Современная компьютерная акустика: грамотная стереофония или ущербная многоканальность?

Звуковая карта — центральное, но не единственное устройство компьютерной аудиосистемы. Как усиливать звук, на чем и в каких условиях его слушать, чтобы это было адекватно возможностям звуковой карты и доставляло наслаждение? Покупать новое или использовать старое?

У акустических систем и усилителей made in USSR, которые благодаря нешуточным размерам кажутся многим россиянам эталоном на все времена, безусловно, есть еще порох в пороховницах. Но учтите, что в аппаратах десяти-двадцатилетней давности многое могло прийти в негодность. Электролитические конденсаторы поисхудали, потенциометры засалились, диффузоры истрепались, корпуса рассохлись и т. д. Конечно, если динамики хорошо сохранились, звук будет неплохой, но прогресс не стоит на месте, и даже на сравнительно недорогой современной акустике получишь и динамику похлеще, и стереокартину утонченнее. Рынок наводнен элегантной активной акустикой с отличным звучанием. Всего за полсотни долларов получаешь все в одном: и сносный стереоусилитель, и приличные колонки.

Меломаны-компьютерщики преимущественно сталкиваются с проблемой выбора именно компьютерной акустики. И сопряжение таких систем с вычислительным другом в рамках среднестатистических российских апартаментов (12 квадратных метров на человека) значительно отличается от покупки, например, домашнего кинотеатра для установки в отдельном просторном помещении загородного особняка.

Стереофония и стереотипы

Правильно реализованная стереофония позволяет расставить голоса-звуки в пространстве, четко отделив их друг от друга, что не только улучшает-облегчает восприятие, но и воссоздает эмоциональную атмосферу — так сказать, выпускает джина из бутылки. Именно за джина звука выкладывают немалые денежки аудиофилы. Принято считать, что стереоэффект — это когда звук бегает слева направо и наоборот или когда одни инструменты доносятся из левой колонки, другие из правой. На самом деле люди, которые так считают, либо никогда не слышали настоящего стереозвука, либо им не дано услышать от природы.

Независимо от физиологических особенностей слушателя на качество стереоэффекта влияют три взаимосвязанных параметра:
• удаление слушателя от линии, на которой находится пара акустических систем (стереобазы);
• ширина стереобазы (расстояние между излучателями каналов);
• направленность акустических систем.

Выбрав ширину стереобазы менее 2 м, на большинстве акустических систем при удалении порядка метра — типичная схема для компьютерного гнезда, — получим ширину зоны оптимального стереоэффекта (на приведенных схемах 1 и 2 граница зоны обозначена красным) около 20 см.

При узкой стереобазе наши уши оказываются (ввиду фиксированного расстояния между барабанными перепонками) за пределами зоны стереоэффекта, если удаление от линии, соединяющей излучатели каналов, недостаточно. Чуть голова влево или вправо — и в зоне максимального стереоэффекта находится уже только одно ухо. Если заузить стереобазу, истинной стереокартины не видать как своих ушей : придется смещать акустические системы вглубь, за плоскость экрана монитора. Варьировать получится, увы, лишь в пределах глубины монитора, поскольку обычно он располагается на столе вплотную к стене. Иначе придется отодвигаться от линии «монитор-колонки» хотя бы на метр-полтора, что приемлемо только для страдающих дальнозоркостью обладателей дистанционных клавиатур. В качестве эксперимента колонки можно подвесить к потолку, направив вниз, и за счет расстояния до потолка достигнуть необходимого удаления (если хватит длины кабелей и вообще удастся проложить их более или менее эстетично).

