Интерференция в зонах совместного излучения в многополосных акустических системах и активный фильтр

[bondar100]

Как я понимаю, в многополосной системе в зонах совместного излучения динамиков наблюдается интерференция. При этом, я полагаю, если делать фильтры круче, то зоны совместного излучения будут более узкими. Но у меня активные фильтры с "вычитанием", то есть это 12 Дб/окт для НЧ и ВЧ, и лишь 6 Дб/окт для СЧ.
При этом зоны совместного звучания довольно широкие:
для раздела НЧ/СЧ это составляет 135-500 Гц по уровно -6 Дб (или 200-350 Гц по уровню -3 Дб),
для раздела СЧ/ВЧ это составляет 2,3-8,5 кГц по уровно -6 Дб (или 3-6 кГц по уровню -3 Дб).

Как я понял, такие широкие полосы совместного излучения - результат того, что в активных фильтрах с вычитанием НЧ и ВЧ из исходного сигнала, фактически на СЧ выпадает участь компенсации ФЧХ, которая получается в результате формирования спадов на НЧ и ВЧ. Если суммировать все три составляющих (ВЧ, СЧ, НЧ) сумматором на ОУ, то фаза будет константой (малиновая прямая на графике). Но в реальности ведь эти 3 компонента суммируются уже находясь в воздушном пространстве. То есть ФЧХ будет компенсироваться уже сложением акустических, а не электрических волн. Это совсем не Айс, поскольку динамики также могут вносить свои фазовые сдвиги. Я прав? Или это все не так критично?

Вообще есть еще такие вопросы на эту тему:
1. Если сделать частоту раздела 1 кГц будет ли интерференция портить голос, поскольку это в зоне голосового диапазона?

2. Если я буду использовать 2 ВЧ динамика (один в диапазоне 1-5 кГц, Другой 5-20 кГц), испортит ли это музыкальность?

Вот нашел даже программку на счет интерференций 2-х точек: https://sites.google.com/site/intercommod/program

Внизу промоделирована интерференционная картина в вертикальной плоскости от 2-х точечных источников, разнесенных по высоте на 20 см дуг от друга.
Все поле занимает 4х4 метра - и видно, как "лучи" интенсивности излучения расходится от "колонки" слева направо.
Частота выбрана - 3,4 кГц - как совместное излучение на частоте раздела.
Тонкая красная линия внизу поля - это тот самый магический уровень ВЧ головки. Соответственно кривая снизу 2-D картинки - это интенсивность вдоль красной линии.

Вот картинка для сдвига нулевого сдвига фаз (т.е. ВЧ головку надо сдвинуть внутрь после моего фильтра на 3,3 см):




А это для сдвига фаз 120 градусов (что соответствует положению диафрагм на одном уровне):



Очевидно, что все зрители окажутся в "сумеречной зоне".

[mAxSpace]

Если в домашнюю систему и размеры динов адекватны и минимальное растояние между ними, то ничего страшного нет.
А голос и остальное портится, (если не учитывать самих динамиков) от неверно сведённых полос и как мне кажется высоких порядков кроссовера.

[Alickkk]

Это совсем не Айс, поскольку динамики также могут вносить свои фазовые сдвиги. Я прав? Или это все не так критично?

Все очень критично... Вы даже не представляете на сколько. Иначе зачем целые ветки посвящены сведению АС и правильной методике измерений. Вам необходимо обеспечить синфазность излучений на стыке совместной работы головок. Вот только как это сделать при активном делении я не знаю... Разве что микрофон+осциллограф и смотреть прямоугольник на частоте сшивки...

[bondar100]

На стыке 340 Гц (см. картинку в первом посте) длина волны = 1 метр. Разниц фаз составляет -80 (НЧ) +40 (СЧ) = 120 градусов.
То есть, если СЧ головку мы утопим вглубь на 120/360 = 33 см, то мы компенсируем ассинхронность головок для это частоты?
Далее, для правильного "вычитания" в активных фильтрах такое смещение головки эквивалентно введению линии задержки 1 ms в расчет активных фильтров?

[mAxSpace]

bondar100, не торопитесь производить расчёты задержек из глубины посадки без измерений, реально измеренное ГВЗ чаще всего прилично не совпадает с расчётным по такой примитивной методике.

[bondar100]

Alickkk, mAxSpace, Спасибо.
А чем все-таки чреват раздел на уровне 600-1 кГц при большой полосе совместного излучения? Кроме выравнивания динов по фазе?
Какие еще "подводные" камни?

