Акустическое оформление помещения для аудиофила. Шумоизоляция.

Собираем домашнюю студию звукозаписи: подготовка помещения

Многие из нас рады потратить с трудом заработанные деньги на новые синтезаторы, наборы звуковых фрагментов, дополнительные модули и мониторы в поисках лучшего звучания.

Но в этих поисках мы часто забываем уделить внимание более обыденному, но, возможно, более важному аспекту — акустической обработке комнаты, в которой мы сводим.

Не замечали ли вы, как в процессе сведения некоторые частоты (обычно в нижних регистрах) явно завышены, в то время как другие кажутся тише? А когда вы слушаете свою идеально звучащую демозапись где-нибудь за пределами своей студии, где вы её сводили, она звучит совершенно по-другому?

Такие проблемы часто встречаются, если вы сводите в необработанной комнате. Так может оказаться, что вы, например, использовали совершенно ненужный корректор частотных характеристик, чтобы добиться, как вам казалось, приемлемого звука.

Но на самом деле, вы его только приспособили под своё помещение, и в результате дорожка может неправильно зазвучать при воспроизведении в другом месте.

Акустически правильно обработанная комната — это не роскошь, и о ней не нужно думать в последнюю очередь. Наоборот, это первое необходимое условие для создания хорошего сведения. Кроме того, правильная акустика помещения также повышает качество записи: около 90% качества записи определяется ещё до того, как звук попадёт в микрофон.

Акустическая обработка делает для улучшения качества записи и точности сведения больше, чем даже самые дорогие микрофоны, дополнительные модули или мониторы. И она не обязательно должна обойтись вам фантастической суммой, особенно если вы сами сделаете панели.

Хотя подход, который мы опишем ниже, не даст вам такого же контроля над сведением, который можно ожидать в профессионально спроектированной студии, вы удивитесь, насколько лучше будут звучать ваши сведения после применения даже самых базовых акустических обработок.

Когда вы слушаете музыку на акустической системе в любой комнате, вы на самом деле слышите смесь прямого звука от динамиков и отражений от всех твёрдых поверхностей в комнате, включая стены, потолок, столы и т. д.

В реальном мире мы не сводим музыку в безэховых камерах. Более того, нам бы вряд ли это понравилось: люди, которые пытались сводить в «мёртвых» студиях, говорят, что это очень угнетает.

Кроме того, на выходе получится сведение, которое будет правильно транслироваться только горстке слушателей со всего мира, имеющих доступ к своей собственной безэховой камере.

Типовая профессиональная студия также не полностью поглощает отражения. Но эти отражения нужно держать под контролем, чтобы ваши мониторы и уши могли правильно выполнять свою работу.

На средних и высоких частотах чрезмерное отражение в помещении ухудшает чёткость и стереообраз динамиков, в то время как на низких частотах отражённый звук превращается в резонансные пики, которые могут усилить и выделить одни басовые ноты от других.

Комната с ковровым покрытием и мягкой мебелью всегда будет звучать чище, чем комната с твёрдым полом. Но тут важно отметить, что ковровое покрытие на стенах не лучшая идея для акустической обработки комнаты.

В идеальной студии отражения обрабатываются таким образом, что все частоты затухают с одинаковой скоростью (время затухания реверберации около 0,3–0,5 секунды). Проблема с ковром состоит в том, что он слишком тонкий, чтобы эффективно поглощать что-либо, кроме верхних частот. В результате получается ещё худший спектральный баланс, а звук становится тусклым.

В том месте, где звук отражается от твёрдой поверхности, возникают конструктивная и деструктивная интерференции, поскольку он сочетается со своей отражённой копией. В случае с низкими частотами волны «останавливаются» в фиксированных положениях благодаря геометрии комнаты.

Стоячие волны очень нежелательны в студии, так как они могут вызвать большие подъёмы и провалы в частотной характеристике, особенно в нижнем регистре. Это может серьёзно помешать работе при сведении.

Длина волны

Звук движется со скоростью примерно 340 метров в секунду. Если бы мы могли видеть звук в виде синусоидальных волн (чистых тонов одной частоты), вы бы увидели, как волна частотой 1 кГц повторяется каждые 0,34 метра.

С другой стороны, басовый тон частотой 50 Гц повторяется каждые 6,8 метра. Это расстояние между циклами и называется длина волны.

Как показывает этот пример, высокие частоты имеют короткие длины волн, тогда как низкие частоты достигают длины в несколько метров. Базовые знания о перемещении звука в пространстве полезны для понимания различных подходов к звукоизоляции и объясняют, почему некоторые подходы с большей вероятностью будут работать там, где другие терпят неудачу.

Для грамотного оформления акустического пространства комнаты у нас имеется два основных инструмента: рассеиватели и поглотители, — каждый для решения разных акустических проблем.

Рассеиватели

рассеивают звуковую энергию по широкому углу вместо её прямого отражения. Волны, попадающие на них, отражаются в случайном направлении, хотя в противном случае могли бы запутать стереоизображение и вызвать многократное эхо.

Поглотители

поглощают звуковую энергию, уменьшая отражения и реверберацию в помещении. Они используются для уменьшения времени реверберации комнаты на разных частотах.

Рассеиватели

Простейший рассеиватель — это неровная твёрдая поверхность, часто изготовленная из формованного пластика или деревянных блоков разных размеров, прикреплённых к плоской панели.

Разбивая прямые отражения и рассеивая их, рассеиватели помогают создавать более ровный музыкальный звук без значительного сокращения времени реверберации в комнате. Это объясняет, почему рассеяние часто используется для улучшения звука в больших комнатах, а также в контрольных комнатах.

Большие коммерческие рассеиватели, как правило, содержат ряд прямоугольных деревянных брусьев различной длины, где их размеры и расстояние индивидуально рассчитываются для обеспечения оптимального рассеяния.

Однако и какая-нибудь полка, заполненная случайно расположенными предметами, например, книгами и виниловыми пластинками, так же хорошо рассеивает звук на средних и высоких частотах.

Для дешёвой и более практичной альтернативы вы можете прикрепить деревянные брусья разных размеров к какой-нибудь подложке. Для правильной работы рассеивателей высота этих брусьев должна составлять минимум четверть длины волны от рассеиваемого звука.

Самодельный рассеиватель

На практике это означает, что для достижения реального эффекта на средних и высоких частотах высота брусьев должна быть 100 мм или более. Такая длина наиболее эффективна при частоте приблизительно 1 кГц и выше.

Рассеиватели часто используются в больших помещениях или на задних стенках комнат среднего размера. В подавляющем большинстве студий они используются вместе с поглотителями. Рассеиватели, как правило, менее эффективны в очень маленьких помещениях, так как им просто не хватает места для полноценного рассеяния.

Совет: Одно время считалось, что размещение коробок от яиц на стенах студии улучшит звукоизоляцию и обеспечит полноценное рассеяние. На самом деле коробки для яиц слишком лёгкие, чтобы как-нибудь помочь звукоизоляции, а их профиль слишком мал, его достаточно только для рассеивания очень высоких частот. Так что выбросьте эти коробки из своей студии (и этот миф из своей головы) — в настоящее время доступны гораздо лучшие решения.

Поглотители

Поглотители представляют собой панели из пористых материалов, таких как минеральная вата, стекловолокно или пенопласт с открытыми порами, которые заглушают отражения звука.

Они всё ещё позволяют звуковым волнам проходить через них и возвращаться назад, но в процессе трения часть звуковой энергии преобразуется в тепло, а следовательно, отражается меньше звука, чем поступает.

Поглотители

Размер поглотителей имеет значение. Чтобы пористый поглотитель работал эффективно, он должен иметь толщину, равную четверти длины волны поглощаемого звука.

Это означает, что при частоте 1 кГц, где длина волны составляет приблизительно 340 мм, материал должен иметь толщину 85 мм. Пористая панель такой толщины очень эффективно поглощает частоты 1 кГц и выше, но при этом она может хорошо работать и для более низкой части звукового спектра.

Причина этого заключается в том, что не все звуки поступают под прямым углом к настенным поглотителям. Чем больше угол наклона, тем большая толщина материала, через который проходит звуковая волна. Как результат, в реальных условиях для более низких частот пористые поглотители эффективнее, чем можно предположить по их толщине.

Совет: увеличение расстояния между стеной и поглотителем улучшает его способность поглощать более низкие частоты. Поглощающая панель толщиной 50 мм, расположенная на расстоянии 50 мм от стены, почти так же эффективна, как панель толщиной 100 мм, прикреплённая непосредственно к стене. Используйте обрезки материала, чтобы воссоздать эти промежутки, и приклейте их к задней части основной поглощающей панели. Так вам дешевле обойдутся более толстые панели.

Самодельные поглотители

Вы можете сделать свои собственные средне/высокочастотные поглотители, поместив 30–50-миллиметровые листы из минеральной ваты в деревянные рамы глубиной 100 мм. При этом поглощающий материал должен находиться на одном уровне с передней частью рамы, чтобы оставить воздушное пространство, о котором упоминалось выше.

Такие панели будут примерно так же эффективны, как эквивалентная толщина акустической пены, и намного дешевле. Покройте всё это пористой тканью, такой как хлопок или полиэстер, скрепите её на задней части рамы и повесьте на стену, как картину.

Обязательно при работе с минеральной ватой или стекловолокном надевайте перчатки и респиратор, так как эти материалы могут вызвать раздражение кожи и лёгких. Всегда накрывайте самодельные ловушки тканью, чтобы не допустить попадания волокон в воздух.

Поглотители

Вам не нужно покрывать всю поверхность комнаты звукопоглощающими панелями: это приводит к тёмному и глухому звуку (помните, что высокие частоты поглощаются легче, чем низкие, поэтому, добавив слишком много поглотителей в студию, её общая реверберация станет более басовой). Вместо этого стремитесь к охвату около 20 процентов комнаты.

Но какие конкретно 20 процентов закрывать? Решая, где разместить поглотители, вы должны всегда помнить об одной простой истине: уменьшать влияние отражений в помещении нужно в том месте, где вы непосредственно занимаетесь сведением.

К счастью, существует проверенный метод, помогающий решить, куда конкретно следует повесить поглотители. Попросите друга походить вдоль комнаты, держа зеркало, прислонённое к стене, пока вы сидите в своём обычном положении во время сведения. Там, где вы увидите отражение одного из ваших мониторов в зеркале, вам нужно разместить поглотитель, чтобы отражение не возвращалось прямо на вас.

В большинстве прямоугольных комнат эти зеркальные точки находятся на боковых стенках между позицией сведения и громкоговорителями, а также за и между ними. На потолке также будет несколько таких точек. Об отражении от пола сильно беспокоиться не стоит — мы настолько привыкли их слышать, что наши уши их уже не воспринимают.

В местах отражений от задней стены также могут помочь поглотители. Но скорее всего для решения этой проблемы будет достаточно «натуральных» комнатных рассеивателей: диван с полками над ним, на которых лежат книги или виниловые пластинки.

Самодельные комбинированные поглотители-рассеиватели

Как альтернативный вариант для задней стены можно соорудить собственный комбинированный поглотитель-рассеиватель. Сначала соберите большой поглотитель средних/высоких частот из минеральной ваты, описанный ранее, а затем установите вертикальный забор из досок поверх с зазором по 20 мм между брусьями. Изогнутые деревянные брусья обеспечивают некоторое высокочастотное рассеяние, особенно в горизонтальной плоскости, в то время как минеральная вата поглощает часть энергии средних и высоких частот.

Основные принципы размещения акустических систем в комнате прослушивания

 

Вы можете приобрести самую дорогую в мире систему, но если вы расположите её в небольшой кубической комнате — стоимость уже не будет иметь значения. Определение правильного места для ваших акустических систем — единственный наиболее важный фактор в получении хорошего звука в вашей комнате. Очень точное расположение акустических систем может открыть перед вами новое звуковое измерение. Любые акустические системы не существуют сами по себе. Они суть неизбежный компромисс с комнатой прослушивания. Не бывает просто хороших акустических систем — бывают подходящие. При большом желании и небольшом везении ваша комната может стать для вас счастливейшим местом. Будем исходить из того, что вся мебель и обстановка в комнате существовала до приобретения акустических систем или аппаратуры, которые должны интегрироваться в вашу комнату, не нарушая сложившуюся в ней динамику. Цель хорошей комнаты прослушивания: минимизировать окраску, которая является самой сильной в басовом регионе между 20 и 200 Гц. В более высоких частотах комната так же имеет влияние, но резонансы являются намного менее проблематичными, так как намного легче добиться поглощения высокочастотных резонансов. Любая комната будет резонировать на многих частотах.

