Κυριακή, 17 Νοεμβρίου 2019

Limiters | RMS και PEAK Limiting

Τον τελευταίο καιρό διερωτήθηκα ποιός είναι ο σωστός τρόπος να ρυθμίσω με ακρίβεια τα limiters ώστε να προστατευθούν σωστά τα ηχεία αφού δεν υπήρχε διαθέσιμο ούτε preset του κατασκευαστή, ούτε ο ενισχυτής ήταν σχεδιασμένος απο τον ίδιο τον κατασκευαστή να παίξει το συγκεκριμένο ηχείο. 




Δοθέντος πως ο ενισχυτής που το οδηγεί είναι ο κατάλληλος η προσέγγιση να ρυθμίσουμε τα limiters, σε κάθε περίπτωση, πρέπει να αρχίζει πάντα από το ηχείο που έχουμε να οδηγήσουμε, διότι με βάσει τα χαρακτηριστικά και τις αντοχές του ηχείου θα αποφασίσουμε που θα λειτουργήσει το limiting.

Ας υποθέσουμε όμως ότι ο ενισχυτής είναι ο σωστός για το ηχείο. Στην προκειμένη περίπτωση ο ενισχυτής ήταν ένας Lab Gruppen της σειράς C. Όπως όλοι οι Lab Gruppen έτσι και σε αυτόν η επιλογή για τα limiter γίνεται στο πίσω μέρος του ενισχυτή θέτωντας τους διακόπτες ανάλογα, κυρίως με τη συμβολή κάποιων πινάκων που δίνει η Lab Gruppen οι οποίοι βασίζονται στα watt και στην ωμική αντίσταση του ηχείου. Για τον μόνο ενισχυτή που δεν είχε πινακάκι ήταν αυτός ο οποίος ενδιέφερε εμένα. 
Έτσι μπήκα στη διαδικασία να προσπαθήσω να υπολογίσω την σωστή επιλογή για το ηχείο που είχα.


Peak Limiting

Γνωρίζοντας την ισχύ του ηχείου, την ωμική αντίσταση και χρησιμοποιώντας τον Νόμο του Ohm μπορούμε να υπολογίσουμε τη μέγιστη τάση σε Volt που μπορεί να δεχθεί το ηχείο πριν αρχίσουν τα “προβλήματα”.
Εάν ορίσουμε το limiter να λειτουργήσει όταν η τάση ξεπεράσει την μέγιστη αυτή τιμή που μπορεί να δεχθεί το ηχείο, θεωρητικά το ηχείο είναι προστατευμένο. 

Πολλές φορές οι κατασκευαστές ηχείων μας δίνουν την ισχύ του ηχείου σε watt Rms, AES, Average αλλά και σε Peak τιμές. Αυτή που μας ενδιαφέρει ώστε να υπολογίσουμε σωστά την τιμή για το limiter είναι η Peak τιμή. Στο συγκεκριμένο ηχείο δεν είχα την τιμή peak αλλά μόνο την RMS(αν και αποδεδειγμένα λανθασμένη ορολογία θα την χρησιμοποιήσουμε).
Οι τύποι τους οποίους χρειαζόμαστε σε αυτές τις περιπτώσεις ώστε να μεταπηδήσουμε από rms σε peak και το αντίστροφο είναι οι παρακάτω:



Άρα βάσει τα παραπάνω και  ηχείο που ήταν ισχύος 2000watt(rms) με ονομαστική αντίσταση 4 Ohm έχουμε:




Με αυτούς τους υπολογισμούς το limiter το οποίο είναι στην έξοδο του συγκεκριμένου ενισχυτή, δεν θα αφήσει σήμα με εξάρσεις που έχουν τάση μεγαλύτερη των 126,5V να φτάσουν  στο ηχείο. Στους διακόπτες του Lab Gruppen οι επιλογές για το Voltage Peak Limiter όπως το ονομάζουν είναι αυτές που φαίνονται στην παρακάτω εικόνα με την επιλογή 126,5 να μην υπάρχει. Η αμέσως επόμενη επιλογή να είναι στα 118V, η οποία είναι λίγο κάτω από την επιθυμητή και μας δίνει ένα επιπλέον περιθώριο προστασίας πριν μπούμε στην επικίνδυνη ζώνη.





Εάν παρατηρήσουμε τους αστερίσκους στην εικόνα και τοποθετήσουμε τις αξίες τους στους παραπάνω τύπους μας βγάζουν ακριβώς το αποτέλεσμα του VPL. 141Vpeak = 100Vrms και 100Vpeak = 70Vrms, άρα οι τύποι λειτουργούν και η επιλογή 118Vpeak για το συγκεκριμένο ηχείο είναι σωστή.

RMS Limiting

Μέχρι τώρα έχουμε υπολογίσει το limiter για τιμές Peak. Αυτό θα προστατέυσει το ηχείο από υψηλές τάσεις, σε ξεσπάσματα(κορυφές,) οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν μηχανική βλάβη στον κώνο απο την μεγάλη μετατόπιση η οποία ξεπερνάει το Xmax.
Το ερώτημα που τίθεται τώρα είναι τί κάνουμε με τις RMS τιμές που μπορεί να δεχθεί το ηχείο. Εάν οι RMS τιμές ξεπεραστούν για μεγάλο χρονικό διάστημα υπάρχει ο κίνδυνος της αστοχίας υλικών λόγω ανάπτυξης θερμοκρασιών μεγαλύτερων από αυτών που είναι σχεδιασμένο το ηχείο να αντέξει.

