Основные понятия в акустике. Максимальная громкость и высота звука Предел звука

Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи. На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность верхних частот.

Частотные характеристики слуховых ощущений

Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий (звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150.

Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.

Субъективные характеристики звука

Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6 Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты, имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости. За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают. На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает, что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости, при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха). Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости. Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.). При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала, следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник, средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот. Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие звуки обычно являются и более резкими.

Музыкальные источники звука

Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов, характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр, ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).

Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику, связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота. Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых, ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания. Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими - обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200, валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900, кларнета 250-600.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4, трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника 0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо", к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен 90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение. Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях, имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".

Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).

Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать достаточно большого уровня (до 110 дБ).

Эффект маскировки

Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной, указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например, если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки. На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы, а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например, при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки 60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.

Временные характеристики слухового восприятия

Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток, выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.

Пространственное представление о звуке

Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.

До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде. Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется, что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе, достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков, проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся (виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м, расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится" на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства, находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы, называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона, располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала, субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных источников или, что то же, о размерах помещения.

Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.

Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол, под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность, т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.

О роли акустики помещения

Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.

Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны, создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты, как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.

Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).

Психоаку́стика — наука, изучающая психологические ифизиологические особенности восприятия звука человеком.

Предпосылки

Во многих приложениях акустики и обработки звуковых сигналов необходимо знать, что люди слышат. Звук, который образуют волны давления воздуха, может быть точно измерен современным оборудованием. Однако понять, как эти волны принимаются и отображаются в нашем головном мозге — задача не такая простая. Звук это непрерывный аналоговый сигнал, который (в предположении, что молекулы воздуха бесконечно малы) может теоретически переносить бесконечное количество информации (может быть бесконечное число частот, содержащих информацию об амплитуде и фазе).

Понимание процессов восприятия позволит ученым и инженерам сосредоточиться на возможностях слуха и не учитывать менее важные возможности других систем. Важно также отметить, что вопрос «что человек слышит» не только вопрос о физиологических возможностях уха, но во многом также вопрос психологии, чёткости восприятия.

Пределы восприятия звука

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.

Частотное разрешение звука в середине диапазона около 2 Гц. То есть изменение частоты более чем на 2 Гц ощущается. Однако есть возможность слышать еще меньшую разницу. Например, в случае, если оба тона приходят одновременно, в результате сложения двух колебаний возникает модуляция амплитуды сигнала с частотой, равной разности исходных частот. Этот эффект известен также как биение.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Наша барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Громкость звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определен как 0 Дб, а определение верхнего предела слышимости относится скорее к вопросу, при какой громкости начнётся разрушение уха. Этот предел зависит от того, сколько мы слышим звук. Ухо способно пререносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звкуков громкостью болеее 80 дБ может вызвать потерю слуха.

Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается выше 2 кГц.

Кривая абсолютного порога слышимости является частным случаем более общих — кривых одинаковой громкости. Кривые одинаковой громкости — это линии, на которых человек ощущает звук разных частот одинаково громкими. Кривые были впервые получены Флетчером и Мэнсоном (H Fletcher and W A Munson), и опубликованы в труде «Loudness, its definition, measurement and calculation» в J.Acoust. Soc Am.5, 82-108 (1933). Позже более точные измерения выполнили Робинсон и Датсон (D W Robinson and R S Dadson «A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones» in Br. J. Appl. Phys. 7, 166—181 ,1956). Полученные кривые значительно различаются, но это не ошибка, а разные условия проведения измерений. Флетчер и Мэнсон в качестве иточника звуковых волн использовали наушники, а Робинсон и Датсон — фронтально расположенный динамик в безэховой комнате.

Измерения Робинсона и Датсона легли в основу стандарта ISO 226 в 1986 г. В 2003 году стандарт ISO 226 был обновлён с учетом данных, собраных из 12 международных студий.

Что мы слышим

Человеческий слух во многом подобен спектральному анализатору, то есть, ухо распознает спектральный состав звуковых волн без анализа фазы волны. В реальности фазовая информация распознается и очень важна для направленного восприятия звука, но эту функцию выполняют ответственные за обработку звука отделы головного мозга. Разница между фазами звуковых волн приходящих на правое и левое ухо позволяет определять направление на источник звука, причем информация о разности фаз имеет первостепенное значение, в отличие от изменения громкости звука воспринимого разными ушами. Эффект фильтрации передаточных функций головы также играет в этом важную роль.

Эффект маскировки

В определённых случаях один звук может быть скрыт другим звуком. Например, разговор на автобусной остановке может быть совершенно невозможен, если подъезжает шумный автобус. Этот эффект называется маскировкой. Говорят, что слабый звук маскируется, если он становится неразличим в присутствии более громкого звука.

Различают несколько видов маскировки:

По времени прихода маскирующего и маскируемого звука:

• одновре́менное (моноуральное) маскирование
• вре́менное (неодновременное) маскирование

По типу маскируещего и маскируемого звуков:

• чистого тона чистым тоном различной частоты
• чистого тона шумом
• речи чистыми тонами
• речи монотонным шумом
• речи импульсными звуками и т. п.

Одновре́менная маскировка

Любые два звука при одновременном прослушивании оказывают влияние на восприятие относительной громкости между ними. Более громкий звук снижает восприятие более слабого, вплоть до исчезновения его слышимости. Чем ближе частота маскируемого звука к частоте маскирующего, тем сильнее он будет скрываться. Эффект маскировки не одинаков при смещении маскируемого звука ниже или выше по частоте относительно маскирующего. Более низкочастотный звук сильнее маскирует высокочастотный.

Вре́менная маскировка

Это явление похоже на частотную маскировку, но здесь происходит маскировка во времени. При прекращении подачи маскируещего звука маскируемый некоторое время продолжает быть не слышимиым. В обычных условиях эффект от временной маскировки длится значительно меньше. Время маскировки зависит от частоты и амплитуды сигнала и может достигать 100 мс.

