Комната прослушивания, рекомендации по проектированию часть 3

Комната прослушивания, рекомендации по проектированию часть 3

Анатолий Лихницкий

Проверка квартиры была произведена; не думая больше о покойном племяннике, ни о квартире, содрогаясь при мысли об опасности, которой он подвергался, Максимилиан Андреевич, шепча только два слова «Все понятно! Все понятно!»— выбежал во двор. М. Булгаков. «Мастер и Маргарита»

Если узнать всю акустическую подноготную комнаты прослушивания, то следовало бы бежать из нее без оглядки, однако мы не собираемся этого делать, наверное, потому, что аудиопресса долгие годы представляла нам проблемы архитектурной акустики в розовом свете и, в конце концов, внушила, что для домашнего прослушивания музыки годится любая комната, а если проблемы и возникают, то они решаются путем перестановки дивана или вывешивания ковра.
На самом деле создание комнаты прослушивания нисколько не проще, чем создание любого компонента аудиосистемы, только вот просчет в проектировании комнаты обходится много дороже.

Известно, что ошибки, допущенные в схеме усилителя, устраняются заменой конденсатора или резистора, причем в течение нескольких минут. Чтобы исправить ошибку, допущенную при акустической реконструкции помещения, нужно пригласить бригаду рабочих с кувалдами или отбойными молотками.

Ошибки в архитектурной акустике, несмотря на их высокую цену, совершались довольно часто. Их допускали даже известные специалисты.
Например, в процессе реконструкции зала в Карнеги Холл непререкаемый авторитет Лео Беранек применил акустические рассеиватели звука стоимостью в несколько миллионов долларов и окончательно испортил акустику помещения.

Подобные ошибки происходят вовсе не из-за небрежности в расчетах. Точно рассчитать конструктивные параметры привлекательного для слуха помещения просто невозможно.
Именно поэтому при акустическом проектировании прибегают к методам последовательных приближений, дополняя расчеты акустическими измерениями.
В наиболее ответственных случаях акустические измерения производят на миниатюрной модели проектируемого помещения с применением ультразвуковой техники. По результатам этих измерений корректируют размеры помещения, места размещения рассеивающих и звукопоглощающих элементов, и только после этого начинают строительство.
Для не слишком больших помещений, таких как комната прослушивания, способ коррекции, основанный на использовании уменьшенных моделей, считается чрезмерной роскошью. Поэтому в рассматриваемом нами случае акустические измерения следует проводить непосредственно в строящейся комнате. Измерения эти выполняют в три этапа.

На первом этапе измерения нужно произвести после того, как возведены стены, пол и потолок, но еще не установлены рассеивающие и звукопоглощающие элементы. Основная задача этих измерений — выявить области концентрации, слития собственных частот комнаты, а также аномалии диффузности звукового поля: фокусировки, предрасположенность к флаттеру и тому подобное. По результатам этих измерений производят геометрическую коррекцию помещения.

На втором этапе измерения производят после того, как проектируемая комната заполнена, в соответствии с расчетом, рассеивающими и звукопоглощающими элементами, а также мебелью, декоративными украшениями, книгами, картинами и тому подобным. Проводимые в этом случае акустические измерения называют реверберационными. Их осуществляют всегда в условиях, максимально приближенных к реальным, с одной целью — уточнить количество поглощающих и рассеивающих звуки элементов.

На третьем этапе измерения производят для того, чтобы определить наилучшие места в комнате для размещения громкоговорителей и слушателя. Строго рассчитать эти места нельзя, однако, чтобы не искать их вслепую, как иголку в стоге сена, некоторые полезные для такого поиска расчетные соотношения я приведу ниже.
А теперь одно замечание. К сожалению, не все акустические и механические процессы, происходящие в помещении, поддаются объективному контролю. Особенно это относится к так называемым скрытым резонансом [1], причиной которых может стать переизлучение звука стенами, полом и потолком на частотах их механических резонансов. Скрытые резонансы потому и называются скрытыми, что их нельзя обнаружить на АЧХ. Обычно они выявляются с помощью тонких фазовых измерений, которыми в архитектурной акустике редко пользуются, в основном из-за сложности организации подобных измерений.
И тогда нам ничего не остается, кроме как воспользоваться мудрым советом лорда Рэлея [2]: «Прямо или косвенно, все вопросы, связанные со звуком, должны решаться ухом, как органом слуха; оспаривать заключения, которые делаются ухом, уже не приходится».

