رفتار اکوآلایزرها

ارد انزابی پور

اکوآلایزر یا همسان ساز ابزاری است که پاسخ فرکانسی (دامنه بر حسب فرکانس) را تغییر می دهد یعنی تراز دامنه ی برخی از فرکانس ها را کم و زیاد می کند. در روزهای آغازین صنعت صدا، سیگنال ها (مانند خطوط تلفن) در مسافات طولانی دچار افت فرکانس های بالا می شدند. ابداع اکوآلایزرها برای مقابله با این مشکل بود تا سیگنال دو سر خط را با هم متعادل کنند. اما امروزه آنچه از اکوآلایزر انتظار می رود بسیار بیشتر از این است.
کاربردهای اکوآلایزر متنوع است: تراز کردن پاسخ فرکانسی، شکل دادن پاسخ فرکانسی، تاکید بر خصوصیت صوتی خاص، تفکیک اصوات، حذف اصوات ناخواسته و شکل دهی خلاقانه و نامتعارف اصوات.
در ابتدا برای ساخت اکوآلایزر از مدارات الکترونیک استفاده می شد که اکنون روش های دیجیتال و پردازشی نیز افزوده شده است. هر روش ساختی چه آنالوگ و چه دیجیتال رفتار خاصی را به اکوآلایزر می دهد. این رفتار خاص، دلیل گوناگونی تاثیر اکوآلایزرهای مختلف است زیرا هر کدام به روشی متفاوت به صدا پاسخ می دهند.

شکل 1

اکوآلایزر پارامتریک:
منعطف ترین نوع، اکوآلایزر پارامتریک است که از جدید ترین انواع بشمار می رود و توسط جرج مسنبرگ نوزده ساله در اوایل دهه ی هفتاد میلادی معرفی شد (شکل 1). ایده ی اصلی این بود که مشخصات اکوآلایزر (فرکانس مرکزی، دامنه و پهنای باند) مستقل از هم قابل کنترل باشند. اکوآلایزر روی فرکانسی به نام فرکانس مرکزی (fc) تنظیم می شود تا دامنه ی متناظر را تغییر دهد. در همین حال فرکانس های همسایه نیز تحت تاثیر قرار می گیرند. میزان تاثیر فرکانس های همسایه را پهنای باند (BW) فیلتر مشخص می کند که عبارت است از محدوده ی فرکانسی که تراز دامنه ی آن، 3 دسی بل افت کند (شکل 2). گاهی بجای پهنای باند، نسبت بین فرکانس مرکزی بخش بر پهنای باند را که Q (ضریب کیفیت) نامیده می شود مد نظر قرار می دهند. هرچه Q بیشتر باشد پهنای باند فیلتر کمتر بوده و باصطلاح، فیلتر تیزتر است و در نتیجه فرکانس های همسایه کمتر تحت تاثیر قرار می گیرند (شکل 3).

شکل 2

شکل 3

فرمول های زیر روابط بین پارامترهای اکوآلایزر را نشان می دهند:
Q=fc/BW , BW=fH-fL , fc2=fH×fL
اکوآلایزر پاسخ فاز را هم تغییر می دهد و این جنبه ای است که معمولا بیشتر مضر است تا مفید. هر فیلتری (اکوآلایزر از فیلتر ساخته می شود) از خازن و گاهی سیمپیچ به عنوان عنصر حساس به فرکانس استفاده می کند. خازن ها وسیمپیچ ها شارژ و دشارژ می شوند که این کار به زمان نیاز دارد و باعث می شود تا در عبور سیگنال از خازن وسیمپیچ، تاخیر رخ دهد. بیشترین مقدار تاخیر در فرکانس هایی است که تحت بیشترین تاثیر فیلتر هستند اما تاخیر در فرکانس هایی دیگر بسیار کمتر است. در نتیجه در اثر عبور سیگنال از فیلتر، برخی از فرکانس ها عقب می افتند یعنی واپیچش فاز رخ می دهد. پاسخ فاز در فرکانس مرکزی، بیشترین تغییر را دارد. در شکل 4 فیلتر در 100 هرتز تقویت می کند در نتیجه پاسخ فاز در 100 هرتز بیشترین تغییر را دارد. مقدار فاز بر حسب فرکانس برای دو مقدار 12 دسی بل و 6 دسی بل تقویت نشان داده شده است. در سمت چپ فرکانس مرکزی (100 هرتز) که دامنه افزایش می یابد فاز مثبت و در سمت راست فرکانس مرکزی که دامنه کاهش می یابد فاز منفی است.

