Главная » Базовые знания » Золотое сечение в архитектурной акустике. Апартаменты для системы

Золотое сечение в архитектурной акустике. Апартаменты для системы

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

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.

Хорошо известно, что помещение оказывает заметное влияние на звучание Hi-Fi-систем. Об этом явлении достаточно написано как в специальных, так и в популярных изданиях. Возможно, многие наши читатели самостоятельно занимались изучением этой проблемы, если и не теоретически, то на практике - выбором оптимального местоположения акустической системы в комнате, попытками изменения поглощающих свойств с помощью ковров, тяжелых портьер и мягкой мебели. Имея некоторые дополнительные возможности, а именно наш измерительный комплекс, мы тоже решили поучаствовать в деле изучения резонансных свойств помещений. Конечно, наши результаты носят во многом иллюстративный характер, но, кажется, это тот самый случай, когда полезно один раз увидеть, чем сто раз услышать...

И все же начнем с теории. В результате многократных отражений от стен в помещении возникает трехмерное звуковое поле. Если частота звука совпадает с одной из собственных частот помещения, то возникает устойчивое распределение амплитуды колебаний давления в пространстве комнаты, и оно воспринимается как звук. Представьте, что мы заставили комнату петь своим голосом (сделать это можно, выключив источник звука, который возбудил колебания в помещении на одной из его собственных частот, и вообразив, что затухание отсутствует). Как же будет восприниматься резонанс комнаты? Слышать мы будем тональный звук, частота которого, естественно, равна частоте того источника, который мы уже мысленно выключили, а громкость будет меняться при перемещении слушателя в пространстве. Красивые разноцветные фигуры на рисунках показывают, как меняется амплитуда давления (громкость звука) в пространстве для различных собственных частот помещения (цифры под рисунками) с размерами lx = 5,6 м, ly = 3,8 м, lz = 3,5 м. Самые светлые участки - это области более высоких амплитуд давления. Чем выше собственная частота, тем больше в действительности распределение стремится к однородному. Многочисленные острые пички не реализуются, как будто по ним проехали катком. Причина - поглощение звука, растущее пропорционально квадрату частоты.
Вернемся теперь к действительности. Такие устойчивые картины существуют в помещении, пока работает источник звука. Как только он выключается, амплитуда колебаний начинает стремительно падать (помните экспоненциальный закон?), причем скорость спада зависит от затухания в помещении (т.е. от показателя экспоненты). Чем меньше затухание, тем больше время реверберации - гулкость помещения. Но это уже совсем другая история...
Звуковое поле громкоговорителя, таким образом, неотделимо от резонансов в помещении, и их взаимодействие происходит по законам дифракции и интерференции. А это значит, что возможно не только локальное увеличение, но и уменьшение амплитуды звукового давления. И происходит сложение полей не на одной частоте, а во всем задействованном диапазоне как излучаемых источником, так и собственных резонансных частот помещения. Наиболее ярко выраженные распределения существуют на низких частотах, что, конечно, хорошо усвоили те, кто пытался усилить бас подвижкой колонок в угол комнаты.
Итак, освежив с помощью компьютерного моделирования наши представления о резонансах в помещении, мы решили посмотреть, что же происходит в нем со звучанием Hi-Fi-громкоговорителя. Устанавливая в комнате колонки, мы конкретизируем резонансные распределения. Место, в которое мы поместим микрофон, окажется для одних частот в зоне повышенной амплитуды давления, для других - наоборот. При этом не будем забывать, что в помещении с нормальным уровнем реверберации доминирующим на слух будет все же прямое излучение громкоговорителя.