Точность и высота резонансного пика зависят от поглощающих свойств комнаты. Комната с большим количеством мягкой мебели, с коврами на полу и драпировками будет акустически относительно «мёртвой». Пики и провалы в частотном отклике в таких помещениях имеют неравномерность 5–10 дБ. Комната с голыми стенами и полом будет очень «живой», и пики и провалы изменяются на 10–20 дБ или больше. Общее правило таково: в акустически хорошей и правильной комнате можно располагать акустические системы достаточно близко к отражающим поверхностям с минимальными отрицательными последствиями. В акустически плохих комнатах главная стратегия состоит в том, чтобы разместить акустические системы максимально далеко от границ комнаты и самого слушателя насколько это возможно.

Если мы чувствуем ряд глубоких провалов или пиков в частоте, значит, это результат отражений. Сокращение уровня отражений выравнивает фактическую кривую частотного отклика. Самое важное — минимизировать ранние отражения (менее 20 мс) в максимально возможной степени. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Как улучшить акустику комнаты, чтобы эта кривая пригладилась? Это может быть сделано с помощью поглощающих материалов, закрывающих твёрдые поверхности около акустических систем. Лучшая, наиболее полезная среда для прослушивания — полное совмещение принципов «живой» и «мёртвой» акустики комнаты. Я лично предпочитаю слегка заглушённую комнату в отличие от живой, звонкой. Как это можно определить без специальных приборов? Хлопните в ладоши. Покажется вам, что затухание звука естественно, или слишком долго гаснет (звонкая комната), или наоборот слишком быстро затухает (глухая комната)? Лучшее решение состоит в том, чтобы обеспечить комнату разумным балансом рассеяния и поглощения. Комната с голыми стенами будет иметь сильное эхо, которое ухудшает ясность. Картины на стенах, книжные полки, драпировка, напольные покрытия обеспечат звуковое поглощение и рассеют вредные отражения. Неприкрытые окна, голые полы и стены не желательны.

Акустические системы должны располагаться в акустически мёртвой зоне, занимающей примерно 1/3 пространства комнаты. Затем идёт очень живая зона комнаты, в которой должны находиться предметы, рассеивающие, но не поглощающие звук. Чем ближе поглощающая поверхность (ковёр) к акустическим системам, тем лучше. Различные типы ковров и сама подкладка (основа) ковра больше всего влияют на верхнюю середину и высокие частоты. Чем толще и больше ковёр, или ковровое покрытие, тем больше они будут «впитывать» эти частоты. Ковры и шторы уменьшают реверберации в комнате, и, как следствие, передачу звуковой энергии стенам. Ковровые покрытия почти не влияют на низкие частоты, но средние частоты могут переглушить. Я предпочитаю не толстый ковёр от стены к стене. Это разумно хотя бы потому, что основная масса производителей акустических систем решающие прослушивания своих изделий проводят в комнатах с полностью заглушённым полом.

Многие специалисты считают, что основа ковра/покрытия должна быть из естественных волокон, а не из резины или вспененного каучука, так как они поглощают частоты выборочно — одни частоты значительно приглушаются, а другие не приглушаются совсем. Самое важное — минимизировать ранние отражения. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Все проектировщики студий звукозаписи стараются уменьшить именно ранние отражения в максимально возможной степени. Как расположить акустические системы в комнате надлежащим образом? Вы должны преследовать 2 основные цели: плоская частотная характеристика и хороший трёхмерный образ. Даже при том, что у вас хорошие акустические системы, влияние комнаты очень важный фактор. Во многих случаях важнее обратить внимание на акустику комнаты, чем потратить в 2 раза больше денег на новые акустические системы.

Симметрия

Окружающая среда сзади и по бокам акустических систем должна быть симметрична. В меньшей степени важна окружающая среда непосредственно рядом со слушателем. Относительно симметрии передних и задних стен имеется много сторонников различных мер. Большинство (но не все) соглашаются, что стена позади слушателя должна быть с хорошими отражающими свойствами.

Профессионалы считают, что вся область вокруг акустических систем должна быть заглушена, чтобы максимально уменьшить отражения. Ещё один момент: желательно заглушить боковые стены лишь непосредственно перед акустическими системами, чтобы минимизировать близкие отражения боковой стены. Для лучшего воспроизведения трёхмерной звуковой картинки комната должна иметь хорошую симметрию между и вокруг акустических систем. Это означает, что если акустические системы расставлены не симметрично, ранние отражения от задней стены у первой акустической системы будут отличаться от отражений второй, и критические части стереосигнала будут повреждены. Обязательно, чтобы расстояние от вас до обеих акустических систем было максимально идентичным. В хороших системах отклонение в несколько сантиметров будет отчётливо слышно. Обычно считается, что акустические системы и слушатель должны образовывать равносторонний треугольник, но это не абсолютное правило. Некоторые производители дают свои рекомендации по расстановке своих акустических систем. Помните, что любая рекомендация — только старт, начало для эксперимента; поэкспериментировав как следует, вы добьётесь желаемых результатов.

Направленный звук от акустических систем прежде всего ответственен за образность звуковой картинки, в то время как отражённый звук больше всего влияет на изменение тонального баланса акустических систем — в смысле плотности звука, или его истощения и т. д. Любая отражающая поверхность — стена, пол, мебель — создаёт отражения. Исходя из этого и надо располагать акустические системы. Самое важное — максимально уменьшить естественные отражения. Ранние отражения достигают слушателя почти одновременно с прямым звуком, деградируя сигнал. Например, акустические системы с широкими передними панелями (планары и др.) менее критичны к близлежащим боковым стенам и поверхностям, но очень критичны к близости к задней стене. В общем, чем дальше от отражающих поверхностей и чем дальше от задних стен — тем больше будет глубина звуковой сцены и будет больше «воздуха».

Расположение слушателя

Слушатель должен сидеть точно посередине между акустическими системами, расстояние до слушателя чуть больше, чем расстояние между акустическими системами. Если вы не соблюдёте это правило, вы никогда не услышите хорошей звуковой картинки. В комнате с пропорциональными размерами лучшее расположение слушателя — 30–90 см от задней стены. Если вы сидите прямо у стены, вы должны немного заглушить место на стене непосредственно позади вашей головы. Ваш мозг не сможет обработать эти отражения, но поверьте мне, в данном случае они могут сильно повлиять на звук.

Помните одну вещь — близость головы к тыловой стене имеет два положительных эффекта. Во-первых, вблизи стен самое высокое звуковое давление, а скорость звуковых волн самая минимальная. Расположение в зоне максимального давления даёт лучшее восприятие глубокого баса. Во-вторых, отражённые звуковые волны короче, чем окружность головы, так что мозг не может измерить задержку времени между ушами. Когда мозг не может определить отражения — он игнорирует их.

Это простой пример того, как мозг игнорирует нежелательную или несущественную информацию и подтверждение эффекта Хааса: если информация от акустических систем придёт первой, то любые искажения и отражения (даже неприятные) придут позже и на значительно меньшей громкости — и наш мозг проигнорирует их.

Часто слушатель сидит слишком далеко от акустических систем. Чем дальше вы сидите, тем больше свободное пространство комнаты воздействует на звук, особенно это относится к средним и высоким частотам, но близко — тоже плохо — звук не успеет оформиться в картинку. Большое значение имеет высота акустических систем. Лучше всего, когда высокочастотный динамик расположен чуть выше уха (но не всегда) — экспериментируйте, выше или ниже сидеть. Развал-схождение — этим методом достигается сосредоточение звукового образа и регулировка тонального баланса, а также оптимизация средних и высоких частот с помощью регулировки их направленности. Легче всего это делать вдвоём. Сначала направьте акустические системы так, чтобы они смотрели на точку немного позади головы слушателя, сохраняя одинаковое расстояние от уха до высокочастотного динамика каждой акустической системы. Поставьте музыку с вокалом или скрипкой. Один человек должен наблюдать за фокусом. Другой должен вращать акустическую систему вокруг внутреннего переднего шипа. Слушатель должен обнаружить, какое расположение акустической системы наилучшее. Когда это сделано, установите вторую акустическую систему идентично первой. Одни акустические системы работают лучше завернутыми внутрь, другие иначе, но лучше всего небольшой поворот внутрь или вообще не трогать. Следуйте рекомендациям изготовителя.

Самое главное — правильно заполнить центральные образы без принесения в жертву ширины звуковой сцены. Наклон акустических систем также важный фактор — вперёд-назад, внутрь и т. д. — тоже влияет на звук. Многие производители делают отрицательный наклон передних панелей своих акустических систем для достижения должной образности и когерентности звучания динамиков.

Высота прослушивания

В двухполосных акустических системах ваши уши должны находиться на условной линии между высокочастотным и низкочастотным динамиком, в трёхполосных — на линии между высокочастотным и среднечастотным динамиком. Имейте в виду, что лучшее местоположение для создания просторной звуковой сцены не может быть идеальным местоположением для баса. Мы должны найти такой компромисс, при котором эти характеристики максимальны в нашем представлении. На личный вкус можно иногда пожертвовать одним ради другого. Развязка от пола — самый важный момент при установке акустических систем. Только после решения этого вопроса вы сможете услышать ваши акустические системы такими, какие они есть на самом деле. Акустические системы больше всего подвержены резонансам, поэтому больше всего нуждаются в жёсткой фиксации. Самое главное, что даёт жёсткая установка колонок, — это чёткая фокусировка, ясность, детальность, слитность, хорошо артикулированный бас. Звук станет плотнее и чётче, особенно на большой громкости. Чем дороже ваша система, тем больше требований к установке акустических систем. Слишком низкое расположение колонок сужает динамический диапазон. Улучшение акустических характеристик вашей комнаты может полностью изменить ваше мнение относительно качества вашей системы. Какие характеристики комнаты влияют на звучание. Весь звук в границах вашей комнаты будет зависеть от комбинации трёх акустических характеристик: отражения, рассеивание, поглощение. Хорошая комната прослушивания будет иметь пропорциональное количество этих характеристик. Чем меньше расстояние между стенами, где расположены акустические системы и слушатель, тем более звонкое звучание; чем больше расстояние между этими стенами, тем глубже бас. Отражения: вся или большинство звуковой энергии состоит из отражений, происходящих в комнате по правилу: угол падения равен углу отражения. Твёрдые плоские и гладкие поверхности (голые стены, стекло, голые твёрдые поверхности мебели) отражают звуковую энергию.

Рассеивание

Все или большинство звуковых волн, отражённых обратно в комнату, находятся там уже в беспорядочном состоянии — беспорядочно рассеянная звуковая масса. Твёрдые, неплоские, шероховатые, ребристые поверхности, предметы цилиндрической и округлой формы рассеивают звук. Поглощение в противоположность отражениям: большинство звуковой энергии впитывается. Мягкие пористые поверхности (ковры, половые покрытия, мягкая мебель, драпировки из толстой ткани и т. д.) поглощают.

Качество низких частот в вашей комнате в большей степени зависит от самой комнаты. Поскольку длина волны басовых частот очень большая, большая часть обстановки, оформление стен и пола делают очень немного для изменения басовых частот в комбинации комната/акустические системы. Поэтому оптимизация низких частот является вопросом выбора комнаты прослушивания с оптимальными размерами (соотношениями) и расположения в этой комнате акустических систем. Низкочастотная энергия распространяется сферически во всех направлениях одинаково. Когда низкочастотная звуковая волна ударяется о преграду (стену), басовая энергия — большей частью — отражается обратно в комнату, отражаясь от каждой преграды: пол, стены, потолок. Низкочастотный динамик должен находиться на неравном расстоянии от трёх ближайших боковых плоскостей комнаты. Всё это существенно, так как ближайшая к акустической системе отражающая плоскость усиливает некоторые басовые частоты.

Если отражающие плоскости находятся от акустической системы на равном расстоянии, некоторые басовые частоты будут усилены очень сильно. То есть если ваша акустическая система стоит на одинаковом расстоянии от задней стены, боковой стены и стенки шкафа или комода, то вы получите тройное усиление каких-то одних групп басовых частот, что приведёт к очень слышимому гулу на этих частотах. Если двери находятся в углах комнаты, бас может просто напросто «вытекать» через них. При серьёзном прослушивании надо двери закрывать. Дело обстоит не так для средних и высоких частот, где энергия направлена более сосредоточенным и управляемым образом, конусообразно, по рупорному принципу. Низкочастотные отражения, резонансы можно достаточно просто регулировать, манипулируя расстановкой акустических систем, варьируя расстояниями от колонки до ближайшей стены.

Чем сильнее будут отличаться друг от друга все три эти параметра (расстояния), тем меньше будет «унисон», соответственно меньше будут нежелательные резонансы. Стоячие волны — это низкочастотные отражения (резонансы) между двумя параллельными стенами, главные враги хорошего звука. Они окрашивают звучание в вашей комнате, подчеркивая некоторые музыкальные ноты, и создают грубое и неестественное распределение акустической энергии в пределах комнаты. Распространение стоячих волн — свойство физических характеристик комнаты и не имеет никакого отношения к аппаратуре. В прямоугольных комнатах стоячие волны возникают во всех трёх направлениях одновременно, оказывая очень сложно распределённое давление в пределах комнаты. Стоячие волны — причины заметных окрашиваний выше приблизительно 300 Гц. Однако изолированные или случайные стоячие волны могут быть заметны и ниже этой частоты. Стоячие волны являются по существу осколками каких-либо частот, сбившихся в кучу в каких-либо местах комнаты. Равномерно распределённые окрашивания почти не проблематичны по сравнению со стоячими волнами. Понимание того, что такое стоячие волны и как они работают, будет полезно для лучшей оптимизации вашей комнаты и ваших акустических систем.

Определение осевой постоянной стоячей волны между двумя параллельными стенами может быть легко рассчитано следующим уравнением: (1) Fo = 1130 / 2L или (2) Fo = 565 / L (где константа 1130 — скорость света в футах в секунду, L — расстояние между стенами в футах). Пример: вычисление фундаментальных стоячих волн в трёх основных направлениях для комнаты размером 4,8 (ш) × 7,8 (д) × 2,4 (в): между коротких стен Fo w = 565/16 = 35 Гц, между длинных стен Fo l = 565/26 = 22 Гц, между полом и потолком Fo h = 565/8 = 70 Гц.

Обратите внимание, что в этом примере высота стены в 2 раза меньше длины короткой стены Foh = 2Fow = 70 Гц. Эта комната имела бы значительную окраску на 70 Гц, 140 Гц, 210 Гц и далее кратно 70. Худшее возможное тональное распределение происходит, когда измерения комнаты равны во всех трёх направлениях, то есть когда комната — идеальный куб. В такой комнате гармоники всех резонансных частот будут равны между собой, а резонансы низких частот будут чрезвычайно грубы и окрашены. Наилучшее возможное тональное распределение будет в комнате, размеры которой не связаны одним целым (кратным) числом. L24·W24·H8 — плохой пример — все размеры кратные 8; L26·W15·H8 — хороший пример. Самое гладкое басовое расширение будет получено, если частоты отражённой энергии будут распределяться равномерно и не будут смешиваться в кучу.

Определение баса в комнате. Число 550 — половина скорости звука в секунду над уровнем моря. Деля это число на какую-либо басовую частоту, скажем 20 Гц, мы получим наименьшее расстояние между стенами, при котором эта частота будет поддержана комнатой. Если разделить это число на басовую частоту 20 герц, мы получим 27,5 футов (≈8,4 м) — такое минимальное расстояние должно быть между стенами вашей комнаты для того, чтобы поддержать эту частоту. Если расстояние между противоположными стенами, где расположены слушатель и акустические системы, составляет 12,8 фута (≈3,9 м), значит 550/12,8 = 43 Гц — нормально для британской акустической системы среднего размера, но позорно для типа Infinity Bass Tower.

Предположим, вы хотите иметь бас ниже 35 Гц — 550/35 = 15,7 футов (≈4,8 м) — минимальное расстояние между стен, чтобы поддержать частоту 35 Гц. Но это число — 15,7 — почти двойная высота стандартной комнаты — и это плохие вести. Комната будет иметь одни и те же стоячие волны в двух направлениях. Но не расстраивайтесь, маловероятно, чтобы эти размеры были строго кратны двум. Звуковая сцена и звуковая картинка зависят от расположения акустических систем, их ориентации и акустики комнаты. Оптимизация расположения акустических систем — трудная задача. Поскольку расположение акустических систем одинаково важно и для звуковой сцены, и для хорошего воспроизведения баса, вы должны найти между этими характеристиками компромисс — намного лучше немного пожертвовать басом для получения хороших сцены и образа. Глубина сцены лучше всего, когда акустические системы расположены на некоторой дистанции от фронтальной стены — это понизит эффект от ранних её отражений, улучшит сфокусированность образов, позволит колонкам «дышать». В системах высшего разрешения, точно расположенных в акустическом пространстве, звуковая сцена может простираться далеко за пределы комнаты прослушивания: тыл сцены не упирается в заднюю стену, а естественным образом простирается вглубь. Ширина сцены на окончательную ширину будет воздействовать расстояние между акустическими системами и развал-схождение колонок. Но помните, что на большинстве записей эта звуковая характеристика плохо записана.

Определение расстояния между акустическими системами

Поставьте запись с хорошей фокусировкой центрального образа — например, вокал. Расположите акустические системы примерно на 1,8–2 метра друг от друга и чтобы они были направлены в точку немного позади вашей головы. Слушайте, достаточно ли звук сфокусирован. Раздвиньте акустические системы дальше — сантиметров на 30 — и слушайте снова и т. д. Когда центр начнёт тончать и расплываться и становиться разбросанным, знайте, что дальше раздвигать акустические системы нельзя. Вы теперь знаете, насколько широко можно расставить акустические системы, не потеряв звуковую сцену и плотность центрального образа (фокус). Фокус в значительной степени, но не полностью, связан с передачей акустическими системами высоких частот. Наше ухо использует их для очертания предмета. Поэкспериментируйте с развал-схождением.

Высокие частоты распространяются очень направленно. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ещё и в том, что уменьшаются побочные отражения от близлежащих поверхностей, минимизируя эхо отражённых частот, которые влияют на звуковую картинку.

Регулировка баланса

Если баланс системы отрегулирован так, что звук распространяется неровно по всему фронту и плохо сфокусирован, значит причина может быть в том, что одна акустическая система ближе к вам, чем другая. Например, если ведущий вокал, который должен звучать по центру, приходит к вам справа, правый громкоговоритель должен быть отодвинут назад или левый выдвинут вперёд. Обычно даже 2–3 сантиметра разницы в расстоянии до вас уже отчётливо слышны.

Перемещения акустических систем

Все боковые перемещения акустических систем влияют больше на средние басы, а перемещение «вперёд-назад» влияют больше на глубину баса.

Плотность звукового образа — одна из необычных и музыкально очень красивых характеристик — способность сконцентрировать не только энергию высоких частот, но также богатство музыкальной энергии, сосредоточенной в средних частотах и верхнем басу. Из-за широкой характеристики рассеивания этих частот плотность образа в этой части не зависит от того, какие края у акустических систем — острые или скруглённые. Узкий корпус с сильно скруглёнными краями позволяет снизить отражения от передней панели, но появляются проблемы возникновения внутри ящика стоячих волн. Узкий корпус способствует хорошему воспроизведению средних частот, так как чем уже корпус, тем более звучание становится всенаправленным. Если акустические системы с широкой диаграммой направленности (узкий корпус) расположить в звонкой комнате, то тембр её звучания будет сильно искажён. Узкий корпус и небольшие динамики приводят к нехватке телесности и образности. Такие акустические системы надо размещать подальше от отражающих поверхностей. Счастливый побочный эффект от узкой направленности высоких частот — уменьшаются побочные отражения от близких поверхностей, минимизируя первичные отражения, которые влияют на звуковую картинку.

Широкие передние панели и неглубокие корпуса — залог наиболее правильных характеристик направленности и сбалансированности низкочастотного диапазона в условиях реального помещения прослушивания.

По Питеру Квортрупу

Если акустические системы имеют узкую направленность (широкий корпус), а акустика комнаты глуховата — вы услышите собственно звучание акустических систем.

Исследования фирмы Bryston по акустическому оформлению и расположению акустических систем

Резонансные характеристики комнаты зависят от её конфигурации (пропорций) и оформления. Квадратная комната с голыми стенами имела бы самую плохую возможную акустику для аудиосистемы. В квадратных комнатах возникают стоячие волны сразу в трёх направлениях, они ослабляют и изменяют одни частоты и укрепляют другие, усиливая резонансные пики в очень узком диапазоне. Эти пики очень сильно изменяют звук. Голые стены имеют проблемы с ранними отражениями (высокая добротность) — они не дают звуку раскрыться, делая его звонким, сужая динамический диапазон и сильно влияя на тональный баланс. В концертном зале мы имеем три основных эффекта, влияющие на то, какую информацию получит наш мозг относительно акустических качеств этой окружающей среды:

1. Первая звуковая прямая волна, прибывающая к нам от инструментов.
2. Вторая звуковая волна, отражённая от ближайших стен.
3. Отражённая энергия, которая является случайными призвуками от всех находящихся внутри предметов и не имеет никакого направления.

Прямой звук сообщает мозгу, откуда доносится звук. Ранние отражения, если они доходят до нас в пределах 10–20 миллисекунд, будут искажать звуковую картинку, тональность и т. д. Поздние отражения, наоборот, будут добавлять ощущение просторности, пространственности, воздушности окружающей среды. В хорошем концертном зале прямой звук доходит до слушателя на 20–30 мс раньше, чем первичные отражения. А вторичные отражения приходят позже на целых 100 мс. Очевидно, что в своей комнате прослушивания мы должны стремиться получить подобные результаты.

Надо заметить, что поп- и рок-музыка обычно записывается в акустически мёртвой среде студии в «ближнем поле», которое имеет тенденцию предотвращать первичные отражения и высокую звонкость (поэтому, наверное, студийные мониторы часто звучат в комнатах звонко и резко, так как в студиях они прослушиваются в ближнем поле и в очень заглушённой среде, где эта звонкость и резкость не проявляются, но все детали записи слышны отчётливо).

Так вот, если ваша акустика комнаты будет близка к концертному залу, рок-музыка будет звучать превосходно. Как же достичь подобных результатов в обычной комнате 12×18×9 футов (почти стандартная российская комната, надо сказать)? Вы должны разместить ваши акустические системы так, чтобы сначала прямой звук достиг ваших ушей, используя при этом поглотители в местах первых отражений от боковых стен. А вот позади вас должно быть больше пространства для создания большего звукового поля. Сядьте в кресло. Попросите кого-либо подвигать зеркало вдоль боковой стены. Когда вы увидите отражение акустической системы в зеркале — это первая точка, откуда последуют ранние отражения. Звук отражается, как и свет, — угол падения… В этом месте и надо разместить поглотитель. Сядьте на расстоянии 20–30 см от задней стены. Не помещайте никаких поглощающих материалов позади головы. Там могут быть только рассеивающие звук материалы, распределяя случайную ненаправленную звуковую энергию, которая добавляет ощущение простора в комнате, потому что эта случайная энергия (поздние отражения) прибывает намного позже, чем прямой звук. Помещайте в углы комнаты поглощающие материалы.

Другие меры — мягкие кресла, цветы, статуи и т. д. Они также будут рассеивать или поглощать вторичные отражения. Очевидно, что эти предметы не будут так же эффективны, как специальные изделия, но это — шаг в правильном направлении. Главная цель, которую вы должны запомнить: ранние отражения и недостаток поздних случайных отражений мозг использует, чтобы определить тот факт, что вы находитесь в маленьком помещении. Поэтому, сокращая эффект ранних отражений, сокращая эффект от воздействия стоячих волн и звонкости, вам будет всё больше казаться, что вы находитесь в зале вместе с исполнителями.

Рекомендации фирмы Audio Physics

Эта информация основана на научном исследовании и наблюдениях, а также на опыте некоторых наиболее успешных продавцов. Решения, представленные здесь, нацелены на ограничение вмешательства вашей комнаты в звук. Мы поможем разместить ваши акустические системы через применение психоакустики и физики. Этот метод может давать превосходные результаты через экспериментирование без использования специальной обработки комнаты. Каким образом мы располагаем звуковые события в пространстве? Наш мозг определяет задержку времени возникновения звука между двумя нашими ушами. Если не имеется никакой задержки, значит звук исходит из точки, расположенной непосредственно перед нами. Если звуковая волна достигает сначала правого уха, значит звук находится справа и т. д. Эта пространственная информация — звуковые переходные процессы — мгновенно определяется мозгом. Определяя задержку между правым и левым ухом, наш мозг с необыкновенной точностью определяет, насколько правее или левее, или насколько ближе или дальше находится от нас источник звука. Именно по задержке звука между нашими ушами мозг определяет важнейшую звуковую характеристику — тональность. Это недавно было доказано в научных исследованиях и, как полагают, является критической частью нашего исторического выживания. Иначе говоря, мы сначала определяем источник звука (например, потенциальная опасность), а затем пробуем идентифицировать то, что явилось источником звука.

