все о профессиональном звуке

Субъективная оценка акустических систем

Аудиоаппаратура имеет одно принципиальное отличие от всех других видов продукции, которое состоит в том, что, кроме измерения ее объективных параметров, она обязательно должна проходить субъективную экспертизу. Это относится ко всем видам акустической аппаратуры: акустическим системам, микрофонам, головным телефонам и др. Если процесс разработки и оценки качества всех других видов аппаратуры (например, шумомеров, вольтметров и пр.) заканчивается на измерении ее выходных характеристик, то процесс разработки акустической аппаратуры иногда не только на этом не заканчивается, но является лишь серединой пути, причем не самой трудной его частью.

По собственному опыту разработки в ИРПА линейки контрольной акустики могу сказать, что для обеспечения заложенных в технические условия параметров потребовался примерно год работы. После чего эксперты, в том числе звукорежиссеры, приглашенные для субъективной оценки, высказали ряд замечаний типа "скрипка звучит холодно" в "басах мяса нет" и т.д., после чего потребовалось еще примерно полтора года, чтобы довести системы до уровня положительных оценок при субъективных экспертизах - и это оказалась самая трудная часть работы.

Причина этого заключается в том, что выходным сигналом у всех видов акустической аппаратуры является звук, который воспринимается и обрабатывается слуховой системой.

Изучение механизмов работы слуховой системы является самым приоритетным направлением в настоящее время, потому что от полученных результатов зависят пути дальнейшего развития всей аудиотехники.

Рис.1. Первая акустическая система Radiola. Рис.2. Современная АС категории Hi End

Фото статьи Фото статьи

С момента появления первых громкоговорителей (рис. 1) в 30-е годы и до современных систем Hi End (рис. 2) был пройден огромный путь по совершенствованию технических характеристик аппаратуры: от изменения норм на существующие параметры (например, контрольные АС на выставке в Брюсселе в 1956 году имели в среднем неравномерность 15 дБ и коэффициент нелинейных искажений 5%, в то время как современные акустические системы обеспечивают неравномерность ±1 дБ в диапазоне 20 Гц…20 кГц и КНИ меньше 1%) до появления большого количества совершенно новых параметров, полученных с помощью цифровой метрологии: трехмерные кумулятивные спектры, частотная зависимость группового времени задержки, распределение акустической энергии в пространстве и др. В каталогах современной аудиоаппаратуры фирмы указывают более 30 параметров.

Однако, несмотря на это, цель, поставленную в 60-е годы при создании аппаратуры High Fidelity, - "чтобы звук, созданный акустической системой, был практически не отличим от живого звука", - пока нельзя считать достигнутой. Причина этого в том, что проблему расшифровки звукового образа слуховой системой нельзя считать решенной: возможно, в звуковом сигнале имеются некие признаки, которые имеют существенное значение для слуховой системы, но не измеряются и не нормируются в настоящее время.

Поэтому обеспечение высокого уровня параметров является условием необходимым, но не достаточным при разработке акустической аппаратуры.

Во все международные стандарты и большинство национальных стандартов введена процедура субъективных экспертиз, являющаяся обязательной для всей акустической аппаратуры.

Если почитать наши журналы по бытовой аудиотехнике (а также многие зарубежные), то в оценке качества звучания разбираются практически все (как в медицине), и нет ничего легче: сел, послушал и сразу сказал, что звучит хорошо, что плохо. Но это глубочайшее заблуждение: для того чтобы сделать результаты субъективной экспертизы объективно достоверными, обеспечивающими повторяемость и стабильность оценок, требуется огромная работа по контролю всех этапов экспертизы. Это было проделано при переходе на стереосистемы в системах звуковоспроизведения и результаты введены в международные стандарты (например, IEC 268-5, AES 20-1996 и др.).

Сейчас проводится огромная работа по отработке методик проведения экспертиз для пространственных систем звуковоспроизведения, касающихся всех элементов: требований к помещению, отбора материала для прослушивания, тренировки экспертов и т.д.

