Направленность АС, их местоположение и акустические свойства КдП определяют спектр, амплитуду, направленность и временную задержку всего того сонма звуков, которые достигают ушей слушателя. Все эти звуки сливаются и взаимодействуют физически на входе в ушную раковину, а на уровне восприятия – в слуховых системах и мозгах слушателей. В результате «под удар» может попасть (и в большинстве случаев попадает) почти каждый перцепционный аспект стереофонического воспроизведения звука. 

Изменения в ощущаемом пространственном представлении или, иначе, формировании звукового образа (так называемая глубина сцены): 

• Отраженные звуки изменяют «размеры» отдельных голосов или инструментов, особенно тех, что находятся в горизонтальной плоскости. 
• Отраженные звуки изменяют местоположение (по ширине или по глубине сцены) отдельных звуковых образов и, наконец, 
• Отраженные звуки влияют на ощущение пространственности или охвата (опять же в основном на те, что имеют место в горизонтальной плоскости) 

• Акустическим сопряжением звука с системой стоячих волн (резонансами КдП или модами, напрямую связанными с отношением длин сторон помещения). 
• Нахождением слушателей на различных осях прямого звука АС, получающих в результате различные начальные звуки. 
• Акустической интерференцией (гребенчатой фильтрацией), имеющей место, когда прямой звук и один или несколько наиболее интенсивных раннеотраженных накладываются возле ушей слушателя. 
• Частотно-зависимыми изменениями звукопоглощающей способности границ КдП и мебели, изменяющими спектры отраженных звуков и, следовательно,  суммарное звуковое поле возле ушей слушателя. 
• Интенсивными отражениями низкокачественных внеосевых звуков АС, которые искажают спектр суммарного звукового поля (собственно, вариация на предыдущую тему)
• Перцепционным «усилением» незадержанных резонансов при отражениях и реверберации (т.е. когда некоторые звуки лучше слышны в сложном звуковом поле) и 
• Перцепционное «подавление» задержанных звуков при отражениях и реверберации (т.е. когда некоторые звуки хуже слышны в сложном звуковом поле) 

2. Физические переменные

1. Размеры и пропорции 
2. Положение АС и слушателя 
3. Поглощение и отражение звука 

2.1 Размеры и пропорции КдП

где  f – частота N-ной моды  Nx, Ny, Nz – целые числа от 0 до, скажем, 4, выбираемые независимо  Lx, Ly, Lz – размеры помещения в метрах (длина, ширина, высота) в метрах  с – скорость звука в воздухе при комнатной температуре (~345 м/с)

Отдельные моды описываются различными комбинациями из целочисленных Nx, Ny, Nz. Например (1, 0, 0) описывает моду первого порядка вдоль стороны, принятой за «x». (0, 2, 0) описывает моду второго порядка вдоль стороны, принятой за «y», и так далее. В случае, когда два из трех целых чисел равны 0, формула значительно упрощается и позволяет чуть ли не в уме вычислять частоты стоячих волн, возникающих между заданной парой противостоящих стен вдоль одного из размеров комнаты. 

f (1,0,0) = c/2/L 

Эти моды называются осевыми или аксиальными и, как правило, являются самыми интенсивными из всех (а также самыми быстро вычисляемыми). Если у Вас нет более важных дел, возьмите и просчитайте аксиальные моды для каждой пары противолежащих поверхностей, т.е. по длине, ширине и высоте Вашей комнаты.

Косые моды взаимодействуют со всеми сторонами помещения. В каждом «контуре» (сечении) комнаты происходит большое число отражений и, поскольку при каждом отражении энергия звука теряется, эти моды являются наименее интенсивными из всех. Вычисляются они путем всевозможных комбинаций трех целых чисел, ни одно из которых не равно 0.

2.1.1 «Идеальная» комната

На протяжении многих лет выдвигались предложения самых различных соотношений сторон, обеспечивающих якобы превосходное модальное распределение. Все эти исследования далеко не всегда учитывали три проблемы, возникающие в реальных КдП, которые делали предсказания ненадежными.