Вопреки расхожему мнению об ответственности за стереоэффект высоких частот, определяющий диапазон — от 300-600 Гц до 3000-5000 Гц [1]. Стереоэффект рождается не только разностью звукового давления, но и более тонкими материями звука. Авангардно продвинутые стереоэффекты основаны на фазировке (кувырок на 180 градусов, то есть в противофазе) составляющих звука из вышеупомянутого частотного диапазона. Теоретически волны в противофазе, взаимно складываясь, должны поглощать друг друга, но на практике, благодаря тому, что у нас два уха, расположенных не на нулевом расстоянии друг от друга, аннигиляции не происходит. Динамики излучают звуковые волны в противофазе, создавая сложное звуковое поле с перераспределенной энергией, вносит свою лепту и отражение от стен отставших по фазе волн. Парадоксально, но в этом случае мы явственно слышим мнимые (!) источники звука. Ощущения поразительные — порой кажется, что звук раздается за спиной, хотя никаких акустических систем там нет и в помине (см., например, наши статьи по наушникам Sony MDR-DS5100 — www.ferra.ru/online/multimedia/9006 и акустической системе Creative PlayWorks PS2000 Digital — /multimedia/9049). Правда, угадать, в какой точке пространства комнаты эффект прорежется наиболее сильно, можно только эмпирически. Длина волны в стереофоническом диапазоне частот составляет примерно от 1 м до 6 см. Перенесите свой слуховой аппарат, скажем, на полметра вперед — и, весьма вероятно, эффекты уйдут в тень. Поэтому лучше разместить колонки так, чтобы заранее зарезервировать максимальную площадь пространства, определив впоследствии зону наилучшего стереоэффекта опытным путем. Разумеется, сделать это гораздо легче при широкой стереобазе.

Заметим, что раньше стереоэффекты основывались на разнице громкости между каналами или на распихивании голосов инструментов влево-вправо, как в записях The Beatles шестьдесят какого-то года. По мере совершенствования звукозаписи и познаний в области психоакустики стали использоваться фазовые задержки между звуками разных каналов. Так, если одинаковый по амплитуде звук выпустить с левого канала с задержкой более 3 мс относительно правого, на слух звук начнет преобладать в правом канале. Соответственно при задержке в правом канале, с точки зрения системы слуха человека, звук убежит в левый канал. Если же задержка превысит 60 мс, вместо виртуального стереоэффекта мы услышим разнобой (похожий на эхо) звуков, доносящихся с левого и правого каналов.

При слишком широкой стереобазе (более 4-5 м) и использовании компактных акустических систем всплывает масса сюрпризов, премущественно негативных, но с нашим житейским метражом такой размах не шибко интересен. Кстати, для профессионального прослушивания длина базы выбирается от 3 до 5 м, а для домашней аппаратуры до 3 м [2]. Угол разворота акустических систем по отношению к линии базы составляет от 45 до 75 градусов.

Зачастую мы не имеем возможности разместить акустические системы согласно классическим правилам, по строгой симметрии и т. п. Не стоит отчаиваться — есть множество вполне приемлемых вариантов. Один из них для небольшой комнаты представлен на схеме 2. Расплатой будет узость (при базе до 4 м на удалении около 2 м — менее полуметра) и несимметричность оптимальной зоны для прослушивания, а плюсом — хорошая локализация источников звука за счет расширения стереобазы и ослабление акустического давления на низкочастотных резонансах.

При размещении колонок не забывайте прописные истины: не ставить по углам вдоль широкой стены; не задирать под потолок, засунув, например, на шкаф и не обеспечив наклона в сторону головы слушателя; не устраивать зону прослушивания в закутках, образуемых массивной мебелью и разнообразными строительными аппендиксами. В остальном можно смело экспериментировать. Например, если низов, на ваш взгляд, маловато, попробуйте устроить место для прослушивания так, чтобы голова-уши оказались как можно ближе к стене, противоположной от плоскости колонок.

Удаление оптимальной точки прослушивания и расстояние между акустическими системами взаимосвязаны через направленность последних. Не секрет, что под разным углом к оси колонки получишь разную амплитудно-частотную характеристику. Направленность особенно выражена на высоких и средних частотах. Эксперты дружно приветствуют широконаправленные колонки, у которых спад высоких и болтанка средних минимальны по мере возрастания угла отклонения. Никто не сомневается в том, что если под углом звук не ухудшается, то куда бы ни встал (в полуплоскости) слушатель, везде колонка будет звучать одинаково. Замечу, одна колонка. Но вот с двумя — война в Крыму, все в дыму Качество воссоздания стереокартины парой (!) колонок толком оценивать-измерять, похоже, еще не научились. Утверждение, что широконаправленные колонки дают лучшую локализацию источников звука в зоне стереоэффекта, довольно спорно. Инженеры-акустики настаивают: чем шире направленность, тем меньше площадь зоны стереоэффекта [3].О местоположении (продольном) идеальной точки стереоэффекта единого мнения нет. Одни утверждают, что это полторы длины стереобазы, другие настаивают, что это ровно одна длина (естественно, подразумевается равноудаленность от акустических систем).