Первый этап

Измерение собственных частот помещения, образуемых аксиальными и касательными волнами.
Почему следует обращать внимание на волны именно этого типа, я уже рассказал в «АМ» № 2 (37) 2001, с.184. Напомню только, что аксиальные и касательные волны затухают значительно медленнее, чем косые, а поэтому их аномальное распределение в помещении в наибольшей степени влияет на характер затухания реверберации, вызывает его изломы и флаттер.
Если комната прямоугольная, то собственные частоты, проще вычислить, чем измерить. Такой расчет выполняют по формуле Морза [3]:

где f  — собственная частота помещения, Гц;
n(nx, ny, nz) —  коэффициенты, представляющие собой ряды натуральных чисел (п= 0, 1,2, 3…), с индексами x, y или z, каждый из которых соотносится с одной из осей комнаты; lx, ly, lz  — линейные размеры помещения, м; c — скорость звука, м/с.

Собственные частоты комнаты, проявляющиеся в результате возбуждения в ней аксиальных волн, находят по этой формуле, приняв коэффициент n, соответствующий интересующему нас направлению волн x, у или z, не равным нулю, тогда как другие коэффициенты приравнивают нулю.
Собственные частоты, возникающие в результате возбуждения касательных волн в плоскости ху, xz или yz, находят, приравняв нулю оставшийся коэффициент п.
Если комната имеет непрямоугольную форму, подсчитать ее собственные частоты по формуле невозможно, поэтому приходится прибегать к трудоемким измерениям. Измерение собственных частот производят в пустой, незаглушенной комнате на частотах f < 2fn где fn — расчетная нижняя граничная частота помещения (см. «АМ» №2 (37) 2001, с. 181).
Я уже сообщал, что цель таких измерений (или расчетов) — выявить области наибольшей неравномерности распределения собственных частот помещения, образованных касательными и аксиальными волнами, а также определить частоты их слития. И еще: на этом же этапе можно оценить, насколько комната прослушивания предрасположена к образованию флаттера.

Средства измерений

Для измерений собственных частот комнаты необходимо иметь генератор звуковой частоты, низкочастотный контрольный громкоговоритель закрытого типа (с усилителем мощности), вольтметр переменного тока (с диапазоном измеряемых напряжений 0,1-3мВ) и направленный микрофон [1] (с чувствительностью от 3 мВ/Па и выше).
Направленный микрофон в процессе измерений облегчит сортировку аксиальных и касательных волн, а также позволит отделить их от косых.

Процедура измерений

При определении собственных частот помещения, образованных аксиальными волнами, микрофон размещают поочередно на поперечной – x, вертикальной — y, и продольной — z оси комнаты, недалеко от стены (потолка) в зоне узла [2] стоячей волны, а контрольный громкоговоритель устанавливают на этой же оси, близко от центра противоположной стены (пола) (см. рис. 1). Измерения производят в направлении каждой оси комнаты.

При определении собственных частот, образованных касательными волнами, контрольный громкоговоритель размещают там же, где его размещали при измерениях аксиальных стоячих волн, но при этом ось максимальной чувствительности микрофона ориентируют вдоль отрезков прямой, соединяющих середины сторон комнаты, лежащих в плоскости распространения измеряемых стоячих волн ху, xz или yz (см. рис. 2). Сам микрофон располагают в зоне узла измеряемой стоячей волны.
Измерения производят последовательно в каждой плоскости ху, xz, yz , при этом учитывают только те собственные частоты, которые имеют наибольшие амплитуды.
В спорных случаях, то есть когда волны разного типа по амплитуде трудноразличимы, их идентифицируют по направлению распространения. Направление определяют по максимуму амплитуды сигнала с выхода микрофона при плавных поворотах его оси. Собственные частоты помещения наносят на график зависимости от частоты в виде вертикальных линий и обозначают соответствующими индексами: x, у, z и xу, xz, уz.

В помещении с оптимальной геометрией собственные частоты учитываемых нами типов волн должны быть равномерно распределены по шкале частот. Если их распределение неравномерное, комнату придется настраивать, причем до размещения в ней звукопоглощающих материалов.

Рис. 2. Места размещения направленного микрофона в осевых плоскостях xy, xz или yz при измерениях собственных частот, образованных касательными стоячими волнами: 1 — громкоговоритель, 2 — микрофон (его характеристика направленности).

