Basem do przodu - Kii Three
Oferta firmy Kii sprowadza się do konstrukcji Three.
"Trzy" jest tylko jeden
Nad tym jednym projektem pracował cały team znanych inżynierów, z Bruno Putzeys na czele. To ważna figura - projektant wzmacniaczy UcD i Ncore, czyli układów w klasie D. Koncepcja jednego, uniwersalnego zespołu głośnikowego, który będzie pracował optymalnie zarówno w małych, jak i w dużych pomieszczeniach, w różnych ustawieniach (blisko lub daleko od ściany) oraz w różnych warunkach akustycznych wydaje się piękna, ale nierealistyczna...
Mamy jednak do czynienia z konstrukcją specjalną. Charakterystykę przetwarzania Kii Three można zmieniać, dopasowując do warunków, ale kluczowe jest co innego - ustalenie kardioidalnej charakterystyki kierunkowej w zakresie niskotonowym. Kto zna trochę akustykę, sposób działania typowych zespołów głośnikowych i promieniowania niskich częstotliwości, ten już w tym miejscu będzie zdziwiony. Rozpraszanie niskich częstotliwości jest przecież „zdeterminowane”. Niektórzy dodadzą, że wszechkierunkowe, ale takie stwierdzenie - chociaż dotyczy 99% kolumn - nie jest ścisłe.
Basowe odbicia
Niskie częstotliwości akustyczne nie mają innej natury niż częstotliwości średnie i wysokie. Wszystkie rozchodzą się falami, jednak sposób ich rozprzestrzeniania się zależy od wymiarów źródła, które je promieniuje i od wymiarów obiektów (przeszkód), jakie napotykają na swojej drodze (zakładając, że obiekty te nie mają właściwości tłumiących).
Ujmując rzecz z grubsza, fale, które są dłuższe od wymiarów źródła lub przeszkody, mają zdolność ich „opływania” - a to oznacza promieniowanie wszechkierunkowe. Dlatego nawet najniższe częstotliwości (których fale są bardzo długie) byłyby promieniowane kierunkowo, gdyby ich źródło stanowił hipotetyczny, ogromny głośnik o średnicy kilkunastu metrów. Z kolei charakterystykę ósemkową (największe ciśnienie skierowane do przodu i do tyłu, przy zerowym ciśnieniu z boku, a dokładnie - w płaszczyźnie pionowej „przecinającej” konstrukcję) uzyskuje się z układów dipolowych, czyli otwartych odgród. Te jednak mają bardzo niską efektywność, właśnie w zakresie niskich częstotliwości na skutek niemal całkowitego „zwarcia akustycznego” nawet na osi ósemki - ciśnienie na niej jest największe, ale i tak znacznie mniejsze niż przy promieniowaniu dookólnym (promieniowania przedniej i tylnej strony membrany, będące w przeciwnych fazach, w dużym stopniu się znoszą).
Dlaczego jednak w ogóle sprzeciwiać się dookólnemu promieniowaniu niskich częstotliwości? Rozchodzące się wszechkierunkowo fale nie byłyby problemem na otwartej przestrzeni, ale w pomieszczeniu zamkniętym odbijają się od ścian i dobiegają do nas z różnych stron, z różnymi opóźnieniami. Uniemożliwia to lokalizację ich źródła (czy też źródła pozornego, zaplanowanego w stereofonii), rozmazuje też tzw. atak - zniekształca odpowiedź impulsową.
W dużym stopniu problem ten rozwiązuje instalacja głośników w ścianie. To zaskoczenie dla audiofila, który jest „wychowany” w przeświadczeniu, że pod każdym względem najlepsze ustawienie kolumn polega na ich odsunięciu od ściany. Jednak właściwie zestrojona instalacja ścienna jest potencjalnie lepsza - zarówno pod względem wyższej efektywności, wyrównanej charakterystyki, jak też odpowiedzi impulsowej. W materiałach Kii znajdujemy bezpośrednie odniesienie do takiego układu jako pożądanego, chociaż jeszcze nie idealnego - głośnik promieniujący ze ściany rozprasza w kącie bryłowym 2Pi (tzw. półprzestrzeni), wciąż generuje dużo odbić, ale przynajmniej nie powstaje przesunięcie w czasie fali biegnącej bezpośrednio i odbitej od ściany za głośnikami (znajduje się ona w płaszczyźnie głośników). To przesunięcie jest zwykle najbardziej szkodliwe, ponieważ fala odbita dociera do słuchacza z opóźnieniem zbyt małym, aby została przez nasz mózg odebrana jako kolejny dźwięk (co byłoby już „mniejszym złem”), ale jako rozciągnięcie w czasie dźwięku dobiegającego bezpośrednio z głośnika.
