Направленность колонок и спинорама: как читать стандарт CEA2034

Направленность — это физика, а не характер

Слово «направленность» звучит так, будто это аудиофильский жаргон, но на деле это чистая физика. Направленность колонки — это то, насколько широко или узко она излучает звук в стороны, и, что важнее всего, на каждой частоте по-разному. Одна и та же колонка на разных частотах ведёт себя не одинаково: где-то она излучает во все стороны, а где-то стреляет узким лучом строго по оси.

Закономерность здесь простая и одинаковая почти у всех динамиков. На низких частотах — бас, нижняя середина — колонка излучает почти во все стороны, звук расходится широким кругом. Чем выше частота, тем сильнее излучение собирается в узкий пучок, направленный по оси. У этого сужения есть название — «beaming», от английского «beam», луч.

Причину проще всего понять через размер излучателя — диффузор и защитный колпачок динамика или купола твитера. Пока звуковая волна заметно длиннее диаметра излучателя, колонке физически «нечем» направить её: волна огибает динамик и уходит во все стороны. Низкие частоты — это очень длинные волны, поэтому бас и излучается во все стороны. Но с ростом частоты волна укорачивается, и в какой-то момент её длина становится сравнима с диаметром излучателя. С этого места звук, уходящий в сторону, начинает вычитать сам себя, а вперёд по оси идёт всё уже и уже. Чем выше частота — тем острее луч.

Вот здесь и кроется ловушка привычного «графика колонки». Обычная кривая АЧХ снимается на оси — микрофоном, поставленным прямо перед колонкой. Она честно показывает, что излучается вам в лицо, если вы сидите точно напротив. Но она вообще ничего не говорит о том, что уходит вбок, вверх и вниз — а именно этот звук отражается от стен, пола и потолка и возвращается к вам вместе с прямым. Две колонки могут иметь одинаковую осевую АЧХ и при этом совершенно по-разному излучать сигнал в комнату.

Поэтому колонку и меряют не с одной точки, а со всех сторон — чтобы увидеть не только луч на оси, но и всю картину излучения целиком.

Как снимают спинораму

Раз направленность меняется и с частотой, и от угла, одного замера «в лоб» не хватает — нужна карта. Спинораму снимают ровно так, как она и звучит: колонку крутят перед неподвижным микрофоном в заглушённой камере — помещении, где стены, пол и потолок гасят звук, чтобы до микрофона доходил только прямой сигнал колонки, без отражений. Отсюда и разговорное имя: «спинорама» — от английского spin, «вращение». Название неофициальное, но прижилось; сам метод стандартизирован как CEA-2034 (позже, после переименования отраслевой ассоциации, — CTA-2034).

Полная спинорама — это около 70 отдельных измерений АЧХ вокруг колонки. Начинают с оси — точки, куда колонка «смотрит», — а дальше поворачивают её с шагом в 10 градусов, обходя полный круг в двух плоскостях: по горизонтали (влево-вправо) и по вертикали (вверх-вниз). Каждый замер — это отклик колонки под определённым углом. Такое количество измерений кажется избыточным, но именно такая плотность позволяет увидеть, где и на какой частоте луч сужается и как сильно искажает тембр, — то, что на одной осевой кривой отследить невозможно. Для сравнения: до того, как этот метод устоялся, замеры в канадской NRC делали более грубым шагом в 15 градусов — карта получалась менее точной.

У стандарта есть точные даты, и их полезно держать в голове, встречая аббревиатуру в описаниях замеров. Первая редакция, ANSI/CEA-2034-A, вышла в феврале 2015 года — тогда ещё под маркой CEA. Действующая версия, ANSI/CTA-2034-B, опубликована в июле 2024-го. За буквой в конце (A, B) как раз и стоит поколение методики.

Семьдесят сырых измерений — это сырые данные, а не итоговый вывод. Смотреть на все семьдесят линий сразу бессмысленно: вы просто увидите паутину из множества кривых. Поэтому следующий шаг — свёртка: из всего массива замеров получают компактный набор из нескольких стандартных кривых, каждая для своей задачи.

Семь кривых CEA2034

Полная спинорама сворачивается в семь кривых. Четыре из них — усреднения реальных замеров, две — индексы направленности (производные первых четырёх), и седьмая — расчётная оценка того, что вы услышите в комнате.