На конгрессах AES всегда представляется большое количество докладов по этим вопросам, постоянно публикуются статьи в различных журналах (JAES, JASA и др.) и т.д. Эти работы проводятся в крупнейших научных центрах, например, в Кембриджском (Б. Моор, Ф. Рамсей) и Шведском университетах (А. Габриэльсон), в корпорации Harman (Ф. Туле, С. Олив) и др. Причем на выполнение этих работ выделяются большие гранты (часто государственные), а также средства от таких компаний как, например, Nokia.

Методика субъективной экспертизы введена практически во все международные и национальные стандарты (у нас действовал в свое время ОСТ 4.202.003-84) и используется для оценки домашних, автомобильных и профессиональных акустических систем, стереотелефонов, микрофонов и пр.

Рис 3. Расположение акустических систем и экспертов. Рис.4. Расположение АС для систем Surround Sound.

Фото статьи Фото статьи

Во всех документах обязательно оговариваются требования:

к условиям прослушивания (помещение, порядок отбора и размещения образцов и слушателей, параметры звуковоспроизводящего тракта и т.д.);
к процедуре тестирования (выбор программного материала, методы оценки, порядок прослушивания, интерпретация полученных результатов);
к подбору экспертов (проверка слуховых порогов, опыта прослушивания, способов тренировки и т.д.);
к видам оценочных таблиц и способам статистической обработки результатов.

Требования к помещениям прослушивания после длительных экспериментов были введены в международные стандарты (IEC 268-5, AES-20-1996, ITU-R BS.1116-1 и др.) и включают в себя: размеры помещения (в среднем они должны быть объемом не менее 80 м3 с высотой потолков не менее 3…4 м), время реверберации 0,3…0,4 с, а также другие пункты, например, отсутствие выраженных резонансов, низкий уровень шумов и т.д.

Специальные требования были разработаны к размещению испытываемых акустических систем и расположению экспертов: на рисунке 3 показано расположение для испытания стереосистем, на рисунке 4 - для пространственных систем. Кроме того, большое значение имеет выбор программного материала, процедуры тестирования, а также методов оценки.

Одной из самых главных проблем при организации субъективных экспертиз был и остается выбор экспертов ("А судьи кто?"). В стандарте AES-20-1996 оговорено, что в качестве экспертов должны привлекаться опытные, тренированные слушатели с проверенным слухом. У них порог слышимости должен быть не выше 20 дБ в диапазоне от 125 до 8000 Гц, дифференциальный порог слуха к изменению уровня сигнала на 1000 Гц - не более 3 дБ, проверка чувствительности слуха должна проводиться не реже одного раза в год.

Количество экспертов в группе должно быть 4…6 человек. Для оценки степени их тренированности может быть использован метод "самосовпадений", когда одна и та же система несколько раз ранжируется вслепую. Опытный слушатель дает повторяющиеся результаты. При привлечении слушателей с отклонениями слуха их данные должны анализироваться отдельно. При прослушивании слушатели должны меняться местами, чтобы проверить воспринимаемый слуховой эффект на оси и вне оси, что особенно важно для стереосистем. Если система состоит из нескольких громкоговорителей, то их также следует прослушать в разных позициях.

Группа экспертов должна работать непрерывно не более 20 минут, длительность перерыва должна быть равна периоду прослушивания тестовой программы. Эксперт должен привлекаться не более, чем на два часа прослушивания в день.

Как следует из этих требований, во-первых, к прослушиванию должны привлекаться только очень опытные эксперты, во- вторых, должны быть выполнены достаточно жесткие требования к их слуховым параметрам. С переходом на пространственные (многоканальные) системы требования к отбору экспертов еще более усложняются, становится все труднее и дороже организовывать такие экспертизы. Кроме того, остается открытым вопрос, а будут ли оценки, полученные с помощью таких экспертов, совпадать с мнением пользователей, для которых, собственно, и разрабатывается эта аппаратура.