В случае, когда маскирующий тон появляется по времени раньше маскируемого, эффект называют пост-маскировкой. Когда маскирующий тон появляется позже маскируемого (возможен и такой случай), эффект называют пре-маскировкой.

Постстимульное утомление

Нередко после воздействия громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется «временный сдвиг порога слуховой чувствительности» или «постстимульное утомление». Сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причем наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокочастотные составляющие сигнала.

Фантомы

Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной обасти, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Этот эффект используется в некоторых коммерческих звуковых системах, чтобы расширить область воспроизводимиых низких частот, если невозможно адекватно воспроизвести такие частоты напрямую.

Психоакустика в программном обеспечении

Психоакустические модели слуха позволяют с высоким качеством производить компрессию сигнала с потерей информации (когда восстановленный сигнал не совпадает с исходным), за счет того, что позволяют точно описать, что можно безопасно удалить из исходного сигнала — то есть, без значительного ухудшения качества звука. На первый взгляд может показаться, что вряд ли это позволит обеспечить сильное сжатие сигнала, но программы, использующие психоакустические модели позволяют добиться уменьшения объемов файлов с музыкой в 10—12 раз меньше, чем несжатые с очень незначительной разницей в качестве.

К таким видам компрессии относятся все современные форматы компрессии звука:

• Ogg Vorbis
• Musicam (используется для цифрового аудиовещания в некоторых странах)
• ATRAC используется в формате MiniDisc

В повседневной жизни мы описываем звук, указывая, среди прочего, его громкость и высоту. Но с точки зрения физики звуковая волна - это периодическое колебание молекул среды, распространяющееся в пространстве. Как и всякая волна, звук характеризуется своей амплитудой, частотой, длиной волны и т. д. Амплитуда показывает, насколько сильно колеблющаяся среда отклоняется от своего «спокойного» состояния; именно она отвечает за громкость звука. Частота говорит о том, сколько раз в секунду происходит колебание, и чем больше частота, тем более высокий звук мы слышим.

Типичные значения громкости и частоты звука, которые встречаются, например, в технических нормативах и характеристиках аудиоустройств, адаптированы к человеческому уху, они находятся в комфортном для человека диапазоне громкости и частоты. Так, звук громкостью выше 130 дБ (децибел) вызывает болевые ощущения, а звуковую волну с частотой 30 кГц человек вообще не услышит. Однако кроме этих «человеческих» ограничений существуют и чисто физические пределы громкости и частоты звуковой волны.

Задача

Оцените максимальную громкость и максимальную частоту звуковой волны, которая может распространяться в воздухе и в воде при обычных условиях. Опишите в общих словах, что будет происходить, если попытаться излучить звук выше этих пределов.

Подсказка

Напомним, что громкость, измеряемая в децибелах, - это логарифмическая шкала, которая показывает, во сколько раз давление в звуковой волне (P) сильнее некоторого фиксированного порогового давления P 0 . Формула пересчета давления в громкости такова: громкость в децибелах = 20 lg(P/P 0), где lg - это десятичный логарифм. В качестве порогового давления в акустике принято брать P 0 = 20 мкПа (в воде принято другое пороговое значение: P 0 = 1 мкПа). Например, звук с давлением P = 0,2 Па превышает P 0 в десять тысяч раз, что соответствует громкости 20·lg(10000) = 80 дБ. Таким образом, предел громкости возникает из максимально возможного давления, которое может создавать звуковая волна.

Для решения задачи надо попытаться представить себе звуковую волну с очень большим давлением или очень большой частотой и постараться понять, какие физические ограничения при этом возникают.

Решение

Найдем вначале предел громкости . В спокойном воздухе (без звука) молекулы летают хаотично, но в среднем плотность воздуха остается постоянной. При распространении звука молекулы кроме быстрого хаотического движения испытывают еще и плавное смещение вперед-назад с некоторым периодом. Из-за этого возникают чередующиеся области сгущения и разряжения воздуха, то есть области повышенного и пониженного давления. Именно это отклонение давления от нормы и есть акустическое давление (давление в звуковой волне).

В области разряжения давление опускается до P атм – P. Ясно, что в газе оно должно оставаться положительным: нулевое давление означает, что в этой области в данный момент времени частиц нет совсем, и меньше этого быть уже не может. Поэтому максимальное акустическое давление P, которое звуковая волна может создавать, оставаясь при этом звуком, как раз равно атмосферному. P = P атм = 100 кПа. Ему отвечает теоретический предел громкости равный 20·lg(5·10 9), что дает примерно 195 дБ .

Ситуация слегка меняется, если речь идет про распространение звука не в газе, а в жидкости. Там давление может стать отрицательным - это просто означает, что сплошную среду пытаются растянуть, разорвать, но она за счет межмолекулярных сил выдерживает такое растяжение. Однако по порядку величины это отрицательное давление невелико, порядка одной атмосферы. С учетом другого значения для P 0 это дает теоретический предел громкости в воде около 225 дБ .

Получим теперь ограничение на частоту звука . (На самом деле, это лишь одно из возможных ограничений на частоту; о других мы упомянем в послесловии.)

Одно из ключевых свойств звука (в отличие от многих других, более сложных волн) состоит в том, что его скорость практически не зависит от частоты. Но скорость волны связывает частоту ν (то есть временну ю периодичность) с длиной волны λ (пространственной периодичностью): c = ν·λ. Поэтому чем выше частота, тем меньше длина звуковой волны.

Частоту волны ограничивает дискретность вещества. Длина звуковой волны не может быть меньше типичного расстояния между молекулами: ведь звуковая волна есть сгущение-разряжение частиц и не может существовать без них. Более того, длина волны должна составлять как минимум два-три таких расстояния: ведь она должна включать как области сгущения, так и область разряжения. Для воздуха в нормальных условиях среднее расстояние между молекулами составляет примерно 100 нм, скорость звука равна 300 м/с, поэтому максимальная частота составляет порядка 2 ГГц . В воде масштаб дискретности меньше, примерно 0,3 нм, а скорость звука составляет 1500 м/с. Это дает ограничение на частоту примерно в тысячу раз выше, порядка нескольких терагерц .