شکل 4

 هرچه پهنای باند فیلتر تیزتر باشد (Q بیشتر) واپیچش فاز هم بیشتر خواهد بود (فیلتر با Q بسیار بسیار زیاد، در حقیقت یک نوسانگر یا اسیلاتور می شود). چون انرژی در خازن و سیمپیچ ذخیره می گردد پس از قطع سیگنال ورودی به فیلتر، خروجی مدتی باقی می ماند تا میرا شود (شکل 5). مقدار تاخیر را برای دسته فرکانس های همسایه اندازه می گیرند و آن را Group Delay می نامند که مشتق فاز نسبت به فرکانس است:
GD= – dφ/df

شکل 5

شکل 6

شکل 6 نشان می دهد که در فرکانس قطع فیلتر که پاسخ دامنه 3 دسی بل افت می کند، پاسخ فاز، تاخیر دارد و زمان تاخیر نیز به 150 میکروثانیه رسیده است. این اثر به گوش چندان خوشایند نیست.
تعداد طبقات دارای عناصر حساس به فرکانس (خازن و سیمپیچ) در مسیر سیگنال، درجه ی فیلتر را مشخص می کند. فیلتر پایین گذر درجه اول دارای شیب 6 دسی بل بر اکتاو (بعد از فرکانس قطع، با دوبرابر شدن فرکانس، دامنه نصف می گردد) و فیلتر درجه ی دوم دارای شیب 12 دسی بل بر اکتاو است. در فیلتر درجه ی اول در فرکانس قطع، دامنه 3 دسی بل افت کرده و فاز، 45 درجه تغییر می کند. تغییر فاز متناسب با تغییر دامنه و رفتار عنصر حساس به فرکانس است. اگر فاز فقط به اندازه ای که برای تغییر دامنه لازم است تغییر کند، این رفتار را رفتار “Minimum Phase” می نامند ولی اگر فاز بیشتر از آن مقدار لازم، تغییر کند با رفتار “Non Minimum Phase” روبرو هستیم.

شکل 7

اکوآلایزر پیشنهادی مسنبرگ دارای حداکثر استقلال پارامترها است. این نوع را Constant-Q می نامند که با تغییر دامنه، پهنای باند اکوآلایزر ثابت می ماند (شکل 7). بنا براین با افزایش دامنه، صدا قوی تر شده و تشخیص این که تاثیر مثبت به سبب آکوآلایز است و یا به خاطر افزایش تراز، مشکل می شود چون گوش تمایل دارد صداهای بلندتر را بیشتر بپسندد (حداقل در کوتاه مدت). در مقابل، این نوع بسیار دقیق است و در مقادیر کم، بخوبی عمل می کند. در مقادیر زیاد اکوآلایز، باید مرتبا با تغییر دامنه، Q را نیز مجددا تنظیم کرد. در این نوع، مقادیر زیاد اکوآلایز ممکن است با صدایی “سخت و خشک” توصیف شود. اکوآلایزرهای GML و SSL E از این خانواده هستند.
در مقابل، برخی از سازندگان، اکوآلایزر Proportional-Q را ترجیح می دهند که در آن با افزایش دامنه، پهنای باند کمتر شده و فیلتر تیزتر می گردد. در نتیجه، سطح زیر منحنی اکوآلایزر کمتر تغییر می کند و نیاز به تنظیم هر باره ی Q با تغییر دامنه کم می گردد. معمولا صدای این نوع را موسیقایی تر و نرم تر می دانند و بخصوص در مسترینگ کاربرد دارد. مثال های معروف این گروه، اکوآلایزرهای Neve ، SSL G ، Manley و SPL هستند.

