Звук с погружением, или, как его теперь называют, иммерсивный, с недавних пор вошел в число аудиотерминов. Под ним понимается применение системы громкоговорителей, имитирующей среду с заранее заданными акустическими свойствами, обманывающими представление слушателя о естественной акустике помещения, в котором он находится.

Немного истории

В начале прошлого века появление «динамического звукоизлучателя», в просторечии — динамика, воспринималось как чудо. Рупор, висевший на столбе, собирал толпы людей и был предметом вожделения и признаком неслыханной роскоши.

Тогда никто и подумать не мог, что появление громкоговорителей было на самом деле началом великого противостояния аудистов и акустиков. Последние довольно пренебрежительно посматривали на увешанных проводами людей, сосредоточенно колдующих над ящиками с лампами и жестянками с бумажными диффузорами. Жестянки изрыгали хриплые, мало похожие на настоящие звуки. Акустики тогда и не подозревали, что совсем уже скоро аудисты, вооруженные паяльниками и теоремой Чебышева (согласно которой любой звук может быть представлен разложением в числовую последовательность алгебраических рядов с любой, сколь угодно высокой точностью), покусятся на сакральное знание акустика о том, «как надо».

И вот ближе к концу XX века — «началось». Громкоговорители стали совершеннее, усилители перестали хрипеть, а производство настолько расширилось, что «железо» стало повсеместно доступным.

В этом месте мы вынуждены прибегнуть к арифметическому (не бойтесь, до высшей математики не дойдет) выражению общеизвестного, но иногда хорошо забываемого (не уверены, что бессознательно) модельного (а как иначе?) представления той музыкально-речевой информации, что попадает нам в уши от источника звука (не шума! М-м-м, что-то мы расшалились в комментах…).

Теперь немного формализма

Сигнал, попадающий в наши уши, складывается из трех составляющих:

I = I₀ + I_S + I_R.

I₀ — доля нерассеянного звукового потока, непосредственно попадающего в ухо от источника без каких-либо преград или отражений, что бывает в безэховой среде или вот в таких условиях «чистого эксперимента»:

I_S — вклад рассеянного звукового потока, образующегося от любого непрямого пути распространения звуковых волн (в смысле не сразу в уши, а посредством отражений).

А про третье слагаемое, I_R, мы пока не будем говорить, чтобы сохранить интригу для тех читателей, которым после определений уже все настолько ясно, что пора переключиться на передачи Первого канала ТВ.

Как замечательно порой выходит, когда физико-математическое описание чего-либо вдруг определяет перспективу развития науки или инженерии! Вот и в нашем случае нетрудно заметить, что первое слагаемое символизирует развитие аудиотехнологий начала прошлого века. Действительно, создание первых аудиосистем было направлено на изучение адекватной передачи сигнала от источника — граммофонной пластинки или голоса — в «динамический излучатель».

Как только это было достигнуто и развернулось массовое производство дешевых и качественных колонок, началось освоение второго слагаемого — I_S, доли рассеянного звука. Это вылилось в создание многоканального звучания систем Dolby, THX, DTS и прочих, названий коих мы в силу своей неосведомленности уже или пока не ведаем.

И вот она, великая победа?

Ну действительно, чем акустики оборонялись от нападок сторонников теоремы Чебышева? Тем, что аудистам до поры до времени никак не удавалось моделировать своими аппаратными решениями такой важный источник вклада в тембр, разборчивость и достаточное звуковое давление, как поле первых отражений от всех поверхностей помещения. Залы, лишенные свойства направлять отраженный звук в зоны прослушивания, совершенно справедливо относили к акустически неудачным. Исполнители в них перенапрягали связки, и даже при помощи электроакустического озвучивания одним, пусть двумя громкоговорителями результат был откровенно слабым. Речь — размытой, музыка — аморфной, слушатель — недовольным. Акустики опять правили бал.

Тут-то и появилось это самое слово — «иммерсивный». Слово это означало интенсивное погружение в состояние имитации звуковой реальности действа, окружающего слушателя, и максимально приближающее к ней.

Сначала такая технология развивалась в сторону использования специально сконструированных наушников-шлемов, где распределенные по объему точечные источники призваны были убедить слушателя, что его окружает иная звуковая реальность. Но жажда расширения пространства применения сделала свое дело — технология пошла осваивать помещения уже безо всяких наушников — теперь их роль играло помещение в целом. Аудисты стали моделировать поле первых отражений с помощью распределенной матрицы громкоговорителей, размещаемых на стенах, а потом и на потолке и направляемых в сторону слушателей. И надо заметить, что большие помещения стали весьма благодарным полигоном роста «иммерсивного дитяти».

Примеры успешного применения множатся по сей день. Количество динамиков, покрывающих «своим телом» всю поверхность стен, потолка и даже пола, стало приобретать угрожающий характер, а в скрытом варианте размещения за стенами начинает быть сопоставимым с количеством дырок от перфорации. Разгромное поражение акустиков было объявлено иммерсивным: аудисты утопили противника, а сам иммерсивный звук был назван чуть ли не панацеей в решении задач архитектурной акустики, панацеей универсальной и безальтернативной.

Здесь мы с вами подошли к главному повороту в изложении. И на сцене появляется подзабытый компонент триединого принципа формирования сигнала, а именно I_R. Что он означает? Он означает вклад резонансной доли в формирование сигнала. И вот в этом и заключается коренное отличие акустики больших помещений от акустики малых форм.

Большая и малая акустика

Условное разделение этих понятий определяется размерами помещения и основано на принципиальном отсутствии эффекта эха. Как известно, эффект эха определяется временной задержкой отраженного от препятствия сигнала на величину, близкую к 50 мс или превышающую ее. Отсюда условие отсутствия эха становится условием ограничения линейных внутренних размеров помещения в твердых, хорошо отражающих поверхностях, кои в простом случае параллелепипеда означают длину, ширину и высоту, не превышающие 8 м. Потому что сигнал, отраженный и возвращенный слушателю с опозданием на 16 м (туда и обратно), по времени будет задержан как раз на величину, близкую к 50 мс, по сравнению с прямым, проходящим расстояние от ротового отверстия до ушей.

Все большие помещения, вследствие существенного превышения указанных размеров, обладают повышенной вероятностью образования эха, и до недавних пор акустическое моделирование таких залов представляло собой немалую трудность, особенно в случае требований повышенной реверберации. Иммерсивный звук решает эту задачу на совершенно иных принципах. Помещение эффективно «заглушается» до величин времени реверберации ≤ 1 сек. простыми акустическими средствами в виде слоя звукопоглотителя на стенах и потолке, а дальше вступает в дело «гусарский полк» распределенных динамиков, имитирующих требуемый «сустейн» — затухание звука в градациях от аудиторного до оперного или даже церковного (для органа) ощущения качества.

Здесь все хорошо в акустике больших помещений. Вклад резонансного слагаемого в данном случае пренебрежимо мал: во-первых, вследствие затухания на больших расстояниях, а во-вторых, благодаря применению акустических поглотителей на проблемных поверхностях ограждений. Что же меняется в акустике малых помещений?

Экскурс для перегруппировки сил

Очень забавляет реакция архитекторов, дизайнеров, проектировщиков на простой вопрос: «А исходя из каких соображений вы выбираете размеры домашнего кинотеатра (музыкальной комнаты, комнаты стерео)?» К нашему глубокому сожалению, большинство не в состоянии обосновать свой выбор. В лучшем случае начинается невнятное бормотание на тему золотого сечения или диаграмм Болта, а обычно выбор делается, исходя из соображений эргономики и аппетитов на загромождение помещения всяческой фурнитурой. Тут необходим небольшой экскурс в теорию собственных частот помещения.

Если не превращать изложение в научный трактат, то вкратце можно напомнить уважаемым аудистам и неведающим (пока!) читателям, что любое помещение в отмеченных размерах (а теоретически так любое вообще) представляет собой резонатор. И поведение этого резонатора на низких частотах, которые, к слову сказать, являются предметом особой заботы любого слушателя «с ушами», поистине удивительно! А как важно! Например, хотя бы из-за эффекта маскировки басом более высоких частот, или из-за невозможности локализовать источник низких частот в помещении, или из-за того, что чувствительность к изменению поля низких частот по отношению к размещению слушателя, а также к размещению источника составляет первые десятки сантиметров. Вот ничего себе: шаг в сторону — и все изменяется. Почему?

Правила поведения мод в приличном помещении

Существенным шагом в понимании того, как формируется поле низких частот в помещении, является анализ распределения поля модальных (собственных) частот. Набор этих частот и определяется размерами помещения, который делится на осевые, косые и тангенциальные. Вот пример такого распределения частот для кубического помещения с ребром в 6 м.

Что в нем плохого и почему? В нем плохо то, что есть совпадающие модальные частоты первого порядка. Следовательно, на частоте совпадения появляется резонанс, который вносит значительное искажение в поведение АЧХ, а наличие разрывов между частотами существенно обедняет звучание. Наличие квантования собственных частот определяет название «модальные», вклад этих частот играет значительную роль в формировании тембра, яркости звучания. Крики звукорежиссера, обращенные к исполнителю: «Мяса, мяса давай!», — это вопль незнайки. Наличие и распределение мод в помещении способно обогащать или ухудшать звучание любого инструмента. И если ваше помещение выстроено с игнорированием этого закона, труд (включая и труд вокалиста) и бюджет может оказаться (и с большой вероятностью окажется) напрасной тратой и того и другого.

Поведение поля низких частот в помещении подобно поверхности моря. И правильно подобранные акустические размеры способны сгладить АЧХ — сделать из шторма штиль и сделать звук насыщенным. Насколько чувствительны изменения поля низких частот к изменениям размеров? Весьма. Достаточно сказать, что 5–10 см коренным образом способны изменить низкочастотное распределение, а значит, и поведение АЧХ. Задача коррекции сигнала по резонансному вкладу непроста и, к разочарованию аудистов, принципиально не разрешима с помощью теоремы Чебышева. Точнее говоря, можно в любом помещении выстроить поле в отдельно взятом месте (вспомните чувствительность поля низких частот к смещению источника или слушателя!) с помощью эквалайзинга. Но где взять столько эквалайзеров и источников звука, чтобы независимо исправить это поле во всех местах помещения?

Вот, для примера, как выглядит распределение мод в помещении, размеры которого, в отличие от архитектурных, уже гораздо ближе к акустическим:

Означает ли это, что данные размеры гарантируют от неприятностей (раскачки АЧХ) в спектре? Полностью — нет, ибо здесь необходим учет второго компонента формулы, рассеянного звука, который будет вносить коррекцию. Однако в вероятностном смысле изменение архитектурных размеров до приемлемых акустических не имеет иной альтернативы, поскольку обеспечивает акустический «штиль» во всем помещении. А значит, поиск оптимального размещения источников низкочастотного звука будет гораздо проще и хорошим звуком в помещении сможет наслаждаться не только тот, кто расположился в центральном кресле. Неслучайно, видимо, некоторые продвинутые аудисты уже знают, насколько же верна пословица «Каждый сабвуфер ищет свое место в помещении». Эта легенда теперь превращена в реальность.

Много ли таких размеров, которые можно отнести к акустическим? В любом случае это вопрос компромисса, однако полное игнорирование акустических размеров ведет или к отсутствию качества звука, или к неоправданно большим потерям бюджета. Наша практика говорит, что таких размеров гораздо больше, чем в диаграмме Болта-Кокса, хотя бы благодаря тому обстоятельству, что с одной-двумя неприятностями резонансов сейчас можно отлично справиться уже хорошо разработанными акустическими средствами.

Конечно, можно попытаться «нашпиговать» помещение сверхнормативным количеством сабвуферов и принудить поле низких частот к равномерному повиновению без скачков и провалов в АЧХ. Но что-то нам подсказывает, что слушателя не сильно обрадует такое решение.

В качестве заключения

Иммерсивный звук со всеми его разновидностями не решает проблему низких частот в помещениях малых форм. А значит, не способен удовлетворить качеством взыскательного слушателя. Нам представляется единственно возможным путь поиска подходящих акустических размеров помещения.

Процедура поиска не слишком сложна, но трудозатратна, хотя уже существуют программные средства ее реализации, например Room Attack©. Разрабатываются и более продвинутые расчетные инструменты. Однако эффективное применение требует учёта как влияния капитальных стен помещения, так и неизбежной во многих случаях шумоизоляции, которая может служить как основным “поставщиком” нужных собственных частот, так и создавать проблемы в конструировании. Но в любом случае “овчинка стоит выделки”, если речь идёт о наивысшем качестве звука.

А разве не об этом речь?

Авторы: Гнутик Андрей Павлович, Черезов Михаил Ильич.