Настройка комнаты на этом этапе может потребоваться и для устранения «геометрических» причин образования флаттера. Эту настройку нужно сделать как можно раньше, чтобы флаттер не появился после завершения строительства, когда затруднительно вносить какие-либо изменения в конструкцию комнаты. Именно поэтому предрасположенность комнаты к образованию в ней флаттера оценивают на первом этапе. Обычно эту предрасположенность выявляют на слух. Задача облегчается тем, что флаттер в пустом помещении даже заметнее, чем в заглушенном. И это понятно, ведь в незаглушенном помещении затухание уровня звука длится очень долго, около 5 секунд, поэтому характерные для флаттера модуляции (см. «АМ» № 2 (37) 2001, с. 184) хорошо слышны. Предрасположенность к флаттеру оценивают на прерываемых третьоктавных полосах «розового» шума в диапазоне частот от 315 до 3150 Гц.

Геометрическая настройка комнаты

Я не предлагаю двигать стены или смещать потолок комнаты. Геометрическая настройка включает в первую очередь применение резонансных поглотителей звука в зонах аномального распределения собственных частот и в местах образования флаттера. В тех случаях, когда добавление звукопоглощения нежелательно, используют рассеиватели звука. Поверхность резонансных поглотителей и рассеивателей звука в этом случае ориентируют фронтально относительно направления аномально проявивших себя стоячих волн.

Второй этап

Измерение стандартного времени реверберации в зависимости от частоты.
Измерения стандартного времени реверберации производят после того, как комната построена и в ней размещены все найденные с помощью расчетов звукопоглощающие и рассеивающие элементы, а также установлены декоративные части интерьера.
Проводить эти измерения необходимо, так как погрешность расчетов требуемого количества поглощающих материалов остается очень велика. Именно из-за этой погрешности комнату прослушивания приходится настраивать, ориентируясь на результаты измерения стандартного времени реверберации.

Рис.3. График зависимостей затухания уровня звука от времени, зарегистрированных с помощью самописца уровня #2307 фирмы “Брюель и Къер”

Известно множество способов таких измерений [4]. Классическим среди них считается способ, основанный на построении графика затухания уровня звука. Этот график (см. рис. 3) регистрируется с помощью быстродействующего самописца уровня. Предусмотренные в нем логарифмическая шкала уровней звука и линейная шкала текущего времени преобразуют экспоненциально затухающую реверберацию в спадающую прямую линию.
Если спад уровня звука имеет какие-либо аномалии, то на графике они проявятся отклонением от этой линии. Стандартное время реверберации на таком графике определяют с помощью линейки, для этого отсчитывают время спада реверберации на 30 дБ и затем умножают результат на 2.
Классический способ измерения стандартного времени реверберации очень удобен и точен, однако в домашних условиях он вряд ли приемлем, прежде всего, из-за высокой стоимости самописца уровня [3].
По этой чисто материальной причине я рекомендую аудиофилам взять на вооружение простой и совсем недорогой способ измерения времени реверберации [5]. Основу его составляет зависимость прироста уровня интенсивности стационарного звука IL от расстояния до его источника в закрытом помещении (см. рис. 4). Эта зависимость в нелогарифмированном виде (см. «АМ» № 2 (7) 96, с. 65) задана формулой:

Где Nak  — излучаемая источником акустическая мощность, Вт; r — расстояние до источника звука, м; R — постоянная помещения (характеризует способность стен, пола и потолка поглощать звук), м2.
Первый член формулы (в скобках) выражает зависимость интенсивности прямого звука от расстояния до источника. Второй член, который описывает поле реверберации, зависит только от звукопоглощения в помещении и не зависит от расстояния до источника звука.
На расстоянии от этого источника r = rн называемом радиусом гулкости, оба члена выражения (2) будут равны друг другу (см. «АМ» № 2 (7) 96, с. 69) и сложатся как две равные мощности, следовательно, уровень интенсивности звука на этом месте возрастет на 3 дБ по сравнению с уровнем, наблюдаемым в чистом поле реверберации.
Ориентируясь на этот прирост, радиус гулкости в помещении нетрудно измерить с помощью линейки. Для этого микрофон, находящийся в поле реверберации, нужно плавно приближать к источнику звука до тех пор, пока уровень звука не увеличится на 3 дБ. Расстояние от источника звука до найденного места и есть искомый радиус гулкости — rн.
rн = 0,057
Теперь, если объем помещения V (в м3) вам известен, легко вычислить стандартное время реверберации T60(в с), используя знакомую по второй части статьи формулу:
Рис. 4. Зависимость прироста уровня интенсивности стационарного звука IL (в дБ) относительно уровня поля реверберации в зависимости от расстояния до источника. Это расстояние на графике выражено числом радиусов гулкости

Средства измерений

Для измерения стандартного времени реверберации комнаты нужно иметь контрольный громкоговоритель с круговой характеристикой направленности и произвольной АЧХ, полный усилитель, проигрыватель компакт-дисков, а также «АМ Тест-СD 1», на котором записаны третьоктавные полосы «розового» шума. Следует также раздобыть трехметровую линейку и шумомер с линейной характеристикой (или с характеристикой «С»). Вместо него можно использовать любой ненаправленный микрофон с чувствительностью не хуже 3 мВ/Па и вольтметр переменного тока, имеющий диапазон измеряемых напряжений 0,1-3 мВ.

