Floyd E. Toole, Ph.D.
Harman International Industries, Inc.
Системы стереофонического и многоканального звука являются процессами кодирования/декодирования, в которых АС и КдП (комната для прослушивания) являются доминирующими факторами. Вместе они оказывают влияние на тембр, динамический диапазон, а также на эффекты направленности и пространственности – иными словами, практически на все, что имеет большое значение для требовательного слушателя. Звуки, приходящие к ушам, представляют собой единственную информацию, с которой приходится работать слуховой системе. Если эти звуки в различных условиях различны, то и ощущения будут различны.
Единственным реальным решением является установление контроля над этими вариациями и, в конечном счете, стандартизация важнейших факторов. Проблема заключается в том, что ни для АС, ни для КдП промышленного стандарта не существует. В этой статье мы попытаемся извлечь самое лучшее из этой несовершенной системы путем выявления важнейших переменных в системе «АС-КдП» и обсуждения методов их измерений и контроля над ними.
Как правило, все мы стремимся к созданию некого подобия «реалистичности», что бы под этим ни понималось. Связь между качеством звука, ощущаемым в записи, и оным в концертном выступлении хоть и тесна, но несовершенна. В обычной комнате соображения практического характера делают создание реально впечатляющего ощущения нахождения в, скажем, концертном зале, практически нереальным.
Определенная часть трудностей связана с ограничениями, накладываемыми традиционными двухканальными стереосистемами. Все преимущества стереозвука могут слышать только те слушатели, которые находятся на оси симметрии АС, причем с увеличением расстояния от последних эффект имеет тенденцию пропадать. Обычные технологии стереозаписи являют собой результат проб и ошибок в стремлении извлечь максимум из системы, которая не в состоянии воссоздать все впечатления направленности, которые, возможно, являлись частью оригинального концерта. Разнообразие направленностей звуков, доходящих до ушей слушателя, значительно снижается по сравнению с любым живым выступлением.
В результате строгий реализм становится недостижимой целью, а потому мы пытаемся хотя бы приблизиться к нему настолько близко, насколько это позволяют нам ограничения, накладываемые нашей аппаратурой. Однако для основной массы записанной музыки реализм как цель – попросту неуместное понятие. В популярной музыке, например, оригинальное «исполнение» происходит в звуковой студии во время окончательного сведения (микширования). Поскольку студии звукозаписи не стандартизованы, то понять, что же действительно было в оригинале невозможно, если конечно, Вы не присутствовали при записи…
В попытке привнести в процесс воспроизведения оттенок «пространственности» АС делаются с различной направленностью – начиная от обычных с фронтальным излучением, проходя через биполи (двунаправленные синфазные), диполи (двунаправленные противофазные), преимущественно отражающие и заканчивая всенаправленными. Такие АС обеспечивают слушателей сильно различающимися сочетаниями прямых и отраженных звуков, главенствующая роль в которых отводится КдП. Таким образом, стерео – это фактически совсем даже не система, а скорее основа для индивидуального экспериментирования.
Многоканальные системы предлагают частичное решение, заключающееся в том, что каналов попросту больше и, как следствие, больше направлений, из которых звуки могут казаться приходящими. В какой-то мере такое решение дает независимость от комнатной акустики, поскольку имеется больше «реальных», а не «отраженных» источников звука. И все же АС, излучающие звук в разных направлениях, включая дипольные, опираются на отражения, поэтому есть примеры, в детали которых следует вникнуть каждому.
Стандартизация кинопромышленностью пусть даже небольшого числа из множества наиболее очевидных переменных невероятно помогла в достижении некоторого постоянства в создании многоканальных саундтреков к фильмам. Следовательно, то, что мы слышим в кино – это то же самое, что было слышно на этапе дубляжа, когда компоновался саундтрек. Хорошая инженерная практика и программа Home THX пытаются продолжить эту линию и в наши дома.
Интересно посмотреть, как будет развиваться многоканальная музыка…
Точность воспроизведения звука АС зависит преимущественно от величины линейных (частотных и фазовых) и нелинейных (гармонических и интермодуляционных) искажений, а также от степени направленности во всём частотном диапазоне. В условиях полного отсутствия отражений, направленность АС никакой роли играть не будет, поскольку слышно будет только звук, излучаемый вдоль одной единственной оси – предпочтительно, лучшей. В реальных же помещениях к слушателю, в конечном счете, приходят почти все звуки, излученные АС во всех направлениях.
Направленность АС, их местоположение и акустические свойства КдП определяют спектр, амплитуду, направленность и временную задержку всего того сонма звуков, которые достигают ушей слушателя. Все эти звуки сливаются и взаимодействуют физически на входе в ушную раковину, а на уровне восприятия – в слуховых системах и мозгах слушателей. В результате «под удар» может попасть (и в большинстве случаев попадает) почти каждый перцепционный аспект стереофонического воспроизведения звука.
Изменения в ощущаемом пространственном представлении или, иначе, формировании звукового образа (так называемая глубина сцены):
• Отраженные звуки изменяют «размеры» отдельных голосов или инструментов, особенно тех, что находятся в горизонтальной плоскости.
• Отраженные звуки изменяют местоположение (по ширине или по глубине сцены) отдельных звуковых образов и, наконец.
• Отраженные звуки влияют на ощущение пространственности или охвата (опять же в основном на те, что имеют место в горизонтальной плоскости)
Изменения качества звучания или, иначе, тембральная окраска, вызванные:
• Акустическим сопряжением звука с системой стоячих волн (резонансами КдП или модами, напрямую связанными с отношением длин сторон помещения).
• Нахождением слушателей на различных осях прямого звука АС, получающих в результате различные начальные звуки.
• Акустической интерференцией (гребенчатой фильтрацией), имеющей место, когда прямой звук и один или несколько наиболее интенсивных раннеотраженных накладываются возле ушей слушателя.
• Частотно-зависимыми изменениями звукопоглощающей способности границ КдП и мебели, изменяющими спектры отраженных звуков и, следовательно, суммарное звуковое поле возле ушей слушателя.
• Интенсивными отражениями низкокачественных внеосевых звуков АС, которые искажают спектр суммарного звукового поля (собственно, вариация на предыдущую тему)
• Перцепционным «усилением» незадержанных резонансов при отражениях и реверберации (т.е. когда некоторые звуки лучше слышны в сложном звуковом поле)
• Перцепционное «подавление» задержанных звуков при отражениях и реверберации (т.е. когда некоторые звуки хуже слышны в сложном звуковом поле)
Короче говоря, физические характеристики АС и КдП могут изменять ВСЕ воспринимаемые качества звука, считающиеся фундаментальными для удовлетворительного воспроизведения звука.
Хотя значительные зоны перекрытия аспектов и существуют, как станет ясно в дальнейшем, для разъяснительных целей будет проще разделить все переменные КдП на 3 категории:
1. Размеры и пропорции
2. Положение АС и слушателя
3. Поглощение и отражение звука
У комнат есть акустические резонансы или, как еще говорят, моды. Соотношения, в которых находятся длина, ширина и высота комнаты, определяют распределение мод по частоте, т.е. иными словами задают местоположение пучностей и провалов в этом распределении. Размеры как таковые определяют частоты, на которых имеют место резонансы, т.е. то, будут ли отдельные, имеющие огромное значение для воспроизводимой музыки, частоты усиливаться или же подавляться. В идеально прямоугольных комнатах с идеально ровными и отражающими поверхностями (стенами, полом и потолком) эти резонансы легко могут быть вычислены по следующей, хорошо известной формуле:
|
где,
f – частота N-ной моды;
Nx, Ny, Nz – целые числа от 0 до, скажем, 4, выбираемые независимо;
Lx, Ly, Lz – размеры помещения в метрах (длина, ширина, высота) в метрах;
с – скорость звука в воздухе при комнатной температуре (~345 м/с)
|
Для вычисления всех мод необходимо перебрать все возможные комбинации из трех целых чисел Nx, Ny, Nz. На практике же достаточно вычислить только низкочастотные моды, т.е. ограничиться максимальным N=4.
