Статті
Floyd E. Toole, Ph.D. Спільне життя АС та приміщеньСистеми стереофонічного та багатоканального "обступаючого" (або, як у нас часом кажуть, сурраундного [від англ. Surround]) звуку є процесами кодування/декодування, в яких АС і КДП є домінуючими факторами. Разом вони впливають на тембр, динамічний діапазон, і навіть ефекти спрямованості і просторовості – інакше кажучи, майже все, що має значення для вимогливого слухача. Звуки, що приходять до вух, є єдиною інформацією, з якою доводиться працювати слуховій системі. Якщо ці звуки за різних умов різні, то й відчуття будуть різні. Єдиним реальним рішенням є встановлення контролю за цими варіаціями і, зрештою, стандартизація найважливіших факторів. Проблема у тому, що ні АС, ні КДП промислового стандарту немає. У цій статті ми спробуємо отримати найкраще з цієї недосконалої системи шляхом виявлення найважливіших змінних у системі "АС-КДП" та обговорення методів їх вимірювань та контролю над ними. 1. ЦільЯк правило, всі ми прагнемо до створення певної подібності "реалістичності", що б під цим не розумілося. Зв'язок між якістю звуку, що відчувається в записі, і у концертному виступі хоч і тісна, але недосконала. У звичайній кімнаті міркування практичного характеру роблять створення реально вражаючого відчуття перебування у, скажімо, концертному залі, практично нереальним. Певна частина труднощів пов'язана з обмеженнями, які накладаються традиційними двоканальними стереосистемами. Всі переваги стереозвуку можуть чути лише ті слухачі, які знаходяться на осі симетрії АС, причому зі збільшенням відстані від останніх ефект має тенденцію зникати. Звичайні технології стереозапису є результатом спроб і помилок у прагненні витягтути максимум з системи, яка не в змозі відтворити всі враження спрямованості, які, можливо, були частиною оригінального концерту. Різноманітність спрямованостей звуків, що сягають слухачів, значно знижується в порівнянні з будь-яким живим виступом. У результаті суворий реалізм стає недосяжною метою, тому ми намагаємося хоча б наблизитися до нього настільки близько, наскільки це дозволяють нам обмеження, що накладаються нашою апаратурою. Однак для основної маси записаної музики реалізм як ціль - просто недоречне поняття. У популярній музиці, наприклад, оригінальне "виконання" відбувається у звукостудії під час остаточного зведення (мікшування). Оскільки студії звукозапису не стандартизовані, то зрозуміти, що дійсно було в оригіналі неможливо, якщо звичайно, Ви не були присутні при записі. У спробі привнести в процес відтворення відтінок "просторовості" АС робляться з різною спрямованістю - починаючи від звичайних з фронтальним випромінюванням, проходячи через біполі (двоспрямовані синфазні), диполі (двоспрямовані протифазні), що переважно відображають і закінчуються всеспрямованими. Такі АС забезпечують слухачів поєднаннями прямих і відбитих звуків, що сильно розрізняються, головна роль в яких відводиться КдП. Таким чином, стерео – це зовсім не система, а скоріш основа для індивідуального експериментування. Багатоканальні системи пропонують часткове рішення, що полягає в тому, що каналів просто більше і, як наслідок, більше напрямків, з яких здається, що приходять звуки. Якоюсь мірою таке рішення дає незалежність від кімнатної акустики, оскільки є більше "реальних", а не "відбитих" джерел звуку. І все ж таки мультидирекціональні АС, включаючи дипольні, спираються на відбиття, тому є приклади, в деталі яких слід уникнути кожному. Стандартизація кінопромисловістю нехай навіть невеликої кількості з безлічі найбільш очевидних змінних неймовірно допомогла досягти певної сталості у створенні багатоканальних саундтреків до фільмів. Отже, те, що ми чуємо у кіно – це те саме, що було чутно на етапі дубляжу, коли компонувався саундтрек. Хороша інженерна практика та програма Home THX намагаються продовжити цю лінію і в наші будинки. Цікаво подивитися, як розвиватиметься багатоканальна музика.. 1.1 Причина та наслідок у комбінаціях "АС-КДП"Точність відтворення звуку АС залежить переважно від величини лінійних (частотних та фазових) та нелінійних (гармонічних та інтермодуляційних) спотворень, а також від ступеня спрямованості у всьому частотному діапазоні. В умовах повної відсутності відбиттів, спрямованість АС ніякої ролі не гратиме, оскільки чути буде тільки звук, що випромінюється вздовж однієї єдиної осі – переважно, кращої. У реальних приміщеннях до слухача, зрештою, приходять майже всі звуки, випромінювані АС у всіх напрямках. Спрямованість АС, їх місцезнаходження та акустичні властивості КдП визначають спектр, амплітуду, спрямованість та тимчасову затримку всього того сонму звуків, які досягають вух слухача. Всі ці звуки зливаються та взаємодіють фізично на вході у вушну раковину, а на рівні сприйняття – у слухових системах та мізках слухачів. В результаті "під удар" може потрапити (і здебільшого потрапляє) майже кожен перцепційний аспект стереофонічного відтворення звуку. Зміни в просторовому поданні, що відчувається, або, інакше, формуванні звукового образу (так звана глибина сцени):
Зміни якості звучання або, інакше, тембральне забарвлення, спричинені:
Коротше кажучи, фізичні характеристики АС і КДП можуть змінювати ВСІ якості сприймаємого звуку, які вважаються фундаментальними для задовільного відтворення звуку. 2. Фізичні змінніХоча значні зони перекриття аспектів і існують, як стане зрозуміло надалі, для роз'яснювальних цілей буде простіше розділити всі змінні КДП на 3 категорії: 1. Розміри та пропорції 2.1 Розміри і пропорції КдПУ кімнат є акустичні резонанси або, як кажуть, моди. Співвідношення, у яких перебувають довжина, ширина і висота кімнати, визначають розподіл мод за частотою, тобто іншими словами задають місце розташування пучностей і провалів у цьому розподілі. Розміри як такові визначають частоти, на яких можуть бути резонанси, тобто чи будуть окремі, що мають велике значення для музики, що відтворюється, частоти посилюватися або ж пригнічуватися. В ідеально прямокутних кімнатах з ідеально рівними поверхнями (стінами, підлогою і стелею), що відбивають, ці резонанси легко можуть бути обчислені за наступною, добре відомою формулою:
Для обчислення всіх мод необхідно перебрати всі можливі комбінації із трьох цілих чисел Nx, Ny, Nz. Насправді досить вирахувати лише низькочастотні моди, тобто обмежитися максимальним N=4. Окремі моди описуються різними комбінаціями з цілих Nx, Ny, Nz. Наприклад (1, 0, 0) описує моду першого порядку вздовж сторони, прийнятої за "x"(0, 2, 0) описує моду другого порядку вздовж сторони, прийнятої за "y", тощо. У випадку, коли два з трьох цілих чисел дорівнюють 0, формула значно спрощується і дозволяє мало не в умі обчислювати частоти стоячих хвиль, що виникають між заданою парою стін, що протистоять, уздовж одного з розмірів кімнати. f (1,0,0) = c/2/L Ці моди називаються осьовими або аксіальними і, як правило, є найінтенсивнішими з усіх (а також найбільш обчислюваними). Якщо у Вас немає більш важливих справ, візьміть і прорахуйте аксіальні моди кожної пари протилежних поверхонь, тобто по довжині, ширині та висоті Вашої кімнати.
