Как рассчитать резонансные частоты в комнате. Апартаменты для системы

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

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

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

Акустические свойства помещения вносят определенный вклад в качество воспринимаемой слушателем звуковой панорамы. Не у всех есть специальные помещения, предназначенные исключительно для установки в них аудио оборудования высокого класса. Но и для тех, кто слушает музыку в обычной жилой комнате, есть много советов и замечаний, следуя которым вы сможете оптимизировать звучание имеющейся аудиотехники. Но об этом поговорим чуть позже. А сначала давайте обозначим исходные данные для решения нашей задачи. Специально возводимые, акустически оптимизированные залы имеют, как правило, форму неправильного параллелепипеда, с непараллельными друг другу боковыми стенками, а потолки, как в театрах и концертных залах, выполнены в форме ската. Стандартная комната имеет классическую прямоугольную форму, способствующую наложению друг на друга излучаемых и отражаемых волн звука. В зависимости от используемых в строительстве и отделке материалов акустические свойства одинаковых по объему и форме помещений могут сильно отличаться. Если в вашей среде прослушивания используются твердые бетонные конструкции стен и перекрытий, они будут способствовать отражению излучаемого звука. Гипсокартонные панели или деревянная обшивка будут поглощать большую часть звуковой энергии. Учитывая это и используя следующие советы, вы сможете улучшить качество звука.

Прежде чем приступить к делу, настоятельно рекомендуется проштудировать какой-либо толковый справочник по акустике. Возможно, для новичков будет довольно трудно разобраться в теории распространения звуковых волн. Но усвоенные знания окупятся сторицей и помогут вам более грамотно оборудовать помещение, получить из вашей комнаты оптимальное звуковое пространство для прослушивания, при этом лучше понять особенности распределения звукового поля. Итак, если вы не дипломированный специалист по акустике, поищите хорошую книгу, доступную для вашего уровня понимания, чтобы расширить свои познания, получив для осмысления много полезной, увлекательной информации.

Одна из самых больших проблем, которую я вижу по общению со своими друзьями и знакомыми – излишнее внимание именно акустике помещения. Конечно, акустика помещения важна, но она должны быть последним звеном, которому вы должны уделить внимание уже после расстановки ваших аудиосистем и выбора оптимального места для прослушивания. Правильное размещение громкоговорителей в пространстве помещения даст гораздо больший эффект, чем устранение акустических дефектов помещения. Уделите необходимое время расстановке аудиоколонок и найдите идеальное местечко для прослушивания. После того как вы сделали все возможное для того, чтобы музыка звучала "правильно", считайте что выполнили 90% работы и теперь пришло время для создания благоприятных акустических условий. Считайте, что акустическая подготовка помещения – это как глазурь на торте. Опять же, в наших условиях это будет самая простая коррекция акустики помещения. Тем, кто заинтересован в более глубоком понимании влияния особенностей помещения на звук, следует обратиться к серьезным источникам по акустической тематике.

По акустическим свойствам все помещения можно разделить на три основных типа: звонкое; глухое и нейтральное помещения. Как правило, нам желательно иметь комнату с нейтральными акустическими характеристиками, которая тяготеет немного к звонкому типу. Звонкая комната отличается длительным временем реверберации. Реверберация - это процесс затухания интенсивности звука при его многократных отражениях. Каждый из нас когда-нибудь оказывался в звонком помещении. Представьте себе большую столовую или зал, где гуляет эхо, а звуки кажутся звенящими. Из такого зала акустическая энергия никуда не уходит, а отражаясь от стен и потолка попадает в точку прослушивания, где часть ее улавливают наши уши. Если у вас комната с отделкой из дерева лиственных пород, с плиточными полами, практически без мягких материалов в отделке, вы понимаете, что такое звонкая (гулкая) комната. Станьте посередине комнаты, хлопайте в ладоши и слушайте. Звук хлопка превращается в эхо и длится некоторое время после хлопка. Это реверберация и эффект затухания акустической энергии. В такой комнате потребуются отделочные материалы для поглощения отражений на средних и высоких частотах с целью укрощения излишней акустической энергии.

Глухая комната полная противоположность звонкому помещению. Звуки, как правило, будут глушиться и если выполнить тот же самый тест с хлопаньем в ладоши, вы заметите, что звук затихает даже прежде, чем вы перестали хлопать. Глухие помещения, как правило, застелены коврами, завешены тяжелыми драпировками и практически не имеют отражающих поверхностей. Комната для прослушивания музыки не должна быть ни глухой, ни звонкой. Нам нужно что-то среднее, в целом нейтральное по акустическим параметрам помещение, и которое при этом все-таки ближе к звонкому типу.

Причина, по которой мы хотим иметь нейтральное акустическое помещение, заключается в том, что реальный мир представляет собой комбинацию поглощающих и резонансных, в акустическом отношении, поверхностей. Нужно добиться такой акустики в помещении, чтобы звук чрезмерно не поглощался элементами интерьера и в тоже время не отбрасывался нам полностью.

Если у вас слишком глухая комната, для того чтобы добиться более естественного звучания поищите возможности для замены на другую отделку части тканевых драпировок или ковровых покрытий, которые поглощают акустическую энергию. Если же помещение слишком звонкое, то, как правило, гораздо легче определить точки отражения для подавления эффекта реверберации.

