Геометрическая теория

Выше была рассмотрена важность 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 (Т_опт). Субъективное восприятие Т_опт требует и экспериментального статистически усредненного его определения. Т_опт 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 Т_опт сопровождались теоретическими поисками.

Рис. 6.13

На рис. 6.13 показаны 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 L_G на время спадания (затухания) звука Т_p в данных помещениях оставалось величиной постоянной, т.е. Т_p*L_G = const.

(6.27)

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 (кривая 2 на рис. 6.13):

(6.28)

Сравнивая кривые 1 и 2, можно заметить, что теоретические рекомендации несколько превышают экспериментальные при уменьшении объема залов.

Для залов с объемом V = 200...300 м³ рекомендуется Т_опт около 1 с, определяемое по эмпирической формуле (кривая 3 на рис. 6.13):

(6.29)

Многие исследователи предлагали иные модели зависимости Т_опт от объема помещений, но тенденции поведения кривых Т_опт в большинстве случаев приближались к рис. 6.13.

Влияние на Т_опт характера исполняемой музыки также существенно. Например, для современной музыки Т_опт = 1,48с, для классической Т_опт=1,54 с, для романтической Т_опт = 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 Т_опт 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 Т_опт 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 Т_опт 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 Т_p*L_G = 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.

Также там рассмотрены кривые равной громкости (рис. 2.2), повторенные для удобства на рис. 6.14.

Рис. 6.14

Рис. 6.15

Из рис. 6.14 следует, что при неизменном значении уровня интенсивности L_I уровень громкости L_G изменяется с изменением частоты обратно пропорционально K(f):

(6.30)

где коэффициент K(f) рассчитан по кривым рис. 6.14, а его зависимость от частоты отображена на рис. 6.15.

Рис. 6.16

Рис. 6.17

Если же учесть, что L_I натуральных источников звука также имеет существенную частотную зависимость (рис. 6.16), то для сохранения постоянства Т_p*L_G необходимо, чтобы время реверберации Т_p было обратно пропорционально отношению (6.30). Определяя значения K(f) и L_I для каждой из частот по рис. 6.14 и 6.16, можно получить зависимость оптимального времени реверберации Т_опт от частоты по критерию Лифшица (кривая 1, рис. 6.17) 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.

Рис. 6.18. Оптимальная частотная характеристика Т, определенная при музыкальных испытаниях в студии 3, Радиохусет, Копенгаген, объем около 1400 м³.

Рис. 6.19. оптимальная частотная характеристика Т, определенная в результате испытаний Бекеши в радиовещательной студии в Будапеште, объем около 400 м³.

Рис. 6.20. Оптимальная частотная характеристика Т, полученная во время строительства студии 2, Радиохусет, Копенгаген, объем около 2400 м³.

Л. Контюри, пожалуй, единственный, кто указывал на опасность маскировки звучаний низкими частотами, рекомендуя для классической музыки прямолинейную частотную характеристику Т_опт, а для эстрадной музыки уменьшенное значение Т_опт на низких и высоких частотах. Однако большинство частотных характеристик Т_опт в реальных залах с хорошими акустическими условиями имеют тенденции к подъему Т_опт ниже 200 Гц и выше 2000 Гц, что отображено на рис. 6.18...6.20. В. Йордан даже настаивает на том, что повышение Т_опт 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 Т_опт 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 Т_опт 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 Т_опт сходятся на том, что снижение Т_опт на низких частотах ухудшает пространственное впечатление. Снижение Т_опт на высоких частотах ухудшает прозрачность, ясность звучания.

До сих пор мы вели речь о влиянии на Т_опт 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.