Основы акустики помещений. Проблемы акустики домашних студий. Просмотр полной версии Ранние отражения и реверберационный хвост. Время реверберации

Звук, слышимый нами в комнате прослушивания или в помеще­нии для домашнего кинотеатра, формируется работой звуковоспроизво­дящего оборудования и акустическими свойствами окружающего нас про­странства. Тональный баланс и тембр звука может значительно изменяться в зависимости от места расположения слушателя, громкоговорителей и геоме­трии комнаты. Более того, собственные акустические резонансы помещения (их еще называют стоячими волнами или комнатными модами) могут оказывать такое влияние, что даже будут преобла­дать над звуком исходной фонограммы.

Расположение громкоговорителей в комнате прослушивания
и комнатные моды

Звук, слышимый нами в комнате прослушивания или в помеще­нии для домашнего кинотеатра, формируется работой звуковоспроизво­дящего оборудования и акустическими свойствами окружающего нас про­странства. Тональный баланс и тембр звука может значительно изменяться в зависимости от места расположения слушателя, громкоговорителей и геоме­трии комнаты. Более того, собственные акустические резонансы помещения (их еще называют стоячими волнами или комнатными модами) могут оказывать такое влияние, что даже будут преобла­дать над звуком исходной фонограммы.

Стоячие волны создают в помещении серию «пиков» и «провалов», при этом в определенных зонах уровни громкости могут быть как выше, так и ниже вос­производимых источником.

Звуковое давление, создаваемое модами, имеет более высокие уровни возле стен, еще более оно высоко в зонах двугранных угловых (стыки стена/потолок, стена/ пол, стена/стена), а самые высокие уров­ни наблюдаются в зонах трехгранных угловых (стыки стена/стена/потолок или стена/стена/пол).

Пропорции комнаты, т.е. соот­ношения длины, ширины и высоты, задают расположение комнатных мод в частотном спектре, а также плотность их распределения. Размеры, как таковые, определяют частоты, на которых имеют место резонансы, т.е. то, будут ли от­дельные, имеющие огромное значение для воспроизводимой музыки частоты усиливаться, или же подавляться. В пря­моугольных комнатах с ровными и от­ражающими поверхностями (стенами, полом и потолком) эти резонансы легко могут быть вычислены по следующей, хорошо известной формуле:

f = (c /2)·(√(n x / L x ) 2 +( n y / L y ) 2 +( n z / L z ) 2)

где n x , n y и n z - целые числа, а L x , L y и L z - это соответственно длина, ширина и высота помещения.

Для вычисления всех мод необходи­мо перебрать все возможные комби­нации из трех целых чисел N x , Ny, N z . На практике же достаточно вычислить только низкочастотные моды, т.е. огра­ничиться максимальным значением N = 4.

Существует три типа резонансных мод - аксиальные, тангенциальные и на­клонные (косые).

Аксиальные моды возникают между парой противоположных стен вдоль одного из размеров комнаты стен вдоль одного из размеров комнаты.

Наклонные (или косые) моды возни­кают при участии всех шести внутрен­них поверхностей комнаты.

Аксиальные моды, как правило, являются самыми интенсивными из всех и при определенном допущении для оценки распределения комнатных ре- зонансов можно пренебречь влиянием тангенциальных и косых мод. Рассчитать аксиальные комнатные моды можно вручную, а также с помощью несложно­го акустического online калькулятора (http://www.acoustic.ua/forms/calculator7_1.html).

В помещениях небольшого размера влияние комнатных мод продлевает время затухания звука и увеличивает не­равномерность амплитудно-частотной характеристики. Основные проблемы возникают на НЧ из-за сравнительно низкой плотности резонансных мод в диапазоне 40-300 Гц.

Наличие резонансных мод в по­мещении приводит к нежелательному окрашиванию звука и появлению ярко выраженных дефектов тонального баланса. Фонограмма приобретает ха­рактерное «коробчатое» звучание.

Проектировщики студий звукоза­писи и музыкальных комнат стараются решить эту проблему путем исполь­зования комнат с соответствующими пропорциями, располагая слушателей и громкоговорители в нужных местах, а также применяя специальные низкочастотные поглотители.

Выбор «правильных» комнатных пропорций позволяет значительно снизить влияние комнатных резонансов и ослабить слышимое воздействие мод.

За последние десятилетия было пред­ложено большое количество подходов к поиску оптимальных соотношений размеров комнат. В большинстве своем в этих методиках стремятся избежать случаев, в которых повторяющиеся моды располагаются в узком диапа­зоне частот.

Тангенциальные моды образуются, когда звуковая волна многократно переотражается четырьмя поверх­ностями, пары которых параллельны друг другу.

Многие известные акустики занима­лись данной проблемой. В результате, в практике архитектурной акустики устоялось несколько наиболее удачных соотношений комнатных размеров.

В 1996 году после серии исследо­ваний, проведенных в инженерном департаменте ВВС (Research Department Engineering Division of ВВС), Роберт Волкер (Robert Walker ) разработал критерий качества музыкальной ком­наты, основанный на вычислении среднеквадратичного расстояния между модальными частотами. Этот метод позволяет получить ряд практичных и почти оптимальных размеров комнаты. В 1998 году формула, предложенная Волкером, была принята в качестве стандарта Европейским Радиовеща­тельным Союзом (European Broadcasting Union , TR R 22, 1998) и Международ­ным Телекоммуникационным Союзом (International Telecommunication Union ITU - R BS .1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студий­ных помещений и музыкальных комнат прослушивания.

Соотношение выглядит следующим образом:

1.1 w / h <= l / h <= 4.5 w / h - 4, l / h < 3, w / h < 3 где l - длина, w - ширина, h - высота помещения. Кроме того, должны быть исключе­ны целочисленные отношения длины и ширины помещения к его высоте в пределах +/- 5%.

Интерактивный калькулятор для расчета оптимальных размеров комнаты прослушивания доступен по ссылке http :// www . acoustic . ua / forms / calculator 7_1. html .

Описанная формула позволяет рассчитать не идеальные, но вполне приемлемые соотношения линейных размеров студийных помещений, контрольных комнат и музыкальных комнат прослушивания с точки зрения уменьшения влияния низкочастотных резонансов.