Будем считать, что у вас стандартная по размерам комната в квартире или отдельном доме. Если есть возможность использовать ее специально под домашний театр, можете обратиться к специалистам по акустической отделке помещений, чтобы они помогли наилучшим образом откорректировать ее акустические характеристики.

Определение точек отражения

К счастью, коррекция акустических свойств помещения в области средних и высоких частот довольно проста и обойдется относительно недорого. В зависимости от ее размеров, за $200 - $500, вы сможете и сами откорректировать акустические характеристики вашей комнаты. Для начала придется определить точки отражения, прежде чем покупать отделочные материалы для обработки таких зон.

Все, что вам понадобится – это небольшое зеркало (по крайней мере, 30 х 30 см), помощь друга или родственника, а также самоклеющаяся лента, или карандаш (если вы не возражаете против маркировки стен). Опять же, делать это нужно только уже после оптимальной и окончательной расстановки аудиоколонок.

Попросите вашего помощника, удерживая зеркало на уровне ваших ушей, перемещать его по плоскости стены, пока вы сидите в точке прослушивания. На боковых стенах комнаты слева и справа от вас будут расположены первичные и вторичные точки отражения относительно вашей позиции, по две с каждой стороны. Вы должны сидеть и контролировать перемещаемое помощником зеркало вдоль левой стены, пока не увидите в зеркале ВЧ динамик (твитер) аудиоколонки левого канала. Это будет первая точка отражения. Попросите помощника отметить это место на стене карандашом или маркировочной лентой. Теперь зеркало должно скользить дальше вдоль левой стены, пока не увидите твитер аудиоколонки правого канала, также отмечаете и это место. Аналогично, cделайте то же самое и для правой стены. Теперь у вас есть по две точки отражения на правой и левой стенах комнаты.

Такие же точки отражения находятся на потолке и полу. Сегодня у многих людей жесткие отражающие полы застелены ковровым покрытием или отдельным ковриком. В этом случае точками отражения на полу можно вообще пренебречь. Если же у вас жесткий пол без ковра, для борьбы с отражениями от пола можно разместить коврик перед аудиоколонками. Не у всех в комнате подвесные или натяжные потолки. Кто-то может быть вообще предпочитает классическое помещение с каменным потолком. В этом случае нужно будет отметить два места для акустической обработки сверху. Попросите вашего помощника, стоя на стремянке или стуле, (пожалуйста, обязательно предусмотрите все меры безопасности!) удерживая зеркало перемещать его вдоль плоскости потолка, до тех пор, пока не увидите в нем твитер левого канала, отметьте это место, и cделайте то же самое для правого канала. Вам не стоит пока беспокоиться относительно задней или передней стенки помещения.

Теперь у вас есть отмеченные точки отражения, которые легко обработать звукопоглощающим (для средних и высоких частот) материалом. Помните, акустические панели не поглощают частоты ниже 300 Гц (обычно, хотя, есть и исключения), так что точки отражения позволяют контролировать чистоту, звонкость и реверберацию.

Применяйте напыляемое акустическое покрытие экономно, тем более, что и стоит оно достаточно дорого. Понемногу добавляйте слой за слоем, пока не достигнете желаемого акустического состояния комнаты. Вы же не хотите, переборщить и сделать глухое помещение, которое будет высасывать свежесть и энергию из вашей аудиосистемы. Если же у вас изначально глухое помещение, придется удалять плотные шторы, ковры и другие элементы интерьера, пока вы не добьетесь прозрачного звучания. В качестве звукопоглощающих материалов используют также, как специальные панели, так и разнообразные подручные средства, вплоть до ячеистых упаковок от яиц. Подходящие материалы всегда найдутся, все дело лишь в нарушении эстетики помещения.

Определение акустических резонансов помещения

Каждое помещение имеет акустические резонансы или, как еще говорят, комнатные моды (англ. Mode). Пропорции комнаты, т.е. соотношения длины, ширины и высоты, задают расположение резонансов в частотном спектре. Таким образом, геометрические размеры помещения определяют частоты, на которых будут возникать резонансы при прослушивании музыки, т.е. отдельные, имеющие огромное значение для воспроизводимой музыки частоты будут или чрезмерно усиливаться или же подавляться в отдельных точках помещения.

Лучшим способом определения акустических резонансов и стоячих волн (низкие частоты имеют тенденцию распространяться, отражаться и накладываться друг на друга) в помещении считается использование специального программного обеспечения. Профессиональное программное обеспечение довольно дорого, требует установки микрофонов с последующим анализом акустических характеристик помещения. Если у вас есть такая программа для расчета акустических параметров, несомненно, следует ее использовать. Но если вы просто хотите получить общее представление о том, как ваша комната взаимодействует с системой можно использовать и более простые программы, известные также как акустические калькуляторы. В оригинальной статье предлагается использовать http://amroc.andymel.eu.

Один из русскоязычных упрощенных вариантов (Калькулятор аксиальных мод) можно найти на http://www.acoustic.ua/forms/calculator8.html, он обеспечивает упрощенный анализ продольных акустических резонансов (аксиальных мод) в комнате. Акустический калькулятор позволяет по размерам вашего помещения построить графики резонансов при распространении звуковых волн вдоль, поперек и по высоте комнаты. Если несколько резонансов помещения совпадают по частоте (интервал между ними равен нулю), то такие моды (резонансы) называются вырожденными. В этом случае на амплитудно-частотной характеристике, как правило, наблюдается выраженный пик. Проблемные частоты в интерфейсе программы будут выделены красным цветом.

