18 декабря 2018 года


Loudspeakers and Rooms – Working Together
Часть 2, окончание


01.12.2006 Граждане аудиофилы! Бросьте заморачиваться кабелями. Лучше поэкспериментируйте с расстановкой АС и акустической подготовкой комнаты, это не стоит денег и влияет на звук гораздо сильнее! Перед вами – вторая часть статьи, в которой вы, возможно, сможете почерпнуть полезные данные для своих экспериментов.
Версия для печатиВерсия для печати
Оглавление:

1. Страница 1
2. Страница 2
3. Страница 3

2.2 Расстановка громкоговорителей и размещение слушателя

   На воспроизведение низких частот оказывают влияние:
   1) Взаимодействие громкоговорителя с соседними стенами и
   2) Взаимодействие с комнатными модами

   Эти соображения часто учитывают при обсуждении расстановки громкоговорителей в комнате, но не менее важно согласовывать расстановку АС с размещением слушателя в комнате.


Рис. 4. На этом рисунке размер литер, обозначающих те или иные стоячие волны, соответствует их значимости для субъективного восприятия звука.

   Хотя мы будем обсуждать эти два момента по отдельности, важно понимать, что это не означает их независимости друг от друга. Возможно, самый короткий путь к пониманию концептуального различия – думать о проблемах, которые создают стены, рядом с которыми расположены громкоговорители – первые отражения от них влияют на восприятие звука, излучаемого непосредственно АС. Комнатные моды появляются в результате многократного отражения от этих поверхностей, а также и от других.


2.2.1 Взаимодействие громкоговорителя с ближайшими поверхностями

Сноска 1

R. F. Allison, “The Influence of Room Boundaries on Loudspeaker Power Output”, J. Audio Eng. Soc., vol. 22, pp. 314-319 (1974 June).

R. F. Allison, “The Sound Field in Home Listening Rooms, II”, J. Audio Eng. Soc., vol. 24, pp. 14-19 (1976 January/February).

R. V. Waterhouse, “Output of a Sound Source in a Reverberant Sound Fields”, J. Acoust. Soc. Am., vol. 27, pp. 247-258 (1958 March).

R. V. Waterhouse, “Output of a Sound Source in a Reverberation Chamber and other Reflecting Environments”, J. Acoust. Soc. Am., vol. 30, (1958 January).

R. V. Waterhouse and R. K. Cook, “Interference Patterns in Reverberant Sound Fields II’, J. Acoust. Soc. Am., vol. 37, pp. 424-428 (1965 March).

   Полезную информацию о влиянии ранних отражений на звук можно найти в трудах Элисона, Ватерхауса, а также Ватерхауса и Кука (сноска 1). Эти эффекты оказывают определяющее влияние на воспроизведение акустикой низких частот в помещении для прослушивания. Значимость эффектов хорошо показана в работе Эллисона. Смотрите рисунок 5.

   Основная кривая графика АЧХ получена при измерении, сделанном в свободном поле (точнее, в заглушенной камере без всяких отражающих поверхностей – как будто АС находится на открытом воздухе, вдалеке от любого объекта, включая землю). В такой ситуации звук излучается сферически во все стороны, под углом 4(пи) стерадиан. Размещение громкоpговорителя на полу уменьшает этот угол вполовину, при этом звуковое давление на низких частотах вырастет на 6 дБ, поскольку звук, который ушел бы в перекрытом полом направлении, отразится от него и добавится к излучаемому в других направлениях. Установка системы на полу и возле стены (backing it up against the wall) сокращает угол излучения еще вдвое, до 1(пи) стерадиан, в результате чего звуковое давление возрастает до 12 дБ. Установка громкоговорителя в углу помещения уменьшает угол до ½(пи) стерадиан, а давление в области НЧ поднимается еще на 6 дБ. В отличие от увеличения давления, достигаемого за счет повышения мощности сигнала усилителем, этот прирост давления не связан с увеличением нагрузки на АС, так что его можно выгодно использовать в своих интересах. В комнате, стены которой не абсолютно отражают звук, прибавка к давлению будет несколько меньшей, но все равно существенной.