[Alickkk]

2-х точечных источников, разнесенных по высоте на 20 см дуг от друга.

расстояние между ГГ не должно превышать величину длины волны на частоте сведения. На 3,4к это -10см

Но у меня активные фильтры с "вычитанием"

bondar100, не тем занимаетесь... при обеспечении указанного выше условия интерференцией можно пренебречь... вам нужно прогу которая резала бы частоты с введением задержек для каждой ГГ например foobar+channeldivider

[Slava!!!]

Проблема давно известна. В частности, она кратко рассмотрена в известной книге Алдошиной "Высококачественные акустические системы и излучатели". В ней показано, что фильтры "с вычитанием", позволяя получить ровные АЧХ и ФЧХ по оси излучения, дают просто ужасную интерференционную картину при отклонении от этой оси. Наилучшую интерференционную картину из рассмотренных в книге фильтров имел Линквитц-Райли 4 порядка (в книге использованы другие названия фильтров, но из их описания можно понять, о чем речь). В целом подтверждается вывод, что чем выше порядок фильтра, тем меньше искажения внеосевой АЧХ из-за интерференции.

Естественно, какой фильтр лучше звучит, в книге не написано. Каждый из рассмотренных фильтров имеет свои достоинства и недостатки. Однако следует отметить, что професиональные активные кроссоверы - как правило, выпонены на фильтрах Линквитца-Райли 4 порядка (за исключением цифровых, где вообще можно накрутить практически любую АЧХ).

[Demac]

Пол дня просидел. Читал книгу Алдошиной. Вы написали что: В ней показано, что фильтры "с вычитанием", позволяя получить ровные АЧХ и ФЧХ по оси излучения, дают просто ужасную интерференционную картину при отклонении от этой оси.
Нет там такого. Про фильтры с вычитанием там ни чего не написано.
Никто не отменял ужасную интерференционную картину при отклонении от оси в пасивных фильтрах. А то по вашему можно подумать что это только активные фильтра с вычитанием.
В любом случаи в активном фильтре , гораздо проще всё получается.

[rogozhin]

Практика показывает что оптимальные по соотношению решаемых и получаемых в замен этого проблем - это фильтры 2-го порядка. Остальные типы нужно применять только осмысленно в каких-то определенных ситуациях.

Так 1й порядок крайне критичен к конструктиву самой АС и динамиков, но при имении счастливой возможности его корректно применить (а это роскошь на самом деле) дает звучание практически идентичное отсутствию фильтров и полос как таковых, но при этом цена такого полноценного проекта может быть ай-ай как высока и в прямом и в переносном смыслах. Вообще-же пассивная фильтрация ущербна и утопична по своей сути в принципе, а уж тем более при порядках выше 2-го, и живет до сих пор только ввиду глобалистичности современного научно-технического прогресса.

Интерференции все равно какие у вас фильтры пассивные или активные, или их вообще нет, она об этом не знает Она есть даже у двух широкополосных колонок, стоящих в обычном стерео-расположении. Никогда не задумывались об этом? А ведь расстояние между АС у вас позволяет корректно складывать только НЧ составляющую. СЧ и ВЧ-же вы слышите непременно с интерференцией, повторюсь не то что при любых фильтрах и их сведении, а даже при их полном отсутствии и даже отсутствии полос как таковых Не знаю добавило-ли вам это оптимизьма, но знать и вспоминать об этом иногда - полезно

[Сухоруков Сергей]

Она есть даже у двух широкополосных колонок, стоящих в обычном стерео-расположении. Никогда не задумывались об этом?

Это не факт, коллега. Для устойчивой картины интерференции необходимо, чтобы взаимодействующие волны были когерентными. А откуда возьмётся когерентность у двух разных каналов с разным содержанием музыкального потока? Разве для моно-сигнала. И вообще те картинки, что приведены в посте №1, актуальны для стационарной синусоиды. На реальном музыкальном сигнале всё смажется.

[bondar100]

И все-таки на реальном звуковом сигнале в зоне совместного излучения будет "рябая" картина интенсивности для каждой частоты.

Вот интерференционная картина интенсивностей излучения для 2-х сферических излучаетелей, расположенный на 15 см друг от друга. Ширина и высота всего графика - по 4 метра. Красная линия - это уровень нижнего излучателя.
Картинки построены для частот 1700Гц, 2266Гц (длина волны=15 см), 2800 Гц, 3400Гц.