Отдельные моды описываются различными комбинациями из целочисленныхNx, Ny, Nz. Например (1, 0, 0) описывает моду первого порядка вдоль стороны, принятой за «x». (0, 2, 0) описывает моду второго порядка вдоль стороны, принятой за «y», и так далее. В случае, когда два из трех целых чисел равны 0, формула значительно упрощается и позволяет чуть ли не в уме вычислять частоты стоячих волн, возникающих между заданной парой противостоящих стен вдоль одного из размеров комнаты.
f (1,0,0) = c/2/L
Эти моды называются осевыми или аксиальными и, как правило, являются самыми интенсивными из всех (а также самыми быстро вычисляемыми). Если у Вас нет более важных дел, возьмите и просчитайте аксиальные моды для каждой пары противолежащих поверхностей, т.е. по длине, ширине и высоте Вашей комнаты.
Тангенциальные моды возникают вследствие отражения звука от четырех поверхностей, и мечущегося по комнате параллельно двум оставшимся. Эти моды вычисляются путем приравнивания 0 только одного из целых чисел. Например (1, 1, 0) описывает моду первого порядка в плоскости «x-y». Эти стоячие волны порождаются 4-мя стенами и возникают параллельно потолку и полу.
Косые моды взаимодействуют со всеми сторонами помещения. В каждом «контуре» (сечении) комнаты происходит большое число отражений и, поскольку при каждом отражении энергия звука теряется, эти моды являются наименее интенсивными из всех. Вычисляются они путем всевозможных комбинаций трех целых чисел, ни одно из которых не равно 0.
Долгое время считалось, что равномерное распределение комнатных мод по частоте – вещь хорошая. Концентрации (скопления) мод могут служить причиной искусственного подчеркивания определенных частот, а провалы в модальном распределении могут делать отдельные частоты совершенно неслышимыми.
На протяжении многих лет выдвигались предложения самых различных соотношений сторон, обеспечивающих якобы превосходное модальное распределение. Все эти исследования далеко не всегда учитывали три проблемы, возникающие в реальных КдП, которые делали предсказания ненадежными.
• Первая. Расчеты предполагали, что комната идеально прямоугольная и построена из идеально ровных, идеально отражающих поверхностей. В реальной жизни все далеко не так просто, поскольку в большинстве комнат присутствуют неоднородности, большие поверхности, поглощающие звук (они вибрируют), мебелирование и т.д. Эти отклонения от теоретического идеала приводят к ошибкам в расчетах частот.
• Вторая. Не все моды одинаково важны. В общем случае аксиальные моды являются доминирующим фактором. Оценка комнат должна, поэтому, включать в себя взвешивание, при котором аксиальные, тангенциальные и косые моды рассматриваются именно таком порядке значимости.
• Третья. Расположение источников звука и слушателей в практической (реальной) обстановке не дает однородного акустического сопряжения с комнатными модами. В результате АС не поставляют энергию однородно всем существующим модам, а слушатели не сидят в местах, где они могли бы услышать эффекты даже от тех мод, что возбуждены.
Эти осложнения означают, что в практических ситуациях предсказательные схемы могут быть полезны, но вряд ли будут полностью удовлетворительны. Измерения «на месте» могут оказаться единственным способом определения, что же происходит на самом деле.
Рис. 1
Размещение АС на полу в самом углу комнаты обеспечит возбуждение всех мод низких порядков (в любой точке пересечения трех плоскостей комнаты – пол, стена, потолок – все моды имеют зону высокого давления). Размещение микрофона в противоположном углу (на полу или потолке) обеспечит детектирование всех этих мод. Очевидно, АС должна быть закрытого типа или с фазоинвертером (т.е. являться источником давления), а микрофон должен быть всенаправленным с хорошей чувствительностью на НЧ (т.е. являться детектором давления).
Рис. 2
Этот график зависимости давления от частоты полезен только для определения частот сильнейших мод в комнате. То, что данные, полученные с его помощью, будут отличаться от данных, полученных при помощи расчета – ситуация достаточно распространенная. Причиной тому служит «реальность» комнаты, отклоняющая ее параметры от «идеальных». Обратите внимание на значительное акустическое усиление, имеющее место на резонансных частотах.
Для понимания же, как поведет себя комната по отношению к реальной стерео- или многоканальной системе, это измерение бесполезно. Выдвижение АС из угла сразу же изменит характер возбуждения мод, а перенос микрофона в другое место сразу же «изменит» моды, на которые он реагирует.
Однако если комната в хорошем приближении прямоугольна, то вычисление модальных частот может оказаться очень даже полезным делом и помочь избежать очевидных проблем с размерами (пропорциями) строящихся помещений, а также выявить проблемные моды в уже готовых. На Рис. 3 показаны модальные распределения для одной комнаты, которую с большой вероятностью можно назвать проблематичной, и другой, более-менее благополучной. Обратите внимание, что в «плохой» комнате, реальных проблем всего две:
1. Распределение мод по частоте неоднородно
2. Одни и те же комбинации мод повторяются.
Вторая комната лучше в обоих отношениях.
Вот такие вот элементарные расчеты «на салфетке» просто необходимы перед началом «заселения» комнаты. Разумеется, если комната отчаянно непрямоугольная, просто так посчитать ничего не получится, а жизнь усложнится во сто крат.
Рис. 3 (верхний)
Аксиальные моды, вычисленные для прямоугольной комнаты. „Д“, „Ш“ и „В“ отвечают за моды по длине, ширине и высоте комнаты соответственно. Размеры комнаты состоят между собой в очень простых соотношениях и, как следствие, имеют место систематические повторения одних и тех же аксиальных мод и точно также систематических провалов. Такая комната вполне может оказаться проблематичной.
Рис. 3 (нижний)
Аксиальные моды, вычисленные для комнаты, размеры которой были несколько скорректированы, чтобы обеспечить более благоприятное распределение. За счет того, что эта комната несколько больше, аксиальные моды начинаются с более низких частот и расположены плотнее. За счет нецелого отношения сторон на самых низких частотах моды не совпадают совсем, а на более высоких частотах, они смешиваются в различных комбинациях.
Можно услышать мнения, что непрямоугольные комнаты имеют большие преимущества перед прямоугольными. При этом рассуждают так: если звуки будут отражаться в направлениях иных, чем прямо навстречу параллельной стене, создание стоячих волн вроде как будет подавляться, а диффузия возрастет. В действительности же скашивание поверхностей комнаты имеет, конечно, огромное влияние на модальную структуру, но сами моды не исчезают. Все сводится к тому, что степень вариаций в звуковом давлении по всей комнате остается примерно такой же, но вот частоты различных мод меняются самым бессистемным образом, а узловые линии репозиционируются совершенно неочевидным образом. В результате предсказания, обсуждавшиеся выше, становятся невозможны, так что для того, чтобы спрогнозировать происходящее на практике, приходится прибегать к конечно-элементному анализу или моделям. Одним словом, в ряде случаев это является серьезным недостатком, как мы увидим в части 2.2.
В других случаях, таких как, например, реверберационных камерах, предназначенных для проведения акустических измерений, преимущества перевешивают недостатки. Если модальное смешение, сгенерированное непараллельными поверхностями, оказывается желанным, то интересно отметить отсутствие необходимости в этом случае гнуть все поверхности. В большинстве случаев оказывается более чем достаточно скосить лишь одну из стен.