Z tego punktu widzenia faktycznie lepsze jest znaczniejsze odsunięcie kolumn od ściany za nimi, co jednak będzie powodowało większe przesunięcia fazowe między falą bezpośrednią i falą odbitą, a to z kolei - zapadłości na charakterystyce przetwarzania. I tak źle, i tak niedobrze, ale przynajmniej wiemy, czego byśmy chcieli - aby energia niskich częstotliwości została skupiona przed głośnikiem (zresztą idąc śladem średnich i wysokich częstotliwości, które nie są rozpraszane dookólnie, ze względu na znacznie krótsze fale).
Konstruktorzy Kii wiedzą, jak to zrobić. Pomysł rozwiązania akustycznego jest znany od lat. Otwartą odgrodę wystarczy zmodyfikować w prosty sposób - do frontowego panelu, w którym umieszczony jest głośnik, dodać boczne ścianki, biegnące do tyłu, albo w tego typu odgrodzie (w kształcie litery U w przekroju poziomym) umieścić głośniki na bocznych ściankach, blisko frontu. Wówczas dla słuchacza znajdującego się z tyłu przesunięcie fazy między promieniowaniem z przedniej i tylnej strony membrany będzie największe (bliskie 180°), a z przodu - najmniejsze (chociaż wciąż duże dla najniższych częstotliwości, co oznacza duże straty, a więc niską efektywność w tym zakresie).
Określone wymiary takiej obudowy ostatecznie decydują o charakterystyce kierunkowej (dla określonej częstotliwości; wraz ze zmianą częstotliwości zmienia się jej kształt).
Cyfrowa akustyka
Koncepcja charakterystyki Kii Three nawiązuje wprost do powyższych założeń, ale realizuje je w ultranowoczesny sposób - kształtuje charakterystykę kierunkową niskich częstotliwości (czyli postulowane skierowanie ich do przodu) za pomocą odpowiednich przesunięć fazowych między głośnikami niskotonowymi umieszczonymi w różnych częściach obudowy. Taki jest właśnie sens instalacji aż czterech głośników niskotonowych: dwóch na bocznych ściankach (blisko frontu) i dwóch na tylnej ściance. Nie chodzi tylko o zwiększenie mocy i ciśnienia akustycznego, lecz o stworzenie pewnego układu geometrycznego źródeł niskich częstotliwości, który wraz z odpowiednimi przesunięciami fazowymi między głośnikami poszczególnych sekcji generuje inną niż dookólna (kołowa) charakterystykę kierunkową (w przybliżeniu kardioidalną), kierując energię niskich częstotliwości do przodu.
Byłoby ideałem, gdyby udało się uzyskać z przodu pełną zgodność fazy promieniowania wszystkich przetworników (a więc maksymalne ciśnienie, będące sumą ciśnień z wszystkich przetworników), a z tyłu dokładnie przeciwną fazę promieniowania sekcji głośników bocznych i sekcji głośników tylnych (czyli ciśnienie zerowe). Nawet przy zastosowaniu najnowocześniejszej elektroniki, ustalającej dowolne przesunięcie fazowe dowolnego głośnika, taka „zerojedynkowa” sytuacja jest możliwa tylko przy jednej częstotliwości (określonej przez odległość między głośnikami bocznymi a tylnymi). Korygowanie fazy w funkcji częstotliwości może jednak skutecznie działać na rzecz optymalizacji, czyli uzyskania największej możliwej (przy danej częstotliwości) różnicy ciśnień między promieniowaniem do przodu i do tyłu. Wraz z obniżaniem częstotliwości różnica ta musi, niestety, być coraz mniejsza, co oznacza, że jeżeli będziemy obstawać przy zerowym ciśnieniu z tyłu, to ciśnienie z przodu będzie maleć, a jeżeli ustalimy maksymalne ciśnienie z przodu, to ciśnienie z tyłu będzie rosnąć.