Тем не менее, очень часто прихо­дится иметь дело с комнатой, форму которой изменить уже невозможно. В этом случае важным инструментом для снижения влияния комнатных резо­нансов является правильное взаимное расположение акустических систем относительно друг друга, ограждающих конструкций и зоны прослушивания.

В практике критического прослуши­вания существует несколько подходов к расстановке акустических систем в по­мещении. Один из них был разработан Джорджем Кардасом (George Cardas) на основе реализации принципа «золотого сечения». Данная методика применима к любым корпусным акустическим систе­мам, в случае их размещения в любом прямоугольном симметричном поме­щении с сопоставимыми размерами. В правильности такого подхода можно легко убедиться путем непосредствен­ного прослушивания без использования специальной аппаратуры.

Установка акустических систем в замкнутом помещении приводит не только к возбуждению комнатных мод, но и к возникновению интерференционных искажений, обусловленных взаимодействием прямого звука гром­коговорителей с отражениями звуковых волн от ограждающих конструкций (так называемый SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). При этом, из сигнала, доходящего до зрителя, исчезает полезная информа­ция в целом наборе информационно- значимых частотных полос, что сильно искажает тональный баланс исходной фонограммы. Частоты, на которых воз­никает нежелательное акустическое взаимодействие, пропорциональны расстоянию от громкоговорителей до стен помещения и в основном находят­ся в диапазоне 50-250 Гц.

На звучание стереосистемы более всего влияют искажения, обуслов­ленные взаимодействием (в порядке значимости):

Громкоговорителя с ближайшей боко­вой стеной;

Громкоговорителя с фронтальной стеной;

Громкоговорителя с дальней боковой стеной.

Рассмотрим варианты размеще­ния акустических систем в комнатах различной формы и методы борьбы с нежелательными акустическими дефектами.

Комната прослушивания с продольной ориентацией

Использование принципа «золотого сечения», позволяет расположить громкоговорите­ли в музыкальной комнате таким образом, чтобы рассогла­совать частоты, на которых проявляются акустические дефекты, а также исключить или значительно уменьшить унисон вредных резонансов. Для того, чтобы расположить корпусные акустические систе­мы в прямоугольном симме­тричном помещении в соответ­ствии с принципом «золотого сечения» необходимо запомнить две простые формулы:

Расстояние от центра низкочастот­ного громкоговорителя до боковой стены:

Ширина помещения RW, (м) х 0,276

Расстояние от центра низкочастотно­го громкоговорителя до фронтальной стены:

Ширина помещения RW, (м) х 0,447

После того, как громкоговорители в помещении расставлены по принципу «золотого сечения», необходимо вы­брать позицию слушателя в ближнем звуковом поле. Местора­сположение слушателя определяется только расстоянием между центрами громкоговорителей и не связано с раз­мерами самого помещения.

В общем случае оба громкоговори­теля и голова слушателя должны быть расположены в вершинах равносторонне­го треугольника. Длина стороны треу­гольника должна быть равна расстоянию между громкоговорителями. Важность симметричного расположения акустиче­ских систем в маленькой комнате нельзя переоценить. Когда громкоговорители расположены согласно принципу «золото­го сечения», необходимо их немного раз­вернуть в сторону слушателя. Это можно сделать, полагаясь на слух. Обычно достаточно разворота громкоговорителей в пределах 5-6 градусов. Корпусные гром­коговорители обычно требуют немного большего угла разворота, чем панельные.

Расположение слушателя в ближнем поле обеспечивает прекрасную стерео- панораму. Этот прием, как правило, ис­пользуется в студиях звукозаписи. Тем не менее, это не является универсаль­ным рецептом для музыкальных комнат прослушивания. Очень часто удаление точки прослушивания от плоскости раз­мещения акустических систем бывает более предпочтительным для создания реалистичной звуковой сцены. Опти­мальное расстояние «с» может иметь значение в пределах 0,88-1,33 относи­тельно расстояния между фронтальны­ми громкоговорителями.

Комната прослушивания в форме «золотого кубоида»

Комната прослушивания в форме «золотого кубоида» име­ет размеры:

h х 1,62 h х 2,62 h , где h - это высота помещения. Соотношения между линейными размерами такой комнаты соответствуют принципу «золотого сечения» или иррациональной последовательно­сти чисел Фибоначчи. С точки зрения акустики комната в форме «золотого кубоида» обладает одним замечательным свойством. Так как основные резонансные частоты помещения отличаются друг от друга в соотношении «золотого сечения» (пропорционально размерам комнаты), то взаимодействие стоячих волн (всех типов!!!) не увеличивает, а, наоборот, частично компенсирует неравномерность звукового поля. Это приводит к более естественному звуковосприятию в по­мещениях малого объема (менее 100 м3) на низких частотах.

Для вычисления месторасположе­ния громкоговорителей в музыкальной комнате, выполненной в форме «золо­того кубоида» можно воспользоваться методом отношений или числами Фибоначчи. Оба способа вычислений приводят к одина­ковому результату.

Комната прослушивания с поперечной ориентацией

Если акустические системы в пря­моугольной комнате прослушивания расположены вдоль длинной стены, во фронтальных углах помещения не­обходимо начертить прямоугольники в пропорции «золотого сечения».

Квадратная комната прослушивания

Если Вам не повезло и у вас квадратная комната прослушива­ния, так же, как и в предыдущем случае, во фронтальных углах комнаты нужно начертить «золо­тые» прямоугольники и провести через них диагональные линии. Громкоговорители необходимо располагать вдоль этих линий.

Выполнение этих несложных рекомендаций, основанных на применении гармонического принципа «золотого сечения», по­зволяет без каких бы то ни было затрат значительно улучшить звучание звуковоспроизводящей аппаратуры в любом симметрич­ном помещении прямоугольной формы. Однако, необходимо отметить, что вышеизложенные рекомендации не являются панаце­ей от всех акустических несчастий, а касаются только коррекции дефектов, вызванных, прежде всего, влиянием нежелательных комнатных резонансов. Но это та база, основываясь на которой можно выстроить прекрасно звучащую стереосистему, дарящую радость и удо­вольствие своему владельцу.