На НЧ только два фактора являются основополагающими в определении места положения АС и слушателя:
1. Взаимодействие с близлежащими границами комнаты и
2. Взаимодействие с комнатными модами
Хотя о первом факторе частенько вспоминают в дискуссиях о размещении АС, о месте слушателя почему-то частенько забывают. А ведь его местоположение столь же важно, как и положение АС.
Рис. 4
На этой диаграмме размеры букв, обозначающих моды, соотнесены с их важностью для слуха слушателя в реальной обстановке.
Хотя обсуждение данной темы и разбито на две части, надо заметить, что независимыми они никак не являются. Возможно, простейшим способом концептуально разделить две части является представление проблемы «близлежащей границы» как проблемы рассмотрения только лишь прямого звука и первых отражений от ближайших поверхностей комнаты. Комнатные моды появляются в результате множественных отражений, к которым относятся отражения и от этих поверхностей, и также все прочие.
Этот вопрос был тщательно изучен Элисоном, Уотерхаузом и Уотерхаузом и Куком. Определяющим фактором в работе АС в КдП на НЧ является именно взаимодействие с прилежащими границами комнаты. Работы Элисона наглядно, если не сказать, драматическим образом демонстрируют значимость этих эффектов, как, впрочем, и Рис. 5.
Рис. 5
Нижняя кривая относится к АС, находящейся буквально в чистом поле, где нет отражающих поверхностей. Таким чистым полем может являться безэховая камера высокого уровня или открытое пространство, удаленное от всяких крупных объектов, включая поверхность земли. В такой ситуации звук излучается в пространственный угол, отвечающий полной сфере, или, иначе, в 4p стерадиан. Если ввести в игру пол, этот угол уменьшится вдвое, а звуковое давление на НЧ увеличится примерно на 6дБ, поскольку звук, который должен был бы распространиться прочь от источника, теперь отразится от пола. Теперь введем в игру стену, которую мы расположим за АС. Это уменьшит пространственный угол еще в два раза, т.е. до p стерадиан. Из левой части рисунка видно, что звуковое давление на НЧ вырастет приблизительно на 12дБ. Если теперь поставить третью стену, т.е. запихнуть АС в угол, то пространственный угол, в который излучается звук, уменьшится еще в два раза и составит p/2 стерадиан, а звуковое давление увеличится на очередные 6дБ, что даст итоговый выигрыш в усилении на НЧ аж в 18 дБ. Что касается мощности усилителя и нагрузки наАС, это акустическое усиление абсолютно бесплатно! И умные люди этим пользуются. В комнатах с эластичными границами это усиление будет несколько меньше, но все равно оно будет значительным.
Нежелательным побочным эффектом является внесение некоторой неоднородности в верхний бас и нижнюю середину. Если кто-то использует отдельный сабвуфер, то он, скорее всего, с этой проблемой не столкнется. Однако для свободностоящихширокополосных (минимум 3) АС задача нахождения приемлемого компромисса между хорошей «глубиной сцены» и хорошим басом может превратиться в досаждающую и подчас нерешаемую. Другого решения кроме как экспериментировать с расположением АС просто не существует. По-видимому, это единственный наиболее убедительный довод в пользу применения сабвуферов.
Для уменьшения числа переменных некоторые производители АС интегрировали «пол» и/или «стену сзади» в дизайн АС. Это накладывает ограничения на выбор места установки АС в комнате, но зато снижает вероятность серьезного ухудшения качества звучания вследствие неудачного расположения.
В работе над этой задачей в качестве «мерного стаканчика» использовались преимущественно измерители уровня либо звуковой мощности, либо звукового давления. Конечно, пользоваться можно и теми, и другими, просто в разных ситуациях их полезность также разная. Хорошее объяснение для соотношения между звуковой мощностью и звуковым давлением (а также интенсивностью звука) дано в части 1.4.3 ссылки 13.
При оценке слышимости эффектов, определяемых этими величинами, наиболее правильно использовать SPL-метры (измерители уровня звукового давления), поскольку и слух реагирует на звуковое давление, и психоакустические связи выражаются в тех же понятиях.
Уменьшение пространственного угла, в который излучает АС, в два раза может привести к увеличению звукового давления в то же число раз, т.е. на 6 дБ, если мерить в одной и той же точке. Это полностью согласуется с тем, что звуковая мощность, излучаемая АС в уменьшенный вдвое пространственный угол, также увеличивается в два раза, т.е. на 3 дБ.
Рис. 6
Иллюстрация к «волновым эффектам» — тем явлениям, которые существуют благодаря тому, что звук распространяется как волна давления. На этом упрощенном наброске верхняя картинка показывает прямой и раннеотраженные звуки, достигающие ушей слушателя. Картинка внизу показывает стилизованные стоячие волны звукового давления между передней и задней стенами комнаты. Мода 1, 0, 0 имеет один минимум давления прямо по центру комнаты (в направлении длины), а мода 2, 0, 0 – два минимума.
В предшествующем рассказе о пространственных углах было показано, что при больших длинах волн (т.е. на НЧ) звуки, отраженные отблизлежащих границ, складываются с усилением потому, что они приходят к точке измерения/прослушивания по существу в синхронизме другс другом. На более высоких частотах так будет происходить не всегда и в результате найдутся частоты, на которых звуки складываются(усиливающая интерференция) и частоты, на которых звуки вычитаются (ослабляющая интерференция), в зависимости от пути следования.Конечно, для того чтобы это имело место, должны одновременно присутствовать как прямой, так и отраженный звуки. В таких ситуациях мыможем наблюдать при измерениях знаменитый эффект, из-за своей зубовидной формы повторяющихся гашений, возникающих в результатеослабляющей интерференции, известный как гребенчатая фильтрация.
Рис. 7
Последовательность двух переходных акустических событий, например, прямой и отраженный звуки, наблюдаемые с перспективы измерительной системы, предполагающей установившийся (стационарный) режим, и с перспективы слуха, который ощущает разницу и, в дополнение, имеет преимущество опережающего (по времени) наложения (маскирования) для ослабления явной громкости второго переходного процесса. На уровне ощущений события могут и не быть настолько драматическими для слуха, как можно было бы ожидать от довольно таки неприятной картины измерений. Для звуков, длящихся долго, «гребенка», разумеется, вполне реальна, так что и по ощущениям, и по приборам картина будет примерно одной и той же.
Стоячие волны, показанные на Рис. 6, демонстрируют распределение давления по длине комнаты на тех частотах, для которых длинакомнаты составляет в точности полуволну (мода (1, 0, 0)) и целую волну (мода (2, 0, 0)). Обратите внимание на то, что первый минимумвсегда отстоит от каждой стены (отражающей поверхности) на расстояние, равное четверти длины волны. Заметьте также, что мгновенноедавление по обе стороны от минимума давления (провала) имеет противоположную полярность. Это означает, что если с одной стороныдавление растет, с другой оно падает. Помните об этом, это Вам пригодится.
Комнаты в домах, как правило, прямоугольные. Однако в большинстве случаев на этом их сходство и заканчивается. Никаких стандартовна жилые помещения нет, а различия в точных размерах, формах, расположении дверей, арок, окон, крупногабаритной мебели и т.д.гарантируют нам, что в каждом отдельном случае у нас будут свои особые проблемы, с которыми нам придется бороться.
Проведение анализа «поведения» комнаты на НЧ, соответствующего действительности, зачастую оказывается вполне возможным, ноструктура стоячих волн на более высоких частотах обычно покрыта мраком. Попробуем приподнять завесу мрака простенькими примерами.
