Переходные и параметрические искажения

Переходными искажениями называют появление "посторонних" составляющих во вторичном сигнале, обусловленных свободными колебаниями в звеньях тракта. Частоты этих колебаний могут не совпадать с частотами составляющих входного сигнала. Как и при нелинейных искажениях, появляются комбинационные частоты. Эти искажения возникают при изменении режима работы тракта, при изменении амплитуды входного сигнала, а также вследствие инерционности устройств обработки информации. Слуховое ощущение этих искажений сходно с ощущением нелинейных искажений.

К параметрическим искажениям относятся автопараметрический резонанс и детонация. Первый вид искажений наблюдается в громкоговорителях, второй - в системах записи звука. Автопараметрический резонанс выражается в появлении колебаний с частотами, кратными дробной величине частоты основного колебания. Характер этих искажений сходен со звучанием нелинейных искажений на низких частотах. Детонация сигнала выражается в изменении частоты вторичного сигнала по отношению к частоте первичного. Эти искажения прослушиваются и виде "плавания" частоты сигнала, а при быстрых изменениях - в виде хрипов и дребезжания.

Акустика закрытых помещений

Общие сведения

Архитектурная акустика - одна из древнейших областей человеческого знания, многие века успешно опиравшаяся на интуитивный и эмпирический фундамент, лишь в конце XIX века стала приобретать черты науки благодаря начавшимся измерениям взаимосвязи свойств акустических полей с формой помещений и влиянием психо-физиологических свойств пространственного слуха при восприятии звука в различных помещениях, а также определению статистическо-психологических, эстетических и семантических критериев предпочтительности архитектурно-строительных решений для разнообразных музыкальных программ и типов личностей слушателей.

Одно лишь неполное перечисление целей, стоящих и поныне перед учеными, объясняет громадные сложности создания методов инженерных расчетов, позволяющих еще на стадии проектирования предвосхитить результаты строительства, а также выработать физико-технические средства - некие конструкции, обеспечивающие объективно и субъективно однозначно трактуемые результаты поставленных целей и примененных методов их достижения.

Развитие искусств требовало соответствующих строений для массовых зрелищ. Термин "театр" и обозначает место, чтобы видеть. Впоследствии появилась потребность и в месте, чтобы слышать. Изначально архитектурная акустика была ориентирована на большие и просто огромные открытые сооружения, позже - на закрытые помещения. Во все времена субъективные суждения о качестве звучания речи и музыки в том или ином сооружении являлись единственным критерием его акустического качества. Современные концертные, театральные и кинозалы оснащаются сложными системами электроакустического формирования звуковых полей с возможностью управления акустическими свойствами помещения, аппаратурно и архитектурно оптимально адаптируемых для различных типов музыкальных программ.

Все достижения науки в области архитектурной акустики используются преимущественно при проектировании общественных сооружений, то есть достаточно крупных и дорогостоящих. Методологии изучения и рекомендации для создания таких уникальных помещений отчасти могут быть использованы и при построении высококачественной комнаты прослушивания - самого дорогого компонента аудиосистемы. Одни и те же акустические процессы в помещениях описываются тремя языками - тремя теориями: волновой, статистической и геометрической.

Все три метода имеют значительную взаимосвязь, дополняя друг друга, если только одним методом не удастся решить конкретную задачу. Начнем рассмотрение с самой молодой теории - волновой, переходя к другим по мере надобности.

Волновая теория

Воздух, находящийся в замкнутом объеме, обладает некоторой распределенной массой. Поскольку плотность воздуха невелика и между его молекулами существует достаточное расстояние для их перемещения под воздействием внешних сил (под действием источника звука), постольку распределенная колебательная система объема воздуха может совершать вынужденные колебания с частотами воздействующих сил, а также с собственными частотами. После снятия действия вынуждающих сил (отключение источника звука) колебательный процесс не прекращается мгновенно, но изменяется его характер: продолжают совершаться только собственные колебания распределенной воздушной массы, которые постепенно затухают. Это явление называют отзвуком (реверберацией).

При включенном источнике звука звуковые волны распространяются в различных направлениях: осевом, касательном и наклонном, отражаются от ограничивающих помещение поверхностей и, складываясь с прямыми волнами, создают стоячие волны. Частоты собственных колебаний f_n распределенной массы воздуха зависят от абсолютных размеров помещения, а также соотношений его размеров (пропорций, рис. 6.1)

(6.1)

где L, B, H - длина, ширина и высота помещения;
n_L, n_B, n_H - целые числа от нуля до бесконечности, показывающие количество стоячих волн, возникающих соответственно в направлениях L, B и H.

Частоты собственных колебаний воздуха в помещении располагаются между собой теснее, а звуковое поле более равномерно, если L, B и H не равны и не кратны друг другу. Для примера на рис. показан спектр собственных частот помещения с размерами L=6м, B=4м, H=3м. В области низких частот собственные частоты помещения располагаются достаточно далеко друг от друга, а выше частоты 70 Гц их число увеличивается и далее спектр собственных колебаний воздуха становится практически сплошным. Этот физический факт имеет также существенное значение для семантической и эстетической составляющих при восприятии музыки.