Поэтому уже на протяжении нескольких лет в разных центрах ведутся работы по изучению влияния выбора экспертов и степени их тренированности на качество оценок аудиоаппаратуры, а также на совпадение мнений тренированных профессиональных экспертов с мнением массовых слушателей. Результаты этих работ очень важны для промышленности и массового рынка, поэтому эти исследования активно поддерживаются и финансируются крупными промышленными корпорациями. Длительное время такие работы проводились в корпорации Harman (куда входит, в частности, компания JBL). Они представляют интерес и для нашей промышленности, поэтому полезно рассказать об основных результатах, полученных в процессе этих работ.

В экспертизах участвовали 268 слушателей, тесты различных акустических систем проводились на протяжении 18 месяцев, всего было получено 5256 оценок. В состав слушателей входили 12 опытных экспертов, имеющих опыт прослушивания от 2 до 17 лет, с хорошими аудиометрическими данными (пороги слуха меньше 15 дБ в диапазоне 250 Гц…8 кГц), средний возраст 36 лет.

Среди нетренированных слушателей были выбраны следующие группы: студенты - 15, обозреватели из различных аудиожурналов - 6, агенты по маркетингу и сервису - 21 человек, продавцы аудиооборудования - 215 человек.

Для оценки были отобраны четыре вида акустических систем: трехполосная по цене 8 тысяч долларов (В), четырехполосная за 10 тысяч долларов (Р), диностатическая за 11 тысяч (М) и четырехполосная за 5 тысяч (I). Все системы относились к высшему классу, а система М даже была признана как лучший продукт года (торговое название и фирмы не указывались, чтобы не оказывать влияния на оценки).

Перед экспертизой все системы были измерены в заглушенной камере, АЧХ были сняты на оси и под углами в вертикальной ±10° и горизонтальной плоскости ±30°.

Для прослушивания были отобраны четыре вида музыкальных отрывков разных жанров и стилей, которые воспроизводились с компьютера через звуковую карту, сигнал коммутировался на цифровом микшере и затем после ЦАП подавался на отдельные для каждой акустической системы усилители.

Средний уровень программы выставлялся с помощью калибровочных микрофонов на розовом шуме, равном 75 дБV в центре передних рядов кресел для прослушивания.

Все экспертизы проходили в комнате прослушивания, оборудованной в полном соответствии с международными стандартами.

Процедура тестирования включала в себя монофоническое слепое прослушивание отдельно каждой системы. Порядок предъявления акустических систем носил случайный характер. Для этого комната прослушивания была оборудована автоматическим устройством, работающим под компьютерным управлением, позволяющим в течение трех секунд менять расположение акустических систем, обеспечивая при этом возможность проводить прослушивание как в моно-, так и в стереоварианте. Смена позиций в случайном порядке давала возможность избежать ошибок за счет привыкания к определенному расположению систем.

Рис.5. Шкала для оценок.

Фото статьи

Шкала для оценок показана на рисунке 8, слушателям предлагалось оценить каждую систему по десятибалльной шкале, в которой градации в пределах от 0 до 3 - это отрицательная оценка, 4…6 - нейтральная, 7…10 - положительная. Разница в средних оценках больше двух градаций шкалы означает сильное предпочтение одной системы перед другой, разница в одну градацию - незначительное предпочтение, в 0,5 - практическое равенство в оценках.

Отрывки программ предъявлялись в течение 15…30 секунд с трехсекундным перерывом (для перестановки громкоговорителей), один цикл прослушивания занимал 15…20 минут.

Прежде всего были построены средние оценки по всем группам слушателей для четырех видов акустических систем на всех программах, результаты были обработаны для разных программ и разных циклов прослушивания, выполняемых в течение длительного периода времени.

