LAPTOPS 101: Проектирование высококачественной аудиосистемы для ноутбука

By Notebookcheck |
Следующая статья предоставлена сайтом Notebookcheck.
В отличие от стационарных компьютеров, при проектировании ноутбуков нужно учитывать качество как встроенной аудиосистемы, так и выхода для гарнитуры. В данной статье мы рассмотрим различные аспекты конструкции динамиков и аудиовыходов у ноутбуков, включая физические и электрические параметры, а также программные улучшения. Свои слова мы проиллюстрируем примерами инженерных решений, применяемых в ноутбуках MSI. (спонсорская статья)
 
GE75 Raider 9SG
Расположение низко- и среднечастотных динамиков в ноутбуке MSI GE75 Raider 9SG.

Введение

При покупке ноутбука акустическая система, как правило, не входит в число основных критериев выбора конкретной модели. Процессор, видеокарта, объем оперативной памяти, накопители и качество дисплея имеют куда более высокое значение. При этом большинство производителей ноутбуков предлагают устройства с динамиками посредственного качества и «жестяным» звучанием, потому что предполагается, что пользователь в любом случае будет подключать проводные или беспроводные наушники. Особо взыскательные владельцы ноутбуков даже применяют внешний ЦАП/усилитель с интерфейсом USB, чтобы получить гораздо более чистый звук, чем тот, что может предложить встроенная акустическая система.
 
Использованию в ноутбуках динамиков посредственного качества есть несколько причин, однако главной является снижение стоимости производства. Производители стараются сэкономить на хороших динамиках, чтобы вложить больше средств в другие компоненты, которые сильнее влияют на решение потребителей о покупке. Еще одним фактором является ограниченное пространство внутри ноутбучного корпуса. Устройства становятся все тоньше и тоньше, поэтому становится все сложнее поместить мощные сабвуферы и хорошие среднечастотные динамики в типичный современный ноутбук.
 
Читатели Notebookcheck знают, что в своих обзорах мы проверяем качество звука, чтобы получить представление о том, какой частотный диапазон покрывают встроенные динамики ноутбука. В данной статье мы рассмотрим общие принципы конструкции и работы ноутбучных акустических систем. Также мы выясним, от чего зависит хорошее качество звука при использовании наушников, а также узнаем о программных оптимизациях, дополняющих «железо». Все это будет проиллюстрировано примерами инженерных решений, применяемых в игровых ноутбуках MSI.
 
Предыдущая статья в серии Laptops 101:

Конструкция встроенных динамиков

Чтобы получить хороший звук, можно использовать гарнитуру или внешнюю акустическую систему, однако встроенные динамики продолжают оставаться важной частью конструкции любого ноутбука. Их качество зависит от множества факторов, таких как размер и расположение, тип динамиков, схемотехника, амплитудно-частотная характеристика. Давайте вкратце рассмотрим каждый из них.
 

Выбор размера и месторасположения динамиков

Датская компания Dynaudio является производителем высококлассных акустических решений для самых разных сфер. Спроектированные ее специалистами динамики отличаются более естественной передачей звука, чем обычные. MSI работает с Dynaudio, начиная с 2009 года, и данное сотрудничество, имеющее целью улучшить качество звука игровых ноутбуков, помогает с выбором самих динамиков и варианта их размещения в корпусе еще на стадии проектирования самого устройства.
 
Deciding on speaker size and placement
Размер и месторасположение динамиков определяются на стадии проектирования ноутбука. (изображение предоставлено компанией MSI)
 
Специалисты Dynaudio вступают в дело на самой ранней стадии проектирования динамиков. Как видно из иллюстрации, размер и расположение динамиков прописываются в чертежах. При этом учитываются такие факторы как баланс звука, резонанс, вибрации. Рассмотрев предлагаемое положение динамиков и схемное решение, Dynaudio рекомендует изменения, которые тестируются с использованием прототипов, пока не настанет время для массового производства. В корпусе ноутбука места для динамиков немного, и это непосредственно влияет на их амплитудно-частотную характеристику. И это значит, что для обеспечения хорошего звука доступное пространство нужно использовать максимально эффективно.
 

Динамики Giant Speaker

У большинства обычных ноутбуков имеется два динамика: по одному на каждой стороне. Некоторые качественные модели способны обеспечить приемлемое воспроизведение низких и высоких частот, однако с низкими у всех возникают проблемы. Встроить сабвуфер в тонкий ноутбучный корпус непросто, потому что для диффузоров остается мало пространства, чтобы «прокачать» воздух. Таким образом, единственный способ улучшить качество звука и получить более-менее ровную АЧХ заключается в увеличении пространства, доступного для пары динамиков и сабвуфера.
 