Рис. 6.1

Спектр сложного звукового (музыкального) сигнала может содержать частоты, которые отсутствуют или которых мало в спектре собственных колебаний воздуха в помещении. При этом вынуждающее действие источника сигнала вызовет ответное (в резонанс) колебание воздушной среды на частотах, совпадающих с частотами источника. Именно эти частоты в звуковом сигнале получат добавочную энергию, а потому и затухание собственных колебаний воздуха будет продолжаться дольше. Те спектральные составляющие сигнала, частоты которых не совпадут с собственными частотами помещения, не получат дополнительной энергии отзвука помещения и будут маскироваться теми спектральными составляющими, которые удачно попали в резонанс с собственными частотами помещения:

Это явление может (но не обязательно, как будет показано далее) вызвать изменение тембра и четкости восприятия музыки, особенно в области низких частот.

Формула (6.1) дает следующие частоты, что и отображено на рис. 6.2:

Рис. 6.2

для помещения 6 х 4 х 3,2 м: 28; 42; 51; 57; 69; 71; 76 Гц; 74; 87; 93 Гц. Резонансные частоты даже небольших помещений достаточно низкие, чтобы не ограничивать себя малогабаритными АС, если абстрагироваться от коммерческих рекламных тестов.

Волновая теория показывает, что плотность спектра Dп, т.е. количество собственных частот уменьшается при уменьшении объема помещения:

(6.2)

где V, м³ - объем помещения; f_n и Df_n - центральная частота и ширина интервала, в пределах которого производится определение Dп.

На рис. 6.3 приведена зависимость количества собственных частот Dn от частоты сигнала f_n при Df_n = 10 Гц для помещений объемом 26, 135 и 400 м³ (соответственно кривые 1, 2, 3). Из рис. 6.3 видно, что только для очень маленьких помещений плотность спектра собственных частот мала, причем на самых низких частотах, что действительно свидетельствует о неравномерности звукового поля в них. Однако влияние этого явления на слуховые ощущения будет разным при вариациях положения источников звука и слушателя в помещении, а тем более изменении акустической обработки поверхностей. Существенную роль играет также тип излучателей АС.

Рис. 6.3

Не следует пренебрегать влиянием ближнего поля на низких частотах, т.к. именно низкочастотные компоненты сигнала приводят к особенно сильному изменению в восприятии звуков музыки при вариациях расстояния до источника звука. Поскольку слуховой орган человека в некоторой степени реагирует на колебательную скорость частиц воздуха, то при этом возникает ощущение расстояния до КИЗ, т.е. ощущение глубины трехмерного пространства саундстейджа. В аудиосистемах, неспособных передавать низкий и четкий бас, саундстейдж может находиться близко или в удалении, но обычно плоский, хотя отдельные КИЗ в нем могут быть достаточно четко очерчены в плоскости за счет средних и высоких частот, что дает ясное и в меру прозрачное звучание, но лишает слушателя естественного пространственного ощущения, т.е. музыканты и их инструменты как бы висят в неопределенном свободном пространстве без стен и пола, что, вероятно, редко встречается в жизни.

Прозрачность, ясность - различимость звуков отдельных инструментов или групп инструментов даже в присутствии отзвука помещения, т.е. реверберации.

Пространственное впечатление - осознанное ощущение соотношения между интенсивностью звука источника (КИЗ) и приходящих со всех направлений звуковых отражений от ограничивающих помещение поверхностей, т.е. снова отзвука помещения.

Реверберация - процесс затухания звука на месте прослушивания, отображающий. размеры, форму, гулкость помещения. Процесс реверберации характеризуется временем стандартной реверберации Тео, определяемым как время после отключения звукового сигнала, за которое средняя плотность звуковой энергии Е в помещении уменьшается в миллион раз (уровень энергии уменьшается на 60 дБ) относительно своего установившегося значения.

Для небольших помещений и для частот ниже 4000 Гц время стандартной реверберации определяется формулой Эйринга для a_ср>0,2:

(6.3)

где S - площадь поверхности, м²; a_ср - в общем случае частотно-зависимый средний коэффициент звукопоглощения, характеризующий совокупные свойства различных материалов поверхностей помещения.

Коэффициент звукопоглощения показывает, какая часть звуковой энергии, переносимой звуковой волной, поглощается при падении этой волны на поверхность:

; (6.4)

Формула Эйринга относится уже к статистической теории акустики помещений и выведена в предположении, что звукопоглощающие материалы распределены по поверхности равномерно и имеют одинаковый коэффициент И, что обеспечивает достаточную диффузность звукового поля в помещении. Диффузным называют такое звуковое поле, в котором выполняются условия однородности и изотропности: усредненная во времени плотность звуковой энергии во всех точках одинакова; все направления прихода звуковой энергии в любую точку помещения равновероятны, и по любому направлению усредненный поток звуковой энергии одинаков.