Рис. 8
Изображение КдП, показывающее распределение звукового давления и скорости частиц для моды первого порядка (1, 0, 0) по длине комнаты.
Заметьте, что давление достигает максимума возле отражающих поверхностей – в точке, где происходит смена направленияраспространения звуковой волны. А скорость частиц возле отражающих поверхностей имеет минимум, поскольку в этом месте молекулывоздуха буквально «лезут на стену». Показанная на рисунке АС представляет собой обычную закрытую систему или систему с фазоинвертером,т.е. источник давления. Такая система, будучи расположена в зоне высокого давления структуры стоячей волны, будет акустическисопрягаться с модой. На приведенном рисунке АС будет сопрягаться с модой практически с максимальной эффективностью. Уши слушателятакже расположены весьма удачно для того, чтобы эту моду слышать, однако они находятся в точке не самого высокого давления, что,видимо, достаточно хорошо с учетом акустического усиления, производимого резонансом. Если подвинуть слушателя в самый минимумдавления (в провал), то сопряжение будет минимальным, и слушатель этой частоты просто не услышит, несмотря на то, что АС работают какнадо, а энергии на частоте 16Гц в комнате более, чем достаточно.
Если интереса ради предположить, что АС – дипольного типа, то такие АС были бы источником скорости, а не давления и, какследствие, сопрягались бы с модой наиболее эффективно, если бы были расположены в максимуме скорости, т.е. по центру комнаты. Этоозначает, что всякая компоновка КдП, которая обеспечивает чудесное звучание для АС этого типа, скорее всего, окажется совершеннонепригодной для обычных АС – по крайней мере на НЧ.
Рис. 9
Изображение КдП, показывающее распределение звукового давления и скорости частиц для моды второго порядка (2, 0, 0) по длине комнаты.
На этой частоте слушатель сидит в минимуме давления и, следовательно, 32 Гц не услышит никогда. Очевидно, что если он ожидает услышать раскатистую ноту педального органа в начале «2001» (Рихард Штраусс: AlsoSprachZarathustra), его ждет жестокое разочарование.
К счастью, если чуть-чуть подумать, то становится ясно, что если передвинуть кресло немного вперед или назад, проблему можно решить. На самом деле лучше всего заранее вычислить первые 2-3 моды, изобразить рисунке соответствующие им распределения давления, и уж потом разместить кресло так, чтобы избежать «провалов».
Рис. 10
Изображение КдП, показывающее распределение звукового давления и скорости частиц для моды первого порядка (0, 1, 0) по ширине (поперек) комнаты.
На этом эскизе мы видим одновременно и проблему, и решение. Проблема заключается в том, что слушатель оказывается сидящим в провале на каждой модальной частоте нечетного порядка вдоль этой оси комнаты (т.е. 28 Гц, 84 Гц, 140 Гц и т.д.) Решение состоит в том, что два басовика АС расположены в различных половинках структуры стоячей волны.
Далее, обычно все сигналы на НЧ по сути есть моно-сигналы (т.е. в обоих каналах сигнал один и то же). Это абсолютно верно для виниловых пластинок, где неудачная попытка объединить бас привела бы к выбросу иголки из канавки вертикально вверх. Вообще, из-за проблем с моно-совместимостью это хорошая практика. В домашнем же театре имеется отдельный канал на сабвуфер, а потому никаких вариантов нет. В таком случае до тех пор, пока в каждой половинке имеется по басовику, эта конкретная мода возбуждаться не будет. Причина тому такова, что басовики работают в фазе, а половинки стоячей волны из-за их противоположной полярности «должны» раскачиваться в противофазе.
Рис. 11
Изображение КдП, показывающее распределение звукового давления и скорости частиц для моды второго порядка (0, 2, 0) по ширине (поперек) комнаты.
Не успели мы расслабиться, как тут же оказались в неприятном положении. На частоте моды второго порядка слушатель сидит зоне высокого давления, а оба басовика находятся в долях с одинаковой полярностью. Поэтому эта мода будет раскачиваться очень эффективно и, как следствие, будет хорошо слышна. В качестве решения можно предложить малость придвинуть басовики поближе друг к другу, в места провалов. Эта мера, разумеется, сузит стереобазу, что может оказаться неприемлемым. Это еще один пример, когда использование отдельного сабвуфера (-ов) было бы более выгодным – их можно разместить так, чтобы добиться наилучшего баса, а сателлитами обеспечить наилучшую «глубину сцены».
Рис. 12
Изображение КдП, показывающее распределение звукового давления и скорости частиц для моды первого порядка (0, 0, 1) по высоте комнаты.
В двухканальной стереосистеме есть «стерео-точка», «идеальное место», в которой стереоэффект достигает максимума. Многоканальные же системы могут услаждать слух одновременно нескольких слушателей, что надо понимать так, что по крайней мере на НЧ каждый будет слышать по-разному из-за разного характера спряжения частот с горизонтальными модами КдП. Однако «по вертикали» все оказываются равны. Если у Вас есть возможность выбора, то в качестве КдП лучше не выбирать комнаты с низкими потолками, которые «поместят» Ваши уши прямо на половине высоты.
Рис. 13
Иллюстрация к теме, как границы комнаты, которые имеют некоторую поглощающую способность, т.е. кривизну (прогиб), могут улучшить однородность распределения звука на модальных частотах. Это бывает особенно полезно при установке домашнего театра, где схожие слуховые ощущения необходимо обеспечить сразу нескольким слушателям.
Акустическое поглощение на границах комнаты отнимает НЧ-энергию у звукового поля. Как уже говорилось при обсуждении пространственных углов, эта потеря энергии на структуру комнаты и, как следствие, на соседние комнаты, снижает звуковую мощность, содержащуюся в КдП. Хотя кому-то это может показаться недостатком, заставляющим басовики работать с большей нагрузкой, на самом деле это весьма благоприятный акустический фактор. Такое поглощение снижает добротность комнатных мод, что приводит к понижению максимальных и повышению минимальных тонов, как показано на примере стилизованных кривых, приведенных на Рис. 13. В комнатах провалы неидеальны. Поглощение регулирует также реверберацию на НЧ, обеспечивая демпфирование комнатного «бубнения». Диафрагменное или мембранное поглощение на границах комнаты является одним из немногих практических механизмов акустического поглощения на самых-самых НЧ. Наиболее распространенные добавочные акустические приспособления, имеющиеся в продаже, оказываются в этом диапазоне, т.е. как раз там, где проблем с комнатными резонансами больше всего, просто бессильны.
Очевидно, что на количество баса, производимого АС, можно повлиять не только выбором места их установки, но также и выбором места слушателя в одной и той же КдП. Сильные тембральные вариации на тему являются также последствиями этих различий. КдП может даже доминировать в общем впечатлении. Поскольку основные физические механизмы могут, во многих случаях, восходить к комбинациям комнатных резонансов и взаимодействиям на стыке поверхностей, некоторый контроль над ними все же возможен.
Возможности выбора таковы:
• Изменить акустическое сопряжение АС с границами комнаты и/или комнатными модами, т.е. передвинуть АС.
• Изменить акустическое сопряжение места слушателя с границами комнаты и/или комнатными модами, т.е. передвинуть слушателя.
• Передвинуть и АС, и слушателя.
• Изменить сигнал на пути к АС, в самих АС, т.е. воспользоваться эквалайзером.
• Акустически изменить комнату, т.е. устранить пики и провалы.
• Каждый из этих вариантов имеет свои ограничения и отрицательные побочные эффекты – визуальные, акустические и экономические.
Нет ничего более реального, чем своя собственная жизнь, а потому приведу в пример серьезнейшую проблему, с которой мне пришлось как-то столкнуться.
Речь пойдет о большой жилой комнате, столовой, которая строилась с расчетом на то, что обеденную трапезу должна акустически дополнять в основном классическая музыка (для рок-музыки и домашнего театра была отведена другая комната). По объему комната была очень большой (около 220 кубометров), с высоким потолком, напоминающим соборный, и множеством неоднородных поверхностей для улучшения диффузии. АС были расположены в одном конце комнаты, а слушатели – на расстоянии примерно 7.5 метров от них, ближе к другому концу комнаты. На хороших симфонических записях эффект был ничуть не хуже, чем в концертном зале, когда сидишь дальше середины зала. Казалось, КдП становилась продолжением окружающей обстановки, создававшейся при записи, но при этом она была именно продолжением, а не конкурировала с ней из-за чрезмерной контрастности. На многодорожечных записях комната также обеспечивала приличное акустическое окружение. Слух радовался, но…
Рис. 14
Измерение сигнала, приходящего от АС, из положения слушателя в очень большой КдП.
Проблемой в большой комнате был избыточный низкий бас, которого было слишком много, чтобы относиться к нему положительно. Избыток в 14 дБ на 40Гц не имел абсолютно ничего общего сАС, которые, кстати, были очень хорошими. Субъективно, бас был какой-то не такой со всех точек зрения. Длительные ноты, исполняемые на педальном органе и бас-гитаре, были поистине подавляющими как только дело доходило до резонанса. Импульсивные звуки вроде барабанной бочки были размыты и также чрезмерно резонировали.
Рис. 15
Трехмерное изображение картины, изображенной на предыдущем рисунке. В этом «водопаде» разрешение по частоте ограничено до 25 Гц, т.е. каждая точка на кривой представляет собой усредненное значение в интервале 25 Гц. Разрешение по времени составляет 40 мс.
Кривая на Рис. 14 указывает на мощный резонанс в районе 40 Гц. Высота и ширина «вздутия» говорят о том, что это – резонанс со средней добротностью, а это в свою очередь означает, что слышен он должен быть прекрасно. Чтобы убедиться в этом, даже нет особой необходимости заглядывать во временную область. Однако раз такая возможность у нас есть, сделаем и это.
Рис. 15 демонстрирует впечатляющую «водопадную» диаграмму амплитуды в зависимости как от времени, так и от частоты. Такой характер она имеет только на НЧ (см. Рис. 14) и отражает то, чего и следует ожидать: резонансный пик в окрестности 40Гц и ниспадающий резонансный хвост на той же частоте. Все детали на рисунке не видны, поскольку в подобных диаграммах приходится в какой-то мере жертвовать разрешением. Например, измерения на Рис. 14, которые проводились в установившемся состоянии, показывают зависимость амплитуды от частоты с большой степенью точности. На Рис. 15 самый задний пик семейства кривых по идее должен был бы быть точно таким же, однако, из-за ограничения по разрешению он довольно сильно размыт. Точно также размыта и последовательность событий во времени. Тем не менее, суть дела от этого не меняется – если на АЧХ присутствует недвусмысленный резонансный пик, значит и во временной области «трезвона» не избежать. Это закон.
Нехитрые вычисления привели к выводу, что проблема заключается в чрезмерно активной моде второго порядка по длине комнаты. Из практических соображений перемещение АС в другое место не представлялось возможным, поэтому не оставалось ничего другого, как поиграть с местом для прослушивания. Изначально место для прослушивания отстояло примерно на полметра от задней стены. Перемещение его вперед постепенно уменьшало избыток баса, когда на расстоянии 2 м от задней стены он вдруг вообще перестал быть избыточным. Произошло это потому, что на таком расстоянии от стены уши слушателя оказываются вблизи четвертьволнового провала в структуре стоячей волны на частоте 40Гц. Пространственный угол, который «видят» уши слушателя, очевидно, также увеличился, а нижний бас соответственно ослабился.
Рис. 16
Схематическое изображение комнаты, показывающее распределение давления для моды второго порядка по длине комнаты (2, 0, 0) и новое положение слушателя.
Рис. 17
Сравнение измерений «до» и «после», демонстрирующее драматическое улучшение, которое произошло в результате выдвижения слушателя вперед из зоны высокого давления моды второго порядка по длине комнаты.
Рис. 18
Изображение «водопада» после перемещения места слушателя.
Из Рис. 17 ясно видно, что сразу же после начала измерения (t=0) – если двигаться в направлении передней части диаграммы – уровень звука в окрестности 40 Гц падает примерно на 12дБ. После этого «трезвон» продолжается также как и раньше, но на гораздо более низком уровне. Все это более чем логично, поскольку, подвинув слушателя вперед, с резонансом мы ничего не сделали, – он как был, так и остался – но зато мы уменьшили степень акустического сопряжения с ним.
Субъективно улучшение оказалось реально драматическим. Ноты педального органа по мере снижения частоты звучали изумительно ровно и мощно. Барабанные бочки звучали отчетливо и били в грудную клетку самым, опять же, драматическим образом. Будучи избавленными от «однонотного» влияния мощного 40-герцового резонанса, ноты струнного баса звучали отчетливо и гармонично.
Вроде как все хорошо… Однако мы живем в практическом мире, где ограничения, накладываемые образом жизни и интерьером, заявили, что креслу слушателя – не место посреди жилой комнаты. Если бы только можно было подвинуть АС, проблема была бы решена не менее эффективно. Однако по вышеуказанным причинам и этого делать было нельзя. Так, а что же можно в таком случае сделать? Последнее, что можно сделать, это призвать на помощь нашего верного друга параметрический эквалайзер, ввести нужную центральную частоту, ширину полосы (т.е. добротность), ослабление и, опля, проблема снова решена!
Рис. 19
Измерения в системе, где слушатель сидит на своем изначальном месте, но работает один фильтр параметрического эквалайзера, подавляющий нежелательный резонанс.
Хотя создается впечатление, что этот метод справился с резонансом не хуже перемещения слушателя, следует заметить, что ничего другого он не сделал. Перемещение слушателя для решения проблемы с одной модой изменило «взаимоотношения» слушателя с другими модами – сравните предыдущие кривые (Рис. 17) в области 80-200 Гц. Таким образом, эти два решения не будут «звучать» в точности одинаково, хотя именно в плане подавления 40-кагерцового комнатного резонанса они дадут весьма схожее улучшение. Давайте взглянем на диаграмму «водопада» и убедимся в этом.
Рис. 20
График «водопада» после параметрической эквализации.
Сравнение «подкорректированных» АЧХ на Рис. 17 и Рис. 19, а также «подкорректированных водопадов» на Рис. 18 и Рис. 20 обнаруживает больше сходства, чем различий. Видно, что оба метода хорошо справляются с надоедливой комнатной модой. Но… что со звуком-то? Что лучше – естественная акустика (перемещение) или электроника (эквализация)?
После длительного сравнительного прослушивания эффектов от перемещения слушателя и коррекции с помощью эквалайзера был сделан вывод, что и то, и другое работает, причем работает одинаково хорошо. В большинстве случаев отличить одно от другого было практически невозможно. Однако были случаи, когда предпочтения одного метода перед другим становились очевидны. И в этих случаях предпочтение отдавалось эквализации! Почему? Потому что с введением в тракт эквалайзера гармонические искажения басовика снижались. Ведь в этом случае нагрузка на него существенно снижалась, поскольку отдача усилителя на НЧ снижалась более чем в 10 раз. Хотя, вообще говоря, слушателей больше поражало сходство, чем различия. А это очень хорошо, потому что путей решения аналогичных проблем у нас теперь несколько.