Giant Speaker Design
Динамики Giant Speakers отличаются хорошим воспроизведением низких и высоких частот. (Изображение предоставлено компанией MSI)
 
«Гигантские динамики» Giant Speaker – это решение от MSI. Как видите, нижняя четверть внутреннего пространства корпуса отдана под нужды аудиосистемы. В данной конструкции на каждой стороне присутствует пара динамик-сабвуфер, обе пары располагаются в достаточно больших акустических камерах, что способствует воспроизведению большего диапазона частот. Такое решение значительно превосходит по качеству звука то, что предлагают обычные ноутбуки.

 

Resonance absorption
Резонансное поглощение

Если представить, что корпус ноутбука – это маленькая комната, то, очевидно, в ней будет присутствовать нежелательный резонанс и вибрации, которые могут повлиять на воспроизводимый звук. Для эффективного устранения ненужных частот применяются резонансные поглотители. В типичном ноутбучном динамике поглощающий материал располагается вокруг диффузора, чтобы максимально уменьшить резонанс.
 

Интеллектуальный усилитель

В 2015-м году на выставке CES компания Texas Instruments продемонстрировала разработку под названием «интеллектуальный усилитель». Вкратце, ее суть в том, что усилитель позволяет динамикам выдавать больше мощности без повреждения. Выходная мощность большинства ноутбучных динамиков ограничена на уровне 2 Вт, хотя в теории они способны выдавать 10 и даже 30 Вт. Это делается специально для того, чтобы предотвратить их поломку, которая может произойти из-за слишком сильного тока в звуковой катушке, а также чтобы устранить срезание частот. Интеллектуальный усилитель позволяет динамически отфильтровывать лишь те частоты, которые переходят за безопасный уровень, а не вырезать всю звуковую волну.
 
Реализация интеллектуального усилителя в продуктах MSI позволяет обеспечить выходную мощность до 30 Вт без какого-либо ущерба для динамиков из-за чересчур высокого напряжения или температуры. Данные параметры отслеживаются и регулируются в режиме реального времени, чтобы отфильтровывать лишь потенциально опасные «всплески». Таким образом, динамики могут работать с большей мощностью и без каких-либо проблем. В компактных устройствах, таких как ноутбуки, акустическая система с интеллектуальным усилителем позволяет обеспечить большую амплитуду (т.е. громкость) звука, чем при использовании обычных усилителей. Это означает большую мощность басов, равно как и других частот.
 
Smart Amp Circuit Design
Сравнение интеллектуального и обычного усилителей. (Изображение предоставлено компанией MSI)
 

Улучшенное воспроизведение низких частот

Получение хороших низких частот – непростая задача, учитывая ограничения, накладываемые корпусом типичного ноутбука. Чтобы решить ее, используются так называемые пассивные излучатели, по сути представляющие собой динамик без внутренностей: диффузор, подвес и каркас, но без каких-либо электромагнитных компонентов. Преимущество пассивного излучателя состоит в том, что он обеспечивает лучшее воспроизведение низких частот по сравнению с имеющим большой размер фазоинвертором.
 
Schematic of a passive radiator
Движение динамика порождает флуктуации воздуха внутри акустической камеры. Из-за меняющегося внутреннего давления воздуха происходит движение пассивного излучателя.
Схема пассивного излучателя. (Источик: Center Point Audio)
 
Итак, каким же образом пассивный излучатель помогает в воспроизведении низких частот? Рассмотрим схему, представленную на иллюстрации. Когда драйвер динамика двигается внутрь и наружу в соответствии со входным сигналом, он изменяет давление воздуха внутри корпуса этого динамика. Если перед драйвером поместить пассивный излучатель, то движение воздуха будет вызывать и движение излучателя, который будет создавать низкочастотный звук, как в фазоинверторе.
 
Пассивные излучатели могут использоваться не только в низкочастотных, но и среднечастотных динамиках. Их легко проектировать, потому что, в отличие от фазоинверторов, им не требуется настройка – они просто должны соответствовать драйверу динамика. Таким образом, они представляют собой весьма эффективное решение для динамиков маленького размера. На фотографиях ниже можно увидеть типичные ноутбучные динамики для средних частот. Вверху находится именно пассивный излучатель, а сам драйвер виден в нижней части динамика.
 
