در بحث Signal Processing همانطور که میدانید یک سیگنال الکتریکی را به حوزه فرکانس میبریم و در حوزه فرکانس شاخصهای دامنه و فاز آنرا مورد بررسی قرار میدهیم. یک سیستم صوتی باید هم رفتاری خطی داشته باشد و هم بتواند سیگنال الکتریکی را تا حد ممکن بدون دستکاری در پاسخ فرکانسی دامنه و فاز بصورت شکل موج صوتی به شنونده تحویل دهد. در سیستمهای صوتی پیشرفته امروزی میزان خطی بودن (در حالت جریان دهی کامل) تا حد نسبتا خوبی (در مقیاس Macro خیلی خوب شده اما در مقیاس Micro نه کاملا خوب) تحقق یافته و سیستمها در این بخش با استفاده از قطعات گران و طراحی مناسب به نویز پایین و Linearity نسبتا خوبی دست پیدا میکنند. در حوزه فرکانس (با فرض خطی بودن سیستم) یک سیستم باید در دو شاخص دامنه و فاز کمترین اثر را بر روی سیگنال بگذارد و در سیستمهای پیشرفته پاسخ دامنه تا حد بسیار مطلوبی تحقق یافته است. مثلا پاسخ دامنه تقریبا تمام آمپلی فایر ها و بلندگوهای گران در محدوده شنوایی انسان Flat و هموار است اما در مورد پاسخ فاز اینگونه نیست. رمز شنیدن یک صدای خوب تنها خطی بودن و پاسخ دامنه فرکانسی Flat نیست و پاسخ فاز اثر زیادی بر حس شنیداری دارد. در سیستمهای صوتی ضعیف ترین بخش در تغییر ندادن پاسخ فاز ، بلندگو و آکوستیک اتاق میباشد و بعد از آن سورس دیجیتال و بعد از همه الکترونیک سیستم خصوصا کابلها. سورس دیجیتال بعلت محدودیت هایی که دارد مجبور است از یک فیلتر پایین گذر استفاده کند که این فیلتر پاسخ فاز را دستکاری کرده و خصوصا در فرکانسهای بالاتر مشخصه صدا تغییر می یابد. البته ضعف سورس دیجیتال تنها پاسخ فاز نبوده و مساله Linearity آن هم تا حدی باعث تغییر شاخص صدا خصوصا در لول های پایین سیگنال ، Micro Dynamic صدا هنگام پردازش چند استرینگ موازی در یک محدوده فرکانس و بافت صدا خصوصا در فرکانسهای وسط و بالا میشود. برای همین است که هنوز یک سورس آنالوگ خوب از نگاه من حتی با وجود ضعفهایی در بعضی از شاخص ها از یک سورس دیجیتال خوب برتری دارد. پاسخ فاز در بخش الکترونیک هم مهم میباشد و هر چقدر Signal Path یک مدار کوتاه تر و مدار ساده تر باشد پاسخ بهتری خواهیم داشت. مثلا مدارات لامپی از مدارات ترانزیستوری ساده ترند و پاسخ بهتری دارند (البته نه همیشه) و یک آمپلی فایر پر قدرت ترانزیستوری (مثلا 300 وات) باید از چند طبقه ترانزیستور پشت سر هم استفاده نماید تا به آن توان دست یابد و این افزایش طبقات پاسخ فاز را تحت تاثیر قرار میدهد. یکی از دلایلی که کمپانی Pass Labs مورد توجه قرار گرفته بخاطر استفاده از طبقات کمتر و استفاده از ترانزیستورهای پرقدرت با پاسخ فرکانسی مناسب است. در مورد کابلها هم باید دقت کرد هر چقدر طراحی بشکلی باشد که ظرفیت سلفی و خازنی خط انتقال کمتر باشد پاسخ فاز بهتر خواهد بود و کاربران باید توجه داشته باشند پاسخ فاز با افزایش طول کابل تغییر کرده و هر چقدر طول کابل بیشتر باشد وضعیت بدتر میشود. استفاده از جبران سازها هم در وسط کابل تا حدی پاسخ فاز را تغییر میدهد. اما مهمترین بخش یک سیستم پاسخ فاز بلندگو و وضعیت پاسخ اتاق میباشد که هنوز بلندگوهای بسیار گران هم مشکل پاسخ فاز دارند و بسیاری از کاربران هم فضای شنیداری نامطلوب دارند. دلیل این مساله اینست که یک درایور تنها نمیتواند بخوبی محدوده شنوایی انسان را پوشش دهد و تنها در یک ناحیه خاص فرکانسی پاسخی خطی و پاسخی مطلوب در حوزه فرکانس دارد. طراح بلندگو مجبور است برای جبران این ضعف محدوده فرکانسی گوش انسان را به بازه هایی تقسیم کند و در هر بازه مثلا 400 تا 2000 هرتز یک درایور قرار دهد. برای همین است بلندگو ها در فرکانسهای پایین از درایورهای بزرگتر و در فرکانسهای بالا از Tweeter استفاده میکنند تا در هر بازه به یک پاسخ مطلوب برسند. برای جداسازی محدوده فرکانسی مجبوریم از فیلترهایی بنام