пленка этого стоят, это все очень красиво и на слух и на вид. Но прогресс уже сделал виток, и цифровые записи достаточно высокого качества и их проигрыватели пришли в массы. (Кстати, на мой взгляд, это и определяет прогресс, когда что-то становится доступно многим.)
Отметим один недостаток цифрового звука - верхний предел для воспроизводимой частоты, определяемой частотой Найквиста (незнаю зачем ляпнул). В остальном звук как звук, привыкли мы уже чтоли к нему. Но самое главное отличие цифры от аналога заключается в том, что цифра "обитает" уже в несколько иной плоскости нашего бытия, она не имеет физической реализации, и причино-следсвенной связи для нее не существует, если мы сами не потребуем от нее этого. Т.е. в мире цифры нет времени, шума и нелинейности, и это дело дает нам большие возможности в обработке звука для наших целей (т.е. фильтров), а физическое время, шум и нелинейность появляется уже тогда, когда звук из мира цифры попадает в ЦАП и далее.

Итак, цифровые фильтры бывают с бесконечной (БИХ) и с конечной (КИХ) импульсной характеристекой (ИХ). Импульсная характеристика это отклик фильтра на сигнал в виде дельта-функции Дирака. Т.е. если спектр дельта-функции Дирака есть белый шум, то спектр ИХ фильтра есть АЧХ фильтра. Теперь что касается конечной и бесконечной (кстати аналоговые фильтры являются БИХ фильтрами). БИХ фильтры имеют только "как-бы теоретическую" импульсную характеристику, которая возникает только в процессе работы фильтра, явно его ИХ нигде не задана, а получается в результате непосредственных вычислений при обработке сигнала в случае цифрового, или в процессе прохождения сигнала по компонентам аналового фильтра. КИХ фильтры имеют явно заданную ИХ в виде конечной последовательности амплитуд, и фильтрацию таким фильтром можно проводить например с помощью операции свертки, его ИХ еще называют ядром свертки. КИХ фильтры, в отличии от БИХ, имеют одну важную особенность, т.к. в случае КИХ мы имеем право иметь произвольную какую захотим ИХ, которая обеспечивает не только требуемую АЧХ фильтра, но и его ФЧХ. Разрешение КИХ фильтра, т.е. тот минимальный интервал частот, на котором можно задать произвольную амлитуду сигнала, прямо пропорционально его длинне. Т.е. если мы возмем ядро свертки длинной 44100 точки, то, обрабатывая сигнал с дискретизацией 44.1 кГц, мы будем иметь возможность повлиять независимо на каждый герц АЧХ сигнала. Но в этом случае (ядра в 44100 точки), если мы будем применять обычную операцию свертки нам потребуется 44100 * 44100 * 44100 операций умножений и столько же сложений в секунду на фильтр, процессор просто не будет успевать за физическим временем сигнала, но существует другой метод свертки. Заключется он применении быстрого дискретного преобразования Фурье. Вместо того чтобы на каждую точку сигнала делать дорогостоющую свертку, можно взять АЧХ ядра свертки, умножить ее на АЧХ сигнала, а результат с помощью обратного преобразования Фурье превратить в выходной сигнал, результат будет такой же, но вычислений требуется на порядки меньше. Как раз такой подход применияется в цифровых фильтрах BruteFIR http://www.ludd.luth.se/~torger/brutefir.html. Как его завести я расскажу в следующий раз. Продолжение следует.

[Gudronov]

Многословить не буду, потому спрошу: вы когда-нибудь писали цифровой фильтр или спектрианализатор от комля? Я писал, я знаю, что там внутри творится. А то получается эдакий крутой интенсив со слылками на Великих... И еше - как-то не совсем удачно вяжутся фундаментальные знания с тем убожеством, что вы изготовили.

