KV2 Audio » Technologie
Super Live Audio nebo jen zkráceně ‘SLA’ bylo vyvinuto díky úsilí KV2 dosáhnout nejvyšší možný dynamický rozsah a nejmenší možné ztráty způsobené zkreslením a změnou signálu průchodem jednotlivých částí zvukového řetězce. Místo vyvíjení nových technologií, které se snaží kompenzovat, nebo opravit problém, se zaměřujeme na vývoj systémů, které jsou lepší a řeší tyto problémy od podstaty.
SLA standard reprodukuje vysokou kvalitu zvuku i při vysokých akustických tlacích na velkých prostranstvích a poskytuje skutečnou, dynamickou reprezentaci zdroje zvuku. Existuje celá řada faktorů, které jsou důležité pro kvalitu zvuku. Mezi tyto faktory patří zejména elektronická integrita, vzorkování digitálních systémů, pulzní odezva, dynamický rozsah a akustický návrh.
Pojďme se blíže podívat, jak KV2 dosahuje maximálního dynamického rozsahu a vysokého rozlišení, aby bylo dosaženo co nejlepšího, nezkreleného zvuku při vysokých hladinách akustického tlaku na velké vzdálenosti.
Nedostatky akustických systémů způsobené nedokonalou elektronikou, akustickými měniči a návrhem mají negativní vliv na rozlišení systému, přenos detailů a hlavně na vzdálenost, na kterou je systém schopný poskytnout hudební signál ve vysoké kvalitě. Pro zajištění zvuku ve vysoké kvalitě i na velké vzdálenosti je nezbytné, aby žádná část zvukového řetězce neporušovala kvalitu hudebního signálu.
Aby byl posluchači umožněn maximální možný zážitek z poslechu, musí být systém schopen přenést nenarušený hudební signál včetně "atmosféry" jeviště, vystoupení na danou vzdálenost v požadované úrovni. Jak narůstají požadavky na velikost plochy pro ozvučení, narůstají i požadavky na rozlišení zvukového systému. Akustické tlaky často dosahují hodnot až 140dB, tudíž jsou kladeny obrovské nároky na dynamiku systémů. Systémy nesmí nikterak ovlivňovat nebo zabarvovat zvuk, musí mít minimální zkreslení a maximální dynamický rozsah. Technologie SLA, byla vyvinuata KV2 tak, aby dokonale splňovala všechny tyto požadavky.
Standardní elektroakustická zařízení mají velmi omezený dynamický rozsah a neustále produkují vysokou úroveň zkreslení, které nesouvisí s originálním signálem (tzv. neharmonické zkreslení). Toto zkreslení se negativně projevuje zejména na vysokých kmitočtech, kde maskuje slabé signály. Tato ztráta signálů s nízkou úrovní má za následek velmi znatelnou ztrátu rozlišení a transparentnost systému. Takto umělě pozměněný signál bez rozlišení není schopen poskytnout plný zážitek z vystoupení, přenést detaily, atmosféru a prostor. Tyto vlastnosti systémů jsou patrnější s narůstající poslechovou vzdáleností. Z obrázku níže je patrné, že se systémem poskytující nižší zvukovou není možné dosáhnout srozumitelnosti na velké vzdálenosti.
Vliv vzdálenosti na kvalitu hudebního signálu s různě kvalitním zvukovým zdrojem
Zvuk je třírozměrná veličina stávající z:
1 - Úrovně
2 - Kmitočtu
3 - Času
Běžný rozsah lidského slyšení je od 0 do 120 dB úrovně signálu, frekvenční rozsah od 20Hz do 20kHz, avšak velmi opomíjená je rozlišitelnost lidského sluchu v čase. Lidský sluch je schopen rozeznat v čase (rozdíl v příchodu jednotlivých zvuků) rozdíly již od 10µs, dokonce poslední výzkumy dokazují, že to je dokonce méně (5µs).
Abychom byli schopni správně reprodukovat hudební signál, musíme překročit, nebo minimálně splnit rozsahy všech těchto veličin.
Nelinearity hudebních systémů produkují harmonické zkreslení. Harmonické zkreslení je odvozeno od původního signálu, souvisí s ním. Harmonické zkreslení se skládá z násobků základní harmonické. Harmonické zkreslení lze podle těchto složek rozdělit na zkreslení sudými harmonickými a lichými.
