К некоторому сожалению для акустиков, скорость распространения звука в воздухе при комнатной температуре, а, значит, и длины волн для любых частот – величины более или менее постоянные, и никакими «фокусами» их не изменить.

Длина волны – это расстояние, на протяжении которого волна со скоростью звука совершает полный цикл, проходя полуцикл давления и полуцикл разрежения, как показано на рисунке. Раньше, когда ещё не было понятия «герц», применялся старый термин – циклы за секунду, представлявший частоту, как количество полных циклов в течение каждой секунды. Большинство читателей знают, что изменение фазы на 1800 приводит к изменению полярности; а если два сигнала с равной амплитудой, но не совпадающие на 1800 по фазе, смешиваются вместе, то они взаимопогашаются. Что ж, название старого термина – «циклы за секунду» – обусловлено циклической природой фазовых изменений, а нынешнее определение частоты – это количество изменений фазы во времени. Поэтому поворот фазы на 3600 равен одному циклу, т.е. это возврат к нулевому значению фазы.
Если поставить пару громкоговорителей в маленькой пустой комнате с отражающими поверхностями, то звук, отражаясь от них, будет распространяться внутри помещения по очень сложным траекториям. И вот что мы услышим: сначала прямой звук от громкоговорителей, затем, спустя несколько миллисекунд, пойдут мириады отражений, которые вскоре сольются в то, что мы обычно называем реверберацией. Было бы совершенно невозможно расслышать какие-либо нюансы в этой сумятице. Я называю это эффектом «радио на стройке».
Не единожды мне приходилось наблюдать, как по мере продвижения работ при строительстве контрольных комнат рабочие удивляются тому, как изменяется звучание их радиоприёмников. Я замечал это много раз и в разных странах. И если вначале непривычного для них строительства некоторые становились «в позу» (мол, что это за муру нас просят сделать), то под конец они признавались, что их просто удивило и поразило звучание радиоприёмников в законченной комнате.

Направленность громкоговорителей

В комнате произвольной формы объёмом 60 м3 с умеренно отражающими стенами, звук, который можно услышать в любой точке комнаты на расстоянии от источника, будет представлять собой баланс прямого сигнала от громкоговорителей и реверберации. В силу физических законов распространения звука, частоты примерно ниже 300 Hz излучаются во всех направлениях. С повышением частоты излучение звука представляет собой всё более сужающийся пучок, как показано на рисунках:

На первом рисунке показаны линии равновеликого уровня звукового давления (SPL), совпадающие в точке Х. Это значит, что в любой точке между громкоговорителем и точкой Х на т.н.оси излучения мы услышим звук в равном частотном балансе. В точке Y звук с частотой 100 Hz мы услышим на таком же уровне, а вот более высокие частоты будут уже сильно ослабленными. Амплитудно-частотная характеристика громкоговорителя относится только к тому, что мы слышим перед ним, тогда как реверберация и отражения в комнате в основном порождаются звуками, излучаемыми во всех направлениях и не имеющими гладких характеристик. Кстати, а вот с акустическими инструментами дело обстоит совсем не так!
Чтобы слушатель в точке X воспринимал все три частоты на одном уровне, необходимо обеспечить одинаковую интенсивность прохождения сигнала от источника к слушателю по всему пути между ними. Это означает наличие однородных частотных характеристик вдоль всей оси – воображаемой линии между слушателем и громкоговорителем, когда слушатель непосредственно обращён к излучающей поверхности громкоговорителя (см. пунктирную линию на рисунках). Но для создания гладкой частотной характеристики в осевом направлении громкоговорителю на частоте 1 kHz нужно излучать большую мощность, чем на частоте 16 kHz, поскольку изолиния равновеликого давления в этом случае имеет большую площадь. Аналогично этому на частоте 100 Hz требуется излучение ещё большей мощности, так как изолиния равновеликого давления на этой частоте охватывает ещё большую площадь. Пример из жизни: если нужно размазать порцию масла на большем куске хлеба с той же толщиной, то потребуется либо больше масла, либо придётся размазывать более тонким слоем.
Обратите внимание, что на нижнем рисунке точки X, Y и Z, в отличие от первого рисунка , расположены в обратном порядке. Именно поэтому многие производители профессиональных мониторов со встроенными усилителями и электронными кроссоверами предусматривают в них регулировки уровней низких и высоких частот. Это позволяет добиться гладкого звучания в осевом направлении (или в том, которое Вам нужно) в самой различной обстановке.
Из рисунков  видно, что нельзя сконструировать монитор с заданными характеристиками, если заранее не известны условия его монтажа и акустика помещения.

