Геометрическая теория звука

Bажность реверберационных явлений в закрытых помещениях и их влияние на процессы ощущения и восприятия звуков. Очевидно, что чрезмерно малое или большое время реверберации плохо сказывается на качестве воспринимаемого звучания. Но очевидно и то, что, вероятно, есть значение времени реверберации, которое наиболее благоприятно для восприятия звуков музыки. Такое время реверберации называют оптимальным (Топт). Субъективное восприятие Топт требует и экспериментального статистически усредненного его определения. Топт оказалось зависимым от пропорций размеров помещения, т.е. формы и объема, от частоты, а также типа источника звука и характера музыкального произведения. Экспериментальные попытки определить Топт сопровождались теоретическими поисками.  зависимости оптимального времени реверберации от объема концертных залов. Кривая 1 построена на основе теоретических изысканий С.Я. Лифшица, который при выводе формулы (6.27) показал, что время реверберации в различных по объему помещениях должно быть таким, чтобы произведение уровня громкости LG на время спадания (затухания) звука Тp в данных помещениях оставалось величиной постоянной, т.е. Тp*LG = const.

Как и любая математическая модель, построение С.Я. Лифшица не учитывает исчерпывающе, например, временных свойств слуха и возможных различий интенсивностей прямых и отраженных звуков на их восприятие. На основании анализа Майера и Тиля, проведенного для безупречных с акустической точки зрения концертных залов, получена эмпирическая формула Для залов с объемом V = 200...300 м3 рекомендуется Топт около 1 с, определяемое по эмпирической формуле  Многие исследователи предлагали иные модели зависимости Топт от объема помещений, но тенденции поведения кривых Топт в большинстве случаев приближались Влияние на Топт характера исполняемой музыки также существенно. Например, для современной музыки Топт = 1,48с, для классической Топт=1,54 с, для романтической Топт = 2,07 с. Эти значения усреднены для большой группы слушателей, эстетичсские вкусы которых, разумеется. различны в соответствии с их психологической типизацией. Установлено также, что на каждого слушателя должен приходиться объем от 7 до 12 м3 при прослушивании музыкальных программ.

Весьма важное значение имеет зависимость Топт от частоты звука. Для обыкновенного слушателя, живущего в помещении с заданным объемом, остаются лишь два-три основных способа управлять акустическими свойствами помещения:

во-первых, за счет изменения частотных свойств Топт с помощью звукопоглощающих материалов.

во-вторых, изменение диффузности звукового поля посредством рассеивающих конструкций:

в-третьих, изменяя структуры ранних отражений посредством установки отражающих звук элементов.

Электронные способы управления акустическими свойствами помещений оставим для тех, кто увлекается домашним театром. Зависимость Топт от частоты должна быть такой, чтобы отдельные составляющие сложных музыкальных звучаний взаимно не подчеркивались и не подавлялись. С.Я. Лифшиц полагал, что это требование можно выполнить при сохранении условия Тp*LG = const для всех частотных составляющих музыкальных звучаний.

При рассмотрении свойств слуха было отмечено, что уровни ощущения Е различных частотных составляющих натуральных звучаний различны. Влияние этого фактора следует обязательно учитывать при проектировании комнаты прослушивания. что при неизменном значении уровня интенсивности LI уровень громкости LG изменяется с изменением частоты обратно пропорционально K(f): где коэффициент K(f) рассчитан по кривым а его зависимость от частоты отображена на Если же учесть, что LI натуральных источников звука также имеет существенную частотную зависимость (рис. 6.16), то для сохранения постоянства Тp*LG необходимо, чтобы время реверберации Тp было обратно пропорционально отношению (Определяя значения K(f) и LI для каждой из частот, можно получить зависимость оптимального времени реверберации Топт от частоты по критерию Лифшица () для музыкальных программ. Многие другие исследователи получали экспериментальные и теоретические выводы, отраженные в виде кривых: 2 - для речи, 3 - для музыки (Кнудсен); 4 - (Дрейзен); 5 - (экспериментальная кривая датского радиовещания); 6 - (Моррис и Никеди). В. Кнудсен полагал, что для обеспечения высокого качества звучания все частотные компоненты сигнала должны затухать до порога слышимости к одному и тому же времени.

И. Дрейзен исходил из того, что флуктуации процесса затухания звука в помещении на всех частотах должны находиться на одинаковом уровне слухового восприятия. Л. Контюри, пожалуй, единственный, кто указывал на опасность маскировки звучаний низкими частотами, рекомендуя для классической музыки прямолинейную частотную характеристику Топт, а для эстрадной музыки уменьшенное значение Топт на низких и высоких частотах. Однако большинство частотных характеристик Топт в реальных залах с хорошими акустическими условиями имеют тенденции к подъему Топт ниже 200 Гц и выше 2000 Гц, что отображено на рис. 6.18...6.20. В. Йордан даже настаивает на том, что повышение Топт на высоких частотах имеет большее значение, нежели на низких, т.к. звучание деревянных духовых, а также струнных инструментов менее энергично, чем звучание мощных медных и ударных инструментов, максимум спектра которых находится в диапазоне 100...300 Гц, вследствие чего медные и ударные инструменты могут подавлять, маскировать звучание менее мощных инструментов. Для устранения этого явления В. Йордан полагает необходимым, чтобы частотная характеристика Топт была обратно пропорциональна энергетической зависимости этой наиболее мощной группы инструментов оркестра, т.е. имела меньшее значение на частотах 300...800 Гц (рис. 6.20). При распространении звука оркестра над головами сидящих слушателей происходит его частотно зависимое поглощение в области 150...200 Гц, что несколько улучшает (но далеко не всегда) энергетический баланс для слушателей, расположившихся дальше 6 - 8 рядов. Но обычно такой провал в частотной характеристике требует повышения Топт на низких частотах.