Обсудим теперь, что произойдет, если мы попытаемся излучить звук, превышающий найденные ограничения. В качестве излучателя звуковой волны подойдет погруженная в среду твердая пластина, которую мотор двигает взад-вперед. Технически осуществим излучатель с такой большой амплитудой, который в максимуме создает давление намного выше атмосферного - для этого достаточно двигать пластину быстро и с большой амплитудой. Однако тогда в фазе разряжения (когда пластина отходит назад) будет просто вакуум. Таким образом, вместо очень громкого звука такая пластина будет «нареза ть воздух» на тонкие и плотные слои и выбрасывать их вперед. Распространяться сквозь среду они не смогут - столкнувшись с неподвижным воздухом, они резко его нагреют, породят ударные волны, а сами разрушатся.

Можно представить себе и другую ситуацию, когда акустический излучатель колеблется с частотой, превышающей найденный предел частоты звука. Такой излучатель будет толкать молекулы среды, но так часто, что не даст им шанса сложиться в синхронное колебание. В результате пластина будет просто хаотично передавать энергию подлетающим молекулам, то есть будет попросту нагревать среду.

Послесловие

Наше рассмотрение было, конечно, очень простым и не принимало во внимание множество процессов, происходящих в веществе и также ограничивающих распространение звука. Например, вязкость приводит к затуханию звуковой волны, причем скорость этого затухания быстро увеличивается с частотой. Чем больше частота, тем быстрее газ движется вперед-назад, а значит, тем быстрее энергия превращается в тепло за счет вязкости. Поэтому в слишком вязкой среде высокочастотный ультразвук просто не успеет пролететь какое-либо макроскопическое расстояние.

В затухании звука играет роль и другой эффект. Из термодинамики следует, что при быстром сжатии газ нагревается, а при быстром расширении - охлаждается. Это происходит в том числе и в звуковой волне. Но если у газа большая теплопроводность, то при каждом колебании тепло будет перетекать из горячей зоны в холодную, ослабляя таким образом тепловой контраст, а в конечном счете - и амплитуду звуковой волны.

Стоит еще подчеркнуть, что все найденные ограничения относятся к жидкостям и газам при нормальных условиях; они изменятся при существенном изменении условий. Например, максимальная теоретическая громкость, очевидно, зависит от давления. Поэтому в атмосфере планет-гигантов, где давление существенно выше атмосферного, возможен и еще более громкий звук; и наоборот, в очень разреженной атмосфере все звуки неизбежно тихие.

Наконец, упомянем еще одно интересное свойство ультразвука очень большой частоты при его распространении в воде. Оказывается, когда частота звука существенно превышает 10 ГГц, его скорость в воде возрастает примерно вдвое и примерно сравнивается со скоростью звука во льду. Это означает, что некие быстрые процессы взаимодействия молекул воды начинают играть существенную роль при колебании с периодом меньше 100 пикосекунд. Условно говоря, вода приобретает некую дополнительную упругость на таких временных интервалах, что и ускоряет распространение звуковых волн. Микроскопические причины этого так называемого «быстрого звука», впрочем, были поняты

Вы можете приобрести самую дорогую в мире систему, но если вы расположите её в небольшой кубической комнате – стоимость уже не будет иметь значения. Определение правильного места для ваших АС – единственный наиболее важный фактор в получении хорошего звука в вашей комнате. Очень точное расположение АС может открыть перед вами новое звуковое измерение. Любые АС не существуют сами по себе. Они суть неизбежный компромисс с комнатой прослушивания. Не бывает просто хороших АС – бывают подходящие. При большом желании и небольшом везении ваша комната может стать для Вас счастливейшим местом. Будем исходить из того, что вся мебель и обстановка в комнате существовала до приобретения АС или аппаратуры, которые должны интегрироваться в вашу комнату не нарушая сложившуюся в ней динамику. Цель хорошей комнаты прослушивания: минимизировать окраску, которая является самой сильной в басовом регионе между 20 и 200 Hz. В более высоких частотах комната так же имеет влияние, но резонансы являются намного менее проблематичными, так как намного легче добиться поглощения высокочастотных резонансов. Любая комната будет резонировать во многих частотах.

Точность и высота резонансного пика зависят от поглощающих свойств комнаты. Комната с большим количеством мягкой мебели, с коврами на полу и драпами будет акустически относительно “мертвой”. Пики и провалы в ответе частоты в таких помещениях имеют неравномерность 5-10 db. Комната с голыми стенами и полом будет очень “живая”, и пики и провалы изменяются 10-20 dB или больше. Общее правило таково: в акустически хорошей и правильной комнате можно располагать АС достаточно близко к отражающим поверхностям с минимальными отрицательными последствиями. В акустически плохих комнатах главная стратегия состоит в том, что бы разместить АС максимально далеко от границ комнаты и самого слушателя насколько это возможно.

Если мы чувствуем ряд глубоких провалов или пиков в частоте, значит это результат отражений. Сокращение уровня отражений выравнивает фактическую кривую ответа частоты Самое важное – минимизировать ранние отражения (меньше 20ms) в максимально возможной степени.. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Как улучшить акустику комнаты, чтобы эта кривая пригладилась? Это может быть сделано с помощью поглощающих материалов, закрывающих твердые поверхности около АС. Лучшая, наиболее полезная среда для прослушивания, – полное совмещение принципов “живой” и “мертвой” акустики комнаты. Я лично предпочитаю слегка заглушенную (dead) комнату в отличие от живой, звонкой (live). Как это можно определить без специальных приборов? Хлопните в ладоши. Покажется вам, что затухание звука естественно, или слишком долго гаснет (live), или наоборот слишком быстро затухает (dead)? Лучшее решение состоит в том, что бы обеспечить комнату разумным балансом дисперсии и поглощения. Комната с голыми стенами будет иметь сильное эхо, которое ухудшает ясность. Картины на стенах, книжные полки, драпировка, напольные покрытия обеспечат звуковое поглощение и рассеют вредные отражения. Неприкрытые окна, голые полы и стены не желательны.