На рисунке (а)  показана зависимость звучания громкоговорителя от угла отклонения от оси его излучения (до 60-ти градусов), а на рисунке 34(b) – общая мощностная характеристика того же громкоговорителя. Обратите внимание на повышение мощности со снижением частоты для поддержания относительно постоянного давления в осевом направлении. Осевые и внеосевые характеристики звучания замерялись в безэховой камере (фото 22), где фактически нет отражений. Номинально она не имеет реверберации до частоты 70 Hz, ниже которой её поглощающих свойств уже недостаточно, чтобы называться безэховой. Общая мощностная характеристика (рисунок (b)) измерялась в реверберационной камере. Во избежание влияния на характеристику звучания стоячих волн, порождаемых структурой помещения, расчёт характеристик выполнялся путём сложения измерений, полученных при использовании данного громкоговорителя из двух разных позиций. Во время каждого замера по камере произвольно перемещали микрофон, чтобы добиться усреднённого показателя для всего пространства помещения. В данной камере время реверберации составляло около восьми секунд.
Поскольку в реверберационной камере общие характеристики, как правило, суммируются (громкоговоритель и микрофон перемещались только для того, чтобы сгладить какие-то мелкие неравномерности), то ясно, что замерять осевые и внеосевые частотные характеристики в такой камере было бы невозможно. Все графики были бы похожи на графики мощностной характеристики. И наоборот, в безэховой камере нельзя измерить общую мощность только в одной взятой точке. Для этого нужны были бы замеры в сотнях точек на фиксированном расстоянии от источника, затем обобщение этих замеров, что было бы весьма утомительным занятием. Реверберационная камера отражает излучение практически со всех направлений в сторону микрофона с минимальными потерями, что облегчает эту работу. В камере, показанной на рисунке 23, среднее расстояние прохождения звука до отражающей поверхности – около 6 метров, поэтому при скорости 334 метра в секунду в течение 8 секунд каждый звук отражается примерно 450, прежде чем он ослабеет на 60 dB.
Время реверберации, RT₆₀, – это время, за которое звук затухает на 60 dB от первоначального уровня. Это тот практический уровень, который взяли за основу при выработке данных стандартов. Оркестр в концертном зале выдает пиковый звук на уровне примерно 100 dBпри уровне фонового шума где-то около 40 dB, и финальные аккорды оркестра при затухании растворяются в шуме при падении их уровня примерно на 60 dB. 60 dB – это затухание звука до одной миллионной части его первоначальной мощности.

Помещения с реалистичными условиями прослушивания

На практике свойства обычных помещений оказываются где-то в промежутке между безэховой и ревербационной камерой, заимствуя черты каждой из них. При прослушивании на близком расстоянии громкоговорителя в обычной комнате, его звучание будет в основном определяться его осевой частотной характеристикой. По мере удаления от громкоговорителя вглубь комнаты всё большее влияние на слышимое звучание будет оказывать реверберантная (мощностная) характеристика. Расстояние, на котором характеристика звучания изменяется от преимущественно осевой до преимущественно реверберантной, называется критическим расстоянием. В помещениях одинаковой формы и размеров критическое расстояние будет отличаться в зависимости от величины звукопоглощения. В быту такое поглощение обеспечивают мягкие материалы: ковры, шторы, диваны, стулья; а на более низких частотах – окна, двери, половые доски, оштукатуренные потолки, книжные шкафы и другие нежёсткие предметы. Энергия, которая могла бы вызвать вибрацию объектов, поглощается до того, как она может стать отражённой.

Бесконечное разнообразие

Напрашивается вывод: если любые два помещения не имеют одинаковую структуру, одинаковую обстановку, если в них находятся люди и предметы разных форм и размеров, то каждое из них будет отличаться разной степенью поглощения, а значит и разным критическим расстоянием, которое вдобавок ещё будет частотно-зависимым в силу частотно-зависимого характера различных поглощающих поверхностей. Отсюда следует, что при прослушивании одинаковых громкоговорителей в различных помещениях воспринимаемый частотный баланс также будет разным. Частотные характеристики будут меняться даже в пределах критического расстояния, поскольку по определению критическое расстояние – это расстояние, за которым реверберантная характеристика становится доминирующей, а слышимой она становится ещё раньше. В гулком и звонком помещении комнатные резонансы могут быть слышны, даже если к громкоговорителю прижаться носом.
Расположение громкоговорителей и слушателей в комнате также оказывает влияние на характер восприятия звучания громкоговорителей, так как изменяется взаимодействие с гармоническими резонансами помещения и углы звуковых отражений. Это делает данную ситуацию ещё более вариабельной. Ещё хуже то, что отражения, возвращающиеся к диффузорам громкоговорителей, создают отличные друг от друга поля давления, сквозь которые диффузоры должны «проталкивать» звук. Когда диффузору приходится «проталкиваться» сквозь что-то с большей силой, он выполняет больше работы и таким образом излучает больше энергии. При перемещении громкоговорителя по комнате изменяется соотношение отражений, возвращающихся к диффузору. Соответственно изменяется излучаемый выходной сигнал, т.е. мощностная характеристика. Об этом пойдет речь в 12-й главе, поскольку это оказывает большое влияние на распределённые системы громкоговорителей (системы, использующие несколько громкоговорителей на один канал) и на точность локализации фантомных образов.
Так как вышеназванные переменные обстоятельства оказывают значительное влияние на звучание пары мониторов в помещении, не удивляет, что в такой же степени проявляются и различия отдельных помещений, отдельных систем. Поэтому многие бытовые системы звучат настолько по-разному. В этих различиях одна из причин такого разнообразия акустических систем на рынке hi-fi аппаратуры. Часто лишь возможность использования широкого ассортимента акустических систем со своими особенностями рабочих характеристик является единственным способом скомпенсировать акустические особенности конкретных помещений и добиться желаемых характеристик общего звучания.