Если два резонанса (моды) разделены интервалом 20 Гц и более, то такие моды называются изолированными. В этом случае на АЧХ помещения, как правило, наблюдается выраженный «провал». Проблемные интервалы будут выделены оранжевым цветом.

Эти пики с провалами на АЧХ и придают нежелательную окраску звучанию вокала и музыки. В особенности они заметны в диапазоне частот 95-175 Гц. Статические звуковые пики возникают в разных точках комнаты, в зависимости от положения акустических систем, размеров помещения и звуковой частоты. Вы можете определить такие пики, перемещаясь по комнате и слушая низкочастотный звук. Как только вы входите в зону стоячей волны, баса становится очень много, а в других местах его почти нет, теряется локализация и четкость баса он превращается в простое «буханье».

На частотах выше 300 Гц уже можно пренебречь влиянием резонансов помещения на тональный баланс. Предполагается, что на основе графика в продольной плоскости и по высоте комнаты можно выбирать оптимальное место, как для размещения акустических излучателей, так и место для слушателя. И, кроме того, основываясь на полученных данных по пикам и провалам, также проводится корректировка акустических характеристик помещения, которая уже гораздо сложнее установки звукопоглощающих покрытий в точках отражения для коррекции остальной части звукового диапазона. В этот комплекс мер могут входить как простейшие мероприятия, типа закрепления подушек в углах комнаты, так и устройство специальных «ловушек для басов» (типа резонатора Гельмгольца) для выравнивания нижней части АЧХ помещения. К сожалению, некоторые из этих методов требуют много места и в небольшой комнате не применимы по причине отсутствия для них пространства. В идеале, вы должны иметь комнату для прослушивания с объемом более 40 кубических метров, тогда будет гораздо легче настроить акустику помещения.

Есть много готовых великолепных решений, многие из которых на самом деле дешевле, чем создание собственных устройств. Но если вы хотите сами заняться акустическим обустройством помещения, досконально разобраться в его особенностях и возможностях, то это тема уже отдельной статьи и не одной.

Кандидат технических наук Д. МЕРКУЛОВ. По материалам зарубежной печати.

Качественного воспроизведения музыкальных произведений можно добиться, используя мощный усилитель с полосой, охватывающей весь звуковой диапазон, и колонки с равномерной амплитудно-частотной характеристикой. Но в домашних условиях этого мало. Восприятие звука, особенно на низких частотах, зависит от размеров и формы помещения, поскольку достаточно заметно обнаруживают себя такие явления, как акустический резонанс и реверберация, или, попросту, эхо. ЭТОТ ГРОЗНЫЙ РЕЗОНАНС

По качеству звука домашний музыкальный театр практически не уступает оперному.

Обертоны придают звуку особую окраску и определяют его тембр. Для примера показаны формы сигнала, содержащего первую и вторую гармоники (вверху) и первую и третью гармоники (внизу).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Распределение собственных частот помещений размерами 5,7x4,2x3 м (вверху) и 4,2x3,6x3 м (внизу) позволяет сравнить их акустические характеристики (для простоты амплитуды всех гармоник приняты одинаковыми).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Звуковые колонки домашнего музыкального театра можно устанавливать разными способами.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В малогабаритном помещении аппаратуру ДМТ целесообразно размещать в углу (вверху), а в большом - вдоль длинной стены (внизу).

На школьных уроках физики, когда изучают явление резонанса, часто приводят пример разрушения в январе 1905 года 47-метрового цепного Египетского моста через реку Фонтанку в Санкт-Петербурге. Тогда по нему промаршировал в ногу отряд военных. Обычно они делают 120 шагов в минуту, и эта частота (2 Гц) совпала с частотой собственных колебаний конструкции. С каждым шагом размах колебаний пролета увеличивался, и, наконец, мост не выдержал. Это событие произвело сильное впечатление еще и потому, что, по словам очевидцев, перед обрушением моста из окна соседнего здания раздался крик жившей там Марии Ильиничны Ратнер, которой надоел шум постоянно двигавшихся мимо воинских частей: "Чтоб вы все провалились!". Разумеется, это было чистым совпадением. Тем не менее впоследствии военным было запрещено проходить по мостам в ногу; появилась даже специальная команда: "Шагай вразнобой!". Однако природа еще не раз экзаменовала инженеров-строителей на знание законов физики. В 1940 году в США под ритмичными порывами ветра вошел в резонанс и рухнул подвесной 854-метровый Такомский мост, а 12 июня 2001-го, через два дня после ввода в эксплуатацию, был закрыт на 9,5 месяца 325-метровый лондонский мост Тысячелетия - его пришлось переделывать, чтобы нейтрализовать колебания, возникавшие от шагов случайных групп пешеходов.