Осевая (On-Axis) — отклик строго на оси колонки, «в лоб». Самая привычная кривая, но не самая честная: за неё легко спрятать проблемы, которые вылезают при малейшем смещении из точки прослушивания.

Окно прослушивания (Listening Window) — усреднение по небольшому конусу вокруг оси: ±10° по вертикали и ±30° по горизонтали. Диапазон подобран так, чтобы имитировать естественные движения слушателя — вы же не сидите, зажав голову в тисках строго на оси. Ключевой момент: именно эта кривая, а не чистая осевая, наиболее показательна для понимания тембрального окраса. Окно прослушивания — первое, на что стоит смотреть.

Ранние отражения (Early Reflections) — оценка энергии первых отражений от пола, потолка и стен, ещё до того как звук успеет распространиться в комнате. Объединяет переднее полупространство и отражения вбок, назад, вверх и вниз.

Звуковая мощность (Sound Power) — взвешенное RMS-усреднение по всей сфере вокруг колонки. Вес каждого измерения равен площади его сегмента сферы. Проще говоря — сколько всего энергии колонка отдаёт в комнату, во все стороны разом.

Дальше идут два индекса направленности. Оба считаются вычитанием одной кривой из другой и показывают, насколько ровно колонка распределяет энергию в стороны, за исключением излучения на оси.

Индекс направленности по звуковой мощности (SPDI) = Окно прослушивания − Звуковая мощность. Насколько то, что идёт вам в уши, отличается от того, что излучается во все стороны.

Индекс направленности по ранним отражениям (ERDI) = Окно прослушивания − Ранние отражения. То же самое, но применительно к первым отражениям от стен.

Расчётный отклик в комнате (PIR, Predicted In-Room Response) — седьмая кривая, и единственная, которая не является сугубо математической обработкой измерений. Это взвешенная комбинация окна прослушивания, ранних отражений и звуковой мощности — пример того, как колонка в среднем будет звучать в типовой жилой комнате в дальнем поле, где до точки прослушивания доходит и прямой звук, и отражённый. Именно поэтому PIR обычно опускается к верху: высокие частоты у любого динамика излучаются в комнату в меньшей степени. Как эта кривая работает, разберём ниже более подробно.

Индекс направленности: одна линия обо всём

Индекс направленности — самая полезная метрика из всех, потому что она сворачивает всю картину излучения в одну кривую. Считается она просто: берут окно прослушивания (или осевую) и вычитают из неё звуковую мощность — то есть на каждой частоте смотрят, насколько отклик на оси громче, чем усреднённый по всем направлениям. По-другому то же самое: DI = 10·log₁₀(Q), где Q, во сколько раз больше энергии колонка отдаёт на оси, чем в среднем по всей сфере вокруг себя. Чем сильнее луч сжат, тем выше DI на этой частоте.

Первое, что удивляет на графике DI: линия почти всегда ползёт вверх с частотой. Это нормальное поведение системы — та самая физика узкого луча из первого раздела: чем короче волна относительно диаметра излучателя, тем сильнее гасится звук вне оси, тем более узкий луч и выше DI.

Поэтому важно не само абсолютное значение DI, а его гладкость. Хороший признак — плавный подъём без резких скачков и провалов. Ровная линия DI означает постоянную направленность (по-английски constant directivity): угол, в котором колонка покрывает звуком, находится примерно одинаковым в широкой полосе, а не изменяется от частоты к частоте.

И важный нюанс: ровный DI — однозначно положительная характеристика, но не единственная. Она говорит только о направленности, а не о запасе громкости, искажениях или басе в вашей комнате. Ровная линия DI — повод рассмотреть колонку к покупке, но не закрывать глаза на остальное.

Куда интереснее посмотреть, как выглядит плохой DI и где именно направленность чаще всего имеет отклонения.

Гладкая направленность против рваной

Осевая АЧХ показывает только прямой звук — как колонка звучит строго по прямой в микрофон. Но до вашего уха доходит не только этот сигнал: бо́льшая часть звука сначала отражается от стен, пола и потолка. Поэтому колонка с идеально ровной осевой АЧХ всё равно может звучать плохо — если вбок она излучает не то же самое, что вперёд.

