19 января 2018 года


Loudspeakers and Rooms – Working Together: Часть 1.


24.11.2006 Статья о взаимодействии акустических систем и помешения, в котором они установлены. Англоязычный оригинал выложен на сайте harmanaudio.com.
Версия для печатиВерсия для печати

Вступление

   Стереофонические и многоканальные аудиосистемы преобразуют сигнал в звуковые волны. В процессе этого преобразования влияние на звук оказывает не только аппаратура, и помещение. Акустические системы и комната, взаимодействуя, влияют на тембральный баланс и динамический диапазон всей записи и отдельных инструментов, направленность звучания и пространственные эффекты – то есть, практически на все существенные для слушателя аспекты звучания. В результате, в разных обстоятельствах (в разных помещениях и / или на разной аудиоаппаратуре) одна и та же музыка будет звучать по-разному.

   Единственным способом избежать этого является коррекция влияния аппаратуры и помещений, и их стандартизация. Однако подобных стандартов ни для громкоговорителей, ни тем более для помещений прослушивания не существует. В этой статье мы попытаемся разобраться, как добиться оптимального звука в реальных условиях. Для этого мы постараемся выделить все главные, влияющие на звук факторы и разобраться, как их можно измерять и контролировать.

1. Цели (и задачи)

   Обычно мы хотим реалистичного звучания. Однако отношения хорошей концертной записью и живым звучанием на концерте близки, но сходство не идеально. При воспроизведении этой записи указанные нами факторы, то есть влияние воспроизводящей аппаратуры и помещения, еще больше усложняют нам жизнь, мешая получить звук, как в концертном зале.

   Часть ограничений вносит направленность традиционных стереофонических АС. Только те слушатели, которые располагаются на оси симметрии громкоговорителей, получат нормальную стереокартину. Чем больше слушатель отклоняется от оси, тем хуже воспроизводятся пространственные эффекты; эффект ослабляется и с увеличением расстояния. Притом сама стереофоническая запись не совершенна. Она сделана таким образом, чтобы добиться наилучшей звуковой картины на системе, которая не может точно воссоздать звучание музыки в концертном зале. Дискретность и расположение звуков в пространстве получается гораздо худшим, чем в живом исполнении.

   Действительно реалистичного звука добиться не получится, мы можем лишь попробовать максимально приблизиться к желанной цели настолько, насколько нам это позволят сделать наши аппаратные средства. Для большей части записей, однако, реализм – неадекватная цель. Например, во многих поп-музыкальных записях итоговое «звучание композиции» формируется звукорежиссером при сведении отдельных партий. Как должна звучать такая фонограмма, вы никогда не узнаете, если только вам не посчастливилось присутствовать в студии при сведении записи - ведь студии тоже не стандартизованы.

   Чтобы придать больше пространственного «аромата» фонограмме, производители выпускают акустические системы с разной направленностью. Среди них – направленные вперед; двунаправленные, излучающие в фазе и противофазе (биполярные и диполярные); всенаправленные системы (излучающие во все стороны); системы, ориентированные преимущественно на отраженный звук. Все эти разнотипные АС отправляют к слушателю прямые и отраженные волны в разных сочетаниях, а помещение прослушивания оказывает на эти комбинации огромное влияние. Поэтому стереосистема выступает не в качестве единственного источника звука, но скорее в качестве его основы. И основы для экспериментов.

   Многоканальные системы с большим количеством сателлитов обеспечивают большее количество направлений, из которых может исходить звук. Источники звука получаются более достоверными, а формируемая многоканальными АС звуковая картина меньше зависит от помещения. Однако разнонаправленные громкоговорители, в частности диполярные, работают с отраженным звуком, поэтому при инсталляции таких систем нужно внимательно относится к особенностям помещений.

   Стандартизация по крайней мере некоторых основных переменных в киноиндустрии помогла добиться некоторой идентичности воспроизводимого на аппаратуре звука записанному. То, что пользователь слышит при просмотре фильма в кинотеатре с многоканальной акустической системой, во многом сходно с изначально записанным материалом. Хороший инженерный опыт и введение стандарта THX Home должны помочь добиться такого же эффекта и в домашних кинотеатрах.

   Будет интересно проследить за развитием многоканальной музыки.

1.1 АС и комната: причины и следствия

   Точность воспроизведения звука громкоговорителем зависит от линейных (амплитудно-частотных и фазочастотных) и нелинейных (гармонических и интермодуляционных) искажений во всем частотном диапазоне. В среде, не производящей отражений, направленность АС была бы не так уж важна – слушатель мог бы просто получать оптимальный звук, расположившись на оси громкоговорителей. В реальных помещениях звуки, излучаемые громкоговорителями в других направлениях, тоже достигают ушей человека.

   Направленность излучения громкоговорителей, их расстановка и акустические свойства комнаты прослушивания определяют тембр, амплитуду (громкость), направленность и временнЫе параметры звуков, достигающих ушей слушателя. Все звуковые волны комбинируются и взаимодействуют физически в органах слуха и перцептуально, в слуховой зоне мозга и сознании слушателя. Таким образом, на каждый аспект восприятия стереофонического воспроизведения можно повлиять виртуально.