Рис.6. Средние оценки для каждой акустической системы

Фото статьи

Результаты показаны на рисунке 6. Как видно из рисунков, наивысшую оценку получила АС типа Р - 7,51; далее система I - 7,17, система В - 5,59, и система М - 3,21. Эти результаты показывают четкую корреляцию субъективных оценок с объективными параметрами громкоговорителей: акустические системы типа Р и I имеют хорошее воспроизведение низких частот (ниже 80 Гц), гладкие частотные характеристики как на оси, так и при измерении под разными углами. Различие в их оценках составляет 0,34, то есть является незначительным.

Акустическая система типа В получила существенно более низкую оценку 5,59, анализ ее объективных параметров показывает, что она хуже воспроизводит низкие частоты, но самое важное, что в области 3 кГц она имеет провал на частотной характеристике за счет скачка ширины характеристики направленности между среднечастотным и высокочастотным громкоговорителями, причем интересно отметить, что этот провал незаметен на частотной характеристике звукового давления на оси и может быть обнаружен только при анализе полярных диаграмм или АЧХ, записанных под разными углами. При этом данная информация поступает к слушателю в помещении не за счет прямого звука, а за счет отраженных сигналов. Слушатели отмечали, что у этой системы в области средних частот звук становится глухим. Эти результаты подтверждают, что при проектировании акустических систем надо обращать особое внимание на согласование характеристик направленности громкоговорителей в разных частях диапазона и контролировать АЧХ акустической мощности.

Акустическая система М состояла из низкочастотного электродинамического и средне-высокочастотного электростатического громкоговорителя. Она имела отдельные резонансы на АЧХ как на оси, так и на АЧХ, измеренные под разными углами, кроме того уровень низких частот у нее ниже, чем у других систем. Но самое главное - ее частотная характеристика акустической мощности показывала резкое обострение характеристики направленности при смещении от оси. Все эти факторы, по видимому, и привели к тому, что система получила низшие оценки.

Рис.7. Влияние вида программ на оценки АС

Фото статьи

Следующим этапом была выполнена проверка влияния вида программы на общую оценку каждой акустической системы: как показывают результаты, представленные на рисунке 7, прослушивание каждой акустической системы на разных программах практически не оказывает значительного влияния на среднюю оценку каждой системы, хотя для системы В имеется некоторое снижение оценок на музыкальной программе LF (эстрадный вокал). Можно отсюда сделать вывод, что если программы одного жанра выбраны правильно, хорошо записаны (с хорошим спектральным балансом), то они мало влияют на общую оценку системы. Разброс возможен при переходе к совершенно разным типам программ, например, от симфонической музыки к хоровому пению и т.д., но, как показывает наш многолетний опыт субъективных экспертиз, действительно хорошие акустические системы получают предпочтение на большинстве видов программ.

Рис.8. Распределение оценок для разных групп слушателей

Фото статьи

Наибольший интерес представляют результаты, изображенные на рисунке 8, где показано распределение оценок для четырех акустических систем у разных групп слушателей (на оси абсцисс отмечены наименования разных групп слушателей, Эксп - это квалифицированные эксперты фирмы Harman). Результаты построены по результатам обработки всех оценок, полученных в течение 18 месяцев. Как следует из этих результатов, все эксперты ранжируют системы в одинаковом порядке, например у всех экспертов система М получает низшие оценки, система В оценивается выше, системы Р и I получают высшие оценки.

Различия состоят в степени этих отличий: например, для журнальных обозревателей (reviewers) сиcтемы отличаются очень мало друг от друга (хотя ранжируются в правильной последовательности), в то же время для группы студентов эти системы отличаются очень сильно. Интересно отметить два фактора: для опытных слушателей системы В и Р имеют практически одинаковые субъективные оценки, в то время как для других групп слушателей они оцениваются несколько различно. Возможно, это связано с тем, что эти слушатели, в основном, располагались строго в центре, на оси между АС, другие группы слушателей располагались в различных точках комнаты, и на звучание этих систем влияли их различия в АЧХ, снятые вне оси. Необходимо также отметить, что опытные слушатели, как правило, ставят более низкие оценки, чем другие, - они требовательнее к качеству звука.