System działający w powyżej opisany sposób, czyli za pomocą układu głośników niskotonowych o odpowiednio skoordynowanych charakterystykach fazowych, nie jest jednak czymś całkowicie nowym - kilkanaście lat temu wprowadziła go firma Martin Logan, nazywając Powered Force Forward (bass technology). Tam jednak określone relacje fazowe zostały ustalone działaniem filtrów biernych. Charakterystyki fazowe są związane z nachyleniem zbocza: im wyższy jego rząd, tym przesunięcie fazowe większe. Przy starannym doborze filtrów dla głośników umieszczonych z przodu i z tyłu możliwe jest więc uzyskanie opisanego efektu, jednak ze znacznie mniejszą dokładnością i kontrolą nad charakterystykami niż w przypadku zastosowania najnowocześniejszej techniki cyfrowej w ramach systemu aktywnego, czyli właśnie zespołu głośnikowego wyposażonego we własne wzmacniacze. W takim podejściu do tematu Kii Three to projekt unikalny.
Lepiej, ale ciszej
System, który redukuje ciśnienie za pomocą przesunięć fazowych, redukuje tym samym efektywność. Im niższe częstotliwości mają być poddane takiej operacji, tym większe straty. Można je zmniejszyć, zwiększając fizyczną odległość między głośnikami przednimi a tylnymi, jednak trudno zaakceptować obudowę o kilkumetrowej głębokości.
To podobna zależność, jak przy otwartych odgrodach, w których ważnym parametrem jest ich szerokość. Wiemy też, że otwarte odgrody posługują się dla utrzymania przyzwoitej efektywności całymi bateriami dużych głośników niskotonowych. Tymczasem Kii Three, konstrukcja dość duża jak na monitor, jest jednak niewielka w skali bezwzględnej. Niech nie zmylą nas aż cztery niskotonowe - mają umiarkowaną średnicę, a ważna dla fazowych manipulacji odległość między głośnikami bocznymi i tylnymi też nie jest bardzo duża. Znaczna głębokość obudowy, wraz z faktem zainstalowania dwóch głośników na tylnej ściance, na pewno skłoni wielu użytkowników do wniosku, że są to monitory dość kłopotliwe do ustawienia. Jednak dalsza redukcja głębokości obudowy już zbyt poważnie pogarszałaby parametry (skuteczność działania systemu „ukierunkowania basu”, albo dolną częstotliwość graniczną, albo maksymalne ciśnienie akustyczne - albo wszystkiego po trochu, w zależności od zestrojenia układu). Dokonano też racjonalnego wyboru, ograniczając zakres kształtowania charakterystyki kardioidalnej do ok. 40 Hz - częstotliwości niższe promieniowane są wszechkierunkowo. Skupienie energii tak niskich częstotliwości, co już zostało wspomniane, wiązałoby się z bardzo niską efektywnością. Co prawda Kii Three to układ aktywny, więc użytkownik nie odczułby tego jako konieczności dostarczenia większej mocy, ale i tak skończyłoby się to ograniczeniem maksymalnego ciśnienia akustycznego (maksymalnej głośności), a przecież nawet mając na pokładzie setki watów, nie można przeforsować samych głośników. Szczęście w nieszczęściu, że największe problemy z rezonansami pomieszczenia, które redukować ma charakterystyka kardioidalna, występują w zakresie średniego i wyższego basu - można powiedzieć, że system „odpuszcza” walkę o charakterystykę kardioidalną tam, gdzie jest ona najbardziej kosztowna i przynosi najmniejsze korzyści.
Wszystkie głośniki niskotonowe pracują w systemie zamkniętym, którego charakterystykę współkształtują procesory. W ten sposób system aktywny pozwala ustalić niską częstotliwość graniczną. Nic jednak nie dzieje się za darmo - do tego potrzebna jest wysoka moc i wzmacniaczy, i głośników.
Lepiej, ale później
Nowoczesna elektronika pozwala natomiast, bez żadnego obciążania głośników, wyregulować minimalne przesunięcia fazowe wypadkowej charakterystyki przetwarzania w całym pasmie, co w zasadzie leży poza zasięgiem filtrów biernych i nie jest też wcale oczywistością w systemach aktywnych. System wyposażono też w układ zabezpieczający przed przeciążeniem, a przy tym działający elastycznie - modyfikuje charakterystykę, (podnosi dolną częstotliwość graniczną) w miarę wzrastania zagrożenia ze strony zbyt dużych amplitud, jakie się z nimi wiążą.