   На стереокартину влияют:

   а) Отраженные звуковые волны (особенно в горизонтальной плоскости) влияют на размер источников звука
   б) Отражения влияют на местоположения виртуального источника звука в горизонтальной плоскости и его положение в глубине звуковой сцены (ближе-дальше от слушателя)
   в) Отражения влияют на восприятие пространства и окружения (опять же преимущественно те, которые появляются в горизонтальной плоскости)

   На качество звука влияют:

   д) Взаимодействие звуковых волн, излучаемых громкоговорителем, и системы стоячих волн помещения
   е) Расположение слушателя относительно разных осей излучения громкоговорителей (в разных точках звуковое полу будет разным)
   ж) Интерференция звуковых волн, возникающая, когда вышедшая из громкоговорителя звуковая волна и ранние отражения достигают ушей слушателя
   з) Частотно-зависимое поглощение звуковых волн стенами, их покрытиями и предметами обстановки комнаты (мебелью и другими)
   и) сильные отражения звуков, излучаемых громкоговорителем не на оси, разрушающие общий спектр звукового поля
   к) перцептуальное (субъективно воспринимаемое) «усиление» не задержанных (non-delayed) резонансов за счет комнатных отражений и реверберации (некоторые звуки становятся более заметными в общем звуковом поле)
   л) перцептуальное «сглаживание» (выравниванием, ослаблением, anttenuation) задержанных (delayed) резонансов за счет комнатных отражений и реверберации (некоторые звуки становятся менее заметны в общем звуковом поле)

   В общем, характеристики громкоговорителей и свойства помещения оказывают влияние на все аспекты звучания, важные для восприятия.

2. Физические переменные

   Хотя в реальности все факторы взаимосвязаны, для простоты разделим влияющие на звук параметры помещения на три категории:

   1) Размеры и пропорции помещения
   2) Расположение громкоговорителя и слушателя
   3) Поглощение и отражение звука

2.1 Размеры и пропорции помещения

   В помещениях возникают акустические резонансы, или моды. Пропорции комнаты, отношение между ее длиной, шириной и высотой, определяют расположение комнатных мод в частотном спектре, а также плотность их распределения. Сами размеры определяют конкретные частоты резонансов, на которых отдельные составляющие музыкального сигнала будут усилены. В совершенно прямоугольной комнате с абсолютно плоскими и идеально отражающими звук стенами, эти резонансы легко вычислить, используя формулу:

   Где:
   f – частота энной моды
   n – целые числа с независимо выбранными значениями, скажем, от 1 до 3
   L – размеры комнаты – длина, ширина, высота
   c – скорость звука (345 м/с) при комнатной температуре воздуха

   Чтобы вычислить все комнатные моды, нужно перебрать все целые числа для n(x), n(y) и n(z); на практике же нам достаточно найти только низкочастотные моды, то есть до N=4 будет достаточно.

   Название мод определяется значением n. Например, мода (1,0,0) называется модой первого порядка в плоскости х (по длине комнаты, например), 0,2,0 модой второго порядка по оси y (например, по ширине), и так далее. Если 2 из 3 чисел – нули, уравнение сокращается до простого вычисление стоячей волны, возникающих между парой противоположных поверхностей по одному из измерений комнаты. Это – осевые моды, самые сильные комнатные резонансы, больше всего влияющие на звук и самые простые для вычисления.

Простой расчет осевых мод

Вычислить осевые моды можно, пользуясь простой формулой: 345 / 2 х (длина или ширина или высота). Например, для комнаты длиной шесть метров частота первой моды будет равна 345 / 2 x 6 = 28,75 (29) Гц. Моды последующих порядков будут двух, трех и четырехкратны первой, то есть в нашем случае частота осевой моды второго порядка будет равна 58 Гц, третьего – 87 Гц, четвертого - 116 Гц.

   Тангенциальные моды образуются, когда звуковая волна многократно переотражается четырьмя поверхностями, пары которых параллельны друг другу. Рассчитать эти моды можно, комбинируя два целых числа и ноль. Например, массив (1,1,0) позволяет рассчитать моду первого порядка в плоскости x-y (длина-ширина). Такие стоячие волны образуются между четырьмя стенами комнаты и располагаются параллельно полу и потолку.

   Наклонные моды образуются между всеми шестью стенами комнаты. Поскольку накопление энергии моды происходит с каждым «круговоротом» звука, а здесь волна замыкается после шести переотражений, теряя с каждым разом часть своей энергии, наклонные моды среди всех стоячих волн оказывают наименьшее влияние на звук. Вычислить частоты, усиленные этими волнами, можно, комбинируя тройки чисел (1,1,1 – наклонная мода первого порядка).

2.1.1 Идеальная комната

   Очень долго считалось, что равномерное распределение комнатных мод по частотному спектру – это хорошо. Плотное скопление волн в какой-то части спектра могло вызвать искусственное усиление звукового давления в этой области, промежутки между скоплениями могли привести к «просадке» этой области.

