#7/2007 • ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ

www.kramer.ru, e-mail: academy@kramer.ru

ЗВУКОВАЯ АРХИТЕКТУРА

ЗА ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭТОЙ РУБРИКИ МЫ РАССМОТРЕЛИ ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДОМАШНЕГО КИНОТЕАТРА И ИЗУЧИЛИ ЕГО ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ. НО КАК-ТО ОБОШЛИ СТОРОНОЙ ГЛАВНЫЙ КОМПОНЕНТ, РАДИКАЛЬНО ВЛИЯЮЩИЙ НА ЗВУЧАНИЕ — САМ КИНОЗАЛ, ИЛИ, ПРОЩЕ ГОВОРЯ, КОМНАТУ, В КОТОРОЙ УСТАНАВЛИВАЕТСЯ ОБОРУДОВАНИЕ. ПОРА ВОСПОЛНИТЬ ЭТОТ ПРОБЕЛ.

Жилые помещения, в которых размещают домашний кинотеатр или аудиосистему, как известно, характеризуются не только площадью и высотой потолков, но также планировкой и интерьером. Последний включает в себя цветовую гамму и фактуру отделочных материалов покрытий полов, стен и потолка; количество, стиль и принцип расстановки мебели плюс организация освещения — естественного и искусственного. Весь комплекс инженерно-дизайнерских решений, примененный в оформлении конкретной комнаты, создает ее обстановку, обеспечивающую комфорт в широком смысле этого слова.

Понятие комфорта многомерно и подразумевает сочетание массы факторов, и пренебрежение любым из них может сделать комнату малопригодной для проживания. Это, прежде всего, физические параметры: чистый воздух, оптимальная температура, отсутствие сквозняков, достаточный уровень освещенности и пр. И факторы психологические, которые сформулировать гораздо сложнее. Хорошо подобранная мебель, обои, шторы, различные предметы декора, — все это задает общий стиль и расставляет стилистические акценты, формирует световые зоны и сценарии. Далее: комфорт эргономический, обеспечиваемый удобством управления инженерными системами, слаженностью их совместной работы, легкостью внесения корректив в алгоритмы их взаимодействия. Можно продолжить список и дальше. Например, упомянуть ощущение безопасности: уверенность в надежной защищенности как от техногенных аварий (протечек воды, перебоев с электричеством, пожаров и пр.), так и антропогенных факторов (сигнализация, охрана, видеонаблюдение). В наше время огромное значение имеет и удобство доступа к информации: телевидению, Интернету, электронной почте и разного рода сервисам. Все перечисленное выше способно создать душевный комфорт, но только при наличии полноценного домашнего досуга, делающего пребывание в жилище не только приятным, но и интересным. И как раз домашний кинотеатр с аудиосистемой способны его обеспечить.

А теперь посмотрим, не забыли ли мы чего? Конечно, забыли, но сделали это сознательно, чтобы показать то громадное упущение, которое характерно для существующей практики обустройства жилья. Речь идет об акустическом оформлении помещения.

Как уже было сказано, пренебрежение любой из составляющих комфорта чревато снижением качества проекта, если не полным его провалом. Скажем, что толку в прекрасном интерьере и дорогих картинах, если не продумано освещение, а в комнате слишком душно или холодно. Не менее важными, чем зрительные, являются для нас слуховые ощущения, а они определяются не цветом обоев и штор, а акустическими свойствами комнаты. Причем речь отнюдь не только о просмотре фильмов или прослушивании музыки на большой громкости. Даже тишина в разных помещениях «звучит» по-разному. Ведь абсолютной тишины не бывает, всегда присутствует некоторый бытовой фон, формируемый как внутри комнаты, так и привносимый снаружи через окна, форточки, двери и даже стены и перекрытия. Негромко работающий телевизор или приемник, живой разговор, даже звук шагов или шуршание одежды, — все это может создавать ощущение комфорта, а может и нарушать его, а ведь акустический дискомфорт неизбежно переходит в дискомфорт психологический. А уж когда дело доходит до музыки или кино, тем более: комната с плохой акустикой способна превратить вожделенный домашний досуг в настоящую пытку.

И совершенно непонятно, почему в пакете документации каждого строящегося объекта наряду с дизайн-проектом, схемой освещения и т.п. обычно отсутствуют акустические параметры помещений, если только речь не идет о студии звукозаписи или концертном зале. И если услуги дизайнеров по свету сегодня весьма востребованы, почему забывают об архитектурной акустике?

ЖИВЫЕ И МЕРТВЫЕ

В отношении жилых (как и прочих) помещений эти, казалось бы, радикальные понятия становятся достаточно растяжимыми. То есть комната может быть очень живой (гулкой) или умеренно, как и отчасти или полностью мертвой (глухой). Широко распространены такие определения, как «переглушенная», «умеренно звонкая» и т.д., которые отражают разные градации понятия времени реверберации помещения, имеющего вполне определенную количественную характеристику. Это время обозначается как «Т60» и измеряется в секундах (либо долях секунды). Это не что иное, как время, в течение которого звук ослабляется на 60 дБ (в тысячу раз). Грубо, но зато быстро можно оценить время реверберации, громко хлопнув в ладоши. В звонкой комнате вы еще секунду-две, если не больше, будете слышать эхо, в то время как в глухой вам покажется, что никакого эха нет вообще. Собственно, эхо — это и есть та самая реверберация, т.е. отражения от стен, потолка, пола, поверхности стекол в окнах, мебели. Точнее, сложнейший комплекс многократных отражений и переотражений, какое-то время живущий сам по себе после того, как собственно источник звука замолчал. Очень важно различать прямой и отраженный звук. Прямой всегда порождает отраженный (реверберационный фон) и первым достигает ушей в силу прямолинейности своей траектории. Вообще скорость звука в воздухе равна 340 м/с, хотя может колебаться в небольших пределах в зависимости от влажности. В иных средах она также другая, и чем выше плотность вещества, тем при прочих равных условиях (имеется в виду однородность) она больше.

Время реверберации зависит от многих факторов, в том числе от частоты. Обычно оно нормируется для средних частот и измеряется на частоте 512 Гц, хотя в отдельных случаях может уточняться и для других участков звукового диапазона (например, в октавных отрезках оси частот, т.е. при каждом удвоении частоты начиная с 20 Гц либо иной, выбранной в качестве нижней).

Итак, мы всегда слышим не только прямой, но и отраженный звук, и степень заглушенности или звонкости помещения определяет соотношение прямого звука и реверберации. На открытом воздухе прямой звук чаще всего превалирует над отраженным, в замкнутом же объеме помещения наблюдается обратная картина. В акустически благополучной гостиной площадью 20 — 30 м2 реверберационный фон и прямой звук соотносятся приблизительно как 70% и 30% (такое соотношение считается оптимальным, хотя можно встретить и другие рекомендации, например 85% и 15%). Здесь нет жестких норм, поскольку, во-первых, точно выдержать рекомендуемое соотношение крайне сложно, а во-вторых, оптимальное значение T60 зависит от многих факторов, не последними из которых являются индивидуальные предпочтения. Кому-то нравится более живое помещение, а кому-то слегка приглушенное. Диапазон комфортного восприятия музыки и бытовых звуков в этом плане весьма широк, хотя при слишком больших отклонениях люди с самым разным слухом начинают испытывать дискомфорт, а задолго до этого отмечают потерю выразительности и снижение удовольствия от музыки. Что же касается крайностей, то как слишком звонкая, так и сильно переглушенная комната непригодна не только для музыки и кино, но и для жизни. Человек, долгое время находящийся в глухой комнате, рискует получить психическую травму: звуки воспринимаются как нереальные, слишком сухие, резко обрывающиеся, а во время полной тишины начинаешь слышать стук собственного сердца и шум крови в сосудах, которые кажутся раскатами грома и порывами ураганного ветра. Пытка тишиной известна как одна из наиболее изощренных. С другой стороны, если в жилой комнате любой звук или звучок вызывает эхо, как в спортзале с бассейном, это также ничем не лучше. Сухость и «акустическое удушье» столь же неприятно, сколь и утопление в «звуковом рассоле».