Poslechové testy prokázaly, že zkreslení lichými harmonickými je slyšitelné od 0.1%, zatímco zkreslení sudými harmonickými až od úrovní vyšších než 1%.
Neharmonické zkreslení nesouvisí s originálním signálem, je způsobeno pomalou reakcí systému na změny signálu, nevhodným tlumením akustických komponent a filtrů. Neharmonické zkreslení vytváří náhodný šum, zkreslení, nevratné porušení signálu. Typickým představitelem tohoto zkreslení je zkreslení v důsledku dlouhého času ustálení elektronických komponent, nízkého vzorkovacího kmitočtu digitálních systémů a nedostatečně kvalitního zpracování signálů pomocí DSP (digitálního signálového procesoru).
Neharmonické zkreslení je extrémně slyšitelné. Podle charakteru zkreslení je toto zkreslení často zaměňováno za vysoké kmitočty původního signálu. Avšak takto porušený signál má malé rozlišení, působí nepřirozeně a není možné poskytnout dostatečnou zvukovou kvalitu na větší vzdálenost.
Zvukový signál je složený z mnoha komponet, harmonických, šumů a ruchů v celém spektru a je tudíž velmi komplexní. Nejvíce se podobá náhodnému signálu. Zkreslení komplexního zvukového signálu vytvoří komplexní hladinu šumu, která zamaskuje a poruší původní signály o nízké úrovni. Pouze 1% takového zkreslení vytvoří celopásmovou hladinu šumu o úrovni -40dB. Praktické testy prokázaly, že slyšíme sinusový signál, tón o kmitočtu 1Khz a úrovni 0dB spolu se šumem o úrovni -70 až -80dB. Tento test demonstruje, že takové zkreslení zcela zamaskuje nízké signály, které představují barvu zvuku a poskytují informaci o prostoru a další. Proto se všechny součásti (reproduktory, elektronika) používané v systémech KV2 Audio vyznačují extrémně nízkým zkreslením (pod 0,1%), to pak umožňuje poskytnout skutečný zážitek z poslechu průzračného a jasného zvuku s velmi vysokým rozlišením.
Živá hudba je velice dynamická, dosahuje rozsahu až 130dB. Takto veliký dynamický rozsah je nemožné zpracovat AD / DA převodníky fungujících na běžných vzorkovacích kmitočtech. Dynamické rozlišení digitálních systémů je přímo úměrné vzorkovacímu kmitočtu, potažmo bitové hloubce.
V současné době využívají komerční audio systémy PCM (pulzně kódová modulace) vícebitové snadardní formáty a vzorkování. Průmyslový standard určil že vzorkování 24-bit/96 kHz (který přibližně kvalitativně odpovídá 2.8224 MHz 1bit PDM, (hustotně pulzní modulace) používaná v SACD záznamu), je dostatečující pro profesionální audio, vychází z předpokladu že se hudební signál skládá výhradně z harmonických složek. Hudební signál se však ve skutečnosti skládá z mnoha složek, je mnohem komplexnější a více podobá náhodnému signálu. Spektrum náhodného signálu je nekonečně široké, tudíž vzorkovací frekvence digitálních systémů musí být co nejvyšší aby byla zajištěna dostatečná kvalita a rozlišení. Mnohé poslechové testy tuto vlastnost hudebních signálů potvrzují.
Vzorkovací kmitočty současných komerčních audio systémů jsou kompromisem mezi kvalitou zvuku a náročností na hardware. Nízká zvorkovací frekvence způsobí ztrátu informace signálu, to se projeví jako ztráta jemnosti, prostoru a srozumitelnosti. Zároveň dochází k nárůstu zkreslení, zvláště na vyšších kmitočtech, kde se projevuje jako prskání a nespojitost. Při použití DSP se ztráta informace v signálu ještě zvyšuje kvůli nedostatečnému výkonu, nepřesnosti výpočtu a omezenému času na zpracování (živé hraní).
Se stoupající vzorkovací frekvencí stoupá zvuková kvalita ale samozřejmě i množství přenášených dat, nejen proto nemůže být vzorkovací kmitočet neomezený a proto nemohou digitální systémy dosáhnout kvality analogových. Přesto je v některých případech (dlouhé časové zpoždění) použití digitálních systémů nezbytné.