[kolas]

Приветсвую! Здесь я, как и обещал, расскажу как настроить BruteFIR для цифровой фильтрации цифрового звука. BruteFIR это бесплатная программа с открытым исходным кодом написаная для ОС Linux. Когда-то я сам реализовал КИХ фильтры под windows, но с операцией свертки в лоб, что позволяло на Dual Core 2ГГц процессоре крутить в реальном времени 4 фильтра с длинной ядра свертки порядка 3000 позиций, т.е. с разрешением фильтра в 15 Гц. Но обстоятельства сложились таким образом, что сейчас у меня в распоряжении процессор Atom 1.6 ГГц, на котором мне удалось завести в реальном времени всего один фильтр с длиной ядра свертки 500 позиций, т.е. разрешением в ~90 Гц, что катастрофически не хватало для исправления положения на низах, так и не хватало мощностей по количеству фильтров, мне необходимо 4 шт. Зная о существовании альтернативной быстрой свертки, я набрел на BruteFIR и решил его попробывать применить. Сначала меня обуревала мысль о портировании BruteFIR под windows, но посмотрев объемы и стиль кода, который заточен на дикую производительность, я решил, что "Магомед идет к горе".

Итак, нам потребуется Linux, я для себя выбрал линукс для домохозяек из семейства дебиан - Ubuntu 12.04, и буду описывать процесс установки для него
Оказывается в репозитории убунты существует пакет brutefir, что не может не радовать, берем и в наглую устанавливаем его из коробочки:
$ sudo apt-get install brutefir
после установки можно, для начала, покурить документацию например так:
$ w3m /usr/share/doc/brutefir/brutefir.html
Она является точной копией на ту ссылку которую я дал в прошлый раз. Из нее можно узнать о ключевых секция в файле для конфигурации фильтра. Кстати, фильтр запускается таким образом:
$ brutefir -nodefault путь_файла_конфигурации
Сразу признаюсь, что я подпробно не вникал в точный смысл каждой строки конфигурации фильтров, и действовал по методу ученой обезьяны. Начнем с обязательной шапки, уменя завелось такое:

sampling_rate: 44100;
filter_length: 8192,4;
modules_path: ".";
convolver_config: ".fftw3wisdom";

sampling_rate - понятно что такое, filter_length, это, как я понял, длина ядра свертки, через запятую количество этих ядер. Что удивительно, на таких ядрах свертки мой атом даже не греется и процесс фильтра висит в самых низах top-а.
Далее нам понадобятся такие секции как: coeff, intut, output, logic, filter.
Важно учесть, если нам необходимо иметь несколько фильтров с разными ядрами свертками (их импульными характеристиками), то для их "хранения" нам понадобится своя секция coeff для каждого фильтра. Например для двух фильтров это выглядит как-то так:
coeff 0 {
filename: "dirac pulse";
shared_mem: true;
blocks: 4;
};

coeff 1 {
filename: "dirac pulse";
shared_mem: true;
blocks: 4;
};

Секция input описывает устройство, с которого фильтр будет брать звук для обработки. Секция output описыват устройство, в которое фильтр будет складывать звук после обработки. Здесь все просто например это может выглядеть так:

input 0, 1 {
device: "alsa" {device: "hw:Loopback,1,0"; };
sample: "S16_LE";
channels: 2;
};

output 0, 1 {
device: "alsa" { device: "hw:0"; };
sample: "S32_LE";
dither: false;
channels: 2;
};
Здесь через запятую, после названия секции, указываются имена входов и выходов, по которым мы будем привязывать их к конкретным фильтрам. Называться они могут, например, и так "input_left" "low_ouput_right" в общем как угодно. Также стоит обратить внимание на название устройства input в приведенном примере - device: "alsa" {device: "hw:Loopback,1,0"; }, но об этом позже.
В секции logic можно описать требуемое АЧХ и ФЧХ! фильтра, по этому описанию логика сама сгенерирует нужную ИХ фильтра и положет ее в coeff. Например вот так:
logic: "eq" {
{
bands: 20, 100, 200, 500;
magnitude: 20/-3.2, 100/8.5;
phase: 20/0, 100/180;
coeff: 0;
};
{
bands: 22, 140, 200, 500;
magnitude: 22/-3.2, 140/8.5;
phase: 22/0, 140/180;
coeff: 1;
};
}
Как можно догадаться, значения задаются так: частота/значение.
И последнее, это объявление самих фильтров, например вот так:
filter 0 {
from_inputs: 0;
to_outputs: 0;
coeff: 0;
};
Все, ура!

