КОМНАТА ПРОСЛУШИВАНИЯ
Рекомендации по проектированию часть 1
Анатолий Лихницкий
Акустика помещений может рассматриваться как ремесло или как искусство: как ремесло, поскольку для обеспечения хорошей слышимости она требует соблюдения элементарных необходимых условий; как искусство, поскольку при глубоком проникновении в своеобразие речи, музыки и слуха удается достигнуть необыкновенных эффектов. Е. Скучик. Основы акустики.
Вместо предисловия
Комната прослушивания - звено аудиотракта. Это утверждение ни у кого не вызывает возражений. Сомнения у аудиофилов возникают только тогда, когда я пытаюсь раскрыть им глаза на то, что любая, даже самая лучшая комната прослушивания, изменяет звуки до неузнаваемости и что при помощи микрофона и осциллографа каждый может наблюдать это явление.
Сомнения эти не случайны. Дело в том, что производители аппаратуры уже давно зомбировали многих любителей аудио, внушая им стремление к осциллографически точной передаче звуков.
Но тогда неясно, почему притом, что аудиокомпоненты буквально соревнуются в такой точности, аналогичные требования не предъявляются к комнатам прослушивания? Более того, сложилась парадоксальная ситуация: громкоговоритель, который предназначен для работы в жилой комнате и по существу должен составлять с ней единое целое, производители контролируют почему-то в безэховой, так называемой звукозаглушенной, камере.
Зачем они это делают? Ведь даже неспециалистам хорошо известно, что в комнате громкоговоритель ведет себя совсем иначе, чем в камере.
Объясняется это достаточно просто. Чисто инженерный подход довел разумный на первый взгляд критерий оценки качества звукопередачи до полного абсурда.
Мне не раз приходилось слышать от некоторых аудиофилов, что они мечтают слушать музыку в звукозаглушенной камере - только вот средств на ее строительство пока не хватает, и что комната прослушивания для них - лишь временный компромисс. Думаю, эти некоторые слегка кривят душой.
Ведь если бы идеологи high end захотели, то давно вынудили бы энтузиастов осциллографически точного звуковоспроизведения раскошелиться, в том числе и на строительство домашних камер. Вспомните, как одной апрельской статьи (см. "АМ" № 2 (7) 96, с. 58-59) оказалось достаточно, чтобы сподвигнуть многих на возведение пирамид. А ведь оно, как известно из истории Египта, стоит немалых денег.
Оказывается, о строительстве домашних камер идеологи high end не заикаются сознательно, и тому есть объективная причина. Мало кому известно, что весьма авторитетные фирмы уже давно занимаются проведением секретных опытов по прослушиванию аудиосистем в самых невообразимых условиях, в том числе и в заглушенных камерах. Ими уже более полувека назад было установлено, что звучание громкоговорителей в условиях полного отсутствия эха омерзительно.
Получается, что звучание аудиоаппаратуры способно доставлять нам удовольствие, только если в помещении прослушивания есть ощутимая реверберация. Но тут же возникает следующий вопрос: зачем нужна реверберация в тракте воспроизведения, если она уже имеется в записи?
Объяснение может быть только одно: многозвенный тракт записи-воспроизведения при прохождении через него музыкального сигнала производит большое количество музыкальною мусора, очищение от которого возможно только путем рандомизации фаз этого сигнала, причем именно в конце его пути.
И снова я вынужден вернуться к возрожденному на границе тысячелетий способу исцеления музыки с помощью правильной рандомизации фаз. К счастью, все его особенности, изложенные мной в "АМ" № 5 (34) 2000, с. 145-150, остаются в силе применительно и к комнатам прослушивания. Правда, есть всего одно уточнение. Время стандартной реверберации T60 в комнате прослушивания должно быть не секунда, как я писал раньше, а вдвое меньше. Это отклонение от оптимума - вынужденное, и потребовалось оно для того, чтобы избежать одинаковости последовательно введенных в тракт записи-воспроизведения рандомизаций. Об опасности последовательного включения рандомизаторов, тем более с близкими параметрами, я предупреждал читателей (см. "АМ" № 4 (33) 2000, с. 159). Интересно, что задолго до этого в международных стандартах IEC, ISO, а также в рекомендациях AES для комнат прослушивания уже было предписано правильное время Т60 = 0,45   0,15 с. (1). Удивительным является то, что установлено оно было без каких-либо теоретических обоснований. Наверное, кто-то до меня успел на эту тему пообщаться с космосом.
