МЕХАНИКА ЭМОЦИЙ. Часть 4. От гаданий к знаниям

Не такой уж весёлый вывод напрашивается из наших изысканий, предпринятых в предыдущей части «Механики».

Стандартный набор параметров громкоговорителя имеет очень узкий диапазон применения и с правильностью или неправильностью работы звуковой системы связан довольно слабо. Что предлагается сделать по этому поводу? Забить болт на науку, отчаяться что-либо измерить, целиком отдавшись аудиофильской агностике? Напротив, именно поэтому надо углубить и усугубить поиски ясных и уверенных связей измеряемого со слышимым.

Много и часто в жарких дискуссиях на звукотрепещущие темы употребляются такие магические (в смысле невнятные, но производящие впечатление) слова, как «раскачивает — не раскачивает», «ватно — не ватно», «мутно — прозрачно», «гвоздь в ухо», «рак ушей» и пр. и пр. Казалось бы, за подобной терминологией ничего, кроме небрежно оформленных впечатлений, не стоит, однако это не так — за этими добрыми (и иными) словами кроятся определенные свойства громкоговорителя, просто они не лежат на поверхности, хоть и определяют характер звучания. Назовем их динамическими характеристиками и для начала определимся с терминологией.

Под динамическими характеристиками договоримся понимать способность громкоговорителя воспроизводить заданное в исходном сигнале соотношение между среднеквадратичным и пиковым значениями, причем не только в узком диапазоне уровней, скажем от 1 до10 В, а во всём динамическом диапазоне, посильном слуху: от порога слышимости до болевого порога (0 — 130 дБ). Это в идеале, несбыточном хотя бы потому, что в абсолютных, не сдавленных логарифмическими единицами уровнях звукового давления этот диапазон огромен, в три миллиона. Но столько и не требуется, приняв во внимание естественные уровни шума в современном автомобиле примерно 40 дБ с заглушенным двигателем (как на хорошо организованных соревнованиях) и 50 — 60 дБ, когда недешёвый автомобиль неспешно движется по хорошей дороге, определим нижний порог интересующего нас диапазона — 50 дБ. Теперь попробуем определиться с верхним пределом. При громком, в общепринятом понимании этого слова, прослушивании средний уровень звукового давления составляет не более 100 — 105 дБ. На данный момент не будем рассматривать системы, способные с высоким качеством воспроизводить музыкальные программы со средним уровнем звукового давления выше 120 дБ, не имеются в виду и системы, у которых подобные уровни создаются на низкочастотном резонансном пике. Системы, способные создать на музыкальной программе такое звуковое давление во всем диапазоне — совершенно особый разговор, хотя опыт прослушивания хороших колбасных и роковых фонограмм показывает: для них уровень 116 — 112 дБ в самый раз, но об этом позже.

Получается так: обычная звуковая система должна обеспечивать диапазон СРЕДНИХ уровней 50 — 55 дБ, и здесь самое время обратить внимание на слово «средних» и вспомнить о пик-факторе различных типов сигналов и музыкальных программ. Общеизвестно: пик-фактор синусного сигнала составляет 3 дБ, иными словами: максимальная амплитуда напряжения в ближайшей к вам розетке — 310 В при действующем (среднем) напряжении, разумеется, 220 В. Хотите — проверьте.

Примерно такой же пик-фактор наблюдается в произведениях злобных трэшеров и металлюг средней и большой тяжести, недалеко от них (и от розетки 220 В) ускакала и отечественная попса — эти измерения неоднократно проводились, и останавливаться на них неинтересно, поскольку убедиться в этом может каждый при помощи спектролаба и любых музыкальных редакторов. Совсем другое — произведения, покинувшие руки Музыкантов и Звукорежиссеров, пользующихся приборами звуковой обработки грамотно, осторожно и исключительно в мирных и осознанных целях. В результате на дисках Yello, например, пик-фактор составляет14 — 18 дБ, на колбасе элитных сортов типа Ravermaster пиковые уровни достигают 26 дБ по отношению к среднему. Естественно, что подобные измерения проводятся не на карманном шумомере, а при помощи Брюля, РФТ или Шлюмбержера, с соответствующими микрофонами.

Для проведения сравнительных измерений громкоговорителей, однако, мы взяли не музыкальные шедевры, а розовый шум с известным пик-фактором. Здесь, правда, материал тоже надо выбирать: пик-фактор розового шума встроенного в измерительную станцию CLIO цифрового генератора составляет 12 дБ (пиковый уровень выше среднего в 4 раза), а это примерно в 2,5 раза ниже пик-фактора шумового сигнала обычного железного генератора типа РФТ, здесь он составляет 10 раз, т.е. 20 дБ.

Далее оказывается, что по микрофонному каналу CLIO мы можем зафиксировать пики сигнала с постоянной времени не меньше 10 мс, что не позволяет наглядно оценить пик-фактор для различных типов ГГ. Ну что же, СLIO — это рабочий инструмент, а не оснастка для получения Нобелевской премии по элеткроакустике, для нестандартных измерений придётся помудрить.

Из вековой пыли было извлечено аналоговое оборудование RFT: генератор шума 03004, прецизионный шумомер 00023, конденсаторные микрофоны, позволяющие измерять уровни звукового давления до 160 дБ с точностью ±0,1 дБ. После некоторого рукоблудия с этим железом была произведена попытка измерить изменения пик-фактора громкоговорителя по звуковому давлению в диапазоне уровней от -50дБ до 0 дБ, при этом за 0 дБ было принято всемирно известное 2,83 В/4 Ом. При большей мощности могли внести погрешность как мгновенная температурная компрессия, так и механические свойства подвижной системы головки (если просто и по-русски — не дай бог развалится).

Однако же оказалось, что при -50 дБ вылезти из уровня шумов измерительного тракта не смог ни один из испытуемых. Было принято решение сместить диапазон измерений на 10 дБ вверх, что сразу отсекло из группы измеряемых громкоговорители с диаметром катушки менее 50 мм. Но даже при этом не всё сразу наладилось. Оказалось, что транспортные низкочастотные шумы, проникающие в звукозаглушенную камеру по грунту и фундаменту, несмотря на все развязки и демпферы, не позволяют провести измерения с погрешностью менее 10%. Тогда решено было действовать под покровом ночной тьмы. Ночная тьма нужна при таких измерениях затем, что при ней трамваи, эти железные чудовища, постоянно пилящие на части наш город, на время перестают скакать на своих квадратных колесах по горбатым рельсам и затихают в родных стойлах. Только тогда удалось провести измерения в вожделенном диапазоне -40 дБ, и, как оказалось, не зря.

Коротко о схеме измерений: сигнал розового шума с генератора 03004, в котором есть возможность ослабления выходного уровня на 60 дБ с шагом по 10 дБ, поступал на УНЧ мощностью 500 Вт на 4 Ом. Далее — на громкоговоритель, установленный в заглушенной камере без акустического оформления, поскольку оно могло бы исказить динамические характеристики за счет активных потерь на сжатие воздуха в ящике.

Полудюймовый конденсаторный микрофон с максимальным измеряемым уровнем 160 дБ (мк221 с микрофонным усилителем mv201) располагался на эластичной подвеске в звукомерной камере. Далее сигнал поступал на прецизионный импульсный шумомер 00023 с возможностью запоминания пиков звукового давления, но, поскольку внутренняя постоянная времени в 10 мс не давала зафиксировать пики выше 12 дБ, сигнал был выведен до интегратора и подан на линейный вход CLIO, что позволило материализовать результат измерения в картинку, как в азбуке.

Настало время оценить полученные результаты и проанализировать их связь с теми мистическими словами, с которых мы начали эту тему. По таблице 1 невооруженным глазом можно видеть, что если у образца №1 при снижении уровня сигнала на 50 дБ пик-фактор выходного (то есть — акустического) сигнала падает более чем на 3 дБ и тенденция совершенно очевидна, то у образца №2 значение пик-фактора сохраняется практически постоянным. В случае измерений на 1 м (таблица 2) тенденция усугубляется ещё более, наблюдается в диапазоне уровней 30 дБ, и можно предположить, что на более низком уровне (-40 дБ) будет потеряно еще 2 — 2,5 дБ к трём уже имеющимся, в то же время у образца №2 подобной картины не наблюдается. Попробуем разобраться, на каких звуковых нюансах скажется эта разница.

Продвинутые аудиофилы утверждают, что при прослушивании розового шума слышат изменение тембральной окраски при подъеме уровня в одной третьоктавной полосе всего в 0,5 дБ и что к изменениям динамики, а она и определяется пик-фактором, ухо очень чувствительно. У последнего утверждения есть естественно-научное объяснение, никакой мистики и шаманства.