• Первая. Расчеты предполагали, что комната идеально прямоугольная и построена из идеально ровных, идеально отражающих поверхностей. В реальной жизни все далеко не так просто, поскольку в большинстве комнат присутствуют неоднородности, большие поверхности, поглощающие звук (они вибрируют), меблирование и т.д. Эти отклонения от теоретического идеала приводят к ошибкам в расчетах частот. 
• Вторая. Не все моды одинаково важны. В общем случае аксиальные моды являются доминирующим фактором. Оценка комнат должна поэтому включать в себя взвешивание, при котором аксиальные, тангенциальные и косые моды рассматриваются именно таком порядке значимости. 
• Третья. Расположение источников звука и слушателей в практической (реальной) обстановке не дает однородного акустического сопряжения с комнатными модами. В результате АС не поставляют энергию однородно всем существующим модам, а слушатели не сидят в местах, где они могли бы услышать эффекты даже от тех мод, что возбуждены. 

Рис. 1  Размещение АС на полу в самом углу комнаты обеспечит возбуждение всех мод низких порядков (в любой точке пересечения трех плоскостей комнаты – пол, стена, потолок – все моды имеют зону высокого давления). Размещение микрофона в противоположном углу (на полу или потолке) обеспечит детектирование всех этих мод. Очевидно, АС должна быть закрытого типа или с фазоинвертером (т.е. являться источником давления), а микрофон должен быть всенаправленным с хорошей чувствительностью на НЧ (т.е. являться детектором давления).

Рис. 2  Этот график зависимости давления от частоты полезен только для определения частот сильнейших мод в комнате. То, что данные, полученные с его помощью, будут отличаться от данных, полученных при помощи расчета – ситуация достаточно распространенная. Причиной тому служит «реальность» комнаты, отклоняющая ее параметры от «идеальных». Обратите внимание на значительное акустическое усиление, имеющее место на резонансных частотах.

Однако если комната в хорошем приближении прямоугольна, то вычисление модальных частот может оказаться очень даже полезным делом и помочь избежать очевидных проблем с размерами (пропорциями) строящихся помещений, а также выявить проблемные моды в уже готовых. На Рис. 3 показаны модальные распределения для одной комнаты, которую с большой вероятностью можно назвать проблематичной, и другой, более-менее благополучной. Обратите внимание, что в «плохой» комнате, реальных проблем всего две: 

1. Распределение мод по частоте неоднородно и 
2. Одни и те же комбинации мод повторяются. 

Вот такие вот элементарные расчеты «на салфетке» просто необходимы перед началом «заселения» комнаты. Разумеется, если комната отчаянно непрямоугольная, просто так посчитать ничего не получится, а жизнь усложнится во сто крат.

Рис. 3 (верхний)  Аксиальные моды, вычисленные для прямоугольной комнаты. „Д“, „Ш“ и „В“ отвечают за моды по длине, ширине и высоте комнаты соответственно. Размеры комнаты состоят между собой в очень простых соотношениях и, как следствие, имеют место систематические повторения одних и тех же аксиальных мод и точно также систематических провалов. Такая комната вполне может оказаться проблематичной.  Рис. 3 (нижний)  Аксиальные моды, вычисленные для комнаты, размеры которой были несколько скорректированы, чтобы обеспечить более благоприятное распределение. За счет того, что эта комната несколько больше, аксиальные моды начинаются с более низких частот и расположены плотнее. За счет нецелого отношения сторон на самых низких частотах моды не совпадают совсем, а на более высоких частотах, они смешиваются в различных комбинациях.

Можно услышать мнения, что непрямоугольные комнаты имеют бОльшие преимущества перед прямоугольными. При этом рассуждают так: если звуки будут отражаться в направлениях иных, чем прямо навстречу параллельной стене, создание стоячих волн вроде как будет подавляться, а диффузия возрастет. В действительности же скашивание поверхностей комнаты имеет, конечно, огромное влияние на модальную структуру, но сами моды не исчезают. Все сводится к тому, что степень вариаций в звуковом давлении по всей комнате остается примерно такой же, но вот частоты различных мод меняются самым бессистемным образом, а узловые линии репозиционируются совершенно неочевидным образом. В результате предсказания, обсуждавшиеся выше, становятся невозможны, так что для того, чтобы спрогнозировать происходящее на практике, приходится прибегать к конечно-элементному анализу или моделям. Одним словом, в ряде случаев это является серьезным недостатком, как мы увидим в части 2.2. 