ЧТОБЫ МУЗЫКА ЗВУЧАЛА

Звук - это колебания воздуха, распространяющиеся в виде областей сжатия и разрежения. И резонанс в акустике играет не менее важную роль, чем в мостостроении. Смычковые и струнные инструменты будут красиво звучать, только если материал, размеры и форма деки создадут условия для резонанса. На резонансе основан принцип звучания духовых и язычковых инструментов. Кстати, резонанс и в музыке временами становится причиной гибели предметов. До нас дошли рассказы очевидцев, наблюдавших, как трескались и разбивались хрустальные бокалы во время пения Федора Ивановича Шаляпина или итальянского тенора Франческо Таманьо.

Акустические свойства залов также заметно влияют на восприятие музыкальных произведений. Искусством строить помещения с отменной акустикой славились еще зодчие древности и Средневековья - чего стоит так называемая галерея шепотов в лондонском соборе Святого Павла, в которой голос собеседника, в каком бы месте галереи он ни стоял, слышен так, как будто он говорит тебе в ухо.

Сейчас музыку слушают не только в специально построенных для этого залах. Музыкальные центры (МЦ) и домашние музыкальные театры (ДМТ) стоят практически в каждой квартире, и важно знать, в каком помещении и как разместить аппаратуру, чтобы получить наилучший результат (см. "Наука и жизнь" №№ , , 2001 г.; № ).

ПОВЕРКА АЛГЕБРОЙ ГАРМОНИИ

За последние десятилетия в США и некоторых европейских странах разработаны относительно простые методики определения акустических параметров небольших залов и ДМТ, которые позволяют достоверно оценить качество помещений, предназначенных для прослушивания музыкальных произведений. Воспользоваться рекомендациями может даже человек, не имеющий специальной подготовки.

В акустике известен принцип, согласно которому нижняя граница частот (f ), отчетливо слышных в том или ином помещении, зависит от его объема (V ): чем он больше, тем ниже граничная частота. Многие специалисты до сих пор пользуются для оценок этой частоты давно известной формулой

f = v / 3 Ц V ,

где v = 340 м/с - скорость звука.

Например, комната длиной 5,7 м, шириной 4,2 м и высотой 3 м имеет объем 72 м 3 , и тогда частота f = 82 Гц. Указанная формула справедлива не только для прямоугольных помещений, но и для круглых, овальных и др.

Но кроме нижней граничной частоты на восприятие звукового сигнала влияют собственные частоты помещения, а их проще посчитать для прямоугольной комнаты, тем более что, как правило, домашнюю радиоаппаратуру и звуковые колонки устанавливают как раз в таких комнатах. Резонанс искажает звучание, ведь на резонансной частоте звук кажется громче, и на амплитудно-частотной характеристике в этой области появляется пик. Для возникновения резонанса достаточно, чтобы расстояние L между противоположными плоскостями комнаты было кратно половине длины звуковой волны l/2. Чем дальше отстоит одна стена от другой и пол от потолка, тем соответственно ниже резонансная частота F min . Иначе говоря, самая низкая резонансная частота в помещении прямоугольной формы f min = 340/(2L max), где L max - наибольшее измерение помещения (обычно его длина).

В нашем примере L max =5,7 м и нижняя резонансная частота f min =340/(2x5,7)=29,8 Гц. Другим измерениям (ширине и высоте) соответствуют резонансные частоты 40,5 и 56,7 Гц.

Однако музыкальный сигнал характеризуется не только частотой основного тона. Ведь не спутаешь между собой даже звучащие на одной ноте, скажем, скрипку и гобой или гитару и фортепьяно. У любого инструмента, в том числе у человеческого голоса, есть присущий только ему тембр. Дело в том, что музыкальный звук - сложный, в нем имеются частоты, кратные частоте основного тона. Эти дополнительные составляющие называются обертонами или высшими гармониками. Число и амплитуда обертонов и определяют тембр, то есть придают звуку его индивидуальную окраску. Чем больше обертонов, тем богаче звук. Высшие гармоники в комнате также будут резонировать. Значения частот некоторых из первых десяти гармоник приведены в таблице (см. илл. 1).

При частоте свыше 300 Гц резонансные частоты расположены так близко одна к другой, что ухо уже не в состоянии уловить резонансные пики. В идеале резонансные частоты для каждой гармоники должны быть смещены одна относительно другой на одинаковые значения. Тогда, накладываясь, они не будут создавать острых пиков и искажать амплитудно-частотную характеристику. Правда, добиться этого на практике крайне трудно.

С этой точки зрения самой неблагоприятной оказывается квадратная комната (еще хуже комната, у которой все измерения одинаковы, то есть кубическая). Здесь резонансов меньше, но они ярче выражены. То же касается комнат, измерения которых оказываются кратными, например, ее высота (2,5 м) в два раза меньше ширины (5 м) или в три раза меньше длины (7,5 м).

Если есть помещения с такими соотношениями размеров, которые не позволяют достичь хорошего звучания, то здравый смысл подсказывает, что возможен и обратный вариант, то есть комнаты с оптимальными пропорциями, обеспечивающими равномерное распределение резонансных частот.

Примерно 40 лет назад американец М. Лауден (M. Lowden) выяснил, в каких случаях в помещении можно добиться качественного воспроизведения музыкальных произведений. Полученные результаты он свел в таблицу. В ней ширина и длина помещения указаны относительно высоты, принятой за единицу. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики помещения увеличивается с ростом номера строки таблицы (см. илл. 2).