Итак, прочитав упомянутую статью, вы должны ясно представлять себе, к каким акустическим параметрам и характеристикам комнаты прослушивания нужно стремиться. Непривычным может показаться только то, что многочисленные требования к правильной рандомизации в архитектурной акустике обеспечиваются скромным набором средств. Пока я лишь перечислю те факторы, которые могут на нее влиять: объем помещения, соотношение его размеров, количество и характеристики звукопоглощающих элементов, их размещение, а также местоположение громкоговорителей.
Не сочтите скромность этого джентльменского набора показателем того, что рассматриваемая область науки доступна для понимания каждого. Архитектурная акустика, так же как игра в крикет, изначально была интеллигентским развлечением, а точнее игрой ума для английских и немецких аристократов [1], и уж совсем не ремеслом. Доктора же отечественных наук, активно выступающие в аудиопрессе за громкоговорение, ни черта не смыслят в архитектурной акустике, прежде всего потому, что воспринимают свою деятельность как ремесло. Именно в этом сказывается их пролетарское происхождение.
Как же быть любителям хорошего звучания в условиях явной нехватки гуру в области акустики? К тому же и учебников по этой дисциплине не найти. Остается только один путь - самостоятельно претворять в жизнь предлагаемые мной рекомендации, ну а для этого придется начать с "акустических гамм", точнее познакомиться с основами архитектурной акустики в адаптированном для аудиофилов и меломанов изложении.
Из основ архитектурной акустики
Теория акустики помещений включает два комплементарных подхода: геометрический и реверберационный.
Геометрическая акустика
Геометрическая акустика использует наглядные методы геометрической оптики, поскольку в этих областях действуют аналогичные правила. Например, часть энергии звуковой волны, достигшей твердой поверхности, этой поверхностью поглощается (или проходит сквозь нее), а часть отражается ею, причем угол падения равен углу отражения. Правда, есть и некоторые отличия в поведении световых и звуковых волн.
Во-первых, звуковая волна намного длиннее световой, и потому мы должны быть всегда начеку, помня, что звук легко огибает препятствия, меньшие, чем длина его волны. Это явление называется звуковой дифракцией. С оптической дифракцией в повседневной жизни мы сталкиваемся значительно реже.
Во-вторых, из-за большой длины звуковой волны нам часто приходится учитывать и ее фазу. В связи с этим предлагаю запомнить правило: при отражении звука от твердой поверхности фаза давления в звуковой волне не изменяется, тогда, как фаза колебательной скорости инвертируется. При отражении звука от более мягкой, чем воздух, среды [2] фаза волны звукового давления меняется на противоположную, в то время как фаза колебательной скорости остается прежней. Отсюда следует, что рядом с совершенно твердой отражающей поверхностью звуковое давление волны удваивается, а колебательная скорость оказывается равной нулю.
На границе с идеально мягкой средой все происходит наоборот: удваивается колебательная скорость, а равным нулю становится звуковое давление.
В-третьих, в помещении может находиться один или несколько источников звука, например радиоточка, стереосистема или состоящий из нескольких громкоговорителей комплекс, например surround.
Излучение каждого отдельного источника звука, расположенного, как это обычно бывает, на некотором расстоянии от стен, пола и потолка, отражается от них так же, как свет фонаря в зеркалах. Образованные таким образом копии реального источника называют мнимыми источниками. Хотя мнимые источники физически не существуют, в акустике они ведут себя как настоящие и даже взаимодействуют между собой и с реальными источ­никами. В результате этого взаимодействия излучаемая реальным источником акустическая мощность и ее зависимость от частоты заметно отличаются от той, которая имеет место в звукозаглушенной камере.
Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим случай взаимодействия двух находящихся на некотором расстоянии друг от друга источников звука нулевого порядка [3].
Известно, что мощность, излучаемая каждым таким источником, равна половине произведения его объемной колебательной скорости [4] и компоненты звукового давления, синфазной с этой скоростью. Если источники работают синфазно и находятся друг от друга на расстоянии меньшем, чем 1/4 длины волны звука, то диафрагме каждого их них кроме собственного звукового давления приходится преодолевать такое же давление другого источника. Поскольку у низкоэффективных громкоговорителей объемная колебательная скорость практически не зависит от акустической нагрузки диафрагмы (из-за ее большой массы), удвоение звукового давления приведет к увеличению излучаемой каждым громкоговорителем мощности вдвое.
Если же источники звука работают в противофазе, то при совпадении прочих условий излучаемая каждым из них мощность не будет увеличиваться, а наоборот, из-за компенсации звукового давления устремится к нулю. Этот случай известен как акустическое короткое замыкание.
Все сказанное верно, пока длина волны звука заметно превышает расстояние между источниками. При сопоставимом с длиной волны расстоянии излучаемая мощность определяется через коэффициент излучения двух источников (2), который можно найти по формуле:                
K2 =   (1)
где d - расстояние между источниками, м; k - волновое число (k = с/w).
Здесь и далее: с - скорость звука в воздухе (с= 334 м/с), а w - круговая частота звука, рад/с.
Из формулы следует, что на низких частотах (при cd/w > 1) коэффициент излучения стремится к единице. Это значит, что мощность, излучаемая двумя синфазными источниками, в 4 раза больше, чем излучаемая одним. На более высоких частотах (при cd/w < 1), когда коэффициент излучения становится равным 0,5, излучаемая источниками мощность не увеличивается, то есть остается равной сумме мощностей источников. График зависимости коэффициента излучения от расстояния между источниками приведен на рис. 1.
Рис. 1. Коэффициент излучения двух источников: 1- с одинаковой фазой, 2 – в противофазе.
Точно так же ведут себя мнимые источники звука по отношению к реальным. Их роль в эффективности излучения громкоговорителей будет подробно рассмотрена в рекомендациях по проектированию комнаты прослушивания.
Как вы уже убедились и убедитесь еще не раз, геометрическая акустика не может обойтись без волновой теории. Почти свободным от волновых загогулин является вопрос о фокусировании и рассеивании звука.
Если стена или потолок помещения не являются плоскими, то есть имеют искривления по размеру большие, чем длина звуковой волны, то вогнутости фокусируют звуки, образно говоря - действуют аналогично параболическому зеркалу фонарика. Выпуклые же поверхности рассеивают звук.
Эти простые в житейском восприятии эффекты часто используют для достижения хорошей диффузности -  важнейшего параметра звукового поля в помещении, но об этом речь пойдет ниже. Другие эффекты кривых зеркал, хорошо известные в оптике, в архитектурной акустике пока не применяют.
Еще раз напомню, что все материалы одновременно и отражают, и поглощают звук. Даже поверхности, которые признаны идеальными отражателями (например, мрамор, бетон, кафель, кирпич и т. п.), поглощают от 1 до 3% достигающей их звуковой энергии. В хорошем с акустической точки зрения помещении процент поглощаемой стенами энергии, естественно, гораздо выше, но, что для нас важно, - он должен быть строго дозирован. Неслучайно, к поглощающей способности материалов проявляли интерес с незапамятных времен. Между прочим, вопрос, чем покрывать стены помещений, в средние века был окружен алхимическими тайнами и поверьями. Одно из таких поверий, пока еще не подтвержденное акустиками, дошло до наших дней благодаря аудиофилам. Я имею в виду сказку о том, что лучшим поглотителем звука являются ячеистые картонные клетки для яиц.
Некоторая ясность в вопросах звукопоглощения наступила, когда появились точные методы определения количества звуковой энергии, достигшей поверхности и ею поглощенной [З]. С этого времени способность материалов и конструкций к поглощению стали выражать количественно через коэффициент звукопоглощения -ak . Этот коэффициент представляет собой безразмерную величину, равную отношению энергии, поглощенной поверхностью, к падающей на нее. Для удобства расчета времени реверберации ak определяют у образцов материала площадью 1 м2. В этой связи поглощающую способность материалов оценивают эквивалентной площадью 100 -процентного звукопоглощения, которая для используемого в качестве покрытия материала численно равна коэффициенту ak, умноженному на площадь покрытия, выраженную в квадратных метрах. Эталоном 1 м2 100-процентного звукопоглощения принято считать открытое окно с площадью 1м2.
Некоторая ясность в вопросах звукопоглощения наступила, когда появились точные методы определения количества звуковой энергии, достигшей поверхности и ею поглощенной (З). С этого времени способность материалов и конструкций к поглощению стали выражать количественно через коэффициент звукопоглощения -ak . Этот коэффициент представляет собой безразмерную величину, равную отношению энергии, поглощенной поверхностью, к падающей на нее. Для удобства расчета времени реверберации ak определяют у образцов материала площадью 1 м2. В этой связи поглощающую способность материалов оценивают эквивалентной площадью 100 процентного звукопоглощения, которая для используемого в качестве покрытия материала численно равна коэффициенту ak, умноженному на площадь покрытия, выраженную в квадратных метрах. Эталоном 1 м2 100-процентного звукопоглощения принято считать открытое окно с площадью 1м2.
Пористые материалы
Я имею в виду пористые материалы с так называемым твердым скелетом. В них вещество заполняет небольшую часть общего объема и при воздействии звука остается неподвижным. Основной объем составляют многочисленные поры и полости, которые открыты наружу и сообщаются между собой. Такими материалами являются войлок, хлопчатобумажная и стекловолоконная вата, ковры, акустическая штукатурка и т. п.
Теория поглощения звука пористыми материалами была разработана впервые более 100 лет назад лордом Рэлеем. Она построена на допущении, что в пористых материалах существуют силы вязкости, препятствующие протеканию воздуха через поры, за счет чего твердый скелет отбирает часть кинетической энергии колеблющихся частиц воздуха, превращая ее в тепло. Согласно этой теории, поглощающие свойства пористых материалов зависят от вязкости и плотности воздуха, радиуса и количества пор на единицу поверхности, а при использовании материала в качестве покрытия твердой стены - от толщины слоя, точнее от расстояния между ним и твердой стеной. Чем меньше радиус пор и чем их больше, тем лучше поглощаются высокие частоты.
Поглотитель этого типа эффективен только на тех звуковых частотах, на которых колеблющиеся в звуковой волне частицы воздуха пронизывают пористый материал. Напомню, что непосредственно у твердой стены колебательная скорость частиц воздуха равна нулю, а значит, в этом месте любой пористый поглотитель будет неэффективен. Именно поэтому толщину поглотителя рассматриваемого типа (или расстояние между ним и стеной) выбирают равной как минимум четверти длины волны поглощаемого звука.
Рассчитать коэффициенты поглощения реальных пористых материалов до сих пор никому не удалось, однако большинство из них с достаточной точностью определены экспериментально (4). В таблице 1 приведены ak наиболее часто используемых в архитектурной акустике материалов.
Коэффициенты звукопоглощения различных материалов в диффузном звуковом поле
Частота в Гц
128
256
512
1024
2048
4096
Материал            
Кирпичная стена неокрашенная
0,02
0,03
0,03
0,04
0,05
0,05
Пол бетонный
0,01
0,01
0,02
0,02
0,02
0,02
Пол деревянный
0,05
0,04
0,03
0,03
0,03
0,03
Пол, покрытый линолеумом
0,04
0,04
0,03
0,03
0,03
0,03
Стекло в рамах
0,04
0,04
0,03
0,03
0,02
0,02
Мрамор или плитка
0,01
0,01
0,01
0,02
0,02
0,01
Штукатурка по обрешетке
0,02
0,02
0,03
0,04
0,04
0,04
Деревянные панели
0,08
0,07
0,06
0,06
0,06
0,06
Занавеси легкие
0,04
0,08
0,11
0,25
0,3
0,30
Занавеси тяжелые
0,10
0,27
0,50
0,80
0,82
0,75
Вентиляционная решетка
0,50
0,50
0,40
0,35
0,30
0,25
Волосяной войлок толщиной 25 мм
0,12
0,32
0,51
0,62
0,60
0,56
Ковер на подкладке
0,10
-
0,25
-
0,40
-
Ковер без подкладки
0,08
-
0,15
-
0,25
-
Щиты Бекеши (холст на вате толщиной 40 мм)
0,8
0,81
0,73
0,51
0,46
0,45
Живопись масляными красками
-
-
0,28
-
-
-
Резонансные панели
Поглотитель этого типа представляет собой упругий лист с внутренним затуханием. Его изготавливают из фанеры, цельного дерева или из других сходных по физическим свойствам материалов. По краям лист должен быть закреплен на небольшом расстоянии от твердой стены. При воздействии звуковой волны в листе возникают изгибные колебания, которые частично переизлучаются, а частично, из-за внутреннего трения в материале листа, превращаются в тепло. Если промежуток между листом и стеной заполнен пористым поглотителем, то потери звуковой энергии возникают и в этом материале.
Объем воздуха между листом и стеной в первом приближении предопределяет изгибную упругость листа, которая вместе с его массой образует механический резонанс.
Наибольшие потери у рассматриваемого поглотителя наблюдаются именно в окрестностях частоты этого резонанса.
Панель резонирует на круговой частоте:
(2)
где т - масса листа на единицу площади, кг/кв.м;    
- плотность воздуха, кг/куб.м;    
d— расстояние между листом и стеной, м.    
Так как масса листа обычно велика, а упругость низка, панель резонирует и, следовательно, поглощает звук на более низких частотах, чем пористые поглотители.
Точного, пригодного для практических целей расчета резонансных панелей не существует, однако есть простые способы их настройки, аналогичные настройке барабана или литавр. О том, что и в этом случае без точных расчетов можно обойтись, свидетельствуют отделанные деревянными панелями, прекрасные в акустическом отношении старинные залы, которые, как известно, проектировались во времена, когда производить акустические расчеты еще не умели.
Полые резонансные поглотители
Для поглощения звука часто используют металлические или гипсовые щиты с перфорацией; такие панели устанавливают на определенном расстоянии от стены, причем объем между панелью и стеной частично заполняют пористым поглощающим материалом.
Принцип действия этого поглотителя можно понять, если представить себе, что объем за панелью разделен перегородками на равные по объему небольшие ячейки таким образом, чтобы каждое отверстие сообщалось со своей ячейкой. Каждую такую ячейку можно рассматривать как:
резонатор Гельмгольца с круговой частотой резонанса
(3)
и с добротностью
(4)
Резонатор Гельмгольца поглощает звуковую энергию на частотах в окрестностях резонанса, причем эквивалентная площадь 100-процентного поглощения у него существенно больше, чем реальная площадь отверстия. Вспомним, что в старину в стены вмуровывали пустые горшки открытыми горлышками наружу и даже при их небольшом количестве достигался поразительный акустический эффект.
При попадании звуковой волны на панель, состоящую из множества таких резонаторов, каждая воображаемая перегородка с противоположных сторон будет испытывать синфазно меняющееся равное давление воздуха. Иначе говоря, к каждой перегородке будут приложены равные встречные силы. Именно из-за того, что они уравновешиваются, нам неважно, есть там перегородка или ее нет.
Полые резонансные поглотители часто используются в студиях звукозаписи, особенно в случаях, когда требуется акустическая коррекция помещения в области средних или низких частот. Достоинством поглотителей этого типа является высокая эффективность и то, что их легко рассчитать. Привожу схему подобного расчета - быть может, она пригодится аудиофилам-самоделыцикам.
SpyLOG
HotLog
Все права © 2003-2013. Разрешается использование материалов при условии указания ссылки на сайт http://inthouse.ru/
+7 (926) 906-6548
+7 (495) 771-2800