Одним из важнейших элементов пути звука от аудио носителя до уха слушателя является комната прослушивания. Об этом нередко забывают, так как помещение не входит в сферу интересов производителей звуковоспроизводящей техники, а значит, не становится объектом рекламы. Тем не менее, комната способна кардинально изменить звучащую в ней музыку – убить все детали собственным «гудением» или, напротив, придать звучанию пространственность и воздушность.    

Элементы геометрической акустики.   

     При проигрывании аудиозаписи звуковые волны от различных источников звука распространяются в помещении. Встречаясь с поверхностями помещения, звуковая энергия частично отражается от этих поверхностей, частично поглощается материалом преграды (переходя в тепловую энергию) и частично может пройти сквозь преграду, проникая в соседнее помещение. Законы отражения и преломления звуковых лучей аналогичны законам геометрической оптики. Количественно отраженная, поглощенная и прошедшая сквозь преграду часть звуковой энергии определяется соответствующими коэффициентами. Если Е_ПАД – энергия звука, падающего на данную преграду, а Е_ОТ – энергия отраженного звука, то коэффициент отражения ?=Е_ОТ/Е_ПАД. Если Е_ПР – энергия звука, прошедшего сквозь преграду (из помещения 1 в помещение 2), то коэффициент звукопроводности ?=Е_ПР/Е_ПАД.

Так как энергия, теряемая в помещении 1, при отражении от стены складывается из энергии, поглощаемой материалом стены Е_ПОГЛ, и энергии, прошедшей сквозь стену, то  коэффициент поглощения ?=(Е_ПОГЛ+Е_ПР)/Е_ПАД. 

     Из изложенного ясно, что?+?=1.      При отражении от вогнутой поверхности может произойти фокусировка отраженных лучей с образованием мнимого источника звука в точке S?, в которой увеличивается плотность звуковой энергии. Выпуклые поверхности способствуют рассеянию отраженной звуковой энергии, часто способствуя этим обеспечению равномерной слышимости во всех точках помещения. Вогнутые поверхности допустимы лишь с очень малым (не более 40 см) или очень большим (более чем в 4 раза превосходящим длину помещения) радиусом кривизны. При отражении звука от плоской поверхности также образуется мнимый источник, но более слабый.

Пористые материалы.

     В пористых материалах вещество заполняет небольшую часть общего объема. Основной объем составляют многочисленные поры, каналы и полости, которые открыты наружу и сообщаются между собой. Такими материалами являются войлок, хлопчатобумажная и стекловолоконная вата, ковры, специальная акустическая штукатурка и т. п. Теория поглощения звука пористыми материалами была разработана впервые более 100 лет назад Дж. В. Стреттом (лордом Рэлеем). Она построена на постулате, что в пористых материалах существуют силы вязкости, препятствующие протеканию воздуха через поры, за счет чего вещество отбирает часть кинетической энергии колеблющихся частиц воздуха, превращая ее в тепло. Согласно этой теории, поглощающие свойства пористых материалов зависят от вязкости и плотности воздуха, радиуса и количества пор на единицу поверхности, а при использовании материала в качестве покрытия твердой стены – от толщины слоя, точнее от расстояния между ним и твердой стеной. Чем меньше радиус пор и чем их больше, тем лучше поглощаются высокие частоты. Поглотитель этого типа эффективен только на тех частотах, на которых колеблющиеся в звуковой волне частицы воздуха пронизывают пористый материал. Непосредственно у твердой стены колебательная скорость частиц воздуха равна нулю, поэтому толщину поглотителя (или расстояние между ним и стеной) выбирают равной как минимум четверти длины волны поглощаемого звука.

    В таблице приведены коэффициенты поглощения наиболее часто используемых в архитектурной акустике материалов.

Порхающее эхо.

    В подавляющем большинстве случаев комната имеет форму прямоугольного параллелепипеда. С точки зрения акустики это далеко не идеальный вариант. Если существуют две параллельные отражающие поверхности (а в акустически необработанном, не заглушенном помещении таких пар поверхностей три – противоположные стены и пол с потолком), то при появлении звукового сигнала звук, отраженный одной поверхностью, возвращается к другой, отражается от нее, и начинает метаться, как бы порхать между ними, постепенно затухая. Поэтому такое эхо называют порхающим, или флаттер-эхом. Если слушатель находится на одинаковом расстоянии от обеих отражающих поверхностей, то эхо-сигналы повторяются с интервалами, равными времени пробега звука между двумя поверхностями (2 раза по ? времени пробега). Если же слушатель располагается вблизи одной из поверхностей, то период повторения эхо-сигналов будет равен удвоенному времени пробега. Ухо человека чрезвычайно чувствительно ко всем повторяющимся ко всем периодически повторяющимся процессам. Если период повторения эхо-сигналов невелик и составляет менее 20 мс (частота следования 50 Гц и выше), то воспринимаемый звук приобретает характер тона. В таких случаях говорят о звучании «как из бочки» при низкой частоте следования отражений и о «металлическом звучании» при высокой частоте. Такое окрашивание звучания наблюдается не только на кратковременных, но и на продолжительных сигналах (вокальное исполнение, длительные ноты и т.п.).