Ο έλεγχος θα πρέπει να γίνει στις εξόδους του controller,  όταν ο ενισχυτής δεν έχει αυτή την επιλογή όπως στην προκειμένη περίπτωση, ώστε το σήμα να μην καταφέρει να φτάσει στον ενισχυτή που οδηγεί το ηχείο με συνέπεια να το υπερτροφοδοτήσει και να μείνει μέσα στο επιτρεπτό όριο.

Όπως προαναφέρθηκε, για να προστατευθεί το ηχείο του παραδείγματος δεν πρέπει να περάσει τάση μεγαλύτερη από 126,5Vpeak από τον ενισχυτή προς το ηχείο. Στην περίπτωση που ο ενιχσυτής μπορεί να παράξει στην έξοδό του περισσότερα volt από αυτά που μπορεί να αντέξει το ηχείο και δεν μπορούμε να θέσουμε, όπως στον Lab Gruppen, limiting στην έξοδο θα πρέπει να ελέγξουμε την είσοδο του σήματος προς τον ενισχυτή ώστε στην περίπτωση που ξεπεράσει το όριο αυτόματα να κοπεί από το limiter. 

ΓΙα να θέσουμε την τιμή του limiter θα πρέπει να μετατρέψουμε τις τιμές Vpeak και Rms και σε dBu. Η διαδικασία είναι η εξής:

Αρχικά πρέπει να μετατρέψουμε τα Vrms σε dBu χρησιμοποιώντας τον παρκάτω τύπο:




Με βάσει αυτόν τον τύπο έχουμε το παρακάτω αποτέλεσμα:






Στη συνέχεια, γνωρίζοντας την ευαισθησία εισόδου του ενισχυτή μπορούμε να υπολογίσουμε το gain σε dB(Αν δεν το γνωρίζουμε ήδη από το χαρακτηριστικά του ενισχυτή).  Στο παραπάνω παράδειγμα γνωρίζουμε πως είναι 35 dB από την επιλογή όπως φαίνεται στο πίσω μέρος του συγκεκριμένου ενισχυτή(Επιλογή από τα διακοπτάκια). 
Στη περίπτωση που δεν το γνωρίζουμε μπορούμε με την χρηση του παρακάτω τύπου να το υπολογίσουμε ή και το αντίθετο. Για τον ενισχυτή που με ενδιέφερε το αποτέλεσμα ήταν 35dB και 1,63V (Input Sensitivity) αφού είχε Max output 2100Wrms στ 4 Ohm.




Αφού έχουμε υπολογίσει αυτές τις δύο τιμές σε dB τότε τις αφαιρούμε και βρίσκουμε το σημείο στο οποίο πρέπει να λειτουργήσει το limiter μας για τις rms τιμές. 

Ρύθμιση Limiter 41,25dB - 35dB = 6,25dBu


dBu σε dBV σε dBFS

Το ερώτημα που μένει τώρα αναπάντητο είναι τί γίνεται με τη μετατροπή της παραπάνω τιμής σε dBFS, κλίμακα η οποία βρίσκεται σε πολλές συσκεύες στην ηχητική αλυσίδα. 
Πώς θα μπορέσουμε να γνωρίζουμε που αντιστοιχούν τα 6,25dBu όταν οι τιμές που μπορούμε να θέσουμε στην επιλογή του limiter είναι διανεμημένες στον μετρητή σε dBFS
Πολλοί controllers έχουν την “σωστή” διαβάθμιση και άλλοι την έχουν σε dBFS. Για να μπορέσουμε να συγκρίνουμε και να θέσουμε την σωστή τιμή στο limiter θα πρέπει να γνωρίζουμε τη μέγιστη τιμή εξόδου της συσκευής ώστε να μπορέσουμε να τη συσχετίσουμε με τα 0dBFS.

Για να αποφύγουμε τις παρεξηγήσεις αλλά και τα μπερδέματα μεταξύ των διαφόρων dB τιμών αλλά και τη σχέση μεταξύ τους θα πρέπει να πούμε πως σύμφωνα με πολλά βιβλία +20dBV = 0dBFS. Αυτόν το συσχετισμό θα τον βρούμε πολύ συχνά. Όμως ο controller που ήταν διαθέσιμος και χρησιμοποιήθηκε στο παράδειγμα αυτό ήταν ο Yamaha MTX5D. Σύμφωνα με τον οδηγό χρήστη η μέγιστη τιμή εξόδου του πρίν την παραμόρφωση είναι +24dBu το οποίο αντιστοιχεί με περίπου +22dBV.


Άρα ο σωστός συσχετισμός με τα 0dBFS θα ήταν τα +22dBV και η τιμή σε dBV των 6,25dBu που υπολογίσαμε νωρίτερα είναι +4dBV. Τελειώνοντας, το μαρτύριο των db, όταν συσχετίσουμε, με τη συμβολή του παρακάτω πίνακα τα +4dBV με την κλιμακα των dBFS θα βρούμε πως η τιμή για το limiter στην έξοδο μας θα πρέπει να είναι -18dBFS για το συγκεκριμένο ηχείο με τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά.