: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2003 : #8

Основы психоакустики, часть 18
Связь между субъективными оценками акустики помещений
и объективными параметрами (новые результаты)
Ирина Алдошина

Как уже отмечалось в предыдущих статьях ("Звукорежиссер", 10, 12/2000), помещение, в котором распространяется звук, например, концертный зал, студия, аудитория и др., - оказывает огромное влияние на воспринимаемое качество звука. По существу, помещение является полноправным участником создания звукового образа в системе "создание-распространение-восприятие звука". Оно оказывает чрезвычайно большое влияние на временные и спектральные характеристики звукового сигнала и, соответственно, на воспринимаемый тембр и разборчивость музыки и речи.

Рис.1. Зал оперного театра в Милане

Рис.2. Концертный зал Musikvereinssaal в Вене

На протяжении столетий совершенствовалось искусство создания концертных, оперных и театральных залов. Примером может служить великолепная акустика в залах Санкт-Петербургской филармонии, капеллы, Мариинского театра, а также в таких знаменитых концертных залах, как Бостонский симфонический зал, Гроссер-Мьюзикверейнссал в Вене, Консертгебоув в Амстердаме, Миланский оперный театр и др. (рисунки 1, 2). Остается только восхищаться интуицией великих архитекторов прошлого (например, в С-Петербурге - Росси, Растрелли, Трезини и др.), которые оставили нам в наследство залы с великолепной акустикой. Только благодаря этим мастерам еще есть возможность слушать хорошую музыку в хороших условиях, то есть сохранять эталоны "естественного" звучания. Кстати, звукорежиссерам это надо бы делать регулярно!

Начиная с середины XIX века, начали создаваться научные основы акустического расчета и проектирования помещений для исполнения музыки. Теория распространения звука в помещениях, в частности статистическая теория расчета звуковых полей, была создана профессором Гарвардского университета В. Сэбином (1868…1919 гг.). Именно он предложил формулу для расчета времени реверберации в помещении в зависимости от его объема и среднего коэффициента поглощения (в честь него была наз-вана единица поглощения - 1 сэбин). Первым зданием, построенным с учетом этих соотношений, был Бостонский симфонический зал (1900 г.). С. Эйринг (C. Eyring), активно работавший в начале века на Bell Telephone Lab вместе с Флетчером, усовершенствовал формулу Сэбина для залов с большими коэффициентами поглощения. Работы В. Кнудсена (Университет Калифорнии) внесли значительный вклад в изучение резонансов колебаний объема воздуха в помещении.

Наряду со строительством очень крупных концертных и оперных залов с естественной акустикой, в ХХ веке возникло новое направление - создание многопрофильных концертных залов, стадионов и т.п. с использованием различных систем звукоусиления. Все это настоятельно требовало создания теории расчета, которая позволяла бы заранее рассчитать конструктивные и акустические параметры зала, обеспечивающие необходимое качество звучания. В ХХ веке в этом направлении был достигнут большой прогресс трудами таких ученых, как Беранек, Олсон, Кутруф, Майер, Шредер, Кнудсен, Иордан, Анерт, Рейхард и др. В России большой вклад в решение этих проблем внесли работы А.Н. Качеровича, В.С. Маньковского, Л.И. Макриненко, М.А. Сапожкова, В.В. Фурдуева и др.

Опыт, накопленный акустиками при строительстве крупных концертных залов (Royal Festival hall в Лондоне, Salle Pleyel в Париже, Beethovenhalle в Бонне и др.), и дальнейшее развитие теории архитектурной акустики были обобщены в трудах Лео Беранека. Его книга "Music, acoustics and architecture" (NY, 1962 г.) выдержала уже несколько изданий и является, вместе с остальными его трудами, классической основой современной акустики.

Рис.3. Импульсные характеристики помещения

Рис.4. Структура реверберационного процесса

Однако несмотря на все достигнутые результаты, строительство концертно-театральных и др. залов требовало длительного предварительного макетирования - например, при создании Кремлевского Дворца съездов в НИКФИ была создана уменьшенная модель зала, и на ней производились предварительные измерения параметров. В последние десятилетия активно развиваются методы компьютерного моделирования звуковых полей в помещении (техника аурализации) - (см. "Звукорежиссер", 7/2000). С помощью современных компьютерных программ, например, таких как ODEON, CATT, ORPHEUS и др., может производиться детальный расчет структуры звукового поля в помещениях любой степени сложности. В основе расчетов лежат три метода, опирающиеся на статистическую, геометрическую и волновую теории, которые позволяют рассчитать импульсные характеристики в любой точке помещения (распределение уровней звукового давления и акустической мощности, структуру процесса реверберации, включая число, время и направление прихода, и уровни ранних отражений (рисунки 3, 4), время стандартной, эквивалентной, ранней реверберации, величину коэффициента междуушной корреляции и десятки других параметров).

Каждая из этих теорий наиболее эффективно работает для своей области частот и позволяет получить информацию о разных свойствах реверберационного процесса. Волновая теория используется, в основном, в области низких частот и дает возможность рассчитать резонансные частоты в помещении и распределение уровней звукового давления в нем. Геометрическая теория применяется в области высоких частот и позволяет с помощью геометрического анализа хода звуковых лучей получить информацию о структуре раннего участка реверберационного процесса.

Статистический метод анализа звуковых полей является приближенным, он применим только для диффузного поля 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 в помещении, кроме того, он не позволяет учесть распределения амплитуд и фаз сигнала в пространстве и дает только средние энергетические значения различных характеристик звукового поля. Однако статистическая теория при определенных условиях позволяет создать 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. Основным критерием оценки процесса реверберации, полученным с помощью статистической теории, является стандартное время реверберации.

Стандартное время реверберации - это такой интервал времени Т (с), в течение которого плотность звуковой энергии уменьшается в 106 раз по сравнению с первоначальной, при этом уровень энергии уменьшается на 60 дБ. Его значение оценивается по формуле Эйринга:

где V - объем помещения; S - площадь внутренних ограничивающих поверхностей; _ср - средний коэффициент поглощения. При небольших коэффициентах поглощения (_ср < 0,2) это выражение может быть упрощено и представлено в следующем виде (формула Сэбина):

Обе эти формулы являются основными при оценке акустических характеристик различных помещений (студий, концертных залов и др.). Следует отметить, что они не учитывают влияние формы помещения, места расположения звукопоглотителей и дают несколько завышенные значения времени реверберации, но, несмотря на приближенный характер, они дают приемлемую для практических расчетов точность.

Практически все нормы и требования в стандартах и международных рекомендациях сводятся к требованиям обеспечения определенного времени реверберации. Примером могут служить требования к студиям различного назначения, представленные в таблице 1.

Даже самые современные международные стандарты и рекомендации, разработанные за последние годы для акустических условий в студиях и контрольных комнатах, предназначенных для современных пространственных систем звукозаписи, ограничивают свои требования размерами помещений и временем реверберации в них. Примером могут служить требования к акустике контрольных комнат для систем Surround Sound в международных стандартах и рекомендациях: ITU-R BS.775-1, SMPTE RP-173, EBU R22, EBU Tech3276, ITU-R BS.1116-1 и др., приведенные в таблице 2, где, правда, добавлены нормы на уровень ранних отражений.

Однако время реверберации не дает исчерпывающей информации о субъективных ощущениях при звучании музыки и речи в различных помещениях (хотя и является очень важным критерием), и, несмотря на впечатляющие успехи теоретической науки, проблема была и остается в том, что нет четкой корреляции между объективными параметрами и всем комплексом субъективных ощущений "хорошей" или "плохой" акустики в зале, то есть неясно, какими должны быть эти параметры и в каких пределах они должны находиться.

Как уже отмечалось, огромную работу по установлению связи субъективных ощущений с объективными параметрами проделал Л. Беранек. Он обследовал более двухсот концертных залов мира, а также большое количество залов оперных театров, и выявил наиболее статистически значимые субъективные оценки, такие как гулкость, жизненность (liveness), полнота звука (fullness), различимость (definition), ясность (сlarity), интимность (intimaсy), теплота (warmth), пространственность (spaсiousness), громкость (loudness), баланс (balanсe); ансамбль (ensemble); тембр (timbre), а также отрицательные факторы: эхо, порхающее эхо, мешающие шумы.

Кроме того, Беранеком была начата большая работа по установлению связи этих субъективных оценок с объективно измеренными характеристиками зала. Естественно, это послужило основой для дальнейшего развития комплекса исследований в разных странах мира.

Проблема эта сейчас становится особенно актуальной не только для проектирования концертных залов, но и для проектирования акустических студий, то есть студий с такими акустическими характеристиками, которые обеспечивали бы высочайшее качество записи. В связи с переходом на пространственные системы звукозаписи (Surround Sound, бинауральная стереофония), чрезвычайно важным становится проектирование студий для таких записей. Для этого необходим поиск объективных характеристик, которые наилучшим образом коррелировали бы с субъективно воспринимаемой пространственностью звукового образа. Это позволяло бы заранее рассчитать и спроектировать помещение студии таким образом, чтобы обеспечить в нем это ощущение пространственности звучания и других субъективных параметров.

Почти на всех последних конвенциях AES и в журнале JAES постоянно появляются сообщения о последних достижениях в этой области. Учитывая, что звукорежиссер отвечает за все, в том числе и за акустику в студии (как у нас принято), информация о последних результатах исследований в этом направлении представляется полезной и для звукорежиссеров при оценке акустических свойств студии.

Основные параметры, которые привлекали пристальное внимание исследователей последнее время, как вносящие наибольший эффект в ощущение пространственности звучания, оказались следующие: коэффициент междуушной корреляции, уровень энергии первых боковых отражений и время задержки первых дискретных отражений.

Коэффициент междуушной корреляции (IACC). Этот параметр был введен в 60-годы. Впервые в 1968 году было отмечено, что данный параметр связан с оценкой ширины источника в помещении (например, оркестра). В 1974 году М. Шредер установил, что IACC является одним из трех самых важных параметров для субъективной оценки качества помещения. В этот период были представлены и результаты японских исследователей, которые предложили выделить две временные области для оценки IACC: область до 80 мс, связанная с ранней энергией отраженных звуков и определяющая общее пространственное впечатление, и промежуток между 80 мс и 3 с, связанный с энергией поздних отражений и вызывающий ощущение "погружения", то есть окружения звуком. Важность этого параметра была подтверждена еще в вышеупомянутых исследованиях Беранека, где было показано, что в лучших концертных залах значения этого параметра должны находится в пределах 0,3…0,4.

Коэффициент кросскорреляции определяется с помощью измерения импульсной характеристики звукового давления на левом и правом ухе: р₁(t) и p₂(t) в различных точках помещения (например, студии). Обычно эти измерения выполняются на искусственной голове (впрочем, можно это сделать и на не искусственной, вставив миниатюрные микрофоны в уши). Если речь идет о проектируемом помещении, то можно рассчитать импульсные характеристики в помещении с помощью какой-либо программы (САТТ, ОДЕОН и др.), а затем ввести "свертку" с импульсными характеристиками головы (см. статью о технике аурализации, "Звукорежиссер", 7/2000).

Рис.5. Распределение коэффициента кросскорреляции для разных точек помещения

По измеренным или рассчитанным значениям звукового давления вычисляется значение коэффициента корреляции.

Расчет выполняется для отрезка времени 100 мс, то есть он учитывает только прямые звуки и ранние отражения. За нормированное значение коэффициента междуушной кросскорреляции IACC принимается максимальное значение k(t) при ItI < 1 мс.

Трехмерный график, представляющий зависимость коэффициента кросскорреляции для разных точек помещения в горизонтальной плоскости (например, плоскости на уровне ушей слушателей), показан на рисунке 5.

Коэффициент корреляции характеризует степень подобия сигналов: если сигналы на обоих ушах будут одинаковыми, то источник звука будет казаться точечным; если сигналы, приходящие в левое и правое ухо, будут различаться, то есть коэффициент кросскорреляции между ними будет уменьшаться в определенных пределах, то это создает ощущение ширины источника звука.

Из рисунка 5 видно, что в определенных местах помещения значения IACC имеют четкие минимумы, - это значит, что здесь уменьшается корреляция между сигналами и в этих точках звуковое поле более диффузное, а слушатель ощущает значительно большее пространственное расширение источника.

Таким образом, в помещении студии или концертного зала можно измерить или рассчитать в разных точках зала коэффициент IACC, выявить зоны, где восприятие пространственности будет наихудшим или наилучшим, и принять меры по улучшению ситуации, например, внести некоторую ассиметрию в расположение звукопоглотителей и отражателей (это зависит от конкретных условий и значений других параметров, например, времени реверберации).

Уровень энергии первых боковых отражений (ELEF). На протяжении длительного периода исследований считалось, что общее ощущение пространственности связано со степенью диффузности звукового поля. (Напомню, что звуковое поле в помещении считается диффузным, если приход отражений в данную точку равновероятен со всех направлений и плотность энергии примерно одинакова во всех точках звукового поля). Затем, как сказано выше, выявилась четкая связь со степенью различия (некоррелированности) сигналов, приходящих в левый и правый слуховые каналы. Дальнейший анализ, а также появление возможности компьютерного моделирования звуковых полей в помещении, выявили существенное влияние направлений прихода отраженных сигналов на восприятие пространственности. Было установлено, что даже несколько первых отражений могут сформировать ощущение ширины источника.

При этом они должны удовлетворять следующим условиям:

• отраженные сигналы должны быть некогерентными на левом и правом ушах;
• их интенсивность должна быть выше некоторого минимума относительно прямого звука;
• их время прибытия не должно превышать 100 мс после прямого звука;
• их направление прибытия должно быть боковым.

Важность боковых отражений была установлена еще в исследованиях Беранека. Однако он связывал время запаздывания боковых отражений (рисунок 6) только с таким субъективным параметром, как "интимность" звучания. В старых залах, где это ощущение очень отчетливо, время запаздывания составляло 15…20 мс.

Рис.6. Направления прихода отражений, в том числе от боковых стен

Однако в последних работах было показано, что не только время запаздывания, но и уровень энергии боковых отражений имеет принципиально важное значение для восприятия кажущейся ширины источника звука.

Для количественной оценки этой связи был введен коэффициент ELEF, который определяется как отношение энергии боковых отражений в интервале от 5 до 80 мс к общей энергии в интервале от 0 до 80 мс:

где p_L²(t) = p²(t)IcosI - квадрат звукового давления боковых отражений, угол - между направлением бокового отражения и осью (рисунок 6). Этот коэффициент оказался связанным с процентом "пространственности" S следующим соотношением: S~ELEF/(1-ELEF/100).

Рис.7а. Распределение коэффициэнта пространственности S

Рис.7б. Вид расчетной модели помещения

Результаты расчетов этого коэффициента S для прямоугольного помещения с двумя балконами (рисунок 7а) показаны на рисунке 7б. Из него видно, что имеются отчетливые зоны, где ощущение расширения источника наибольшее и наименьшее, в частности, вблизи источника звука процент пространственности уменьшается, поскольку слушатель находится в зоне сильного прямого звука и коэффициент ELEF мал.

Следует напомнить, что понятие "пространственности" складывается из двух ощущений: "окружение" звуком и "кажущееся расширение источника". По-видимому, окружение звуком связано, в первую очередь, с диффузностью звукового поля, а ощущение "расширения источника звука" (хора, оркестра и др.) - с уровнем энергии боковых отражений.

Время задержки первых дискретных отражений (ITDG). Как известно, процесс установления структуры реверберационного процесса в помещении (например, при возбуждении импульсным источником) (рисунок 4) состоит из прибытия прямого звука, затем, через определенный промежуток времени, - из прибытия первых дискретных отражений, а затем - из формирования плотной структуры отраженных сигналов. Разница между прибытием прямого звука и первых отражений всегда была важнейшим критерием в субъективной оценке качества звучания в помещении. Время прибытия первых боковых отражений оказывает существенное влияние на восприятие интимности звучания (см. выше), но первые отражения могут прибывать не только от боковых стен, а, например, от потолка, - это зависит от соотношения высоты и ширины зала и расположения отражающих и звукопоглощающих поверхностей в нем.

Рис.8. Результаты расчета времени прибытия первых отражений

Известный в психоакустике "эффект Хааса" состоит в том, что первые отражения, прибывшие в интервале времени до 80 мс, не влияют на локализацию источника звука, хотя играют существенную роль в улучшении разборчивости речи и четкости (ясности) восприятия музыки. Слуховая система как бы интегрирует информацию, поступившую в течение первых миллисекунд (первые шесть-семь отражений), в один образ с прямым звуком, - этот период накопления информации оказывается нужным ей для распознавания основных свойств источника звука. Последующие поздние сливающиеся отражения формируют ощущение полноты, жизненности и пр.

Результаты расчета (рисунок 8) времени задержки первого отражения (ITDG) (без учета направления прихода) для разных позиций в помещении (для того же помещения, что и на рисунке 7а) показывают, что наибольшее значение оказывается на позициях вблизи источника сигнала, где разница во времени между прямым звуком и первым прибывшим отражением оказалась наибольшая.

Рис.9. График зависимости коэффициента корреляции и ространственности

Таким образом, в результате исследований последних лет выявлены три объективных параметра: коэффициент междуушной корреляции (IACC), уровень энергии первых боковых отражений (ELEF) и время задержки первых дискретных отражений (ITDG), которые отчетливо связаны с субъективным ощущением пространственности звука (точнее говоря, с кажущимся расширением звукового источника). Естественно, возникает вопрос о возможной связи между этими коэффициентами, поскольку они вызывают сходные субъективные ощущения.

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 и, соответственно, коэффициентом пространственности (рисунок 9): IACC~100-ELEF/1.5.

В свою очередь, время задержки первых отражений имеет определенную корреляционную связь с уровнем боковых отражений ELEF~140-15 ITDG.

Разумеется работы в этих направлениях активно продолжаются, но уже полученные результаты могут быть использованы для оценки звукового поля, например в студии, по какому-либо из этих параметров для всех точек помещения (можно выбрать тот параметр, который удобнее для измерений). По полученным результатам можно определить позиции, где восприятие панорамы звучания будет наилучшим или наихудшим, что позволит активно корректировать акустические свойства помещения.