Процедура измерений

Установите контрольный громкоговоритель примерно в том месте комнаты, где должен находиться один из громкоговорителей вашей стереосистемы, а шумомер (микрофон) — на расстоянии не менее 4 метров от этого громкоговорителя; затем воспроизводите третьоктавные полосы «розового» шума, начиная с дорожки 39 и заканчивая дорожкой 58. В течение 30 с, пока звучит одна полоса шума, приблизьте шумомер (микрофон) к работающему громкоговорителю на расстояние, при котором уровень звукового давления увеличится на 3 дБ. Измерьте и запишите это расстояние. Сделайте такие замеры на каждой полосе шума в диапазоне от 100 до 8000 Гц. Затем вычислите частотную характеристику стандартного времени реверберации Т60(f), используя для этого преобразованное из формулы (3) соотношение:

T60 (f) = 3,25
где V- объем комнаты прослушивания, м3:
rн(f) — радиус гулкости на избранной частоте, м.

Настройка реверберации в помещении прослушивания

Ухо человека различает около 50 градаций времени реверберации в диапа­зоне от 0,5 до 3 с, то есть часто используемых ее значений [6]. Эти данные свидетельствуют о том, что наше слуховое восприятие — феноменально тонкий акустический инструмент. Именно по этой причине общество аудиоинженеров (Audio Engineering Society) [7] установило жесткие требования к допуску на стандартное время реверберации в зависимости от частоты в комнатах прослушивания:
T60 (f) = 0,45±0,15с       в диапазоне частот 250 Гц < f < 4 кГц.

Столь жесткий допуск был задан, несмотря на то, что самые точные расчеты времени реверберации в комнатах прослушивания дают значительно большую погрешность. Именно поэтому стандартное время реверберации приходится сначала рассчитывать, а затем настраивать комнату, контролируя результаты настройки измерениями. В связи с трудоемкостью этого процесса возникла потребность в упрощении процедуры таких измерений. Предлагаемый мной метод позволяет это легко сделать, если отказаться от вычислений времени реверберации и ограничиться определением двух значений радиуса гулкости, представляющих собой, исходя из требований, записанных в выражении (5), допустимые пределы:
от  rн (min) = 0.084   до  rн (max) = 0.087

В области высоких и средних частот настройку звукопоглощения в комнате производят добавлением (изъятием) штор или занавесок. Недостающее звукопоглощение на низких частотах достигается в результате сооружения щитов Бекеши или панелей резонансного поглощения звука. Аномальное повышение времени реверберации в какой-нибудь узкой полосе частот устраняется размещением настроенных на эти частоты полых резонансных поглотителей.
Хотя на частотах ниже 250 Гц допуск на время реверберации не очень жесткий, тем не менее, и в этом диапазоне настройка комнаты должна быть сделана как можно более тщательно.

Третий этап

Акустические измерения для нахождения оптимального местоположения громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания. На этом этапе измерения производят, когда строительство комнаты прослушивания, включая ее заглушение, полностью закончено и вам осталось разобраться, где наилучшим образом разместить громкоговорители вашей аудиосистемы и в каком месте должен находиться слушатель. С объективистской точки зрения размещение громкоговорителей и слушателя является правильным, когда:
— в районе головы слушателя нет вредных отражений звука, то есть таких, которые запаздывают относительно начала прямого звука менее чем на 3 мс [4];
— неравномерность общей АЧХ стереопары громкоговорителей, вызванная их взаимодействием между собой и с комнатой прослушивания, минимальна.

Определять с помощью измерительных приборов время прихода отражений нет необходимости. Их просто нужно исключить, воспользовавшись правилом:
Удаленность громкоговорителей, а также слушателя от границ помещения должно быть такой, чтобы длина прямого пути звука от любого громкоговорителя до головы слушателя была минимум на 1 м (но не более 10 м) меньше длины этого пути, включающего одно отражение звука от любой стены, потолка или пола.

