Admin

Беседы о звуке

С. МИШЕНКОВ, д-р техн, наук, г. Москва

Очень многие радиолюбители сталкиваются с различными вопросами, связанными со звуковоспроизведением, поиски ответов на них в литературе сложны, и предлагаемые рекомендации иногда кажутся противоречивыми. Причин этому много, но главные — в отсутствии у спрашивающих понимания всей системы восприятия внешних проявлений информации человеком, в непонимании авторами вопросов прочитанных работ из-за расхождения терминологических определений, а иногда и неполного понимания физической сути явлений. Учебники по электроакустике и звуковому вещанию весьма объёмны (более 500 страниц), перенасыщены избыточной для радиолюбителя информацией и требуют знаний ещё многих предметов, но не дают ответов на многие практические вопросы.
Предлагаемый цикл отнюдь не претендует на роль учебника или дающей исчерпывающие ответы на отдельные вопросы монографии. Автор рассказывает о своём понимании некоторых явлений электроакустики, звуковоспроизведения, основных принципов формирования сигналов и их доведения до слушателя. Основным критерием включения тех или иных разделов является семидесятилетний радиолюбительский опыт и шестидесятилетний опыт профессиональной деятельности автора, связанной с различными разделами звукового вещания. Надеюсь, приведённые мысли и сведения пояснят непонятное и, возможно, разбудят желание глубоко изучить некоторые разделы учебников, монографий и профессиональную периодическую литературу.

Термины и определения
Информация — сведения об окружающем мире и протекающих в нём процессах, независимо от формы их представления. Не зависит от субъектов восприятия.
Вероятно, таково самое общее определение термина. Отставим десяток "профессиональных" определений (физических, айтишных, бухгалтерских...). Хотя центром сбора информации могут быть одушевлённые и неодушевлённые объекты, включая машины, механизмы, ЭВМ и каменные валуны, сползающие к воде, мы остановимся на приёмнике информации — человеке в целом и передаче информации между его органами.
Массовая информация — информация, важная большинству членов общества, проживающих в данном ареале.
Массовые коммуникации — системы коммуникаций, предназначенные для передачи массовой информации, электронные массовые коммуникации включают в себя звуковое и телевизионное вещание, вещание по сети Интернет.
Обычно фонограммы появляются дома с помощью устройств памяти или с помощью коммуникаций, поэтому знать основы и грамотно пользоваться средствами звукозаписи и электронными средствами массовых коммуникаций необходимо.
Вспоминаю: на демонстрации первой цифровой системы междугородной передачи сигналов звукового вещания лента на магнитофоне была заправлена основой к головке воспроизведения.

Связь, вещание, оповещение — виды коммуникаций, отличающиеся направленностью и численностью конечных пользователей.
Связь — передача информации конечному, заранее известному кругу пользователей. Перечень современных услуг связи охватывает проведение совещаний, например связь одного со всеми.
Вещание — передача информации неограниченному кругу пользователей, обеспечение возможности приёма информации на определённой территории. Число принимающих информацию в каждый момент неизвестно.
Оповещение — обязательное доведение информации до определённого круга лиц.
Массовое оповещение — обязательное доведение информации до всех лиц, находящихся на данной территории, используя все возможные на данной территории и в данное время виды связи. В современных системах
массового оповещения отсутствует подтверждение приёма информации каждым.
Электросвязь — любая передача, излучение или приём знаков сигналов, письменного текста, изображения и звуков или сообщений любого рода по проводной, радио, оптической или другим электромагнитным средам.
Радио — общий термин, применяемый при использовании радиоволн (Регламент радиосвязи Международного союза электросвязи — МСЭ).
Радио — запись, передача, воспроизведение звука (русский бытовой жаргон с 20-х годов XX века).
Основные принципы вс~..киятия информации человеком
Всё окружающее оказывает определённое воздействие на человека посредством колебаний и различг э рода полей: механические колебания (удары, вибрации, инфразвук, звук, ультразвук), электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновское излучение), химические воздействия (поле запахов), поле тяготения, радиационные поля, возможны и неизвестные нам поля по непосредственной передаче мыслей (можно допустить, что это передача и приём радиоволн непосредственно элементами нервных систем, может служить объяснением более полного непосредственного восприятия любых действий).
Восприятие мира человеком происходит в результате взаимодействий всех органов чувств: слух, зрение, обоняние, вкус, ускорение, тактильность, "мысленнных" воздействий (их природа пока неясна), сигналы которых обрабатываются мозгом с учётом фактов и образов, накопленных в памяти конкретного человека и всего общества.
Человек воспринимает эти воздействия различными органами чувств: тактильно, на слух, с помощью зрения, обоняния. Некоторые особо опасные поля (радиоволны, рентген, радиация) не ощущаются в процессе облучения, но могут разрушительно, вплоть до смерти, проявиться через некоторое время. При больших дозах облучения механическими волнами и светом человек ощущает боль.
На рис. 1 представлена упрощённая схема и алгоритм восприятия информации человеком. Центр формирования информации — мозг, содержащий элементы памяти, построенный на миллиардах нейронных сетей. К нему по нервным сетям поступают потоки информации от всех рецепторов — датчиков, принимающих внешнюю информацию, переносимую окружающими человека полями. Обработка одновременно приходящих от разных датчиков и хранящихся в памяти сигналов позволяет сформировать определённый образ предмета, а в динамике — его движения, действия.
Объёмы поступающей информации по каждому каналу огромны. Например, значения звуковых давлений, обрабатываемых при осознании звуковой картины, окружающей человека, изменяются от порога слышимости до болевого предела в 3* 106 раз. Аналоги таких биологических датчиков неизвестны, но самое главное, что для обеспечения жизнедеятельности важно отношение ближайших по заметности громкостей, т. е. шкала анализа должна быть логарифмической, что резко уменьшает объёмы обрабатываемой информации.
Закон Вебера и Фехнера, сформулированный в XIX веке, гласит: "Восприятие пропорционально логарифму раздражения". Этот закон действует в отношении всех известных воспринимаемых раздражителей (механических, звук, свет). Вспоминайте его при случайном ударе молотком по пальцам, если бы он не действовал, происходило бы отключение сознания — обморок или хуже.



Головной мозг человека анализирует все виды принимаемой информации, с помощью элементов памяти формирует общую картину окружающей среды и её воздействие, управляет и контролирует совместно со спинным мозгом все органы человека, включая органы чувств, формируя их текущую чувствительность к раздражениям.
Эволюция органов чувств пошла дальше — при изменении чувствительности изменяются характеристики этого рецептора, и даже по приходу другой информации, сопутствующей наблю
даемому явлению, происходит такое же изменение. Например, при взрыве сначала приходит и осмысливается видеоряд, и заранее изменяется чувствительность слуха, изменяются АЧХ и пространственная диаграмма направленности уха.
Таков показательный пример работы мозга при развитии человека с детского возраста с использованием памяти о различных явлениях из собственного опыта и использовании опыта всего человечества, передаваемого и сохраняемого различными источниками хранения информации (рассказы — воспоминания окружающих, книги, кинофильмы, грампластинки). Каждый человек вносит за свою жизнь, пусть весьма малую, частицу в общемировую базу знаний, которая управляет жизнью каждого и всего общества в целом. Возможно, в этом заключается бессмертие души — носителя информации.
Неоднократное или очень важное событие, отражающееся комплексом потока информации от всех органов чувств, сохраняется в памяти как определённый стереотип, который восстанавливается (домысливается) при пропадании какой-то части информации от некоторых органов чувств.

Рецепторы при выборе из принятых раздражений от внешних полей преобразуют информацию в вид, необходимый для передачи по нервам. Предполагается, что действуют электрохимические процессы при приёме информации — раздражения, а передача по нервам происходит электрическими сигналами.
Время от появления информации перед рецептором до её осмысленного восприятия Твоспр складывается из времени анализа и преобразования энергии анализируемых полей рецептором в энергию передачи по нерву ТпреОбР> времени передачи по нерву Тпер неРв, времени обработки сигнала для осмысления информации, включая многократные N обращения к памяти То6р, времени
передачи по нерву до управляющего элемента органа чувств, которое примем равным Тпер.нерв. и времени коррекции параметров органа чувств в процессе регулирования Трег с числом циклов коррекции NKOp.
В результате ТВОСПр — N ТпреОбР + (N+NKOp) Тпер нерв + N Тобр + NKOp Трег.
Временными задержками ТпернеРвДля органов слуха и зрения пренебрегаем ввиду малой длины нервов, расположенных в голове, и большой скорости распространения электромагнитных волн даже в сложной структуре нерва.
Большую задержку вносят сами рецепторы из-за чисто физической подстройки их конфигурации и электрохимических процессов. Правда, объёмы рецепторов микроскопические, поэтому времена преобразования могут быть небольшими. Конечно, максимальное время занимает мыслительный процесс по обработке информации в головном мозге ввиду её огромных объёмов, неоднократных обращений к памяти для сравнения с хранящейся в ней информации и записи поступающей. Ясно, что рассматриваемые времена обработки информации зависят от её объёма и поэтому полностью определяются видом и характером внешнего раздражителя.
Вычислить реальные задержки в каждом элементе сложно, особенно учитывая, что она различна у каждого индивида, но можно утверждать, что суммарное время обработки внешней информации в первом приближении, её осмысление, лежит в пределах 3...5 мс (заметны изменения в первые 1...2мс атаки). Это значение необходимо учитывать при рассмотрении свойств слуха и зрения, хотя окончательное решение, осмысление информации от рецепторов может произойти значительно позже — через 150...250 мс.
Нарастания фронтов сигнала в моменты атаки происходят за 5... 10 мс, что послужило поводом в 50—60-е гг. не рассматривать эти процессы, хотя уже было известно, что если при монтаже их вырезать, невозможно идентифицировать по звучанию некоторые инструменты.
Слух и зрение обеспечивают приём и обработку максимального, по сравнению с другими органами чувств, объёма жизненно важной для человека информации, причём слуховое и видеовосприятие наиболее тесно связаны друг с другом.
Каждый представляет себе работу этих органов, но рассмотрим подробнее строение уха (рис. 2) и глаза (рис. 3).

Акустические колебания, окружающие человека, предварительно анализируются размерами и формой ушных раковин внешнего слухового прохода, собираются и усиливаются за счёт отношения площади ушной раковины к площади барабанной перепонки. Диаграммы направленности каждого уха принципиально несимметричны, различны для различных полос частот, что позволяет определять направление на источник звука даже одним ухом.
Акустическое поле воздушного объёма перед барабанной перепонкой возбуждает колебания сложной рычажной системы "молоточек"—"наковальня"— "стремечко", передающей их улитке, на которой расположены рецепторы, реагирующие на частотную и амплитудную составляющие механического колебания. Тело улитки, длиной до 36 мм, находится в жидкости — перлимфе, что увеличивает длину волны в несколько раз по сравнению с воздухом и позволяет уместиться 25000...30000 рецепторам. Форма тела улитки в жидкости и размеры волосков рецепторов образуют сложную резонансную систему, отклик которой на воздействующее поле передаётся по нервному стволу в кору головного мозга.
Рычажная система представляет собой акустический (механический) трансформатор с повышающим коэффициентом передачи четыре, который может уменьшаться при напряжении мышц среднего уха, уменьшая чувствительность слуха в случае повышения уровня внешнего акустического сигнала.

Принято считать, что первоначальная обработка сигнала при его передаче в нервное окончание начинается ещё в самом рецепторе в процессе формирования сигнальной посылки для передачи по нерву, причём по нему же из коры головного мозга приходят корректирующие посылки, регулирующие чувствительность этого рецептора.
Кроме того, по отдельным нервам регулируется общая чувствительность всех рецепторов изменением коэффициента передачи рычажной системы, которая определяется общей громкостью всей звуковой картины. Интересно отметить, что мышцы среднего уха, управляющие громкостью восприятия, имеют добавочные рецепторы, позволяющие мозгу всегда точно оценивать их состояние.
Нервная система — ярчайший пример полностью распределённой системы, самовосстанавливающейся при потере и замене некоторых элементов.
Время установления переходных процессов от момента подачи тонального сигнала частотой 1000 Гц равно 160 мс и зависит от абсолютного значения его уровня. Для частот ниже 1000 Гц время установления увеличивается, как в любых фильтровых системах при понижении частоты анализируемого сигнала — увеличивается требуемое время анализа.
Восприятие глубины звукового ряда определяется временем пробега звуковой волны от источника до слушателя: Т = S/V, где S — расстояние; V — скорость звука; V = 340 м/с; при S = 1 м, Т = 3 мс. Таким образом, человек различает звуковые планы, разнесённые минимум на 1 м (расстояние между музыкантами в оркестре), обеспечивая, совместно с ориентацией по азимуту, точное определение месторасположения источника звука.
Строение глаза общеизвестно. Необходимо напомнить, что оптическая система хрусталик—сетчатка динамически управляется при разглядывании объекта, фокусируясь, выделяет в угле центрального зрения наиболее важные детали, с уменьшением резкости, переходя в область периферического зре
ния, причём площадь зоны "глубины резкости" (аналогично фото- и кинообъективам) изменяется при изменении диаметра светопропускающего отверстия системы роговица—хрусталик (аналогично диафрагме объектива). Управление этими параметрами осуществляется изменением геометрии и давления в глазном яблоке, которое управляет формой хрусталика (он может сжиматься и восстанавливаться).
Аналогичен эффект по изменению восприятия цвета — при переходе к периферическому зрению "цветовая чёткость" уменьшается из-за изменения строения сетчатки. Так осуществляется первичная обработка сигналов с рецепторов — уменьшается объём информации, поступающей в мозг, ускоряя процессы зрения. Именно этим эффектом можно объяснить некоторое изменение восприятия на изменения цветности изображения при изменении размеров экрана (при поддержании постоянной освещённости).
Не будем особенно углубляться в общеизвестные анатомию и функции ушей, глаз и мозга, но отметим, что не очень подробно исследованы временные параметры работы рецепторов, скорости передачи сигналов по нервам, кстати, не сказано, какие сигналы передаются по ним (как передаётся значение амплитуды воздействия) и сколь быстры механизмы регулировки воздействия яркости и громкости на рецепторы. Практически все характеристики зрения и слуха приведены для установившихся процессов.
Исследовать короткие временные задержки, вносимые отдельными звеньями неразрывной системы, можно по косвенным проявлениям, учитывая, что никакие звуки в природе не возникают мгновенно, а нарастают постепенно (все резонаторы: струны, столбы воздуха в трубах органов, всех духовых инструментов, гортани поющего и говорящего обладают какой-то добротностью, определяющей форму и длительность переходного процесса возникновения звука).
Эти переходные процессы несут важную информацию о конкретных инструментах. Кроме того, в закрытых помещениях на излучаемый звук накладываются реверберационные эффекты, затягивающие процессы атак звучаний.
Алгоритмы обработки сигналов от рецепторов головным мозгом подробно неизвестны, но можно предполагать, что используются методы последовательных приближений одновременно производящих регулирование "чувствительности" по громкости и яркости с одновременным изменением АЧХ (кривые равной громкости), изменение диаграммы направленности уха и изменение глубины резкости — восприятие объёма разглядываемого сюжета.
Такое совместное изменение параметров слуха и зрения — наглядный пример выделения предмета наблюдения при уменьшении освещённости объекта и громкости звука, излучаемого источником.
Вообще, глубина и точность совместного изменения параметров органов чувств при изменении наблюдаемого объекта поражают. Поражает и "резервирование" всех органов чувств. Например, даже при полном прекращении работы одного глаза или уха объёмное восприятие звуковой и видеокартины сохраняется, конечно, с уменьшением эффекта и искажениями. Бинауральный эффект (в чистом виде — восприятие двумя разнесёнными на ширину головы уха и глаза) заменяется тремором (дрожание глаза) и сравнением, мысленно, двух изображений, сдвинутых по времени.

Аналогично происходит определение направления прихода сигнала по вертикали. Происходит также тремор звуковой диаграммы направленности по горизонтали и вертикали, помогает этому эффекту изменение АЧХ при изменении направления прихода звуковой волны (определяется весьма сложной формой ушной раковины). Определяется даже направление на источник: в задней и верхней полусферах.
На рис. 4 показана частотная зависимость восприятия однотонального сигнала, в зависимости от абсолютного значения звукового давления, на частоте 800 Гц.
Большинство радиолюбителей многократно видели кривые равной громкости, знают, что неравномерность АЧХ порога слышимости достигает 60 дБ, и помнят, что увеличение чувствительности слуха на средних частотах на 6... 10 дБ привело бы к заметности и мешающему действию шумов броуновского движения молекул воздуха.
Огромная неравномерность АЧХ слуха заставляет задуматься о её причинах и влиянии на слуховое восприятие.
Возможная причина выделения полосы средних частот — в максимальном присутствии звуков, несущих смысловую голосовую информацию, Возможно и взаимное влияние — сужение спектра звуков речи, чтобы привести его в соответствие с АЧХ слуха. Во всяком случае, низкочастотные звуки грозы и землетрясения, несущие информацию об опасности (опасны достаточно близкие), имеют большой уровень.
Кривые равной громкости наглядно подтверждают главное свойство любого органа восприятия внешней среды — нелинейность восприятия, зависящего от абсолютного значения данного и иных раздражений, их спектра, длительности воздействия и, главное, их взаимодействия, полностью определяющих окружающую информацию.
Желание знать и применять все свойства восприятия внешней среды порождают углублённые исследования и теоретические обобщения. Рождается много графиков функций и их аппроксимации различными законами, помогающими строить различные физиологические модели для попыток численных
вычислений различных слуховых эффектов, включая заметность искажений сигнала в звуковом тракте.
Многофакторность процессов восприятия пока не может полностью учитываться, и основным методом исследования качества трактов является проведение субъективно-статистических экспертиз.
Известно, что человек правильно воспринимает тональный сигнал в области максимальной чувствительности слуха (называя его частоту — ноту музыкального строя) при десятимиллисекундном воздействии. Различаются атаки двухтональных аккордов при задержке одного из тонов на 1 ...2 мс от атак аккордов с теми же тонами, начинающимися одновременно. Исходя из этих фактов, можно предположить, что время обработки сигналов в комплексе слуховые рецепторы—головной мозг, включая управление чувствительностью рецепторов, составляет около 10 мс, а громкость аккорда оценивается за 150...200 мс. На частотах ниже 1000 Гц требуемое время анализа увеличивается, что говорит о том, что для подробного анализа звука необходимо прослушивать несколько (5... 10) периодов колебаний, что полностью совпадает с теорией анализа спектра.
Об этом же говорит уменьшающаяся точность определения частоты звуковых колебаний при её уменьшении. С этим явлением сталкиваются при реставрации старых граммофонных пластинок: очень трудно восстановить частоту вращения диска при записи, имея партитуру и прослушивая басовые партии записанного произведения (даже Ф. Шаляпин фальшивил, беря нижние ноты).
Неверно представление частотного анализатора в виде простого набора узкополосных фильтров (существование биологических резонаторов большой добротности физически невозможно). Основную работу выполняет головной мозг, анализирующий амплитуду и фазу откликов на возбуждающий сигнал большого числа близких по резонансным частотам резонаторов. С уменьшением числа анализирующих резонаторов (именно это мы наблюдаем на краях диапазона слышимых частот) уменьшается точность анализа.
Такой механизм частотной селекции звуков позволяет объяснить разную разрешающую способность по частоте у разных слушателей, возможность её роста при постоянной тренировке, например, у музыкантов, дирижеров, звукорежиссеров, постоянно слушающих и анализирующих различные звучания. Учителя музыки знают, что музыкальный слух можно развить. Профессиональные музыканты, их дети, выросшие в оркестре или в звуках непрерывных репетиций, замечают фальшь в звучаниях с точностью лучше долей цента в аккорде (цент в музыкальной акустике — логарифмическая единица измерения интервалов между частотами звуковых колебаний; интервал 100 центов равен 1/12 части октавы), а некоторые из них и в звучании единственного тона, в сравнении с внутренним звучанием или пропевае-мым им, опираясь на стереотип звучания конкретной ноты.
Отличаются по заметности фальшивости созвучия, спектр которых сдвинут на какое-то значение (частые искажения при преобразованиях в системах связи) или в какое-то число раз (наиболее распространённое искажение в системах звукозаписи). Большинство слушателей замечают сдвиг спектра на 0,5 Гц и практически не обращают внимания на изменение скорости на 1/25 при воспроизведении кинокопий со скоростью 24 кадр/с по телевидению со скоростью 25 кадр/с. Заметность периодических изменений скорости (детонация) значительно выше (до 0,1 %).
Хорошо помню возглас штатного настройщика инструментов радиодома, прибежавшего в комнату прослушивания, при воспроизведении фонограммы со сдвигом спектра: "Я так не могу".
Интересно отметить, что сдвиг спектра сигнала вверх создаёт полную иллюзию ускорения проигрывания фонограммы, а сдвиг вниз — замедление. Такие эксперименты показывают жёсткую связь воспринимаемых сигналов со стереотипом восприятия, формируемым всей предыдущей жизнью.
Практическое применение таких эффектов возможно для сокращения отрезков времени звучаний, например рекламы, с одновременным сдвигом спектра вниз до кажущегося восстановления первоначального тембра, Конечно, подбор значения сдвига спектра при заданных ускорениях воспроизведения необходимо подобрать на слух.

Необходимость первичной обработки сигналов
С момента зарождения кино, первых звуковых радиопередач, затем первых телевизионных передач исполнители, операторы, режиссёры стремились придать звуковым и видеорядам максимальную, кажущуюся зрителю, слушателю достоверность. Под достоверностью подразумевается соответствие восприятия информации зрителем или слушателем её восприятию, задуманному автором в заданных условиях. "Перенос" по восприятию из точки наблюдения в задуманную автором, например, создание в жилой комнате иллюзии действия в концертном зале или в кабине паровоза, или в чистом поле.
Ещё до появления средств массовых коммуникаций исполнители театральных постановок перевоплощались для создания необходимых образов в задуманных автором условиях. Известнейший пианист, ректор Московской консерватории Г. Г. Нейгауз говорил, что отличие игры мэтра от отличника музыкального училища в том, что он слушает звучание своей игры в зале, а не правильность звучания.


Исследование четырёх фонограмм одной пьесы в исполнении Г. Г. Ней-гауза, записанных в Большом и Малом залах Московской консерватории, Бетховенском зале Большого театра и в какой-то жилой комнате, показало различие в длительности фонограмм от 244 до 170 с. Таков нагляднейший пример первичной временной обработки сигнала на соответствие акустических и даже остальных (визуальных, тактильных) условий прослушивания исполнителем.
Вспомним, чем отличается звучание в зале от прямого звука, который мы можем слышать непосредственно у исполнителя (на расстоянии 10...20 см от источника звука), считая каналы связи от головного тракта до помещения прослушивания, включая акустические системы слушателя, идеальными, не вносящими помех и искажений.
В любой точке помещения для прослушивания, кроме прямого звука от источника, возникают отражения звуковых волн от ограничивающих его поверхностей: стен, потолка, пола, которые, в свою очередь, отражаются от следующих препятствий и т. д. В зависимости от положения слушателя и источника звука, свойств отражающих поверхностей и расстояний до них акустическая картина изменяется от различимого эха (первые отражения) до множества суммирующихся отражений, статистически складывающихся в общее звуковое поле зала, продолжающееся после прекращения звука от источника. Это явление называют реверберацией, а время затухания плотности звуковой энергии, уменьшающейся в 106 раз, уменьшение её уровня на 60 дБ после прекращения звучания источника называют временем реверберации ТР (рис. 5).
Для небольших помещений, а также для помещений большого объёма, но на частотах ниже 1000 Гц, по формуле Сэбина время реверберации равно:
TP = 0,164V/[-Sln(1-a)],
где V — объём помещения, S — площади ограничивающих его поверхностей, а — коэффициент звукопоглощения.
Значения коэффициента поглощения а для некоторых материалов на разных частотах приведены в таблице.
В помещениях большого объёма на частотах от 10ОО до 4000 Гц звукопоглощение происходит на стенах и в воздухе. На частотах более 4000 Гц — в основном, в воздухе.

При небольших значениях коэффициента звукопоглощения а<0,2 можно использовать упрощённую формулу Сэбина:
ТР = 0,164V/(aS).


При проектировании и эксплуатации акустических систем в залах надо учитывать их заполнение зрителями. Было бы идеально сделать звукопоглощение пустых кресел равным звукопоглощению кресла со слушателем.
Как видно из таблицы, звукопоглощение очень зависит от частоты падающей звуковой волны, поэтому время реверберации частотно-зависимо и оговаривается допустимыми спадами на низких частотах (125 Гц) на 0,2...0,25 ТР опт- Не нужно стремиться выравнивать АЧХ ТР, поскольку она отражает привычные законы реверберации, соответствует сформированным нами стереотипам.
На рис. 6 приведена диаграмма определения эквивалентного времени реверберации. Как видно из диаграммы (линия 1), звуковая энергия в момент выключения источника изменяется скачком, за счёт исчезновения прямого звука. В идеально диффузном поле скачок отсутствует (линия 3).
Два процесса спадания звуковой энергии — со скачком уровня и без скачка оцениваются на слух как эквивалентные, если точка их пер*3''' А отстоит от момента времен»,. ч на 0,2 с. Время, в течение которого плотность звуковой энергии этого эквивалентного процесса (линия 2) уменьшается на 60 дБ, определяет время эквивалентной (ощущаемой на слух) реверберации ТЭР.


Акустическое отношение R — соотношение плотности звуковой энергии

прямого £пр и диффузного £Отр звуков:
R = еОтр/еПр = 16л • г2- (1 -a)/(aS), где г — расстояние от источника звука.
При удалении от источника энергия прямого звука затухает и на расстоянии, называемом радиусом гулкости, сравнивается с энергией диффузного поля, R = 1. Для открытого пространства или в полностью заглушенной измерительной камере R = 0.
Архитектура храмов, залов направлена на создание необходимых условий просмотра и прослушивания соответствующих действий, представлений. В древнем Риме, в Колизее несколько тысяч зрителей слышали объявления ведущих гладиаторских боёв без активного звукоусиления. В ближнем Подмосковье сохранилась церковь (возможно, 13 или 14 век), в каменные стены которой вмонтированы обожжённые глиняные сосуды, открытые горла которых выходят во внутренний объём храма. Объёмы (резонансные частоты) сосудов выбраны такими, что даже при выбитых стёклах окон в помещении сохраняется большая громкость и высокая разборчивость речи, несмотря на голые стены и частично разрушенные стенные колоны.
Католические храмы (ТР > 5 с) идеально приспособлены для чтения проповедей стоящим на возвышении пастырем сидящим прихожанам (громко и разборчиво для очень медленной речи). Идеальные условия для исполнения Ave Maria, все варианты которой написаны композиторами именно для исполнения в католических храмах.
В православных храмах ТР несколько меньше (больше заполнение храма и больше коэффициент поглощения стоящей паствы). Громкость остаётся прежней, а мешающее действие порхающих эхо уменьшается, если нижние по высоте два метра стен покрывают акустической штукатуркой.
Многовековая практика сформировала стереотип восприятия музыки и театральных представлений в залах с временем реверберации от 1 с до 2,5 с. Для студий поиски оптимального времени реверберации помещения для исполнения музыки проводятся непрерывно, причём обработаны сотни мнений музыкантов и слушателей, определяющих зависимость стереотипа восприятия звуковой картины от объёма помещения, в котором происходит действие.
Остановимся на оформлении звуковых и видеостудий, в которых исполняется значительная часть передаваемой информации. Всё оформление студий должно быть направлено на первичную обработку сигналов: настраивать исполнителей акустически и визуально на требуемый для данного жанра стереотип при их исполнении.
Информационно-речевые передачи обычно ведут один-два человека, главное — максимальная разборчивость речи при подчёркиваемой достоверности содержания и исполнения, ТР = 0,4 с. При близком расположении микрофона (в пределах до 10... 15 см) результирующее ТР приближается к ТР комнаты слушателя. Помогают созданию достоверности сообщения небольшие, даже технологические разговорно-смысловые шумы.


Литературно-драматические передачи исполняют несколько (до десяти) актёров и требуют студии большего размера со специфическими акустическими условиями: от улицы — ТР = 0, до заглушённого "машбюро" — ТР = 0,6 с, "жилой комнаты" — ТР = 0,6...0,8 с, "комнаты под сводами" — ТР = 3 с. Для всех постановок требуются шумы многих бытовых устройств: скрип и стук различных открывающихся и закрывающихся дверей, окон, форточек, различных дорожных покрытий для имитации ходьбы по ним и прочих устройств, создающих различные природные и "технические" звуки. Обязательна обширная фонотека различных шумов. Помню одновременный монтаж пяти шумовых программ в вагоне "поезда революции" вплоть до подбора варианта паровозного гудка (записи гудков паровозов двадцатых годов были слишком писклявы). Исполнители ролей предпочитают сиюминутную имитацию готовым ввиду более точного ритма исполнения всего отрывка. Раньше все средства объединялись одной фонической аппаратной литературно-драматического блока.
Число исполнителей музыкальных произведений — от 1—3 до 120—159 (большой симфонический оркестр, солисты и хор). В концертных студиях возможно присутствие ещё 50—100 зрителей, объёмы концертных студий — от 100 до 10000 м3.
ТР музыкальных студий от камерных до больших концертных вырастают от 0,8 до 1,8...2 с.

При первичной обработке звуковых сигналов необходимо учитывать, что во время их воспроизведения у слушателя происходит суммирование акустических условий первичного и оконечного помещений. Наглядно это явление демонстрируется при домашней попытке сравнения записи с оригиналом — двойное суммирование акустических условий комнаты. Уменьшать время реверберации в готовой первичной записи очень сложно, поэтому первичные дубли записи делают с минимальным временем реверберации, приближая микрофон, доводя её до необходимого значения искусственно с помощью цифровых или аналоговых ревербераторов, имитирующих акустические процессы в помещениях.
Необходимо размещать микрофоны на расстоянии значительно меньше радиуса гулкости. В этом оправдание применения петличных микрофонов при введении соответствующей частотной коррекции.
ТР в студиях всегда меньше ТР залов, спроектированных для исполнения произведений определённых жанров, но достаточных для создания стереотипов звучаний в помещениях у исполнителей, необходимых для их первичной обработки при исполнении. Необходимо помнить, что звуковоспроизведение некоторыми музыкальными инструментами (особенно духовыми) в помещениях малого объёма приводит к слышимым многими нелинейным искажениям.
В телевизионных студиях оптимальная реверберация должна соответствовать кажущимся размерам помещения в кадре. Это требование относится и к звуку крупных планов: можно увеличивать реверберацию, когда исполнитель поёт или говорит, повернув голову в сторону от зрителя, а не наоборот. Не надо показывать саксофониста, вытряхивающего слюни из инструмента, во время соло скрипки.



Указанные пределы приводятся в нормативных документах для проектирования помещений, но всё может корректироваться при изменении рассадки музыкантов в конкретной студии, замыслу режиссёра, исполнителей. Окончательная настройка студий, залов происходит при их использовании.
Особенно сложна борьба с первым и с порхающими эхо. В большой концертной студии Московского радиодома появились "паруса" из звукопоглотите-ля, закреплённые на расстоянии около одного метра от стен с основным звуко-поглотителем. Очень сложно проводить звукоусиление в зале со сплошными стеклянными боковыми стенами — заглушить такой банкетный зал нельзя.

Можно отметить, что такой же дефект (заметное, мешающее прослушиванию эхо) наблюдается в Большом оперном театре Вены. Причина в том, что гладкие ровные стенки у барьеров ярусов в стандартном многоярусном зале не содержат каких-либо рельефных украшений, помогающих рассеивать отражённые волны.
Акустические условия исполнения, в первую очередь, время реверберации помещения ТР, определяют требуемый, соответственно стереотипу восприятия аналогичных произведений в данных условиях, заложенных в памяти слушателя, динамический диапазон уровней N2 громкости исполняемого произведения. Отсюда общепринята первичная обработка сигнала, требующая уменьшения N1 — громкости произведения, исполняемого в помещении с большим ТР1 при его воспроизведении в помещении с меньшим ТР2.

В. С. Островский (ВНИИТР, семидесятые годы прошлого века) предложил формулу N2 = N1 х ТР2 / ТР1.
Заметим, что согласно формуле В. С. Островского при озвучивании больших залов полезно добавлять реверберацию в фонограммы, предназначенные для "комнатного" прослушивания.
Самодеятельные певцы в караоке любят добавлять значительную реверберацию, которая создаёт иллюзию выступления в зале и сглаживает некоторые огрехи исполнения, но уничтожает индивидуальность исполнения.
Упрощённая теория возникновения реверберационных процессов в залах обычно упускает анализ возникновения первых отзвуков, которые создают индивидуальную окраску звука каждого зала и не учитывают направления прихода отражённых звуков к слушателям в разных рядах ("стереофоничность" реверберационного процесса, определяемая архитектурой зала, и в том числе "стереофоничность" самого первичного сигнала). Под "стереофоничностью" я понимаю не только направление прихода звука от источника по ширине и высоте, но и обязательно по глубине.
Последние отчёты по измерениям новых залов обязательно включают данные по ТР от источников, расположенных в разных местах, включая зрительские.
Вспомним разницу звучаний оркестра, рассаженного на сцене, и в оркестровой яме.
Совершенно непонятно желание модных театральных архитекторов
вынести сцену к середине зала, а некоторые зрительские места располагать даже сзади, над сценой. Они забывают, что каждый музыкальный инструмент обладает своей диаграммой направленности, исходя из которых родились основные принципы рассадки исполнителей на сцене, а разборчивость речи, не говоря даже о красоте человеческого голоса, резко падает при слушании сзади.

Конечно, основное назначение залов — создать необходимую звуковую картину зрителям — слушателям, но нельзя забывать и о музыкантах, которые должны слышать себя, друг друга и представлять, как их слышно в различных местах зала. Идеален по этим качествам Большой зал Московской консерватории. К сожалению, существуют залы, в которых музыканты не слышат себя, и необходимо им помогать, организуя "подзвучку сцены".
(Продолжение следует)

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК