Эквала́йзер (англ. equalizer — букв. "выравниватель", сокращённо — "EQ") — устройство или компьютерная программа для регулировки тембра аудиосигнала посредством изменения амплитуды его частотных составляющих. Также это мощное средство для получения разнообразных тембров звука при художественной эквализации. Основным параметром эквалайзера является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Она показывает, насколько эквалайзер усиливает или ослабляет те или иные частоты входного сигнала.
Эквалайзеры можно встретить как в бытовой, так и в профессиональной аудио-технике. Они включены во многие компьютерные программы, связанные с воспроизведением и/или обработкой звука — различные аудио и видео-проигрыватели, редакторы и т.д. Многие электромузыкальные инструменты, инструментальные комбоусилители и педали эффектов также оснащаются эквалайзерами, хотя и менее функциональными.
Простейший пример эквалайзера - это всем хорошо известные регуляторы тембра (высоких и низких, иногда - средних частот), которые есть почти в каждом бытовом и автомобильном усилителе, приемнике или магнитофоне. С их помощью можно отрегулировать звучание системы таким образом, чтобы оно соответствовало вашим вкусам и - в некоторой степени - особенностям помещения, в котором вы находитесь.
Процесс обработки звукового сигнала эквалайзером называется "эквализацией" (Equalization). Термин обычно подразумевает коррекцию амплитуды или изменение отношения частот.
Обзор
По сути эквалайзер это определённый набор различных типов фильтров. Существует два основных типа многополосных эквалайзеров: графический и параметрический. Графический эквалайзер имеет определённое количество регулируемых по уровню частотных полос, каждая из которых характеризуется постоянной рабочей частотой, фиксированной шириной полосы вокруг рабочей частоты, а также диапазоном регулировки уровня (одинаковый для всех полос). Как правило, крайние полосы (самая низкая и высокая) представляют собой фильтры «полочного» типа, а все остальные имеют «колоколообразную» характеристику. Графические эквалайзеры, применяемые в профессиональных областях, обычно имеют 15 или 31 полосу на канал, и часто оснащаются анализаторами для удобства корректировки.
Параметрический эквалайзер дает гораздо большие возможности корректировки частотной характеристики сигнала. Каждая его полоса имеет три основных регулируемых параметра:
- Frequency - центральная (или рабочая) частота в герцах (Гц);
- Q - добротность (ширина рабочей полосы вокруг центральной частоты) — безразмерная величина;
- Gain - уровень усиления или ослабления выбранной полосы в децибелах (дБ).
Таким образом, при использовании параметрического эквалайзера пользователь может гораздо точнее подобрать нужную частоту и более точно её отрегулировать. Аналоговые параметрические эквалайзеры встречаются довольно редко и имеют малое количество регулируемых частотных полос. Однако достижения в цифровой обработке звукового сигнала способствовали появлению цифровых параметрических эквалайзеров с практически неограниченным количеством регулируемых частотных полос. Более того, в цифровых параметрических эквалайзерах нередко имеются дополнительные параметры полос, такие как: тип фильтра, характер кривой и т. д. Очень часто параметрические эквалайзеры могут служить в качестве одного из блоков обработки цифровых акустических процессоров.
Существуют эквалайзеры смешанного типа, которые можно встретить в микшерных консолях, где к примеру низкие и высокие частоты регулируются по типу графического эквалайзера «полочного» типа, а между ними находятся две полупараметрические полосы (без регулировки добротности).
Также встречаются гибриды, называемые параграфическими эквалайзерами — это гибрид параметрических и графических эквалайзеров. Они, как правило, позволяют управлять коэффициентами усиления (gain) с помощью ползунков (или в графическом виде на дисплее), но при этом имеют настройки добротности и настройку центральной частоты для каждой полосы.
Существуют пространственные эквалайзеры, которые позволяет корректировать отдельно моно (mid) и стерео (side) составляющие сигнала, а также стерео эквалайзеры, в которых есть возможность отдельно эквализировать правый и левый каналы сигнала.
Наиболее часто используемые типы фильтров в эквалайзерах:
- Low pass - пропускающий низкие частоты.
- High pass - пропускающий высокие частоты.
- Peaking или bell - полосовой фильтр, колоколобразный.
- Low shelf - низкочастотная полка или шельф.
- High shelf - высокочастотная полка или шельф.
- Baxandall Curve - кривая наклона АЧХ без изменения частот перегиба.
-
Low pass и High pass фильтры.
-
Два примера частотной характеристики Peaking фильтра.
-
Low shelf и High shelf фильтры.
Возможности цифровых эквалайзеров намного шире чем у аналоговых, так как в них можно моделировать характеристику фильтров при помощи математики, что невозможно сделать в аналоговом приборе. Гибкость цифрового эквалайзера ограничена только программным обеспечением, в цифровых эквалайзерах есть возможность делать очень большую крутизну спада фильтров, и в ряде устройств создавать практически неограниченное количество полос.
