Bass Enhancement: как устроена система улучшения передачи басов
Изображение создано нейросетью
Современная музыка отличается ритмичностью, которую создают яркие и звучные басы ударных и гитары. Слушая такую музыку вживую или на Hi-End-аппаратуре, быстро привыкаешь к высокому качеству звука. Но еще недавно далеко не все наушники, особенно среди недорогих моделей, моги похвастаться высоким качеством воспроизведения музыки.
Что случилось? Почему сейчас даже изделия для массового рынка демонстрируют очень высокие результаты? Ведь разница заметна каждому.
Конечно, прежде многие старались избавиться от недостатков звучания с помощью эквалайзера. Но не только ценители оригинального звука, но и многие простые пользователи отмечали, что это плохое решение. Эквалайзер усиливает или ослабляет звуки по заданной ему осредненной схеме преобразования. Можно добавить мощные, низкие басы, но рисунок музыки постоянно меняется. Она начинает звучать неестественно. Поэтому самые яркие басы обычно обрезались из-за ограничений самого динамика, который физически не может передать всю гамму звуков оригинальной записи из-за ограничений в использованных материалах и размерах динамика.
Как же удалось нивелировать потерю качества звука?
Производители массовых акустических систем и наушников нашли приемы, позволяющие значительно повысить качество звучания даже на оборудовании, которое не может физически воспроизводить вест диапазон звуков записи. Характеристика получаемых частот, конечно, будет не совсем «честной», но качество звука получается значительно более правдоподобным.
Мы расскажем, как это происходит.
Технология Bass Enhancement
Эффект повышения качества звучания басов достигается за счет программного метода, получившего название Bass Enhancement (BE). Некоторые производители наушников добавляют его в прошивку, что позволяет почувствовать разницу, даже не прибегая к использованию драйверов. Но можно добиться аналогичного эффекта, подключив соответствующий плагин к дополнительным средствам плейера.
Таких плагинов достаточно много — например, Denise Bass XL, MaxxBass или Waves rBass. Принцип их работы одинаковый: они усиливают и насыщают низкочастотную часть звука более мощным и определенными басовыми компонентами, добавляя к исходному сигналу низкочастотный контент.
Несмотря на одинаковую технологию, которой они пользуются, плагины немного различаются по результатам. Если говорить в целом, они создают гармонический контент в басовой части звука, но придают «честные» и «мягкие» оттенки, сохраняя общую картину звукового спектра.
Потребуется немного объяснений из физики явления
Причина принципиальной сложности при воспроизведении басов сводится к тому, что из-за небольших габаритов динамиков они физически не могут воспроизводить частоты, относимые к басам.
Напомним, к басам относятся частоты 40–250 Гц, самые яркие для впечатлений басовые частоты находятся в диапазоне 80 Гц. В то же время диапазон наибольшей звуковой чувствительности уха человека лежит в диапазоне 1000–4000 Гц: именно в этой части спектра мы говорим.
Но проблема с басами еще серьезней. Ведь если сравнить порог слышимости на низких частотах 50 Гц и средних 1000 Гц, то для басов он будет на 50 дБ выше. Другими словами, для создания ярких и натуральных басов потребуется звук более высокой мощности в басовом диапазоне.
Порог слышимости на разных частотах
Применение эквалайзеров для физического усиления мощности в басовом диапазоне в конечном итоге приводит к значительным искажениям оригинального звучания. Именно поэтому люди не страдают снижением слуха, даже посещая концерты современной мощной рок-музыки, но были подвержены такой опасности раньше, когда слушали «тяжелую» музыку через наушники. Человек быстро привыкал к повышенной мощности и не замечал ее, потому что хотел получать «мощные басы», завышая мощность по всему слышимому диапазону. Поэтому раньше в руководствах на наушники нередко предупреждали о такой потенциальной опасности.
На помощь пришла наука. Исследователи придумали технологию, получившую название «виртуальное усиление басов» (Virtual Bass Enhancement, VBE). Она позволяет усиливать басы без усиления мощности в басовом диапазоне. Этот психоакустический эффект возникает за счет существования верхних гармонических обертонов (гармоник), которые стали усиливать при отсутствии основного басового тона.
Объясним эффект более детально. Согласно теории, любой звук не создает в природе только свой отдельный тон. Он порождает также гармонические обертоны, которые звучат параллельно с основным тоном, хотя и с меньшей амплитудой (мощностью).
Подобное явление многие наблюдали вживую. Попробуйте зазвучать открытую струну гитары, а потом коснитесь ее середины, трети, четверти основной длины струны. От касания начальное колебание затухает, базовый тон струны пропадает, но остаются верхние обертоны (гармоники, звучащие на одну, две, три октавы выше). Они существовали и до касания, но их звук был значительно слабей, чем основной тон, поэтому многие не могли выделить его в оригинальном звучании струны. Или они просто не обращали на него внимания. Но теперь они смогли убедиться, что такие звуки существуют в реальности.