Теперь как я хочу это все дело использовать? Я хочу чтобы звуки, проигрываемые программами (плеерами, ютубами и прочими), издавали звуки в мой фильтр, а фильтр свою работу посылал на реальную звуковуху. Для этого нам понадобится виртуальное звуковое устройтсво, так называемая петля(loopback). Создать его можно так:
$ sudo modprobe snd-aloop
и установить его умолчальным для системы. Например из гуйни System Settings -> Sound, или посмотреть список устройств командой:
$ pacmd list
найти глазами наш loopback и установить его:
$ pacmd set-default-sink "имя устройства" у меня это выглядет так : $ pacmd set-default-sink "alsa_output.1.analog-stereo"
Далее важно знать, что, оказывается, устройство с именем "hw:Loopback,0" (что эквивалентно устройству "hw:Loopback,0,1") (вспоминаем настройки brutefir) это устройство которое вещает. Для того чтобы слушать то, что пришло на это устройство необходимо указывать имя "hw:Loopback,1,0", ох и долго же я пропарился с этой изотерикой.

На сегодня все. Далее, как только мне будет доступна виндовс мастдай и Arta, мы попробуем понастраивать и позмерять всю эту машинерию. Хотя предварительный результат я уже послушал в моно исполнении (т.к. пока обладаю встроеной двухканальной звуковой картой), что и сподвигло все это рассказать, потому что эффект определенно есть!!!

[Gudronov]

Понял, писали. Сырки глотать умеете . Про колонки промолчу.

[kolas]

Приветсвую! Я не стал дожидаться починки ноутбука с виндовсом и артой, а поставил виртуальную машину с windows xp себе на нетбук с убунтой, и с нее стал проводил измерения артой, гораздо удобнее. Раньше я тоже так пытался делать, но измерения проходили не стабильно, звук то трещал, то прерывался, по этому я брал отдельный ноутбук. Теперь я понял как побороть нестабильность, нужно проводить непрерывное измерение АЧХ, после того как трески прекратятся и пойдет стабильный розовы шум, делать измерение, потом эти измерения конвертировать в ИХ.

Итак, что у нас получается на входе. На входе имеем ящик ~18 литров в объеме и панелью акустического сопративления 40 отверстий 9 мм диаметром, а также коаксиальный колхозный динамик собраный из 4а32 и авто пищалки в рупоре (т.е. из г-вна и палок). Исходные АЧХ:
4а32 в оформлении и ВЧ в рупоре
Из приведенных графиков видно, что такой большой динамик как 4а32 в таком объеме сильно зажат, резкий спад амтлитуды ниже 130 герц, для баса это катастрофа. ВЧ также не блещет. Стоит сразу отметить, что значения мплитуд не абсолютные, т.к. микрофон использовался с усилением звуковой картой, и какие реально амплитуды он мерил я не готов сказать, но в процессе настройки фильтров, где амплитуды выставлялись в децибелах, реально на графике это отражалось в удвоенных/утроенных значениях. Абсолютные значения мне были не нужны, мне нужно было выстроить общий тональный баланс. Также я хочу сказать, что микрофон имеет ощутимый завал на вч, т.к. субъективно на слух при, настройке вч в полку, чуствуется заметное невыносимое излишество высоких частот.

Начнем с ВЧ полосы. Путем нескольких итераций по корректированию АЧХ и ФЧХ и обрезанию нижних частот ВЧ динамика удалось получить вот такую картинку в ближнем поле:
На мой взгляд это фантастика, как будто это совсем другой динамик. Кстати видно что я измерял с руки (колхоз), т.к. фазы и амплитуды на самых высоких поплыли из-за дрожания руки.
Далее, поработав на НЧ/ШП звеном, мне удалось получить такую картинку:

Здесь пришлось сильно завысить амплитуду ниже 130 герц, и приглушить ее выше 130, и, соответсвенно, обрезать ненужные частоты. Также пришлось сдвинуть фазу ниже 130 герц на 180 градусов. Если кому-нибудь покажется, что отсутсвие завала на басе, это мистика, то я уверяю, это не мистика, это бас, такой каким я его заказал и слышу, хороший бас.
Ну и на последок общая АЧХ на расстоянии ~1м:


По проекту мне осталось только закупить многоканальную внешнюю звуковую карту и настроить фильтры для второго звена, дабы слушать стерео вконце концов. Также небходимо чем-нибудь задекорировать фанеру ящиков.