Z tym „procesowaniem” sygnału związany jest, niestety, jeden problem, który w zastosowaniach domowych nie ma praktycznego znaczenia, ale w studyjnych - może mieć. Otóż sekcja cyfrowa musi dane buforować, co wprowadza opóźnienie 90 milisekund, niedopuszczalne przy montażu materiału w studio. Można jednak sekcję korekcji fazy (i zabezpieczenia) wyłączyć - co prawda z jakąś szkodą dla jakości brzmienia, ale zapewniając działanie niemal bez opóźnienia (1 ms), co w pewnych sytuacjach może być najważniejsze.
Wejścia i regulacje
Wszystkie sygnały wejściowe - jak wynika wprost z topologii całej elektroniki - muszą być zamienione na postać cyfrową. Kii Three przyjmie też analogowe, przetworzy je na cyfrowe, a cyfrowe upsampluje i przetaktuje, aby zredukować zniekształcenia jitter.
Jedno gniazdko - XLR - pełni podwójną funkcję: wejścia dla sygnału analogowego (jednego kanału) i cyfrowego (AES-3). Do jednego zespołu dostarczamy wówczas sygnał stereofoniczny ze wzmacniacza, a do drugiego przesyłamy już tylko sygnał wybranego kanału, kablem CAT5. Każdy egzemplarz Kii Three jest wyposażony tak samo, każdy może pracować w obydwu rolach, jednak tylko jedno wejście... Rzecz nie w tym, aby do głośników aktywnych podłączać wiele źródeł, tę rolę („centrali”) powinno pełnić jakieś urządzenie zewnętrzne, ale w ograniczeniu się do formatu XLR/AES.
Rozwiązanie problemu jest już gotowe, chociaż za dodatkową opłatą, w postaci sterownika Kii Control. Przyjmuje on sygnały cyfrowe przez szerszy wachlarz wejść, znanych nam lepiej z systemów domowych - Toslink (optyczny), S/PDIF (elektryczny koaksjalny), wreszcie USB, które chyba ucieszy najbardziej, jako że może przyjąć sygnały PCM do 24 bit/384 kHz i DSD64/128. Wejście S/PDIF też jest niezłe, akceptujące 24/192. Sterownik pozwala wybrać między tymi wejściami a także wejściem XLR (w samych monitorach). Samemu wysyła zarówno sygnał audio, jak i sygnały sterujące (przyjmuje też tą drogą zasilanie z Kii Three), kablem CAT5 - do jednego, wybranego monitora (do drugiego sygnał będzie przerzucony przez wspomniany już wcześniej CAT5). Kii Control daje nam także do ręki, dosłownie, regulację głośności - klasycznym, obrotowym pokrętłem, które jest też włącznikiem Kii Three (budzą się one ze stanu stand-by po otrzymaniu sygnału, same nie mają żadnego włącznika, tylko gniazdo sieciowe).
Regulacje dotyczą charakterystyki przetwarzania i są podzielone między dwa przełączniki - jeden nazywa się Boundary, drugi Contour. Ten pierwszy dotyczy wyregulowania poziomu najniższych częstotliwości, w zależności od ustawienia monitorów - daleko od ścian (free), pod ścianą (wall) i w narożniku (corner). Tego typu regulacja byłaby świetnym rozwiązaniem dla wszystkich konwencjonalnych kolumn, promieniujących niskie częstotliwości dookólnie (i w gruncie rzeczy taką rolę pełni np. zamykanie bas-refleksu). Po co jednak taka opcja w konstrukcji, która kierując energię niskich częstotliwości do przodu, eliminuje tym sposobem wpływ odbić od ściany za głośnikami? Wszystko się zgadza; regulacja działa tylko w zakresie najniższych częstotliwości, poniżej ok. 40 Hz, gdzie Kii Three promieniuje już dookólnie, z powodów wyjaśnionych wcześniej. Drugi przełącznik ma więcej pozycji; reguluje poziom w szerszym zakresie częstotliwości niskich (poniżej 300 Hz), a także w zakresie wysokich (powyżej 3 kHz) i najwyższych (powyżej 10 kHz).
Pełny test, wraz z pomiarami laboratoryjnymi (w tym przypadku wyjątkowo bogatymi i ciekawymi), ukazał się w miesięczniku „Audio”, w nr. 10/2017.