Оба эти решения адресовали специфическую проблему, а изменения в диапазоне частот, который нас не интересовал, были либо благотворны, либо пренебрежимо малы. Можно было пойти и другим путем – например, заняться вопросом поглощения – и попробовать заглушить непокорную моду всякими акустическими поглотителями. Только проблема с поглощением заключается в том, что большинство разновидностей акустических поглотителей имеют склонность распространять свое действие на довольно широкую полосу частот. Поэтому в стремлении решить проблему для одной узкой полосы частот, эти устройства будут отнимать энергию также и на частотах, где никаких проблем нет и в помине. Одним словом, одно можно вылечить, а другое покалечить.
Говорить на эту тему без привлечения некоторых важных сведений обАС как таковых невозможно. Особенно это касается их направленности и самой природы системы, в особенности того, стерео ли это система или многоканальная, или и та и другая. Если Вы – действительно требовательный человек, то при решении задач, связанных с акустикой помещения, можно еще принять во внимание и музыкальные пристрастия того, для кого Вы эти задачи решаете – классику он слушает или поп-музыку.
К этой теме мы еще вернемся ниже, а сейчас важно уяснить ряд фундаментальных понятий из области материалов и устройств, используемых в нашем деле. Очень хорошей книжкой по основам предмета является «Справочник по акустике для профессионалов», 3-е издание, Олтона Эвереста.
Рис. 21
Отраженные звуки в комнате можно подразделить на три основных класса. Это разбиение основывается на количестве времени, которое им требуется для достижения ушей слушателя после одного-единственного отражения (ранние и поздние отражения), а также на пространственной и временной структуре прибытия после многочисленных отражений (реверберации). Дрожащее эхо представляет собой особый случай, когда звуки отражаются туда-сюда между двумя параллельными противолежащими поверхностями. В случае нестационарных звуков это приводит к «дрожанию» звука.
Резистивные поглотители отнимают у звука энергию за счет того, что они заставляют его производить работу по перемещению молекул воздуха туда-сюда либо «между» и «среди» тесно расположенных волокон ткани и стекловолокна, либо через отверстия в акустической пене с открытыми ячейками. Ткани, не продуваемые воздухом (например, качественная хлопковая простыня) – бесполезны, равно как и ткани, которые настолько прозрачны, что через них можно видеть (например, полиэстер двойной вязки, часто используемый в качестве сетчатой накидки). Жесткая пластина из стекловолокна является превосходным поглотителем до тех пор, пока ее поверхность не покрыта какой-нибудь росписью или покрытием из непригодной для акустических целей тканью. Так мы приходим к фундаментальному понятию «сопротивления давлению»: достижение максимального акустического поглощения осуществляется путем выбора оптимального сопротивления потоку воздуха.
Материал, оказывающий сопротивление, также должен быть правильно расположен. Поскольку механизмом является сопротивление давлению, эти материалы, очевидно, окажут наиболее эффективное воздействие, если их расположить в тех местах, где молекулярное движение максимально. Рисунки в разделе 2.2.2 изображают распределение звукового давления и скорости частиц для стоячих волн, возникающих в комнате. Предположим, мы хотим попытаться задемпфировать чрезмерно энергичную аксиальную моду путем использования резистивного поглотителя. Если воспользоваться примером, показанным на Рис. 8, куда следует поместить пятисантиметровую (по толщине, разумеется) стекловолоконную панель так, чтобы добиться наилучшего результата?
Приставление ее к стене не даст ровным счетом ничего, поскольку скорость частиц, т.е. движение молекул, там минимально. Нет движения – ничего и не происходит. Удаление панели от стены вносит некоторое улучшение, которое достигает максимума в центре комнаты, где происходит серьезное демпфирование. Изучение прочих НЧ-мод (т.е. мод нижних порядков) на этих рисунках приводит нас к похожим заключениям. Однако использование резистивных поглотителей на НЧ оказывается попросту непрактичным. По мере уменьшения длины волны области максимальной скорости частиц приближаются достаточно близко к отражающим поверхностям, так что и материалы практичной толщины, например, портьеры, повешенные на нормальном расстоянии от стены, окажутся вполне эффективны. Так мы приходим к правилу, которое гласит, что резистивные поглотители должны применяться для поглощения СЧ- и ВЧ-звуков.
Самыми распространенными мембранными поглотителями, с которыми мы сталкиваемся, являются стены, полы и потолки комнат. Доказательством того, что они являются поглотителями, является тот факт, что они вибрируют под воздействием баса – акустическая энергия превращается в механическую. К счастью, обычные гипсокартонные листы на 5-сантиметровых направляющих, являются весьма эффективным НЧ-поглотителем – заведите в отделанном гипсокартоном помещении какую-нибудь музыку погромче и потрогайте стены. По своим поглощающим свойствам окна с двойным остеклением (не обязательно вакуумные) весьма похожи на гипсокартон, а это уже неплохое начало! Самые плохие из всех возможных комнат – это те, что находятся в подвалах, с бетонными полами и стенами. В таких комнатах просто необходимо воздвижение фальшстен. Чтобы добиться явного улучшения нужно положить, скажем, двойной слой гипсокартона хотя бы на некоторые стены (не обязательно на все). По возможности хорошо бы проложить листы гипсокартона «акустическими листами» (скажем, той же пробкой) сантиметра 2-3 толщиной (все три слоя хорошо бы склеить, а не просто стянуть винтами).
Бетонные полы представляют собой проблему по двум причинам. Во-первых, они не поглощают звук. Во-вторых, раз они не поглощают звук, они не вибрируют, а передают тактильные ощущения от баса через подошвы ног. В таких случаях уместно построить фальшпол. Ах, да, кожаная мебель – тоже мембранный поглотитель и она тоже передает ощущения вибрации, возбуждающие слушателя. Нда…
Очевидно, возможно сконструировать поглотители для адресации проблем на специфических частотах на заказ. В ссылке [16] содержится расчетное пособие по диафрагменным поглотителям (стр. 172). Не забудьте расположить их в точках высокого давления моды, которую планируется задавить.
Под рассеянием понимается степень случайности в направлениях прихода звуков в заданную точку пространства. Рассеяние в звуковом поле, окружающем слушателя в концертном зале, является строго необходимым требованием. Определенный толк от рассеяния есть и в комнатах с домашним театром. В комнатах же с обычной стереосистемой толку он него мало. В концертном зале рассеяние помогает передать все звуки от всех инструментов, находящихся на сцене, всем слушателям в аудитории. Если бы рассеяние было полным, слушатели бы не знали, откуда приходят звуки, поэтому между прямыми, отраженными и рассеянными звуками должно быть определенное равновесие.
В системах объемного звука DolbyProLogic требует низкой корреляции между звуками, достигающими ушей от громкоговорителей тыловых каналов, для того, чтобы сгенерировать чувство неопределенной пространственности. В системах THX электроннаядекорреляция между сигналами, посылаемыми в правый и левый тыловые каналы, неплохо помогает, а если оные еще и двунаправленные противофазные «дипольные», то тогда совсем хорошо. Второй вариант является попыткой увеличить диффузию в звуковом поле. Акустически «мертвые» комнаты работают против этого стремления, а неоднородные отражающие поверхности и предметы в комнате – на него. К сожалению, фронтальным каналам действительно нужно «видеть» относительно «мертвую» комнату, что порождает дилемму, удовлетворительное решение которой пока не найдено. DolbyDigital/AC3 и многоканальная музыка DTS призывают к введению пяти идентичных каналов и АС, по-видимому, «призывая» таким образом к относительно мертвой комнате. С другой стороны, многоканальная музыка могла бы звучать гораздо лучше в умеренно живой комнате. Далее есть системы вроде Logic-7 (встречаются в продукции Lexicon, JBL Synthesis и HarmanKardon) и Citation’s 6 axis, которые нацелены прямо в самый корень проблемы – пяти каналов мало. Они добавляют каналы в задней части комнаты. Ну и так далее. А проблема пока так и остается нерешенной.