АС должны располагаться в акустически мертвой зоне, занимающей примерно 1/3 пространства комнаты. Затем идет очень живая зона комнаты, в которой должны находиться предметы рассеивающие, но не поглощающие звук. Чем ближе поглощающая поверхность (ковер) к АС, тем лучше. Различные типы ковров и сама подкладка (основа) ковра больше всего влияют на верхнюю середину и в/частоты. Чем толще и больше ковер, или ковровое покрытие, тем больше они будут “впитывать” эти частоты. Ковры и шторы уменьшают реверберации в комнате, и, как следствие, передачу звуковой энергии стенам. Ковровые покрытия почти не влияют на низкие частоты, но средние частоты могут переглушить. Я предпочитаю не толстый ковер от стены к стене. Это резонно хотя бы потому, что основная масса производителей АС решающие прослушивания своих изделий проводят в комнатах с полностью заглушенным полом.

Многие специалисты считают, что основа ковра/покрытия должна быть из естественных волокон, а не из резины или вспененного каучука, т.к. они поглощают частоты выборочно – некоторые частоты значительно приглушаются, а другие не приглушаются совсем. Самое важное – минимизировать ранние отражения. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Все проектировщики студий звукозаписи стараются уменьшить именно ранние отражения в максимально возможной степени. Как расположить АС в комнате надлежащим образом? Вы должны преследовать 2 основных цели: плоская частотная характеристика и хороший трехмерный образ. Даже при том, что у вас хорошие АС, влияние комнаты очень важный фактор. Во многих случаях важнее обратить внимание на акустику комнаты, чем потратить в 2 раза больше денег на новые АС.

Симметрия

Окружающая среда сзади и по бокам АС должна быть симметрична. В меньшей степени важна окружающая среда непосредственно рядом со слушателем. Относительно симметрии передних и задних стен имеется много сторонников различных мер. Большинство (но не все) соглашаются, что стена позади слушателя должна быть с хорошими отражающими свойствами.

Профессионалы считают, что вся область вокруг АС должна быть заглушена, чтобы максимально уменьшить отражения. Еще один момент: желательно заглушить боковые стены лишь непосредственно перед АС, чтобы минимизировать близкие отражения боковой стены. Для лучшего воспроизведения трехмерной звуковой картинки комната должна иметь хорошую симметрию между и вокруг АС. Это означает, что если АС расставлены не симметрично, ранние отражения от задней стены у первой АС будут отличаться от отражений второй АС, и критические части стереосигнала будут повреждены. Обязательно чтобы расстояние от вас до обеих АС была максимально идентичным. В хороших системах отклонение в несколько см. будет отчетливо слышно. Обычно считается что АС и слушатель должны образовывать равносторонний треугольник, но это не абсолютное правило. Некоторые производители дают свои рекомендации по расстановке своих АС. Помните, что любая рекомендация – только старт, начало для эксперимента, поэкспериментировав как следует, вы добьетесь желаемых результатов.

Направленный звук от АС прежде всего ответственен за imaging (образность звуковой картинки), в то время как отраженный звук больше всего влияет на изменение тонального баланса АС – в смысле плотности звука, или его истощения и т.д. Любая отражающая поверхность – стена, пол, мебель, создает отражения. Исходя из этого и надо располагать АС. Самое важное максимально уменьшить естественные отражения. Ранние отражения достигают слушателя почти одновременно с прямым звуком, деградируя сигнал. Например АС с широкими передними панелями – планары и др., менее критичны к близлежащим боковым стенам и поверхностям, но очень критичны к близости к задней стене. В общем, чем дальше от отражающих поверхностей и чем дальше от задних стен – тем большей будет глубина soundstage и будет больше “воздуха” .

Расположение слушателя

Слушатель должен сидеть точно посередине между АС, расстояние до слушателя, чуть больше чем расстояние между АС. Если вы не соблюдете это правило, вы никогда не услышите хорошей звуковой картинки. В комнате с пропорциональными размерами лучшее расположение слушателя 30-90 см от задней стены. Если вы сидите прямо у стены, вы должны немного заглушить место на стене непосредственно позади вашей головы. Ваш мозг не сможет обработать эти отражения, но поверьте мне, в данном случае они могут сильно повлиять на звук.

Помните одну вещь – близость головы к тыловой стене имеет два положительных эффекта. Во-первых, вблизи у стен самое высокое звуковое давление, а скорость звуковых волн самая минимальная. Расположение в зоне максимального давления дает лучшее восприятие глубокого баса. Во-вторых, отраженные звуковые волны короче чем окружность головы, так что мозг не может измерить задержку времени между ушами. Когда мозг не может определить отражения – он игнорирует их.

Это простой пример того, как мозг игнорирует нежелательную или несущественную информацию и подтверждение эффекта Хааса – если информация от АС придет первой, то любые искажения и отражения (даже неприятные) придут позже и на значительно меньшей громкости – и наш мозг проигнорирует их.

Часто слушатель сидит слишком далеко от АС. Чем дальше вы сидите, тем больше свободное пространство комнаты воздействует на звук, особенно это относится к средним и высоким частотам, но близко – тоже плохо – звук не успеет оформиться в картинку. Большое значение имеет высота АС. Лучше всего, когда ВЧ динамик расположен чуть выше уха (но не всегда) – экспериментируйте, выше или ниже сидеть. Развал схождение – этим методом достигается сосредоточение звукового образа (imaging) и регулировка тонального баланса, а так же оптимизация средних и высоких частот с помощью регулировки их направленности. Легче всего это делать вдвоём. Сначала направьте АС так, чтобы они смотрели на точку немного позади головы слушателя – сохраняя одинаковое расстояние от уха до твиттера каждой АС. Поставьте музыку с вокалом или скрипкой. Один человек должен наблюдать за фокусом. Другой должен вращать АС вокруг внутреннего перед-него шипа. Слушатель должен обнаружить какое расположение АС наилучшее. Когда это сделано, установите вторую АС идентично первой. Одни АС работают лучше завернутыми внутрь, другие иначе, но лучше всего не большой поворот внутрь или вообще не трогать. Следуйте за рекомендациями изготовителя.