Crossover استفاده کنیم که پاسخ فاز این فیلترها بهمراه پاسخ فاز درایور بر روی پاسخ فاز اثر میگذارند و پاسخ نهایی فاز کل سیستم را تغییر میدهند. برای حل این مشکل یا کاهش آن ، شرکتها راه حلهایی را در نظر میگیرند. مثلا برخی شرکتها از Crossover با شاخص 6db/octave و درایورهای پیشرفته استفاده میکنند (مانند Dunlavy) تا به پاسخ بهتری برسند. برخی مانند Theil از روشهایی برای Time Coherent کردن بلندگو استفاده میکنند. برخی هم مانند Quad ، Manger ، 47 Lab ، Omega و Sound Lab سعی در ساختن درایوری میکنند که کل ناحیه فرکانسی را پوشش دهد. این روش مزایای زیادی داشته و البته در برخی شاخص ها محدودیتهایی نیز دارد اما اگر با گذشت زمان درایور تکامل یابد و شاخص های دیگرش بهتر شود شاید به بهترین پاسخ برسد (Manger در ایران نمایندگی دارد پیشنهاد میکنم آنرا بشنوید). بلندگوهایی که پاسخ فاز مناسب دارند در Time Domain رفتار بهتری داشته و در دراز مدت شنونده را آزار نمیدهند. راه حل دیگری هم وجود دارد که هم اکنون شرکتهایی چون Meridian ، TacT ، DEQX و Goldmund بر روی آن کار میکنند. در این روش بلندگو از چند درایور در نواحی مختلف فرکانسی استفاده میکند اما در قسمت کراس آور بجای کراس آور (فیلتر آنالوگ) Passive از یک کراس آور اکتیو استفاده میکند که در آن یک DSP مخفف Digital Signal Processor قرار دارد. وظیفه این DSP قسمت بندی ناحیه فرکانسی هر درایور و تصحیح پاسخ دامنه و فاز میباشد. در این روش حتی پاسخ اتاق را هم میتوان تصحیح نمود و به یک پاسخ مناسب رسید. در طراحی فیلترهای دیجیتال برای پاسخ فاز خطی از فیلترهای FIR استفاده مینمایند تا پاسخ Time Domain به ایده ال نزدیک گردد. شرکت استرالیایی DEQX با بهره گیری از نرم افزار Matlab (اینجا را ببینید) گامهایی در این زمینه برداشته است. بنظر میرسد این روش سرعت بیشتری نسبت به استفاده از یک درایور در صنعت داشته باشد و بمرور زمان بیشتر بلندگوها از این روش استفاده نمایند. در حال حاضر NHT ، Overkill Audio ، Magico به این سمت میروند (جالب اینجاست Overkill از درایورهای MSW شرکت Manger استفاده مینماید). مهمترین اثر پاسخ فاز یک بلندگو بر صدا مساله Coherence صداست و بعد از آن مساله نویز تولیدی بلندگو (بلندگوهایی که پاسخ فاز درستی ندارند انرژی را در زمان ذخیره و با تاخیر آزاد میکنند که این حالت باعث ایجاد صدای اضافه میشود) در اثر پاسخ نامناسب در Time Domain که در دراز مدت به خستگی شنونده منجر میشود. از صدای حتی بلندگوهای گران میتوان با شنیدن دقیق صدا ایراد گرفت و فرکانس کراس آور آنرا حدس زد خصوصا در استرینگهایی که پوشش آنها حول فرکانس کراس آور هست و بهترین و گران ترین بلندگوهایی که پاسخ فاز درستی ندارند در مقابل ارزانترین بلندگوهایی که از یک درایور استفاده میکنند Coherence کمتری دارند هرچند ممکن است در شاخص های دیگر خیلی بهتر باشند. برای همین است پیشنهاد میکنم هر صدایی را بشنوید شاید شما Coherence را به شاخص های دیگرصدا ترجیح دهید. پارامتر بسیار مهم دیگری که هم بر پاسخ دامنه و هم بر پاسخ فاز سیستم اثر میگذارد آکوستیک اتاق هست و اتاق پر بازگشت کل صدا را خراب میکند ، حتی اگر با استفاده از پیشرفته ترین سیستمها به پاسخ دامنه و فاز مناسب برسیم آکوستیک بد آنرا خراب میکند و همه هزینه هایی که کردید را بی نتیجه میگذارد. یک سیستم بد در یک اتاق خوب شاید با یک سیستم رفرنس در یک اتاق بد یک جور صدا بدهد. نتیجه دیگر این بحث اینست علی رغم تبلیغات و قیمت بالای برخی شرکتها همواره باید صدا را شنید و بعد تصمیم گرفت. در شکلهای زیر پاسخ بلندگو به سیگنال پله (Step Response) دو بلندگو را میبینیم که این پاسخ تا حد زیادی به پاسخ فاز بلندگو ربط دارد و یکی تقریبا حالت ایده ال را نمایش میدهد و دیگری پاسخ غیر ایده ال را :