Первый шаг к получению хорошей стереозвуковой сцены — вы должны устранить ранние отражения от основных переходных процессов в максимально возможной степени. Или, практически, вы должны добиться, чтобы звук от громкоговорителей достигал ваших ушей раньше, чем любые отражения от этого звука. Согласно психоакустическому явлению, названному эффектом Хааса, мозг отдаёт приоритет первой звуковой волне, не искажённой отражениями.

Определение наилучшего расположения акустических систем с учётом размеров комнаты

Этот метод фирма Audio Physic назвала картографией комнаты. Принцип этой техники основан на волновом явлении (феномене). Точно измерьте комнату и нарисуйте её план. Разделите комнату на равные части. Два способа — чётное и нечётное количество зон. При разделении плана комнаты на чётное количество зон, размещая акустические системы и/или свой стул даже не в точку пересечения, а в одну из разделённых частей, вы получите естественное укрепление баса от взаимодействия с комнатой. В точках пересечения басовые частоты будут усилены. Метод настройки баса и средних басов предполагает похожий принцип — уменьшение, а не усиление низких частот. Это происходит в случае разделения комнаты на нечётное количество зон. Чтобы сделать это, вы перемещаете акустические системы в нечётные части плана комнаты. Важно помнить, что комната может быть разделена на гораздо большее количество частей, чем 3 или 4. В чётных разделах бас укрепляется, в нечётных — ослабляется. Другой пример (фирма Bryston): если вы размещаете акустические системы с превосходной характеристикой частотного отклика в углы комнаты, вы получаете подъём частоты на басах около -6 дБ. Этот подъём — явная аномалия, но то же самое происходит в других местах комнаты, только в меньшей степени. Мы произвели исследования и обнаружили, что увеличение или уменьшение происходит в определённых узлах (точках) комнаты. В нечётных узлах возбуждение имеет минимальное значение, и наоборот. Например, ваша комната имеет размер 14×18 футов (≈4,3×5,5 м). Возьмите любой размер — длину или ширину — и разделите на нечётное количество частей, скажем 18 делим на 3,5,7… — вы получите значения = 6, 3,6, 2,57 фута (≈1,83 м, 1,1 м, 0,78 м) — три возможных положения (позиции) при размещении у длинной стены. Делим 14 на три части — получаем значения = 4,67, 2,8, 2,0 фута (≈1,42 м, 0,85 м, 0,61 м) — возможные местоположения у короткой стены. Теперь разместите акустические системы в точке пятого значения в длину и седьмого в ширину комнаты. Пятое значение длины у нас = 3,6 фута, седьмое значение ширины = 2 фута. Акустические системы надо разместить в точке пересечения, там возбуждения низких частот будут минимальны. Помните: надо проверить все варианты для получения оптимальных результатов. Важная деталь — точка пересечения должна проходить не через переднюю или заднюю панель акустической системы, а через магнит низкочастотного динамика. Если это правило соблюдается, вы ощутите явный результат. Экспериментирование — ключ к успеху. В процессе этого вы обнаружите многие вещи, работающие не так, и сможете минимизировать эти недостатки. Самое важное — стоячие волны и ранние отражения — их надо минимизировать в максимально возможной степени.

Многократное эхо

Дополнительным преимуществом поглощения средних и высоких частот в зеркальных точках является то, что оно помогает ослабить так называемое многократное эхо, которое возникает, когда звук отражается между параллельными стенами или между твёрдым полом и потолком. В небольших комнатах расстояние между этим эхом настолько близко, что создаётся слышимый музыкальный тон или звонкий звук. Вы можете услышать этот эффект, если хлопнете руками, стоя между двумя зданиями или в пустой прямоугольной комнате.

Профессиональные дизайнеры студий для сокращения эха используют непараллельные стены. Но большинство из нас работает в прямоугольных помещениях, где поглотители в зеркальных точках являются лучшим вариантом для избегания многократного эха в месте прослушивания. При этом оно по-прежнему может проявляться в других местах комнаты. Рассеиватели так же помогают уменьшить этот эффект.

Обратите внимание, что многократное эхо отличается от стоячих волн: эхо в основном влияет на средние и высокие частоты, в то время как стоячие волны наиболее проблематичны на низких частотах.

Обычный поглотитель толщиной 100 мм или описанный выше самодельный обеспечивает достаточное поглощение вплоть до 250 Гц. Ниже этого значения его эффективность резко уменьшается. Для более низких частот нужен другой подход.

Приручение баса начинается с выбора модели громкоговорителей. Распространённая ошибка в домашних студиях заключается в выборе слишком мощных мониторов для комнаты. Главное правило при выборе громкоговорителей — не помещать в свою комнату низкой (басовой) энергии больше, чем она может выдержать. Если вы используете большие мониторы или систему с сабвуфером в небольшой комнате с минимальной акустической обработкой, то область низких частот, вероятно, будет очень неточной. Лучшая стратегия — выбирать громкоговорители меньшего размера с более скромным звучанием низких частот.

Если у ваших громкоговорителей слишком много басов для комнаты, проверьте все элементы управления на задней панели, можете ли вы уменьшить уровень низких частот. Если вы привыкнете к звуку вашей акустической системы, слушая профессиональные записи, и не будете пытаться корректировать частотные характеристики ниже тех, которые ваши мониторы способны воспроизводить, у вас могут получаться очень неплохие сведения даже с довольно маленькими мониторами.

К счастью, несмотря на все недостатки, те комнаты, в которых обычно работают домашние музыканты, вполне хорошо справляются с контролем энергии баса, хотя и неумышленно.

В то время как низкие частоты эффективно отражаются толстыми стенами, более тонкие гипсокартонные, из которых построено большинство современных домов, пропускают значительную часть басов через себя.

А также они вибрируют под воздействием низких частот, при этом поглощая энергию. Двери и окна тоже вибрируют, поглощая энергию, хотя чрезмерная вибрация может привести к недостаточным или сухим басам. Чем больше басовой энергии будет поглощено или выпущено из комнаты, в которой вы сводите, тем более правильным будет звучание баса в вашей студии.

Причина, по которой вообще возникают проблемы с басами в первую очередь, заключается в том, что на таких частотах, где расстояние между стенками кратно половине длины волны басовой ноты, отражённый звук отскакивает назад и добавляется к первоначальному звуку, вызывая при этом увеличение уровня этой частоты, то есть возникают, так называемые, стоячие волны.

Мы должны опасаться не просто стоячих волн. На других частотах отражённый звук может, наоборот, находиться в противофазе с прямым звуком, что приведёт к снижению его уровня. Резонансные пики, возникающие в зависимости от размеров комнаты, также называются комнатными модами (резонансами). Чем прочнее стены, тем эти моды сильнее. Существуют другие моды, вызванные непрямыми отражениями. Такие «тангенциальные» и «неосновные» моды обладают меньшим воздействием на звук, чем основные моды.

В помещениях в форме куба труднее всего работать, так как все их моды имеют одинаковую частоту и создают очень сильные пики. Что ещё хуже, в центре комнаты всегда есть мёртвая зона, где уровень басов колоссально падает. Часто в небольших домашних студиях это как раз то место, где инженер вынужден устанавливать своё место работы. К сожалению, никакое количество басовых ловушек никогда полностью не решает эту проблему. Лучше всего звучащие комнаты — те, где комнатные резонансы распределены равномерно, и обычно это довольно большие комнаты, где размеры стен не равны и не точно кратны друг другу.

Совет: Хороший способ проверить наличие проблем с басами, не прибегая к специализированному испытательному оборудованию, — запрограммировать музыкальную последовательность для воспроизведения хроматической (полутоновой) гаммы на нижних октавах и использовать простую синусоидальную волну в качестве звука. Убедитесь, что все ноты воспроизводятся с одинаковой динамикой, а затем слушайте чрезмерно громкие или тихие ноты во время воспроизведения последовательности. При уменьшении высоты тона громкость будет постепенно снижаться — это вполне нормально. Вам нужно обратить внимание на отдельные ноты, которые будут слишком громкими или слишком тихими. Если вы обнаружите одну (или несколько) такую ноту, это верный признак того, что вам нужно добавить больше басовых ловушек и/или слегка переместить мониторы.

Плоский экран (щит). Акустическое оформление

Плоский экран или щит является наиболее простым видом акустического оформления головки громкоговорителя (динамика). Чаще всего это деревянная панель квадратной или прямоугольной формы довольно больших размеров. Например, для воспроизведения без ослабления звука частотой 50 Гц (λ = 680 см) необходимо, чтобы сторона экрана была не менее 0,5λ, т.е. примерно 340 см. Однако хорошие результаты можно получить с панелью меньшего размера, сторона которой приблизительно равна четверти длины волны низшей воспроизводимой частоты, если поднять частотную характеристику по низким частотам. Вместе с тем эта частота не может быть ниже основной резонансной частоты головки, так как при этом резко уменьшается излучение звука головкой в экране (18 дБ/окт.).

Симметричность экрана относительно оси диффузора нежелательна, так как при этом в частотной характеристике громкоговорителя появится глубокий провал в результате акустического короткого замыкания на одной из частот. Значительного улучшения амплитудно-частотной характеристики можно добиться применением несимметричного экрана или асимметричным расположением динамика в экране правильной формы.

 

На рисунке выше показаны размеры стандартного плоского экрана для измерения параметров головок громкоговорителей и два способа их установки в щите. Такое оформление мало распространено ввиду громоздкости и эстетичности.

Установка экрана в углу комнаты позволяет уменьшить его размеры без ухудшения воспроизведения низких частот, так как образующие угол стены служат продолжением экрана, увеличивая его эффективные размеры. Щит подвешивают у потолка, придав ему форму треугольника или трапеции. Между верхней кромкой щита и потолком необходимо оставить широкую щель, а пространство позади щита заполнить звукопоглощающим материалом.

 

Амплитудно-частотная характеристика динамика при расположении его в прямоугольном щите: 1 — по центру, 2 — при смещении вдоль длинной стороны.

Экран рекомендуется выполнять из толстой доски, ДСП, фанеры и т. д. толщиной 10–20 мм. Предпочтительно соотношение сторон прямоугольной формы от 2:1 до 3:1. Абсолютные размеры желательно выбирать такими, при которых на нижней границе диапазона частот (резонансная частота динамика) эквивалентный диаметр экрана (диаметр круга, площадь которого равна площади экрана) D определяется по формуле:

D = 0,5λ / Q, где

D — эквивалентный диаметр экрана;

λ — длина звуковой волны на нижней границе диапазона частот;

Q — полная добротность.

При таких размерах экрана частотная характеристика получится более равномерной. Если экран сделать меньше, то следует ожидать, что будет спад на нижней частоте диапазона, рассчитываемый по формуле:

N = 20lg(D / D1), где

N — спад на резонансной частоте;

D1 — фактический диаметр экрана.

Пример. Резонансная частота динамика 85 Гц, добротность 2. Определим спад на резонансной частоте, если D1 = 0,5 м. Определяем эквивалентный диаметр экрана: D = 0,5 · (343 : 85) · 2 ≈ 1 м. При D1 = 0,5 м на нижней граничной частоте N = 20lg(1 : 0,5) = 6 дБ.

Динамик рекомендуется располагать в центре прямоугольного щита. Смещение от центра уменьшает развиваемое звуковое давление и ухудшает частотную характеристику. Для квадратного щита смещение места установки головки улучшает частотную характеристику, хотя и снижает звуковое давление.

Настоятельно рекомендуется устанавливать динамик заподлицо с панелью экрана. В случае установки динамика с внутренней стороны панели перед ним образуется цилиндрическое углубление (род короткой трубы), и столб воздуха, находящийся в нём, может резонировать на ряде частот, тем самым ухудшая частотную характеристику и качество звучания. При закрывании передней стороны экрана грилем нужно обращать внимание на то, чтобы ткань была хорошо натянута. Сзади, со стороны магнита, на динамик рекомендуется надевать «юбочку», например из бязи.

Встречаются акустические системы, в которых головка громкоговорителя вставляется в отверстие стены комнаты, т.е. стена является экраном. Такое конструктивное решение выгодно, но надо учитывать достаточную громкость в соседней комнате. Использование стены в качестве экрана даёт заметное улучшение частотной характеристики и качества звучания (особенно на низких частотах). Дополнительный мешочек сзади динамика следует делать большим (например, в виде полусферы с диаметром, равным диаметру динамика) и заполнять его ватой от нежелательных резонансов.

Щит может быть небольших размеров (размеры сторон 40–50 см), если динамик будет воспроизводить частоты выше 150–200 Гц, как, например, в случае с системой 2.1, где в роли озвучивания низких частот выступает сабвуфер.

Рассмотрим ещё один расчёт по размерам плоского экрана (щита). Нужен такой экран, который позволил бы на нижней граничной частоте воспроизводимого диапазона получить такой же уровень звукового давления, как и на верхней границе поршневого диапазона fгр.в. зоны его действия, т.е. выровнять звуковое давление на низких и средних частотах. Значение fгр.в. может быть найдено из формулы: fгр. = 1,4 · с / (π · d).

 

Типичная амплитудно-частотная характеристика в области низких частот при Q > 1,93.

Выбор нижней граничной частоты зависит от добротности применяемой головки. Форма АЧХ при Q < 1,93 монотонно возрастает, а при Q ≥ 1,93 на АЧХ появляется провал на частоте ω₂ и пик на частоте ω₁. Добротность головки при помещении её в плоский щит практически не меняется. Неравномерность АЧХ при Q < 1,93 и при правильном выборе размеров экрана определяется только спадом в область более низких частот. Поэтому за нижнюю граничную частоту при Q < 1,93 выбирают резонансную частоту динамика ω₀. При Q ≥ 1,93 за нижнюю граничную частоту обычно выбирают частоту пика ω₁ АЧХ динамика, и неравномерность АЧХ в этом случае определяется провалом на частоте ω₂. Однако при этом несколько сужается расчётный диапазон воспроизводимых частот по сравнению с его значением при Q < 1,93.

 

Зависимость φ(Q) от Q.

Для устранения этого недостатка предлагается другой способ выбора нижней граничной частоты, позволяющий снизить её значение. Суть его заключается в том, что граничная частота выбирается на частоте ω < ω₂, на которой уровень АЧХ равен её уровню на частоте провала ω₂. В зависимости от значения Q эта частота может быть несколько выше или ниже ω₀. Исследования показали, что наиболее рациональная добротность головки для открытых акустических систем равна 2,4. При этом нижняя граничная частота открытой акустической системы fгр.н. совпадает с резонансной частотой динамика ω₀.

 

Зависимость fгр.н. от Q.

Площадь экрана исходя из обеспечения наиболее равномерной характеристики может быть определена как:

S = 0,15 · (c² / (fгр.н.² · φ² (Q))), где

φ(Q) — некоторая функция от Q, при 1,93 < Q < 2,8;

fгр.н. — определяется по рисунку «зависимость fгр. от Q»;

При Q < 1,93 выражение имеет вид: S = 0,15 · (c² / (f₀² · Q²)).

Обычно экраны выполняют меньших размеров, чем рекомендовано по вышеприведённым формулам. Тогда на нижней граничной частоте следует ожидать спада АЧХ:

NдБ = 10lg · (S' / S), где

S — вычисленная по формулам выше площадь экрана;

S' — фактическая площадь экрана.

Пример расчёта:

Пусть требуется рассчитать размеры экрана для головки 0,5ГД-37 со следующими параметрами: f₀ = 315 Гц; d = 0,08 м, если допустимый спад АЧХ на fгр.н. равен 6 дБ.

1. Из формулы находим fгр.в. = (1,4 · 343) / (3,14 · 0,08) = 1920 Гц.
2. По рисунку «зависимость fгр.н. от Q» определяем fгр.н. = 315 Гц.
3. φ(Q) ≈ Q = 2,3.
4. Площадь экрана по формуле: S = 0,15 · 343² / (315² · 2,3²) = 0,034 м².
5. При допустимом спаде АЧХ на нижней граничной частоте, равном 6 дБ, из формулы NдБ = 10lg · (S' / S) находим S' = 0,017 м².
6. Выбираем размеры экрана равными 0,17 × 0,1 м².

Ещё одна статья по данному акустическому оформлению.

Басовые ловушки

Использование цельных кусков пористого материала для поглощения басов весьма проблематично, поскольку длина волны звука при частоте 50 Гц составляет около семи метров, поэтому для ловушки на четверть длины волны потребуется поглотитель толщиной почти два метра. Вряд ли есть домашние студии, способные вместить настолько большие поглотители.

Однако, как упоминалось выше, не все звуки поступают в поглотитель под прямым углом, поэтому может помочь заполнение углов комнаты, от пола до потолка, большими акустическими панелями.

С толщиной 30–40 мм эти поглотители оказывают слабое влияние на низкие частоты, попадающие прямо на них, но отражения, попадающие под более крутыми углами, проходят через гораздо большую толщину абсорбера. Есть много коммерческих басовых ловушек, основанных на этом оформлении. В студиях, в которых затруднительно ставить ловушки по вертикальным углам, угловые ловушки могут быть закреплены вдоль стыков стены и потолка.

Некоторые коммерческие басовые ловушки сочетают в себе крупные, мягкие мембраны (часто с виниловым покрытием с минеральным наполнением) с пористыми поглотителями. Они могут быть очень эффективными, но, как правило, более дорогостоящими, чем простые минеральные поглотители. Важно понимать, что басовые ловушки предназначены не для уменьшения количества низких частот, которые вы слышите в комнате, а для выравнивания колебаний уровня на разных частотах.

Наконец, стоит сказать, что почти невозможно переборщить с количеством басовых ловушек. Поэтому, если у вас есть проблемы с басом, смело вешайте как можно больше ловушек.

Совет: Если вам нравится мастерить своими руками, вы можете соорудить свои собственные угловые ловушки, используя листы из высокоплотной минераловатной плиты (МВП) размером 600 × 1200 мм (для этого хорошо подходит теплоизоляционный материал с полостью 30 или 50 мм), закрепив их по диагонали по углам комнаты, а затем набить пространство за ними изоляционной минеральной ватой.

Несмотря на то, что соответствующее оборудование комнаты, немного басовых ловушек и правильный выбор мониторов помогут вам контролировать басы, есть ещё некоторые важные моменты, касающиеся планировки студии, которые также имеют большое значение при создании домашней студии. По крайней мере, вам следует:

• Направлять громкоговорители вдоль комнаты. В небольших прямоугольных помещениях шириной менее четырёх метров нижние частоты всегда проще контролировать, когда динамики обращены лицом вдоль длинной стены комнаты, а не поперёк неё.
• Избегать расположения рабочего места, в котором вы находитесь, посередине комнаты между передней и задней стенами, особенно в очень маленьких помещениях.
• Не устанавливать мониторы слишком близко к стенам или углам. Их размещение в этих областях приводит к сложным отражениям, которые вызывают общее усиление воспринимаемого баса (до 6 дБ возле стен и до 12 дБ в углах). Но при этом усиление будет очень неравномерным — некоторые ноты намного громче, чем другие.
• Убедиться, что расстояние от динамика до боковой стены и динамика до передней стенки различно. Также не следует располагать мониторы ровно посередине между потолком и полом.

Перемещение громкоговорителя ближе или дальше от стены на несколько сантиметров может сильно повлиять на равномерность звучания низких частот, так что подвигайте мониторы в пространстве, чтобы найти наиболее удачную позицию с равномерным басом.

Совет: Резонансные пики и провалы имеют наименьшее влияние примерно на трети длины комнаты от её конца (в частности, 38 процентов), поэтому, если есть такая возможность, размещайте там своё сиденье для мониторинга.

Акустика помещений: подготовка комнаты для домашнего кинотеатра

Общеизвестно, что на звучание аудиоаппаратуры влияет множество факторов и одной из важнейших составляющих качества звука является акустика помещения. Учитывая многочисленные просьбы наших читателей и активное обсуждение вопроса, мы решили посвятить этой теме несколько публикаций.

 

В этом материале мы рассмотрим акустическую подготовку помещений для домашнего кинотеатра. Следует также отметить, что принципы, описанные в этой статье, во многом будут полезны при создании комнат для прослушивания музыки, домашних музыкальных студий и репетиционных баз. Сегодня многие приобретают достаточно дорогую аудиоаппаратуру для домашнего кинотеатра, и нередко случается, что в связи с проблемами помещения, где она установлена, звук оставляет желать лучшего. Акустика помещения играет одну из ключевых ролей при формировании сцены, характера звучания, передачи различных тембральных и частотных особенностей. Во многом именно благодаря акустике помещения удаётся добиться так называемого эффекта присутствия при просмотре фильмов и использовании систем объёмного звука.

Общие принципы

Путешествие звуковых волн по помещению начинается на выходе из излучателей, после чего они многократно отражаются от стен, пола и потолка. Именно эти препятствия на их пути и создают наибольшее количество проблем. На звук влияет всё, начиная от мебели, напольного покрытия, типа потолка, вплоть до материала, из которого создано здание и межкомнатные перегородки. В некоторых помещениях существенной проблемой становится не только отражение, но и резонанс материалов отделки или мебели.

 

Стремление к получению качественного звука начинается со снижения количества отражений, устранения резонансных поверхностей и получения максимально возможного рассеивания звука в помещении. При подготовке помещения необходимо, чтобы акустические свойства поверхностей минимально влияли на частотные параметры сигнала, не вносили существенных искажений, не порождали негативно влияющих отражений и отзвуков.

Для этого при подготовке такого помещения настоятельно рекомендуется свести к минимуму количество плоских поверхностей, деревянных и стеклянных предметов интерьера. Совсем идеальный вариант — оставить в комнате только мягкую мебель, а также предметы интерьера с рельефной поверхностью. Кроме того, важно понимать, что чем больше помещение, тем более существенные изменения придётся вносить в отделку.

Подавляющее количество акустических проблем вызывается так называемыми «стоячими волнами» и отражением звуковых волн. Используя ряд доработок в отделке, можно свести к минимуму влияние этих факторов на звук домашнего кинотеатра. Наиболее простыми и доступными способами изменения акустических свойств помещения является применение звукопоглощающих и звукорассеивающих материалов. Для наглядности на схеме ниже отражено влияние поглощающих и рассеивающих поверхностей на звуковые волны:

 

Поглощение

Для отделки стен домашних кинотеатров сегодня широко используются звукопоглощающие панели. При этом следует понимать, что различные частоты поглощаются материалами неодинаково. Большинство современных панелей, созданных на основе стекловолокна, с толщиной 2,5 см способны эффективно поглощать звуковые волны с частотой до нижней границы 850–1000 Гц.
При этом добиться эффективного поглощения более низких частот можно, используя увеличение толщины слоя. Закономерно, что при подобном подходе неизбежно придётся жертвовать объёмом помещения. Учитывая линейность зависимости, при использовании стекловолоконных и аналогичных им панелей для эффективного поглощения звуковых волн всего слышимого спектра необходимо использовать слой толщиной около 15 см. При более эффективном звукопоглощении материала толщина подобного слоя может быть меньше.

Для оценки звукопоглощения используется специальный коэффициент.

Коэффициент звукопоглощения — отношение величины, не отраженной от поверхности звуковой энергии, к величине падающей энергии. Она рассчитывается по формуле:

А(зв) = Е(погл)/Е(пад)
где А(зв) — коэффициент звукопоглощения; Е(погл) — поглощённая звуковая волна; Е(пад) — падающая звуковая волна; E(отр) — отражённая звуковая волна; Е(рас) — звуковая волна, рассеянная в материале; Е(прош) — звуковая волна, прошедшая через материал.

При этом следует помнить, что при расчётах коэффициента для материалов оценивается не весь слышимый спектр частот, а лишь диапазон в пределах от 125 до 4000 Гц. Ниже привожу сравнительную таблицу с коэффициентами некоторых материалов:

 

Наиболее существенная роль поглощающих панелей — это устранение так называемого «первого отражения». Как известно, звук из акустических систем достигает наших ушей как непосредственно, так и за счёт отражений от нескольких поверхностей, и, естественно, отражённая волна делает это через несколько миллисекунд после прямой. Негативное влияние первого отражения неизбежно искажает сцену (расположение кажущихся источников звука), может способствовать формированию нежелательных пространственных звуковых иллюзий при использовании систем объёмного звука (4.0, 5.1, 7.1 и др).