شکل 8

نکته ی دیگر تفاوت بین تقویت و تضعیف است. بیشتر اکوآلایزرها متقارن (Reciprocal) هستند و منحنی تقویت و تضعیفشان مشابه است. در مقابل، دسته اکوآلایزرهای نامتقارن (Asymmetrical) هم موجودند که شکل منحنی تقویت و تضعیفشان مشابه نیست و Q در تقویت و تضعیف برابر است. در انواع متقارن، Q بین تقویت و تضعیف ثابت نمی ماند (شکل 8) چون نقطه ی -3 dB از بیشترین دامنه تعریف می شود (شکل 9) و بیشترین دامنه هنگام تضعیف، در حقیقت، دامنه صفر است (تضعیف انجام نشده). در انواع نامتقارن که پهنای باند ثابت می ماند (شکل 10) منحنی تضعیف بسیار تیزتر از منحنی تقویت است که گاهی مزیت تلقی می گردد زیرا با Q کمتر می توان فیلتر تیزتری برای حذف فرکانس ناخواسته و حداقل تاثیر بر فرکانس های همسایه داشت. برای انجام همین کار با اکوآلایزر متقارن به Q بزرگتری نیاز است که پاسخ فاز را بیشتر تحت تاثیر قرار می دهد. رفتار هنگام تقویت در اکوآلایزر نامتقارن مانند نوع متقارن است.

شکل 9

شکل 10

اکوآلایزر گرافیک:
اکوآلایزر گرافیک حالت ساده شده ای از اکوآلایزر است که در آن از چند فیلتر باند-گذر استفاده شده که هر یک روی فرکانس مرکزی ثابتی تنظیم و ثابت شده اند و در آنها Q ثابت بوده و منحنی رفتار نیز متقارن است (شکل 11). تنها پارامتر قابل کنترل، تنظیم دامنه ی اکوآلایزر می باشد. برای کنترل دامنه از ولوم های کشویی که به صورت عمودی در کنار هم نصب شده اند استفاده می گردد بنا براین اگر به محل قرار گرفتن کنترل دامنه نگریسته شود تخمینی از پاسخ فرکانسی اکوآلایزر حاصل می شود (شکل 12).

شکل 11

شکل 12

تعداد فیلترها مشخصه ی اصلی این نوع است و مثلا اکوآلایزر گرافیک 3/1 اکتاوی از حدود 30 فیلتر در کنار هم تشکیل شده است در حالی که اکوآلایزر 1 اکتاوی دارای حدود 10 فیلتر است. فرکانس مرکزی هر فیلتر عموما از استاندارد تبعیت می کند که در نوع 1 اکتاوی، به ترتیب دو برابر می شوند که شامل فرکانس های 32، 63، 125، 250، 500، 1000، 2000، 4000، 8000 و 16000 هرتز است. در نوع 3/1 اکتاوی بین هر کدام از فرکانس های بالا، دو فرکانس دیگر نیز قرار می گیرند.