Самое частое место, где появляются отклонения — частота раздела фильтров (кроссовер), где НЧ/СЧ-динамик перестаёт играть и начинает играть твитер. Крупный динамик к верху своего диапазона уже сузил луч: высокие частоты он излучает узким пучком вперёд. А маленький твитер, только начав играть, излучает широко во все стороны. На стыке ширина «пучка» резко меняется — и в энергии, уходящей в комнату, появляется провал ровно на частоте раздела. На осевой кривой этого провала не видно: в точку перед колонкой оба динамика отдают равномерный сигнал. Слышно его иначе — как лишнюю резкость на верхней середине и «утопленный» вокал. У этого провала есть устоявшееся имя — «BBC dip», по студийным мониторам, которые его намеренно сглаживали.

Хорошая направленность выглядит как набор кривых, идущих гладким веером — под каждым следующим углом та же форма, просто чуть тише; DI поднимается плавно и без резких всплесков. Плохая — неравномерная: кривые расходятся в разные стороны, а на DI виден горб или провал в районе раздела. Чтобы получить первое, а не второе, твитер устанавливают в волновод — короткий рупор с точно рассчитанной геометрией, который удерживает ширину излучения ВЧ драйвера и подгоняет её под то, что успел сузить соседний динамик. Самому НЧ/СЧ-динамику при этом добавляют ВЧ до частоты раздела, чтобы обе диаграммы сошлись на одной ширине. Подобные решения можно встретить у: Genelec: DCW, Neumann: MMD, JBL: Image Control Waveguide, Kali: 3D Imaging Waveguide, TONAUDIO: ACS.

Почему важен звук, излучающийся в комнату

Колонку измеряют со всех сторон не от того, что заняться нечем, а потому что вы никогда не слышите только прямой сигнал. В комнате до точки прослушивания приходит не один сигнал. Первый — прямой, он идёт от колонки к ушам по кратчайшей линии. Второй — отражённый: та же волна успевает отразиться о боковую стену, пол, потолок и потом только дойдёт до вас.

Казалось бы, запоздавший звук должен восприниматься как отдельное эхо/реверберация. Но нет: если отражения приходят в пределах 25–35 мс после прямого сигнала, слух не детерминирует их, а воспринимает их как одно целое. Вы слышите не «колонку и реверберацию комнаты», а единую тембральную картину — прямой сигнал + ранние отражения. За то, где вы поместите источник в пространстве, отвечает при этом только прямой сигнал. Отражения на локализацию почти не влияют. У этого свойства слуха есть название — эффект предшествования (precedence effect).

Отсюда простой, но неочевидный вывод. Раз ухо складывает прямой и отражённый звук в общую тембральную картину, то тональный баланс отражённого звука — не мелочь, которую можно переложить на «акустическую подготовку помещения». Он влияет на то, что вы в итоге слышите, почти наравне с прямым сигналом. А тональный баланс отражённого звука задаёт то, как колонка излучает вбок, вверх и назад — то самое внеосевое излучение.

Теперь понятно, зачем нужна равномерность во всех направлениях, а не только на оси. Представьте колонку, которая строго по оси играет идеально ровно, но вбок излучает звук с заваленным верхом или горбом в середине. Прямой звук придёт чистым, а отражения — окрашенными. Слух сложит одно с другим, и комната как будто окрасит колонку: добавит ей тембральный оттенок, которого нет в измерении на оси. Чем сильнее тональный баланс внеосевого излучения расходится с осевым, тем заметнее этот эффект.

Ровно поэтому спинораму снимают по всей сфере вокруг колонки, а не одной кривой на оси. Осевая АЧХ описывает прямой звук — но ничего не говорит о том, что колонка воспроизведёт в стены и вернёт вам отражениями. Внеосевые замеры для этого и нужны, чтобы измерить вторую половину звука.

PIR: как колонка зазвучит в комнате

Здесь и был весь смысл предыдущих кривых. По отдельности окно прослушивания, ранние отражения и звуковая мощность отвечают на разные вопросы: что придёт по прямой, что отразится от стен, сколько всего энергии колонка отправит в комнату. Но слушаете вы их не раздельно — до точки прослушивания всё это приходит вместе, слитым в один сигнал. Predicted In-Room Response (PIR) — математическая кривая, которая как раз совмещает их в одно: смесь прямого звука из окна прослушивания, ранних отражений и общей звуковой мощности. Она оценивает, как колонка в среднем прозвучит в типовой жилой комнате.

Важно понимать, чем PIR отличается от остальных кривых. Первые четыре — это усреднения реальных замеров. PIR замером не является: это арифметическая свёртка уже снятых кривых по формуле. Никакого отдельного измерения «в комнате» нет — комнату она моделирует расчётом.

Зато именно PIR отвечает на главный вопрос всей идеи спинорамы — «зачем столько кривых, если можно посмотреть одну осевую». Осевая описывает несуществующие условия: идеальный прямой звук строго по оси, которого в реальности вы почти никогда не слышите в чистом виде. PIR описывает комнату: в ней прямой звук смешан с отражениями, а их тональный баланс задаёт направленность колонки на всех углах. Колонка с ровной АЧХ на оси, но кривой направленностью на внеосевой кривой выглядит как хорошая колонка, а в PIR провал уже виден — потому что в комнату энергия уходит неравномерно.

И ещё одна деталь, которая ведёт к следующему разделу. PIR — не просто картинка для наглядности, из неё можно рассчитать рейтинг. В формуле оценки предпочтения (её вывели из слепых прослушиваний) PIR используется с двумя переменными: узкополосным отклонением по кривой и её равномерностью — чем ровнее PIR, тем выше расчётная оценка. То есть предсказанный отклик в комнате — это метрика, выведенная из измерений.

Оценка предпочтения

Метод, который стоит за этой оценкой, вырос из работ по психоакустике. Флойд Тул в National Research Council Canada годами тестировал людей в слепых прослушиваниях — колонки скрыты за акустически прозрачной ширмой, марка и цена неизвестны — и искал, какие безэховые замеры предсказывают, что людям понравится больше. В 1991 году он ушёл работать в Harman и возглавил там исследования, проработав до выхода на пенсию в 2007-м. В 2004 году его коллега Шон Олив опубликовал статистическую модель, построенную примерно на 70 измерениях колонок: она предсказывает усреднённое предпочтение слушателей по одним лишь безэховым измерениям. Модель хорошо согласуется с оценками живых людей — во вторичных источниках (Тул, Audioholics) обычно приводят корреляцию около 0,86.

Как считается сама оценка — не секрет:

Preference = 12,69 − 2,49·NBD_ON − 2,99·NBD_PIR − 4,31·LFX + 2,32·SM_PIR

NBD — узкополосные отклонения (по осевой и по PIR), LFX — как низко колонка играет бас (ниже — лучше), SM_PIR — равномерность PIR (выше — лучше). Итог — шкала от 0 до 10, выше значит «в среднем нравится больше».

Вот как по этой шкале выстроились восемь колонок (оценки — с spinorama.org, измерения ErinsAudioCorner и ASR).

И здесь начинается самое важное — то, ради чего этот график вообще нужно читать правильно. Более высокая оценка НЕ делает колонку лучше в абсолюте.

Данные прекрасно иллюстрируют концепцию тир-листа, а не слепую оценку метрики. Самый высокий балл — у Neumann KH 120 II: 6,58. Но в тир-листе она в B-тире. Genelec 8030C с 6,24 — вообще в C. А комбинация Genelec 8330 с сабвуфером Genelec 7350, у которой базовый балл 5,59 (ниже обеих), стоит в S. Причина не в оценке: система с сабвуфером покрывает весь диапазон, который одна полочная колонка физически не может воспроизвести, — и в формуле это видно через переменную LFX, отвечающую за протяжённость низа. Тот же Genelec 8330 без саба имеет ровно те же 5,59 и живёт в B-тире; всю разницу создаёт сабвуфер, то есть система целиком, а не одна колонка.

Оценки предпочтения — по измерениям с spinorama.org (пересчёт ErinsAudioCorner и ASR)

Чего спинорама не показывает

Направленность и тональная достоверность — это одно из качеств акустики. Полезно держать в голове, чего спинорама по своей природе показать не может.

Она не измеряет нелинейные искажения (THD/IMD) — то, что колонка подмешивает к сигналу на высоких уровнях громкости. Она ничего не говорит про запас по SPL: насколько колонка может громко воспроизвести сигнал, прежде чем начнёт компрессировать сигнал и уходить в клиппинг.

Так что спинорама — это надёжная метрика для оценки тональной достоверности системы, что в слепых тестах в среднем предпочитают слушатели. Но не абсолютная оценка качества.

Поэтому в нашем тир-листе сумма характеристик важней, а спинорама и preference score — лишь доказательная база. Сами кривые и оценки для каждой модели лежат на страницах замеров, а итоговые места — в разделе колонок тир-листа.