Тангенціальні моди виникають внаслідок відбиття звуку від чотирьох поверхонь, і що кидається по кімнаті паралельно двом, що залишилися. Ці моди обчислюються шляхом прирівнювання лише одного з цілих чисел. Наприклад (1, 1, 0) описує моду першого порядку у площині "x-y". Ці стоячі хвилі породжуються чотирма стінами і виникають паралельно стелі та підлозі. Косі моди взаємодіють із усіма сторонами приміщення. У кожному "контурі" (перетині) кімнати відбувається велика кількість відбиттів і, оскільки при кожному відображенні енергія звуку втрачається, ці моди є найменш інтенсивними з усіх. Обчислюються вони шляхом всіляких комбінацій трьох цілих чисел, жодне з яких не дорівнює 0. 2.1.1 "Ідеальна" кімнатаДовгий час вважалося, що рівномірний розподіл кімнатних мод за частотою – хороша річ. Концентрації (скупчення) мод можуть бути причиною штучного підкреслення певних частот, а провали в модальному розподілі можуть робити окремі частоти абсолютно нечутними. Протягом багатьох років висувалися пропозиції найрізноманітніших співвідношень сторін, що забезпечують нібито чудовий модальний розподіл. Всі ці дослідження далеко не завжди враховували три проблеми, що виникають у реальних КДП, які робили передбачення ненадійними.
Ці ускладнення означають, що у практичних ситуаціях передбачувальні схеми можуть бути корисними, але навряд чи будуть цілком задовільними. Вимірювання "на місці" можуть виявитися єдиним способом визначення, що відбувається насправді.
Для розуміння ж, як поведе кімната по відношенню до реальної стерео-або багатоканальної системи, це вимірювання марне. Висунення АС з кута відразу змінить характер порушення мод, а перенесення мікрофона в інше місце відразу "змінить" моди, на які він реагує. Однак якщо кімната в хорошому наближенні прямокутна, то обчислення модальних частот може виявитися дуже корисною справою і допомогти уникнути очевидних проблем з розмірами (пропорціями) приміщень, що будуються, а також виявити вже готові проблемні моди. Рис. 3 показані модальні розподіли для однієї кімнати, яку з великою ймовірністю можна назвати проблематичною, та іншою, більш-менш благополучною. Зверніть увагу, що в "поганій" кімнаті реальних проблем всього дві:
Друга кімната краще в обох стосунках. Ось такі елементарні розрахунки "на серветці" просто необхідні перед початком "заселення" кімнати. Зрозуміло, якщо кімната відчайдушно непрямокутна, просто так порахувати нічого не вийде, а життя ускладниться в сто разів.
Можна почути думки, що непрямокутні кімнати мають великі переваги перед прямокутними. При цьому міркують так: якщо звуки будуть відображатися в інших напрямках, ніж прямо назустріч паралельній стіні, створення стоячих хвиль начебто буде пригнічуватися, а дифузія зросте. Насправді скошування поверхонь кімнати має, звичайно, величезний вплив на модальну структуру, але самі моди не зникають. Все зводиться до того, що ступінь варіацій у звуковому тиску по всій кімнаті залишається приблизно такою ж, але частоти різних мод змінюються самим безсистемним чином, а вузлові лінії репозиціонуються зовсім неочевидним чином. В результаті передбачення, що обговорювалися вище, стають неможливими, так що для того, щоб спрогнозувати те, що відбувається на практиці, доводиться вдаватися до кінцево-елементного аналізу або моделей. Одним словом, часом це є серйозним недоліком, як ми побачимо в частині 2.2. В інших випадках, таких як, наприклад, ревербераційних камерах, призначених для проведення акустичних вимірювань, переваги переважують недоліки. Якщо модальне змішання, згенероване непаралельними поверхнями, виявляється бажаним, то цікаво відзначити відсутність необхідності в цьому випадку гнути всі поверхні. Найчастіше виявляється більш ніж достатньо скосити лише одну зі стін. 2.2 Положення АС і глядачаНа НЧ лише два фактори є основними у визначенні місця розташування АС та слухача:
Хоча про перший фактор часто згадують у дискусіях про розміщення АС, про місце слухача чомусь часто забувають. Адже його розташування так само важливо, як і положення АС.
Хоча обговорення цієї теми і розбито на дві частини, слід зазначити, що незалежними вони не є. Можливо, найпростішим способом концептуально розділити дві частини є уявлення проблеми "близької межі" як проблеми розгляду тільки прямого звуку і перших відбиттів від найближчих поверхонь кімнати. Кімнатні моди з'являються в результаті множинних відбиттів, до яких відносяться відбиття і від цих поверхонь, а також інші. 2.2.1 Взаємодія з прилеглими межами кімнатиЦе питання було ретельно вивчено Елісоном, Уотерхаузом та Уотерхаузом та Куком. Визначальним фактором у роботі АС у КДП на НЧ є саме взаємодія з прилеглими межами кімнати. Роботи Елісона наочно, якщо не сказати, драматично демонструють значущість цих ефектів, як, втім, і Рис. 5.