Вернемся к психоакустическому эффекту. В чем он состоит?
Если нет возможности создать основной (в нашем случае басовый) тон, то эффект его «существования» можно воссоздать, если заставить звучать гармонические компоненты в среднем и высоком диапазоне частот. Именно это делает система VBE: она заставляет слух «поверить», что основной (басовый) тон существует и может быть услышан, хотя реального баса нет.
Иллюстрация принципа восстановления несуществующего (виртуального) баса с помощью верхних гармоник
К чему мы пришли? Воспроизведение басов становится значительно эффективней. Это достигается без расширения полосы пропускания для низких частот путем смещения мощности звучания из нижней части спектра в его верхнюю часть.
Конечно, восприятие звука субъективно. Но эффектом можно управлять за счет различных параметров, варьируя количество введенных гармоник и соотношение между их амплитудами. Каждый драйвер Bass Enhancement делает это по-своему, но применяемый везде принцип — общий.
Неужели это реально работает?
В том, что это работает, можно убедиться самостоятельно. Мы покажем на примере, представленном на сайте Sound Cloud. Это демонстрация искусственного воссоздания басов в системе, где нет физической возможности для их воспроизведения.
Пример воссоздания басов с помощью технологии ВЕ (источник: Sound Cloud)
Самое существенное в технологии BE то, что программно генерируемые верхние гармоники по сути не являются искусственными. Они создаются из данных аудиофайла (если они сохранены, конечно), которые были записаны с оригинала, усиливаются, добавляя эффект «яркости» для басов. Здесь нет фазового смещения, басы «чувствуются» ясными, сочными и достоверными. Эффект проявляется даже на таких акустических системах, которые неспособны реально воспроизводить столь низкие звуки.
Чем отличаются разные плагины BE?
Почему же тогда существуют разные решения для технологии BE, если используемый принцип подъема басов в сущности един для всех? Объясним это на примере решения BeatBlaster, которое предлагает известный эксперт в области цифрового звука компания Pioneer.
Сначала по найденным в записи басовым данным добавляются гармоники в диапазоне средних и высоких частот. Это делается в соответствии с правилами применяемого эквалайзера (красный цвет). Затем добавляется фильтр, который удаляет часть добавленных тоник с учетом АЧХ-кривой фильтра (кривая желтого цвета). Наконец, оставляют только первые три гармоники (голубой цвет), удаляя неслышимые и избыточные гармоники, из-за которых звук может становиться «зашумленным».
Принцип работы BE компании Pioneer (Источник: Pioneer)
Хотите сравнить разницу? Сравните два фрагмента. Первый не использует технологию BeatBlaster, второй относится к работающей поддержке технологии повышения басов.
Какой фильтр наилучший?
В показанной схеме осталась одна неопределенность — тот самый фильтр, который появился после добавления верхних тоник. Причина этого достаточно простая. В исходном файле есть не только данные о басах, но и возникающие от них верхние гармоники. Поэтому искусственное наложение новых гармоник создает, по сути, завышенный эффект: мощность обертонов удваивается. Звук в результате получится искусственным и далеким от оригинального. Необходима более тонкая фильтрация.
Чтобы сделать басы более отчетливыми и точными к оригиналу, каждый вендор предлагает свой АЧХ-фильтр. Они создают их, исходя из своего понимания, как добиться наилучшего эффекта поднятия басов.
Выбор оптимального плагина/вендора, конечно, зависит от самого слушателя, потому что каждый человек слышит звуки по-своему. Но если тщательно подобрать фильтр, с учетом наилучшего соответствия собственному вкусу, то эффект усиления басов можно довести до совершенства.
Понятно, что данная задача достаточно сложная, пользователи редко готовы искать решение самостоятельно. Поэтому многие отдают предпочтение тому или иному вендору. В результате одним нравятся наушники одного вендора, другим — другого. Хотя функция BE все еще очень недооцененный инструмент, потому что помогает сделать личное восприятие «жирным» и «очень точным».
Дополнительные возможности BE
Какие общие признаки можно отметить при применении технологии BE? Прежде всего, низкие частоты становятся более яркими. По более сильным обертонам басы становятся более резонансными. В основном это касается партий ударных и бас-гитары, чей звук становится более зернистым.
Новые краски обретает и восприятие голоса. Он становится более теплым и мягким благодаря тому, что именно звуки низкого диапазона придают ему подобные свойства.
Отметим также профессиональных пользователей, которые ищут, как получить нужные им оттенки звука. При подготовке контента, если им не хватает низких частот или хочется добавить больше теплоты в звучании, а традиционный эквалайзер не позволяет достичь соответствующего эффекта, использование фильтра BE поможет решить такую задачу.
Подключение плагина тоже пригодится, когда оригинальная аудиозапись оказалась слишком неровной по снятым частотам. Из-за этого ее низкие частоты выглядят слишком нестабильными, но применение технологии BE способно вернуть стабильность в звучании и сделать низкие частоты более яркими.
Опубликовано 27.06.2024