Обычно при наших измерениях амплитудно-частотных характеристик громкоговорителей мы исключаем влияние помещения, то есть проводим измерения как бы в свободном поле. Это достигается максимально возможным удалением от всех стен, пола и потолка (в центре объема); используется короткий импульсный сигнал для излучения, а при регистрации - временное окно, отсекающее все отраженные сигналы. Стремясь оценить собственно вклад помещения, мы использовали источник непрерывного белого шума. На рис. 1 представлены АЧХ громкоговорителя (синяя линия) и АЧХ системы громкоговоритель-помещение (красная линия), полученные в нашей лаборатории - достаточно большой комнате с размерами 7,0і7,5і3,6 м и хорошо заглушенными стенами. Хорошо видно, что помещение в этом случае оказывает несущественную роль - разница не больше 4 дБ на низких частотах, а после 1 кГц ее уже практически нет. В другой комнате (3,6і3,8і5,5 м), где стены не покрыты поглощающими панелями, их влияние в аналогичной ситуации более существенно (рис. 2). Однако нельзя сказать, что оно кардинально разрушает АЧХ громкоговорителя. А вот если даже полочную акустическую систему поставить на пол на расстоянии 2 м от дивана, на котором сидит слушатель (у нас - микрофон), то мы получим характеристику, изображенную на рис. 3. Звук становится заметно более «басовитым». Может быть, для вечеринки с танцами это и неплохо... На рис. 4 хорошо видно, что станет со звуком, если колонку поместить в самый угол, а слушать ее на расстоянии 2 м от стены. Увы, в диапазоне до 1 кГц исходная АЧХ практически полностью разрушена. Ситуация не изменится, если громкоговоритель и микрофон поменять местами (рис. 5). График на рис. 6 соответствует ситуации, когда слушатель (микрофон) находится на расстоянии ~20 см от стены, а колонка находится на расстоянии 2 м от него.
Попробуем подвести некоторые итоги и, может быть, дать советы. Прежде всего заметим, что представленные АЧХ системы громкоговоритель-помещение немного утрированны. Вспомним, что измерялись они на непрерывном белом шуме, а в этом случае устанавливаются и поддерживаются буквально все возможные резонансные колебания. При прослушивании музыкальных произведений ситуация несколько иная. Здесь большую роль играет поглощение, а поскольку музыкальные сигналы часто имеют более импульсный характер, то в хорошо заглушенном помещении процесс, образно говоря, не доходит до «насыщения». Конечно, при выборе акустики надо учитывать характер и размеры вашей комнаты прослушивания. Может быть, не всегда следует акцентировать свое внимание на глубоком басе. В то же время, обратите внимание, что даже в наших «немузыкальных» экспериментах собственно АЧХ громкоговорителя играет далеко не последнюю роль, и в качестве «исходного материала» лучше иметь акустику с гладкой (без дисбалансов) АЧХ. При установке и прослушивании громкоговорителей лучше держаться подальше от стен и углов. На основании опыта можем посоветовать использовать не очень музыкальный, но информативный белый шум при настройке вашей системы акустика-помещение. Очень хорошо заметно на слух изменение его звучания при передвижениях громкоговорителя по комнате прослушивания. С эталонным «голосом» белого шума можно, например, познакомиться, послушав его на хороших наушниках или поместив высококачественную акустику в центре хорошо заглушенного и достаточно большого помещения. Впрочем, особенно настаивать на этом «концерте» мы не будем...

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

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.

Апартаменты для системы

Я часто думаю, что нам повезло родиться с двумя ушами - иначе, как бы мы смогли наслаждаться стереозвуком? Конечно, у каждого блага есть оборотная сторона - этот дар отравляет некоторым жизнь, заставляя тратить уйму времени на возню со всякими деталями и кабелями в постоянном поиске еще больших аудио не удовольствий.

Возможность услышать разницу в звучании компонентов, изменить топологию схем, применить новые стойки, наконец, -все это поддерживает пылающую страсть поклонников Hi-Fi. Некоторые ученые мужи считают, что мы должны внимательно относиться к техническим характеристикам компонентов, другие призывают нас к замене деталей в серийной аппаратуре, третьи пропагандируют системный подход...

При таком внимании к "железу" очень легко забыть о комнатах, в которых мы его слушаем. А между тем качество звучания зависит от акустики помещения ничуть не меньше, чем от качества аппаратуры. Чтобы убедиться в этом, выйдите с приятелем на улицу и поговорите с ним, стоя друг от друга на расстоянии двух-трех метров. Затем вернитесь в свою комнату, сделайте то же самое - вы поймете, что я имею в виду.

Верьте ушам своим

Хотя многие могут представить себе, как поток воды рождает электроэнергию, этого совсем недостаточно для того, чтобы разобраться в энергии акустических волн. Даже для специалистов акустика является сложной комплексной наукой, включающей в себя сложные расчеты наряду с некоторой долей интуитивных предположений.

В этой статье я постараюсь упростить предмет, рассказав о нем в терминах, понятных образованному дилетанту. Прежде всего вы должны верить собственным ушам и помнить, что в этой области все относительно. Просто внимательно вслушайтесь в свою систему. Как она звучит? Объемно? Плоско? Сухо? Откуда идет звук?