Обычные двухканальные стереосистемы представляют собой еще одну «конкретную» дилемму. Здесь АС варьируются от в высшей степени унинаправленные, проходя через мультинаправленные, и заканчивая всенаправленными. Каждая категория требует разного подхода к КдП и размещению. Предпочтениями слушателя пренебречь нельзя. Кому-то нравится иллюзия огромного пространства (относительно живая комната), кому-то – точнейшая «глубина сцены» (сравнительно мертвая комната).
Распространенным компромиссом является не принятие решения «поглощать или отражать», а выбор в пользу рассеяния звука с помощью любого из имеющихся неоднородных устройств. Рассеиватель – это тщательно продуманный отражатель в том смысле, что он отсылает всякий поступающий сигнал во многих различных направлениях. Это хорошая идея, а рассеиватели занимают важное место в ассортименте акустических инструментов. Просто помните о том, что они все равно остаются отражателями, а энергия звука попросту перенаправляется. Стерео – это такая система, в которой хрупкие призрачные образы составляют значительную часть иллюзии. Я бывал в комнатах, где тысячи долларов были потрачены на рассеиватели, которые всего-навсего разрушали стереообраз, который все остальные устройства в сигнальном пути так старались сохранить. Хорошего понемножку…
Простейшим тестом является воспроизведение монофонического розового шума при одном и том же уровне через левую и правую АС. Для слушателя на оси симметрии результатом должен быть компактный слуховой образ прямо посередине между АС. Перемещение головы слегка влево или вправо должно приводить к симметричному повышению «яркости» звучания по мере того, как меняется акустическая переходная интерференция, а стереоось должна фиксироваться с большой точностью.
Очевидно, разработка совершенной аудиосистемы должна включать в себя КдП и то, как она оформлена. АС является важнейшей частью этого «уравнения» и это как раз та самая часть, которую часто неправильно понимают. Во всех обсуждениях до настоящего момента мы фокусировались на НЧ-взаимодействии АС и слушателей. На СЧ и ВЧ комнаты и АС взаимодействуют по-разному, что нам и предстоит понять. Выбор правильных АС может существенно облегчить жизнь, когда речь заходит об их позиционировании и изменении интерьера комнаты.
Понимание некоторых ключевых фактов из жизни АС в целом помогает избежать многих ошибок.
Субъективная оценка сама по себе является целым предметом. К счастью, имеется огромное количество проведенных и опубликованных исследований, многие из которых проводил сам автор [17, 18, 19]. Позвольте мне начать с утверждения, что, если оценка звучания проводится в контролируемых условиях, т.е. когда
• тестируемая система аудитории НЕизвестна,
• уровни громкости точно выровнены,
• комната, обстановка и программный материал известны и не меняются на протяжении теста,
серьезные расхождения во мнениях среди людей имеют тенденцию исчезать! Оказывается, большинство людей в подавляющем большинстве случаев любят одни и те же звуки, ненавидят одни и те же звуки по, в основном, одним и тем же причинам.
Очевидно, что индивидуальные различия, конечно же, существуют. Самые серьезные из них заключаются в том, что слушатели со слуховыми отклонениями НЕ являются хорошими слушателями. Потеря слуха приводит к противоречивым и аберрантным мнениям. Практически к тому же приводит и ЧРЕЗМЕРНАЯ, аномальная острота, которой отличаются, например, многие музыканты. К счастью, по меньшей мере, 80% населения имеет нормальный слух. По крайней мере, нормальный в данном контексте. В остальном же основным дифференцирующим фактором является ОПЫТ. Люди, которые никогда не слушали критично, имеют проблемы со знанием того, что собственно слушать, и могут «принести с собой» целую кучу самых разнообразных мнений – так сказать, «багаж» слушания «систем», немногим лучших, чем посредственные телевизоры, бумбоксы или авторадио. С учетом этого просто поразительно, как мало практики нужно этим людям, в разумном контексте, для того чтобы они, наконец, начали высказывать мнения, имеющие какой-то смысл. Памятуя об этом, при проведении тестов на прослушивание исследователи стараются работать с «обученными» слушателями, которые из практики знают, что слушать и как оценивать и комментировать то, что они слышат [20]. Дегустаторы вина учатся распознавать вкусы и запахи, и полагаться при этом на СЛЕПОЕ тестирование для того, чтобы сформировать заслуживающее доверия мнение. Так почему же в аудио должно быть по-другому?
Важное подтверждение тому, почему поступать так – более чем здраво, проистекает из исследований, в которых мнения слушателей соотносились с физическими измерениями. И взаимосвязь эта имеет глубокий смысл!
Рис. 22
Типичный результат измерения АЧХ на оси АС, которые получили различную «оценку» качества звучания в научно контролируемых тестах на прослушивание.
Смысл результатов подобного рода потрясает. Во-первых, огромное число людей оказываются едины в том, что им нравится. Во-вторых, АС, которые нравятся людям – именно те, у которых осевая АЧХ наиболее близка к «идеальной», т.е. гладкая и плоская. Но и это еще не все. Наличия одной лишь хорошей осевой АЧХ недостаточно. Удивление это вызывать не должно, поскольку мы слушаем музыку не в безэховых камерах, а в реальных комнатах, у которых есть отражающие границы и мебель, которые в свою очередь перенаправляют внеосевой звук, излучаемый АС, обратно к слушателю, и порой после нескольких отражений. Поскольку в полном количестве энергии, достигающей ушей, преобладают эти самые отраженные и отражающиеся звуки, вполне закономерно пожелать, чтобы они были тембрально похожи на прямой (аксиальный) звук. Это значит, что АС должны также иметь гладкуювнеосевую АЧХ. Иными словами, АС должны отличаться постоянной направленностью.
Рис. 23
Стилизованные измерения осевой и внеосевой АЧХ двухполосной АС с 20-ти сантиметровым басовиком.
Из рис. 23 видно, что 20-ти сантиметровый басовик оказывается еще каким направленным задолго до того, как достигается переходная частота в 2-3кГц, после которой начинает работать 2.5-сантиметровая пищалка, которая, в свою очередь, становится направленной на ВЧ. Направленность АС не является постоянной, что означает лишь то, что даже если АС нацелена прямо на слушателя, «идеальная» работа на главной оси будет подпорчена тембрально окрашенными внеосевыми звуками, которые станут слышны после отражений в комнате. Такая конфигурация – изначально «кривая». Уровня хорошо рассчитанных систем с отдельнымсреднечастотником ей не достичь никогда.
Рис. 24
План комнаты, на котором АС «смотрят» строго вперед – картина, которую наиболее часто можно увидеть в домах. В этом случае «наилучшая» составляющая звука полностью проходит мимо слушателя и теряется в общем звуковом поле отражений комнаты. Если АС не отличаются постоянной направленностью, система даст окраску звучания, напрямую связанную с внеосевой «кривизной» АС.
Рис. 25
Два первых звука, достигающих слушателя от АС, описанных на Рис. 24. Зная это, мы можем заключить, что большая часть оставшихся отраженных звуков, которые дойдут позднее, будет еще хуже. Это пример АС, которые просто не могут звучать нейтрально в обычной комнате, и которые в зависимости от их расположения и акустики пространства для прослушивания будут каждый раз вносить различную тембральную отсебятину.
Рис. 26
Расчетная цель АС, которые могут ужиться с комнатой. Практические примеры, которые приближаются к «идеалу» невероятно близко.