KV2 zaujalo na digitál jiný pohled, hlavním kritériem je kvalita zvuku. Nejvyšší kvality dosahují "alternativní" systémy převodu vyvinuté Sony a Philipsem, nazývané Direct Stream Digital (DSD). Super Audio CD (SACD) je založeno na technologii DSD, narozdíl od pulzně kódové modulace (PCM), výhradně používáné v nahrávacích studiích, DVD, CD nosičích pro snadnou editaci v tomto formátu. DSD technologie je založana na jednobitovém, přímém výstupu z AD sigma-delta převodníku. Amplituda analogového signálu je zde prezentována množstvím pulzů a je proto nazýva (PDM) pulzně hustotní modulace. Výsledný digitální bitový tok je u DSD neuvěřitelných 2,822,400 vzorků za sekundu (2.8224MHz).
Pro stanovení minimální dostatečné vzorkovací frekvence tak aby nedocházelo k žádné slyšitelné ztrátě nebo poškození audio signálu jsme provedli mnoho poslechových testů. Výsledný minimální vzorkovací kmitočet jsme stanovili na neuvěřitelných 20MHz, 1 bitové PDM modulace. To je 7x vyšší rozlišení než využívá DSD systém Super Audio CD. Super Digital Převodník KV2 Audio využívá pro velmi vysoké rozlišení vzorkování 20MHz, navíc je rozlišení převodníku zvětšeno o 20dB díky skokovému kompandéru. To umožňuje fungování převodníku ve vysoké kvalitě i při velmi nízkých úrovních. Skokový kompandér mění vstupní a výstupní úroveň signálu, čímž dochází ke zvýšení dynamického rozsahu převodníku.
KV2 Audio využívá hybridního zpracování signálu, využitím nejlepších vlastností analogových a digitálních technologií pro nezbytnou ekvalizaci, filtraci a fázovou korekci reproduktorových systémů. To nejlepší z obou technologií umožňuje dosáhnout vyjímečnou zvukovou kvalitu.
Pro zachování vysokého rozlišení audio signálu je zapotřebí aby systém měl co možná nejkratší impulzní odezvu. Impulzní odezva je u analogových systémů narušována časem ustálení (zejména OZ) a nevhodným návrhem, u digitálních systémů je nepřímo úměrná vzorkovací frekvenci. Z obrázku je patrné, že běžně používané komerční systémy, zejména digitální, nemohou přenést audio signál v originálním, plném rozlišení. Impulzní odezva vypovídá o nedostatcících přenosové soustavy, o jejím SKUTEČNÉM zkreslení. Systémy s dlouhou impulzní odezvou nejsou schony přenést signály s vysokou dynamikou a rozlišením. SLA systémy využívají hybridního zpracování signálu s nevídaným vzorkováním 20MHz a časem ustálení nižším než 1 mikrosekundu, aby bylo zajištěno co nejvyšší rozlišení a dynamika systému.
Impulzní odezva audio systémů na skok, vstupní úroveň -6dB, trvání 3µs
Nejběžnějším aktivním prvkem elektronických audio komponentů je operační zesilovač, často označovaný OZ, nebo op-amp. Čas ustálení zesilovače je definován jako čas, za který výstup zesilovače odpovídá výstupu x zesílení po skokové změně úrovně na jeho vstupu.
Čas ustálení 5µs (černá), 1µs (modrá)
Jelikož základní vlastností hudebhího signálu je, že se neustále mění, je pro jeho přenos zapotřebí aby zařízení mělo co nejmenší čas ustálení. Neharmonické zkreslení vznikající v důsledku dlouhého času ustálení vytváří úroveň šumu který nesouvisí s originálním signálem. Tato úroveň zkreslení narůstá s rostoucím časem ustálení, je definována jako jako poměr mezi časem ustálení systému a nejvyšším přenášeným kmitočtem.
Pro zachování vysoké kvality hudebního signálu je nezbytné, aby čas ustálení systému se zpětnovazební smyčkou byl kratší než 1µs (mikrosekunda). Pokud je čas ustálení systému delší, je toto neharmonického zkreslení systému velmi slyšitelné. Tento druh zkreslení naruší hudební signál velmi podstatně a nevratně, narozdíl od jiných druhů zkreslení, např. harmonického.