Mid-range frequency laptop speaker

Среднечастотный ноутбучный динамик – вид сверху. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Mid-range frequency laptop speaker - bottom

Среднечастотный ноутбучный динамик – вид снизу. (Изображение предоставлено компанией MSI)

 
Амплитудно-частотная характеристика пассивного излучателя сравнима с той, что обеспечивает типичный микродинамик аналогичного размера, особенно в области низких и средних частот. Как видно из приведенной ниже диаграммы, референсный микродинамик может выдать очень низкую частоту на уровне 100 Гц. Пассивный излучатель очень близок к этому значению, равно как и к пиковой частоте 1000 Гц.
 
Passive radiator (green) and reference micro-speaker
Сравнение АЧХ пассивного излучателя (зеленый цвет) и референсного микродинамика (красный). (Изображение предоставлено компанией MSI)

 

В нашем обзоре ноутбука MSI GT76 мы обнаружили, что он обладает великолепной амплитудно-частотной характеристикой при высоком уровне максимальной громкости (90 дБ). Пусть даже звук был несколько приглушенным, а низкие и средние частоты могли бы быть и получше, нет сомнений, что GT76 выдает впечатляющее звучание, сравниться с которым способны лишь немногие другие модели.
 
Frequency diagram
Частотная диаграмма

 

Поддержка гарнитур

Хороший звук от встроенной акустической системы – это неплохо, однако большинство пользователей все равно предпочитают погружаться в игру с помощью гарнитур. Вот почему компоненты, используемые для вывода звука через гарнитуру, должны обеспечивать высокое значение параметра сигнал/шум. Также от них требуется хорошее качество голосовой связи.
 

Как улучшить соотношение сигнал/шум

Требовательные аудиофилы подтвердят важность хорошей схемотехники для обеспечения качественного вывода звука. Под этим подразумеваются минимальные потери сигнала и уменьшенный уровень статических шумов. Многое в этом случае зависит от разводки печатной платы.
 
Разводка печатной платы – критически важный аспект для вывода звука через гарнитуру, поэтому производители не жалеют ресурсы на ее оптимизацию. Конструкция печатной платы и ее размер, количество встроенных компонентов – все это может меняться, однако важнейшим элементом для аудиосистемы является слой заземления, который подключается к «земле» источника питания. Способ подключения аналоговых и цифровых компонентов к слою заземления может иметь решающее значение для итогового качества звука, потому что правильное решение в этом случае будет способствовать снижению различного рода электромагнитных помех.
 
Proper PCB layout is essential for quality audio output
Правильная разводка печатной платы – ключевой фактор в обеспечении качественного вывода звука. (Изображение предоставлено компанией MSI)
 

Мы не будем здесь углубляться в детали, однако отметим, хорошей практикой считается не разделять слои заземления на печатных платах с разнородными сигналами, и специалисты MSI с этим согласны. По их опыту, создание отдельных слоев заземления для аналоговых и цифровых компонентов не приносит реальных выгод, поэтому рекомендуется применять один слой для всех компонентов, чтобы упростить общую конструкцию печатной платы. Кроме того, следует минимизировать количество проводников в слое заземления, и они не должны блокировать путь от выходов аудиопроцессора до операционного усилителя – так снижается уровень гармонических искажений.
 

Помимо правильной реализации слоя заземления для получения более чистого звука следует сделать ряд других вещей, в частности:
  • Проводники заземления должны быть короткими и не использоваться совместно несколькими компонентами.
  • Цепи обратной связи операционного усилителя должны находиться как можно ближе к самому операционному усилителю.
  • У каждого операционного усилителя и аудиочипа должны иметься развязывающие конденсаторы – рядом с выводами питания.
  • Между аудиочипом и операционным усилителем должно быть короткое, защищенное от помех соединение (его качество после операционного усилителя не столь критично).
  • Проводники цифровых и аналоговых сигналов должны быть отделены друг от друга.
  • Для минимизации потерь сигнала применяются позолоченные аудиоразъемы.


Voiceboost

Voiceboost settings in MSI Dragon Center
Настройки функции VoiceBoost в приложении MSI Dragon Center. (Изображение предоставлено компанией MSI)

 
Многопользовательские игры становятся куда интереснее, когда есть возможность общаться с другими игроками по голосовой связи, однако очень часто голоса могут затеряться в какофонии присутствующих в игре звуков. Для борьбы с этой проблемой была создана функция VoiceBoost, которая выделяет и усиливает звук голоса среди всех остальных. Таким образом, члены команды могут ясно слышать друг друга, планируя свою игровую тактику. Настроить эту функцию можно непосредственно в приложении MSI Dragon Center.