Была проверена также величина разброса в оценках различных слушателей.

Рис.9. Средний разброс оценок у разных групп слушателей 

Фото статьи

На рисунке 9 показано значение Fstat (Fstat - отношение среднеквадратичного значения оценки к среднеквадратичному значению разбросов в оценках, т.е. к среднему значению погрешности) в зависимости от категории слушателей. Из результатов видно, что наименьшую величину погрешности (наибольшее Fstat) дают опытные слушатели, наибольшие разбросы получаются у студентов, среднее значение - у продавцов аудиопродукции.

Из полученных результатов могут быть сделаны следующие и очень важные для аудиопромышленности выводы:

субъективные оценки акустической аппаратуры, которые дают в процессе субъективных экспертиз квалифицированные опытные эксперты, в среднем совпадают со шкалой предпочтений неквалифицированных слушателей (студентов, продавцов аудиоаппаратуры и др.);
учитывая, что разброс в оценках у опытных экспертов гораздо меньше, чем у других, для того, чтобы получить статистически значимые субъективные оценки аппаратуры, можно приглашать небольшое количество экспертов (5…6 человек, как требует стандарт МЭК), в то же время при использовании в качестве экспертов неопытных и неквалифицированных слушателей требуется большое количество экспертопоказаний, поэтому, когда в журналах помещают мнение одного автора (да еще с непроверенным слухом), то это не имеет отношения к технике;
опытные эксперты обычно используют нижнюю шкалу оценок, что свидетельствует об их более жестких требованиях к качеству звучания;
имеется четкая корреляция между субъективными оценками для всех групп слушателей и объективно измеренными параметрами акустических систем, наибольшее предпочтение получили системы с гладкой АЧХ, широким частотным диапазоном и отсутствием резких скачков в характеристике направленности (то есть при обеспечении плавного спада АЧХ акустической мощности). Отсюда следует вывод, что для лучшей гарантии качества звучания акустических систем необходимо измерять и нормировать более широкий круг параметров, чем это делается обычно (например, АЧХ акустической мощности и др.).
анализ результатов показал также, что цена на продаваемые системы далеко не всегда коррелирует с их качеством звучания, например, системы Р и М имели примерно одинаковую цену и рекламировались как системы одной категории, хотя прослушивания показали, что эти системы значительно различаются. На установление цены влияет марка фирмы, внешний вид, реклама и т.д.

Общий вывод, который может быть сделан их этих работ, состоит в том, что оценка качества звучания различных систем, выполненная относительно небольшим количеством опытных экспертов (в корректных условиях, т.е. при соблюдении всех требований стандартов), достаточно уверенно будет совпадать, в среднем, с мнением большого количества потребителей (неквалифицированных экспертов) и может служить ориентиром для фирм-изготовителей при разработке продукции.

12 августа 2015

Ирина Алдошина

Пока никто еще не оставлял комментарии. Вы можете быть первым.

Возможность оставлять комментарии доступна только для зарегистрированных пользователей.

Новые статьи

143 конгресс AES - научные результаты

28 января 2018

Церемония награждения лауреатов

16 декабря 2017

Конкурс концертных звукорежиссеров - репортаж

13 декабря 2017

Московский Конкурс молодых концертных звукорежиссеров - итоги

06 декабря 2017

Видеотрансляция Конкурса концертных звукорежиссеров

02 декабря 2017

Внимание, конкурс!

29 ноября 2017

Участники конкурса концертных звукорежиссеров

22 ноября 2017

Положение о конкурсе молодых концертных звукорежиссеров

08 ноября 2017

142 конгресс AES

22 августа 2017

Реверберация и ревербераторы

22 июня 2017