Čas ustálení běžných komerčních systémů se pohybuje okolo 10 µs, 10x více než by mělo být. Zkreslení v důsledku času ustálení je mnoha výrobci opomíjeno, navíc je v některých případech toto zkreslení zaměňováno za vysoké frekvence původního signálu, zejména v digitálních technologiích se takový systém jeví jako by byl jasnější a měl "bručivější" vysoké kmitočty. Takový systém však nemá dostatečné rozlišení a neposkytuje pravdivou informaci na vysokých kmitočtech.
Čas ustálení se méně projevuje na jednoduchém signálu, s komplexností signálu narůstá i zkreslení vlivem dlouhého času ustálení. Toto zkreslení pak maskuje slabé signály a nevratně degraduje originální signál. Takový systém má nízké rozlišení.
V dnešní době, kdy jsou hojně využívány operační zesilovače, mají tyto součástky zásadní vliv na schopnosti systému přenést hudební signál přesně a bez zkreslení zejména na vyšších frekvencích. SLA technologie využívá pouze obvody s časem ustálení nižším než 1µs, čímž je zajištěno vysoké rozlišení systému.
Návrh zesilovačů KV2 Audio vychází čistě z požadavků pro dané použití. Tento přístup umožňuje využívat specifické typy zesilovačů s vlastnostmi potřebnými pro co nejlepší reprodukci signálu v určitém pásmu: vysokých, středních a nízkých kmitočtů. Pro nízkofrekvenční zařízení vyplývají speciální požadavky: basové reproduktory jsou velké, s těžkou membránou a je proto těžké jejich hmotu udržet pod kontrolou. Je zapotřebí velký výkon a velký činitel tlumení zesilovače na nízkých frekvencích, navíc při fázovém posunu mezi proudem a napětím.
Fázový posun mezi proudem a napětím nanstává při průchodu proudu cívkou, tedy i cívkou reproduktoru. Např. při výstupním výkonu zesilovače 1000 W (100 V a 10A - ze zesilovače) je při fázovém posunu na reproduktoru zapotřebí dodat dvojnásobný proud při polovičním napětí pro plnou kontrolu jeho pohybu. Standardní zesilovače nejsou schopny tyto podmínky splnit, proto jsme vyvinuly novou topologii zesilovačů pro nízké frekvence, které jsou schopny dodat velmi vysoký proud a zároveň mají velmi vysokou účinnost až 90% pro minimální požadavky na chlazení a zajištění vysoké spolehlivosti.
Tyto zesilovače jsou vybaveny spínaným napájecím zdrojem, který udržuje výstupní napětí nízké, avšak je schopný dodat velmi vysoký proud a tudíž má velmi vysoký činitel tlumení než standardní zesilovače třídy H, nebo D.
Pro středovýškové a výškové zesilovače používáme zesilovače třídy AB, nebo A, které poskytují vysokou kvalitu, rychlost, čistotu signálu a nízké zkreslení, parametry potřebné pro tato pásma. Pro nízké intermodulační zkreslení využíváme mosfetové, rychlé push-pull zesilovače s transformátorovým výstupem.
Použití výstupního transformátoru u zesilovače umožňuje kontrolu výstupního signálu zesilovače a zásadní snížení intermodulačního zkreslení při limitaci, viz. grafy IM zkreslení při limitaci zesilovače bez a s transformátorovým výstupem.
Jedním z hlavních a často opomíjených parametrů reproduktoru je jeho impulzní odezva. Parametry reproduktorů jsou téměř výhradně měřeny sinusovým průběhem. Trvalý sinusový signál je však velmi vzdálen hudebnímu signálu. Hudební signály jsou složeny z mnoha druhů signálů, základních tónů, harmonických, šumů a ruchů. Reproduktor měřený trvalým sinusovým signálem, má možnost a čas se "rozhoupat" na vyšším kmitočtu, než je schopen správně pracovat protože nemá plnou kontrolu nad hmotou membrány a správným pohybem.