Начнем, наверное, с самого звука. Каждый из вас еще со школы знает, что скорость звуковой волны составляет 330 метров в секунду. Звуковая волна имеет резонансную частоту, которая измеряется в герцах (Hz). Один герц равен одному удару в секунду. Попробуем привести пример того, где вы в жизни можете столкнуться с резонансной частотой. Поставьте на стол хрустальный бокал и ударьте по нему ложкой. Вы услышите характерный звон. Так вот, этот звон и называют резонансной частотой. А если в этот бокал налить воды, то он будет звенеть на более низких тонах - в нашем случае частотах. Из этих несложных экспериментов можно сделать еще один вывод: чем ниже частота резонанса, тем длиннее звуковая волна, излучаемая предметом.

Исходя из того, что звук имеет скорость и может отражаться от вещей, посчитаем длину звуковой волны, разделив скорость звука 330 метров в секунду на частоту, к примеру, 20 герц. Получаем длину волны 16,5 метра. Кстати говоря, 20 герц - это частота резонанса китайского барабана. Так что, я думаю, теперь вы уловили разницу между частотами и их длинами.

К чему все это было сказано, я сейчас объясню. Представим, что вы купили дом и решили сделать в одной из его комнат домашний кинотеатр. Вы походили по помещениям и нашли подходящую комнату размером, скажем, 4 метра на 7 метров и 3 метра - высота потолка. Исходя из того, что у звуковой волны есть частота резонанса и длина, мы можем посчитать проблемные резонансы в вашей комнате. Напомню, что они образуются в результате переотражения звуковой волны от стен и потолка, а слышим мы их как бубнение или гул.

Итак, считаем. Делим скорость звука 330 м/с на длину вашей комнаты 7 метров и получаем округленно 47 Hz. Число 47 - это и есть резонанс (в герцах, соответственно) в вашем помещении, который серьезно портит звучание вашей аудиосистемы. Но это еще не все - у нас же есть ширина и высота, а значит, и еще два резонанса. Таким же методом расчета мы получаем следующее: резонанс от потолка до пола у нас равен 110 герц, а от боковых стен - 82 герца. В итоге мы получаем три резонанса на частотах 47, 110 и 82 герц.

А теперь немного о том, как эти резонансы себя ведут. Как уже было сказано, переотражения создают резонанс, что, соответственно, повышает уровень звукового давления на этой частоте. Само звуковое давление измеряется в децибелах. Из этого следует, что чем мощнее ваша система, тем сильнее эти резонансы сказываются на звучании. Порой они достигают такой громкости, что их отчетливо слышно. Например, это можно заметить, хлопнув в ладоши в ванной комнате, облицованной плиткой. Если же переместиться в большую комнату с множеством мягкой мебели и ковров, этот хлопок будет звучать более глухо. Примерно таким образом и проявляют себя резонансные пики, которые можно изобразить графически.

Причем, здесь стоит отметить, что кроме резонансных пиков, существуют еще и провалы в АЧХ. На слух провалы проявляют себя снижением уровня звукового давления. То есть, когда мы в аудиозаписи на заднем плане слышим, к примеру, жужжание мухи, то при провале в АЧХ мы это жужжание тоже слышим, но уже тише.

Провалы образуются вовсе не из-за переотражений, а из-за участков в вашей комнате, где имеются звукопоглощающие предметы, такие как толстый ковер, мягкий диван или шторы, которые гасят звуковое давление на определенной частоте. На слух такие провалы менее заметны, чем резонансные пики, и серьёзным образом не влияют на звучание вашей аудиосистемы.

Напомню, что даже небольшой резонансный бугор в 3 децибела уже хорошо слышен. Так что тут говорить про резонансные пики около 12-18 децибел, которые придают пагубную окраску звуку. В то время как провал в АЧХ в 3 децибела вы наверняка не услышите.

На музыке, например, такие резонансы могут себя проявлять как неприятное эхо, во время звучания только вокала. Разумеется, изначально в записи никакого эха нет. А теперь представьте, что будет, если вместе с вокалом играют еще и инструменты. В общем, звучание системы меняется в худшую сторону, и от оригинальной музыки мало что остается.

Итак, со звуком и резонансами мы с вами немного разобрались. Теперь можно перейти к самому главному - к борьбе с этими самыми резонансными горбами и пиками.

Первое, о чем стоит сказать, - это о самом помещение. Чем меньше в нем параллельных стен, тем лучше. Вообще, идеальным было бы помещение сферической формы, в котором был бы всего один резонанс. Но в виду того, что наши с вами комнаты в большинстве случаев прямоугольные, об этом даже не будет речи. Хотя есть примеры, когда на этапе строительства частного дома хозяева заказывали помещения круглой формы со скошенной крышей с целью достижения наилучшего звучания. В случае если в вашем доме имеется на выбор квадратное и прямоугольное помещения, то смело отдавайте предпочтение последнему, так как в квадратном бубнение на одной частоте будет в два раза сильнее, из-за того что резонансы на одной частоте суммируются по звуковому давлению.

Если у вас есть финансовые возможности и желание создать помещение чисто под кинотеатр, то стоит задуматься над его размерами и формой, потому как именно от них зависит звучание вашей будущей системы. В связи с этим лучше обратится в компанию, которая специализируется на строительстве и звукоизоляции помещений под будущие кинотеатры или студии. Если же вы все-таки решили взяться за это сами, то вам предстоит довольно долгий процесс, разобраться в котором я вам сейчас помогу.

На сегодняшний день существуют два метода борьбы с этими явлениями. Первый из них - это гашение резонансов путем акустического демпфирования помещения, проще говоря, звукоизоляция, которая заключается в обшивке стен и потолка звукопоглощающими материалами. Второй способ более простой - приобретение комплекта оборудования для определения и калибровки АЧХ, в который входят измерительный микрофон и тестовый диск. Принцип работы следующий. В месте предполагаемого прослушивания на уровне глаз устанавливаете микрофон, подключенный к процессору, и запускаете на своей аудиосистеме приложенный диск, на котором записан весь частотный диапазон. На слух воспроизводимые звуки воспринимаются как обычные шумы, только разной тональности. После этого подключаете процессор между линейным выходом вашего проигрывателя и усилителем. И никаких ремонтно-отделочных работ не потребуется, потому как этот аппарат вносит электронную коррекцию сигнала, которая исправляет недостатки акустики помещения.

Существуют различные виды оборудования: самостоятельные измерительные приборы и подключаемые к компьютеру. В рамках данной статьи я не буду описывать весь принцип измерения, поскольку все аппараты разные, и к каждому из них прилагается инструкция, которую не сложно изучить.

Второй вариант вам наверняка понравился больше первого в силу того, что он не требует проведения никаких работ с помещением. На самом деле, в данной ситуации проще не значит лучше. Почему? Отвечаю. Практически любое электронное устройство, подключенное в разрез линейного выхода, влияет на звук и порой более серьезным образом чем акустика помещения. Такой аппарат вносит различного рода искажения сигнала, что в итоге становится причиной плохого звучания.

Вернемся к первому методу - звукоизоляции помещения. Предположим, что у вас есть комната без внутренней отделки и без полов. Первое, что вам будет необходимо сделать, - это обрешетку стен и потолка, для того чтобы в промежутки между рейками можно было закрепить специальные многослойные звукоизоляционные панели. Тут есть определенные правила, которых следует придерживаться. Количество и толщина закладываемого материала должна рассчитываться, исходя их размеров вашего помещения. Эти размеры и толщины определяются по схеме комнаты.

Специфика материалов следующая. Для гашения резонансов на самых низких частотах применяются материалы на тяжелых основах, в случае если низких резонансов нет - на основе минеральной ваты: пенополиэтилена или пенопласта. Вышеперечисленные материалы вы можете приобрести в компаниях, специализирующихся на строительстве и отделке помещений для студий звукозаписи или кинотеатров.

После проведенных звукоизоляционных работ необходимо занести мебель и проводить измерения. Замеры делаются с мебелью, так как она тоже влияет на звук. Также стоит сказать, что до измерений лучше не обклеивать стены обоями и не производить какую-либо отделку. Это связано с тем, что после измерений небольшие резонансы могут все же обнаружиться, и вам понадобится приобрести дополнительные звукоизоляционные панели, после прикрепления которых уже можно будет делать окончательную отделку стен. В качестве альтернативного средства борьбы с резонансами вы можете использовать декоративные стеновые или потолочные панели для гашения резонансов.

Декоративные панели не стоит сразу закреплять, поскольку еще не известны места, где находятся резонансы. Путем перестановки и акустических измерений находим их оптимальное положение и окончательно закрепляем. На дисплее измерительного аппарата можно будет увидеть, как эти резонансы будут пропадать после передвижения панелей.

В заключении стоит отметить, что проведенные звукоизоляционные работы себя полностью оправдывают, так как звучание аудиосистемы значительно улучшается, исчезают резонансные столбы и артефакты. Даже если у вас нет специального измерительного комплекта, настоятельно рекомендую провести хотя бы минимальную звукоизоляционную подготовку. Это можно сделать путем размещения по периметру помещения различных плотных тканей, например, синтепона или бархата. Также стоит помнить, что передемпфированное (сильно заглушенное) помещение всегда лучше не заглушенного, имеющего резонансы.

Оптимизация расположения громкоговорителей в комнате прямоугольной формы

Для достижения высокого качества звуковоспроизведения, акустические характеристики комнаты для прослушивания необходимо приблизить к определенным оптимальн м значениям. Это достигается формированием "акустически правильной" геометрии помещения, а также с помощью специальной акустической отделки внутренних поверхностей стен и потолка.

Но очень часто приходится иметь дело с комнатой, форму которой изменить уже невозможно. При этом собственные резонансы помещения могут крайне негативно повлиять на качество звучания аппаратуры. Вважным инструментом для снижения влияния комнатных резонансов является оптимизация взаимного расположения акустических систем относительно друг друга, ограждающих конструкций и зоны прослушивания.

Предлагаемые калькуляторы предназначены для расчетов в прямоугольных симметричных помещениях с низким фондом звукопоглощения.

Применение на практике результатов данных расчетов позволит уменьшить влияние комнатных мод, улучшить тональный баланс и выровнять АЧХ системы "АС-комната" на низких частотах.
Необходимо отметить, что результаты расчетов не обязательно приводят к созданию "идеальной" звуковой сцены, они касаются только коррекции акустических дефектов, вызванных, прежде всего, влиянием нежелательных комнатных резонансов.
Но результаты расчетов могут стать хорошей отправной точкой для дальнейшего поиска оптимального месторасположения АС с точки зрения индивидуальных предпочтений слушателя.

Определение площадок первых отражений

Слушатель, находящийся в комнате для прослушивания музыки, воспринимает не только прямой звук, излучаемый акустическими системами, но и отражения от стен, пола и потолка. Интенсивные отражения от некоторых участков внутренних поверхностей комнаты (площадок первых отражений) взаимодействуют с прямым звуком АС, что приводит к изменению частотной характеристики звука, воспринимаемого слушателем. При этом на некоторых частотах происходит усиление звука, а некоторых его значительное ослабление. Этот акустический дефект, называемый "гребенчатой фильтрацией", приводит к нежелательному "окрашиванию" звука.

Управление интенсивностью ранних отражений позволяет улучшить качество звуковой сцены, сделать звучание АС более ясным и детальн м. Наиболее важны ранние отражения от площадок, расположенных на боковых стенах и потолке между зоной прослушивания и АС. Кроме того, большое влияние на качество звука могут оказать отражения от тыловой стены, если зона прослушивания расположена к ней слишком близко.

На участках расположения площадок ранних отражений рекомендуется размещать звукопоглощающие материалы или звукорассеивающие конструкции (акустические диффузоры). Акустическая отделка площадок ранних отражений должна быть адекватна частотному диапазону, в котором более всего наблюдаются акустические искажения (эффект гребенчатой фильтрации).

Линейные размеры применяемых акустических покрытий должны быть на 500-600 мм больше размеров площадок первых отражений. Параметры необходимой акустической отделки в каждом конкретном случае рекомендуется согласовать с инженером-акустиком.

"

Расчет
резонатора Гельмгольца

Резонатор Гельмгольца является колебательной системой с одной степенью свободы, поэтому он обладает способностью отзываться на одну определенную частоту, соответствующую его собственной частоте.

Характерной особенностью резонатора Гельмгольца является его способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина волны которых значительно больше размеров самого резонатора.

Это свойство резонатора Гельмгольца используется в архитектурной акустике при создании так называемых щелевых резонансных звукопоглотителей (Slot Resonator). В зависимости от конструкции резонаторы Гельмгольца хорошо поглощают звук на средних и низких частотах.

В общем случае конструкция поглотителя представляет собой деревянный каркас, смонтированный на поверхности стены или потолка. На каркасе закрепляется набор деревянных планок, между которыми оставляются зазоры. Внутреннее пространство каркаса заполняется звукопоглощающим материалом. Резонансная частота поглощения зависит от сечения деревянных планок, глубины каркаса и эффективности звукопоглощения изоляционного материала.

fo = (c/(2*PI))*sqrt(r/((d*1.2*D)*(r+w))) , где

w - ширина деревянной планки,

r - ширина зазора,

d - толщина деревянной планки,

D - глубина каркаса,

с - скорость звука в воздухе.

Если в одной конструкции применять планки различной ширины и закреплять их с неодинаков ми зазорами, а также выполнять каркас с переменной глубиной, можно построить поглотитель, эффективно работающий в широкой полосе частот.

Конструкция резонатора Гельмгольца достаточно проста и может быть собрана из недорогих и доступных материалов непосредственно в музыкальной комнате или в студийном помещении во время производства строительных работ.

"

Расчет панельного НЧ-поглотителя конверсионного типа (НЧКП)

Панельный поглотитель конверсионного типа является достаточно популярным средством акустической обработки музыкальных комнат благодаря простой конструкции и довольно высокой эффективности поглощения в области низких частот. Панельный поглотитель представляет собой жесткий каркас-резонатор с замкнутым объемом воздуха, герметично закрытый гибкой и массивной панелью (мембраной). В качестве материала мембраны, обычно применяют листы фанеры или MDF. Во внутреннее пространство каркаса помещается эффективный звукопоглощающий материал.

Звуковые колебания приводят в движение мембрану (панель) и присоединенный объем воздуха. При этом кинетическая энергия мембраны преобразуется в тепловую энергию за счет внутренних потерь в материале мембраны, а кинетическая энергия молекул воздуха преобразуется в тепловую энергию за счет вязкого трения в слое звукопоглотителя. Поэтому мы называем такой тип поглотителя конверсионным.

Поглотитель представляет собой систему масса-пружина, поэтому он обладает резонансной частотой, на которой его работа наиболее эффективна. Поглотитель может быть настроен на желаемый диапазон частот путем изменения его формы, объема и параметров мембраны. Точн й расчет резонансной частоты панельного поглотителя является сложной математической задачей, и результат зависит от большого количества исходных параметров: способа закрепления мембраны, её геометрических размеров, конструкции корпуса, характеристик звукопоглотителя и т.п.

Тем не менее, использование некоторых допущений и упрощений позволяет достичь приемлемого практического результата.

В таком случае, резонансную частоту fo можно описать следующей оценочной формулой:

fo=600/sqrt(m*d) , где

m - поверхностная плотность мембраны, кг/кв.м

d - глубина каркаса, см

Данная формула справедлива для случая, когда внутреннее пространство поглотителя заполнено воздухом. Если внутрь поместить пористый звукопоглощающий материал, то на частотах ниже 500 Гц процессы в системе перестают быть адиабатическими и формула трансформируется в другое соотношение, которое и применяется в он-лайн калькуляторе "Расчет панельного поглотителя":

fo=500/sqrt(m*d)

Заполнение внутреннего объема конструкции пористным звукопоглощающим материалом снижает добротность (Q) поглотителя, что приводит к расширению его рабочего диапазона и увеличению эффективности поглощения на НЧ. Слой звукопоглотителя не должен прикасаться к внутренней поверхности мембраны, также желательно оставить воздушный зазор между звукопоглотителем и задней стенкой устройства.
Теоретический рабочий диапазон частот панельного поглотителя расположен в пределах +/- одна октава относительно расчетной резонансной частоты.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев описанного упрощенного подхода вполне достаточно. Но иногда решение ответственной акустической задачи требует более точного определения резонансных характеристик панельного поглотителя с учетом сложного механизма изгибных деформаций мембраны. Это требует проведения более точных и достаточно громоздких акустических расчетов.

"

Расчет размеров студийных помещений в соответствии с рекомендациями EBU/ITU, 1998

За основу взята методика, разработанная в 1993 году Робертом Волкером (Robert Walker) после серии исследований, проведенных в инженерном департаменте ВВС (Research Department Engineering Division of ВВС). В результате была предложена формула, регулирующая соотношение линейных размеров помещения в достаточно широких пределах.

В 1998 году данная формула была принята в качестве стандарта Европейским Радиовещательн м Союзом (European Broadcasting Union, Technical Recommendation R22-1998) и Международным Телекоммуникационным Союзом (International Telecommunication Union Recommendation ITU-R BS.1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студийных помещений и музыкальных комнат прослушивания.
Соотношение выглядит следующим образом:

1.1w/h <= l/h <= 4.5w/h - 4,

l/h < 3, w/h < 3

где l - длина, w - ширина, и h - высота помещения.

Кроме того, должны быть исключены целочисленные соотношения длинны и ширины помещения к его высоте в пределах +/- 5%.

Все размеры должны соответствовать расстояниям между основными ограждающими конструкциями помещения.

"

Расчет диффузора Шредера

Проведение расчетов в предлагаемом калькуляторе подразумевает ввод данных в диалоговом режиме и дальнейшее выведение результатов на экран в виде диаграммы. Расчет времени реверберации производится по методике, изложенной в СНиП 23-03-2003 "Защита от шума" в октавных полосах частот по формуле Эйринга (Carl F. Eyring):

Т (сек) = 0,163*V / (−ln(1−α)*S + 4*µ*V)

V - объем зала, м3
S - суммарная площадь всех ограждающих поверхностей зала, м2
α - средний коэффициент звукопоглощения в помещении
µ - коэффициент, учитывающий поглощение звука в воздухе

Полученное расчетное время реверберации графически сравнивается с рекомендуемым (оптимальным) значением. Оптимальным называют такое время реверберации, при котором звучание музыкального материала в данном помещении будет наилучшим или при котором разборчивость речи будет наивысшей.

Оптимальные значения времени реверберации нормируются соответствующими международными стандартами:

DIN 18041 Acoustical quality in small to medium-sized rooms, 2004
EBU Tech. 3276 - Listening conditions for sound programme, 2004
IEC 60268-13 (2nd edition) Sound system equipment - Part 13, 1998

Не смотря на то, что акустические отражения могут сделать проблемы в ясности микса, те решения, которые предложил Mike Senior, в экономическом плане эффективны, и , и их реально осуществить для того, что бы проблема «эффекта гребенчатого фильтра» не стояла у вас на пути при создании записи коммерческого уровня. Не удивительно, что владельцы ультрасовременных студий пошли тем же направлением. Однако есть еще один аспект акустического проектирования, которым практически часто и сознательно пренебрегают из-за сложности проблемы и дороговизны – это резонанс помещения.

Mike Senior: «Что бы понять, как работает резонанс помещения – надо понять, как резонирует гитарная струна. При ее самой низкой резонансной частоте (первый уровень или, как еще говорят, «основной тон»), струна стационарна на концах и вибрирует, по большей части, в середине. Однако у струны есть вторая резонирующая тональность (второй уровень или обертон) – она вдвое больше первой частоты, так будто бы струну поделили на две равные вибрирующие части. Третья резонирующая тональность (третий уровень или второй обертон) имеет уже деление струны на три равные части, четвертая на четыре и т.д. верх по спектру.

Для чего нам нужен был пример со струной, а для того, что бы вы мысленно поняли, что воздушное пространство комнаты между ее параллельными границами (к примеру: между ее стенами напротив или пола и потолка) имеет такую же серию резонирующих частот. Простой, но не очень точный способ нахождения первой резонирующей частоты комнаты, является делением числа 172 на расстояние между двумя параллельными границами самого помещения (в метрах). Последующие значения обертонов будут кратны, как в примере со струной. К примеру, если потолок вашей студии 2.42 м от пола, то первая частота резонанса комнаты (в плоскости «пол-потолок») будет в пределах 71 Гц, вторая в 142 Гц, третья в 213 Гц, и т.д.

Каждый уровень резонирующих частот комнаты делит по-своему расстояние между ее границами, создавая свои равные интервалы. И если ваша точка прослушивания попадает между этими интервалами, то в звуковом спектре комнаты вы услышите понижение уровня на данной резонирующей частоте, а если же точка прослушивания попадет в середину интервала, то это приведет к ее увеличению. Поскольку каждая пара параллельных поверхностей внесет свою серию резонирующих частот (а большинство комнат имеют «прямоугольную» форму, а значит три пары), то студийное помещение щедро усыпано интервалами различных частот в трех плоскостях.

Рисунок: диаграмма демонстрирует влияние резонанса комнаты на АЧХ мониторной системы. На рисунке изображены уровни резонирующих частот комнаты длиною в 4,3 метра от передней до задней стенки. Резонанс будет происходить на 40 гц, 80гц, 120гц и 160гц. Буквой N отмечены границы интервалов, а буквой А середина интервала. Надо понимать, что они изображены на рисунке отдельно для ясности понимания, а в действительности они полностью наложены друг на друга. Два участка демонстрируют, насколько изменяется АЧХ при перемещении позиции прослушивания на расстояние равное 75 см.

Так что же все это значит на практике? А это значит, что даже первый уровень резонирующих частот помещения легко приподнимет спектр в области резонанса на 20 дб. Только летающая свинья, вероятно, сможет найти место в студии, которое дает верный спектральный баланс, если одновременных резонансов будет несколько. Плюс к этому, если вы перемещаетесь по студии, частотная характеристика мониторной системы будет «корчится» как «уж на сковороде». Я попытался проиллюстрировать изменения АЧХ на рисунке. Но что бы быть точным, скажу, что уровни резонирующих частот первым делом влияют на нижнюю часть спектра, так как высокочастотные резонансы более легко глушатся за счет правильной обстановки помещения, но оставшиеся зоны бедствия ниже 1кгц реально подпортят вам правильное микширование.

Так как каждая комната отличается своим строением, то проведите вот такой вот эксперимент, чтобы получить реальную картину влияния резонанса комнаты на вашу систему мониторинга: воспроизведите файл LFSineTones сидя в точке прослушивания перед мониторами и сравните относительную громкость чистых синусоидальных полутонов. Они буду проигрываться в порядке увеличения в диапазоне трех октав. Если ваша студия подобна тем маленьким, непрофессионально подготовленным контрольным комнатам, то вы заметите, что некоторые полутона практически не слышимы, в то время как другие будут явно громкими. Таблица 1 показывает, какие полутона, а так же их частоты, проигрываются во времени в файле LFSineTones. Поэтому прихватите карандаш и отметьте те своенравные частоты, которые выделяются уровнем. Теперь переместитесь от точки прослушивания на несколько десятков сантиметров в любую сторону, и вы заметите, что те частоты, которые были сверхактивны, теперь тихие, а те, что были тихими прежде – сверхактивны.

Теперь будет довольно разумно сказать, что синусоиды имеют мало общего с реальной музыкой, поэтому вам надо сосредоточиться на том насколько реально воздействует резонанс комнаты на бас-партию профессиональных коммерческих треков (как вы знаете, у них в данной тематике проблем нет). Я предлагаю как эталон песню “All Four Seasons”, она придумана и сведена Hugh Padgham (Хью Пэдгемом) для струнного альбома Mercury Falling. Диапазон баса на данном треке довольно таки широк, но при этом чрезвычайно непротиворечив, таким образом, басовые ноты при проигрывании на любой системе мониторинга в данной песни будут довольно-таки ровными. Если при прослушивании они оказались не ровными, то вам следует строго задуматься о том, как правильно микшировать в данной ситуации.»

Кандидат технических наук Д. МЕРКУЛОВ. По материалам зарубежной печати.

Качественного воспроизведения музыкальных произведений можно добиться, используя мощный усилитель с полосой, охватывающей весь звуковой диапазон, и колонки с равномерной амплитудно-частотной характеристикой. Но в домашних условиях этого мало. Восприятие звука, особенно на низких частотах, зависит от размеров и формы помещения, поскольку достаточно заметно обнаруживают себя такие явления, как акустический резонанс и реверберация, или, попросту, эхо. ЭТОТ ГРОЗНЫЙ РЕЗОНАНС

По качеству звука домашний музыкальный театр практически не уступает оперному.

Обертоны придают звуку особую окраску и определяют его тембр. Для примера показаны формы сигнала, содержащего первую и вторую гармоники (вверху) и первую и третью гармоники (внизу).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Распределение собственных частот помещений размерами 5,7x4,2x3 м (вверху) и 4,2x3,6x3 м (внизу) позволяет сравнить их акустические характеристики (для простоты амплитуды всех гармоник приняты одинаковыми).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Звуковые колонки домашнего музыкального театра можно устанавливать разными способами.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В малогабаритном помещении аппаратуру ДМТ целесообразно размещать в углу (вверху), а в большом - вдоль длинной стены (внизу).

На школьных уроках физики, когда изучают явление резонанса, часто приводят пример разрушения в январе 1905 года 47-метрового цепного Египетского моста через реку Фонтанку в Санкт-Петербурге. Тогда по нему промаршировал в ногу отряд военных. Обычно они делают 120 шагов в минуту, и эта частота (2 Гц) совпала с частотой собственных колебаний конструкции. С каждым шагом размах колебаний пролета увеличивался, и, наконец, мост не выдержал. Это событие произвело сильное впечатление еще и потому, что, по словам очевидцев, перед обрушением моста из окна соседнего здания раздался крик жившей там Марии Ильиничны Ратнер, которой надоел шум постоянно двигавшихся мимо воинских частей: "Чтоб вы все провалились!". Разумеется, это было чистым совпадением. Тем не менее впоследствии военным было запрещено проходить по мостам в ногу; появилась даже специальная команда: "Шагай вразнобой!". Однако природа еще не раз экзаменовала инженеров-строителей на знание законов физики. В 1940 году в США под ритмичными порывами ветра вошел в резонанс и рухнул подвесной 854-метровый Такомский мост, а 12 июня 2001-го, через два дня после ввода в эксплуатацию, был закрыт на 9,5 месяца 325-метровый лондонский мост Тысячелетия - его пришлось переделывать, чтобы нейтрализовать колебания, возникавшие от шагов случайных групп пешеходов.

ЧТОБЫ МУЗЫКА ЗВУЧАЛА

Звук - это колебания воздуха, распространяющиеся в виде областей сжатия и разрежения. И резонанс в акустике играет не менее важную роль, чем в мостостроении. Смычковые и струнные инструменты будут красиво звучать, только если материал, размеры и форма деки создадут условия для резонанса. На резонансе основан принцип звучания духовых и язычковых инструментов. Кстати, резонанс и в музыке временами становится причиной гибели предметов. До нас дошли рассказы очевидцев, наблюдавших, как трескались и разбивались хрустальные бокалы во время пения Федора Ивановича Шаляпина или итальянского тенора Франческо Таманьо.

Акустические свойства залов также заметно влияют на восприятие музыкальных произведений. Искусством строить помещения с отменной акустикой славились еще зодчие древности и Средневековья - чего стоит так называемая галерея шепотов в лондонском соборе Святого Павла, в которой голос собеседника, в каком бы месте галереи он ни стоял, слышен так, как будто он говорит тебе в ухо.

Сейчас музыку слушают не только в специально построенных для этого залах. Музыкальные центры (МЦ) и домашние музыкальные театры (ДМТ) стоят практически в каждой квартире, и важно знать, в каком помещении и как разместить аппаратуру, чтобы получить наилучший результат (см. "Наука и жизнь" №№ , , 2001 г.; № ).

ПОВЕРКА АЛГЕБРОЙ ГАРМОНИИ

За последние десятилетия в США и некоторых европейских странах разработаны относительно простые методики определения акустических параметров небольших залов и ДМТ, которые позволяют достоверно оценить качество помещений, предназначенных для прослушивания музыкальных произведений. Воспользоваться рекомендациями может даже человек, не имеющий специальной подготовки.

В акустике известен принцип, согласно которому нижняя граница частот (f ), отчетливо слышных в том или ином помещении, зависит от его объема (V ): чем он больше, тем ниже граничная частота. Многие специалисты до сих пор пользуются для оценок этой частоты давно известной формулой

f = v / 3 Ц V ,

где v = 340 м/с - скорость звука.

Например, комната длиной 5,7 м, шириной 4,2 м и высотой 3 м имеет объем 72 м 3 , и тогда частота f = 82 Гц. Указанная формула справедлива не только для прямоугольных помещений, но и для круглых, овальных и др.

Но кроме нижней граничной частоты на восприятие звукового сигнала влияют собственные частоты помещения, а их проще посчитать для прямоугольной комнаты, тем более что, как правило, домашнюю радиоаппаратуру и звуковые колонки устанавливают как раз в таких комнатах. Резонанс искажает звучание, ведь на резонансной частоте звук кажется громче, и на амплитудно-частотной характеристике в этой области появляется пик. Для возникновения резонанса достаточно, чтобы расстояние L между противоположными плоскостями комнаты было кратно половине длины звуковой волны l/2. Чем дальше отстоит одна стена от другой и пол от потолка, тем соответственно ниже резонансная частота F min . Иначе говоря, самая низкая резонансная частота в помещении прямоугольной формы f min = 340/(2L max), где L max - наибольшее измерение помещения (обычно его длина).

В нашем примере L max =5,7 м и нижняя резонансная частота f min =340/(2x5,7)=29,8 Гц. Другим измерениям (ширине и высоте) соответствуют резонансные частоты 40,5 и 56,7 Гц.

Однако музыкальный сигнал характеризуется не только частотой основного тона. Ведь не спутаешь между собой даже звучащие на одной ноте, скажем, скрипку и гобой или гитару и фортепьяно. У любого инструмента, в том числе у человеческого голоса, есть присущий только ему тембр. Дело в том, что музыкальный звук - сложный, в нем имеются частоты, кратные частоте основного тона. Эти дополнительные составляющие называются обертонами или высшими гармониками. Число и амплитуда обертонов и определяют тембр, то есть придают звуку его индивидуальную окраску. Чем больше обертонов, тем богаче звук. Высшие гармоники в комнате также будут резонировать. Значения частот некоторых из первых десяти гармоник приведены в таблице (см. илл. 1).

При частоте свыше 300 Гц резонансные частоты расположены так близко одна к другой, что ухо уже не в состоянии уловить резонансные пики. В идеале резонансные частоты для каждой гармоники должны быть смещены одна относительно другой на одинаковые значения. Тогда, накладываясь, они не будут создавать острых пиков и искажать амплитудно-частотную характеристику. Правда, добиться этого на практике крайне трудно.

С этой точки зрения самой неблагоприятной оказывается квадратная комната (еще хуже комната, у которой все измерения одинаковы, то есть кубическая). Здесь резонансов меньше, но они ярче выражены. То же касается комнат, измерения которых оказываются кратными, например, ее высота (2,5 м) в два раза меньше ширины (5 м) или в три раза меньше длины (7,5 м).

Если есть помещения с такими соотношениями размеров, которые не позволяют достичь хорошего звучания, то здравый смысл подсказывает, что возможен и обратный вариант, то есть комнаты с оптимальными пропорциями, обеспечивающими равномерное распределение резонансных частот.

Примерно 40 лет назад американец М. Лауден (M. Lowden) выяснил, в каких случаях в помещении можно добиться качественного воспроизведения музыкальных произведений. Полученные результаты он свел в таблицу. В ней ширина и длина помещения указаны относительно высоты, принятой за единицу. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики помещения увеличивается с ростом номера строки таблицы (см. илл. 2).

Если задать конкретные значения для измерений комнаты, скажем, принять высоту равной 3 м, то для варианта в 1-й строке получим размеры комнаты 3x4,2x5,7 м, которые мы уже использовали в качестве примера. По Лаудену, в таком помещении качество воспроизведения будет наивысшим. Для сравнения рассмотрим вариант помещения из 10-й строки таблицы Лаудена (см. илл. 3).

Для наглядности воспользуемся графическими изображениями спектров частот. Помещение размерами 3x3,2x4,6 м по распределению резонансных частот на первый взгляд кажется предпочтительным: частоты выглядят более упорядоченными. Однако заметно, что в нашем первом примере больше гармоник в области до 300 Гц, а нижняя частота 19,8 Гц находится ближе к порогу слышимости (18-20 Гц).

ЭХО БЫВАЕТ НЕ ТОЛЬКО В ГОРАХ

На субъективное восприятие музыкального произведения влияет и такое явление, как реверберация. Однако наша физиология такова, что запаздывание отраженных от стен звуковых волн по сравнению с прямой волной примерно на 30 мс ухом не воспринимается. Это означает, что эффект эха возникает, только если отраженная волна пройдет на 10 м больше, чем прямая. В жилых помещениях это возможно только при многократном отражении сигнала от стен - все мы отмечали гулкий звук, характерный для пустой комнаты, из которой вынесена мебель. При воспроизведении нижних частот из-за реверберации басы либо "бубнят", либо, напротив, пропадают в зависимости от возникающей разности фаз. В данном случае следует увеличить звукопоглощение стен: положить на пол и повесить на стены ковры, задернуть шторы на окнах, поставить дополнительную мебель (диваны, кресла), цветы в горшках. К слову, фанаты высококачественного звука, готовые пожертвовать уютом ради высокого качества звучания, прежде обивали стены "музыкальной" комнаты картонными упаковками для яиц.

МАЛЕНЬКИЕ ХИТРОСТИ ДЛЯ МЕЛОМАНОВ

Определенную роль в увеличении числа собственных частот и лучшего их распределения по спектру играют непараллельные стены и скошенные потолки. Надо также учитывать, что голые стены усиливают не только реверберацию, но и резонанс. Поэтому меры по увеличению звукопоглощения дают двойной эффект. Желательно, чтобы комната для аудиовизуального досуга имела такой объем, чтобы ее нижняя частота была ниже указанной в технических данных на усилитель и колонки.

При размещении звуковых колонок в комнате для домашнего музыкального театра следует руководствоваться несложными правилами, учитывающими повышенную "ранимость" басов. Звуковые колонки сферической формы или с узкой передней панелью имеют широкую диаграмму направленности (см. "Наука и жизнь" № ). Поэтому геометрия помещения и расстояние их от стен практически не влияют на звучание. Напольные или укрепленные на стойках акустические излучатели, не имеющие заднего фазоинвестора, можно устанавливать на расстоянии 30-40 см от стены. Для колонок с фазоинвестором это расстояние должно быть побольше, до 50-70 см.

При прослушивании популярной или классической музыки любители обращают особое внимание на локализацию отдельных голосов. В этом случае нужны колонки с широкой передней панелью. Для получения стереофонического эффекта громкоговорители следует разнести на 1,2-2 м, а расстояние от них до слушателя должно быть на 20-30% больше.

Звуковые колонки ДМТ целесообразно выдвинуть на 0,1-0,3 м к слушателю относительно плоскости телевизионного экрана, а перед началом прослушивания следует закрыть двери и окна, обеспечив условия "закрытого ящика".

Тем, кто интересуется звуковоспроизведением и планирует устроить помещение под ДМТ, наверное, было бы интересно проанализировать его по методике Лаудена. С помощью компьютера можно найти в таблице выгодные решения и рекомендовать их затем читателям журнала "Наука и жизнь", прислав в редакцию до 1 мая 2006 года описания своих ДМТ.