Как видно головки, излучающие одинаковый сигнал должны иметь затемнения в довольно широком диапазоне совместного излучения. Для фильтров 12 дБ/окт эта зона может быть вполне широкой:



Здесь частота раздела 2250 Гц, я зону бы совместного излучения определил от 1600 до 3400 Гц по разнице в излучениях до -6 Дб. То есть вся музыка в этом диапазоне будет излучаться одной акустической колонкой в таком виде (как на картинках).
Единственно, что спасает, это то, что для квартирных помещений, наши уши почти наверняка будут находится в зоне "прямого луча". Хотя это может и не выполняться.

Для схем кроссоверов с вычитанием, на ВЧ головку подается сигнал с опережением фазы на 90 градусов.
Это соответствует такой картине на частоте раздела при таких же условиях (15 см. между излучателями):

Чтобы компенсировать это, то есть сохранить интенсивность суммарного электрического сигнала в фильтрах с вычитанием в канал СЧ/НЧ подается больше амплитуда сигнала на частоте раздела (что видно из графиков АЧХ первого поста), по сравнению с фильтрами без вычитания. Но при акустическом сложении амплитуда на оси, действительно сохраняется, но сама интерференционная картина не меняется (то есть основной луч интенсивности все равно уходит вверх под тем же угом, просто он немного размазывается).

Но есть небольшое "НО"!
Если делать конструкцию громкоговорителя с установкой ДГ "заподлицо", то есть без регулировки глубины установки, то оказывается, что смещение фаз между излучениями ВЧ и СЧ/НЧ на частоте раздела 2300-2500 Гц будет очень близко к 90 градусам.
Это связано с тем, что диффузор СЧ/НЧ ДГ зачастую "утоплен" на пару см, а купол ВЧ головки наоборот "торчит" на пару см. В результате разность хода волны на частоте 2500 Гц может оказаться что-нибудь около 80-90-100 градусов в зависимости от конкретных головок.

Удивительно, но именно схема с вычитанием может компенсировать эту разницу - достаточно будет инвертировать подключение ВЧ ДГ. Хотя может встать вопрос с подъемом АЧХ на частоте раздела.

[bondar100]

Сухоруков Сергей, Мне кажется, что любой сигнал разделенный на 2 потока будет когерентен самому себе. В том смысле, что при разделении музыкального сигнала на головках интерференция может приводить к "глухим" зонам по вертикали не на единичной частоте, а на спектре частот. В конечном итоге, существует же принцип суперпозиции волн.

[Сухоруков Сергей]

Мне кажется, что любой сигнал разделенный на 2 потока будет когерентен самому себе

С некоторыми оговорками - да. Только в случае стереофонического сигнала в каналах в общем случае записаны разные сигналы, вовсе не обязанные быть когерентными. Соответственно никакой интерференции двух каналов Вы не сможете наблюдать.

---------- Добавлено в 16:54 ---------- Предыдущее сообщение в 16:49 ----------

В конечном итоге, существует же принцип суперпозиции волн.

Почитайте учебник по физике (без обид) - многое прояснится.

Вот фрагмент одной из лекций по физике:

"В опыте Юнга обеспечивается когерентность (постоянство разности фаз колебаний) двух источников света - параллельных щелей. Естественно, при некогерентных источниках интерференционная картина наблюдаться не может. Но для успешности наблюдения интерференционной картины оказывается важной и временная когерентность. При этом оказывается более удобным говорить о длине когерентности. Она определяется как характерное время, в течение которого фаза колебаний волны остается постоянной, умноженное на скорость света в вакууме.

Действительно, при удалении от центра экрана увеличивается разность хода лучей от источников S’ и S”. И если разность хода больше длины когерентности, то мы опять-таки не сможем наблюдать интерференционную картину."

Вот время когерентности у реального музыкального сигнала таково, что интерференцию звуковых сигналов вряд ли заметишь.

[bondar100]

Почитайте учебник по физике

О, да. Я после школы 9 лет читал разные учебники по физике (6 лет в ВУЗе, а потом еще в аспирантуре 3 года) и потом сам преподавал в ВУЗе (правда, не по оптике). Куда уж больше-то? Если столько лет не помогли, то "еще один учебник" уж вряд ли мне поможет.

Но если вы стали опираться на волновую оптику, то давайте разберемся, не только в сходствах, но и в отличиях света от звука.

В опыте Юнга описано прохождение фотонов или цугов волн - испускаемых обычным источником света (атомами вещества) в хаотичном порядке, то есть это последовательность цугов, фазы которых никак не связаны между собой, поскольку они испускаются атомами в хаотичном порядке (лазерах есть синхронизация фаз излучения разных цугов, но это другой случай).
Эффект интерференции возникает потому, что каждый цуг проходит через 2 щели одновременно (волново-корпускулярный дуализм), после чего он складываясь сами с собой дает интерференционную картину. Поскольку таких цугов много, и каждый из них складывается сам с собой, то возникает когерентность света, проходящего через 2 щели. Но это "мнговенная" когерентность, то есть когерентность, которая длится столько, сколько времени испускает атом цуг (фотон). Чем шире спектр излучения, т.е. разброс длин волн, тем меньше мы можем различить интерференционную картину. Но это не означает, что цуг, проходящий через 2 щели не интерферирует сам на себе. Это означает, что другие цуги имеют свою интерференцию, которая размазывает интерференционную картину от каждого цуга, но размазанная до неузнаваемости картина не отменяет сам процесс "расщепления" и складывания каждого цуга.
Отсюда возникают ограничения и на ширину самой картины интерференции - цуг имеет определенные конечные размеры, и если мы будем искать сложение фаз при разности хода больших размеров цуга, то мы там ничего не найдем - одна часть цуга уже покинет эту точку, а другая (идущая по более длинному пути) туда еще не придет. То есть цуг, расщепленный каким-то образом, не сложится в какой-то точке, и не даст интерференционную картину. Это касается точек, которые дают разность хода большую, чем размер цуга. Такой процесс происходит, например, когда свет интерферирует на зеркалах Френеля и одна часть цуга может пройти расстояние больше длины самого.
Также если расстояние между щелями сделать больше длины волны цуга, то он не сможет проскочить через 2 щели одновременно - цуг ведет себя как частица - может отскочить от препятствия, поглотиться препятствием либо целиком пройти только через одну щель. Интерференции не будет в этом случае.
Фотоны отличаются от звуковой волны:
1. излучатели звуковых волн мы можем разнести на какое угодно расстояние - это мы делаем не с помощью щели, а с помощью проводов и динамиков.
2. ширина картины интерференции зависит не от длины цуга, а зависит от длины излучения одной частоты, то есть от того, сколько периодов колебаний совершают музыкальные инструменты на одной частоте в интересующем нас диапазоне 2-3 кГц. Период колебаний на этой частоте порядка 0,5 мкс. Мне кажется, что довольно частая картина, когда "нота" может длиться гораздо дольше, например, 0,5 сек. Это означает, что там поместится тысяча периодов, а длина "звукового цуга" будет 170 метров. Если "нота" длится 0.1 сек, то длина "звукового цуга" будет 34 метра - это означает, что интерференционная картина будет отсутствовать полностью, если разность хода "звуковых цугов" составит более 34 метров. Если разность хода будет 1/2 от 34 метра, то будет частичная 50%-интерференция. И это на частоте 2 кГц.

Еще я упомянул Суперпозицию потому, что даже "много" звуков - это всего лишь сумма отдельных частот, каждая из которых будет когерентна этой же частоте, сгенерированной другим динамиком.

Коллеги, если я где-то ошибаюсь и не вижу очевидных вещей, то поправьте меня, пожалуйста.
В частности, я до конца не уверен по поводу моего понимания времени когерентности в музыке. Время когерентности примерно равно длине "цуга" деленному на скорость звука. Но прав ли я, что "ноты" могут звучать так долго? По мне - так могут.

Вот время когерентности у реального музыкального сигнала таково, что интерференцию звуковых сигналов вряд ли заметишь.

Однако при расположении головок в 15 см друг от друга (раздел СЧ/ВЧ) я не могу представить разность хода, когда интерференция терялась бы. При этом "ноты" должны быть короче, чем период волны для указанного диапазона (1,7к-3,4к), то есть это доли микросекунды.
Но даже если длина "ноты" будет равна периоду, то есть 0,5 мкс, то наблюдать размытие интерференции мы сможем только в точках, которые значительно отдалены от перпендикулярной оси. То есть для 50% потери интерференции угол отклонения от перпендикулярной оси должен быть 90 градусов, то есть в плоскости динамиков.