Программные оптимизации

Итак, мы рассмотрели, как выбирают тип динамиков и вариант их размещения, как проектируют аудиотракт, чтобы максимально улучшить качество звука в гарнитуре. Однако качественное «железо» должно дополняться не менее качественным программным обеспечением. В данном разделе мы рассмотрим программные технологии компании Nahimic, которые помогают оптимизировать звучание имеющейся акустической системы или гарнитуры.

Шумоподавление

Хорошее шумоподавление – неотъемлемая часть конструкции любого аудиовыхода для наушников. По сравнению с другими алгоритмами программной обработки звука, такими как Dolby Digital и Creative SoundBlaster Cinema, решение, предлагаемое компанией Nahimic, содержит дополнительные возможности, включая управление уровнем громкости голоса, настройку порога шумоподавления, «формирование луча» и т.д. В результате, даже когда вы находитесь в гуще виртуального сражения, приложение Nahimic сумеет выделить ваш голос из фоновых звуков: взрывов или рева моторов. При его разработке применяется метод лабораторной симуляции различных вариантов окружающего пространства, что позволяет добиться высокой точности при подавлении шумов.
 
Audio simulation for noise cancellation development

При разработке алгоритмов шумоподавления применяется метод симуляции. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Audio simulation for noise cancellation development

При разработке алгоритмов шумоподавления применяется метод симуляции. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Nahimic microphone UI

Интерфейс управления микрофоном приложения Nahimic. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Технология N-Force: виртуальный звук в формате 7.1

Большинство игр (и мультимедийных приложений) используют стандартные звуковые настройки Windows. Это значит, что если у вас подключена и соответствующим образом настроена в Windows стереогарнитура, многоканальный аудиопоток будет преобразовываться в стереосигнал с соответствующей потерей информации о пространственном позиционировании звука, например о звуках шагов соперника, подкрадывающегося к вам в игре сзади.
 
Чтобы решить данную проблему, в приложении Nahimic применяется эксклюзивная технология под названием N-Force. Она заставляет игру «думать», будто к компьютеру подключена акустическая система формата 7.1, и поэтому игровой движок может выдать все закодированные каналы без преобразования их в стерео. Эта информация затем обрабатывается с помощью специальных алгоритмов, которые определяют положение источников звука в пространстве и накладывают дополнительные пространственные эффекты. В результате создается эффект еще большего погружения в игру. Благодаря приложению Nahimic геймеру не придется угадывать положение противника – он сможет легко оценить примерную позицию источника каждого звука в виртуальном мире.
 
Nahimic

Без программной обработки Nahimic движок игры выдает лишь двухканальный стереозвук, в соответствии с настройками Windows. (Изображение предоставлено компанией MSI)

7.1-channel

Приложение Nahimic «заставляет» игровой движок выдавать полноценный многоканальный звук формата 7.1. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Nahimic 3D Audio

Преимущества пространственного звука от Nahimic. (Изображение предоставлено компанией MSI)


Расширение стереобазы

Чтобы сделать ярче звук при прослушивании музыки и просмотре фильмов, приложение Nahimic предлагает возможность расширения стереобазы. Обычно звук динамиков направлен непосредственно на слушателя и охватывает угол в размере 60° вокруг головы. Путем подавления перекрестных помех можно еще больше разделить сигнал от левого и правого аудиоканалов, а эксклюзивные трансауральные фильтры помогают расширить стереоэффект с 60° до 180°.
 
Трансауральные фильтры служат для расширения стереоэффекта, а бинауральные – для воссоздания центрального канала, на который выводится большинство диалогов в многоканальном формате, и разделить левый и правый стереоканалы в пространстве. В результате создается иммерсивный эффект, аналогичный использованию акустической системы 3.0.
 
A crosstalk cancellation effect is applied to fully separate L and R channels

Благодаря устранению перекрестных помех достигается полное разделение левого и правого каналов. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Transaural virtualization enables stereo widening

Трансауральная виртуализация служит для расширения стереобазы. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Binaural virtualization recreates a center channel simulating a 3.0 setup

Бинауральная виртуализация служит для воссоздания центрального канала, как при использовании акустической системы формата 3.0. (Изображение предоставлено компанией MSI)

 