Если задать конкретные значения для измерений комнаты, скажем, принять высоту равной 3 м, то для варианта в 1-й строке получим размеры комнаты 3x4,2x5,7 м, которые мы уже использовали в качестве примера. По Лаудену, в таком помещении качество воспроизведения будет наивысшим. Для сравнения рассмотрим вариант помещения из 10-й строки таблицы Лаудена (см. илл. 3).

Для наглядности воспользуемся графическими изображениями спектров частот. Помещение размерами 3x3,2x4,6 м по распределению резонансных частот на первый взгляд кажется предпочтительным: частоты выглядят более упорядоченными. Однако заметно, что в нашем первом примере больше гармоник в области до 300 Гц, а нижняя частота 19,8 Гц находится ближе к порогу слышимости (18-20 Гц).

ЭХО БЫВАЕТ НЕ ТОЛЬКО В ГОРАХ

На субъективное восприятие музыкального произведения влияет и такое явление, как реверберация. Однако наша физиология такова, что запаздывание отраженных от стен звуковых волн по сравнению с прямой волной примерно на 30 мс ухом не воспринимается. Это означает, что эффект эха возникает, только если отраженная волна пройдет на 10 м больше, чем прямая. В жилых помещениях это возможно только при многократном отражении сигнала от стен - все мы отмечали гулкий звук, характерный для пустой комнаты, из которой вынесена мебель. При воспроизведении нижних частот из-за реверберации басы либо "бубнят", либо, напротив, пропадают в зависимости от возникающей разности фаз. В данном случае следует увеличить звукопоглощение стен: положить на пол и повесить на стены ковры, задернуть шторы на окнах, поставить дополнительную мебель (диваны, кресла), цветы в горшках. К слову, фанаты высококачественного звука, готовые пожертвовать уютом ради высокого качества звучания, прежде обивали стены "музыкальной" комнаты картонными упаковками для яиц.

МАЛЕНЬКИЕ ХИТРОСТИ ДЛЯ МЕЛОМАНОВ

Определенную роль в увеличении числа собственных частот и лучшего их распределения по спектру играют непараллельные стены и скошенные потолки. Надо также учитывать, что голые стены усиливают не только реверберацию, но и резонанс. Поэтому меры по увеличению звукопоглощения дают двойной эффект. Желательно, чтобы комната для аудиовизуального досуга имела такой объем, чтобы ее нижняя частота была ниже указанной в технических данных на усилитель и колонки.

При размещении звуковых колонок в комнате для домашнего музыкального театра следует руководствоваться несложными правилами, учитывающими повышенную "ранимость" басов. Звуковые колонки сферической формы или с узкой передней панелью имеют широкую диаграмму направленности (см. "Наука и жизнь" № ). Поэтому геометрия помещения и расстояние их от стен практически не влияют на звучание. Напольные или укрепленные на стойках акустические излучатели, не имеющие заднего фазоинвестора, можно устанавливать на расстоянии 30-40 см от стены. Для колонок с фазоинвестором это расстояние должно быть побольше, до 50-70 см.

При прослушивании популярной или классической музыки любители обращают особое внимание на локализацию отдельных голосов. В этом случае нужны колонки с широкой передней панелью. Для получения стереофонического эффекта громкоговорители следует разнести на 1,2-2 м, а расстояние от них до слушателя должно быть на 20-30% больше.

Звуковые колонки ДМТ целесообразно выдвинуть на 0,1-0,3 м к слушателю относительно плоскости телевизионного экрана, а перед началом прослушивания следует закрыть двери и окна, обеспечив условия "закрытого ящика".

Тем, кто интересуется звуковоспроизведением и планирует устроить помещение под ДМТ, наверное, было бы интересно проанализировать его по методике Лаудена. С помощью компьютера можно найти в таблице выгодные решения и рекомендовать их затем читателям журнала "Наука и жизнь", прислав в редакцию до 1 мая 2006 года описания своих ДМТ.

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

Расположение громкоговорителей в комнате прослушивания
и комнатные моды

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

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

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

f = (c /2)·(√(n x / L x ) 2 +( n y / L y ) 2 +( n z / L z ) 2)

где n x , n y и n z - целые числа, а L x , L y и L z - это соответственно длина, ширина и высота помещения.

Для вычисления всех мод необходимо перебрать все возможные комбинации из трех целых чисел N x , Ny, N z . На практике же достаточно вычислить только низкочастотные моды, т.е. ограничиться максимальным значением N = 4.

Существует три типа резонансных мод - аксиальные, тангенциальные и наклонные (косые).

Аксиальные моды возникают между парой противоположных стен вдоль одного из размеров комнаты стен вдоль одного из размеров комнаты.

Наклонные (или косые) моды возникают при участии всех шести внутренних поверхностей комнаты.

Аксиальные моды, как правило, являются самыми интенсивными из всех и при определенном допущении для оценки распределения комнатных ре- зонансов можно пренебречь влиянием тангенциальных и косых мод. Рассчитать аксиальные комнатные моды можно вручную, а также с помощью несложного акустического online калькулятора (http://www.acoustic.ua/forms/calculator7_1.html).

В помещениях небольшого размера влияние комнатных мод продлевает время затухания звука и увеличивает неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Основные проблемы возникают на НЧ из-за сравнительно низкой плотности резонансных мод в диапазоне 40-300 Гц.