По поводу того, что совместное излучение головок спектра (1,7к-3,4к) "размажет" интерференционную картину, то выше я привел графики из которых видно, что звук в указанном диапазоне (1,7к-3,4к) будет разложен в некоторый спектр, исключая центральную ось, на которой все будет в порядке. То есть разные частоты спектра (1,7-3,4 кГц) будут излучаться преимущественно в свой угол, в соответствии с картинками, пятиведерными выше.

Я вполне предполагаю, что чего-то не учел в своих рассуждениях и они не верны. Поправьте меня, если что.

[_Сам_]

Я вполне предполагаю, что чего-то не учел в своих рассуждениях и они не верны. Поправьте меня, если что.

bondar100
Обратите внимание, что программа моделирует интерференцию только двух источников в бесконечном пространстве, так сказать случай сферического коня в вакууме. В реальности ситуация гораздо сложнее. Если перед АС на полу не лежит толстого и пушистого ковра, то к слушателю будет приходить отражённый от пола сигнал. Интенсивность зеркальной АС составит 90-95% от реального источника. В результате интерференционная картина будет совсем иной

[bondar100]

_Сам_, Мне кажется, что 90-95% отражения на частоте 2-3 кГц - это многовато. Разве нет?
Однако, конечно, я думал об этом, тем более, что я сейчас строю систему (с помощью форумчанина Сабсоника), которая должна работать практически в пустом зале, то есть коэфф. отражения от стен будет гораздо больше, чем в квартирах.
Однако там, где я читал про обработку звука мозгом (не могу вспомнить источник), было упоминание, что наш мозг дифференцирует прямой сигнал и отраженный. И несмотря на то, что отраженный сигнал может быть не слишком слабее прямого, мозг его не учитывает для создания "мнимого" источника звука, то есть звуковой сцены. И именно интерференционные провалы в прямом сигнале будет "портить" звуковую сцену.
В пустых помещениях может быть такое, что интенсивность отраженного сигнала будет заметно больше прямого - тогда сцена может не складываться.

В конечном итоге, у меня есть возможность проверить все измерениями. Вроде бы у меня есть для этого все, что нужно, только фильтры вот 24 Дб/окт. Но попробую все равно.

[_Сам_]

Мне кажется, что 90-95% отражения на частоте 2-3 кГц - это многовато. Разве нет?

Зависит от материала, но от линолеума, паркета, ламината 90% запросто. Ковровые покрытия начинают поглощать, когда их толщина оказывается сравнимой с длиной волны, т.е. порядка 5-10 см на 2-3 кГц.

наш мозг дифференцирует прямой сигнал и отраженный.

как мне помнится, это касается только момента начала возникновения звука. На стационарном сигнале различить не получается. Попробуйте включить генерацию синуса и походить по комнате. Лично мне не удаётся определить направление на источник звука, а вот интерференция слышна в полный рост.

[bondar100]

Зависит от материала,

Понятно.

Попробуйте включить генерацию синуса и походить по комнате.

Да, я так делал, и даже с микрофоном - падения амплитуды бывают до "0".

Просто уважаемый Сухоруков Сергей коснулся именно звукового сигнала, в котором происходит перманентная смена частот колебания.
Я думаю измерить поведение АЧХ в области совместного излучения на розовом шуме в зависимости от угла (т.е. высоты) расположения микрофона.
Мне кажется этот эксперимент будет корректен в отношении поставленной задачи - есть ли интерференция на реальном звуковом сигнале в виду того, что этот сигнал слишком отличен от постоянного синуса. Мне кажется, что розовый шум - лишь ужесточает условия задачи.

[_Сам_]

есть ли интерференция на реальном звуковом сигнале в виду того, что этот сигнал слишком отличен от постоянного синуса. Мне кажется, что розовый шум - лишь ужесточает условия задачи.

Интерференции на шумовом сигнале в принципе быть не может. Не получится зафиксировать интерференционную картину, она всё время меняется. Я лишь хотел указать на весьма ограниченную применимость вашего моделирования: "интерференционная картина интенсивностей излучения для 2-х сферических излучаетелей, расположенный на 15 см друг от друга. " На практике никогда такого не будет, ведь есть отражения от стен, есть дифракция от углов колонки.

Кстати, если интересно http://www.digitalvideo.ru/archiv/034/3404.htm там есть таблица с коэффициентами поглощения.