Оптимальное соотношение прямого и отраженного звука как раз и создает тот акустический комфорт, о котором речь шла выше, и особенно при прослушивании музыки и просмотре кино.

Прямой звук ответствен за локализацию образов в звуковом пространстве, а отраженный — за возникновение этого самого пространства, ощущение наполненности комнаты звуком, его непрерывности, если так можно выразиться. Реверберация — это отличная «смазка для ушей», без которой звучание кажется аналитичным, формальным и не складывается в гармонию музыкальных композиций. При этом смешение прямых и отраженных волн совершенно не мешает нашему механизму восприятия с большой точностью определять направление, откуда приходит звук. В этом плане наш слух обладает поразительными возможностями, намного превосходящими возможности самой точной измерительной аппаратуры. Бинауральный эффект — способность выстраивать в мозгу звуковую панораму, основываясь на полученной правым и левым ушами информации, уникален: временное разрешение (разница во времени достижения правой и левой ушных раковин одним и того же звуком) на средних частотах составляет всего 2 миллисекунды! Именно по этой разнице мы и определяем направление, т.е. наш слух исключительно чувствителен к фазе. На этом основано восприятие и стереоэффекта, и трехмерного звучания. Второй критерий — разница в громкости двух одинаковых звуков. Более громкий звук из двух пришедших одновременно также может является критерием направления. Отражение, пришедшее чуть позже прямого звука, даже если оно значительно искажено, будет проигнорировано аналитическим аппаратом нашего мозга, хотя и воспринято слухом (этот феномен называют «эффектом Хааса»). Таким образом, с известной долей условности можно говорить о том, что прямой звук несет в себе в основном информационную часть события, а отраженный — эмоциональную.

Итак, в любой комнате, кроме абсолютно глухой, всегда присутствует прямое и диффузное звуковые поля. Второе — это именно продукты  реверберации, порождаемые прямым звуком, но после многократных отражений потерявшие направленность и равномерно заполняющие объем помещения. Потеря же направленности означает, что мы слышим один и тот же звук с разных направлений, и эти бесчисленные копии «прямого оригинала» различаются между собой по амплитуде и фазе, образуя аморфную «акустическую массу», в которой, однако, все прочие атрибуты, кроме направления, остаются на месте — высота тона, громкость, тембр, хотя и с возможными (и подчас значительным) изменениями.

Что касается больших отклонений от оптимальных для жилого помещения значений T60, это имеет место в концертных залах, которые намеренно делают более живыми (T60 выбирают 1,5 и более с), а также в студиях, которые, наоборот, несколько заглушают и добиваются равномерного диффузного поля с помощью специального акустического оформления. Для измерения же физических параметров колонок и излучателей оборудуются полностью заглушенные камеры, в которых доля отраженного звука очень близка к нулю.

«МОДНЫЕ» КОМНАТЫ

Итак, предположим, что комната, в которой предстоит смотреть кино и слушать музыку, настолько живая, насколько необходимо для создания богатой, «сочной» картины и при этом не проиграть в точности локализации образов звуковой сцены. Достаточно ли этого для того, чтобы такая комната считалась идеальной? Увы, в любой комнате есть масса невидимых (но прекрасно слышимых) врагов звука, в число которых в первую очередь входит... она сама. Точнее, ее объем и отдельные измерения — длина, ширина, высота. Соотношение этих величин может быть благоприятным, а может — катастрофически неудачным. И даже если параметр T60, измеренный как отклик на короткий звуковой всплеск в средне-высокочастотной области спектра оказывается более чем удовлетворительным, это не означает, что в области низкого баса будет полная идиллия. Дело в том, что любая комната, любой формы и размеров характеризуется своим набором мод — частот, на которых возникают стоячие волны.