Наличие резонансных мод в помещении приводит к нежелательному окрашиванию звука и появлению ярко выраженных дефектов тонального баланса. Фонограмма приобретает характерное «коробчатое» звучание.

Проектировщики студий звукозаписи и музыкальных комнат стараются решить эту проблему путем использования комнат с соответствующими пропорциями, располагая слушателей и громкоговорители в нужных местах, а также применяя специальные низкочастотные поглотители.

Выбор «правильных» комнатных пропорций позволяет значительно снизить влияние комнатных резонансов и ослабить слышимое воздействие мод.

За последние десятилетия было предложено большое количество подходов к поиску оптимальных соотношений размеров комнат. В большинстве своем в этих методиках стремятся избежать случаев, в которых повторяющиеся моды располагаются в узком диапазоне частот.

Тангенциальные моды образуются, когда звуковая волна многократно переотражается четырьмя поверхностями, пары которых параллельны друг другу.

Многие известные акустики занимались данной проблемой. В результате, в практике архитектурной акустики устоялось несколько наиболее удачных соотношений комнатных размеров.

В 1996 году после серии исследований, проведенных в инженерном департаменте ВВС (Research Department Engineering Division of ВВС), Роберт Волкер (Robert Walker ) разработал критерий качества музыкальной комнаты, основанный на вычислении среднеквадратичного расстояния между модальными частотами. Этот метод позволяет получить ряд практичных и почти оптимальных размеров комнаты. В 1998 году формула, предложенная Волкером, была принята в качестве стандарта Европейским Радиовещательным Союзом (European Broadcasting Union , TR R 22, 1998) и Международным Телекоммуникационным Союзом (International Telecommunication Union ITU - R BS .1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студийных помещений и музыкальных комнат прослушивания.

Соотношение выглядит следующим образом:

1.1 w / h <= l / h <= 4.5 w / h - 4, l / h < 3, w / h < 3 где l - длина, w - ширина, h - высота помещения. Кроме того, должны быть исключены целочисленные отношения длины и ширины помещения к его высоте в пределах +/- 5%.

Интерактивный калькулятор для расчета оптимальных размеров комнаты прослушивания доступен по ссылке http :// www . acoustic . ua / forms / calculator 7_1. html .

Описанная формула позволяет рассчитать не идеальные, но вполне приемлемые соотношения линейных размеров студийных помещений, контрольных комнат и музыкальных комнат прослушивания с точки зрения уменьшения влияния низкочастотных резонансов.

Тем не менее, очень часто приходится иметь дело с комнатой, форму которой изменить уже невозможно. В этом случае важным инструментом для снижения влияния комнатных резонансов является правильное взаимное расположение акустических систем относительно друг друга, ограждающих конструкций и зоны прослушивания.

В практике критического прослушивания существует несколько подходов к расстановке акустических систем в помещении. Один из них был разработан Джорджем Кардасом (George Cardas) на основе реализации принципа «золотого сечения». Данная методика применима к любым корпусным акустическим системам, в случае их размещения в любом прямоугольном симметричном помещении с сопоставимыми размерами. В правильности такого подхода можно легко убедиться путем непосредственного прослушивания без использования специальной аппаратуры.

Установка акустических систем в замкнутом помещении приводит не только к возбуждению комнатных мод, но и к возникновению интерференционных искажений, обусловленных взаимодействием прямого звука громкоговорителей с отражениями звуковых волн от ограждающих конструкций (так называемый SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). При этом, из сигнала, доходящего до зрителя, исчезает полезная информация в целом наборе информационно- значимых частотных полос, что сильно искажает тональный баланс исходной фонограммы. Частоты, на которых возникает нежелательное акустическое взаимодействие, пропорциональны расстоянию от громкоговорителей до стен помещения и в основном находятся в диапазоне 50-250 Гц.

На звучание стереосистемы более всего влияют искажения, обусловленные взаимодействием (в порядке значимости):

Громкоговорителя с ближайшей боковой стеной;

Громкоговорителя с фронтальной стеной;

Громкоговорителя с дальней боковой стеной.

Рассмотрим варианты размещения акустических систем в комнатах различной формы и методы борьбы с нежелательными акустическими дефектами.

Комната прослушивания с продольной ориентацией

Использование принципа «золотого сечения», позволяет расположить громкоговорители в музыкальной комнате таким образом, чтобы рассогласовать частоты, на которых проявляются акустические дефекты, а также исключить или значительно уменьшить унисон вредных резонансов. Для того, чтобы расположить корпусные акустические системы в прямоугольном симметричном помещении в соответствии с принципом «золотого сечения» необходимо запомнить две простые формулы:

Расстояние от центра низкочастотного громкоговорителя до боковой стены:

Ширина помещения RW, (м) х 0,276

Расстояние от центра низкочастотного громкоговорителя до фронтальной стены:

Ширина помещения RW, (м) х 0,447

После того, как громкоговорители в помещении расставлены по принципу «золотого сечения», необходимо выбрать позицию слушателя в ближнем звуковом поле. Месторасположение слушателя определяется только расстоянием между центрами громкоговорителей и не связано с размерами самого помещения.