Соответственно, в первую очередь необходимо оборудовать звукопоглощающими панелями поверхности, на которых будут находиться проекции точек «первого отражения». Количество таких точек будет зависеть от количества колонок в используемой акустической системе. Ниже приведены упрощённые схемы, дающие представление о точках первого отражения:

 

Ориентировочное расположение точек первого отражения легко определить при помощи зеркала. Суть метода: один человек находится на месте просмотра, другой двигается вдоль стен с зеркалом. Как только первый видит в зеркале отражение динамика — точка первого отражения определена. Большинство специалистов считают, что для эффективного звукопоглощения нет необходимости покрывать материалами все поверхности, достаточно закрыть точки отражения панелями с шириной 70–90 × 200–250 см (или более) в зависимости от высоты стен. Также, для того чтобы снизить негативное влияние низких средних частот, имеет смысл установить панели на потолке.

После правильной установки панелей остаётся только одна проблема с поглощением — волны с частотой ниже 140 Гц. Обеспечение оптимального звучания низких частот требует особого подхода — использования специальных низкочастотных поглотителей. Существует несколько конструкций таких поглотителей, и я не берусь утверждать, какие из них лучше (многие хвалят трубы). Важно понимать, что их количество и коэффициент поглощения будут зависеть от уровня звукового давления сабвуфера или низкочастотных динамиков акустических систем. Также, в качестве альтернативы поглотителям, можно использовать мягкую мебель, что не всегда эффективно, но в ряде случаев может помочь справиться с низкими частотами.

Рассеивание

Поглощение должно быть оптимальным, чрезмерное звукопоглощение сделает звук менее реалистичным, исчезнет иллюзия объёма. Для обеспечения баланса отражения и поглощения используется рассеивание звука. Как мы видели на таблице во второй части статьи, рассеивание позволяет увеличить количество векторов каждого отражения. За счёт неровностей поверхности возникают дополнительные звуковые поля, образующиеся в результате дифракции звука. Таким образом звук «заполняет» помещение более равномерно.

 

Существуют разнообразные рассеивающие панели, которые могут создаваться из различных материалов, например, твёрдых сортов древесины, камня, синтетических материалов. В некоторых случаях рассеивающие панели покрывают тканью или войлоком. Характерной особенностью рассеивающих панелей является неровная фактура поверхности, нередко используется коническая форма элементов. Известно, что в нашем недалёком прошлом, при остром дефиците акустических отделочных материалов, в качестве рассеивающих панелей некоторые музыканты и меломаны использовали яичные лотки.

 

Расчёт комнатных резонансов

Для более точного определения параметров звукопоглощения низких частот будет полезен расчёт комнатных мод (комнатных резонансов). В любом помещении возникают так называемые комнатные моды или комнатные резонансы. На их формирование влияют соотношения длины, ширины и высоты комнаты. Эти параметры задают расположение комнатных резонансов в частотном спектре и плотность их распределения.
Таким образом, используя известные размеры помещения, можно заранее рассчитать частоты, на которых возникнут резонансы, а, следовательно, знать о том, будут ли усиливаться или же подавляться те или иные частоты.

Для идеального прямоугольного помещения с ровными поверхностями стен, пола и потолка резонансы вычисляются по формуле:

f(nx,ny,nz) = (c/2) · √((nx/Lx)² + (ny/Ly)² + (nz/Lz)²)
где nx, ny и nz — целые числа, а Lx, Ly и Lz — это соответственно длина, ширина и высота комнаты.

Для вычисления всех резонансов необходимо поочерёдно подбирать все комбинации из трёх целых чисел Nx, Ny, Nz. Специалисты отмечают, что на практике имеет значение вычисление только низкочастотных мод, т.е. максимальным N = 4.

Отдельные резонансы описываются различными комбинациями из целых чисел Nx, Ny, Nz. Так, например, комбинация (1, 0, 0) будет описывать моду первого порядка вдоль стороны, принятой за «x», а (0, 2, 0) описывает моду второго порядка вдоль стороны, принятой за «y», и т.п…

 

Когда 2 из 3-х целых чисел равны нулю, расчёт существенно упрощается и позволяет легко вычислить частоты «стоячих волн», которые возникают между парой противоположных стен вдоль одного из размеров помещения: f(1,0,0) = c/(2·L).

Эти моды называются осевыми или аксиальными и являются самыми интенсивными из всех. Именно их расчёт представляет наиболее существенную важность.

Итог

Оптимальное использование рассеивающих и поглощающих материалов позволит избавиться от негативных эффектов в акустике помещения, а соблюдение простых принципов, использование технически несложных приёмов может существенно улучшить ваши ощущения от просмотра кино и прослушивания музыки. В следующем материале на эту тему специалисты нашей компании поделятся опытом, который они получили при создании наших демонстрационных комнат.

Расположение мониторов

Золотым правилом при размещении мониторов является формирование приблизительно равностороннего треугольника между динамиками и вашим рабочим местом. Высокочастотные динамики должны быть направлены прямо на вашу голову как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Вы можете немного увеличить или уменьшить расстояние между мониторами, если это поможет устранить проблемы с басами.

Установка студийных мониторов

• Убедитесь, что схема расположения громкоговорителей и акустической обработки максимально симметрична. Это создаст наиболее сбалансированное стереоизображение.
• Когда-то было модно устанавливать маленькие мониторные колонки в положении, параллельном полу, но если ваши громкоговорители специально не предназначены для такого использования, они будут работать лучше в вертикальном положении, создавая более широкую зону восприятия и более равномерную частотную характеристику.
• Старайтесь не размещать громкоговорители на столах, особенно на полых, поскольку это приведёт к сильным отражениям от поверхности, которые также будут окрашивать звук и ухудшать стереоизображение и чёткость сведения.
• В случаях, когда установка на столе неизбежна, используйте специальные изолирующие панели под мониторы. Они состоят из плотной акустической пены, иногда с металлической или керамической поверхностью. Большинство коммерческих изолирующих панелей можно наклонять вверх или вниз для направления высокочастотных динамиков прямо на голову слушателя.

Изолирующие панели под мониторы

• Важно обеспечить надёжную опору для громкоговорителей, так как любые вибрации, генерируемые излучателями мониторов, ведут к перемещениям корпуса, что негативно сказывается на звуке и приводит к нечётко выраженным басам. Если вы планируете использовать специальные стойки для мониторов, рассмотрите вариант с металлическими полыми ножками, которые можно заполнить песком, чтобы увеличить их массу и заглушить резонансы.

Совет: Некоторые активные мониторы имеют переключатели на задней панели, обозначенные как «whole space», «half space» и «quarter space». Они предназначены для изменения низких частот громкоговорителя, чтобы компенсировать близость к стенам и углам. Режим «целое пространство» оптимизирован для мониторов, установленных вдали от стен или углов, а «половинное пространство» предназначен для положения, когда громкоговорители находятся близко к одной стене. Последний режим используется, когда нет другого выбора, кроме как установить мониторы близко к углам.

Задняя панель монитора

Совет: Хороший способ определить наилучшее место для сабвуфера, если вы его используете, — временно установить его на полу там, где вы обычно сидите. Воспроизведите тестовую дорожку с большим количеством басов (или запрограммируйте хроматическую тестовую последовательность), а затем слушайте, сев на пол ближе к стене. По мере изменения своей позиции вы должны заметить, что уровни разных басовых нот становятся более или менее равномерными. Как только вы нашли наилучшее место, разместите сабвуфер там. Обычно это место не в центре и где-то вдоль стены. Избегайте размещения сабвуфера под столом с закрытыми стенками, так как они создают резонансную камеру, что приводит к появлению пиков и провалов на нижних частотах.

Рупорные акустические системы — большие и маленькие

«Horn Loudspeaker Design», J. Dinsdale. Wireless World, Mar 1974, pp. 19-24.

После периода первых граммофонов, в которых повсеместно использовались рупорные громкоговорители, популярность последних резко упала вследствие относительно большого размера, сложности изготовления и, следовательно, высокой стоимости. Несмотря на то, что сегодня широкополосные рупорные системы используются лишь отдельными энтузиастами, большинство экспертов единодушно отмечают ряд достоинств звучания, присущих этому типу громкоговорителя, особенно высокую степень реализма и «присутствия». В статье кратко изложена история рупорных громкоговорителей, и более подробно — теоретические и практические сведения, необходимые для грамотного проектирования. Приведены данные для разнообразных видов рупоров.

Идеальный экспоненциальный рупор состоит из прямой круглой трубы, поперечное сечение которой логарифмически увеличивается в зависимости от расстояния от горла (где установлен громкоговоритель) до устья. Самые низкие басовые ноты требуют устья очень большой площади (2–3 кв. м) и самого рупора длиной по крайней мере 6 м. Напротив, для самых верхних нот требуется рупор размером всего сантиметров десять. По этой причине большинство широкополосных рупорных систем включают в себя множество отдельных громкоговорителей, каждый из которых имеет соответствующую длину и площадь устья. Чтобы размещать эти комбинации в пределах корпуса разумного размера, басовые и даже среднечастотные рупоры имеют квадратное сечение и «свёрнуты» сложным образом. К сожалению, неизбежные ограничения и компромиссы, вызванные отклонениями от прямолинейности оси и круглого сечения, могут вызывать серьёзные изменения в амплитудно-частотной характеристике. Искусство проектирования акустической системы приемлемого размера и стоимости состоит в том, чтобы не принести в жертву удивительный реализм, присущий идеальному рупору.

Эффективность рупорной системы обычно составляет от 30 до 50 % — очень внушительное значение по сравнению с 2–3 % фазоинверторного и меньше чем 1 % для закрытого оформления. Основными причинами недостаточной популярности рупоров являются их размеры и высокая стоимость. Полный размер басового звена, даже удачно свёрнутого в корпус, будет намного большим, чем фазоинвертора или закрытого ящика с сопоставимым значением нижней граничной частоты.

Но, хотя иногда встречаются курьёзные проекты прямых рупоров длиной 6 м, превосходные результаты могут быть получены и от рупоров более удобного размера; например, полная система может быть свёрнута в корпус объёмом всего 150–200 литров, что уже вполне приемлемо для использования в помещении. Стоимость изготовления корпуса обычно рассматривается в качестве главного препятствия, что совершенно справедливо, поскольку объём работы по изготовлению свёрнутого рупора существенно превосходит таковой для других видов оформлений. Кроме того, эта работа требует высокой квалификации исполнителя и плохо приспособлена к «поточным» методам. Однако это ни в коем случае не означает, что построение свёрнутого рупора находится за пределами способностей подготовленного самодельщика или профессионала, для которых и предназначена данная статья.

Хотя ранние акустические граммофоны, фонографы, а также первые «электрические» преобразователи 20–30-х годов использовали рупоры самых разных видов, впоследствии прогресс этого вида оформления практически остановился. Конечно, отдельные фирмы производят рупорные громкоговорители, и редкие статьи в технической прессе вызывают временный подъём интереса, но, за исключением классических трудов Олсона (Olson), Беранека (Beranek) и ещё нескольких публикаций, вышедших до 1940 года, информации, доступной желающим спроектировать и построить рупор, крайне мало. Данная статья преследует цель в какой-то степени удовлетворить интерес со стороны энтузиастов рупорного звучания.

После краткого исторического обзора в статье будет рассмотрена теория громкоговорителя с рупорной нагрузкой, а также объяснены отправные пункты, принимаемые во внимание при проектировании рупоров. Кроме того, будут изучены различные компромиссы, применяемые при проектировании, в особенности в области способов «сворачивания» и влияние этих компромиссов на качество звучания.

Предисловие

В течение многих тысяч лет известно, что если звук пропустить через трубу с маленьким отверстием с одной стороны и большим — с другой, то он заметным образом усилится. С библейских времён человек использовал рога животных и другие встречающиеся в природе «рожки» как в качестве музыкальных инструментов, так и в качестве мегафона. В 1877 году Томас Эдисон приставил рожок из олова к своему примитивному фонографу, чтобы согласовать крошечные колебания диафрагмы с акустической нагрузкой в виде воздуха в помещении. У большинства людей термин «рупор граммофона» вызывает в воображении образ ранних граммофонов или фонографов, разработанных примерно между 1890 и 1912 годами, когда все использовали внешний рупор.

В тех рупорах использовалось множество профилей расширения: в самых ранних моделях, главным образом, прямой конический; в более поздних граммофонах этого периода использовали большие расширяющиеся рупоры с прямолинейной или изогнутой осью, в зависимости от длины и общего оформления всего изделия. Анализ этих ранних рупоров, выполненный на основе современных знаний в области акустики, показывает, что в то время недостаточно хорошо понимали принцип действия рупора как акустического трансформатора. Это тем более удивительно, поскольку лорд Рэлей (Lord Rayleigh) проанализировал «передачу акустических волн в трубах изменяющегося сечения» в статьях № 265, 280 своего классического трактата «Теория Звука», изданного ещё в 1878 году.