Рис. 27
Дорогая 3-х полосная АС, не отвечающая расчетной цели. Заметно старание производителей добиться гладкой и практически плоской осевой АЧХ. Однако не менее заметно, что разработчики не думали (или почти не думали) о внеосевом поведении. Толстая кривая в верхней части рисунка представляет собой комнатную кривую, измеренную с места слушателя в типовой комнате. Совершенно очевидно, что доминирует в ней внеосевая «кривизна» АС. АС звучат умеренно окрашено.
В связи с Рис. 27 возникает вопрос: а нельзя ли как-то пригладить эту комнатную кривую эквалайзером и прийти к лучшему звучанию? Ответ: скорее всего, нет. Чтобы понять почему, нам нужно вернуться к Рис. 22, на котором приводятся осевые АЧХ, предпочитаемые слушателями – все они были определенно гладкими и плоскими. Если мы воспользуемся эквалайзером, АС из Рис. 27, мы разрушим ту единственную хорошую особенность, которая у нее есть – гладкую и более-менее плоскую осевую АЧХ. Исправить ситуацию, к несчастью для владельцев данных АС, можно только другими, лучшими АС.
Пример, приведенный на Рис. 27, говорит нам, что без некоторой основополагающей информации обАС, эквализация на СЧ и ВЧ – занятие в высшей степени рискованное. К несчастью, необходимая информация не является общедоступной. В действительности некоторые производители сами ее не имеют или не могут аккуратно ее измерить. Если происхождение АС не вызывает сомнений, то, вероятно, проще всего будет предположить, что производитель проделал всю работу добросовестно так, чтобы избежать необходимости какой-либо эквализации выше нескольких сотен Герц.
На самом деле, если производитель АС подошел к вопросу действительно компетентно, то нет ничего такого, что можно было бы измерить в КдП, что позволило бы добиться какого-либо улучшения на СЧ и ВЧ. Кому-то это может показаться огульным утверждением, особенно теперь, когда в распоряжении имеются умные управляемые временными импульсами системы измерения (вроде MLSSA или TEF). Для таких людей я приведу один маленький пример.
Рис. 28
Измерения проводились в очень большой комнате, в которой АС и микрофон были подвешены вблизи центра пространства, обеспечивая «безэховый» интервал в 17 мс до появления первого отражения. Принимая во внимание необходимость проводить измерения с расстояния, по меньшей мере, двух метров, можно смело утверждать, что наличие такого большого интервала в какой бы то ни было жилой комнате крайне маловероятно. Это временное окно транслируется в частотное разрешение порядка 60Гц, а это, в свою очередь, приводит к невозможности выявления измерительной системой наличия слышимых высокодобротных проблем на частотах ниже 3кГц. В эксперименте высокодобротный резонанс с промежутками присутствовал повсюду вплоть до нижней границы в 20Гц, но измерительная система оказалась не в состоянии увидеть их все. Многие же производители и большинство обозревателей аудиопродукции оперируют данными измерений, которые еще слабее, чем это. Вот, хотя бы, почему безэховые камеры еще не вышли из употребления.
Мы знаем, что на НЧ мы можем, а иногда и должны проводить эквализацию и, раз мы имеем дело с измерениями в установившемся состоянии, временное кадрирование не является необходимым. В действительности нам просто нужен протяженный по времени интервал измерений. Сказанное в разделе 2.2.4 ясно показывает, что эквализация может работать очень хорошо. Однако надо быть осмотрительным. Ослабление избыточных уровней – совершенно безопасно, но вот пытаться восполнить глубокие провалы лучше не надо. Узкий провал, скорее всего, вызван провалом в структуре стоячей волны или интерференции. Как таковой он акустически эквивалентен бездонной яме, которую заполнить нельзя. Узкие провалы сложно расслушать при любом музыкальном событии и все, что произойдет, когда Вы прибавите усиления, выразится в снижении динамического диапазона усилителя и ужесточении режима работы АС с нулевой выгодой. В результате возрастут лишь искажения.
Очевидно, измерения должны проводиться с использованием надлежащего оборудования. А это совсем не то же самое, что «классический», работающий в РРВ, третьоктавный анализатор с фиксированными частотами, пляшущими огоньками и перекрывающимися (т.е. дешевыми) фильтрами. Такие вещицы может быть и забавны, но в данном контексте измерительные приборы из них никудышные. На сегодняшний день существует несколько компьютерных альтернатив, таких как MLSSA, LMS, JBL SMAART или TEF, которые в состоянии выполнять куда как более серьезные задачи. Даже недорогие системы вполне адекватны.
В основе всего этого лежит необходимость быть в состоянии измерять то, что мы в состоянии слышать. Эксперименты показывают, что слушатели очень чувствительны к резонансам – как в самих АС, так и в комнатах [21]. Поэтому важно быть в состоянии идентифицировать наличие и значимость резонансов всех видов. Раз мы способны слышать высокодобротные (узкая полоса частот) резонансы, измерения должны проводиться с соответствующим разрешением – в противном случае их не будет видно. Можно однозначно сказать, что третьоктавного разрешения недостаточно.
Необходимо также убедиться в том, что возможно проводить пространственное усреднение, при котором можно провести измерения в ряде точек, скажем, в 4 или 5, в зоне прослушивания, а затем усреднить результаты. Этот полезный метод помогает идентифицировать резонансы и избежать заблуждений, связанных с эффектами акустической интерференции. Он также избавляет от кучи «травы», которая выползает в измерениях с высоким разрешением. Если есть желание сгладить кривую – пожалуйста, но осторожно и после того, как измерения проведены, а результаты усреднены – ни в коем случае не до того.
Обычные басовики, как правило, исполнены либо в закрытом корпусе, либо в корпусе с фазоинвертером (бас-рефлекс или сдвоенные полости) и на частотах ниже 100 Гц их вполне можно считать всенаправленными. Это значит, что их можно повернуть в любом направлении, а звук все равно будет доходить до слушателей также хорошо, но это не значит, что их местоположение слушатели не смогут локализовать. Ситуация, когда басовые частоты приходят из места, которое никак не ассоциируется с остальным звуком – ощущение не из приятных.
К счастью, этого нетрудно избежать. Проще всего расположить сабвуфер(ы) в той же самой плоскости что и фронтальные АС. Если же сабвуферы должны располагаться вдали от фронтальных АС, то будет просто необходимо добиться того, чтобы звуковая мощность на частотах выше 70-80Гц ослаблялась очень быстро. В противном случае наш острый слух будет «наводиться» на положение вуфера. Для этого потребуется электронный кроссовер с регулировкой крутизны (от 18 до 24 дБ на октаву).
Первое требование – обеспечение достаточного количества баса. Это определит количество и размер сабвуферов. Второе требование – обеспечение того, чтобы все главные слушатели слышали бас одинаково хорошо. Для этого достаточно включить повтор различных инструментовок баса и розового шума и походить по зоне прослушивания, прислушиваясь к местам «перегрева» и провалам в зоне действия. Раз работа системы так тесно связана с комнатной акустикой, такая ситуация требует значительного экспериментирования.
Всегда начинайте с того, что помещайте сабвуферы настолько близко в углы, насколько это возможно – это позволит использовать преимущества «дармового» усиления пространственных углов. Если баса слишком много и в распоряжении имеется эквалайзер, то для решения проблемы достаточно провести необходимые измерения и внести правильное ослабление. В результате будет меньше искажений и больше надежности. Если избыточный бас присутствует на одной или нескольких дискретных частотах, тогда не исключена возможность, что все дело в комнатных модах. Вот тут-то и начинается самое интересное…
Floyd E. Toole, Ph.D.
Vice President Engineering, Harman International Industries, Inc.