Стоячие волны в помещении.

    Другое влияние параллельности стен на акустику помещения заключается в том, что прямоугольная комната представляет собой трехмерный резонатор.

    В качестве одномерного резонатора можно себе представить узкую трубу, закрытую с двух сторон. Если возле одной из сторон поместить источник синусоидальных колебаний, то вдоль трубы со скоростью звука будет перемещаться синусоидальная звуковая волна, отражаясь от закрытых стенок.  

    Поместим возле другой стенки трубы микрофон. Изменяя частоту генератора, можно заметить, что при изменении частоты амплитуда звука, фиксируемая при помощи микрофона, то нарастает, то падает почти до нуля. То есть труба демонстрирует амплитудно-частотную характеристику, по виду напоминающую гребенку, причем каждый ее зубец представляет собой акустический резонанс. Резонанс образуется, если длина трубы кратна половине длины волны возбуждаемых колебаний. Это явление носит название гребенчатой фильтрации. Прямоугольное помещение с физической точки зрения ведет себя точно так же, как закрытая с двух сторон труба. Разница лишь в том, что в трубе всего одно (аксиальное) направление распространения звуковых волн, тогда как в прямоугольном помещении их неисчислимое количество, причем во многих из них возникают акустические резонансы. Волны, создающие резонансы, подразделяют на три категории. К первой категории относятся осевые (аксиальные) волны. Их подразделяют на три класса: продольные, поперечные и вертикальные. Звуковые волны каждого из этих классов отражаются только от двух противоположных стен (или от потолка и пола). Ко второй категории относятся касательные волны, которые распространяются, последовательно отражаясь от четырех стен. Последняя категория – так называемые косые волны, отражающиеся последовательно от всех шести ограждающих поверхностей. Очевидно, что бороться с самим фактом возникновения резонансов в помещении тяжело, а зачастую и не нужно – если резонансы расположены в заданной полосе частот близко друг к другу и равномерно, то форма сигнала в этой полосе частот передается практически без искажений.

    Физик-теоретик Филипп Морз вывел формулу для подсчета количества резонансных частот в заданном диапазоне частот в зависимости от объема и линейных размеров помещения. В упрощенном виде она выглядит следующим образом: ?N=(4?V/с³)·f²·?f,(1) где ?N – количество резонансных частот; V – объем помещения; с – скорость звука; ?f – узкий диапазон частот; f – средняя частота данного диапазона. Отсюда видно, что количество резонансов помещения, приходящихся на одну и ту же полосу частот, с понижением частоты существенно уменьшается. Морз так же подсчитал, сколько в помещении должно быть резонансов в заданном интервале частот для того, чтобы без заметных искажений нести форму звука длительностью порядка 0,1 с.

    Результат его расчетов таков: в интервале ?f=10 Гц должно быть не менее 10 резонансов. Подставляя эти данные в формулу, получим нижнюю граничную частоту помещения, ниже которой звучание будет заметно искажено (в не заглушенной комнате) вследствие удаленности резонансов друг от друга: f_Н=1770/V^1/2  С резонансами ниже данной частоты бороться необходимо, но тяжело. Как уже было указано, резонансы выше нижней граничной частоты данного помещения для формы звукового сигнала безопасны, если они расположены равномерно. Но проблема в том, что в большинстве помещений это условие не выполняется, и резонансные частоты распределены неравномерно и, что еще хуже, даже совпадают и «сливаются». В качестве простого примера можно привести помещение кубической формы, у которой совпадают собственные частоты во всех трех аксиальных направлениях. АЧХ такого помещения (если оно не заглушено) имеет совершенно недопустимые пики и провалы. Подобные проблемы возникают во всех помещениях с кратными линейными размерами. Наилучший же результат достигается в случае, если соотношения линейных размеров помещения соответствуют «золотому сечению».