Лорд Рэлей в статье № 281 дал анализ прохождения звука через коническую трубу, а также сделал интересное заявление, что «если отрезок трубы изменяем, то проблема колебаний воздуха в его пределах вообще не может быть решена». В течение первых нескольких лет после публикации результаты лорда Рэлея имели лишь чисто научный интерес, который возрос к рубежу столетий в связи с появлением граммофонов, большинство из которых как раз использовали конические рупоры, как, например, в ранних моделях HMV (известные по рекламе с собакой, слушающей хозяина — His Master’s Voice).

После 1912 года множество производителей представило рупоры, свёрнутые в той или иной степени, чтобы поместить их внутрь корпуса граммофона. Эти модели из-за их компактности и пригодности в качестве элемента мебели активно присутствовали на потребительском рынке в течение следующих 12 лет (даже в те далёкие дни энтузиастам было не всегда легко убедить своих жён в том, что аппарат с торчащей из него здоровенной трубой является наилучшим украшением гостиной).

В начале 1920-х годов разработчики провели теоретические исследования (изначально основанные на работе лорда Рэлея), добиваясь воспроизведения полного звукового диапазона на приемлемых для домашнего использования уровнях громкости. Среди этих ранних исследований в Америке следует упомянуть работы Вебстера (A.G. Webster) в 1920, Ханны (C.R. Hanna) и Слепиана (J. Slepian) в 1924 и Фландерса (P.B. Flanders) в 1927. В Великобритании независимые исследования были опубликованы Вилсоном (P. Wilson) в 1926 в журнале The Gramophone, позже совместно с Веббом (A.G. Webb) в «Современных граммофонах и электрических громкоговорителях», а также Войтом (P.G.A.H. Voigt) в 1927.

Все эти исследования, кроме самого последнего, были основаны на экспоненциальном контуре и были получены из утверждений статьи № 265 трактата Рэлея. Вебстер разработал приблизительную теорию для других типов профиля и показал, что самым оптимальным является экспоненциальный. Все эти исследования следовали из предположений о том, что: (а) поперечное сечение рупора — круг; (б) ось симметрии — прямая; (в) все фронты звуковой волны — плоские.

Однако если звуковую волну в горле рупора ещё можно считать плоской, то ясно, что в устье она уже будет искривлённой (проще всего это понять, представив себе в устье рупора надутый воздушный шарик). Вилсон, проведя в 1926 году анализ экспоненциального профиля на основе допущений из работы Рэлея, позже издал изменённый вариант, исходивший из того, что фронт волны имеет сферическую форму и всегда пересекает контур и оси рупора под прямыми углами.

Это предположение, что кривизна фронта звуковой волны постепенно увеличивается от нулевого значения (соответствующему изначально плоской форме фронта в горле), удовлетворяет также условиям, указанным Ханной, Слепианом и, позже, Крэнделлом (I.B. Crandall), что фронт волны, выходящей из открытого конца, эквивалентен создаваемому сферической поверхностью, а не плоским поршнем. Войт, однако же, начинает свой анализ с предположения о том, что фронт волны в пределах рупора сохраняет сферическую форму, причём эта сфера по всей длине имеет один и тот же радиус. Это предположение приводит впоследствии к профилю, основанному на кривой под названием трактриса. Как теоретические исследования, так и результаты тщательных прослушиваний позволяют предположить, что именно трактриса является оптимальным профилем для рупора. Математические основы экспоненциальных и «трактрисовых» кривых будут более подробно обсуждаться ниже.

В течение 1920-х, 30-х и 40-х годов экспериментаторы придумали массу способов сворачивания рупоров внутрь маленького корпуса граммофона, и записи Патентного Бюро свидетельствуют об изобретательности людей, в поиске совершенного звуковоспроизведения пытавшихся преодолеть крайне противоречивые условия. Эти проекты пользовались большей или меньшей степенью успеха в зависимости от множества факторов, включая характеристики самого громкоговорителя («излучателя»). Следует отметить, что они почти всегда имели квадратное или прямоугольное сечение, а ось рупора больше уже не была прямолинейной. Поэтому фактические характеристики и теоретический расчёт совпадали лишь до определённой степени.

Появление в 1927 году громкоговорителя с подвижной катушкой и электронных усилителей стимулировали дальнейшее развитие рупоров, которые, будучи теперь механически не связанными со звукоснимателем, освободились от связанных с этим конструктивных ограничений. Многие модели головок были разработаны специально для рупорной нагрузки, и до Второй мировой войны интерес к другим видам оформлений, несмотря на их меньшие размеры, простоту изготовления и, как следствие, низкую цену, все же уступал рупорам, радикальным образом превосходивших все остальные в терминах музыкального реализма.

В это же время значительный вклад внесли разработки Войта в Англии и Клипша (Klipsch) в Америке. Особенно это касается последнего, предложившего изобретательный метод использования акустических свойств помещения прослушивания, в наше время считающийся классическим. Другие также экспериментировали с рупорными громкоговорителями, особенно Енох (J. Enoch) и Мордан (N. Mordaunt) (чей проект был впоследствии использован для корпусов Tannoy моделей Autograph и GRF). Лоутер (Lowther) использовал современные версии излучателей Войта с высоким значением магнитного потока, Роджерс (J. Rogers) создал среднечастотную «ленту» с рупорной нагрузкой, которая всё ещё расценивается многими как эталон звуковоспроизведения в этом диапазоне. Нельзя также пропустить вклад Краббе (H.J. Crabbe) и Балдока (R. Baldock) в более позднее время.

Однако нужно подчеркнуть, что многократные отражения, поглощения, резонансы и изменения направления, свойственные свёрнутым рупорам, вместе с непредсказуемостью работы некруглых секций неизбежно дают расхождение с поведением прямого круглого рупора, на модели которого основывался расчёт.

С недавних времён наблюдается некоторый всплеск популярности рупоров, возможно вызванный стремлением к «совершенному качеству звуковоспроизведения», и есть многие, кто надеются, что эта тенденция сохранится.

ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Следующий раздел имеет дело преимущественно с экспоненциальным контуром, который является основной кривой расширения, используемой в большинстве высококачественных рупорных громкоговорителей, а также трактрисой, формула которой, хотя и более сложна, также содержит экспоненциальную компоненту. Более того, две эти кривые фактически идентичны на отрезке от горла до примерно середины рупора.

Образующая

Теория конического рупора была изначально разработана лордом Рэлеем, но первые серьёзные попытки определить практическую формулу для экспоненциального рупора не были сделаны вплоть до 1919 года и даже позднее. Основные формулы передачи звуковых волн через рупор были даны в современных терминах Сальмоном (V. Salmon) и другими. Беранек приводит графики акустического сопротивления в горле рупора в зависимости от частоты для нескольких «бесконечных» рупоров разных профилей, но с одинаковым сечением горла. Эти данные приведены на рис. 1.

Можно показать, что для оптимальной нагрузки излучателя громкоговорителя комплексное сопротивление в горле рупора должно быть полностью активным, а также сохранять своё значение в рабочем диапазоне частот. Иными словами, распространение звука должно быть «функцией мощности». Изучив кривые на рис. 1, можно установить, что наиболее близко удовлетворяют этим условиям кривые экспоненциального и гиперболического профиля.

 

Рис. 1. Зависимости активных и реактивных акустических сопротивлений от частоты в горле рупоров с различными образующими, имеющих бесконечную длину.

Следующее условие, которое должно быть удовлетворено — минимальные искажения в горле рупора, вызванные «воздушной перегрузкой». Когда звуковая волна распространяется в воздухе, возникает ряд гармоник, искажающих форму волны. Это происходит потому, что если равные положительные и отрицательные изменения давления действуют на некую массу воздуха, изменения объёма не будут равными; изменение объёма вследствие увеличения давления будет меньшим, чем из-за равного по величине уменьшения давления. Быстрые расширения и сжатия воздуха, вызванные распространением звуковых волн, происходят по адиабатическому закону, то есть отсутствует передача тепла. Таким образом, связь давления и объёма описывается формулой:

p·V^γ = const, где p — давление, V — объём, γ — постоянная адиабаты (приблизительно 1,4 для воздуха в нормальных условиях). В графическом виде механизм возникновения искажений проиллюстрирован на рис. 2. При равных по модулю изменениях объёма изменение давления оказывается разным, что и приводит к искажениям.

Если бы рупор представлял собой цилиндрическую трубу, искажения увеличивались бы по мере распространения волны в сторону устья. Однако в случае расширяющегося рупора по мере удаления от горла амплитуда давления волны уменьшается. Поэтому для минимальных искажений рупор должен расширяться резко, чтобы амплитуда давления волны уменьшалась как можно быстрее после того, как звуковая волна покинет горло. С этой точки зрения очевидно, что параболические и конические контуры дают наименьшие искажения из-за воздушной перегрузки, в то время как гиперболический рупор, напротив, даст самые большие искажения, потому что для равного уменьшения давления звуковой волне потребуется преодолеть большее расстояние.

Рис. 2. Соотношение между давлением и объёмом воздуха в случае адиабатического сжатия/расширения.

Дальнейшее изучение рис. 1 показывает, что акустическое сопротивление гиперболического рупора находится в пределах 10 % от своего предельного значения в более широком диапазоне частот, чем у экспоненциального рупора. По этой причине гиперболический рупор обеспечивает лучшие условия согласования нагрузки с излучателем. Однако, ввиду значительно более высоких искажений в гиперболическом рупоре, экспоненциальный профиль (или одна из его производных) выбирается как наиболее удовлетворительный компромисс между гиперболическими и коническими контурами.

В тех случаях, где требуется использовать преимущества длинных медленно расширяющихся рупоров без сопутствующих высоких искажений, Олсон рекомендует использовать несколько разных экспоненциальных участков, первый из которых (возле горла) должен быть коротким, но расширяться очень резко, чтобы минимизировать искажения. Далее следует более длинная секция с меньшим коэффициентом расширения, после которой идёт основная часть рупора, расширяющаяся очень медленно. Клипш также упомянул эту технику в своей статье, посвящённой угловому рупору, называя её «резиновое горло». Акустический импеданс устья каждой из секций рассчитан таким образом, чтобы соответствовать импедансу горла следующей секции. Этим способом могут рассчитываться практически любые соотношения между импедансами в зависимости от частоты, однако ввиду сложности этой процедуры дополнительные усилия по расчётам не всегда оправданы.

Площадь устья

Акустические активное и реактивное сопротивления для экспоненциального рупора в графическом виде представлены на рис. 3. Видно, что сопротивление имеет полностью реактивный характер ниже частоты, определяемой по формуле:

fc = m·c / (2π)
где: c — скорость звука; m — постоянная расширения, которая фигурирует в основной формуле профиля экспоненциального рупора:

Sx = ST·e^(m·x)
где: Sx — площадь на расстоянии x от горла; ST — площадь горла.

 

Рис. 3. Активное и реактивное акустическое сопротивление экспоненциального рупора.

Частота среза fc является самой низкой частотой, при которой рупор передаёт акустическую мощность, поэтому постоянная расширения определяет низшую воспроизводимую частоту конкретного рупора. Постоянная расширения может быть рассчитана для любой выбранной частоты среза, после чего может быть построен профиль рупора. Вышеупомянутое утверждение полностью справедливо только для рупоров бесконечной длины. В рупорах, как и в цилиндрических трубах, фронты волн, чья длина превышает диаметр устья, имеют свойство отражаться в обратном направлении, в результате чего возникает интерференция с последующими волновыми фронтами. Также как и для горла рупора, для устья должно выполняться условие активного характера сопротивления среды в рабочем диапазоне частот. Беранек показал, что для того, чтобы сопротивление излучению в устье носило активный характер, должно выполняться условие C/λ > 1, где C — окружность устья, а λ — длина волны на самой низкой воспроизводимой частоте. Если устье рупора имеет некруглую форму, условие будет аналогичным, но для эквивалентной площади устья. То есть, если C = 2π·rm > λc, тогда:

λc < π·Dm, где Dm — диаметр устья.
Таким образом, для рупора квадратного сечения должно обеспечиваться условие, чтобы площадь устья превышала:

Sm > λc²/π ≈ 0,1·λc².

Рис. 4. Поведение «укороченных» рупоров. Отражения в устье вызывают пики и провалы в АЧХ возле частоты среза.

Когда окружность устья становится меньше, чем длина волны, отражения в устье вызывают нежелательные пики и провалы амплитудно-частотной характеристики в районе нижней граничной частоты. Таким образом, если размеры устья в проекте сильно ограничены, то, как правило, предпочтительнее увеличить нижнюю граничную частоту до значения, соответствующего размеру устья, чем получить неравномерность в области баса, проиллюстрированную на рис. 4.

Фронт волны

До последнего момента предполагалось, что последовательные фронты волн остаются плоскими в процессе их распространения через рупор. В прямой круглой трубе это действительно так: фронт волны должен быть перпендикулярен к оси и стенкам (если бы фронт импульса приближался или удалялся от стенок, энергия соответственно поглощалась или излучалась; с другой стороны, сложный фронт, состоящий из первоначальной волны и её отражений от стенок, будет перпендикулярен к стенкам). Таким образом, фронты импульса, переданные по цилиндрической трубе, будут плоскими, в то время как фронты, переданные через конический рупор, будут сферическими. Ясно, что фронт волны, выходящей из экспоненциального рупора, будет в какой-то степени искривлён, и что обычные вычисления, сделанные из предположения, что фронт волны плоский, будут заведомо ошибочными. Практически реальная нижняя частота среза будет несколько отличаться от значения, полученного теоретически, хотя погрешность профиля рупора при этом не будет чрезмерной.

Не совсем верно будет предполагать, что площади последовательных фронтов расширяются строго по экспоненциальному закону, поскольку любой выбранный профиль будет сам по себе определять форму фронтов волны, и вообще эта форма будет изменяться от первоначальной. Вилсон исходил из предположения о том, что фронты имеют сферическую форму, причём их кривизна меняется от нуля (плоский фронт) в горле рупора. На этом основании он рассчитал изменённый контур, который находится внутри строго экспоненциального и очень близок к нему. Если, например, сделать «истинно экспоненциальный» рупор способом папье-маше, то после «усушки» форма станет очень близкой как раз к модифицированному профилю Вилсона. Однако главное его утверждение, что фронты являются сферическими и изменяют свою кривизну, ни в коем случае не означает, что так и есть на самом деле.

Образующая в виде трактрисы

Войт в своём патенте 1927 года основывался на более простом предположении, что форма фронтов волны в пределах рупора является сферической, причём радиус сферы в процессе распространения неизменен на всём протяжении. Он обосновывал это предположение путём рассуждения, что если кривизна фронта будет увеличиваться от нуля (плоская волна) в горле до некоторого значения в устье, то точки фронта, находящиеся на оси, будут перемещаться с более высокой скоростью, чем точки возле стенок рупора. Но поскольку весь фронт должен перемещаться с одинаковой скоростью, равной скорости звука, то и форма фронта может быть только сферической и постоянного радиуса. Это требует, чтобы контур рупора являлся трактрисой.

Трактрикса — плоская кривая, прочерченная грузом, который тянут за верёвку, причём тянущий человек перемещается по прямой линии, не проходящей через груз. Это

— не кривая «метода погони» или траектория ракеты, которая стремится к убегающей цели, как часто ошибочно считают. Длина трактриксы, соответствующей устью с окружностью λc, может быть выражена через длину волны, соответствующую нижней граничной частоте:

L = (λc/2) · ln((1+sinθ)/cosθ) + …

Эквивалентная экспонента:

y = a·e^(m·x).

Видно, что трактрикса имеет доминирующий показательный компонент, который становится менее существенным по мере приближения к устью. Для первых 50 % длины экспоненциальный контур и трактрикса для одной и той же частоты среза и площади горла фактически идентичны, после этого трактрикса начинает расширяться гораздо быстрее, пока не достигнет полностью «раскрытого» устья (вписанный угол 180°). Ввиду сложного характера формулы лучший способ строить трактриксу — графический. Полученная таким образом кривая после некоторого сглаживания (для устранения неравномерностей, связанных с графическим способом построения) может использоваться для определения ординат точек контура рупора.

 

Рис. 5. Сравнение образующих в виде экспоненты и трактрисы.

В то время как трактриса заканчивается, когда угол между рупором и осью составляет 90° (вписанный — 180°), обычная экспонента продолжает идти в бесконечность в обоих направлениях. Таким образом, «трактрисовый» рупор оказывается короче экспоненциального с равными по размеру горлом и устьем.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия экспоненциального рупора определяется большим числом параметров, всестороннее рассмотрение которых было проведено Олсоном. Типичная эффективность басовых рупоров достигает 50 %, в то время как средне- и высокочастотные могут иметь КПД более 10 %. Эти цифры смотрятся очень выигрышно на фоне фазоинверторов (2–5 %) и закрытых ящиков (как правило, менее 1 %). Исключительно высокая эффективность рупорных громкоговорителей вовсе не означает, что их главное достоинство — возможность использовать усилители на небольшой мощности. Скажем, некоторые усилители с выходными каскадами, работающими в классе B, с рупорами могут создавать, напротив, большие уровни искажений, поскольку такой усилитель будет работать при небольших уровнях на выходе, когда уровень искажений типа «ступенька» будет относительно высоким.

Принципиальным преимуществом, следующим из высокой чувствительности, является то, что амплитуда перемещения диафрагмы головки громкоговорителя будет существенно меньшей, чем для всех остальных видов оформлений. Поэтому резко снижаются эффекты, вызванные нелинейностью магнитного поля и подвеса; кроме того, диффузор оказывается менее склонным к возникновению зонного эффекта. Таким образом, относительно высокие искажения, присущие головкам, оказываются сведёнными к минимуму, и, поскольку рупор сам по себе искажений не вносит, излучаемый звук оказывается очень высокого качества.

Дополнительное преимущество, получаемое от уменьшения амплитуды смещения диффузора, состоит в том, что определённые виды интермодуляционных искажений, возникающие в результате изменения объёма воздуха между диффузором и горлом рупора, также могут быть снижены до незначительных величин.

Настройка предрупорной камеры

Полость, неизбежно присутствующая между диафрагмой динамика и горлом рупора, играет важную роль при разработке рупорных систем, поскольку она может быть использована для ограничения максимальной воспроизводимой частоты. Нижняя граничная частота может быть установлена с достаточно высокой точностью, исходя из коэффициента расширения рупора в сочетании с величиной площади устья. Верхний же предел частоты определить труднее, поскольку он зависит от:

а) неодинаковых расстояний между разными участками диафрагмы и горла рупора;

б) внутренних переотражений и дифракционных эффектов внутри рупора, особенно если он — свёрнутый;

в) характеристик самой головки в области высоких частот;

г) эффективности полости между диафрагмой и горлом, выступающей в качестве фильтра низких частот.

Можно показать, что полость фиксированного объёма представляет собой акустическое реактивное сопротивление величиной

Xc = (ρ·c²·Sp²) / (V·ω) , где Sp — площадь диффузора; V — объём предрупорной камеры; ρ — плотность воздуха; c — скорость звука; ω = 2πf.

Когда полость расположена между диафрагмой и горлом, она ведёт себя как ёмкость, «шунтирующая» сопротивление собственно горла, поэтому при выборе корректных параметров комбинация полости и горла работает как фильтр низких частот, частота настройки которого определяется равенством комплексных сопротивлений полости и горла,

где ST — площадь горла; f — требуемое значение верхней граничной частоты.

Отсюда

V = (ρ·c²·Sp²) / (ω²·ST) .

Дополнительное преимущество, получаемое при использовании предрупорной камеры, настроенной так, чтобы предотвратить прохождение средних и высоких частот в басовый рупор, состоит в том, что эти частоты гораздо лучше воспроизводить с противоположной стороны диффузора, нагруженной на средне/высокочастотный рупор, монтируемый на передней части громкоговорителя.

Более детальное обсуждение вопросов, связанных с практическим определением верхней и нижней границ полосы воспроизводимых частот, будет приведено далее.

Акустическое оформление обратной стороны головки громкоговорителя

Выше было высказано мнение об искажениях, вызванных нелинейностью процессов расширения и сжатия воздуха. Этот эффект ещё более подчеркивается в том случае, когда динамик нагружен на рупор только с одной стороны, поскольку горло работает как активное акустическое сопротивление только при перемещении диафрагмы в одном («прямом») направлении. Когда же диафрагма движется в обратном направлении, она испытывает существенно меньшее сопротивление, вследствие чего увеличивается её смещение. Идеальный способ устранить такие искажения состоит в том, чтобы нагрузить диафрагму с обеих сторон одинаковыми рупорами, либо использовать басовый рупор, работающий на «заднюю» сторону динамика, а спереди нагрузить диффузор фронтальным средне/высокочастотным рупором.

Рис. 6. Эффект ограничения предрупорной камерой высоких частот.

Альтернативный способ, используемый многими разработчиками, заключается в том, что обратная сторона диффузора нагружена на закрытую компрессионную камеру, которая создаёт примерно такое же сопротивление, что и рупор. Таким образом, компрессионная камера снижает эффекты нелинейности от неодинаковой нагрузки на разные стороны диафрагмы, а также обеспечивает «более удобную» нагрузку для диафрагмы — закрытая камера с обратной стороны диффузора сама по себе даёт «индуктивный» характер сопротивления, что уравновешивает «ёмкостное» сопротивление, которое представляет собой горло рупора на низких частотах. Клипш утверждает, что объём компрессионной камеры определяется как площадь горла, умноженная на скорость звука, делённая на 2π и частоту среза. Это выводится на основе следующих соотношений:

Сопротивление компрессионной камеры:

Xc = (ρ·c²·Sp²) / (V·ω) .

Сопротивление горла на частоте среза:

Xthroat = (ρ·c) / ST .

Приравнивая эти два выражения, получаем:

V = (Sp²·c·λc) / (2π·ST) .

Однако часть экспертов отмечает, что использование компрессионной камеры умаляет реализм воспроизведённого звука и настаивают на нагрузке в виде рупора с обеих сторон диафрагмы, либо же на комбинации рупора с одной стороны и прямого излучения — с другой. Другими словами, наиболее реалистичное звуковоспроизведение происходит в тех случаях, когда обеим сторонам диафрагмы «позволено» излучать звук в пространство.

Спальня

Если вам не повезло и у вас дома нет специального помещения, которое можно приспособить под студию, а для сведения вы используете свою спальню, то не стоит сильно расстраиваться. Большинство описанных выше советов с тем же успехом можно применить и к спальне.

Как и в случае со специальной комнатой для сведения, вашей главной целью является получение достаточно нейтрального звучания с коротким временем реверберации, которая равномерно затухает по всему частотному спектру.

Обычные комнаты и гаражные помещения, как правило, слишком малы, чтобы добавить какой-либо полезный музыкальный окрас, а это означает, что вам лучше обработать их для получения как можно более сухого сигнала, к которому вы уже сами сможете добавить искусственное пространство на стадии сведения с помощью реверберации или задержки.

• Чтобы подавить чрезмерную реверберацию, используйте такие же ловушки средних/высоких и низких частот, которые были описаны выше для специальной комнаты для сведения.
• Установите акустические экраны для дополнительного смягчения отражений. Повесьте одеяла вокруг зоны записи или соорудите фанерные панели, облицованные акустическим материалом, чтобы уменьшить средне- и высокочастотные отражения.
• При записи вокала, акустических гитар или других акустических инструментов установите акустический экран вокруг микрофона, чтобы уменьшить отражённый звук.
• Если вы планируете записывать как акустические инструменты, так и вокал, вам может пригодиться немного пространства с незакрытым твёрдым полом. Жёсткие полы отражают звук обратно в микрофон, добавляя живости записи. А в то время, когда вы ничего не записываете, можете временно закрывать это место ковриком.
• Избегайте, насколько это возможно, записи бас-синтезаторов и бас-гитар через микрофоны в небольших жилых комнатах. Длинные волны, которые они производят, и последующие проблемы, которые они могут вызвать (некоторые ноты оказываются намного громче других), практически невозможно контролировать в домашних условиях. Проще записывать басовые сигналы, используя директ-бокс, а затем использовать программное обеспечение для моделирования усилителя, чтобы формировать необходимый звук на стадии сведения.

Совет: Вы можете соорудить свой собственный акустический экран, используя акустическую пену, приклеенную к одной стороне фанеры или листа МДФ с простыми ножками, чтобы устанавливать его в вертикальном положении. Сторону с пеной можно использовать для более чистой записи, а перевернув экран, вы сможете немного оживить запись, добавив отражений. Эти экраны можно также использовать в качестве разделителей между музыкантами, играющими одновременно. Для улучшения поглощения с обеих сторон экрана повесьте на него одеяло.

Источник — https://dzen.ru/a/ZoZPk4stgXhnKIJ-