Кривые равной громкости и тонкомпенсация

Кривые равной громкости (equal-loudness contours), отражающие нелинейность слухового восприятия, впервые были представлены Флетчером и Мэнсоном в 1933 г. Ввиду различных условий эксперимента, они несколько отличаются от кривых Робинсона-Датсона (1956), ставших основой стандарта ISO 226:1961.

Современные стандартные кривые равной громкости чистых тонов ISO 226:2003 (ГОСТ Р ИСО 226-2009) были получены путём аппроксимации результатов 12-ти независимых исследований (рис. 1). Для уровней громкости выше 90 фон оказалось недостаточно достоверных экспериментальных данных – то же справедливо и для низких уровней выше абсолютного слухового порога.

Рисунок 1. Стандартные кривые равной громкости ISO 226:2003.
(пунктирные линии – соответствующие кривые Флетчера-Мэнсона для НЧ-области)

Кратко опишем процедуру получения этой диаграммы: испытуемому предъявляется синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и известным звуковым давлением, а затем или одновременно с ним – сигнал другой частоты. Предлагается отрегулировать уровень этого сигнала так, чтобы его громкость соответствовала громкости первого. Точки, полученные таким образом в системе координат «частота – уровень звукового давления», объединяются в линию, называемую изофоном – это и есть кривая равной громкости. Аналогично строится всё семейство кривых. Стоит отметить, что кривые равной громкости были получены с использованием чистых тонов определённой длительности и поэтому, учитывая множество нелинейных свойств слуховой системы, не вполне применимы для прогнозирования громкости сложных звуковых сигналов.

Из приведенных кривых равной громкости следует, что для натурального звучания фонограмма должна воспроизводиться на той громкости, при которой она была подготовлена. Когда мониторинг при сведении и мастеринге осуществлялся на большой громкости, а впоследствии фонограмма воспроизводится тихо – ощущается нарушение тонального баланса в виде недостатка низких и высоких частот. Если же фонограмма подготовлена звукорежиссёром на малой громкости, а воспроизводится громко – пение и речь, например, будут казаться слушателю бубнящими, так как он воспримет низкие частоты более громкими, чем их слышал звукорежиссёр.

Рисунок 2. Пример чтения диаграммы кривых равной громкости

Поясним это на диаграмме (рис. 2). Уровень громкости чистого тона на частоте 1 кГц при уровне звукового давления 40 dB составит 40 фон (1), а при том же звуковом давлении на частоте 30 Гц – будет за пределом слухового порога (2), т.е. вообще не будет услышан. Чтобы хоть как-то услышать этот сигнал, уровень звукового давления нужно повысить до ~60 dB (3), а чтобы этот сигнал стал одинаковой громкости с первым – уровень звукового давления должен составлять ~90 dB (4). Для равногромких сигналов разница в уровнях звукового давления составила ~50 dB. Теперь рассмотрим чистый тон с частотой 1 кГц при уровне звукового давления 100 dB: уровень громкости составит 100 фон (5). Для получения равногромкого сигнала на частоте 30 Гц потребуется уровень звукового давления ~120 dB (6). Разница в этом случае составила лишь ~20 dB! Определённо, такая особенность слуховой системы требует осознанного подхода к ней со стороны представителей индустрии аудио.

Тонкомпенсация – это функция преобразования частотного спектра аудиосигнала, призванная скомпенсировать нелинейность слуховой системы человека для восстановления исходного тонального баланса при прослушивании фонограмм на разных уровнях громкости. Некоторые бытовые усилители мощности и ресиверы имеют блок тонкомпенсации, включаемый кнопкой «Loudness». При снижении громкости посредством регулятора уровня, блок тонкомпенсации может либо повысить содержание низких и высоких частот в спектре, либо ослабить средние частоты. Однако, для адекватной работы такой блок должен быть откалиброван под данное помещение и данную акустическую систему. Не прибегая к сложным техническим решениям, приемлемую тонкомпенсацию можно осуществлять самостоятельно при помощи обычного темброблока при условии, что он рассчитан и сконструирован должным образом – речь идёт о резонансной частоте и добротности фильтров.

Для расчёта глубины тонкомпенсации достаточно просто наложить изофоны интересуемых уровней громкости так, чтобы они пересекались точками, соответствующими частоте 1 кГц, и измерить разницу в звуковом давлении на требуемой частоте (рис. 3). Проанализировав эту информацию, можно прийти к выводу, что глубина тонкомпенсации более 15 dB потребуется лишь в редких случаях.

Рисунок 3. Пример графического расчёта глубины тонкомпенсации
в области низких частот относительно уровня громкости 80 фон

Какие же выводы следуют из всего вышеизложенного?

  1. Мониторинг при сведении и мастеринге должен осуществляться на том уровне громкости, на котором фонограмма будет воспроизводиться с наибольшей вероятностью. На том же уровне следует прослушивать и референсные записи. Таким образом, прослушивание фонограммы на прогнозируемом уровне громкости не будет требовать тонкомпенсации в случае линейного воспроизводящего тракта. Но стоит учитывать и следующее: когда фонограмма впечатляет слушателя, он обычно стремится сделать её громче, чтобы уделить ей всё своё внимание.
  2. Если наиболее вероятный уровень воспроизведения фонограммы слишком утомителен для долговременной работы по её сведению или мастерингу, следует снизить уровень воспроизведения и применить тонкомпенсацию, отключив её при сохранении фонограммы (если она применена к мастер-шине DAW). Конечно, перед сохранением стоит проверить результат на нормальном уровне громкости без тонкомпенсации.
  3. При воспроизведении фонограммы на уровне, не соответствующем задумке композитора и аудиоинженера, следует применять тонкомпенсацию. Самый простой вариант – регулировать НЧ (а также ВЧ) с помощью темброблока в соответствии с субъективными представлениями о целевом тональном балансе, т.е. «навалить басов». Это знание может быть очень полезно для получения удовольствия от музыки при тихом прослушивании ночью.

Более правильный подход к решению данной проблемы по мнению автора – калибровка системы мониторинга по розовому шуму под некоторое стандартное значение звукового давления и применение системы тонкомпенсации, работающей в соответствии со стандартными кривыми равной громкости. Возможно, когда-нибудь придёт время для реализации этой идеи.

Агалаков Иван