Jedním z nejdůležitějších parametrů při návrhu reproduktorů pro Super Live Audio systémy je eliminace nežádoucích rezonací. Tyto rezonance jsou nejčastěji způsobeny mechanickou konstrukcí reproduktoru a neschopností správně ovládat pohyb membrány. Tyto rezonance maskují slabé signály a produkují tóny které nesouvisí s reprodukovaným signálem, to snižuje rozlišení signálu.
Na obrázku níže je zobrazen originální ostře ukončený sinusový signál (červený, nahoře) a stejný signál reprodukovaný, který silně dokmitává po ukončení signálu. Toto dokmitávání je způsobeno nedostatečnou kontrolou nad hmotou membrány. Špatná impulzní odezva reproduktoru má velmi negativní vliv na vytváření zpětné vazby. Díky excelentní impulzní odezvě mají SLA systémy vyjímečnou odolnost proti zpětné vazbě.
Vliv rezonance reproduktoru, originální signál (červený, nahoře) a reprodukovaný signál (modrý, dole)
Kontrola nad hmotností membrány lze velice příznivě ovlivnit použitím Aktivní kontroly impedance (trans coil) reproduktoru. Tento systém využívá další pevnou cívku, která svým paralelním připojením redukuje indukčnost reproduktoru téměř na nulu a dramaticky zlepšuje impulzní odezvu. Indukčnost je jedním z hlavním příčin zkreslení reproduktoru lichými harmonickými, které je mnohem slyšitelnější než zkreslení sudými harmonickými.
Nízká indukčnost = Nízké harmonické zkreslení
Závislost citlivosti a zkreslenní reproduktoru na kmitočtu při zapnuté a vypnuté AIC
Systém Aktivní kontroly impedance je tvořen přídavnou, pevnou cívkou umístěnou v mezeře magnetického obvodu reproduktoru. Tato cívka je téměř stejně dlouhá jako mezera a je navinuta okolo pólového nástavce tak aby byla velmi blízko hlavní, pohyblivé cívky reproduktoru. Proud tekoucí touto cívkou vytváří magnetické pole, které má opačnou polaritu, než pohyblivá cívka reproduktoru. AIC zruší většinu indukčnosti a redukuje mudulaci magnetického toku a indukčnosti. Na AIC je možné nahlížet jako na aktivní zkratovací kroužek v mezeře. Různým připojením pomocné cívky je možné upravit vlastnosti reproduktoru dle konkrétních potřeb.
Používáním vysoce kvalitních reproduktorů s minimálním zkreslením se projevila potřeba pro zdokonalení elektronických částí SLA systémů. Ve skutečnosti je jen málo výrobců schopno využít AIC technologie, protože se při testování díky těmto reproduktorům negativně projeví nedostatky v návrhu elektroniky. K mnohem větším kompromisům ve zvukové kvalitě dochází při využívání digitálního zpracování pro redukci a korekci nedostatků akustického návrhu zvukových systémů.
Na dnešním trhu se vyskytují dva hlavní proudy ozvučování velkých prostranství: jednobodové a vícebodové zvukové zdroje. Koncept vícebodových zdrojů vznikl z požadavku na vysoký akustický tlak na velkém prostranství. Toto řešení splňuje požadavky, avšak s rostoucím počtem zdrojů zvuku dochází k redukci zvukové kvality. Mezi dvě největší nevýhody vícebodových zdrojů patří potlačení vyšších kmitočtů, přímo úměrné počtu zdrojů zvuku a časové posuny jednotlivých zvukových výstupů, které zapříčiňují zhoršenou impulzní charakteristiku zvukového systému.
Prvním typem vícebodových zvukových systémů byla jednoduše velká sestava reprosoustav, skládanch ve dvou osách. Velkým zlepšením v systémech další generace bylo skládání reprosoustav pouze v jedné, vertikální ose. Toto uspořádání má proti soustavám skládaných ve dvouch osách lepší frekvenční odezvu a zvýšené rozlišení systému. Avšak i přes toto zlepšení není frekvenční a impulzní charakteristika vertikálních systémů ideální a vykrytí pomocí těchto systémů je velmi nerovnoměrné. Typickým představitelem těchto systémů je tzv. line array system.