Преобразование в стерео

Киноманы предпочитают наушникам многоканальные акустические системы формата 5.1 или 7.1, потому что на дисках DVD и Blu-ray часто используется 5.1-канальный аудиопоток, закодированный по стандарту DTS или Dolby Digital. В этом случае можно корректно настроить позиционирование звуков в пространстве. Например, диалоги обычно выводятся через центральную колонку, а основной звуковой трек – через левый и правый каналы. Задние динамики резервируются для дополнительных звуков, таких как шум толпы, голоса людей позади персонажа, выстрелы сзади.
Впрочем, при воспроизведении стереопотока такие системы не используются с полной эффективностью. Вот почему приложение Nahimic предлагает возможность разделения стереопотока на шесть каналов (5.1) посредством специальных алгоритмов. Данная функция имеет определенные ограничения, и результат ее работы не всегда столь же точен, как при воспроизведении аудиопотока, изначально закодированного в формате 5.1. Тем не менее, она будет весьма полезной при прослушивании музыки и просмотре фильмов со стереозвуком на акустической системе 5.1.
Nahimic can read the incoming stereo source and extract each component

Приложение Nahimic может проанализировать стереосигнал и выделить из него отдельные компоненты. (Изображение предоставлено компанией MSI)

It then splits the components into respective feeds for each channel

Затем компоненты стереопотока разделяются по нескольким аудиоканалам. (Изображение предоставлено компанией MSI)

 

Дружественный пользовательский интерфейс

Передовые аудиотехнологии Nahimic доступны посредством удобного программного интерфейса, который разработан с учетом потребностей геймеров. Начиная с Windows 10 версии 1809, компания Microsoft представила новую платформу для драйверов Declarative Componentized Hardware, которая лучше работает с унифицированной платформой приложений UWP. Приложение Nahimic является UWP-совместимым, поэтому оно получает автоматические обновления и поддерживает множество моделей ноутбуков.
Помимо настроек аудиосистемы в приложении Nahimic доступны специальные функции, такие как подавление статических шумов, звуковой радар, стабилизация голоса. Стабилизация голоса служит для поддержания одного уровня громкости голосовой связи, независимо от расстояния между пользователем и микрофоном. Имеется специальный ночной режим, в котором громкость звука уменьшается на 10 дБ, чтобы обеспечить комфорт для окружающих во время ночных игровых сессий.
Microsoft UWP compliantt

Переработанное приложение Nahimic является полностью совместимым с архитектурой Microsoft UWP. (Изображение предоставлено компанией MSI)

The UI is intuitive and is easily understandable

Приложение обладает интуитивно понятным пользовательским интерфейсом. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Users can control the extent of background noise suppression.

Пользователи могут настраивать уровень подавления фоновых шумов. (Изображение предоставлено компанией MSI)

Sound Tracker helps track spatial sound positioning.

Функция отслеживания звуков позволяет определить местоположение их источников в игре. (Изображение предоставлено компанией MSI)

audio information

Функция стабилизации голоса обеспечивает постоянный уровень громкости голоса, независимо от положения пользователя перед микрофоном. (Изображение предоставлено компанией MSI)

audio information

В ночном режиме уменьшается громкость, однако звук остается таким же детализированным. (Изображение предоставлено компанией MSI)


Заключение

В данной статье мы обсудили, что требуется для проектирования качественной звуковой подсистемы, начиная от электроники и заканчивая программными оптимизациями. Ясно одно – разместить аудиокомпоненты в тонком корпусе ноутбука – задача нетривиальная, а высокое итоговое качество звука требует совместной работы различных специалистов и даже участия конечного пользователя. Неправильный подбор компонентов, как и неправильная настройка могут привести к печальному результату. И пусть даже большинство владельцев ноутбуков предпочитают использовать гарнитуры или внешние акустические системы, качество встраиваемых динамиков продолжает оставаться важным.
 
RTX logoМы надеемся, что данная статья о конструкции аудиосистемы будет полезной при принятии решения о покупке. В рамках серии публикаций о ноутбуках мы также обсудим ЖК-панели, конструкцию тачпада и другие компоненты.
 
Помимо тщательной проработки остальных аспектов ноутбука ключевой особенностью моделей MSI является использование новейших видеокарт GeForce RTX с микроархитектурой Turing. Это обеспечивает как высокое качество изображения в играх, например в поддерживающем технологию трассировки лучей блокбастере Battlefield V, так и эффективную работу в профессиональных приложениях, таких как Autodesk 3DS Max, Adobe Premiere Pro и Lightroom, DaVinci Resolve.
Подпишитесь на наш Блог

Будьте в курсе последних новинок продукции, статей блога и новостей

Кликнув на кнопку, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности компании MSI

us