Небажаним побічним ефектом є внесення деякої неоднорідності у верхній бас та нижню середину. Якщо хтось використовує окремий сабвуфер, він, швидше за все, з цією проблемою не зіткнеться. Однак для вільностоящих повносмугових (мінімум 3) АС задача знаходження прийнятного компромісу між гарною "глибиною сцени" і хорошим басом може перетворитися на докучаючу і часом нерозв'язну. Іншого рішення крім експериментувати з розташуванням АС просто не існує. Очевидно, це єдиний найбільш переконливий аргумент на користь застосування сабвуферів. Для зменшення кількості змінних деякі виробники АС інтегрували "підлогу" та/або "стіну ззаду" в дизайн АС. Це накладає обмеження на вибір місця установки АС у кімнаті, зате знижує ймовірність серйозного погіршення якості звучання внаслідок невдалого розташування. У роботі над цим завданням як "мірний стаканчик" використовувалися переважно вимірювачі рівня або звукової потужності, або звукового тиску. Звичайно, користуватися можна і тими, й іншими, просто в різних ситуаціях їхня корисність також різна. Хороше пояснення співвідношення між звуковою потужністю і звуковим тиском (а також інтенсивністю звуку) дано в частині 1.4.3 посилання 13. При оцінці чутності ефектів, що визначаються цими величинами, найбільш правильно використовувати SPL-метри (вимірники рівня звукового тиску), оскільки і слух реагує на звуковий тиск, і психоакустичні зв'язки виражаються у тих самих поняттях. Зменшення просторового кута, куди випромінює АС, удвічі може призвести до збільшення звукового тиску у те саме число раз, тобто на 6 дБ, якщо міряти в одній точці. Це цілком узгоджується з тим, що звукова потужність, випромінювана АС у зменшений удвічі просторовий кут, також збільшується вдвічі, тобто на 3 дБ.
У попередньому тексті про просторові кути було показано, що з більними довжинами (тобто на НЧ) звуки, відбиті від довколишніх кордонів, складаються з посиленням оскільки вони дійдуть до точки виміру/прослуховування, по суті, у синхронізмі один з одним. На більш високих частотах так буде відбуватися не завжди і в результаті знайдуться частоти, на яких звуки складаються (підсилювальна інтерференція) і частоти, на яких віднімаються звуки (послаблююча інтерференція), залежно від шляху прямування. Звичайно, для того щоб це мало місце, повинні одночасно бути присутніми як прямий, так і відбитий звуки. У таких ситуаціях ми можемо спостерігати, при вимірюваннях знаменитий ефект, через свою зубоподібну форму гашень, що повторюються, що виникають в результаті послаблюючої інтерференції, відомий як гребінчаста фільтрація.
Стоячі хвилі, показані на Рис. 6 демонструють розподіл тиску по довжині кімнати на тих частотах, для яких довжина кімнати становить напівхвилю (мода (1, 0, 0)) і цілу хвилю (мода (2, 0, 0)). Зверніть увагу на те, що перший мінімум завжди віддалений від кожної стіни (відбиває поверхні) на відстань, що дорівнює чверті довжини хвилі. Зауважте також, що миттєвий тиск з обох боків від мінімуму тиску (провалу) має протилежну полярність. Це означає, що якщо з одного боку тиск зростає, з іншого він падає. Пам'ятайте про це, це стане Вам у нагоді. 2.2.2 Взаємодія з кімнатними модамиКімнати у будинках, як правило, прямокутні. Однак у більшості випадків на цьому їх схожість закінчується. Жодних стандартів на житлові приміщення немає, а відмінності в точних розмірах, формах, розташуванні дверей, арок, вікон, великогабаритних меблів і т.д. гарантують нам, що в кожному окремому випадку ми матимемо свої особливі проблеми, з якими нам доведеться боротися. Проведення аналізу "поведінки" кімнати на НЧ, що відповідає дійсності, часто виявляється цілком можливим, але структура стоячих хвиль на більш високих частотах зазвичай покрита мороком. Спробуємо підняти завісу мороку простими прикладами.
Зауважте, що тиск досягає максимуму біля поверхонь, що відбивають – у точці, де відбувається зміна напрямку поширення звукової хвилі. А швидкість частинок біля поверхонь, що відбивають, має мінімум, оскільки в цьому місці молекули повітря буквально "лізуть на стіну". Показана рисунку АС є звичайною закритою системою чи системою з фазоінвертером, тобто джерелом тиску. Така система, будучи розташована в зоні високого тиску структури стоячої хвилі, акустично поєднуватиметься з модою. На наведеному рисунку АС поєднуватиметься з модою практично з максимальною ефективністю. Вуха слухача також розташовані дуже вдало для того, щоб цю моду чути, проте вони знаходяться в точці не найвищого тиску, що, мабуть, досить добре з урахуванням акустичного підсилення резонансу. Якщо посунути слухача в мінімум тиску (у провал), то поєднання буде мінімальним, і слухач цієї частоти просто не почує, незважаючи на те, що АС працюють як треба, а енергії на частоті 16Гц в кімнаті більш ніж достатньо. Якщо заради інтересу припустити, що АС - дипольного типу, то такі АС були б джерелом швидкості, а не тиску і, як наслідок, поєднувалися б з модою найбільш ефективно, якби були розташовані в максимумі швидкості, тобто у центрі кімнати. Це означає, що будь-яке компонування КдП, яке забезпечує чудове звучання для АС цього типу, швидше за все, виявиться абсолютно непридатним для звичайних АС – принаймні на НЧ.
На цій частоті слухач сидить у мінімумі тиску і, отже, 32 Гц ніколи не почує. Очевидно, що якщо він очікує почути розкотисту ноту педального органу на початку "2001" (Ріхард Штраус: Also Sprach Zarathustra) на нього чекає жорстоке розчарування. На щастя, якщо трохи подумати, стає ясно, що якщо пересунути крісло трохи вперед або назад, проблему можна вирішити. Насправді найкраще заздалегідь обчислити перші 2-3 моди, зобразити на рисунку відповідні розподілу тиску, і вже потім розмістити крісло так, щоб уникнути "провалів".
