Объективные акустические параметры и субъективные критерии оценки помещения

Узнайте, как объективные акустические параметры (время реверберации (англ. - reverberation time), ранние отражения (англ. - early reflections), коэффициент внутрислуховой корреляции (англ. - coefficient of interaural cross-correlation)) связаны с субъективными критериями оценки помещений: жизненность (англ. - liveness), ясность (англ. - clarity), пространственность (англ. - spaciousness), теплота (англ. - warmth), баланс (англ. - balance). Для концертных залов, студий и театров. Оптимальные значения для речи, камерной и симфонической музыки. Результаты исследований Беранека, Шредера и др.

ОБЪЕКТИВНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СУБЪЕКТИВНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПОМЕЩЕНИЯ

Влияние помещения на качество исполнения и восприятия музыки и речи хорошо известно любому исполнителю, лектору и слушателю. Достаточно вспомнить звучание оркестра, хора или органа в хорошем концертном зале или соборе с «прекрасной акустикой» или, наоборот, в помещениях с «плохой акустикой» (с большим уровнем отражений или слишком переглушенных и т. д.), чтобы оценить, насколько велика роль помещения в процессе формирования слухового образа.

Влияние помещения на звуковой сигнал можно рассматривать как его обработку особым пространственным фильтром (рис. 5.1.1). Помещение производит линейную фильтрацию сигнала, в результате которой меняется его временная структура и АЧХ (следовательно, и его тембр (англ. - timbre)) — рис. 5.1.2а, б, — а также баланс громкостей, пространственные характеристики и др. Следует отметить, что при обычных уровнях звукового давления (в залах с естественной акустикой) помещение можно рассматривать как линейную систему, однако, как показали последние исследования, в современных залах с мощными системами озвучивания (например, дискотеках) начинают проявляться нелинейные свойства воздушной среды, и помещение оказывает влияние на нелинейные характеристики сигнала. Задачи анализа акустики помещений (концертных, театральных залов и др.) включают в себя ряд взаимосвязанных проблем: исследование физических процессов формирования звуковых полей в помещениях различной формы; установление связей объективных акустических параметров с субъективными оценками слушателей; создание методов расчета и проектирования и пр. Все эти проблемы активно исследовались на протяжении длительного периода и находятся в настоящее время на разной стадии изученности [1–14].

Рис. 5.1.1. Процесс распространения звука в помещении и структура отраженных сигналов

Рис. 5.1.2.
а — временная структура звукового сигнала в помещении;
б — форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)

Физические процессы формирования звукового поля в помещении. Методы расчета

Когда источник звука работает в замкнутом помещении, то происходит сложный процесс формирования звукового поля в нем — за счет отражений от стен, потолка, пола и т. д. При этом звуковая энергия частично поглощается за счет затухания в воздухе, в стенах и различных предметах, находящихся в помещении, а также за счет прохождения звука во внешнюю среду. Кроме того, имеет место процесс дифракции звуковых волн при наличии различных препятствий (сравнительно небольших размеров) внутри помещения — колонн, экранов, кресел и т. д.

В каждую точку помещения, например в ту, где находится микрофон или слушатель, приходит сначала прямой звук (см. рис. 5.1.1), затем первые отраженные звуки с некоторой задержкой во времени, затем двух-, трех- и четырехкратно отраженные звуки и т. д.; при каждом отражении часть энергии поглощается, а часть приходит в рассматриваемую точку и накладывается на прямой звук. При этом происходит постепенный процесс нарастания плотности энергии в данной точке. Но так как при каждом следующем приходе N-го отражения величина прибавки энергии уменьшается, поскольку за счет поглощения отраженные звуки приходят все с меньшим уровнем энергии, то через некоторый промежуток времени (называемый временем атаки (англ. - attack)) наступает установившийся режим. В этом режиме источник звука работает и восполняет ту часть энергии, которая поглощается стенами, мебелью, воздухом и др., поэтому в помещении уровень плотности энергии устанавливается постоянным.

Если источник выключить, то происходит постепенный процесс спада энергии: сначала пропадает прямой звук, затем первые, вторые и т. д. отражения. Этот процесс послезвучания называется реверберацией (англ. - reverberation), а время, в течение которого он происходит, — временем реверберации (англ. - reverberation time). Характер этого процесса зависит от размеров и формы помещения, от звукопоглощающих свойств поверхностей (чем больше поглощается звук, тем короче время реверберации). Хорошо известно на практике, что в больших помещениях, отделанных твердыми материалами (кирпич, камень), звук гулкий, т. е. не исчезает сразу, а постепенно, медленно затухает. В таких помещениях речь звучит неразборчиво, но зато прекрасно может звучать органная музыка (например, в соборах). В помещениях, где много мебели, людей и др., звук затухает быстро; в переглушенном помещении звук становится сухим и глухим, музыкальное исполнение лишается сочности и выразительности.