Общие ориентиры

Разнообразие домашних помещений и их акустических особенностей – это те реалии, с которыми приходится считаться. Это реалии жизни. Но если постараться, то можно значительно скомпенсировать нежелательные акустические особенности помещений путём выбора оптимальных акустических систем и их оптимального расположения, добиваясь более подходящих или точных характеристик звучания. Однако это возможно только тогда, когда большинство записей также сводятся в схожих помещениях. В противном случае, если оптимизировать домашнюю hi-fi систему на какую-то одну подборку записей, то она «покажет» разве что коррективы, которые нужно сделать в отношении тонального баланса и баланса инструментов для компенсации аномалий плохой акустики помещения в самой студии, где делалось сведение.
Предположим, что в одной студии – провал по частоте 100 Hz, а в другой – пик на той же частоте. А теперь представим, что какому-то счастливчику удалось создать дома условия, обеспечивающие достаточно гладкую частотную характеристику. Во время сведения в студии с провалом на частоте 100 Hz, скорее всего, был «поднят» этот частотный диапазон, чтобы скомпенсировать звучание в контрольной комнате. При воспроизведении в более равномерных акустических условиях эта запись на этих частотах будет звучать громче, так как во время сведения они усиливались. Материал, сведённый в контрольной комнате с пиком в районе 100 Hz, скорее всего, был смикширован с понижением уровня этих частот, поэтому при воспроизведении на упоминавшейся нами бытовой системе в этом диапазоне будет «провал». Такие результаты не идут на пользу ни себе, ни своей клиентуре. Поэтому в студиях нужно делать всё возможное для обеспечения относительно равномерных условий мониторинга. Хотя добиться этого в малой комнате куда как сложнее, чем в помещениях большего размера.

