|
online: 1нед4д7ч3м
|
Звуковая архитектура - полезно знать.
Звуковая архитектура - полезно знать.
Жилые помещения, в которых размещают домашний кинотеатр или аудиосистему, как известно, характе*ризуются не только площадью и высотой потолков, но также планировкой и интерьером. Последний включает в себя цветовую гамму и фактуру отделочных материалов покры*тий полов, стен и потолка; количество, стиль и принцип, рас*становки 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 сде*лать комнату малопригодной для проживании. Это, прежде всего, физические параметры: чистый воздух, оптимальная температура, отсутствие сквозняков, достаточный уровень ос*вещенности и пр. И факторы психологические, которые сфор*мулировать гораздо сложнее. Хорошо подобранная мебель, обои, шторы, различные предметы декора, — все это задает об*щий стиль и расставляет стилистические акценты, формирует световые зоны и сценарии. Далее: комфорт эргономический, обеспечиваемый удобством управления инженерными система*ми, слаженностью их совместной работы, легкостью внесения корректив в алгоритмы их взаимодействия. Можно продол*жить список и дальше. Например, упомянуть ощущение безо*пасности: уверенность в надежной защищенности как от техно*генных аварий (протечек воды, перебоев с электричеством, по*жаров и пр.), так и антропогенных факторов (сигнализация, охрана, видеонаблюдение). В наше время огромное значение имеет и удобство доступа к информации: телевидению, Интер*нету, электронной почте и разного рода сервисам. Все перечис*ленное 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, забы*ли, 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 составляю*щих комфорта чревато снижением качества проекта, если не полным его провалом. Скажем, что толку в прекрасном интерь*ере и дорогих картинах, если не продумано освещение, а в ком*нате слишком душно или холодно. Не менее важными, чем зри*тельные, являются для нас слуховые ощущения, а они опреде*ляются не цветом обоев и штор, а акустическими свойствами комнаты. Причем речь отнюдь не только о просмотре фильмов или прослушивании музыки на большой громкости. Даже ти*шина в разных помещениях «звучит» по-разному. Ведь абсо*лютной тишины не бывает, всегда присутствует некоторый бы*товой фон, формируемый как внутри комнаты, так и привноси*мый снаружи через окна, форточки, двери и даже стены и пере*крытия. Негромко работающий телевизор или приемник, жи*вой разговор, даже звук шагов или шуршание одежды, — все это может создавать ощущение комфор*та, а может и нарушать его, а ведь акус*тический дискомфорт неизбежно перехо*дит в дискомфорт психологический. А уж когда дело доходит до музыки или кино, тем более: комната с плохой акус*тикой способна превратить вожделенный домашний досуг в настоящую пытку. И совершенно непонятно, почему в пакете документации каждого строяще*гося объекта наряду с дизайн-проектом, схемой освещения и т.п. обычно отсутст*вуют акустические параметры помеще*ний, если только речь не идет о студии звукозаписи или концертном зале. И ес*ли 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, радикаль*ные понятия становятся достаточно рас*тяжимыми. То есть комната может быть очень живой (гулкой) или умеренно, как и отчасти или полностью мертвой (глу*хой). Широко распространены такие оп*ределения, как «переглушенная», «уме*ренно звонкая" и т.д., которые отража*ют 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 ослабля*ется на 60 дБ (в тысячу раз). Грубо, но зато быстро можно оценить время ревер*берации, громко хлопнув в ладоши. В звонкой комнате вы еще секунду-две, ес*ли не больше, будете слышать эхо, в то время как в глухой вам покажется, что никакого эха нет вообще. Собственно, эхо — ото и есть та самая реверберация, т.е. отражения от стен, потолка, пола, Поверхности стекол в окнах, мебели. Точнее, сложнейший комплекс много*кратных отражений и переотражений, какое-то время живущий сам по себе по*сле того, как собственно источник звука замолчал. Очень важно различать пря*мой 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 зави*симости 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 час*тот 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 ка*честве нижней).