Самое главное – правильно заполнить центральные образы без привнесения в жертву ширины soundstage. Наклон АС так же важный фактор – вперед назад, внутрь и т.д. – тоже влияет на звук. Многие производители делают отрицательный наклон передних панелей своих АС для достижения должной образности и когерентности звучания динамиков.

Высота прослушивания

В двухполосных АС ваши уши должны находиться на условной линии между ВЧ и вуфером, в 3 полосных – на линии между ВЧ и СЧ динамиком. Имейте в виду, что лучшее местоположение для создания просторного soundstage, не может быть идеальное местоположение для баса. Мы должны найти такой компромисс, при котором эти характеристики максимальны в нашем представлении. На личный вкус можно иногда пожертвовать одним ради другого. Развязка от пола самый важный момент при установке АС. Только после решения этого вопроса вы сможете услышать ваши АС такими, какие они и есть на самом деле. АС больше всего подвержены резонансам, поэтому больше всего нуждаются в жесткой фиксации. Самое главное, что дает жесткая установка колонок, – это четкая фокусировка, ясность, детальность, слитность, хорошо артикулированный бас. Звук станет плотнее и четче, особенно на большой громкости. Чем дороже ваша система, тем больше требований к установке АС. Слишком низкое расположение колонок сужает динамический диапазон. Улучшение акустических характеристик вашей комнаты может полностью изменить ваше мнение относительно качества вашей системы. Какие характеристики комнаты влияют на звучание. Весь звук в границах вашей комнаты будет зависеть от комбинации трёх акустических характеристик: отражения, рассеивание, поглощение. Хорошая комната прослушивания будет иметь пропорциональное количество этих характеристик. Чем меньше расстояние между стенами, где расположены АС и слушатель, тем более звонкое звучание, чем больше расстояние между этими стенами, тем глубже бас. Отражения: вся или большинство звуковой энергии состоит из отражений, происходящих в комнате по правилу: угол падения равен углу отражения. Твердые плоские и гладкие поверхности – голые стены, стекло, голые твёрдые поверхности мебели – отражают звуковую энергию.

Рассеивание

Все или большинство звуковых волн, отраженных обратно в комнату, находятся там уже в беспорядочном состоянии – беспорядочно рассеянная звуковая масса. Твердые, неплоские, шероховатые, ребристые поверхности, цилиндрической и округлой формы предметы – рассеивают звук. Поглощение в противоположность отражениям, большинство звуковой энергии впитывается. Мягкие пористые поверхности ковры, половые покрытия, мягкая мебель, драпировки из толстой ткани и т.д. – поглощают.

Качество низких частот в вашей комнате в большей степени зависит от самой комнаты. Поскольку длина волны басовых частот очень большая, большая часть обстановки, оформление стен и пола делают очень немного для изменения басовых частот в комбинации room/speakers. Поэтому оптимизация низких частот является вопросом выбора комнаты прослушивания с оптимальными размерами (соотношениями) и расположения в этой комнате АС. Низкочастотная энергия распространяется сферически во всех направлениях одинаково. Когда низкочастотная звуковая волна ударяется о преграду (стена), басовая энергия – большей частью – отражается обратно в комнату, отражаясь от каждой преграды – пол, стены, потолок. Вуфер должен находиться на неравном расстоянии от трех ближайших боковых плоскостей комнаты. Всё это существенно, т.к. ближайшая к АС отражающая плоскость усиливает некоторые басовые частоты.

Если отражающие плоскости находятся от АС на равном расстоянии, некоторые басовые частоты будут усилены очень сильно. Т.е. если ваша АС стоит на одинаковом расстоянии от задней стены, боковой стены и стенки шкафа или комода, то вы получите тройное усиление каких-то одних групп басовых частот, что приведет к очень слышимому гулу на этих частотах. Если двери находятся в углах комнаты, бас может просто напросто “вытекать” через них. При серьезном прослушивании надо двери закрывать. Дело обстоит не так для средних и высоких частот, где энергия направлена более сосредоточенным и управляемым образом, конусообразно, по рупорному принципу. Низкочастотные отражения, резонансы можно достаточно просто регулировать, манипулируя расстановкой АС, варьируя расстояниями от колонки до ближайшей стены.

Чем сильнее будут отличаться друг от друга все три эти параметра (расстояния), тем меньше будет “унисон” , соответственно меньше будут нежелательные резонансы. Стоячие волны- это низкочастотные отражения (резонансы) между двумя параллельными стенами, основные враги хорошего звука. Они окрашивают звучание в вашей комнате, подчеркивая некоторые музыкальные ноты и создают грубое и неестественное распределение акустической энергии в пределах комнаты. Распространение стоячих волн – собственность физических характеристик комнаты и не имеет никакого отношения к аппаратуре. В прямоугольных комнатах стоячие волны возникают во всех трёх направлениях одновременно, оказывая очень сложно распределённое давление в пределах комнаты Стоячие волны – причины заметных окрашиваний выше приблизительно 300 Гц. Однако изолированные или случайные стоячие волны могут быть заметны и ниже этой частоты. Стоячие волны являются по существу осколками каких-либо частот сбившихся в кучу, в каких- либо местах в комнате. Равномерно распределённые окрашивания почти не проблематичны по сравнению со стоячими волнами. Понимание того, чем являются стоячие волны и как они работают будет полезно для лучшей оптимизации вашей комнаты и ваших АС.

Определение осевой постоянной стоячей волны между двумя параллельными стенами может быть легко рассчитана следующим уравнением: (1) Fo = 1130 / 2L или (2) Fo = 565 / L (где константа 1130 – скорость света в футах в секунду, L – расстояние между стенами в футах пример: вычисление фундаментальных стоячих волн в трех основных направлениях для комнаты размером 4,8 (ш) * 7,8 (д) * 2,4 (в) между коротких стен Fo w = 565/16 = 35 Гц между длинных стен Fo l = 565/26 = 22 Гц между полом и потолком Fo h = 565/ 8 = 70 Гц .

Обратите внимание, что в этом примере высота стены в 2 раза меньше длины короткой стены Foh = 2Fow = 70 Гц . Эта комната имела бы значительную окраску на 70 Гц, 140 Гц, 210 Гц и далее кратно 70. Худшее возможное тональное распределение происходит, когда измерения комнаты равны во всех трех направлениях, т.е. когда комната – идеальный куб. В такой комнате гармоники всех резонансных частот будут равны между собой, а резонансы низких частот будут чрезвычайно грубы и окрашены. Наилучшее возможное тональное распределение будет в комнате, размеры которой не связаны одним целым (кратным) числом. L24*W24*H8 -плохой пример – все разекры кратны 8 L26*W15*H8 – хороший пример. Самое гладкое басовое расширение будет получено, если частоты отраженной энергии будут распределяться равномерно и не будут смешиваться в кучу.

Определение баса в комнате. Число 550 – половина скорости звука в секунду над уровнем моря. Деля это число на какую-либо басовую частоту, скажем 20 Гц, мы получим наименьшее расстояние между стенами, при которой эта частота будет поддержана комнатой. Если разделить это число на басовую частоту 20 герц, мы получим 27,5 футов – такое минимальное расстояние должно быть между стен вашей комнаты для того, чтобы поддержать эту частоту. Если расстояние между противоположными стенами, где расположены слушатель и АС, составляет 12,8 фута, значит 550/12,8 = 43 Гц – нормально для британской АС среднего размера, но позорно для АС типа Infinity Bass Tower.

Предположим вы хотите иметь бас ниже 35 Гц – 550/35= 15,7 футов – минимальное расстояние между стен, чтобы поддержать частоту 35 Гц. Но это число – 15,7 – почти двойная высота стандартной комнаты – и это плохие вести. Комната будет иметь одни и те же стоячие волны в двух направлениях.Но не расстраивайтесь, мало вероятно, чтобы эти размеры были строго кратны двум. Звуковая сцена и звуковая картинка зависят от расположения АС, их ориентации и акустики комнаты. Оптимизация расположения АС – трудная задача. Поскольку расположение АС одинаково важно и для soundstage и для хорошего воспроизведения баса, вы должны найти между этими характеристиками компромисс – намного лучше немного пожертвовать уменьшением баса для получения хороших staging/imaging. Глубина сцены лучше всего, когда АС расположены на некоторой дистанции от фронтальной стены – это понизит эффект от ранних её отражений, улучшит сфокусированность образов, позволит колонкам “дышать”. В системах высшего разрешения, точно расположенных в акустическом пространстве, звуковая сцена может простираться далеко за пределы комнаты прослушивания: тыл сцены не упирается в заднюю стену, а естественным образом простирается вглубь. Ширина сцены на окончательную ширину будет воздействовать расстояние между АС и развал –схождения колонок. Но помните, что на большинстве записей эта звуковая характеристика плохо записана.

Определение расстояние между АС

Поставьте запись с хорошей фокусировкой центрального образа – например вокал. Расположите АС примерно на 1.8 – 2 метра друг от друга, и чтобы они были направлены в точку немного позади вашей головы. Слушайте, достаточно ли звук сфокусирован. Раздвиньте АС дальше – сантиметров на 30 и слушайте снова и т.д.. Когда центр начнет тончать и расплываться и становиться разбросанным, знайте, что дальше раздвигать АС нельзя. Вы теперь знаете, насколько широко можно расставить АС не потеряв soundstage и плотность центрального образ (фокус). Фокус в значительной степени, но не полностью, связан с передачей АС высоких частот. Наше ухо использует их для очертания предмета. Поэкспериментируйте с развал – схождением.

ВЧ распространяются очень направленно. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ещё и в том, что уменьшаются побочные отражения от близлежащих поверхностей, минимизируя эхо отраженных частот, которые влияют на звуковую картинку.

Регулировка баланса

Если баланс системы отрегулирован так, что звук распространяется неровно по всему фронту и он плохо сфокусирован, значит причина может быть в том, что одна АС ближе к вам, чем другая. Например, если ведущий вокал, который должен звучать по центру приходит к вам справа, правый спикер должен быть отодвинут назад или левый выдвинут вперёд. Обычно даже 2-3 см разницы в расстоянии до вас уже отчетливо слышны.

Перемещения АС

Все боковые перемещения АС влияют больше на мidbass а перемещение “вперёд – назад” влияют больше на глубину баса.

Плотность звукового образа- одна из необычных и музыкально очень красивых характеристик – способность сконцентрировать не только энергию ВЧ, но так же и богатство музыкальной энергии сосредоточенной в СЧ и верхнем басу. Из-за широкой характеристики рассеивания этих частот, плотность образа в этой части не зависит от того, какие края у АС – острые или скругленные. Узкий корпус с сильно скругленными краями позволяет снизить отражения от передней панели, но появляются проблемы возникновения внутри ящика стоячих волн. Узкий корпус способствует хорошему воспроизведению СЧ, т.к. чем уже корпус, тем более звучание становится всенаправленным. Если АС с широкой диаграммой направленности (узкий корпус) расположить в звонкой комнате, то тембр её звучания будет сильно искажен. Узкий корпус и небольшие динамики приводят к нехватке телесности и образности. Такие АС надо размещать подальше от отражающих поверхностей. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ВЧ – уменьшаются побочные отражения от близких поверхностей, минимизируя первичные отражения, которые влияют на звуковую картинку.