شکل بالا پاسخ نسبتا ایده ال یک بلندگو میباشد که پاسخ بلندگوهایی تک درایوری یا به اصطلاح Full Range Single Driver به آن نزدیک است.

شکل بالا پاسخ پله یک بلندگوی 3way با طراحی معمول را نشان میدهد که از حالت ایده ال فاصله دارد.

در گذشته عقیده بر این بود که سیستم شنوایی انسان حساسیتی به پاسخ فاز ندارد اما الان ثابت شده پاسخ فاز بر حس شنیداری اثرگذار است. در ظاهر میبینیم دو تکنولوژی این همه تفاوت دارند اما در عمل هنگام شنیدن صدا کمی این تفاوت کمتر میشود و دلیل آن هم اینست که استرینگهای صدا یک سیگنال الکتریکی با بازه فرکانسی محدود هستند و حالت پله ندارند ، ممکن است مثلا صدای خواننده در بلندگویی که فرکانس پایین و بالای کراس آور آن بین 100 تا 2000 هرتز باشد Coherence خوبی داشته باشد ولی هرچقدر بازه فرکانسی استرینگهای صدا گسترده تر و در حوالی ناحیه فرکانس Crossover باشند وضعیت بدتر خواهد شد. برای همین است CD های تست شرکتهای سازنده بلندگو صداهایی را پخش میکند که بازه فرکانسی آنها خیلی به ناحیه کراس آور نزدیک نیست. مساله دیگری که ممکن است تفاوت دو پاسخ را در نگاه شنونده کمتر کند پاسخ آکوستیکی اتاق است چرا که در اتاق غیر ایده ال بخاطر بازگشتهای صدا تفاوت این دو پاسخ کمتر میشود و یک بلندگوی خوب تفاوتش با بلندگوی معمولی در محیط ایده ال خیلی محسوس تر است. ایده ال ها از نگاه پاسخ فاز مناسب :

1) minimalist mic’ing required – no multi-mic’ing or studio mic’ing
2) no mixing board analog equalization, because analog equalization filters alter phase!
3) preferably no reverb or additional post-processing
4) phase linear amplification required (any good quality amplifier)
5) phase linear speakers, e.g. crossover-less single driver speakers like Quad electrostats
6) or Stax electrostatic headphones

منابع :

Wikipedia (Crossover – Filter) – DEQX – K+H – Arion – 6moon – Meridian – PF – TacT – 47 Lab – Music Design – Z-Systems – Miami Music – TNT – Goldmund – Linkwitz Lab – Single – Digital Correction (Part I , Part II , Part III) – REG – loudspeaker.pdf

Stereophile (Measuring Loudspeakers Part One , Part Two , Part Three)

DspGuru (FIR) – Miami – Phase Distortion

Green Audio

 Audiophilics