Контроль помещений

На рисунке показаны различные частотные области, на которые влияют различные акустические особенности помещений. При контакте звуковой волны с объектом происходят три вещи: часть её проходит дальше, часть отражается и часть поглощается. То же происходит со светом, падающим на окно. Свет, который проходит в окно, передаётся через стекло. Если встать за окном, мы увидим себя на стекле; это, конечно же, отражение – свет отсылается назад туда, откуда он пришёл. Если мы откроем окно, то увидим, что в комнату попадает немного больше света, чем через стекло. Эта разница в освещённости минус количество света, отражённого назад к своему источнику, это свет, поглощаемый самим стеклом, который превращается в тепло.
Звук также подвержен диффузии и дифракции. Для диффузии у нас есть ещё одна аналогия со светом. Если мы в окнах установим замёрзшее стекло, то свет будет поступать, но не будет видно его источника, а в комнату будут отбрасываться лишь смутные тени. Диффузия перемешивает дискретные источники энергии и хорошо их рассеивает. Дифракция – это искривление звуковых волн, огибающих объекты, особенно с острыми углами. Дифракция происходит и со светом, который отклоняется (дифрагирует) вокруг граней непрозрачного тела. Дифракция световых волн, как и звуковых, зависит от частоты и создаёт эффект радуги, когда свет проходит сквозь узкую щель или обходит острый угол. В существовании параллелей между звуком и светом нет ничего странного, потому что оба примера связаны с распространением волн, ибо одни и те же законы распространения волн применимы и к электромагнитным световым и радиоволнам, и к акустическим звуковым волнам, и к волнам океана. Движение волн есть движение волн.
Но возвращаемся к рисунку 35. В помещении на высоких частотах звук является комбинацией прямого звука, зеркально отражённого от твёрдых поверхностей, рассеиваемого в результате диффузии и искривлённого в результате дифракции. Зеркальными называются отражения, которые возвращаются назад в комнату дискретными и нетронутыми. Зеркальное отражение даёт луч света, направленный на зеркало, но если его направить на лист бумаги, отражение будет рассеянным (этим приёмом пользуются фотографы для равномерного освещения объекта съёмки). То же и в акустике – в диапазоне, обозначенном на рисунке 35 буквой «С». В нём также проявляются эффекты дифракции (искривление волны вокруг объектов). Чуть раньше, в диапазоне «В», характеристика помещения, как правило, подчиняется гармоническим резонансам; при этом резонансная энергия может накладываться на прямую энергию, порождая неприятные резонансные «всплески». Их ещё называют «стоячими волнами», хотя термин «гармонические резонансы» здесь более уместен, так как существуют и совершенно безобидные стоячие волны. Во всех вышеописанных участках к прямому звуку добавляются различные эффекты: дифракционная, диффузная и отражённая энергия. В области, находящейся под влиянием гармонических резонансов, воспринимаемая частотная характеристика, как правило, имеет пики и провалы, образуя неровности в звучании определённых басовых нот. Об этом говорилось чуть раньше на примере разного поведения помещений на частоте 100 Hz.
Самая низкочастотная область на рисунке 35 – это зона давления. Она находится ниже частоты, длина полуволны которой больше самого протяжённого участка помещения.
Ниже этого значения частотная характеристика будет очень гладкой, а характеристика комната/громкоговоритель будет представлять собой характеристику громкоговорителя, скорректированную нагрузкой и ограничениями, накладываемыми на неё помещением. Помните, что помещения являются сосудами под давлением точно так же, как и корпуса мониторов. И точно так же, как корпус создаёт нагрузку на громкоговоритель сзади, так и помещение создаёт нагрузку на него спереди. Итак, в зоне давления отсутствует всякое «вмешательство» со стороны помещения, поэтому частоты в зоне давления будут ниже по уровню, чем частоты в следующей зоне, где действует отражённая энергия.

Большие помещения

Первые гармонические резонансы помещений, как правило, чётко разделены по частотам, поэтому неотделанное помещение обладает характеристикой, более похожей на волнистую линию на рисунке 35, чем на более «правильную» характеристику в виде линии «усреднённой характеристики помещения» на том же графике. Если помещение больше, то начальная частота возникновения гармонических резонансов опустится ниже – где-то до 17 Hz для 10-метровой комнаты; при этом опустится по частоте и верхний предел зоны давления. Гашение гармонических резонансов путём их поглощения позволяет снизить эффект «американских горок», накладываемый на частотную характеристику. Демпфирование в той или ной степени необходимо для любой контрольной комнаты, иначе изменение давления будет частотно- и позиционно-зависимым, а на резонансных частотах в комнате будет «зависать» энергия. В таких условиях, например, трудно понять, действительно ли во время прослушивания звук бас-бочки затухал так медленно, или же медленное затухание было следствием действия комнатных резонансов на этой частоте.
Позиционный эффект демонстрируется на рисунке 36, на котором показано распределение давления в помещении при распространении сигнала с частотой 70 Hz.

Более тёмные участки – это области превышения давления звука сверх нормы. Громкоговоритель и/или слушатель, находясь в более тёмных областях, генерирует или получает звуки гораздо более сильные в отличие от более светлых областей, где эти звуки содержат частоты, близкие к резонансу, в нашем случае – 70 Hz. Если в помещении проявляется только одна паразитная резонансная частота, то выравнивание частотной характеристики возможно путём переноса либо позиции прослушивания, либо позиции мониторов, либо и того и другого. Однако, из-за разных длин волн на разных частотах (если в помещении есть две или более паразитных резонансных частоты), данные схемы изменения давления в сторону повышения и в сторону понижения не будут совпадать позиционно. Выйдя из проблемной зоны на одной частоте, можно запросто попасть в проблемную зону на другой частоте.
Резонансный характер контролируемой области распространяется от верхнего предела зоны давления до частоты, обозначенной как f_L на рисунке 35, более известной как «частота большой комнаты».

Итоги

Хотя рассказанное в этой главе – мизер по сравнению с объёмом и сложностью данного вопроса, тем не менее, мы должны усвоить, что громкоговорители излучают звук очень неравномерно (к сожалению, совсем не так, как акустические инструменты), а помещения реагируют на их звучание тоже по-разному. В следующей главе попытаемся найти весьма эффективный способ решения этих проблем, чтобы добиться весьма высокой равномерности и чёткости мониторинга даже в малых помещениях площадью 14м² и объёмом 36 м³.

(c) Филип Ньюэлп