В других случаях, таких как, например, реверберационных камерах, предназначенных для проведения акустических измерений, преимущества перевешивают недостатки. Если модальное смешение, сгенерированное непараллельными поверхностями, оказывается желанным, то интересно отметить отсутствие необходимости в этом случае гнуть все поверхности. В большинстве случаев оказывается более чем достаточно скосить лишь одну из стен.

2.2 Положение АС и слушателя

1. Взаимодействие с близлежащими границами комнаты и 
2. Взаимодействие с комнатными модами 

Рис. 4  На этой диаграмме размеры букв, обозначающих моды, соотнесены с их важностью для слуха слушателя в реальной обстановке.

2.2.1 Взаимодействие с близлежащими границами комнаты

Рис. 5  Нижняя кривая относится к АС, находящейся буквально в чистом поле, где нет отражающих поверхностей. Таким чистым полем может являться безэховая камера высокого уровня или открытое пространство, удаленное от всяких крупных объектов, включая поверхность земли. В такой ситуации звук излучается в пространственный угол, отвечающий полной сфере, или, иначе, в 4p стерадиан. Если ввести в игру пол, этот угол уменьшится вдвое, а звуковое давление на НЧ увеличится примерно на 6дБ, поскольку звук, который должен был бы распространиться прочь от источника, теперь отразится от пола. Теперь введем в игру стену, которую мы расположим за АС. Это уменьшит пространственный угол еще в два раза, т.е. до p стерадиан. Из левой части рисунка видно, что звуковое давление на НЧ вырастет приблизительно на 12дБ. Если теперь поставить третью стену, т.е. запихнуть АС в угол, то пространственный угол, в который излучается звук, уменьшится еще в два раза и составит p/2 стерадиан, а звуковое давление увеличится на очередные 6дБ, что даст итоговый выигрыш в усилении на НЧ аж в 18 дБ. Что касается мощности усилителя и нагрузки на АС, это акустическое усиление абсолютно бесплатно! И умные люди этим пользуются. В комнатах с эластичными границами это усиление будет несколько меньше, но все равно оно будет значительным.

Для уменьшения числа переменных некоторые производители АС интегрировали «пол» и/или «стену сзади» в дизайн АС. Это накладывает ограничения на выбор места установки АС в комнате, но зато снижает вероятность серьезного ухудшения качества звучания вследствие неудачного расположения. 

В работе над этой задачей в качестве «мерного стаканчика» использовались преимущественно измерители уровня либо звуковой мощности, либо звукового давления. Конечно, пользоваться можно и теми, и другими, просто в разных ситуациях их полезность также разная. Хорошее объяснение для соотношения между звуковой мощностью и звуковым давлением (а также интенсивностью звука) дано в части 1.4.3 ссылки 13. При оценке слышимости эффектов, определяемых этими величинами, наиболее правильно использовать SPL-метры (измерители уровня звукового давления), поскольку и слух реагирует на звуковое давление, и психоакустические связи выражаются в тех же понятиях. 

Уменьшение пространственного угла, в который излучает АС, в два раза может привести к увеличению звукового давления в то же число раз, т.е. на 6 дБ, если мерить в одной и той же точке. Это полностью согласуется с тем, что звуковая мощность, излучаемая АС в уменьшенный вдвое пространственный угол, также увеличивается в два раза, т.е. на 3 дБ.

Рис. 6  Иллюстрация к «волновым эффектам» - тем явлениям, которые существуют благоодаря тому, что звук распространяется как волна давления. На этом упрощенном наброске верхняя картинка показывает прямой и раннеотраженные звуки, достигающие ушей слушателя. Картинка внизу показывает стилизованные стоячие волны звукового давления между передней и задней стенами комнаты. Мода 1, 0, 0 имеет один минимум давления прямо по центру комнаты (в направлении длины), а мода 2, 0, 0 – два минимума.

Рис. 7  Последовательность двух переходных акустических событий, например, прямой и отраженный звуки, наблюдаемые с перспективы измерительной системы, предполагающей установившийся (стационарный) режим, и с перспективы слуха, который ощущает разницу и, в дополнение, имеет преимущество опережающего (по времени) наложения (маскирования) для ослабления явной громкости второго переходного процесса. На уровне ощущений события могут и не быть настолько драматическими для слуха, как можно было бы ожидать от довольно таки неприятной картины измерений. Для звуков, длящихся долго, «гребенка», разумеется, вполне реальна, так что и по ощущениям, и по приборам картина будет примерно одной и той же.