Многоканальные системы

С вторжением в нашу жизнь многоканального звука, когда по комнате приходится распихивать не менее пяти сателлитов плюс сабвуфер, задача определения оптимальной зоны для прослушивания усложняется неимоверно. Не исключено, что оптимальная точка прослушивания окажется вовсе не в области уютного кресла, а где-нибудь в районе люстры.

Продавцы аудио/видео в один голос трубят, что без пяти сателлитов объемного звука вы не услышите. Замечу, что центральный канал нужен лишь для того, чтобы увеличить число посадочных мест в вашем кинотеатре . Представьте, что произнесенная шепотом фраза доносится из левого канала. Тогда зритель, акустически экранированный сидящими слева домочадцами и гостями, ее попросту не расслышит. Чтобы народ с краю не терялся в догадках, что сказал герой слева, а что ответила героиня справа, выделили специальный канал, в который звукорежиссеры стараются свести все диалоги. Если же весь партер — два кресла, центральный канал не столь необходим. Для прослушивания на персональном компьютере он вообще не актуален. Локализация звуков в центре прекрасно воссоздается левым и правым фронтом через старый добрый стереоэффект. Например, сверхудачная пятикомпонетная (4.1) система Altec Lansing ADA-890 первой среди компьютерной акустики получила сертификат THX, однако центрального канала там нет и в помине (см. www.ferra.ru/online/multimedia/14061).Сабвуфер более целесообразен — без него динамика, упрятанная в многоканальные цифровые форматы, теряет смысл.

Отдельная песня — размещение тыловой (surround) акустики. Dolby Labs рекомендует тыл разносить шире, чем фронт (см. схему 3), при этом угол между тыловыми колонками в точке идеального эффекта составляет 140 градусов, а все колонки равноудалены от нее. То есть несабвуферные динамики должны быть расставлены по кругу.

Осмелюсь предположить, что с круглыми комнатами у нас туго, поэтому с тыловой акустикой придется мудрить. Обратите внимание, что по рекомендациям Dolby расстояние между фронтальными колонками равно радиусу колоночного круга. Тогда если отмеченное расстояние не превышает метра (характерно для классической расстановки компьютерных акустических систем рядом с монитором), то колонки окружающих каналов должны находиться на удалении от слушателя всего лишь в пределах одного метра. А это реализовать на практике крайне проблематично. Всякие подставки-треноги будут постоянно сшибаться-роняться вместе с колонками. В идеале колонки хорошо бы ставить на специальную полку или вешать на стену, только вот стена или полка наверняка окажутся дальше, чем нужно.

Соотношение расстояний, рекомендуемое приведенной схемой, не универсально и работает в неких пределах. Скажем, вряд ли оно будет справедливо для десяти метров и подавно не сработает для десяти сантиметров. Нетрудно предвидеть, что на малых расстояниях (менее полуметра) окажет влияние размер акустических систем.

Если верить все той же Dolby (знающей секреты пространственного звука не понаслышке), приемлемую зону для прослушивания следует искать внутри круга, радиус которого приблизительно равен половине расстояния между фронтальными колонками. Очевидно, что чем меньше это расстояние, тем меньше площадь оптимальной зоны для прослушивания. Следует отметить, что попадание ушей в так называемую приемлемую зону вовсе не гарантирует стопроцентного пространственного звука. Что-то из объемных эффектов останется, а что-то потеряется. Оптимальная зона может оказаться намного меньше приемлемой, это зависит от целого ряда нюансов.