   Борьба с вредными резонансами и излишней реверберацией помещения происходит в основном посредством заглушения комнаты пористыми материалами.

Расположение громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания.

    Размещение громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания является правильным, когда - в районе головы слушателя нет отражений, запаздывающих относительно начала прямого звука менее чем на 3 мс; - неравномерность общей амплитудно-частотной характеристики стереопары громкоговорителей, вызванная их взаимодействием между собой и с помещением, минимальна. Излучение двух источников звука, одновременно выдающих один и тот же сигнал, воспринимается, как излучение одного кажущегося источника звука. Если один из источников излучает сигнал слышная задержка меньшим уровнем громкости и/или с задержкой во времени 1…3 мс (бо воспринимается, как эхо), то кажущийся источник звука смещается к другому источнику. На этом свойстве слуха основан стереофонический эффект.

    Слух умеет не только объединять разные сигналы в один, но и разделять «нужные» и «не нужные» компоненты.

    В данном случае речь идет о том, что слух может эффективно отделить сигнал фонограммы от добавившихся к нему в процессе воспроизведения отраженных сигналов. Но это произойдет лишь в том случае, если разность времени прихода прямого и отраженного сигналов составляет не менее 3 мс. Если эта величина будет меньше указанной, то прямой и отраженный звук вместе образуют новый кажущийся источник звука, что, естественно, приведет к искажению стереопанорамы, задуманной создателями фонограммы. Поэтому громкоговорители должны быть установлены в комнате прослушивания так, чтобы длина пути звука от любого громкоговорителя до головы слушателя была минимум на 1 м меньше длины пути звука, включающего одно отражение от любой стены, пола или потолка. Взаимодействие двух источников звука, излучающих один и тот же сигнал в одинаковой фазе, рассмотрел в своей работе американский акустик Е. Скучик. Он показал, что акустическая мощность, излучаемая одним из этих источников, зависит от расстояния между ними и длины излучаемой волны следующим образом: N/N1=1+sin (k·d)/k·d, где N – мощность, излучаемая источником; N1 – мощность, которую источник излучал бы при отсутствии других источников; k=2?/? - волновой вектор; d – расстояние между источниками.

    Очевидно, что похожим образом себя ведет АЧХ излучаемого громкоговорителями сигнала. На графике видно два основных искажения: «горб» в районе kd Провал такой глубины может появиться из-за взаимодействия громкоговорителей между собой и еще тремя мнимыми источниками звука, которые являются отображениями этих громкоговорителей в боковых стенах и в полу. Исключить действие мнимых источников посредством заглушения очень трудно, так как оно проявляется на самых низких воспроизводимых частотах. Но ими можно частично управлять, меняя расстояние от громкоговорителя до ближайших стен и пола.

    Чтобы свести к минимуму провал, расстояния x до боковой стены, h до пола, y до задней стены и 0,5d следует выбрать не равными друг другу. Если задаться целью, чтобы максимум в районе kd=8 одной пары взаимодействующих источников приходился на минимум другой пары, то расстояния между источниками одной пары и другой должны соотноситься, как 1/1,7. Пример расстановки приведен на рисунке. После того, как громкоговорители установлены в рассчитанное положение, соотношения между размерами необходимо уточнить, основываясь на оценке характера звучания басовых нот. Уточнение необходимо не только из-за приблизительности приведенного расчета. Есть еще такие неучтенные факторы, как, например, индивидуальная неравномерность АЧХ громкоговорителей, неоднородное распределение в комнате низкочастотных резонансов и т. п. Относительно расположения слушателя в комнате прослушивания достаточно помнить следующие рекомендации.

    Для адекватного восприятия стереопанорамы, заложенной в фонограмме, слушатель должен находиться на равном расстоянии от громкоговорителей стереосистемы, причем угол между ними (с вершиной у его головы) должен составлять от 50 до 700. При смещении слушателя, например, влево, сигнал от правого громкоговорителя оказывается задержанным и стереопанорама смещается в сторону ближайшего громкоговорителя. Для получения неискаженной АЧХ сигнала голова слушателя должна находиться на уровне высокочастотных динамиков громкоговорителей (обычно этот уровень выбирают порядка 90 см от пола, что соответствует расстоянию от пола до головы сидящего слушателя). Иногда так же советуют слушателю находиться в зоне баланса амплитуд четных и нечетных продольных стоячих волн. Расчету положение этой зоны не поддается и ищется на слух.

Автор Кисляков Владимир