Итак, мы всегда слышим не только прямой, но и отраженный звук, и сте*пень заглушенности или звонкости по*мещения определяет соотношение пря*мого звука и реверберации. На открытом воздухе прямой звук чаще всего прева*лирует над отраженным, в замкнутом же объеме помещения наблюдается обрат*ная картина. В акустически благополуч*ной гостиной площадью 20 — 30 ма ре*верберационный фон и прямой звук со*относятся приблизительно как 70% и 30% (такое соотношение считается опти*мальным, хотя можно встретить и дру*гие рекомендации, например 85% и 15%). Здесь нет жестких норм, посколь*ку, во-первых, точно выдержать реко*мендуемое соотношение крайне сложно, а во-вторых, оптимальное значение Т60 зависит от многих факторов, не послед*ними из которых являются индивиду*альные предпочтения. Кому-то нравится более живое помещение, а кому-то слег*ка приглушенное. Диапазон комфортно*го восприятия музыки и бытовых звуков в этом плане весьма широк, хотя при слишком больших отклонениях люди с самым разным слухом начинают испы*тывать 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 музы*ки и кино, но и для жизни. Человек, долгое время находящийся в глухой комнате, рискует получить психическую травму: звуки воспринимаются как не*реальные, слишком сухие, резко обрыва*ющиеся, а во время полной тишины на*чинаешь слышать стук собственного сердца и шум крови в сосудах, которые кажутся раскатами грома и порывами ураганного ветра. Пытка тишиной изве*стна 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 кажет*ся аналитичным, формальным и не складывается в гармонию музыкальных композиций. При этом смешение прямых и отра*женных волн совершенно не мешает нашему механизму вос*приятия с большой точностью определять направление, откуда приходит звук. В этом плане наш слух обладает поразительны*ми возможностями, намного превосходящими возможности самой точной измерительной аппаратуры. Бикауральный эффект — способность выстраивать в мозгу звуковую панораму, осно*вываясь на полученной правым и левым ушами информации, уникален: временное разрешение (разница во времени дости*жения 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 воспри*ятие и стереоэффекта, и трехмерного звучания. Второй крите*рий — разница в громкости двух оди*наковых звуков. Более громкий звук из двух пришедших одновременно также может является критерием на*правления. Отражение, пришедшее чуть позже прямого звука, даже если оно значительно искажено, будет про*игнорировано аналитическим аппара*том нашего мозга, хотя и воспринято слухом (этот феномен называют «эф*фектом Хаоса»). Таким образом, с из*вестной долей условности можно гово*рить о том, что прямой звук несет в се*бе в основном информационную часть события, а отраженный — эмоцио*нальную.
Итак, в любой комнате, кроме абсолютно глухой, всегда присутствует прямое и диффузное звуковые поля. Второе — это именно продукты реверберации, порождаемые прямым зву*ком, но после многократных отражений потерявшие направ*ленность и равномерно заполняющие объем помещения. Потеря же направленности означает, что мы слышим один и тот же звук с разных направлений, и эти бесчисленные копии «прямо*го 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 Т60, это имеет место в концерт*ных залах, которые намеренно делают более живыми (Т60 выбирают 1,5 и более), а также в студиях, которые, наобо*рот, несколько заглушают и добива*ются равномерного диффузного поля с помощью специального акустичес*кого оформления. Для измерения же физических параметров колонок и излучателей оборудуются полностью заглушённые камеры, в которых до*ля 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" карти*ны 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 мас*са невидимых (но прекрасно слышимых) врагов звука, в число которых в первую очередь входит... она сама. Точнее, ее объем и отдельные измерения — длина, ширина, высота. Соотноше*ние этих величин может быть благоприятным, а может — ката*строфически неудачным. И даже если параметр Т60, измерен*ный как отклик на короткий звуковой всплеск в средне-высо*кочастотной 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 чере*дующиеся области сгущений и разрежений воздуха движутся со скоростью звука, в стоячей волне они неподвижны. Через каждый отрезок, равный половине длины волны на данной ча*стоте, возникает пучность — область максимальной скорости движения молекул воздуха и мини*мального давления, а непосредственно на границах рассматриваемой области (стены, пол, потолок) и посередине между каждой парой пучностей — уз*лы, где скорость равна нулю, а давле*ние максимально. Для каждого изме*рения комнаты найдется частота, для которой между двумя противополож*ными 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 коли*чеством узлов и пучностей (удваиваю*щимся при переходе к каждой следу*ющей гармонике), и это все тоже мо*ды. Но свои моды есть и у другой па*ры стен, а также у пола с потолком. Моды, возникающие между парал*лельными плоскими поверхностями, коими являются физиче*ские границы комнаты, называются осевыми, или аксиальны*ми. Звук, отражаясь от них, возвращается в исходную пози*цию в фазе. Существуют также тангенциальные моды: это скользящие отражения от стен, «обегающие» комнату (по пе*риметру четырех или двух стен, пола и потолка) и также воз*вращающиеся 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 верти*кальной плоскостях.