Сюрприз поджидает тех, кто не любит отодвигаться от монитора, особенно при прослушивании музыки или просмотре фильмов с многоканальным звуком. Обычно пользователь сидит на расстоянии 50-70 см от дисплея и фронтальных колонок. А это при расстоянии между фронтальными колонками около метра и более (как правило, любители музыки расставляют их именно так) приводит к несовпадению положения ушей и идеальной зоны прослушивания из-за того, что последняя убегает за голову слушателя чуть ли не на полметра. Сближение фронтальных колонок до 50-70 см (по бокам 15- или 17-дюймового монитора) приближает идеальную точку прослушивания к ушам пользователя, но приводит к крайне нежелательным последствиям. Во-первых, для получения истинного объемного звука тыловые колонки придется располагать еще ближе (новый радиус-то равен пресловутым 50-70 см!). Во-вторых, площадь зоны оптимального прослушивания становится еще меньше, ужимаясь чуть не ли до размеров черепной коробки. В-третьих, область приемлемого прослушивания усыхает до того, что еще одному слушателю просто не найдется места в пространстве истинного объемного звука.

Впрочем, возникает резонная мысль: зачем потеть с расстановкой колонок, если никто не мешает отрегулировать громкость центрального, фронтальных и окружающих каналов в том же микшере аудиокарты, тем самым компенсировав разницу в удалении разбросанных не по правилам колонок. Однако здесь кроется подвох. Дело в том, что даже у идентичных акустических систем частотные характеристики различаются на разной громкости! То есть сильно нагруженные и слабо нагруженные колонки могут звучать по-разному. Вроде того как спеть тихо гораздо легче, чем то же самое спеть громко, не дав петуха или не сорвав голос. Подстройка громкости отдельных каналов может привести к гибели объемного звука, а может и сойти с рук. Тут как повезет с конкретной моделью колонок, как скажутся персональные предпочтения по громкости звучания.

Следует подчеркнуть, что использование разнокалиберных колонок (в частности, по мощности) для тыла и фронта, а также для центра, не есть простой путь с точки зрения воссоздания пространственного звука. Конечно, вы и с первого раза можете попасть в яблочко, но шансы, увы, не велики.

Чтобы правильно настроить объемный звук без волокиты с расстановкой (или подбором) колонок, прибегают к более тонким средствам, нежели подкрутка громкости. В драйверах продвинутых звуковых карт (и очень редко — в усилителях-декодерах многоканальных акустических систем, см. например, www.ferra.ru/online/multimedia/ 12561) можно поиграться задержкой между фронтом и тылом. Например, в Creative SB Audigy2 появилась автоматизированная процедура калибровки многоканальных акустических систем, имеющая нетривиальный алгоритм.

Для корректной расстановки акустических систем в самых общих чертах можно рекомендовать два подхода. Первый (компромиссный) заключается в традиционной расстановке сателлитов фронта в плоскости экрана дисплея, а центра — верхом на мониторе. Тогда при небольшом расстоянии между фронтальными колонками и невесть как пристроенном тыле худо-бедно, но все-таки получим многоканальный звук прямо на рабочем месте, однако слушать придется в одиночку и не шелохнувшись, дабы не выскочить из зауженной зоны объемного звука. При достаточно широкой расстановке фронтальных колонок и, как следствие, отсутствии головной боли о том, куда пристроить тыловые колонки, получим приличную зону оптимального звука, но она будет за пределами типичного рабочего места. То есть при прослушивании многоканального звука придется отодвигать кресло назад.

Второй же подход (дальновидный) состоит в экспериментальной расстановке колонок вдали от монитора с целью расширения зоны оптимального прослушивания, а также придания пространственному звуку большей реалистичности и более четкой локализации.

Расположение колонки центрального канала на передней части монитора (предлагаемое множеством производителей мультимедиа) нельзя признать удачным решением, в том числе при широком расположении фронтальных колонок. Да, в полномасштабном домашнем театре принято громоздить центральную колонку на телевизор, но при этом фронтальные колонки раздвигаются более чем на два метра, а зрители-слушатели восседают на почтенном удалении. Если все-таки колонку центрального канала водрузить на монитор, а фронтальные колонки располагать наугад, ценителю звука придется отодвигаться гораздо дальше по сравнению с привычным рабочим расстоянием. Практика показывает, что порою лучше вообще отказаться от центрального канала. К сожалению, результат зависит от специфики акустических систем. Поэтому самое лучшее решение — удалить от места перманентного пребывания слушателя фронтальные и центральную колонки, разместив центр на подставке (или подвесе, или на полке) за монитором, а фронт — по краям стола или на соседних с ним полках (см. схему 4).

