Золотое сечение в архитектурной акустике

Проконсультироваться

Расположение громкоговорителей в комнате прослушивания
и комнатные моды

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

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

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

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

f = (c /2)·(√(n_x/ L_x)²+( n_y / L_y)²+( n_z / L_z)²)

где n_x, n_yи n_z- целые числа, а L_x, L_yи 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 (ResearchDepartmentEngineeringDivisionofВВС), Роберт Волкер (RobertWalker) 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 (EuropeanBroadcastingUnion, TRR22, 1998) и Международ­ным Телекоммуникационным Союзом (InternationalTelecommunicationUnionITU-RBS.1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студий­ных помещений и музыкальных комнат прослушивания.

Соотношение выглядит следующим образом:

1.1w/h<= l/h<= 4.5w/h- 4, l/h< 3, w/h< 3 где l- длина, w- ширина, 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 ссылкеhttp://www.acoustic.ua/forms/calculator7_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:

hх 1,62hх 2,62h, 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».

Громкоговорители рекомендуется размещать в любом месте вдоль диа­гональной линии, проходящей через внешние фронтальные углы комнаты и диагональные вершины прямоугольни­ков.

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.