Это требование может быть выполнено аудиофилом самостоятельно. Для этого нужно на практике применить знания по геометрии, полученные в средней школе.
С определением неравномерности общей АЧХ громкоговорителей в комнате прослушивания дело обстоит намного сложнее. Чтобы разобраться в этом вопросе, придется в очередной раз углубиться в акустическую теорию.

Каждому понятно, что АЧХ громкоговорителя, измеренная в условиях комнаты прослушивания, не должна совпадать с измеренной в звукозаглушенной камере хотя бы потому, что в комнате микрофон улавливает не только прямое излучение громкоговорителя, но и создаваемое им поле реверберации. К сожалению, этого чисто качественного знания недостаточно для практического применения, а потому нам придется остановиться на физических аспектах этого явления более подробно. Сначала вспомним (см. выражение (2)), что интенсивность прямого излучения громкоговорителя при удалении от него убывает пропорционально квадрату расстояния, тогда как интенсивность поля реверберации от расстояния не зависит. Когда расстояние между микрофоном и громкоговорителем становится больше радиуса гулкости (r >rн), интенсивность поля реверберации начинает доминировать в результатах измерений. Этот случай соответствует условиям прослушивания музыки через аудиоаппаратуру, ведь расстояние между громкоговорителем и слушателем обычно составляет от 2 до 3 радиусов гулкости. Это очень важное утверждение, так как оно открывает глаза на то, что слушатель, а, следовательно, и микрофон, с помощью которого мы собираемся производить измерения, находятся в практически «чистом» поле реверберации. Именно поэтому АЧХ громкоговорителя, измеренная в комнате с места, где сидит слушатель, представляет нам уже не громкоговоритель, а систему громкоговорителъ — комната.
Последнее утверждение не означает, что эту общую АЧХ можно объявить суммарной для громкоговорителя и комнаты прослушивания [8].

Даже когда комната прослушивания не вносит искажений в общую АЧХ (гипотетический случай, когда АЧХ комнаты линейная), характеристика громкоговорителя, прописанная в условиях реверберации, все равно будет значительно отличаться от полученной в звукозаглушенной камере.

Объясняется это тем, что измеренная в камере АЧХ учитывает только осевое излучение громкоговорителя, то есть в направлении линии, соединяющей его и микрофон, тогда как АЧХ в поле реверберации интегрирует излучение громкоговорителя во всех направлениях, благодаря отражениям от стен, пола и потолка. Чтобы не возникало терминологической путаницы, АЧХ, измеренную в звукозаглушенной камере, далее будем называть осевой, а прописанную в поле реверберации — мощностной [9].

В области средних и высоких частот различие между мощностной и осевой АЧХ возникает из-за неодинаковой роли направленности громкоговорителя в формировании сопоставляемых характеристик. В мощностной АЧХ, на частотах, где направленность обострена, образуются провалы, которых на осевой характеристике нет. У реальных громкоговорителей провалы наблюдаются в окрестности частот разделения полос излучения, когда характеристика направленности громкоговорителя сужается с повышением частоты, а затем, при переходе на более высокочастотную головку, резко расширяется.

Проявившиеся на мощностной характеристике провалы не являются чисто метрологическими фокусами. Они ощущаются как окраска звучания на частотах стыков полос. Избавиться от этих фокусов путем специальной настройки комнаты нельзя. Выход только один: приобрести новую акустическую систему с равномерной мощностной АЧХ на средних и высоких частотах.
Думаю, у читателей уже не осталось сомнений в том, что мощностная АЧХ громкоговорителей более адекватна слуховому восприятию, чем осевая.

В области низких частот несоответствие мощностной АЧХ осевой характеристике объясняется взаимодействием громкоговорителя с мнимыми источниками звука, которые образуются в результате зеркального отражения реального громкоговорителя в боковых стенах и в полу. Как я уже писал (см. «АМ» № 1 (36) 2001, с. 162), мнимые источники ведут себя точно так же, как настоящие. Они изменяют сопротивление излучения реального громкоговорителя, причем в зависимости от частоты. Эти изменения становятся еще большими, когда начинают взаимодействовать между собой громкоговорители стереосистемы. Из-за всех этих взаимодействий неравномерность низкочастотного участка мощностной АЧХ в комнате прослушивания может возрасти до 24 дБ. Понятно, что свалившаяся с неба неравномерность мощностной АЧХ нас не радует, но зато ее можно ослабить и, как оказалось, почти бесплатно, например, путем выбора расстояний от громкоговорителей до ближайших стен и пола, а также относительно друг друга. Но это уже тема акустической настройки аудиосистемы в комнате прослушивания (см. ниже), а пока обратимся к измерениям мощностной АЧХ громкоговорителей.