Легко сказать, расставь колонки так и так, когда в комнате тут шкаф выпирает, а там какая-нибудь несдвигаемая хрень торчит. И так ли уж хорош этот пространственный звук, если можно обойтись добротным стерео? О вкусах не спорят, конечно. Хотите новых действительно острых ощущений? Тогда вперед!

Освобожденный от колонок компьютерный стол, поставленный перпендикулярно длинной стене — одно из спорных решений по оптимизации размещения акустики (схема 5). Фронтальные и центральную колонки надо на что-то поставить, чтобы они оказались выше стола и монитора, иначе не избежать экранирования и дифракции. Плохо и то, что оптимальная зона для прослушивания убежала так, что ее большая часть накрыла пространство, недоступное слушателям.

В случае углового стола, прижатого к двум стенам, получаем довольно скверный вариант (схема 6). Одна из тыловых колонок оказывается не пришей к кобыле хвост . Даже если ее подвесить к потолку, все равно асимметрия стен сделает свое черное дело, а о тыловую колонку-отшельника, висящую, как пить дать, на проходе, все будут головами биться. Вот со стереозвуком тут да, все чики-чики: тыловые колонки на стенах могут служить хорошим расширителем стереобазы в режиме double stereo. Чтобы все-таки претендовать на объемный звук, придется приблизить тыловые колонки (схема 7).

Все сказанное выше о расстановке колонок касается акустики с пятью и более сателлитами, но в случае домашнего кинотеатра легко проецируется на четыре. С играми сложнее — придется поискать заветную сладкую точку (sweet spot) экспериментальным путем или ограничиться наушниками.

Об акустике помещений

Надеюсь, не надо доказывать, что одна и та же акустическая система в разных помещениях может звучать по-разному. Время реверберации прямо пропорционально объему озвучиваемого пространства и обратно пропорционально некой штуковине под названием общее поглощение помещения . Чем больше время реверберации, тем причудливее и мощнее эхо. Так называемое общее поглощение помещения чаще всего определяется эмпирическим путем. Поглощение некоторых объектов (стульев, кресел, людей) известно, но зависит от частоты звука. Например, на частоте 100 Гц оно втрое меньше, чем на частоте 4000 Гц.

В жилых комнатах объемом до пятидесяти кубометров время реверберации мало и составляет около 0,3 с. В такого рода помещениях слушатели главным образом воспринимают звуки, воспроизводимые непосредственно громкоговорителями [2]. Звуки, отраженные стенами, имеют слишком малую задержку, чтобы наша система слуха успевала на них реагировать. Для сравнения: время реверберации больших концертных залов достигает пяти секунд.

Любое помещение вызывает избирательное перераспределение мощности определенных частотных составляющих. Наиболее заметно это на чистых тонах. Эффект вызывается образованием стоячих волн (фронт волны не перемещается в пространстве, затухание мало) на резонансных частотах помещения. Основные резонансные частоты определяются расстоянием между противоположными стенами, между потолком и полом, а также их геометрией. Помимо основных имеется множество дополнительных резонансов, уходящих в область более высоких частот. Так, в диапазоне частот до 100 Гц для большой гостиной комнаты можно обнаружить около сорока (!) резонансов. В малых помещениях не исключены даже низкочастотные биения — очень неприятное на слух явление. Не зря эксперты Hi-Fi-акустики отмечают нехорошую странность звучания на басах мощных напольных колонок в маленьких комнатах. Зато в комнатах с высоким потолком (более 3 м) могут чудесно зазвучать басы скромных полочных колонок. Заглушить же любую комнату в низкочастотном диапазоне непросто. Тут толстыми тяжелыми коврами и плотными присборенными гардинами не отделаешься, хотя без них зачастую совсем невеселая картина.