Широкие передние панели и неглубокие корпуса – залог наиболее правильных характеристик направленности и сбалансированности н/ч диапазона в условиях реального помещения прослушивания.

По Питеру Квортрупу

Если АС имеют узкую направленность (широкий корпус), а акустика комнаты глуховата – вы услышите собственно звучание АС.

Исследования фирмы Bryston по акустическому оформлению и расположению АС

Резонансные характеристики комнаты зависят от ее конфигурации (пропорций) и оформления. Квадратная комната с голыми стенами имела бы самую плохую возможную акустику для аудио системы. В квадратных комнатах возникают стоячие волны сразу в трех направлениях, они ослабляют и изменяют одни частоты и укрепляют другие, усиливая резонансные пики в очень узком диапазоне. Эти пики очень сильно изменяют звук. Голые стены имеют проблемы с ранними отражениями (High Q) – они не дают звуку раскрыться, делая его звонким, сужая динамический диапазон и сильно влияя на тональный баланс. В концертном зале мы имеем три основных эффекта, влияющие на то, какую информацию получит наш мозг относительно акустических качеств этой окружающей среды:

1. Первая звуковая прямая волна, прибывающая к нам от инструментов.
2. Вторая звуковая волна отраженная от ближайших стен.
3. Отраженная энергия, которая является случайными призвуками от всех находящихся внутри предметов и не имеет никакого направления.

Прямой звук сообщает мозгу откуда доносится звук. Ранние отражения, если они доходят до нас в пределах 10-20 мл/секунд, будут искажать звуковую картинку, тональность и т.д. Поздние отражения (ambience), наоборот будут добавлять ощущение просторности, пространственности, воздушности окружающей среды. В хорошем концертном зале прямой звук доходит до слушателя на 20-30 мл/сек. раньше, чем первичные отражения. А вторичные отражения приходят позже на целых 100 мл/сек. Очевидно, что в своей комнате прослушива-ния мы должны стремиться получит подобные результаты.

Надо заметить, что поп и рок музыка обычно записывается в акустически мертвой среде студии в “ближнем поле”, которое имеет тенденцию предотвращать первичные отражения и High Q звонкость. (поэтому наверное студийные мониторы часто звучат в комнатах звонко и резко, т.к. в студиях они прослушиваются в ближнем поле и в очень заглушенной среде, где эта звонкость и резкость не проявляется, но все детали записи слышны отчетливо).

Так вот, если ваша акустика комнаты будет близка к концертному залу, рок музыка будет звучать превосходно. Как же достичь подобных результатов в обычной комнате 12*18*9 футов (почти стандартная российская комната, надо сказать, В.М.)? Вы должны разместить ваши АС так, что бы сначала прямой звук достиг ваших ушей, используя при этом абсорбенты (поглотители) в местах первых отражений от боковых стен. А вот позади вас должно быть больше пространства для создания большего звукового поля. Сядьте в кресло. Попросите кого либо подвигать зеркало вдоль боковой стены. Когда вы увидите отражение АС в зеркале – это первая точка, откуда последуют ранние отражения. Звук отражается как и свет – угол падения…. В этом месте и надо разместить поглотитель. Сядьте на расстоянии 20-30 см. от задней стены. Не помещайте никаких поглощающих материалов позади головы. Там могут быть только рассеивающие звук материалы, распределяя случайную ненаправленую звуковую энергию, которая добавляет ощущение простора в комнате, потому что это случайная энергия (поздние отражения) прибывает намного позже, чем прямой звук. Помещайте в углы комнаты поглощающие материалы.

Другие меры – мягкие кресла, цветы, статуи и т.д. Они также будут рассеивать или поглощать вторичные отражения. Очевидно, что эти предметы не будут так же эффективны, как спец изделия, но это – шаг в правильном направлении. Гланая цель, которую вы должны запомнить: ранние отражения и недостаток поздних случайных отражений мозг использует, чтобы определить тот факт, что вы находитесь в маленьком помещении. Поэтому сокращая эффект ранних отражений, сокращая эффект от воздействия стоячих волн и звонкости, вам будет все больше казаться, что вы находитесь в зале вместе с исполнителями.

Эта информация основана на научном исследовании и наблюдениях, а так же на опыте некоторых наиболее успешных дилеров. Решения, представленные здесь. нацелены на ограничение вмешательства вашей комнаты на звук. Мы поможем разместить ваши АС через примененние психоакустики и физики. Этот метод может давать превосходные результаты через экспериментирование, без использования специальной обработки комнаты. Каким образом мы распологаем звуковые события в пространстве? Наш мозг определяет задержку времени возникновения звука между двумя нашими ушами. Если не имеется никакой задержки, значит звук исходит из точки, расположенной непосредственно перед нами. Если звуковая волна достигает сначала правого уха, значит звук находится справа и т.д. Эта пространственная информация – звуковые переходные процессы – мгновенно определяется мозгом. Определяя задержку между правым и левым ухом, наш мозг с необыкновенной точностью определяет, насколько правее или левее, или насколько ближе или дальше, находится от нас источник звука. Именно по задержке звука между нашими ушами мозг определяет важнейшую звуковую характеристику – тональность. Это недавно было доказано в научных исследованиях. И как полагают, является критической частью нашего исторического выживания. Иначе говоря, мы сначала определяем источник звука – например потенциальная опасность – а затем пробуем иденфицировать то, что явилось источником звука.

Первый шаг к получению хорошей stereo soundstage – вы должны устранить ранние отражения от основных переходных процессов в максимально возможной степени. Или, практически, вы должны добиться, чтобы звук от спикеров достигал ваших ушей раньше, чем любые отражения от этого звука. Согласно psychoacoustic явлению, названному эффектом Haas. мозг отдаст приоритет первой звуковой волне не искаженной отражениями.