В общем случае оба громкоговорителя и голова слушателя должны быть расположены в вершинах равностороннего треугольника. Длина стороны треугольника должна быть равна расстоянию между громкоговорителями. Важность симметричного расположения акустических систем в маленькой комнате нельзя переоценить. Когда громкоговорители расположены согласно принципу «золотого сечения», необходимо их немного развернуть в сторону слушателя. Это можно сделать, полагаясь на слух. Обычно достаточно разворота громкоговорителей в пределах 5-6 градусов. Корпусные громкоговорители обычно требуют немного большего угла разворота, чем панельные.

Расположение слушателя в ближнем поле обеспечивает прекрасную стерео- панораму. Этот прием, как правило, используется в студиях звукозаписи. Тем не менее, это не является универсальным рецептом для музыкальных комнат прослушивания. Очень часто удаление точки прослушивания от плоскости размещения акустических систем бывает более предпочтительным для создания реалистичной звуковой сцены. Оптимальное расстояние «с» может иметь значение в пределах 0,88-1,33 относительно расстояния между фронтальными громкоговорителями.

Комната прослушивания в форме «золотого кубоида»

Комната прослушивания в форме «золотого кубоида» имеет размеры:

h х 1,62 h х 2,62 h , где h - это высота помещения. Соотношения между линейными размерами такой комнаты соответствуют принципу «золотого сечения» или иррациональной последовательности чисел Фибоначчи. С точки зрения акустики комната в форме «золотого кубоида» обладает одним замечательным свойством. Так как основные резонансные частоты помещения отличаются друг от друга в соотношении «золотого сечения» (пропорционально размерам комнаты), то взаимодействие стоячих волн (всех типов!!!) не увеличивает, а, наоборот, частично компенсирует неравномерность звукового поля. Это приводит к более естественному звуковосприятию в помещениях малого объема (менее 100 м3) на низких частотах.

Для вычисления месторасположения громкоговорителей в музыкальной комнате, выполненной в форме «золотого кубоида» можно воспользоваться методом отношений или числами Фибоначчи. Оба способа вычислений приводят к одинаковому результату.

Комната прослушивания с поперечной ориентацией

Если акустические системы в прямоугольной комнате прослушивания расположены вдоль длинной стены, во фронтальных углах помещения необходимо начертить прямоугольники в пропорции «золотого сечения».

Квадратная комната прослушивания

Если Вам не повезло и у вас квадратная комната прослушивания, так же, как и в предыдущем случае, во фронтальных углах комнаты нужно начертить «золотые» прямоугольники и провести через них диагональные линии. Громкоговорители необходимо располагать вдоль этих линий.

Выполнение этих несложных рекомендаций, основанных на применении гармонического принципа «золотого сечения», позволяет без каких бы то ни было затрат значительно улучшить звучание звуковоспроизводящей аппаратуры в любом симметричном помещении прямоугольной формы. Однако, необходимо отметить, что вышеизложенные рекомендации не являются панацеей от всех акустических несчастий, а касаются только коррекции дефектов, вызванных, прежде всего, влиянием нежелательных комнатных резонансов. Но это та база, основываясь на которой можно выстроить прекрасно звучащую стереосистему, дарящую радость и удовольствие своему владельцу.

15.03.2007, 16:02

Имеется акустика (небольшие напольники), и имеется офигенный резонанс на 55 герц (ширина комнаты 3,25 м., длина 5,62 м., колонки стоят вдоль длинной стены, примерно в 60 см. от стены, место прослушивания - практически у стены - тут вариантов нет). Из мебели - диван, кресло, телевизор и небольшой стеллаж. Ковер на полу.

Придвигая - отодвигая акустику от стены, заглушая фазоинвертор особого улучшения достигнуть не получается.

Может поможет бас-клинер? Как его расчитывать - может есть какие то программы? Либо попробовать еще какие то способы?

Заранее благодарен всем откликнувшимся на мою просьбу. Думаю, эта проблема часто встречается в наших мелких комнатенках:-)

15.03.2007, 16:52

Подскажите, пожалуйста, относительно простые и малозатратные способы минимизации комнатных резонансов (если они есть)..Нет!
Впрочем можно сложить до потолка в углах комнаты пустые картонные каробки:)

Может поможет бас-клинер? Как его расчитывать - может есть какие то программы? Либо попробовать еще какие то способы?Его размеры в четверть комнаты Вас огорчат.

Заранее благодарен всем откликнувшимся на мою просьбу. Думаю, эта проблема часто встречается в наших мелких комнатенках:-)Ничё - се 18м - маленькая, народ в 12-14 м пытается напольники ставить - получается.
Потусуйтесь: http://www.acoustic.ua/Article_225.html (http://www.acoustic.ua/Article_225.html)

15.03.2007, 17:23

Имеется акустика (небольшие напольники), и имеется офигенный резонанс на 55 герц... Скажите - а какие напольники?
Как они на полу размещены (шипы, плита и пр.)?
Какой пол в комнате (конструктивно)?
Как Вы определили, что на 55 Гц?
И что значит - офигенный?

16.03.2007, 17:06

Швейк, спасибо за ссылку. Обязательно посмотрю. Насчет размещения вдоль короткой стены - т.к. комната используется не только для аудио, такое размещение пока невозможно. Я бы и рад попробовать, но ограничен в возможностях...To Viktor - напольники Monitor Audio Silver RS 5. Размещены на 9-кг плитах (тротуарные 30х30) + шипы родные, пробовал ставить и без плит. Пол бетонный (обычная панельная 5-этажка) + линолеум толстый.Определил, что 55 герц по тестовому диску из "Салон AV" (там есть трек с нарезкой от 20 до 150 герц).Офигенный - это когда 40 гц и 60 гц - значительно тише, а на 55 на уши давит.