Таким образом, можно выделить три фазы в процессе формирования звукового поля в любом помещении: период установления (атака), стационарный период, период спада (реверберация) — рис. 5.1.3. От соотношения этих периодов по длительности, а также от структуры отраженных звуков (их количества, соотношения амплитуд, направления прихода и др.) у слушателей и формируются субъективные ощущения «акустики» зала, т. е. ощущения пространственности (англ. - spaciousness), баланса, полноты (англ. - fullness), жизненности (англ. - liveness) и т. д.

Поскольку любой музыкальный или речевой сигнал имеет свои периоды нарастания, установления и спада, а процессы формирования звукового поля в помещении накладывают дополнительно на него свои процессы атаки, установления и послезвучания, которые особенно отчетливо слышны в паузах исполняемого произведения, то это приводит к изменению тембра звучания любой речи, музыки или пения. Достаточно сравнить восприятие любого музыкального произведения на открытом пространстве (стадионе или открытой эстраде), в концертном зале или в небольшом сильно переглушенном помещении.

Как уже было отмечено в главе 1, методы расчета звуковых полей в помещениях начали активно развиваться в конце XIX — начале XX века в работах В. Сэбина, С. Эйринга, Ф. Морза, Д. Рэлея и др. [1–3]. В XX веке был достигнут громадный прогресс в этом направлении трудами таких ученых, как Л. Беранек, Г. Олсон, X. Кутруф, М. Шредер, В. Кнудсен, М. Барон, И. Андо, В. Иордан, В. Анерт, В. Рейхард и др. [4–20, 46]. В России большой вклад в решение этих проблем внесли работы В. В. Фурдуева, М. А. Сапожкова, А. Н. Качеровича, В. С. Маньковского, Л. И. Макриненко, С. Д. Ковригина, Ю. П. Щевьева, И. Т. Дрейзена, В. В. Давыдова, М. Ю. Лане и др. [21–35]. В последние десятилетия активно развиваются методы компьютерного моделирования звуковых полей в помещении (техника аурализации (англ. - auralization)) [36].

В настоящее время при расчете структуры звуковых полей в помещениях, в том числе и с помощью компьютерных программ, например таких как ODEON, CATT, ORPHEUS [37–39] и др., используются три разных подхода, основанные на статистической, геометрической и волновой теориях.

Статистическая теория

Поскольку музыкальные и речевые сигналы являются квазислучайными процессами (см. гл. 2), то применение статистического анализа к исследованию структуры звуковых полей, создаваемых ими в различных помещениях, является допустимым, однако для этого относительно структуры звукового поля должны быть сделаны следующие предположения:

• средние по времени значения плотности звуковой энергии во всех точках помещения равны (это свойство называется однородностью (англ. - uniformity));

• направления прихода потоков энергии в каждой точке поля равновероятны и средние значения энергии по различным направлениям одинаковы (это свойство называется изотропностью).

Звуковое поле в помещении, которое обладает такими свойствами, называется диффузным, т. е. это поле однородное и изотропное.

Реальное звуковое поле в помещении можно приближенно считать диффузным только если энергия отраженных волн превышает энергию прямых волн. Для этого в помещении должны быть хорошо отражающие поверхности различных форм и размеров, обеспечивающие приход в каждую точку поля большого количества отраженных звуков с различных направлений пространства (примером такого помещения может служить реверберационная камера, т. е. комната с жесткими отражающими непараллельными стенками различных форм и размеров, используемая для проведения измерений).

Статистический метод анализа звуковых полей является приближенным, он применим только в ограниченной области частот и для определенных зон в помещении (например, его нельзя применять для анализа звукового поля вблизи сцены или вблизи сильно заглушенных поверхностей и др.). Кроме того, он не позволяет учесть распределение в пространстве амплитуд и фаз сигнала, т. к. дает только среднеэнергетические значения различных характеристик звукового поля. Однако статистическая теория при определенных условиях позволяет дать общее физическое представление о процессах формирования звукового поля в помещении и выполнить достаточно простой расчет некоторых его характеристик. В настоящее время методы статистической теории широко применяются для оценки параметров звукового поля в студиях, концертных залах и других помещениях.

Основные параметры звукового поля в помещении, которые могут быть определены с помощью статистической теории, следующие.

5.1.2. Связь объективных параметров и субъективной оценки акустики помещений

Объективные параметры, полученные с помощью волновой, статистической или геометрической теории, такие как время реверберации, структура резонансных частот, время и направления прихода ранних отражений и др., являются основой для оценки акустических свойств различных помещений (концертных залов, студий, театральных залов, аудиторий и др.).

Однако поскольку проблему расшифровки процесса формирования пространственного слухового образа на основе полученной информации об объективных параметрах нельзя считать окончательно решенной, то в оценке качества звучания музыки и речи в различных залах существенную роль играют субъективные оценки.

Значительные усилия были приложены за последние годы различными исследователями к установлению связи между объективно измеряемыми параметрами звукового поля в помещениях и субъективной оценкой качества звучания музыкальных и речевых программ в них. По этим вопросам в литературе опубликованы многочисленные (иногда противоречивые) результаты. Наиболее детальные исследования были выполнены Л. Беранеком [4–7] и М. Шредером [10].

Субъективная оценка акустики помещений для музыкальных и речевых программ представляет значительные трудности, поскольку требует решения следующих проблем: выбор метода оценки; выбор критериев оценки; установление их связей с объективными параметрами и др.

Выбор метода оценки: все используемые методы представляют собой специально организованные тесты на прослушивание, которые проводятся одним из следующих способов:

• в искусственно созданных условиях, например в синтезированном звуковом поле, создаваемом в заглушенной камере распределенной системой громкоговорителей;

• с помощью стереофонических записей, сделанных в испытуемых залах на «искусственной голове» для последующего прослушивания через головные телефоны;

• путем непосредственного прослушивания оркестра или исполнителей в испытуемых залах опытными экспертами с последующей статистической обработкой их оценок.

В любом случае результаты субъективных оценок акустики помещений существенно зависят от выбора экспертов: их общей и музыкальной культуры, опыта прослушивания, вкусов, профессии и т. д.

Выбор критериев оценки: одна из первых попыток составить «словарь» критериев субъективной оценки акустики музыкальных залов была предпринята именно Л. Беранеком [4]. На основе личного опыта, а также бесед с известными дирижерами, музыкантами, опытными слушателями он выбрал из многочисленных субъективных оценок различных залов (теплый, холодный, пустой, глухой и др.) восемнадцать наиболее употребляемых субъективных критериев, а из них предложил десять наиболее значимых и независимых. Хотя эта методика вызвала ряд возражений специалистов, она послужила толчком к многочисленным исследованиям. В настоящее время некоторые из результатов этих исследований введены в стандарты. К наиболее распространенным субъективным критериям оценки акустического качества помещений относятся: жизненность (англ. - liveness), полнота звука (англ. - fullness), различимость, или ясность (англ. - definition, clarity), интимность (англ. - intimacy), теплота (англ. - warmth), пространственность (англ. - spaciousness), громкость (англ. - loudness), баланс (англ. - balance), ансамбль (англ. - ensemble), тембр (англ. - timbre), а также отрицательные факторы — эхо, порхающее эхо, мешающие шумы. В ряде работ предлагаются дополнительно и другие параметры, например однородность (англ. - uniformity), атака (англ. - attack), текстура (англ. - texture) [40].

Прежде чем приступить к установлению связей субъективных оценок качества звучания и объективных параметров, была выполнена общая классификация всемирно известных концертных залов по качеству звучания в них различных музыкальных произведений на основе анкетных опросов музыкантов, музыкальных критиков, опытных слушателей и т. д. В результате все рассмотренные залы (более пятидесяти в разных странах мира) были объединены в три группы — А, В, С — в соответствии с качеством звучания исполняемых в них произведений. Соответственно в этих залах были проведены измерения объективных параметров реверберационного процесса.

Как было показано в разделе 5.1.1, для описания реверберационного процесса обычно используется величина «время реверберации», которая определяется объемом зала и общим коэффициентом звукопоглощения в нем, но не зависит от формы зала, структуры распределения поглощающего материала и т. д., т. е. является усредненной характеристикой.

Однако исследования по субъективной оценке качества звучания в различных помещениях заставили ввести целый ряд дополнительных параметров, более тонко характеризующих реверберационный процесс. Вот некоторые из них:

• «ранний звук» (англ. - early sound) определяется как прямой звук и отражения, поступившие в первые 80 мс после прихода прямого звука. Причем существенное значение имеет направление прихода этих ранних звуков. Так, например, звуки, пришедшие от боковых стен в первые 80 мс, создают ощущение пространственного расширения источника звука, что улучшает качество восприятия музыки;

• «громкость ранних звуков» определяется энергией прямого звука и энергией отраженных звуков, пришедших в первые 80 мс;

• «громкость реверберирующего звука» определяется общей звуковой энергией, которая достигает слушателя после 80 мс;

• «раннее время реверберации» — время затухания звука после выключения источника, когда уровень звукового давления уменьшается на 10 дБ. Кроме того, для сопоставления с субъективными оценками используется также время реверберации (ВР) при спаде звукового давления от -5 до -35 дБ при заполненных залах;

• «коэффициент внутрислуховой кросс-корреляции» (КВСКК) определяется как коэффициент корреляции сигналов, поступивших на два уха (обычно используется время интеграции от 0 до 80 мс в трех октавных полосах с центральной частотой 500, 1000 и 2000 Гц). Этот коэффициент характеризует степень различия звуковых сигналов на двух ушах как по времени их прихода, так и по амплитуде.

Кроме этих, используется для сравнения с субъективными оценками и целый ряд других параметров (эквивалентная реверберация, распределение уровней звукового давления и др.).

Сравнение результатов субъективных экспертиз, выполненных в вышеуказанных залах, с приведенными выше параметрами показало, что имеется отчетливая связь между общим впечатлением от акустики зала и временем реверберации [4–7]. В лучших концертных залах, выбранных по результатам субъективной экспертизы, среднее время реверберации равно 2,02 с (табл. 5.1.3).

На основе полученных результатов была выполнена более дифференцированная оценка отдельных субъективных параметров акустики залов и исследована их связь с измеренными объективными характеристиками:

• жизненность (англ. - liveness) — эти термины прежде всего связаны с оценкой общего впечатления от акустики залов, которая в первую очередь определяется значением времени реверберации (особенно в области средних и высоких частот). Все помещения по этому критерию ранжируются достаточно четко (соборы, концертные залы, студии и др.). Для каждого вида музыки и речи существуют оптимальные пределы изменения времени реверберации, которые зависят от объема помещения и частоты (рис. 5.1.15). Оптимальное время реверберации меняется в пределах от 0,4 до 1 с для речи, от 1 до 1,5 с для камерной музыки, от 1,6 до 2,2 с для симфонической и т. д.

В помещениях, где энергия отраженных звуков мала, звук будет казаться «пустым». В соборах, где звук от хора или органа имеет возможность свободно подниматься и отражаться от высоких потолков, энергия в реверберирующих звуках будет достаточно большой и звучание будет «полным». Для обеспечения этого качества звучания большое значение имеют выбор формы зала, размещение специальных отражающих панелей и других деталей убранства;

• различимость и ясность (англ. - definition, clarity) — степень, с которой отдельные звуки в музыкальном произведении четко разделяются друг от друга. Имеется два вида «ясности» (различимости) — «горизонтальная» и «вертикальная». Горизонтальная относится к звукам, следующим друг за другом. Композитор использует специальные приемы, чтобы ее обеспечить: темп, повторение тонов во фразе, относительную громкость последовательных тонов и т. д. Исполнитель также может влиять на горизонтальную различимость выбором манеры исполнения.

Акустические факторы в помещении, которые определяют горизонтальную различимость музыкального произведения, — это величина времени реверберации и отношение энергии ранних звуков к энергии реверберирующего звука:

C80=Eдо 80 мсEпосле 80 мс,C80​=Eпосле 80 мс​Eдо 80 мс​​,

т. е. факторы те же, но отношения обратные; таким образом, увеличение горизонтальной различимости уменьшает «полноту» тона и наоборот.

Вертикальная различимость — степень, с которой звуки, звучащие одновременно, различаются на слух. Она также зависит от стиля произведения, искусства исполнителя, акустики зала и опыта слушателя. Акустические факторы — баланс звуков различных инструментов, который существенно зависит от акустических параметров сценического пространства; отношение энергии ранних звуков к энергии реверберирующего звука.

Таким образом, горизонтальная и вертикальная различимость (ясность) зависят как от музыкальных, так и от акустических факторов. Их влияние должно учитываться композитором, чтобы сделать музыку доступной аудитории.

Например, хоралы Баха для органа, имеющие медленную мелодическую линию, медленное нарастание и спад звука, требуют помещений с большим временем реверберации (>3 с) и высоким значением отношения полной реверберирующей энергии к энергии ранних отражений. Они имеют малую горизонтальную различимость, но высокую полноту тона. В противоположность им, концертам Моцарта с быстрыми пассажами и тонким переплетением фортепиано и различных голосов оркестра необходимы помещения с относительно коротким временем реверберации и большим отношением ранней к реверберирующей энергии, т. е. с высокой горизонтальной и вертикальной ясностью.

Влияние темпа исполнения музыки на ощущения «полноты» и «ясности» звучания в помещениях с разными значениями времени реверберации и разным отношением Eдо 80 мс/Eпосле 80 мсEдо 80 мс​/Eпосле 80 мс​ показано на рис. 5.1.17. Здесь представлена разделимость отдельных коротких звуков в музыкальном произведении в зависимости от времени реверберации TревTрев​ и «ясности» — C80C80​. Как видно из таблицы, для помещений с коротким временем реверберации и большим значением C80C80​ (первая строка, примеры а и б) индивидуальные тоны быстрой и медленной музыки разделяются отчетливо, и процессы их атаки и спада хорошо различимы, заметна быстрая часть спада звучания самого инструмента (T) и более медленная часть (R) из-за процесса реверберации. Во второй строке приведены данные, которые соответствуют помещениям с большим временем реверберации и средним значением «ясности» C80C80​ (примеры в и г), — атака отдельных звуков будет слышна, а часть участка спада звука инструмента будет «закрыта» реверберацией (т. е. звучание инструмента существенно «затягивается» за счет того, что звук в помещении затухает достаточно медленно). При более быстром темпе исполнения уже и часть процесса атаки, так же как и спада звучания инструмента, будет плохо различима из-за реверберации.

Для примеров д и е величина TревTрев​ та же, но отношение раннего звука к реверберирующему звуку меньше, при этом часть атаки и почти весь спад звука инструмента закрыты реверберацией, тоны различимы плохо, «полнота» звука наибольшая. При быстром темпе тоны едва различимы, они скрыты почти полностью реверберацией, быстрые отрывистые звуки играть в таком помещении невозможно. Еще больше влияние реверберации и ясности C80C80​ сказывается на исполнении звуков разной громкости (примеры ж и з, примеры и и к). Как видно из рис. 5.1.17, слабые тоны практически полностью маскируются процессом реверберации и становятся неразличимыми.

Эти процессы в каждом конкретном зале должны иметь в виду композитор и исполнитель, выбирая темп, фразировку и т. д.

Таким образом, разные стили музыки требуют различных значений вышеуказанных параметров. О величине времени реверберации для концертных залов (и музыкальных студий) было сказано выше. Что касается коэффициента ясности (различимости) C80C80​, то для воспроизведения традиционной классической музыки его значение целесообразно иметь в пределах C80=(4±2)C80​=(4±2) дБ (на расстоянии от источника, равном $r$ — радиусу чуткости) [46].

Современные компьютерные технологии при моделировании процессов реверберации в разных помещениях дают возможность менять параметры в очень широких пределах. Однако, выбирая такие параметры, всегда необходимо помнить, что несоответствие характеристик помещения (времени реверберации, отношения энергии ранних звуков к поздним и др.) стилю музыкального произведения и темпу его исполнения может привести к совершенно иным субъективным ощущениям, чем это предполагалось. Поэтому при создании новых электронных композиций или обработке уже существующих необходимо учитывать указанные выше критерии;

• интимность (англ. - intimacy) определяет для слушателя кажущийся размер пространства, в котором он слушает музыку. Разные стили музыки требуют разных значений «акустической интимности». Интимность определяется разницей во времени между прямым звуком и первым отраженным звуком, а также, частично, общей воспринимаемой громкостью звучания (т. к. слушатель предполагает, что звук в маленьком помещении кажется громче, чем в большом). Основной вклад в ощущение «интимности» вносят первые отражения от боковых стен (в залах с достаточно высокими потолками) или от потолков при их сравнительно малой высоте. Как видно из рис. 5.1.18, разница путей прямого звука $D$ и отраженного звука RjRj​ в первом зале меньше, чем во втором, и, соответственно, во втором зале интервал времени между прямым звуком и первым отражением будет больше:

Δt=(Rn−D)/C,Δt=(Rn​−D)/C,

где $n=1,2,\dots$; $C$ — скорость звука.

Большая разница во времени прихода прямого звука и первого отражения создает у слушателя ощущение оторванности (отдаленности) от исполняемой музыки. В залах с хорошей акустикой, предназначенных для симфонического репертуара, этот временной интервал должен составлять для слушателей, сидящих в центре зала, 15–30 мс. В пределах этого времени, если отражения имеют похожий спектр и огибающую, а их громкость не выше прямого звука, они не воспринимаются как отдельные звуки, а помогают в улучшении локализации прямого звука (это явление известно как эффект Хааса). Задержка на такое время (при скорости звука 340 м/с) соответствует разнице в расстоянии примерно 12 м, что требует ширины зала порядка 18–20 м.

В период до XVII века камерная музыка создавалась в основном для малых ансамблей, исполнявших ее в залах с малой разницей прихода ранних отражений (меньше 15 мс), что создавало ощущение близости («интимности») исполнения. В XVIII–XIX веках увеличилось количество исполнителей и соответственно увеличились размеры залов (оперных, концертных и др.). Соответственно изменился стиль музыки, при этом время задержки выросло до 30 мс. В настоящее время, когда размеры концертных залов еще значительнее увеличились, исполнение в них камерной музыки создает ощущение несоответствия стиля музыки размерам зала. Для улучшения этой ситуации иногда используются дополнительные отражающие поверхности около сцены по бокам или на потолке, что позволяет создать дополнительные ранние отражения с меньшим временем запаздывания и тем самым улучшить восприятие исполняемой музыки;

• пространственность (англ. - spaciousness) — ощущение слушателя, будто музыка от оркестра идет от всей ширины зала и звук окружает его со всех сторон, что обычно характеризует залы с хорошей акустикой. Наиболее полно это ощущение проявляется при прослушивании органа или хора в больших соборах. В противоположность этому в залах с плохой акустикой звук кажется идущим как бы из «окна», по размеру совпадающего с видимой частью исполнителей.

Тренированный слушатель может различить две составляющие в восприятии пространственности — кажущееся расширение площади источника звука (англ. - asw) и окружение, или обертывание (англ. - lev), когда слушатель чувствует себя погруженным в звук со всех сторон.

По мнению многих экспертов, первая составляющая является одним из главных индикаторов акустического качества концертных залов и помещений прослушивания. Она связана с уровнем боковых ранних отражений: чем выше уровень боковых отражений в помещении, тем больше кажущееся расширение источника. Кажущаяся ширина звукового источника связана также с уровнем громкости на низких частотах — CнчCнч​ (в основном в области частот 125 и 200 Гц).

Однако наибольшую связь с этим параметром показывают результаты измерений коэффициента внутрислуховой кросс-корреляции сигнала — КВСКК. Этот коэффициент определяет степень различия звуковых сигналов на двух ушах как по времени их прихода, так и по амплитуде. Чем менее подобны друг другу звуки на левом и правом ухе, тем меньше этот коэффициент и тем больше кажущееся расширение источника $ASW=1-\text{КВСКК}$. В случае, если звуки одинаковы, коэффициент становится равным единице и кажущийся источник звука концентрируется в центре. Эти данные подробно изучены в теории стереофонии [43].

Измерения, выполненные в различных залах с помощью прибора «искусственная голова» на двадцати позициях при разных положениях источников звука, показали, что значения этого коэффициента, усредненного в трех октавных полосах с центральной частотой 500, 1000, 2000 Гц, при интеграции по времени в интервале 0–80 мс дают хорошую корреляцию с субъективными оценками кажущегося расширения источника — asw. Все измеренные залы оказались четко ранжированы по этому параметру. Для лучших по качеству звучания залов мира значения этого КВСКК оказались в пределах 0,3–0,6.

Результаты исследований последних лет [42] позволили установить, что наибольшее влияние на эффект ощущения пространственности звучания (кажущегося расширения источника) оказывают в первую очередь следующие параметры: коэффициент междуушной корреляции; уровень энергии и время задержки первых (в первую очередь боковых) дискретных отражений. Измерения и расчеты для разных позиций в помещении всех трех коэффициентов позволили установить достаточно четкую корреляцию между ними: например, коэффициент междуушной корреляции четко связан с уровнем боковых отражений $S$: $\text{КВСКК}\sim 100-S/1,5$.

Обертывание, или погружение (lev), связано с ощущением позднего реверберирующего звука, поступающего со всех сторон (после 80 мс). Оно определяется особенностями конструкции зала: наличием нерегулярностей стен, балконов и т. д., то есть всеми конструктивными элементами, которые обеспечивают приход звука с разных сторон (диффузность звукового поля). Так, например, ощущения звучания музыки у слушателя, к которому отраженные звуки приходят со всех сторон (от потолка, стен, пола и т. д.), будут существенно отличаться от ощущений слушателя, сидящего под балконом, к которому звук приходит только с фронта;

• громкость (англ. - loudness) — для оценки залов используется субъективное понятие, характеризующее громкость источника звука при игре фортиссимо по отношению к некоторой «ожидаемой» громкости на месте прослушивания (наиболее благоприятное расстояние по этому параметру в большинстве залов: 18 м для прослушивания прямого звука от оркестра, 6–15 м — от солистов).

Громкость определяется субъективным ощущением плотности звуковой энергии на месте прослушивания. Для ее объективной оценки в работах Л. Беранека [4–6] был предложен параметр «сила звука» (англ. - sound strength) (СЗ), который определяется как разность между уровнем звукового давления, измеренного на шумовом сигнале на месте слушателя, и уровнем звукового давления от того же источника на том же расстоянии в заглушенной камере. При этом измерения проводятся на шумовом сигнале в октавных полосах с частотами 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц и 4000 Гц. При измерениях учитывается только энергия прямого звука и ранних отражений, пришедших в первые 80 мс. Обычно нормируются два параметра: один усредненный в полосах 125 Гц и 250 Гц — Cнч2Cнч2​, другой в полосах 500 Гц, 1000 Гц и 2000 Гц — Cр3Cр3​. Значения этих параметров для лучших залов оказались равными 6 дБ и 6,2 дБ;

• теплота (англ. - warmth) — зависит от отношения времени реверберации на низких частотах к времени реверберации на средних (измеряется при заполненном зале). При этом время реверберации на низких частотах должно быть равно или больше времени реверберации на средних частотах (примерно на 20% в области ниже 125 Гц по отношению к времени реверберации в диапазоне 500–1000 Гц). «Теплота» субъективно определяется как «звучность» басов по сравнению со «звучностью» средних частот. Беранеком был предложен критерий КТН («коэффициент низкого тона»), равный отношению среднего значения времени реверберации на частотах 250 Гц и 500 Гц к среднему значению времени реверберации на частотах 500 Гц и 1000 Гц:

КТН=Tрев125+Tрев250Tрев500+Tрев1000.КТН=Tрев500​+Tрев1000​Tрев125​+Tрев250​​.

Его измеренные значения для лучших концертных залов оказались в пределах 1,08–1,10;

• баланс (англ. - balance) — понятие, используемое для оценки громкости отдельных инструментов и групп инструментов по отношению к общей громкости оркестра. Баланс должен иметь место как между разными группами инструментов, так и между оркестром и солистами. Он зависит от акустических особенностей сцены и околосценического пространства (подробнее об этом в разделах 5.2–5.5), размещения оркестрантов, способностей дирижера и звукорежиссера и т. д. Один из вариантов количественной оценки баланса звучания инструментов в помещении предложен в работе [26];

• ансамбль (англ. - ensemble) — понятие, включающее в себя «стройность, слаженность» совместного исполнения, а также ритмическую точность исполнения отдельных партий. Чувство ансамбля зависит от слышимости собственного исполнения и взаимной слышимости, что определяется в значительной степени конструкцией сцены и поверхностей вблизи нее (см. разделы 5.2–5.5);

• тембр (англ. - timbre) — это понятие сложное и многогранное, как уже было отмечено в главе 3. Тембр зависит от структуры звука во все периоды его звучания: в момент установления (атаки), в стационарный период и в момент спада. Акустические свойства помещения оказывают влияние на все этапы звучания и, соответственно, на воспринимаемый тембр. Как уже было отмечено выше, помещение является линейным фильтром, который производит обработку музыкального или речевого сигнала как во временной, так и в частотной области. Реверберационный процесс в помещении изменяет характер процессов спада звуков музыки и речи.

Структура распределения резонансных частот в помещении также существенно влияет на спектральный состав музыкальных и речевых сигналов. Как было показано в разделе 5.1, плотность резонансных частот зависит от размеров помещения. Для помещения с малыми размерами дискретные резонансы попадают в область слышимых частот и значительно «окрашивают» звучание. Плотность резонансных частот должна быть достаточно велика, чтобы не было заметно изменение тембра за счет резонансов (например, в работе [26] предлагается считать необходимой плотность пиков 0,1 пик/Гц на низких частотах и 3 пик/Гц на средних).

Исполнение музыки в помещениях с малым объемом неизбежно приводит к искажению тембра — за счет дискретных резонансов, малого времени реверберации, недостаточного временного интервала между прямым звуком и первыми отражениями и др. (музыка требует «пространства»: в частности, для музыкальных студий минимально допустимый объем должен быть не менее 200 м³). Таким образом, тембр существенно зависит от размеров и формы помещения, от распределения и величины коэффициента затухания в нем, от наличия рассеивающих элементов, обеспечивающих диффузное звуковое поле, и многих других факторов (из чего и складывается искусство создания залов с хорошей акустикой).

Следует подчеркнуть, что влияние параметров помещения на тембр звучания очень существенно, о чем по собственному опыту хорошо знают музыканты-исполнители. Поэтому выбор оптимального значения времени реверберации для каждого стиля музыки, а также оптимальных значений рассмотренных выше других параметров является обязательным условием обеспечения хорошего тембра звучания музыкальных и вокальных произведений в данном помещении.

Среди других субъективных критериев, достаточно часто используемых в различных исследованиях, можно выделить такой параметр, как текстура (англ. - texture). Он связан с субъективными ощущениями, которые определяются структурой первых дискретных отражений, разницей во времени между приходом прямого звука и первого отражения (а также между приходом второго и третьего отражения и т. д.) и соотношением амплитуд между этими отражениями.

До настоящего времени оценить все перечисленные субъективные критерии можно было только в уже построенных помещениях. Только созданные за последние годы методы компьютерного моделирования звукового поля с возможностью предварительного прослушивания звучаний различных музыкальных и речевых источников открывают принципиально новые возможности в проектировании концертных залов, студий и др. (см. раздел 5.3).

Наряду с акустическими параметрами помещений, которые определяют положительные впечатления от прослушивания в них музыки и речи, существует целый ряд параметров, которые являются мешающими факторами. Ниже перечислены основные из них.

Эхо (англ. - echo) — заметное на слух повторение прямого звука. Заметность эха зависит от времени запаздывания и интенсивности отраженных сигналов [22]. При времени запаздывания меньше 80 мс ощущение эха практически отсутствует, даже при достаточно больших уровнях сигнала.

Порхающее эхо (англ. - flutter echo) — многократная периодическая последовательность эха, что создает тональную окраску звука (эффект «гребенчатого фильтра»). Сильный эффект наблюдается при длинных параллельных стенах, что характерно для многих современных залов. Наличие эха может приводить к нарушению локализации звуковых источников, что совершенно недопустимо в помещениях для прослушивания музыки.

Мешающие шумы (англ. - noise) — общее впечатление от любого исполнения музыки или речи может быть в значительной степени испорчено, если в зале имеется высокий уровень мешающих шумов. В таких залах (или студиях) оказывается трудно, иногда практически невозможно обеспечить звукозапись. Уровень шумов в зале определяет динамический диапазон воспринимаемого музыкального или речевого сигнала. Поскольку слабые уровни сигнала маскируются шумом, это приводит к значительной потере качества звучания музыки и разборчивости речи.

Уровень шумов в помещении зависит от нескольких причин:

• проникновения внешних шумов от транспорта и др. Именно для борьбы с этими шумами применяются различные способы звуко- и виброизоляции при строительстве концертных залов и студий;

• возникновения внутренних шумов (от вентиляционных, осветительных и других систем), а также шумов от публики. При строительстве студий значительные средства затрачиваются на уменьшение уровней шумов от различных обеспечивающих систем.

Общий уровень шумов в хороших залах (и студиях) должен соответствовать международным нормам, т. е. быть ниже кривой NC-20 (даже предпочтительнее NC-15). Соответствующие кривые допустимых шумов показаны на рис. 5.1.19.

Общее акустическое впечатление от помещения, в котором прослушиваются музыка и речь, складывается из всех вышеперечисленных факторов (англ. - factors).

Значения основных вышеуказанных параметров для трех залов [6], отнесенных экспертами к лучшим залам мира по качеству звучания в них музыкальных программ, приведены в таблице 5.1.4.

Классификация концертных залов мира, выполненная в работах Л. Беранека [4, 5, 7], показала, что значения указанных выше объективных параметров существенно меняются при переходе от залов, отнесенных по общему звуковому впечатлению к высшей категории (А), к залам третьей категории (С). Усредненные значения параметров показаны в таблице 5.1.5.

Способы, которыми обеспечиваются оптимальные значения вышеуказанных параметров, различаются в зависимости от назначения помещения: концертные залы, студии звукозаписи, домашние помещения прослушивания и др. Некоторые из них будут рассмотрены в разделах 5.2–5.5.