Фазово-частотная характеристика
Аналоговые эквалайзеры вносят в сигналы частотно-зависимый сдвиг по времени. Другими словами, различные частотные компоненты сигнала задерживаются на различное время. Как правило, это нежелательный эффект, т.к. если на вход поступает импульсный сигнал (резкий удар или щелчок), то и на выходе желательно получить импульс, не размазанный во времени.
Фазо-частотная характеристика (ФЧХ, фазовая характеристика, phase response) показывает, насколько меняется фаза сигнала при прохождении через эквалайзер. Если фаза меняется на величину, пропорциональную частоте, то это соответствует простому сдвигу сигнала во времени, без изменения формы сигнала. Эквалайзеры, реализующие такую ФЧХ, называются эквалайзерами с линейной фазой (linear-phase EQ). Все аналоговые эквалайзеры имеют нелинейную ФЧХ, в то время как цифровые эквалайзеры могут иметь как линейную, так и нелинейную ФЧХ.
Для большинства аналоговых эквалайзеров можно построить ФЧХ по известной АЧХ. При этом наибольшие изменения в ФЧХ происходят в местах быстрого изменения АЧХ. Это означает, что чем сильнее вмешательство в частотный диапазон, тем сильнее будут проявляться фазовые искажения — в обиходе часто говорят, что эквалайзер «крутит» фазу.
Цифровые эквалайзеры могут иметь линейную ФЧХ и константное ГВЗ (групповое время задержки, то есть сдвиг по времени различных частотных компонент сигнала), такие эквалайзеры называются линейными. Недостаток таких эквалайзеров:
- Пульсации АЧХ в полосе пропускания;
- Неполное подавление в полосе подавления;
- Ограниченная крутизна изменения АЧХ;
- Задержка сигнала.
Задержка сигнала линейными эквалайзерами проявляется не всегда, многие современные аудио редакторы и секвенсоры компенсируют эту задержку, что позволяет использовать их наряду с нелинейными эквалайзерами.
На рисунках ниже показаны ФЧХ и ГВЗ эквалайзеров, при разной добротности (Q) фильтров. Видно, что большее значение добротности эквалайзера соответствует более резким скачкам в ФЧХ и ГВЗ. Линейные эквалайзеры лишены этих недостатков.
-
Добротность Q = 25.
-
ФЧХ (в градусах).
-
ГВЗ (в сэмплах, при частоте дискретизации 44,1 кГц).
-
Добротность Q = 2,8.
-
ФЧХ (в градусах).
-
ГВЗ (в сэмплах, при частоте дискретизации 44,1 кГц).
Импульсная характеристика
Импульсная характеристика (импульсный отклик) фильтра — это выходной сигнал фильтра при подаче на вход единичного импульса (т.е. сигнала «…0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, …»). По виду импульсной характеристики можно понять, как эквалайзер изменит резкие всплески в аудиосигнале. Если пик импульсной характеристики окружен колебаниями с двух сторон, то можно ожидать, что и резкие всплески аудиосигнала будут окружены осцилляциями — этот эффект называется «звоном» (ringing) фильтров.
У линейных эквалайзеров звон в равной степени присутствует до и после импульса. Для большинства не линейных эквалайзеров звон сосредоточен после импульса, что часто является преимуществом, так как за резкими атаками музыкального материала обычно следует сравнительно плавный спад, который с большой вероятностью психоакустически замаскирует звон фильтра. Упреждающий же звон линейного эквалайзера будет с большей вероятностью заметен перед резкими ударами.
Количество звона (его относительный уровень и протяженность во времени) напрямую зависит от АЧХ и ФЧХ фильтра. Чем более крутые изменения в частотной области требуются от эквалайзера, тем больше звона будет присутствовать во временной области. При этом звон будет концентрироваться вблизи частот «излома» и наибольшей кривизны АЧХ и ФЧХ.
Технические характеристики
Технические характеристики эквалайзера чрезвычайно важны. Наряду с необходимостью широкого диапазона частот работы эквалайзера (по всему аудиоспектру), он должен обладать достаточно ровной частотной характеристикой при среднем положении всех ручек регулировки. Немаловажным фактором является низкий уровень шумов, так как усиление в области высоких частот подчеркивает имеющиеся шумы - как те, что имеет входной сигнал, так и находящиеся в цепи, но всё это имеет отношение к аналоговым эквалайзерам, т.к. цифровые эквалайзеры не создают шума.
Большое значение придается фазовым характеристикам эквалайзера, так как они в той или иной степени сдвигают фазу, между гармониками, и на разных частотах возникают небольшие временные задержки. Это сильно влияет на субъективное звучание эквалайзера и объясняет, почему некоторые эквалайзеры "звучат" хорошо (в музыкальном смысле), в то время как другие приборы с такими же параметрами и технической документацией звучат хуже. Если эквалайзер сдвигает фазу мягко и по нарастанию - это лучше для музыкального восприятия (хуже - когда сдвиги фазы идут неожиданно и в виде пиков). При необходимости можно воспользоваться линейным эквалайзером, но стоит помнить о задержке, меньшей гибкости в настройках и упреждающем звоне.
Следующий фактор это диапазон регулировки. У аналоговых моделей он составляет обычно 12 или 15 децибел, тогда как у цифровых может быть до 30 дБ и более.
Использование
Эквалайзеры имеют широкий спектр применений. Основное их назначение сводится к получению адекватного (линейного) звучания исходного материала, частотная характеристика которого может искажаться из-за недостатков акустических систем, межблочных приборов обработки, параметров помещения и т.д.
Любое акустическое пространство делает какие либо звуковые частоты громче или тише, чем другие. Это связано со стоячими волнами производимыми размерами комнаты, используемыми в ней материалами, формой, количество зрителей в зале и многое другое — все это может сильно изменять частотную характеристику воспроизводимого материала. Эквалайзер используется для компенсации этих расхождений в акустике помещения. В идеале, звуковая система должна воспроизводить плоскую АЧХ. В этом случае специалисты используют три основных компонента: высокоточный измерительный микрофон, анализатор спектра и эквалайзер. Все это позволяет выяснить, какие частоты "пропадают" в данном помещении, а какие выделяются, и в соответствии с этим произвести коррекцию. Это стандартная практика для студий звукозаписи, живых выступлений и некоторых высококачественных систем.
Наиболее часто эквалайзер используется при живых выступлениях, где одновременно работают микрофоны и колонки. Основная проблема заключается в возникновении эффекта обратной связи, который создаёт неприятные для слуха гудение и пищание. В этом случае звукооператор использует многополосный графический эквалайзер для поиска резонансных частот и подавляет их. Однако для устранения обратной связи не все специалисты используют графический эквалайзер, т.к. для этого существуют специальные приборы — цифровые автоматические подавители обратной связи, которые представляют собой параметрический эквалайзер, с автоматическим подбором резонансной частоты, где фильтры имеют очень высокую добротность.
Многие музыканты при записи или выступлениях используют различные эквалайзеры для получения неповторимого звучания своих инструментов, а также особых эффектов, связанных с ярким выделением специфических частотных полос, такая эквализация называется художественной. Например, убрав с помощью эквалайзера все низкие и высокие частоты и оставив только средний диапазон, можно получить эффект "старого радиоприёмника". Практически все диджеи во время сетов активно пользуются эквалайзерами на микшерных пультах, опять же для создания определённых эффектов.
При работе с эквалайзером очень важно понимать, что усиление какой-либо частотной полосы приводит к усилению общего уровня аудио-сигнала, и чрезмерное усиление полос может зачастую привести к перегрузкам в звуковом сигнале. В связи с этим, ослабление частот, которые не требуется усиливать, является более правильным выбором, чем усиление необходимых. Поэтому эквалайзером следует пользоваться очень аккуратно и не использовать его, если в этом нет очевидной надобности.
Краткая история
История эквалайзеров началась в 1930-х годах в Голливуде, когда появились первые фильмы со звуком. В то время многие обращали внимание на неестественное звучание музыки и голоса актёров. Одним из этих людей был Джон Волкман, который и применил первый эквалайзер для улучшения звучания звуковых систем в кинотеатре. До этого подобные эквалайзеру приборы использовались для коррекции звуковых потерь при передаче сигнала. Однако Волкман был первым, кто внедрил эквалайзер в звукоусилительную систему. Первый такой эквалайзер (EQ-251A) представлял собой прибор с двумя ползунками, каждый из которых имел переключатель выбора частот.
В то же время в голливудских студиях звукозаписи проводились эксперименты с эквалайзерами в целях пост-продакшна и создания эффектов. Тогда компания Cinema Engineering разработала первый настоящий графический эквалайзер (модель 7080), который имел 6 полос, регулируемых в пределах 6 дБ с шагом в 1 дБ, а впоследствии — очень популярный в то время 7-полосный эквалайзер 9062A.
Во время Второй мировой войны в этой сфере наступило затишье, и в 1958 году профессор университета Уэйн Радмоуз успешно разработал и применил свою теорию акустической эквализации. После этого в 1962 году Радмоуз совместно со своим другом Боунером разработали акустический фильтр с очень высокой добротностью - так был разработан эквалайзер White, который помог Боунеру создать теорию акустической обратной связи и эквализации помещений.
В 1967 году Арт Дэвис (из Cinema Engineering), совместно с Джимом Ноблем и Доном Дэвисом, разработали первый набор пассивных 1/3-октавных фильтров, который был назван "Acousta-Voice". Эта система положила начало новой эры современной эквализации.
В течение последующих 20 лет произошёл буквально бум в разработках эквалайзеров: было создано большое разнообразие эквалайзеров, с применением микросхем и других цифровых технологий.