شکل 13

شکل 14

در این نوع هر چه فرکانس فیلتر بالاتر می رود Q نیز تغییر می کند تا فاصله بین باندهای همسایه پوشش داده شود. این اکوآلایزرها ارزانترند و کار با آنها ساده تر است در مقابل توانایی کمتری دارند. برای تنظیم فرکانسی که یکی از فرکانس های مرکزی نیست باید از تنظیم همزمان فرکانس های همسایه استفاده کرد (شکل 13) که از نظر فنی روش بهینه ای نیست چون کاری را که می شد با یک فیلتر انجام داد (شکل 14) اکنون باید با دو یا سه فیلتر انجام شود که به معنی تخریب بیشتر پاسخ فاز است و البته پاسخ فرکانسی هم به پاکیزگی یک فیلتر نخواهد بود. اگر از یک فیلتر ساده استفاده شود پاسخ فاز حاصل، Minimum Phase خواهد بود. در حالی که با استفاده از چند فیلتر، پاسخ فاز غیر Minimum Phase شده است.
اکوآلایزر شیبدار (Shelving):
این نوع اکوآلایزر، گستره ی فرکانسی را به دو ناحیه در دو سوی فرکانس مرکزی تقسیم می کند. یک سو را دست نخورده وا می نهد و سوی دیگر را تقویت یا تضعیف می کند. دو نوع شیبدار بم و شیبدار زیر هر یک دارای تقویت یا تضعیف در شکل 15 نشان داده شده اند. شیب منحنی در اغلب اکوآلایزرها قابل تنظیم نیست و تعداد کمی از اکوآلایزرها (عمدتا دیجیتال) امکان تنظیم آن را فراهم می کنند. نوع خاصی از اکوآلایزر شیبدار وجود دارد که دارای رزونانس است و درست قبل از آغاز تقویت یا تضعیف، کمی در جهت عکس عمل می کند. مثلا اکوآلایزر شیبدار زیر با رزونانس، قبل از آغاز تقویت زیر، کمی تضعیف انجام داده و سپس فرکانس های زیرتر را تقویت می کند (شکل 16). این رفتار که گاهی سبب تمیزتر شدن نتیجه نهایی می گردد نخست توسط اکوآلایزر معروف Pultec EQP1-A معرفی شد.

شکل 15

شکل 16

فیلترهای بالا-گذر و پایین-گذر:
این ها فیلترهای ساده ای هستند که مولفه های فرکانسی کمتر یا بیشتر از فرکانس تنظیمی را حذف می کنند و عمدتا برای رهایی از فرکانس های ناخواسته ی بسیار بم و یا بسیار زیر بکار می روند. شیب ناحیه ی قطع بر حسب اکتاو محاسبه می شود و مثلا فیلتر پایین گذر 12 دسی بل بر اکتاو 700 هرتزی، فرکانس 700 هرتز را به اندازه ی 3 دسی بل و فرکانس 1400 هرتز (یک اکتاو بالاتر) را برابر 15 دسی بل تضعیف می کند (شکل 17). هرچه شیب بیشتر باشد فرکانس های ناخواسته بهتر حذف شده و در مقابل، پاسخ فاز بدتر می گردد.

شکل 17

اکوآلایزر با فاز خطی (Linear Phase):
تمامی اکوآلایزرهای آنالوگ و بیشتر اکوآلایزرهای دیجیتال رفتار فازی طبق آنچه گفته شد دارند و واپیچش فاز ایجاد می کنند. اما می توان اکوآلایزرهای دیجیتالی ساخت که پاسخ فاز خطی داشته باشند و همه ی فرکانس ها را به یکسان تاخیر دهند. این مزیت مهم به بهای دو ایراد تمام می شود. نخست آن که توان پردازشی مورد نیاز برای این نوع اکوآلایزر مخصوصا در فرکانس های بم زیاد خواهد بود و دیگر آن که پاسخ زمانی اکوآلایزر تحت تاثیر منفی قرار می گیرد و دو بازتاب به پیش و پس هر صدا اضافه می شود. بازتاب پیش از صدا (Pre Echo) در فیلتر های با Q زیاد، پاسخ گذرای فیلتر را تخریب می کند و خصوصا در مورد اصوات ضربه ای چندان جالب نیست.

منبع: مجله‌ صنعت و تصویر – شماره‌ی 38 – آذر و دی 1390