16.03.2007, 17:44

Офигенный - это когда 40 гц и 60 гц - значительно тише, а на 55 на уши давит.Странно это... .
Считается, что Monitor Audio Silver RS 5 снизу по нормальному начинают работать с ~70-80 Гц.
Но... ежели факт -
Из дешевых методов к пустым коробкам Швейка можно еще добавить ячеистые картонки для яиц, но... не эстетично:-).
Фирменные не дешевы.
Простых программ для расчета акустики помещений я не знаю.
При необходимости пользуемся программами CARA (http://www.cara.de/). Эта же компания, кстати, производит и аудиоабсорберы для разных частот (но в цене...).
Вам может помочь установка еще какой-нибудь мебели - кресел мягких, полок с книгами.

26.03.2007, 05:39

А ещё вам может помочь параметрический эквалайзер.Только хороший стоит дорого, но если вы не особенный эстет...вдруг.

Можно и графическим "подрезать низы".Возможно, там при убавлении на пару децибел проблема решится, а возможно и все 12 не помогут.По-разному бывает, здесь только экспериментировать.

26.03.2007, 11:28

Не там ищете решение проблемы, дорогие мои!
Все очень просто.
Не стоит стараться понять явление резонанса и тем более регулировать АЧХ.
Важнее в Вашем случае явление ЭХО (иногда называемое реверберацией). Оно минимизируется простой драпировкой стен тканью собранной в "гармошку". Юбки плиссе помните? Тогда нарисуйте на бумаге символ греческого алфавита "омега" и сплющите ее сверху вниз почти до плоского вида. Вот по такой форме и надо прикреплять ткань на всю высоту помещения. Канцелярским степлером по деревянной обрешетке из реек толщиной 30-50 мм. Между тканью и стеной должен быть зазор - воздух в замкнутом пространстве тоже демпфер. Ткань любая, не синтетик.
Многократное отражение звука (стена-то мягкая и не плоская) будет исключено, басы не будут гулкими, высшие гармоники будут подавлены. Звук будет чистым.
По эффективности подавления тканевая драпировка немного уступает ячейкам от яиц. Зато красивее.

Но надо ли так изощряться в собственной квартире?
Так поступают в репетиционных помещениях для оркестров, чтобы явнее слышались плохое интонирование и не грамотная аранжировка.

Может проще слушать на меньшем уровне громкости?

26.03.2007, 16:31

Подскажите, пожалуйста, относительно простые и малозатратные способы минимизации комнатных резонансов (если они есть).
:-)

Я вырезаю резонансы параметрическим эквалайзером.

18.04.2007, 02:09

Решение одно - выносите ваши напольники дальше от стены. Хотя бы на 1,5 м. И попробуйте закрыть фазоинверторы, если таковые имеются.
Я считаю, что в ОБЫЧНОЙ жилой комнате НЕ НАДО предпринимать специальные акустические меры. Благоразумно, конечно при возможности, для этого выделить отдельную комнату, как сделал я. Но тут уже отдельная тема.

18.04.2007, 02:14

Кстати, о напольниках.
Уж насколько я не люблю бюджетные напольники, но недавно был приятно удивлен звуком новой французской акустики highland. Классика, джаз - ШИКАРНО! Рок - ужасно.
Рекомендую, послушать. ;)

18.04.2007, 17:13

и имеется офигенный резонанс на 55 герц Извините простодушного дилетанта, а не могут быть те 55 герц просто влиянием сети электропитания?

25.04.2007, 22:45

Эффективно изменить акустическую обстановку в комнате для 50 герц малореально. Попробуйте затыкать отверстие фазоинвертора, сначала рыхлым синтепоном, постепенно увеличивая плотность затычки.

Мусатов Константин

28.04.2007, 21:01

Резонанс 55 Гц - основной резонанс и никакими ячейками или драпировками не лечится. Хотя общее демпфирование помещение нужно, но это другой вопрос. Лучший способ борьбы с основным резонансом - размещение АС. С большой вероятносью, надо пытаться поставить АС как можно ближе к стене. Если сзади есть порт фазика, то в него вставить легкий параллон. Далее надо подобрать расстояние между АС так, что бы пик 55Гц был бы минимален. По дискретным частотам с тестового диска судить о настройке тяжело, поскольку могут возбуждаться другие частоты. Лучше найти свип тон.

15.09.2007, 14:08

У мненя похожая проблема, только частота пониже - 41Гц.
Что я только не делал - "плавающий пол", акустический потолок, фальшстену из 2х слоев гипсокартона 12мм и минваты и брусков, в двух углах комнаты сделал полки для CD из гипсокартона минваты и брусков.
Аппаратуру менял, Колонки "Jamo C809" таскал по комнате в поиске наименьшего нч резонанса.
Устал......
Наберусь сил и еще что нибудь сделаю, может большой диван куплю.
Слышал про нч рассеиватели, но не знаю как их расчитать и из чего сделать.
Если кто-то знает подскажите пожалуйста.