На цьому ескізі бачимо одночасно і проблему, і рішення. Проблема полягає в тому, що слухач виявляється сидячим у провалі на кожній модальній частоті непарного порядку вздовж цієї осі кімнати (тобто 28 Гц, 84 Гц, 140 Гц тощо). Рішення полягає в тому, що два басовики АС розташовані у різних половинках структури стоячої хвилі. Далі, зазвичай всі сигнали на НЧ насправді є моно-сигналами (тобто в обох каналах сигнал той самий). Це абсолютно вірно для вінілових платівок, де невдала спроба поєднати бас призвела б до викиду голки з канавки вертикально вгору. Взагалі, через проблеми з моно-сумісністю це хороша практика. У домашньому ж театрі є окремий канал на сабвуфер, тому ніяких варіантів немає. У такому разі, доки в кожній половинці є по басовику, ця конкретна мода не порушуватиметься. Причина тому така, що басовики працюють у фазі, а половинки стоячої хвилі через їхню протилежну полярність "мають" розгойдуватися в протифазі.
Не встигли ми розслабитися, як відразу опинилися в неприємному становищі. На частоті моди другого порядку слухач сидить у зоні високого тиску, а обидва басовики перебувають у частках з однаковою полярністю. Тому ця мода розгойдуватиметься дуже ефективно і, як наслідок, буде добре чутна. Як рішення можна запропонувати трохи присунути басовики ближче один до одного, в місця провалів. Цей захід, зрозуміло, звузить стереобазу, що може бути неприйнятним. Це ще один приклад, коли використання окремого сабвуфера (-ів) було б вигіднішим – їх можна розмістити так, щоб досягти найкращого баса, а сателітами забезпечити найкращу "глибину сцени".
У двоканальній стереосистемі є "стерео-точка", "ідеальне місце", в якій стереоефект досягає максимуму. Багатоканальні ж системи можуть насолоджувати слух одночасно кількох слухачів, що треба розуміти так, що принаймні на НЧ кожен чутиме по-різному через різний характер відмінювання частот з горизонтальними модами КдП. Однак "по вертикалі" всі виявляються рівними. Якщо у Вас є можливість вибору, то як КДП краще не вибирати кімнати з низькими стелями, які помістять Ваші вуха прямо на половині висоти.
Акустичне поглинання на межі кімнати забирає НЧ-енергію у звукового поля. Як говорилося раніше під час обговорення просторових кутів, ця втрата енергії на структуру кімнати як наслідок, на сусідні кімнати, знижує звукову потужність, що у КДП. Хоча комусь це може здатися недоліком, який змушує басовиків працювати з більшим навантаженням, насправді це дуже сприятливий акустичний фактор. Таке поглинання знижує добротність кімнатних мод, що призводить до зниження максимальних та підвищення мінімальних тонів, як показано на прикладі стилізованих кривих, наведених на Рис. 13. У кімнатах провали неідеальні. Поглинання регулює також реверберацію на НЧ, забезпечуючи демпфування кімнатного бубніння. Діафрагмове або мембранне поглинання на межах кімнати є одним з небагатьох практичних механізмів акустичного поглинання на НЧ. Найпоширеніші додаткові акустичні пристрої, що у продажу, виявляються цьому діапазоні, тобто саме там, де проблем із кімнатними резонансами найбільше, просто безсилі. 2.2.3 Що робити?Очевидно, що на кількість басу, виробленого АС, можна вплинути як вибором місця їх установки, так і вибором місця слухача однієї й тієї КДП. Сильні тембральні варіації на тему також є наслідками цих відмінностей. КДП може навіть домінувати у загальному враженні. Оскільки основні фізичні механізми можуть, у багатьох випадках, сягати комбінацій кімнатних резонансів та взаємодій на стику поверхонь, деякий контроль над ними все ж таки можливий. Можливості вибору наступні:
Кожен із цих варіантів має свої обмеження та негативні побічні ефекти – візуальні, акустичні та економічні. 2.2.4 Реальний приклад із життяНемає нічого реальнішого, ніж своє власне життя, а тому наведу в приклад серйозну проблему, з якою мені довелося якось зіткнутися. Мова йтиме про велику житлову кімнату, їдальню, яка будувалася з розрахунком на те, що обідню трапезу має акустично доповнювати в основному класична музика (для рок-музики та домашнього театру була відведена інша кімната). За обсягом кімната була дуже великою (близько 220 кубометрів), з високою стелею, що нагадує соборну, і безліччю неоднорідних поверхонь для покращення дифузії. АС були розташовані в одному кінці кімнати, а слухачі – на відстані приблизно 7.5 метрів від них, ближче до іншого кінця кімнати. На хороших симфонічних записах ефект був не гірший, ніж у концертному залі, коли сидиш далі середини зали. Здавалося, КдП ставала продовженням навколишнього оточення, створюваного під час запису, та заодно вона була саме продовженням, а чи не конкурувала із нею через надмірної контрастності. На багатодоріжкових записах кімната також забезпечувала пристойне акустичне оточення. Вухо тішилось, але...
Проблемою у великій кімнаті був надмірний низький бас, якого було надто багато, щоб ставитись до нього позитивно. Надлишок у 14 дБ на 40Гц у відсутності абсолютно нічого спільного з АС, які, до речі, були дуже хорошими. Суб'єктивно, бас був якийсь не такий з усіх поглядів. Тривалі ноти, що виконуються на педальному органі та бас-гітарі, були воістину пригнічуючими як тільки справа доходила до резонансу. Імпульсивні звуки на зразок барабанної бочки були розмиті і надмірно резонували.
Крива Рис. 14 вказує на потужний резонанс у районі 40 Гц. Висота і ширина "здуття" говорять про те, що це – резонанс із середньою добротністю, а це в свою чергу означає, що чутись він має прекрасно. Щоб переконатися в цьому, навіть немає особливої потреби заглядати у тимчасову область. Однак якщо така можливість у нас є, зробимо і це. Рис. 15 демонструє вражаючу "водоспадну" діаграму амплітуди в залежності від часу, так і від частоти. Такий характер вона має тільки на НЧ (див. рис. 14) і відображає те, чого слід очікувати: резонансний пік на межі 40Гц і спадаючий резонансний хвіст на тій же частоті. Всі деталі на рисунку не видно, оскільки в подібних діаграмах доводиться певною мірою жертвувати роздільною здатністю. Наприклад, вимірювання на Рис. 14, які проводилися в стані, що показують залежність амплітуди від частоти з великим ступенем точності. Рис. 15 самий задній пік сімейства кривих за ідеєю мав би бути точно таким же, проте, через обмеження роздільної здатності він досить сильно розмитий. Так само розмита і послідовність подій у часі. Тим не менш, суть справи від цього не змінюється - якщо на АЧХ присутній недвозначний резонансний пік, значить і у тимчасовій області "трезвону" не уникнути. Це закон. Нехитрі обчислення привели до висновку, що проблема полягає в надмірно активній моді другого порядку за довжиною кімнати. З практичних міркувань переміщення АС в інше місце було неможливо, тому не залишалося нічого іншого, як пограти з місцем для прослуховування. Спочатку місце для прослуховування відстояло приблизно півметра від задньої стіни. Переміщення його вперед поступово зменшувало надлишок басу, коли на відстані 2 м від задньої стіни він раптом взагалі перестав бути надлишковим. Сталося це тому, що на такій відстані від стіни вуха слухача опиняються поблизу чвертьхвильового провалу в структурі хвилі, що знаходиться на частоті 40Гц. Просторовий кут, який "бачать" вуха слухача, вочевидь також збільшився, а нижній бас відповідно послабився.
З Рис.17 ясно видно, що відразу після початку вимірювання (t=0) – якщо рухатися у напрямку передньої частини діаграми – рівень звуку в околиці 40 Гц падає приблизно на 12дБ. Після цього "трезвон" продовжується так само як і раніше, але на набагато нижчому рівні. Все це більш ніж логічно, оскільки, посунувши слухача вперед, з резонансом ми нічого не зробили, він як був, так і залишився, але ми зменшили ступінь акустичного сполучення з ним. Суб'єктивно покращення виявилося реально драматичним. Ноти педального органу зі зниженням частоти звучали дивовижно рівно і потужно. Барабанні бочки звучали чітко і били в грудну клітку, знову ж таки, драматичним чином. Будучи позбавленими "однонотного" впливу потужного 40-кагерцового резонансу, ноти струнного басу звучали чітко і гармонійно. Начебто все добре... Однак ми живемо в практичному світі, де обмеження, що накладаються способом життя та інтер'єром, заявили, що крісло слухача – не місце серед житлової кімнати. Якби тільки можна було посунути АС, проблему вирішили б не менш ефективно. Проте з вищевказаних причин цього робити було не можна. Так, а що ж можна зробити в такому разі? Останнє, що можна зробити, це закликати на допомогу нашого вірного друга параметричний еквалайзер, ввести потрібну центральну частоту, ширину смуги (тобто добротність), ослаблення і, опля, проблема вирішена знову!
Хоча складається враження, що цей метод впорався з резонансом не гірше за переміщення слухача, слід зауважити, що нічого іншого він не зробив. Переміщення слухача для вирішення проблеми з однією модою змінило "взаємини" слухача з іншими модами – порівняйте попередні криві (Рис. 17) в області 80-200 Гц. Таким чином, ці два рішення не будуть "звучати" точно однаково, хоча саме в плані придушення 40-кагерцового кімнатного резонансу вони дадуть дуже схоже поліпшення. Погляньмо на діаграму "водоспаду" і переконаємося в цьому.
Порівняння "підкоригованих" АЧХ на Рис. 17 та Рис. 19, а також "підкоригованих водоспадів" на Рис. 18 та Рис. 20 виявляє більше подібності, ніж відмінностей. Видно, що обидва методи добре справляються з набридливою кімнатною модою. Але... що зі звуком? Що краще – природна акустика (переміщення) чи електроніка (еквалізація)? Після тривалого порівняльного прослуховування ефектів від переміщення слухача та корекції за допомогою еквалайзера було зроблено висновок, що те й інше працює, причому працює однаково добре. Найчастіше відрізнити одне одного було практично неможливо. Однак були випадки, коли переваги одного методу перед іншим ставали очевидними. І в цих випадках перевага надавалася еквалізації! Чому? Тому що із введенням у тракт еквалайзера гармонійні спотворення басовика знижувалися. Адже в цьому випадку навантаження на нього суттєво знижувалося, оскільки віддача підсилювача на НЧ знижувалася більш ніж у 10 разів. Хоча, взагалі кажучи, слухачів більше вражала схожість, ніж відмінності. А це дуже добре, бо шляхів вирішення аналогічних проблем у нас тепер є кілька. Обидва ці рішення адресували специфічну проблему, а зміни в діапазоні частот, який нас не цікавив, були або благотворні, або дуже малі. Можна було піти й іншим шляхом – наприклад, зайнятися питанням поглинання – і спробувати заглушити непокірну моду будь-якими акустичними поглиначами. Тільки проблема з поглинанням полягає в тому, що більшість різновидів акустичних поглиначів мають схильність поширювати свою дію на широку смугу частот. Тому в прагненні вирішити проблему для однієї вузької смуги частот, ці пристрої будуть забирати енергію також і на частотах, де жодних проблем немає і близько. Одним словом, одне можна вилікувати, а інше покалічити. 2.3 Поглинання та відбиття звукуГоворити на цю тему без залучення деяких важливих відомостей про АС як таких неможливо. Особливо це стосується їхньої спрямованості і самої природи системи, особливо того, чи це стерео система або багатоканальна, або й та й інша. Якщо Ви - справді вимоглива людина, то при вирішенні завдань, пов'язаних з акустикою приміщення, можна ще взяти до уваги і музичні уподобання того, для кого Ви ці завдання вирішуєте - він слухає класику або поп-музику. До цієї теми ми ще повернемося нижче, а зараз важливо усвідомити низку фундаментальних понять з галузі матеріалів та пристроїв, які використовуються у нашій справі. Дуже гарною книжкою з основ предмету є "Довідник з акустики для професіоналів", 3-тє видання, Олтона Евересту.
2.3.1 Резистивне поглинанняРезистивні поглиначі забирають у звуку енергію за рахунок того, що вони змушують його виконувати роботу з переміщення молекул повітря туди-сюди або "між" і "серед" тісно розташованих волокон тканини і скловолокна, або через отвори в акустичній піні з відкритими осередками. Тканини, що не продуваються повітрям (наприклад, якісне бавовняне простирадло) – марні, так само як і тканини, які настільки прозорі, що через них можна бачити (наприклад, поліестер подвійної в'язки, що часто використовується як сітчаста накидка). Жорстка пластина зі скловолокна є чудовим поглиначем до тих пір, поки її поверхня не покрита якимось розписом або покриттям з непридатною для акустичних цілей тканиною. Так ми приходимо до фундаментального поняття "опір тиску": досягнення максимального акустичного поглинання здійснюється шляхом вибору оптимального опору потоку повітря. Матеріал, що чинить опір, також має бути правильно розташованим. Оскільки механізмом є опір тиску, ці матеріали, очевидно, вплинуть на найбільш ефективний вплив, якщо їх розташувати в тих місцях, де молекулярний рух максимальний. Рисунки у розділі 2.2.2 зображають розподіл звукового тиску та швидкості частинок для стоячих хвиль, що виникають у кімнаті. Припустимо, ми хочемо спробувати задемпфійувати надмірно енергійну аксіальну моду за допомогою резистивного поглинача. Якщо скористатися прикладом, наведеним на Рис. 8, куди слід помістити п'ятисантиметрову (за товщиною, зрозуміло) скловолоконну панель так, щоб досягти найкращого результату? Приставлення її до стіни не дасть зовсім нічого, оскільки швидкість частинок, тобто рух молекул там мінімальний. Немає руху – нічого не відбувається. Віддалення панелі від стіни вносить деяке покращення, що досягає максимуму в центрі кімнати, де відбувається серйозне демпфійування. Вивчення інших НЧ-мод (тобто мод нижніх порядків) на цих рисунках призводить нас до схожих висновків. Проте використання резистивних поглиначів на НЧ виявляється просто непрактичним. По мірі зменшення довжини хвилі області максимальної швидкості частинок наближаються досить близько до поверхонь, що відбивають, так що і матеріали практичної товщини, наприклад, портьєри, повішені на нормальній відстані від стіни, виявляться цілком ефективними. Так ми приходимо до правила, яке свідчить, що резистивні поглиначі повинні застосовуватися для поглинання СЧ- та ВЧ-звуків. 2.3.2 Діафрагмове або мембранне поглинанняНайпоширенішими мембранними поглиначами, з якими ми стикаємося, є стіни, підлоги та стелі кімнат. Доказом того, що вони є поглиначами, є той факт, що вони вібрують під впливом басу – акустична енергія перетворюється на механічну. На щастя, звичайні гіпсокартонні листи на 5-сантиметрових направляючих є дуже ефективним НЧ-поглиначем - заведіть в обробленому гіпсокартонному приміщенні якусь музику гучніше і торкніться стіни. За своїми поглинаючими властивостями, вікна з подвійним склінням (не обов'язково вакуумні) дуже схожі на гіпсокартон, а це вже непоганий початок! Найгірші з усіх можливих кімнат – це ті, що знаходяться у підвалах, з бетонними підлогами та стінами. У таких кімнатах просто необхідне зведення фальшстін. Щоб досягти явного поліпшення, потрібно покласти, скажімо, подвійний шар гіпсокартону хоча б на деякі стіни (не обов'язково на всі). По можливості добре б прокласти листи гіпсокартону "акустичними листами" (скажімо, тією ж пробкою) сантиметра 2-3 товщиною (всі три шари добре б склеїти, а не просто стягнути гвинтами). Бетонні підлоги є проблемою з двох причин. По-перше, вони не поглинають звук. По-друге, якщо вони не поглинають звук, вони не вібрують, а передають тактильні відчуття від басу через підошви ніг. У таких випадках доречно збудувати фальшпідлогу. О, так, шкіряні меблі - теж мембранний поглинач і вони теж передають відчуття вібрації, що збуджують слухача. Нда... Очевидно, можна сформулювати поглиначі для адресації проблем на специфічних частотах на замовлення. У посиланні [16] міститься розрахункова допомога з діафрагмових поглиначів (стор. 172). Не забудьте розташувати їх у точках високого тиску моди, яку планується задавити. 2.3.3 Розсіювачі, розсіювання та розсіяністьПід розсіюваннямрозуміється ступінь випадковості у напрямах приходу звуків в задану точку простору. Розсіювання в звуковому полі, що оточує слухача в концертному залі, є суворо необхідною вимогою. Певний сенс від розсіювання є і в кімнатах з домашнім театром. У кімнатах із звичайною стереосистемою толку він його мало. У концертному залі розсіювання допомагає передати всі звуки від усіх інструментів, що знаходяться на сцені, усім слухачам в аудиторії. Якби розсіювання було повним, слухачі не знали, звідки приходять звуки, тому між прямими, відбитими і розсіяними звуками має бути певна рівновага. У системах сурраундного звуку Dolby ProLogic вимагається низька кореляція між звуками, що досягають вух від спікерів сурраундних каналів, щоб згенерувати почуття невизначеної просторовості. У системах THX електронна декореляція між сигналами, що посилаються в правий і лівий сурраунд-спікери, непогано допомагає, а якщо вони ще й двонаправлені протифазні "дипольні", тоді зовсім добре. Другий варіант є спробою збільшити дифузію у звуковому полі. Акустично "мертві" кімнати працюють проти цього прагнення, а неоднорідні поверхні, що відбивають, і предмети в кімнаті – за. На жаль, фронтальним каналам дійсно потрібно "бачити" відносно "мертву" кімнату, що породжує дилему, задовільне рішення якої поки що не знайдено. Dolby Digital/AC3 та багатоканальна музика DTS закликають до введення п'яти ідентичних каналів та АС, мабуть "закликаючи" таким чином до відносно мертвої кімнати. З іншого боку, багатоканальна музика могла б звучати набагато краще у помірно живій кімнаті. Далі є системи на кшталт Logic-7 (зустрічаються в продукції Lexicon, JBL Synthesis та Harman Kardon) і Citation's 