Определение наилучшего расположения АС учитывая размеры комнаты

Этот метод фирма Audio Physic назвала картографией комнаты. Принцип этой техники основан на волновом явлении (феномене). Точно измерьте комнату и нарисуйте её план. Разделите комнату на равные части. Два способа – четное и нечетное количество зон. При разделении плана комнаты на четное количество зон. Размещая АС и/или свой стул даже не в точку пересечения, а в одну из разделённых частей – вы получите естественное укрепление баса от взаимодействия с комнатой. В точках пересечения басовые частоты будут усилены. Метод настройки баса и midbass предполагает похожий принцип – уменьшение, а не усиление низких частот. Это происходит в случае разделения комнаты на нечетное количество зон. Чтобы сделать это, Вы перемещаете АС в нечетные части плана комнаты. Важно помнить, что комната может быть разделена на гораздо большее количество частей чем 3 или 4. В четных разделах бас укрепляется, в нечетных – ослабляется. Другой пример (фирма Bryston) – если вы размещаете АС с превосходной характеристикой ответа частоты в углы комнаты, вы получаете подъем частоты на басах около -6 db. Этот подъем явная аномалия, но то же самое происходит в других местах комнаты, только в меньшей степени. Мы произвели исследования и обнаружили, что увеличение или уменьшение происходит в определенных узлах (точках) комнаты. В нечетных узлах возбуждение имеет минимальное значение и наоборот. Например ваша комната имеет размер 14*18 футов (фут = 0,3 м). Возьмите любой размер – длину или ширину – и разделите на нечетное количество частей, скажем 18 делим на 3,5,7.. вы получите значения = 6, 3.6, 2.57 – три возможных положения (позиции) при размещении у длинной стены. Делим 14 на три части – получаем значения = 4.67, 2.8, 2. – возможные местоположения у короткой стены. Теперь разместите АС в точке пятого значения в длину и седьмого в ширину комнаты. Пятое значение длины у нас = 3.6 футам, седьмое значение ширины = 2 футам. АС надо разместить в точке пересечения, там возбуждения низких частот будут минимальны. Помните: надо проверить все варианты для получения оптимальных результатов. Важная деталь – точка пересечения должна проходить не через переднюю или заднюю панель АС, а через магнит вуфера. Если это правило соблюдается, вы ощутите явный результат. Экспериментирование – ключ к успеху. В процессе этого вы обнаружите многие вещи, работающие не так, и сможете минимизировать эти недостатки. Самое важное – стоячие волны и ранние отражения – их надо минимизировать в максимально возможной степени.

Довольно трудно ожидать, что правильная настройка звука найдется сразу же после начала концерта. Обычно для того, чтобы заставить всю систему звучать в точном соответствии с требованиями звукооператора, требуется более или менее продолжительное время. К тому же, звукооператор обязан учитывать постепенное изменение состояния слушателей и исполнителей, происходящее в процессе концерта, так что, даже получив идеальный вариант настройки, нельзя признать его окончательным. Поэтому обычно приходится производить постоянную корректировку звучания всех систем комплекса до тех пор, пока звук не заработает, а затем внимательно следить, чтобы тончайший и подвижный баланс этого звука не развалился.

Звук на концерте будет работать до тех пор, пока звукооператор не перестанет его поддерживать.

Запись концертного выступления

Неплохо записывать все проводимые с вашим участием концерты на магнитную ленту. Прослушивая эти записи, можно обнаружить многие типичные ошибки, которые повторяются каждый концерт. Проанализировав эти ошибки, можно попытаться улучшить или изменить индивидуальную форму сведения звука. Можно проследить все моменты, ускользающие из внимания во время непосредственной работы над звуком. Однако, оценивая качество сведения по фонограмме, нужно уметь точно учитывать влияние условий записи и прослушивания, а также влияние самого процесса записи, например, более узкий в сравнении с концертом динамический диапазон магнитной записи. Если производить запись с основных выходов микшерного пульта, в ней окажется переизбыток вокала, так как звучание вокала на концерте оказывается более мягким, чем в записи.

Несомненно, что исполнители также захотят услышать запись выступления, поэтому приготовьтесь к тому, что они придут в ужас, прослушивая вашу сырую фонограмму, качество которой будет чрезвычайно далеко от качества звучания специальных концертных записей компакт-дисков. Поэтому, если вы хотите получить более менее полноценную запись концерта, постарайтесь обеспечить необходимые условия записи, чтобы полученную запись концерта можно было по крайней мере пересвести заново.

В большинстве случаев полноценная стереофоническая запись концерта является неоправданной роскошью, отнимающей массу времени и сил, однако монофоническую запись, неплохо передающую атмосферу звучания на концерте, можно получить, если один из каналов двухканального магнитофона подключить к одному из выходов микшерного пульта, а второй - к микрофону, расположенному в зале, поблизости от рабочего места звукооператора. Такая запись позволяет оценить сигнал системы звуковоспроизведения, звучание в зале, а также получить при соответствующем смешении сигналов обоих каналов относительно приемлемый вариант концертной записи. Разумеется, при таком способе записи баланс концертного звучания будет сбит, поэтому для того, чтобы его сохранить, нужно использовать для записи суммарный сигнал обоих каналов микшерного пульта и правильно подобрать положение микрофона. Если же вы захотите получить полный стереофонический баланс концерта, вам придется использовать четырехканальный магнитофон. Потратьте перед концертом немного времени на подбор характеристик звучания записываемых сигналов и на определение положения микрофонов и вы получите очень даже неплохой материал для стереофонической демонстрационной записи концерта.

Сведение звука независимых исполнителей

Звучание концертов с независимыми исполнителями сводится несколько иначе, чем звучание групп, даже в том случае, если независимый исполнитель выступаете обычной группой исполнителей.

Похожая информация:

1. B) В следующих предложениях подчеркните глагол-сказуемое, определите его видо-временную форму и залог. Переведите предложения на русский язык.