На сегодня я могу описать работу только моно режима акустики. Ну такого котрабаса в записи я еще не слышал, размер имеет значение, спасибо 4а32-му! Речь, вокал, саксафон достаточно натуральны, тарелочки тоже. Над ультра высокими еще надо немного поработать, их придется настраивать на слух, т.к. микрофон показывает погоду. А в целом я очень доволен проделанной работой. Ну и конечно стерео в итоге поставит все на свои места, а пока так.

На этом я заканчиваю, спасибо за внимание! Задавайте вопросы

[Stasman]

На каком подводимом напряжении получена результирующая АЧХ ? Можно ли увидеть АЧХ хотя бы при 10-15 вольтах ?

[MaxMan]

И если не сложно StepResponse.

[anpir]

BruteFIR -- программа для применения КИХ-фильтров большой длины к многоканальному цифровому аудио либо в автономном режиме, либо в режиме реального времени.

Используется, например, для коррекции звука под АЧХ конкретной комнаты - так называемый DRC (digital room correction).
Основная настройка производится через конфигурационный файл, но параметры (задержка, затухание, параметры фильтров) могут быть изменены во время выполнения через командную строку. Позволяет обрабатывать несколько каналов по произвольному импульсному отклику хоть realtime, хоть offline.
Используемый алгоритм КИХ-фильтра -- оптимизированный алгоритм в частотной области, частично реализованный вручную на ассемблере, что позволило получить очень высокую пропускную способность. В реальном времени, стандартный компьютер может обрабатывать более 10 каналов аудио с количеством точек более 60000 для каждого канала.
Благодаря модульному дизайну можно легко добавить, расширить или изменить такие возможности как адаптивная фильтрация, генераторы сигналов и ввод/вывод без необходимости изменять саму программу.
brutefir - самая быстрая реализация свёртки (convolution). Математики и работающие со звуком знают насколько это уникальный инструмент, свёртка позволяет реализовать практически любой фильтр/эффект с минимальными побочными эффектами. В brutefir входит эквалайзер позволяющий произвольно изменять как АЧХ так и ФЧХ (обычные FFT эквалайзеры, в том числе и аппаратные, просто разрушают ФЧХ).

Просто мега-софт, буду курить мануалы, спасибо !!!

[kolas]

Stasman, бог с вами, какие 10-15 вольт, три вольта на нагрузке, усилитель панасоник от муз центра.

---------- Сообщение добавлено 22:06 ---------- Предыдущее сообщение было 22:04 ----------


MaxMan, выкладываю степ

---------- Сообщение добавлено 22:10 ---------- Предыдущее сообщение было 22:06 ----------


anpir, не меня благодарите, а авторов, сам каждый день нахожу разные фичи, например недавно сделал задержку на одну из полос, дабы когерентными их сделать, ненадо динамики никуда двигать, ляпота .

[MaxMan]

kolas, я бы побаловался с задержками.

[anpir]

Вот неплохой набор софта для Lin http://calf.sourceforge.net/

[kolas]

MaxMan, согласен, действительно вч у меня несколько опаздывает, я чувствую что тщательная настройка у меня еще впереди, это пока предварительные результаты. Усилитель надо помощьней, и микрофон по точней.

---------- Сообщение добавлено 11:08 ---------- Предыдущее сообщение было 11:05 ----------


anpir, спасибо! Под линуксом чувствуется дефицит измерительного софта, кроме спектрового анализатора больше ничего не нашел.

[MaxMan]

kolas, детали не так важны, у вас подход хороший, попробуйте перенести ВЧ модуль на верхнюю часть корпуса, удачи.