6 axis, які націлені прямо на корінь проблеми – п'яти каналів мало. Вони додають канали у задній частині кімнати. Ну і таке інше. А проблема поки що так і залишається невирішеною. Звичайні двоканальні стереосистеми є ще однією "конкретною" дилему. Тут АС варіюються від унідирекціональних, проходячи через мультидирекціональні, і закінчуючи всеспрямованими. Кожна категорія вимагає різного підходу до КДП та розміщення. Уподобаннями слухача знехтувати не можна. Комусь подобається ілюзія величезного простору (щодо живої кімнати), комусь – найточніша "глибина сцени" (порівняно з "мертвою" кімната). Поширеним компромісом є не прийняття рішення "поглинати чи відбивати", а вибір на користь розсіяння звуку за допомогою будь-якого з наявних неоднорідних пристроїв. Розсіювач – це ретельно продуманий відбивач у тому сенсі, що він відсилає будь-який сигнал, що надходить у багатьох різних напрямках. Це хороша ідея, а розсіювачі займають важливе місце у асортименті акустичних інструментів. Просто пам'ятайте, що вони все одно залишаються відбивачами, а енергія звуку просто перенаправляється. Стерео – це така система, в якій тендітні примарні образи становлять значну частину ілюзії. Я бував у кімнатах, де тисячі доларів були витрачені на розсіювачі, які лише руйнували стереообраз, який всі інші пристрої в сигнальному шляху так намагалися зберегти. Хорошого мало... Найпростішим тестом є відтворення монофонічного рожевого шуму при одному рівні через ліву і праву АС. Для слухача на осі симетрії результатом має бути компактний слуховий образ прямо посередині між АС. Переміщення голови злегка вліво або вправо має призводити до симетричного підвищення "яскравості" звучання у міру того, як змінюється акустична перехідна інтерференція, а стереовісь має фіксуватися з великою точністю. 3. АСОчевидно, розробка досконалої аудіосистеми повинна включати КДП і те, як вона оформлена. АС є найважливішою частиною цього "рівняння" і це якраз та сама частина, яку часто неправильно розуміють. У всіх обговореннях досі ми фокусувалися на НЧ-взаємодії АС та слухачів. На СЧ та ВЧ кімнати та АС взаємодіють по-різному, що нам і належить зрозуміти. Вибір правильних АС може істотно полегшити життя, коли мова заходить про їхнє позиціювання та зміну інтер'єру кімнати. Розуміння деяких ключових фактів із життя АС загалом допомагає уникнути багатьох помилок. 3.1 Що добре? АС/Відображення/ЕквалізаціяСуб'єктивна оцінка як така є цілим предметом. На щастя, є безліч проведених і опублікованих досліджень, багато з яких проводив сам автор [17, 18, 19]. Дозвольте мені розпочати з твердження, що, якщо оцінка звучання проводиться у контрольованих умовах, тобто коли
серйозні розбіжності у думках серед людей мають тенденцію зникати! Виявляється, більшість людей у переважній більшості випадків люблять одні й самі звуки, ненавидять одні й самі звуки з, переважно, одних і тих самих причин. Вочевидь, що індивідуальні відмінності, звісно ж, існують. Найсерйозніші з них полягають у тому, що слухачі зі слуховими відхиленнями НЕ є добрими слухачами. Втрата слуху призводить до суперечливих та аберантних думок. Практично до того ж наводить і надмірна, аномальна гострота, якою відрізняються, наприклад, багато музикантів. На щастя щонайменше 80% населення має нормальний слух. Принаймні нормальний у даному контексті. В іншому ж основним диференціюючим фактором є ДОСВІД. Люди, які ніколи не слухали критично, мають проблеми зі знанням того, що власне слухати, і можуть "принести з собою" цілу купу найрізноманітніших думок - так би мовити, "багаж" слухання "систем", трохи кращих за посередні телевізори, бумбокси або авторадіо. З огляду на це просто вражаюче, як мало практики потрібно цим людям, у розумному контексті, щоб вони, нарешті, почали висловлювати думки, які мають якийсь сенс. Пам'ятаючи про це, при проведенні тестів на прослуховування дослідники намагаються працювати з "навченими" слухачами, які з практики знають, що слухати і як оцінювати та коментувати те, що вони чують [20]. Дегустатори вина вчаться розпізнавати смаки і запахи, і покладатися при цьому на СЛІПЕ тестування для того, щоб сформувати думку, що заслуговує на довіру. То чому ж в аудіо має бути інакше? Важливе підтвердження тому, чому робити так – більш ніж здорово, випливає з досліджень, у яких думки слухачів співвідносилися з фізичними вимірами. І взаємозв'язок цей має глибокий сенс!
Сенс результатів такого роду вражає. По-перше, велика кількість людей виявляються єдині в тому, що їм подобається. По-друге, АС, які подобаються людям - саме ті, у яких осьова АЧХ найбільш близька до "ідеальної", тобто гладка та плоска. Але це ще не все. Наявності лише хорошої осьової АЧХ недостатньо. Здивування це викликати не повинно, оскільки ми слухаємо музику не в безехових камерах, а в реальних кімнатах, у яких є межі і меблі, що відбивають звук, які в свою чергу перенаправляють позаосьовий звук, випромінюваний АС, назад до слухача, і часом після декількох відбиттыв. Оскільки в повній кількості енергії, що досягає вух, переважають ці відбиті і відбиваючы звуки, цілком закономірно побажати, щоб вони були тембрально схожі на прямий (аксіальний) звук. Це означає, що АС повинні мати гладку позаосьову АЧХ. Іншими словами, АС повинні відрізнятися постійною спрямованістю.
З Рис. 23 видно, що 20-ти сантиметровий басовик виявляється ще яким спрямованим задовго до того, як досягається перехідна частота в 2-3кГц, після якої починає працювати 2.5-сантиметрова пищалка, яка, у свою чергу, стає спрямованою на ВЧ. Спрямованість АС не є постійною, що означає лише те, що навіть якщо АС націлена прямо на слухача, "ідеальна" робота на головній осі буде зіпсована тембрально пофарбованими осьовими звуками, які стануть чутні після відбиття у кімнаті. Така конфігурація - спочатку "крива". Рівня добре розрахованоъ системи з окремим середньочастотником їй не досягти ніколи.
У зв'язку з Рис. 27 постає питання: а чи не можна якось пригладити цю кімнатну криву еквалайзером і дійти кращого звучання? Відповідь: швидше за все, ні. Щоб зрозуміти чому, нам треба повернутись до Рис. 22, на якому наводяться осьові АЧХ, яким віддають перевагу слухачі - всі вони були безумовно гладкими і плоскими. Якщо ми відеквалізуємо АС із Рис. 27, ми зруйнуємо ту єдину хорошу особливість, яка у неї є – гладку та більш-менш плоску осьову АЧХ. Виправити ситуацію, на жаль для власників даних АС, можна лише іншими, найкращими АС. 3.2 Деякі зауваження до вимірювань та еквалізаціїПриклад наведений на Рис. 27, каже нам, що без деякої основної інформації про АС, еквалізація на СЧ та ВЧ – заняття надзвичайно ризиковане. На жаль, необхідна інформація не є загальнодоступною. Насправді, деякі виробники самі її не мають або не можуть акуратно її виміряти. Якщо походження АС не викликає сумнівів, то, ймовірно, найпростіше припустити, що виробник проробив всю роботу сумлінно так, щоб уникнути необхідності будь-якої еквалізації вище кількох сотень Герц. Насправді, якщо виробник АС підійшов до питання дійсно компетентно, то немає нічого такого, що можна було б виміряти в КДП, що дозволило б досягти будь-якого покращення на СЧ та ВЧ. Комусь це може здатися загальним твердженням, особливо тепер, коли в розпорядженні є розумні керовані тимчасовими імпульсами системи вимірювання (на зразок MLSSA або TEF). Для таких людей я наведу один маленький приклад.
Ми знаємо, що на НЧ ми можемо, а іноді й повинні проводити еквалізацію і, якщо ми маємо справу з вимірами в сталові стані, тимчасове кадрування не є необхідним. Насправді нам просто потрібний протяжний за часом інтервал вимірів. Сказане у розділі 2.2.4 ясно показує, що еквалізація може працювати дуже добре. Проте треба бути обережним. Ослаблення надлишкових рівнів - абсолютно безпечно, але намагатися заповнити глибокі провали краще не треба. Вузький провал, швидше за все, викликаний провалом у структурі хвилі або інтерференції. Як такий він акустично еквівалентний бездонній ямі, яку заповнити не можна. Вузькі провали складно розслухати за будь-якої музичної події і все, що станеться, коли Ви додаєте посилення, виявиться у зниженні динамічного діапазону підсилювача та посиленні режиму роботи АС з нульовою вигодою. В результаті зростуть лише спотворення. Очевидно, вимірювання повинні проводитись з використанням належного обладнання. А це зовсім не те ж саме, що "класичний", що працює в РРВ, третьоктавний аналізатор з фіксованими частотами, танцюючими вогниками і фільтрами, що перекриваються (тобто дешевими). Такі дрібниці можуть бути і забавні, але в даному контексті вимірювальні прилади з них нікчемні. На сьогоднішній день існує кілька комп'ютерних альтернатив, таких як MLSSA, LMS, JBL SMAART або TEF, які можуть виконувати куди як серйозніші завдання. Навіть недорогі системи цілком адекватні. В основі всього цього лежить необхідність бути в змозі вимірювати те, що ми можемо чути. Експерименти показують, що слухачі дуже чутливі до резонансів – як і самих АС, і у кімнатах [21]. Тому важливо мати можливість ідентифікувати наявність і значущість резонансів всіх видів. Якщо ми здатні чути високодобротні (вузька смуга частот) резонанси, вимірювання повинні проводитися з відповідним дозволом – інакше їх не буде видно. Можна однозначно сказати, що третьоктавної роздільної здатності недостатньо. Необхідно також переконатися в тому, що можна проводити просторове усереднення, при якому можна провести вимірювання в ряді точок, скажімо, в 4 або 5, в зоні прослуховування, а потім усереднити результати. Цей корисний метод допомагає ідентифікувати резонанси та уникнути помилок, пов'язаних із ефектами акустичної інтерференції. Він також позбавляє купи "трави", яка виповзає у вимірюваннях з високою роздільною здатністю. Якщо є бажання згладити криву – будь ласка, але обережно і після того, як вимірювання проведені, а результати усереднені – у жодному разі не до того. 3.3 Сабвуфери та кросовериЗвичайні басовики, як правило, виконані або в закритому корпусі, або в корпусі з фазоінвертером (бас-рифлекс або здвоєні порожнини) і на частотах нижче 100 Гц їх можна вважати всеспрямованими. Це означає, що їх можна повернути в будь-якому напрямку, а звук все одно буде доходити до слухачів також добре, але це не означає, що їхнє розташування слухачі не зможуть локалізувати. Ситуація, коли басові частоти приходять із місця, яке ніяк не асоціюється з рештою звуку – відчуття не з приємних. На щастя, цього легко уникнути. Найпростіше розташувати сабвуфер(и) в тій же площині що і фронтальні АС. Якщо ж сабвуфери повинні розташовуватися далеко від фронтальних АС, то буде необхідно домогтися того, щоб звукова потужність на частотах вище 70-80Гц послаблювалася дуже швидко. Інакше наш гострий слух "наводитиметься" на положення вуфера. Для цього буде потрібно електронний кросовер з регулюванням крутизни(від 18 до 24 дБ на октаву). Перша вимога – забезпечення достатньої кількості басу. Це визначить кількість та розмір сабвуферів. Друга вимога – забезпечення того, щоб усі головні слухачі чули бас однаково добре. Для цього достатньо включити повтор різних інструментів басу та рожевого шуму і походити по зоні прослуховування, прислухаючись до місць "перегріву" та провалів у зоні дії. Оскільки робота системи так тісно пов'язана з кімнатною акустикою, така ситуація потребує значного експериментування. Завжди починайте з того, що поміщайте сабвуфери настільки близько в кути, наскільки це можливо – це дозволить використовувати переваги "дармового" посилення просторових кутів. Якщо басів занадто багато і є еквалайзер, то для вирішення проблеми достатньо провести необхідні вимірювання і внести правильне послаблення. В результаті буде менше спотворень та більше надійності. Якщо надлишковий бас присутній на одній або кількох дискретних частотах, тоді не виключена можливість, що справа в кімнатних модах. Ось тут і починається найцікавіше... Floyd E. Toole, Ph.D. Vice President Engineering, Harman International Industries, Inc.
|
Спільне життя АС та приміщень Таємниця акустики яєчних лотків Акустика студій та контрольних кімнат Акустика студій. Студії звукозапису Акустичні дифузори Шредера: погляд зсередини Розташування гучномовців у кімнаті прослуховування та кімнатні моди Корекція акустики музичної кімнати Акустика спортивних залів і споруд Акустичний комфорт по-офісному Естетика архітектурної акустики Проектування акустики конференц-залів Акустика конференц-залів у сучасних готелях |