Природные звуки и звуки натуральных музыкальных инструментов, а в особенности — человеческий голос, имеют в своей основе механические процессы, которые ничем не компрессируются, т.е. не сжимаются по динамике. Обычный человек в подкорке носит слуховую память о природных естественных звуках, которая и подсказывает ему в нужный момент правильную оценку того, что он слышит. И уже эта внутренняя оценка трансформируется в «нравится — не нравится», поэтому чем ближе звуки по динамике к естественным, тем больше они нравятся уху и, соответственно, мозгу, при его наличии.

На тех, кто имеет обыкновение целыми днями изображать из себя космонавта с воткнутым наушником, изливающим в голову mp3, это положение распространяется с оговорками. Мозг, возможно, у них на месте, но из-за варварской эксплуатации теряет некоторые способности, связанные с восприятием окружающего мира.

Не будем совсем уже углубляться в анализ того, на что влияет пик-фактор выходного сигнала громкоговорителя, но заметим, что налицо существенная разница в цифрах для двух сходных по параметрам образцов, она измеряема, а дальше достаточно послушать в составе контрольного тракта две пары измеренных образцов и сопоставить слуховые ощущения. Тогда-то и появятся знания, а не догадки и предположения. Об этом говорю с уверенностью, потому что, разумеется, именно так и поступили участники описанного эксперимента. Можно с полной ответственностью утверждать, что компрессия сигналов малого и среднего уровня приводит к потере правильной микроструктуры, которая, в свою очередь, отвечает за ауру, прозрачность звучания (особенно голоса), раздельность музыкальных инструментов и тонкости взаимодействия различных звуков.

Являются ли динамические характеристики единственными, влияющими на восприятие звука? Разумеется, нет, мы не экстремисты. Таких жизненно важных параметров, наверное, не меньше десятка, и главных среди них нет, только когда они все находятся на приемлемом уровне, появляется то, ради чего и делается система — удовольствие от прослушивания.

Из цифр, приведенных в таблицах, можно извлечь еще кое-какую полезную информацию: сопоставляя измеренные уровни среднего звукового давления при уровне +10 дБ для обоих образцов, можно видеть: при переходе от ближнего поля к дальнему (измерения на расстоянии 1 м) абсолютная разность средних давлений, нормализованная к расстоянию до излучателя, составила для образца №1 4,92 дБ, а для №2 — 0,92, т.е. разница превышает «психологически важную отметку» 3 дБ. О чем это говорит? А о том, что динамик №1 качает воздух перед собой, а №2 излучает звуковую энергию в среду, причем делает это (в терминах мощности) вдвое более эффективно. Но это относится уже к макродинамике, в которой мы покопаемся в следующий раз.

На графике 1 измерительная система зафиксировала максимальный пик звукового давления, а на графике 2 показан средний уровень звукового давления в 1/6 октавных полосах. Сравнения производились между пиковым давлением и максимальным средним давлением полосы во всем диапазоне, в данном случае на 1000 Гц. Измерения проводились для двух 8-дюймовых головок с сопоставимым звуковым давлением при напряжении на клеммах 2,83 В. Остальные параметры различались не на порядок, но в довольно определённую сторону, о которой мы уже говорили. Вот параметры участников эксперимента:

Кривые импеданса приведены на графике 3: красная кривая — это №1, синяя — №2.

Все измерения проводились в диапазоне уровней от +10 дБ до -40 дБ относительно уровня 2,83 В дважды: в ближнем поле (примерно 3 см от центрального колпака) и на расстоянии 1 м от центра диффузора. Оба громкоговорителя были установлены в центре заглушенной камеры на стойке без акустического оформления. Результаты измерений сведены в таблицы для удобства сравнения.

Поскольку методика оригинальная и была разработана и использована специально для данной статьи, каждое измерение, с целью исключения случайной ошибки, было проведено 10 раз и в таблицы внесен средний результат. Следует также отметить, что на графике 1 пик давления приведен в паскалях и потом пересчитан в децибелы относительно уровня 2 х 10-5 Па, на графике 2 уровень дан сразу в децибелах относительно того же уровня. Понимаете теперь, чем я занят в промежутках между публикациями?