В отличие от нормальной, бегущей волны, в которой чередующиеся области сгущений и разрежений воздуха движутся со скоростью звука, в стоячей волне они неподвижны. Через каждый отрезок, равный половине длины волны на данной частоте, возникает пучность — область максимальной скорости движения молекул воздуха и минимального давления, а непосредственно на границах рассматриваемой области (стены, пол, потолок) и посередине между каждой парой пучностей — узлы, где скорость равна нулю, а давление максимально. Для каждого измерения комнаты найдется частота, для которой между двумя противоположными стенами укладывается половина длины волны: два узла у стен и одна пучность строго между ними. Кроме того, все гармоники данной частоты также дадут стоячие волны на данном отрезке, только уже с большим количеством узлов и пучностей (удваивающимся при переходе к каждой следующей гармонике), и это все тоже моды. Но свои моды есть и у другой пары стен, а также у пола с потолком. Моды, возникающие между параллельными плоскими поверхностями, коими являются физические границы комнаты, называются осевыми, или аксиальными. Звук, отражаясь от них, возвращается в исходную позицию в фазе. Существуют также тангенциальные моды: это скользящие отражения от стен, «обегающие» комнату (по периметру четырех или двух стен, пола и потолка) и также возвращающиеся в фазе. Наконец, существует третий тип мод — косые, когда отражение от стен и прочих границ объема комнаты происходит по более сложной траектории: направление обхода при этом лежит как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Чем выше частота и чем больше помещение, тем больше можно насчитать мод всех типов, особенно быстро размножаются при этом тангенциальные и косые. В случае помещения больших размеров это размножение начинается раньше по оси частот. Моды есть в любом помещении, даже непрямоугольной формы (хотя бы и сферической или эллиптической), а также несимметричной, с наклонными плоскостями стен и потолков — это данность, от которой не избавишься. Важно не их наличие, а состав. Кроме того, не столь важны косые и тангенциальные моды, сколь аксиальные, поэтому чаще всего рассматривают исключительно их.

Моды обычно обозначаются тройками целых чисел (для комнат, имеющих форму параллелепипеда), где на первом месте длина, на втором — ширина и на третьем — высота комнаты. Скажем, (1,0,0) — это мода первого порядка по длине, (0,2,0) — мода второго порядка (вторая гармоника) по ширине и т.д. Если нужно отразить тангенциальные моды, уже две из трех цифр оказываются отличными от нуля, например (1,1,0) — мода первого порядка в направлении, параллельном полу и потолку. Для обозначения косых мод задействуются все три цифры.

Итак, частоты мод определяются измерениями помещения. Если все три измерения различаются между собой и не кратны друг другу, моды распределяются относительно благополучно, если же мы имеем дело с квадратной комнатой (или когда ее длина вдвое больше ширины), возникают большие проблемы: отдельные моды «наползают» друг на друга, и на одной и той же частоте могут оказаться две моды. Сущий же кошмар — кубическая комната, в которой на одной и той же частоте концентрируется по три моды.

Частоты аксиальных мод легко вычисляются по формуле

F = C / 2L,

где C — скорость звука в воздухе (340 м/с), а L — длина (или ширина, высота) комнаты. Моды более высоких порядков по этой же оси определяются простым умножением частоты первой моды на целые числа.

Как проявляется воздействие мод на звук? Находящийся в точке пучности слушатель ощущает резкое увеличение громкости на отдельных басовых нотах, воспринимающееся как неприятный гул. Бас при этом теряет выразительность, выпадает из музыкального ряда и становится «резиновым», желеобразным, утрачивая свои временные и тембральные особенности. Уровень звукового давления здесь повышается вдвое, т.е. на 6 дБ. Если же имеет место совпадение каких-то мод из продольного и поперечного ряда, гул будет еще заметнее, поскольку уровень возрастет уже на 12 дБ. Ну а если сюда же присовокупится еще и третья мода (в кубической комнате), это уже целых 18 дБ нежелательного прироста звукового давления. Если же слушатель сместится в ту или иную сторону, он может попасть в пучность одной или нескольких мод более высоких порядков и почувствует не подъем баса, а наоборот, провалы на определенных частотах. Фактически моды всю полезную площадь комнаты (точнее, ее объем), как мины, покрывают «буграми» и «воронками», искажая до неузнаваемости глубокий и ровный бас, к которому мы все стремимся.

Что же происходит ниже частоты первой осевой моды? Если длина комнаты меньше четверти длины звуковой волны, считается, что комната не поддерживает данную частоту, как и любую еще более низкую, соответственно, эти частоты услышать нельзя. Это спорное утверждение, ведь если диффузоры НЧ-головок все же колеблются на этих частотах, создаваемая ими энергия не может просто так исчезнуть, и мы должны так или иначе ощущать звуковое давление. Другое дело, что и чувствительность слуха по мере приближения к 20 Гц сверху заметно падает, такой низкий бас скорее «спинным мозгом чуешь», чем слышишь.

По мере же увеличения частоты мод становится все больше, и в результате они начинают сливаться, постепенно переставая играть сколь-нибудь заметную роль в формировании отклика помещения. Однако на этом список врагов звука не заканчивается...

ФАНТОМЫ С ГРЕБЕНКАМИ И ПОРХАЮЩЕЕ ЭХО

На средних частотах длина звуковых волн гораздо меньше, чем на низких, и по пути от колонок к слушателю укладывается все большее количество волн. При этом звук приобретает все более выраженную направленность, становясь узконаправленным на высоких частотах. Огибание препятствий, характерное для басов (когда размеры препятствия меньше длины волны), проявляется все меньше, а отражения, как в оптике (угол падения равен углу отражения), все явственнее. Отражения также часто играют отрицательную роль, если они ранние — от боковых стен, пола и потолка. Отраженная энергия звуковой волны приходит к слушателю с небольшим запаздыванием, смазывая картину локализации и искажая тембр. Первое — из-за возникновения фантомных (мнимых) источников в точках ранних отражений (а также на углах корпусов колонок ввиду дифракции). Эти не существующие в реальности источники звука на самом деле ведут себя как полноправные физические объекты, взаимодействуя с реальными и внося ощутимую сумятицу в восприятие. В отличие от более поздних ревербераций, которые полезны и не заслоняют собой прямого сигнала, временной сдвиг ранних отражений, как уже говорилось, минимален, к тому же отражения от сигнала правой колонки воздействуют и на левый канал (как и наоборот). Иными словами, ранние отражения всеми силами стараются испортить картину локализации в стереопанораме. Скажем, отдельные ноты в гамме вдруг как бы отрываются от самого инструмента, который строго локализован в определенной точке звуковой сцены. В таких случаях говорят, что в системе «гуляет фаза».

Но и это еще не весь вред, приносимый ими. Интерференция, т.е. сложение и вычитание фаз прямой и отраженной волн в точке слушателя на разных частотах приводит к тому, что звуковое давление в функции частоты из ровной горизонтальной линии превращается в «гребенку»: один за другим следуют глубокие провалы, учащающиеся по мере роста частоты.

На интерференционное (периодическое) искажение тембра накладываются еще и искажения иного рода, связанные с повышенной неравномерностью АЧХ излучателей колонок в направлениях, отличающихся от осевого. Дело в том, что большинство производителей добиваются равномерности именно на акустической оси, и немного существует по-настоящему удачных моделей АС, у которых внеосевое излучение отличается хотя бы равномерностью, чаще же оно грешит заметными выбросами и провалами характеристики. Последние в виде ранних отражений свободно достигают ушей слушателя, окрашивая звук (выделяя те или иные области частотной характеристики, или, иными словами, искажая тембр), который при прослушивании той же системы в других условиях сохранял бы нейтральность.

Порхающее эхо ярче всего проявляется в относительно больших помещениях с отражающими поверхностями противоположных стен. Происходит нечто похожее на множественное отражение зрительного объекта в двух параллельных зеркалах. Резкий звук повторяется многократно, постепенно затухая, при этом он сильно искажается: порхающее эхо «вырезает» из спектра сигнала пакет колебаний определенных частот, которые летают от стены к стене, теряя по пути остальные компоненты спектра. Эффект возникает и в небольших помещениях, однако из-за малых временных сдвигов между отражениями он не столь ярко выражен.

(Продолжение следует)

 

   
ListenListen

Яндекс цитирования

Яндекс.Метрика

 
           

н а в е р х

ГЛАВНАЯ | РУБРИКИ | АРХИВ | КОНТАКТЫ | АВТОЗВУК
Copyright © "Салон Аудио Видео"