   В эти времена были рассчитаны размеры оптимальных помещений, которые дают равномерное распределение мод по частотному диапазону. Однако в этих исследованиях не были учтены проблемы, которые существуют в реальных помещениях и сводят на нет все прогнозы относительно итогового качества звука:

   Первое: Эти вычисления предполагают, что все углы помещений идеально прямые, а стены совершенно плоские и сделаны из отражающего абсолютно все частоты материала. В реальности же углы не идеальны, стены поглощают звук (при вибрации) и кроме того, предметы обстановки комнат тоже абсорбируют энергию звуковых волн. Эти обстоятельства приводят к ошибкам в расчете частот, на которых возникают моды.
   Второе: Разные моды оказывают на звук разное влияние, осевые моды первого порядка усиливают свои частоты гораздо значительнее, чем тангенциальные и наклонные. Нужно ранжировать стоячие волны по значимости при расчете параметров оптимального помещения (осевые, тангенциальные, наклонные)
   Третье: Расположение акустических систем и слушателя в комнате также будет влиять на звуковую картину. Акустические системы не одинаково «подпитывают» энергией разные комнатные моды (какие моды получат больше энергии, зависит от местонахождения АС), а слушатель, находясь в определенных точках комнаты, может не услышать даже хорошо «подпитанных» стоячих волн.

   Вышеперечисленные «но» говорят о том, что теоретические выкладки полезны, но не дают полного представления о реальной звуковой картине в помещении. Чтобы узнать реальное положение вещей, нужно использовать измерения, проведенные в помещении.


рис. 1


   Если разместить громкоговоритель в углу помещения, на полу, будут возбуждены все стоячие волны младших порядков. Размещение микрофона в противоположном углу, возле пола или потолка, позволит замерить все эти моды. Очевидно, что громкоговоритель должен иметь акустическое оформление ЗЯ или ФИ, а микрофон должен иметь круговую диаграмму направленности и хорошо воспринимать низкие частоты.




рис. 2

   Измерение АЧХ полезно для вычисления самых сильных мод комнаты. Обычно реальные частоты стоячих волн отличаются от тех, которые получаются при теоретических расчетах - комната все-таки реальная, а не идеальная. Отметим изрядный подъем давления на соответствующих частотах.

   Полученная в углу комнаты картина еще не говорит о том, что комната будет влиять на звук именно так. При изменении позиции громкоговорителя некоторые моды будут ослабевать, а в различных позициях микрофона некоторые волны не будут оказывать влияния на звук.

   Если комната прямоугольная (ее форма близка к прямоугольнику), будет полезно рассчитать модальные частоты, чтобы избежать неприятных пропорций в новых конструкциях и вычислить проблематичные моды в существующих комнатах.


рис. 3

   На рисунке 3 проиллюстрировано распределение стоячих волн по частотному спектру в двух комнатах. В первой, вероятно, возникнут проблемы из-за того, что на некоторых частотах моды складываются, и при том эта ситуация повторяется несколько раз. Во второй комнате таких проблем нет, и потому звучание в ней будет более привлекательным.

   Такие простые вычисления послужат хорошей основой для анализа возможных расстановок в комнате. Правда, если комната сильно отличается по форме от прямоугольника, такие расчеты совсем не помогут, и проблем с инсталляцией будет куда больше.

Рис 3, вверху
   Осевые моды прямоугольного помещения заданных пропорций. Буквами L отмечены моды, возникающие по длине комнаты (параллельно длинным стенам, между короткими), H – по ширине (параллельные коротким стенам, между длинными), W – по высоте (между полом и потолком). Длина, ширина и высота пропорциональны, из-за чего возникают регулярно повторяющиеся через определенные частотные промежутки скопления волн.

Рис 3, внизу
   Распределение осевых мод в комнате, лучше приспособленной для прослушивания. Это помещение несколько длиннее, и потому первые моды появляются уже на более низких частотах, а распределение осевых мод по спектру получилось более равномерным, без крупных скоплений и продолжительных промежутков. Вследствие некратного соотношения длины, ширины и высоты помещения не существует таких частот, на которых формировались бы сразу три стоячих волны.

   Некоторые люди считают, что комнаты помещения непрямоугольной формы лучше подходят для организации комнат прослушивания. Они исходят из того, что звуковые волны в них не будут переотражаться между параллельными поверхностями, и потому гораздо больше энергии будет рассеиваться, а не преобразовываться в стоячие волны. В реальности непрямые углы между стенами действительно оказывают влияние на распределение мод, но моды не исчезают. Количественно изменение звукового давления получается таким же, но само распределение мод приобретает сложно прогнозируемый характер. Простые алгоритмы вычислений стоячих волн в непрямоугольном помещении уже не помогут, придется проводить гораздо более сложные вычисления. В некоторых случаях это может причинить очень большие неудобства, как мы увидим в разделе 2.2.

   Для решения прикладных задач непрямоугольное помещение может оказаться очень удобным. Например, для построения реверберционной камеры. Кстати, хорошие результаты получаются, когда непрямые углы образованы только одной стеной.

(окончание следует)
Перевод: Liga-Zvuka.ru
Copyright Harman International Industries
Англоязычный оригинал статьи выложен в свободном доступе на сайте harmanaudio.com