Акустические проблемы в комнате прослушивания скорее всего являются причиной целого сочетания факторов, например, отражений, резонанса и, самое главное, пропорций помещения. Давайте рассмотрим все это по порядку.

Поющие стены

Всем известно, что звук отражается от стены. Но как это происходит? Когда звуковая волна ударяется о преграду, часть ее отражается, а часть или поглощается, или проходит сквозь препятствие. Чем тверже и плотнее стена, тем большую часть акустической энергии она будет отражать - те из вас, кто любит исполнять оперные арии в ванной комнате, облицованной плиткой, знают, что я имею в виду.

Звуковые волны отражаются остронаправленно, и в результате на стене, то есть в стороне от самого громкоговорителя, появляются его дополнительные "образы". Они могут ухудшать отчетливость звуковой картины. А теперь представьте себе, что происходит, когда звук от двух громкоговорителей отражается от шести поверхностей комнаты (не забудьте о потолке и поле), и вы поймете, что все не так просто.

Выход в рассеивании

Самым лучшим способом борьбы с отражениями является их рассеивание, когда звуковые волны беспорядочно рассредоточиваются неровными поверхностями. При хорошем результате у слушателей создается ощущение, будто звук идет с одинаковой силой со всех сторон.

Вероятно, проще всего создать дома такие поверхности с помощью книжных полок и других навесных деталей интерьера. А можно просто использовать "решетки" для яиц, закрепив их на стенах.

Правильное расположение рассеивающих поверхностей очень важно. В идеале они должны быть симметричными. Не забудьте расположить их позади места слушателя, чтобы снизить главные отражения от задней стены. Рассеивающие поверхности на боковых стенах должны располагаться там, где с места слушателя "виден" образ колонки. Зеркало и приятель помогут вам в поисках, хотя обычно я делаю это один, зная, что угол отражения звуковой волны равен углу ее падения.

Дома и сады

Не забывайте об отражениях, обставляя комнату мебелью. Средний громкоговоритель способен производить звуковые волны длиной как менее 2,5 см, так и более 10 м. Длинные волны (низкие частоты или басы) будут без труда проходить через предметы мебели. Но этого нельзя сказать о высоких частотах, они отражаются такими препятствиями. Ясно, поставить гардероб перед колонкой - не лучшая идея.

Помните также, что важно не путать рассеивание звука с поглощением, которое свойственно занавескам. Хотя знамена или портьеры часто используются специалистами-акустиками для подстройки времени реверберации в концертных залах, ваша гостиная вряд ли представляет собой столь масштабное помещение, поэтому и проблемы в ней будут другими. Занавески большой площади просто "высасывают" из звучания всю средне- и высокочастотную энергию, оставляя вам безжизненную музыку. Попробуйте вместо этого использовать жалюзи, которые дадут некоторый эффект рассеивания, но не поглощения звука.

То же относится и к коврам. Если пол в комнате целиком застлан толстым ковром, а окна завешены плотными портьерами, звучание будет еще более скучным и серым. Как и с жалюзи, поэкспериментируйте, если есть возможность, с тонкими небольшими ковриками или циновками, чтобы звук рассеивался, а не поглощался.

Хочу отметить, что отражения могут быть полезными и некоторые слушатели (например, я) предпочитают, чтобы комната была немного "живой". Несомненно, это дело личного вкуса, поэтому, как обычно, вам придется поэкспериментировать, чтобы добиться желаемого результата.

Размеры комнаты в резонанс

Пропорции средней гостиной соизмеримы с длинами звуковых волн в нижней части слышимого спектра (между 70 и 140 Гц). Эти частоты находятся в наиболее проблемном диапазоне. Если воспроизводится музыка, в которой есть звуки, длина волны которых в два раза больше размеров комнаты или кратна этой величине, то формируются резонансы (моды) помещения - самая неприятная из всех акустических проблем, связанных с обычными комнатами.

Звуковые волны в воздухе распространяются со скоростью примерно 330 м в секунду, поэтому чистый тон (одна частота), скажем, в 31,5 Гц имеет длину волны в 330/31,5 - около 10 м. Если этот тон генерируется в комнате, длина которой в два раза меньше, т. е. 5 м, то такая звуковая волна отразится от задней стены (за исключением того, что будет поглощено) и достигнет другой стороны комнаты точно в тот момент, когда будет генерироваться второй тон, таким образом усилив его и создав резонанс.

Резонансы (длина волны/размеры комнаты) также возникают и на частотах, кратных этой первой резонансной частоте. Тот же эффект одновременно имеет место по двум другим "направлениям" комнаты - ширине и высоте. Когда резонансы совпадают в двух и более измерениях комнаты, появляется неприятная гулкость звучания.

Проверьте вашу комнату

Вероятно, самым значительным фактором, влияющим на резонансы, являются относительные пропорции комнаты. Вычислить их можно с помощью простого калькулятора и рулетки. Не стоит и говорить, что настоящий аудиофил, подыскивающий себе новое жилье, обязательно сделает это!

Если комната имеет прямоугольную форму, измерьте все ее основные размеры -высоту, ширину и глубину. Затем постройте свою собственную таблицу, разделив 330 на удвоенные значения размеров вашей комнаты - вы получите значения первого резонанса (моды). Значения второго резонанса вы получите, умножив эти значения на два, третьего - на три и так далее. Нет смысла высчитывать резонансы выше четвертого, поскольку после него вы уже вне "опасной зоны".

В качестве примера я взял типичную гостиную длиной 4,5 м, шириной 3,5 и высотой 2,3 м. В таблице 1 приведены результаты. Очевидно, что, если резонансы совпадают в разных направлениях в любом порядке, вы получите неровную АЧХ в басах и неприятное "бубнение". В нашем случае в районе 71 Гц и затем -141 Гц. Не забудьте, что виновата в "бубнении" комната, а не система. Не старайтесь подстроить свою аппаратуру!

Таблица 1

Комната 4,8 м. х 3,6 м. х 2,4 м.

Размеры комнаты

1-я резон. частота

2-я резон. частота

106,5 HZ

3-я резон. частота

4-я резон. частота

Из этой таблицы можно сделать правильный вывод, что квадратная комната будет одновременно резонировать в двух направлениях и, соответственно, еще более ухудшать звучание. Превзойдет ее по плохой акустике только комната в форме куба. К счастью, кубических комнат не так уж много.

Таким же образом могут создать проблемы механические резонансы, производимые подставкой для громкоговорителя, стоящей на шипах на деревянном полу. Последний до некоторой степени является резонирующей панелью, усиливая корпусные резонансы колонки. Владельцы таких полов и колонок могут воспринимать слышимое усиление басового выхода как улучшение, но на самом деле звучание в этом случае ухудшается. Гораздо меньше проблем с бетонным полом - надеюсь, что у вас именно такой.

Как улучшить акустику комнаты.

На основании выводов, сделанных в предыдущей главе, самым простым способом улучшения акустики помещения будет правильный выбор места установки громкоговорителей. Это очень важно, поскольку резонансы (моды) возбуждаются сильнее, когда громкоговорители стоят близко от стен, и еще сильнее, когда они расположены в углу. В этом случае углы комнаты становятся неуправляемыми рупорами. Поскольку типичные колонки с узкими передними панелями звучат лучше при установке на максимальном расстоянии от углов, то размещение их у длинной стены комнаты может помочь в решении этой проблемы.

Хотя комната может выглядеть симметричной, она вряд ли такова с акустической точки зрения. Поэтому изменения звучания можно добиться, переставив громкоговорители к ее противоположной стене. Еще более кардинальное решение - перенести аудиосистему в другую комнату. Естественно, не забудьте перед этим проверить ее на резонансы!

Экспериментируя, я обнаружил, что лучше всего устанавливать колонки от задней стены на расстоянии, равном приблизительно четверти длины комнаты, а дистанция между каждой из них и боковыми стенами должна составлять около четверти ширины комнаты. Тогда слушателю надо расположиться от передней стены на расстоянии, равном четверти длины комнаты.

Полы и потолки.

Если ваши громкоговорители стоят на шипах на деревянном полу и вы страдаете от нежелательных резонансов, то можно улучшить звучание, положив на тонкий эластичный фетровый коврик, например, мраморную плиту, а уже затем установить "шипованную" колонку.

Высота комнаты для прослушивания часто является самым главным "преступником", ухудшающим звучание, поскольку типичная высота потолка, примерно 2,4 м, соответствует половине длины волны частоты 71,5 Гц, что может быть причиной раздражающего "бубнения". Конечно, вряд ли вам удастся установить на потолке книжные полки, но там можно закрепить узкие деревянные рейки разной толщины, которые будут выступать в роли рассеивателей. Между прочим - довольно оригинальное украшение интерьера.