Чем выше частота и чем больше помещение, тем больше можно насчитать мод всех типов, особенно быстро размножа*ются при этом тангенциальные и косые. В случае помещении больших размеров это размножение начинается раньше по оси частот. Моды есть в любом помещении, даже не прямоугольной 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 нали*чие, а состав. Кроме того, не столь важны косые и тангенци*альные моды, сколь аксиальные, поэтому чаще всего рассмат*ривают исключительно их.
Моды обычно обозначаются тройками целых чисел (для комнат, имеющих форму параллелепипеда), где па первом мес*те 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 пер*вого порядка в направлении, параллельном полу и потолку. Для обозначения косых мод задействуются все три цифры.
Итак, частоты мод определяются измерениями помещения. Если все три измерении 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 — ку*бическая комната, в которой на одной и той же частоте концен*трируется по три моды.
Как проявляется воздействие мод на звук? Находящийся в точке пучности слушатель ощущает резкое увеличение громко*сти на отдельных басовых нотах, воспринимающееся как не*приятный гул. Бас при этом теряет выразительность, выпадает из музыкального ряда и становится «резиновым», желеобраз*ным, 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, посколь*ку уровень возрастет уже на 12 дБ. Ну а если сюда же присово*купится еще и третья мода (в кубической комнате), это уже це*лых 18 дБ не желательного прироста звукового давления. Если же слушатель сместится в ту или иную сторону, он может по*пасть в пучность одной или нескольких мод более высоких по*рядков и почувствует не подъем баса, а наоборот, провалы на определенных частотах. Фактически моды всю полезную пло*щадь комнаты (точнее, ее объем), как мины, покрывают «буг*рами» и «воронками», искажая до неузнаваемости глубокий и ровный бас, к которому мы все стремимся.
Что же происходит ниже частоты первой осевой моды? Ес*ли длина комнаты меньше четверти длины звуковой волны, считается, что комната не поддерживает данную частоту, как и любую еще более низкую, соответственно, эти частоты услы*шать нельзя. Это спорной 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 чув*ствительность слуха по море приближения к 20 Гц сверху за*метно падает, такой низкий бас скорее «спинным мозгом чу*ешь», чем слышишь.
По мере же увеличения частоты мод становится все боль*ше, 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 укладывает*ся все большее количество волн. При этом звук приобретает все более выраженную направленность, становясь узконаправлен*ным на высоких частотах. Огибание препятствий, характерное для басов (когда размеры препятствия меньше длины волны), проявляется все меньше, а отражения, как в оптике (угол паде*ния равен углу отражения), все явственнее. Отражения также часто играют отрицательную роль, если они ранние — от боко*вых стен, пола и потолка. Отраженная энергия звуковой волны приходит к слушателю с небольшим запаздыванием, смазывая картину локализации и искажая тембр. Первое — из-за воз*никновения фантомных (мнимых) источников в точках ранних отражений (а также на углах корпусов колонок ввиду дифрак*ции). 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 реверберации, кото*рые 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 па левый канал (как и наоборот). Иными словами, ранние отра*жения всеми силами стараются испортить картину локализа*ции в стереопанораме. Скажем, отдельные ноты в гамме вдруг как бы отрываются от самого инструмента, который строго ло*кализован в определенной точке звуковой сцены. В таких слу*чаях говорят, что в системе "гуляет фаза".
Но и это еще не весь вред, приносимый ими. Интерферен*ция, 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 горизонталь*ной 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 по*вышенной неравномерностью АЧХ излучателей колонок в на*правлениях, отличающихся от осевого. Дело в том, что боль*шинство производителей добиваются равномерности именно на акустической оси, и немного существует по-настоящему удач*ных моделей АС, у которых внеосевое излучение отличается хотя бы равномерностью, чаще же оно грешит заметными вы*бросами и провалами характеристики. Последние в виде ран*них отражений свободно достигают ушей слушателя, окраши*вая звук (выделяя те или иные области частотной характерис*тики, или, иными словами, искажая тембр), который при про*слушивании той же системы в других условиях сохранял бы нейтральность.
Порхающее эхо ярче всего проявляется в относительно больших помещениях с отражающими поверхностями проти*воположных стен. Происходит нечто похожее на множествен*ное отражение зрительного объекта в двух параллельных зер*калах. Резкий звук повторяется многократно, постепенно зату*хая, при этом он сильно искажается: порхающее эхо "выреза*ет" из спектра сигнала пакет колебаний определенных частот, которые летают от стены к стене, теряя по пути остальные ком*поненты спектра. Эффект возникает и в небольших помещени*ях, однако из-за малых временных сдвигов между отражения*ми он не столь ярко выражен.[/COLOR]
|
Линейный вид