Некоторые особенности измерения мощностной АЧХ

При измерении осевой АЧХ обычно используют синусоидальный сигнал. При измерении мощностной АЧХ такой сигнал не пригоден. Виноваты в этом полчища собственных частот (резонансов) комнаты прослушивания, которые представляют собой тонкие, плотно расположенные пики, чередующиеся со столь же узкими провалами.

Даже при непрерывной записи мощностной АЧХ на самописце уровня очень трудно разглядеть в частоколе всех этих резонансов интересующую нас характеристику. Чтобы освободиться от этого частокола, необходимо отказаться от сигналов с точечным спектром и перейти к сигналам со сплошным спектром, то есть вместо синусоидального нужно использовать либо частотно-модулированный (воющий) синусоидальный сигнал, либо третьоктавные полосы «розового» шума. Мы выбрали третьоктавные полосы «розового» шума, так как их можно воспроизвести с компакт-диска «АМ Тест-CD 1».

Другая вызывающая некоторые затруднения особенность: для измерений мощностной АЧХ требуется специальный вольтметр среднеквадратичных значений (СКЗ). Подавляющее большинство вольтметров переменного тока, оказывается, рассчитаны на измерение эффективных значений синусоидальных напряжений и не пригодны для измерения сложных, в том числе шумовых, сигналов из-за возникающих в этом случае погрешностей.
Вольтметр СКЗ не является редкостью, помимо существования множества так называемых RMS-измерителей зарубежного производства, его выпускали в СССР под маркой «ВЗ-40».

Средства измерений
Мощностную АЧХ в комнате прослушивания определяют, используя громкоговорители той аудиосистемы, через которую в дальнейшем вы намерены слушать музыку. Аудиосистема должна включать проигрыватель компакт-дисков, с помощью которого вам придется воспроизводить третьоктавные полосы «розового» шума с компакт-диска «АМ Тест-CD 1». Следует иметь также микрофон чувствительностью 3 мВ/Па с известной АЧХ в диапазоне частот от 31,5 Гц до 1 кГц и круговой характеристикой направленности, а также вольтметр СКЗ с диапазоном измеряемых напряжений 0,1-3 мВ.

Процедура измерений
Установите громкоговорители там, где, по вашему мнению (или по расчету), они должны стоять, а микрофон — в том месте, где вы собираетесь расположиться, чтобы слушать музыку. Подайте на оба громкоговорителя в режиме R+L «розовый» шум в полосе 200-1000 Гц (дорожка 27) и отрегулируйте громкость шума так, чтобы на вольтметре он был ниже максимума шкалы на 12 дБ, после чего воспроизводите третьоктавные полосы «розового» шума, начиная с дорожки 32 и заканчивая дорожкой 49. Последняя воспроизводит верхнюю частоту (1000 Гц) измеряемого диапазона.
В течение 30 с, то есть пока звучит каждая дорожка, вы можете успеть снять показания вольтметра, а также записать произносимую диктором среднегеометрическую частоту полосы шума. Нанесите измеренные значения на график зависимости уровня звука (в условных дБ) от частоты. Полученный график и есть мощностная АЧХ громкоговорителей вашей стереосистемы в комнате прослушивания.

Расчет местоположения громкоговорителей и слушателя
Зависимость излучаемой громкоговорителем мощности от частоты в реальном помещении одним из первых исследовал Л. Беранек [10]. Он определил (см. рис. 5), что при установке громкоговорителя в углу комнаты излучаемая им на низких частотах мощность возрастает более чем на 9 дБ, по сравнению с мощностью, которую излучает громкоговоритель, размещенный в центре комнаты. Позже эти явления подробно исследовал Р.
Ф. Аллисон [11]. На его некоторые теоретические положения и результаты опытов я буду опираться далее.

Рис. 5. АЧХ громкоговорителя, установленного в прямоугольном помещении в 4 позициях: А – в углу, В – у пола в середине стены, С – у центра стены, D – в центре комнаты.

Рассмотрение вопроса начнем со взаимодействия находящихся на расстоянии d двух синфазно работающих громкоговорителей закрытого типа. Из-за этого взаимодействия их сопротивление излучения меняется в зависимости от частоты, а, следовательно, и совместная мощностная АЧХ отличается от АЧХ одного громкоговорителя. Это отличие, которое выражено изменением уровня интенсивностиILв зависимости от частоты, показано на рис. 6. Для удобства пользования частота на этом рисунке — нормированная, то есть представлена отношением расстояния d к длине волны звука .

Рис. 6. Изменение мощностной АЧХ двух громкоговорителей, вызванное их взаимодействием на расстоянии d к длине звуковой волны λ

Из рисунка видно, что при > d > 0,5. оба громкоговорителя излучают примерно столько же мощности, сколько они излучают в сумме, находясь отдельно друг от друга. Когда расстояние между громкоговорителями уменьшается так, что > d > 0,5., суммарная акустическая мощность возрастет на 3 дБ, то есть становится больше суммы мощностей, излучаемых громкоговорителями отдельно друг от друга.
Обратите внимание, что, несмотря на различие масштабов шкал, АЧХ на рис. 6 очень похожа на приведенную в «АМ» № 1 (36) 2001 (с. 163) зависимость коэффициента излучения двух точечных источников звука от произведения волнового числа k на расстояние d.

Прирост акустической мощности на низких частотах аудиофилы обычно воспринимают как усиление и углубление баса и, следовательно, как главный аргумент в защиту стереофонии. Я бы с этим согласился, если бы не досадная мелочь: провал в мощностной АЧХ громкоговорителей в области > d > 0,5.. Этот провал, который Аллисон называет «седловиной», в рассматриваемом случае составляет 1 дБ. Конечно, на него можно было бы не обратить внимания, но, как оказалось, в реальных условиях он часто достигает 12-14 дБ. Провал такой глубины может появиться из-за взаимодействия громкоговорителей между собой и еще с тремя мнимыми источниками звука, которые являются отображениями этих громкоговорителей в боковых стенах и в полу. Изгнать из комнаты прослушивания мнимые источники мы не в состоянии, так как не располагаем сверхэффективными поглотителями низких звуковых частот. Мы можем только частично управлять этими источниками, меняя расстояние от громкоговорителя до ближайших стен и пола.

Обозначим в связи с этим расстояние до задней стены буквой X, до боковой стены буквой Y, до пола буквой Z, а между громкоговорителями — как обычно, буквой d. Расстояние между действительным громкоговорителем и каждым мнимым источником определяется как dX,Y,Z =2(Х,Y,Z).

Рис. 7. Изменение мощностной АЧХ громкоговорителя, вызванное его взаимодействием с границами помещения: A – с одной стеной, расположенной на расстоянии X; B – с двумя пересекающимися под прямым углом стенами на расстоянии X и Y; C – с тремя взаимно перпендикулярными стенами на расстояниях X, Y, Z. Кривые В и С даны для случаев X=Y и X=Y=Z соответственно; ось частот выражена отношением расстояния от стен X, Y, Z к длине волны λ.

На графике (см. рис. 7), показана зависимость прироста излучаемой мощности IL от нормированной частоты FN= Х,Y,Z/ для случаев, когда громкоговоритель взаимодействует с одним, двумя и тремя мнимыми источниками звука. Из этого графика видно, что каждое взаимодействие, независимо от размеров X, Y, Z, на частотах FN< 0,05 приводит к приросту на 3 дБ излучаемой громкоговорителем мощности. Соотношение размеров X, Y и Z, как оказалось, влияет в основном на глубину упомянутого провала. Она максимальна и составляет 11,5 дБ при Х = Y= Z, причем может увеличиться еще на 3 дБ, когда в аудиосистеме не один громкоговоритель, а два и если Х = Y = Z = 0,5d. Подъем на 12 дБ и провал на 12-14 дБ — вот откуда взялась упомянутая мной выше неравномерность мощностной АЧХ — 24 дБ.
Повлиять на низкочастотный подъем мы не в состоянии. Удаляя громкоговоритель от стен и пола, мы только понизим частоту, с которой этот подъем начинается. Но у нас есть возможность свести к минимуму провал. Для этого размеры X, Y, Z и 0,5d следует выбрать не равными друг другу. Возникает вопрос, что означает не равные?
Ответ лежит на поверхности. Нужно компенсировать седловину, образующуюся из-за взаимодействия громкоговорителя с одним мнимым источником, нечетким максимумом, который возникает в результате взаимодействия этого громкоговорителя с другим мнимым источником. Такую компенсацию полезно сделать в каждой паре взаимодействующих источников звука. Как видно из рис. 7, для такой компенсации нужно среди размеров X, Y, Z и 0,5d, произвольным образом взять две пары и затем установить в каждой из них отношение размеров равное 1,7.
В комнате прослушивания такое соотношение может быть без затрат определено (см. рис. 8).

Рис. 8. Наилучшее соотношение размеров X, Y, Z, d, которого следует придерживаться при размещении стереосистемы в комнате прослушивания

После того как громкоговорители установлены в рассчитанное положение, свободное соотношение между размерами Х и Y (или Z, и d) желательно уточнить по результатам измерений общей мощностной АЧХ громкоговорителей, а еще правильнее — основываясь на оценке характера звучания басовых нот контрабаса и литавр. Уточнения необходимы не только из-за приблизительности приведенного мной расчета. Есть еще и не учтенные в расчете факторы, такие, например, как индивидуальная неравномерность АЧХ громкоговорителей, неоднородное распределение в комнате низкочастотных резонансов, плохо управляемое на низких частотах время реверберации и т. п. Уточнить расстояние до стен и пола придется также тогда, когда вы используете громкоговорители с пассивным излучателем или фазоинвертором.

И последнее, о чем я хотел рассказать, — это о местонахождении слушателя в комнате прослушивания. Хитростей в этом вопросе никаких нет. Слушатель должен находиться на равном расстоянии от громкоговорителей стереосистемы, причем угол между ними (с вершиной у его головы) должен составлять от 50 до 70°. Кроме того, он обязательно должен быть в зоне баланса амплитуд четных и нечетных, продольных, аксиальных стоячих волн. Сразу замечу, что этого баланса вы не получите, если попытаетесь расположиться в центре комнаты, так как там могут быть только нулевые амплитуды (узлы) нечетных стоячих волн. Требуемый баланс нужно искать, отступив от центра комнаты на расстояние, которое составляет 10-15% ее длины. Проще всего место этого баланса искать на слух. Проиграйте через аудиосистему запись органной музыки, и, двигая кресло, в котором вы сидите, взад и вперед, добейтесь приемлемой артикуляции и легкости звучания баса.

Литература
1. Тоо1е F. Е., Olive S. Е. Тhе Моdification of Timbre by Resonances: Perception and Measurement, J. Audio Eng. Soc., Vol. 36, #3,1968, pp. 122-141.
2. Стретт Дж. В. (ЛордРэлей). Теория звука т. 1, М., ГИТТЛ, 1955, с. 23.
3. Морз Ф. Колебания и звук. М., ГИТТЛ, 1949, с. 424-425.
4. Беранек Л. Акустические измерения. М., ИЛ, 1952, с. 542-564.
5. Лихницкий А. Качество звучания. Новый подход к тестированию аудиоаппаратуры. Л., «ПиК», 1998, с. 33.
6. Кремер Л. Объем информации, требуемый для акустической характеристики помещения/в сб. Проблемы современной акустики. М., Изд-во Академии наук СССР, 1963, с. 137-140.
7. АЕS recommended practice for professional audio – Subjektive evaluation of loudspeaker. – J. Audio Eng. Soc., Vol. 44, #5, 1996, рр. 386-401.
8. Контюрн Л. Акустика в строительстве. М., Госстройиздат», 1960, с. 137.
9. Allison R., Berkovitz R. The Sound Field in Home Listening Rooms. – J. Audio Eng. Soc., Vol . 20, #6, 1972, рр. 439-469.
10. Веranek L. Acoustics. – McGrawHill, N.Y., 1954, р. 320.
11. Allison R. The Influence of Room Boundaries on Louspeaker Power Output. – J. Audio Eng. Soc., Vol. 22, #5, 1974, рр. 314-319.
А. Лихницкий, И. Кузьменко, В. Волков
[1] Для этих целей годится микрофон типа приемник градиента давления’, его характеристика направлен­ности имеет вид восьмерки. Ленточные микрофоны с такой характеристикой выпускались в СССР заводом «Октава». Подробно о направленных и ненаправленных микрофонах см. в «АМ» № 4 (5) 95, с.69-71
[2] Узлы — это зоны в стоячей волне, где звуковое давление равно нулю, а колебательная скорость частиц воздуха максимальна.
[3] В последнее десятилетие вместо дорогостоящих самописцев уровня стали применять специальным образом запрограммированные персональные компьютеры.
[4] 3 мс — это время запаздывания , достаточное для того, чтобы первые отражения не были слышны, так как попадают в зону действия эффекта Хааса. Об этом эффекте см. в «АМ» № 2 (37) 2001, с. 159
[5] Рой Аллисон известен тем, что сконструировал в 1970-х годах акустическую систему «AR-3а».
[6] Четные продольные аксиальные стоячие волны -это когда в формуле (1) пx = 2, 4, 6…, а нечетные -когда пx = 1, 3, 5…
Меломаны в комнате прослушивания. Слева направо: А. Лихницкий, И. Кузьменко, В. Волков.

inthouse

Блог о винтажной акустике
Закрыть меню