Пустотелые красавицы.

В США среди аудиофилов стало модно устанавливать в комнатах прослушивания так называемые трубы-ловушки для борьбы с резонансами и реверберацией. Трубы-ловушки -это цилиндрические устройства из стеклопластиковых труб диаметром около 28 см, половина окружности которых покрыта перфорированной металлической пластиной, а изогнутая металлическая поверхность направлена наружу в комнату. Теоретически, такая ловушка работает частично как трубчатый, а частично как камерный резонатор.

По утверждениям изготовителей, эти устройства прозрачны для низкочастотного звука, поэтому акустическая энергия ниже 440 Гц поглощается, но ловушка умеренно отражает более высокие частоты и тогда работает как рассеивающая поверхность. Один из производителей труб-ловушек в Штатах - фирма ASC. Для всех, кто желает подробнее разузнать об этих устройствах, сообщаем ее адрес в Интернет -

Частота любит чистоту.

В студиях звукозаписи используются специальные резонаторы, которые работают по сходному с трубами-ловушками принципу, выборочно поглощая нежелательные частоты или регулируя их уровень. Обычно они представляют собой плоские панели, перфорированные или цельные, закрепленные с воздушным зазором на стене и иногда частично заполненные искусственным материалом типа стекловолокна.

Принцип работы этих устройств заключается в том, что воздух действует как пружина, поглощающая звуковую энергию, так, как когда вы дуете над горлышком бутылки и получаете ноту. В этом случае горлышко бутылки - это корпус, а воздух действует как пружина. Сделать такое резонирующее устройство сравнительно просто и дешево. Нужно закрепить деревянные рейки на стене, а на них навесить панели, тогда между ними и стеной будет воздушный зазор. А вот правильно разместить эти панели уже гораздо сложнее, поэтому, если вы решили избрать такой путь, лучше обратиться к специалисту-акустику, который проанализирует пропорции вашей комнаты и посоветует вам, как лучше разместить панели. Может быть, это обойдется вам всего в малую долю тех денег, которые вы иначе истратили бы на модернизацию своей системы.

Кстати, хотите идею? Сам я, правда, не пробовал оставить кучу пустых пивных бутылок в углу своей комнаты, но настоящий аудиофил должен испытать все, чтобы добиться лучшего звука!

Придерживайтесь Золотого Сечения.

Упоминание о пиве вызвало в моей памяти самый лучший вариант комнаты. Однако я должен предупредить, что этот способ не для слабонервных, поскольку вам, вероятно, придется перестроить или расширить свой дом! Как-то вечером, производя за большой кружкой вычисления, основанные на пропорциях моей комнаты, я подумал, а что бы получилось, если бы ее размеры соответствовали известному Золотому Сечению.

В основе Золотого Сечения лежит ряд Фибоначчи -1, 2, 3, 5, 8,13, 21, 34, 55 и т. д. В нем каждый последующий член равен сумме двух предыдущих. Если вы подниметесь выше по этому ряду, частное от деления любого числа на предыдущее будет очень близко к Золотому Сечению, значение которого равно 1,6180339887.

Я обнаружил, что для комнаты с пропорциями, основанными на Золотом сечении, резонансные частоты для высоты, длины и ширины не будут кратными и, таким образом, погасят друг друга. В таблице 2 приведен результат.

Таблица 2

Комната 6,3м x 3,9м x 2,4м

Размеры комнаты

1-я резон. частота

2-я резон. частота

3-я резон. частота

4-я резон. частота

Более того, поскольку я собирался сделать пристройку к своему дому, то решил воспользоваться случаем и построить комнату с такими пропорциями. И что вы думаете? Это сработало! Так что, вот вам мой совет. Прежде чем тратить деньги на "апгрейд" аппаратуры, возьмите в руки рулетку и проверьте свою комнату. Может быть, это будет пустой тратой времени, а может быть, сэкономит вам кучу денег и нервов.

Кстати, я все-таки заменил конденсаторы!

Дэвид Льюис 27 лет проработал архитектором, имеет опыт строительства художественных салонов, радиостудий и студий звукозаписи. В настоящее время участвует в проектировании репетиционного помещения для одного из ведущих лондонских оркестров.

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.»

Напечатать