Для средних и высоких частот при стереопаре колонок, как утверждают аудиофилы, неплохой результат дает ограждение по тылу оптимальной зоны прослушивания звукорассеивающими предметами. Однако для многоканальной акустики придется искать другие пути. Тот же ковролин (попушистее да потеплее) на полу, пупырчатые мягкие утолщенные обои, пенопластовая потолочная плитка и шторы на окнах дадут заметные положительные сдвиги. Для большинства типичных жилых помещений этого вполне достаточно. Наличие мягкой мебели подразумевается по умолчанию, ведь не сидя же по-турецки музыку слушать.

Изгаляться придется в помещениях неординарной формы, в которых горе-архитекторы создают акустические карманы разного рода, вплоть до низкочастотных резонаторов. Хозяева иногда тоже дают маху с расстановкой акустики, а потом удивляются, что тонус падает. Увы, универсальный рецепт здесь дать невозможно, слишком много непредсказуемых комбинаций.

В идеале нужно позаботиться о звукоизолировании, то есть не только заглушить помещение для прослушивания, избавившись от отраженных звуков, но и минимизировать прохождение звука в соседние помещения. Для этого применяют звукопоглощающие, а не звукоотражающие и не вибродемпфирующие материалы. Звукоотражающие материалы не дадут звуку проникнуть в соседние помещения, но что при этом будет твориться в помещении с источником звука, догадаться нетрудно. Отразить звук гораздо проще, чем поглотить. Для максимального эффекта толщина поглощающего слоя должна быть сравнима с длиной волны, а на низких частотах это от нескольких метров до полутора десятков.

Современные шумопоглощающие материалы (вспененные открытоячеистые на основе полиуретана и т. п.), широко используемые в аудиотюнинге автомобилей, эффективны начиная с 200 Гц, с максимальным поглощением на определенных частотах, например 1 кГц [5]. Звукопоглотители резонансного типа (дырчатые маты) хороши только на определенных частотах. Наиболее эффективны, причем во всем диапазоне частот, заостренные клинья из звукопоглощающих материалов, но размеры таких клиньев должны быть столь велики для низких частот, что приводит к диким затратам и не менее дикому внешнему виду комнаты. Помнится, для звукоизоляции жилых помещений заядлые меломаны оклеивали стены ячеистыми упаковочными поддонами, предназначенными для транспортировки куриных яиц, вдобавок наполняя пристеночное пространство минеральной ватой. Видок у сего творения тот еще, зато наслаждаться полноценным звуком можно было в любое время суток. Так что серьезная звукоизоляция — дело хлопотное, дорогое и неблагодарное. Соседи не оценят ваш порыв по достоинству, а вот домочадцы встанут на тропу войны.

Впрочем, все хорошо в меру, и заглушением помещения не стоит увлекаться. Исключение составляет случай, когда необходимо проводить корректные измерения, например снимать АЧХ акустических систем и т. п. В остальном же перезаглушение вряд ли оправдано, поскольку приведет к неестественному и неожиданно тихому звуку, правда, при очень четкой стереокартине с детальной локализацией источников звука. Вот такой компромисс: либо пространственные эффекты, либо естественность звучания.

Кто хоть раз включал любимые записи в подготовленной к ремонту голенькой комнате, тот знает, насколько мощнее и звонче звук при полном отсутствии заглушения. Ощущение же безжизненности (как во вкусе дистиллированной воды) звука в перезаглушенной комнате объясняется тем, что в реальном мире отраженные звуковые волны присутствуют всегда. Именно они позволяют нам с закрытыми глазами определить, где мы находимся, в ванной комнате или в лесу.

Литература:
[1] Л. М. Кононович, Ю. А. Ковалгин. Стереофоническое воспроизведение звука. — М.: Радио и связь, 1981.
[2] Б. Урбанский. Электроакустика в вопросах и ответах. — М.: Радио и связь, 1981.
[3] В. К. Иофе, М. В. Лизунков. Бытовые акустические системы. — М.: Радио и связь, 1984. — 96 с.
[4] М. Эфрусси. Снижение резонансной частоты головок, Радио, 3, 1975.
[5] www.noisebuster.ru/material/aa.shtml.