Недостатки акустического проектирования иногда приводят к многократным переделкам залов. Например, зал филармонии в Нью-Йорке после открытия в 1962 году перестраивался пять раз. Ни одна из перестроек не оказалась удовлетворительной. Лишь в 1976 году после предварительных измерений на специально подготовленной в меньшем масштабе модели первоначальная облицовка интерьера была полностью удалена и осуществлена полная реконструкция зала, обошедшаяся в 6 млн. долларов. Такова цена ошибок проектирования. Именно в нью-йоркской филармонии среди прочих акустических недостатков был впервые выявлен “эффект слушательских мест” - значительный провал в области частот вблизи 150 Гц. Снова, как видите, диалектические противоречия: для одной части слушателей этот эффект приводит к ухудшению звучания, для другой - к некоторому улучшению. Тем не менее теоретические (объективные) и экспериментальные (субъективные) методы анализа частотных характеристик Топт сходятся на том, что снижение Топт на низких частотах ухудшает пространственное впечатление. Снижение Топт на высоких частотах ухудшает прозрачность, ясность звучания. До сих пор мы вели речь о влиянии на Топт объема и частотной характеристики помещения, а также на изменения в качестве звучания музыки при вариации этих параметров. Но и все компоненты аудиосистемы оказывают косвенное и прямое влияние на частотный и амплитудный баланс передаваемого через систему музыкального сигнала (см. рис. 6.16). Очевидно, что, изменив баланс (намеренно или же случайно, например, из-за несовершенства компонентов), мы изменим пропорции громкости звучания отдельных инструментов или группы инструментов относительно общей громкости оркестра. Следует заметить, что разделить понятия баланса и тембра весьма затруднительно, т.к. одни и те же музыкальные инструменты субъективно воспринимаются по разному при изменении их расстановки, в то время как их собственные объективные тембры, разумеется, остаются неизменными. Поэтому следует ввести более глобальное понятие тембра как интегрального восприятия составляющих спектра звука музыкального источника на месте прослушивания. Применительно к проблемам акустики помещений это понятие характеризует степень влияния свойств помещения прослушивания на изменения типичного тембра какого-либо источника звука (в том числе типичного по составу и расположению инструментов оркестра). Следует заметить, что баланс тембров (окраска звучания) определяется соотношением энергии низких и высоких частот. Субъективная оценка тембрального баланса зависит от типизации психофизиологических особенностей слушателей: одни предпочитают “светлое”, “легковесное” звуковое поле, где преобладают высокие частоты, другие - “темное”, “фундаментальное” звуковое поле с преобладание низких частот. Можно назвать правильный тембральный интегральный музыкальный баланс квазистационарным фундаментом, обеспечивающим устойчивую макродинамику звукопередачи аудиосистемы, т.е. сбалансированность значительных изменений громкости звучания оркестра во всем его частотном диапазоне. Причем макродинамика любого компонента аудиосистемы определяется его способностью передавать неискаженно как можно более низкие частоты, причем термин “неискаженно” подразумевает не только амплитудные, но и фазовые соотношения. На этом я делаю категорический акцент. Для обеспечения такой макродинамики совершенно непригодны, например, усилители мощности, имеющие полосу пропускания по низким частотам даже 10...20 Гц (-ЗдБ). Это относится и к предусилителям в не меньшей степени. Концепция определяет в качестве необходимой и достаточной полосу пропускания по низким частотам для электронных компонентов 0...0,5 Гц (-3 дБ). Очевидно, что таким требованиям могут удовлетворять весьма немногие транзисторные усилители. Среди ламповых только “Maestro Grosso”.

Следует заметить, что выходное сопротивление как линейных, так и усилителей мощности в диапазоне частот начиная от 0,1 Гц не должно превышать 0,2...0,5 0м без ООС. Как правило, усилители мощности на лампах имеют ограничение снизу 20 Гц (-3 дБ), причем при наличии ООС. Посмотрите в сводные таблицы параметров усилителей любого журнала: там вы не найдете выходного сопротивления, скорости нарастания сигнала (их стыдно обнародовать), зато 20 Гц (-3 дБ) - наиболее распространенная частота среза ламповых усилителей. Чтобы по этому по воду ни говорили “субъективисты”, в лаборатории при непосредственном сравнении с “Maestro Grosso” становится ясно, что объективные параметры таких усилителей, увы, субъективно слышны как однозначно ущербные и для звука, и поэтому для музыки. И совершенно невозможно это скрыть, пытаясь назвать работу таких усилителей “вовлекающей” или “музыкальной”. Именно таким якобы “хайэндным” усилителям мы обязаны тем, что АС “гудят” на басах, а им охотно вторят недостаточно заглушенные на низких частотах маленькие комнаты прослушивания. Как видите, невозможно рассматривать акустику помещений в отрыве от остальной части аудиосистемы. Еще одной причиной, по которой аудиосистемы должны быть максимально низкочастотными, является субъективный эффект боковых отражений. При достаточной эффективности всей аудиосистемы на низких частотах у слушателя возникает ощущение “погружения” в звуковое поле, ему кажется, что он охвачен звуком со всех сторон. При этом ширина и глубина саундстейджа превышают расстояния по базе между АС и между АС и стеной сзади АС, т.е. комната прослушивания “акустически увеличивается”. Правда, АС непременно должны быть установлены параллельно малой стене комнаты, т.е. их акустические оси должны быть перпендикулярны малой стене