Line array systémy redukovali nepříznivé vlivy vícebodových systémů (narušená impulzní odezva, přenosová charakteristika) pomocí řízeného vyzařování, avšak velmi těžko mohou dosahovat vynikajích výsledků jednobodových systémů. Jednobodové zvukové systémy dnes poskytují nejvyšší možné rozlišení a dynamiku. Vynikající srozumitelnosti je možné dosáhnout pouze při vysokém rozlišení systému, s neporušenou impulzní odezvou, s vysokou dynamikou a při použití rychlé a přesné elektroniky a elektroakustických měničů s velmi malým zkreslením.
Při použití vícebodového zdroje v jedné ose začíná docházet k potlačení vyšších frekvencí již od kmitočtu 2kHz. Potlačení vyšších frekvencí je způsobeno vzájemným odčítáním signálů z jednotlivých částí vícebodového zvukového zdroje. Toto potlačení dosahuje typicky -16dB @15kHz, tudíž pro dosažení ploché přenosové charakteristiky je nezbytná silná ekvalizace. Toto potlačení vyšších frekvencí se navíc mění s polohou posluchače a pohybem vzduchu. Maopak při použití jednobodového zdroje zvuku, není kmitočtová charateristika tímto způsobem narušena a je velmi plochá. Vícebodové zdroje mají oproti jednobodovým výhodu ve vyšším akustickém tlaku v kmitočtovém pásmu do 5kHz, avšak není možné dosáhnout stejně vysoké kvality zvuku a rozliení jako s použitím jednobodového zdroje.
Pro zachování vysokého rozlišení zvukového signálu musí mít zvukový systém dostatečně krátkou impulzní odezvu. Krátká impulzní odezva zajišťuje zachování originální kvality signálu. Na obrázku níže je pro porovnání zobrazeny impulzní odezvy jednobodového zvukového systému (oranžově) a vícebodového zvukového systému (modře). Vstupní signál zvukových systémů (červeně) má úroveň 1V, šířku pulzu 100 µs, opakování 10 msec. Poškozená impulzní odezva vícebodových zvukových systémů je způsobena vzájemným sčítáním a odčítáním jednotlivých zdrojů které mezi sebou mají různý fázový posun a úroveň. Následkem špatné impulzní odezvy je snížené rozlišení zvukového systému.
Zobrazeni vzdáleností posluchače a jednotlivých zdrojů zvuku, kažký posluchač slyší zvuk s různými fázovými posuny (rozmazaný, zkreslený)
Vertikální směrová vyzařovací charakteristika line array pro 1k, 1.6k a 4kHz
Z obrázků výše je patrné, že časové posuny jednotlivých zdrojů zvuku jsou dány fyzikálními vlastnostmi, rozměry. Přenosová funkce a impuzní odezva takového systému se mění pro každého posluchače s jeho polohou. Časové (fázové) posuny posluchače 1 a posluchače 2 se liší. Mnoho výrobců tvrdí, že tyto časové posuny je možné dorovnat pomocí digitálních zpožďovacích linek, avšak toto vyřeší problém jen pro jedno konkrétní místo v prostoru (zpoždění se mění s polohou). Navíc mnohem závažnější a velmi opomíjený problém je NÁHODNÝ pohyb vzduchu v ozvučovaném prostoru. Pohyb vzduchu velmi významně ovlivní vyzařovací charakteristiku vícebodivých zdrojů. Často se stává, že systémový inženýr stráví mnoho hodin vyladěním line array systému pro daný ozvučovaný prostor, často za pomoci pomocného simulačního softwaru, pak nastane doba koncertu, prostor se naplní posluchači, teplota a pohyb vzduchu se změní a systém se začne chovat zcela odlišně.
Při použití jednobodového zdroje zvuku, slyší všichni posluchači v libovolném místě neporušený zvuk (čistý, s vysokým rozlišením)
Vertikální směrová vyzařovací charakteristika VHD2.0 pro 1k, 1.6k a 4kHz
Z obrázků výše je zřejmé že vlastnosti jednobodového zdroje zvuku jsou pohybem vzduchu ovlivňovány pouze minimálně. Díky systémům KV2 Audio, jako je např. VHD, nebo ES si může každý posluchač vychutnat čistý zvuk s vysokým rozlišením.
Hlavní kancelář KV2 Audio International spol.s.r.o
Nádražní 936
Milevsko 399 01
Česká republika
DIČ: CZ26051591
Telefon: +420 383 809 320 (anglicky)
E-mail: info@kv2audio.com