рис. 5

   Неприятный побочный эффект проявляется главным образом в области верхнего баса и нижнее-средних частот. Если у системы отдельный сабвуфер, это не будет большой проблемой. Однако для громкоговорителей с широким рабочим диапазоном найти достойный компромисс между хорошим воспроизведением баса и качественной передачей звукового образа гораздо сложнее, а иногда и вовсе невозможно. Готовых решений по достижению компромисса нет, нужно экспериментировать. Выгоды при инсталляции – одно из главных преимуществ систем с сабвуфером перед двухканальными системами.

   Стремясь уменьшить влияние помещения, некоторые производители сразу закладывают поправку на влияние пола и находящейся рядом стены при проектировании громкоговорителя. Это решение уменьшает количество вариантов расстановки АС в комнате, но зато уменьшает негативное влияние помещения на звуковое поле.

   Для достижения этого эффекта разработчики работают со звуковой мощностью и звуковым давлением. Правильно использовать, конечно, оба параметра в различных ситуациях. Хорошее объяснение взимоотношений этих двух параметров можно найти в разделе 1.4.3. моей статьи Principles of Sound and Hearing, вошедшей в книгу Audio Engineering Handbook. При оценке влияние ранних отражений хорошо использовать уровня звукового давления, поскольку уши в первую очередь реагируют на звуковое давление, и психоакустичсекие взаимоотношения привязаны к нему же. Уменьшение угла излучение вдвое, произошедшее в результате влияния пола, приведет к изменению звукового давления на 6 дБ.

Рис 6. Иллюстрация волновых эффектов
Эффект появляется из-за того, что звук распространяется как волны давления. В верхней части рисунка нарисовано, как распространяется звук от громкоговорителя и от ближайших к нему поверхностей, и как прямое излучение и эти ранние отражения достигают ушей слушателя. В нижней части схематично обозначены стоячие волны помещения, возникающие между передней и задней (по отношению к слушателю) стеной. Мода 1,0,0 (первого порядка) имеет один минимум давления, приходящийся на середину комнаты, мода (2,0,0) имеет два минимума.

   При обсуждении углов излучения АС мы уже упоминали, что звуки с большой длинной волны (низкочастотные), отраженные от соседствующих с громкоговорителем поверхностней, примешиваются к прямому излучению, поскольку и те, и другие волны достигают ушей слушателя почти одновременно. Со звуками более высокой частоты такое происходит не всегда. На одних частотах отраженные и излучаемые непосредственно динамиком волны будут складываться (конструктивная интерференция), на других – вычитаться (деструктивная интерференция), все зависит от частоты (длины волны) и расстояния до слушателя. Для того, чтобы это произошло, должны, конечно, присутствовать прямой и отраженный звук. В такой ситуации, мы может измерить этот эффект, известный как (comb filtering) (из-за «зубообразной» цикличности регулярно повторяющихся интерференций).


рис. 7

   Рисунок 7. Два последовательно происходящих акустических события, то есть прямой и отраженный звук, воспринятые измерительной аппаратурой, которая рассматривает оба импульса как единое статичное состояние, и ухом, которое улавливает различие и вследствие (психоакустического) эффекта маскировки воспринимает отраженный, вторичный звук как более тихий. Субъективно это акустическое событие не настолько неприятно, как могло бы показаться, глядя на измерения. На продолжительных звуках comb filtering эффект, конечно, будет более заметен, и здесь результаты измерений гораздо больше соответствуют воспринимаемому эффекту.

   На рисунке 6 показано распределение звукового давления стоячих волн, образовавшихся поперек комнаты на тех частотах, на которых ширина комнаты равна полудлине (1,0,0) звуковой волны и длине (2,0,0) звуковой волны. Заметим, что первый минимум всегда находится на расстоянии четверти длины волны от отражающей поверхности. Заметим также, что звуковое давление в чередующихся точках максимума в каждый момент времени имеет разную полярность. Это означает, что когда звуковое давление в одной точке максимума нарастает, в другой оно убывает. Запомните этот факт, пожалуйста, он нам пригодится.

2.2.2 Взаимодействие с комнатными модами

   Комнаты в домах обычно прямоугольны. Однако на этом сходства между ними в большинстве случаев заканчиваются. Ничто не стандартизовано, и небольшие различия формы, размещения дверей, окон, перекрытий, крупной мебели и т.п. гарантируют, что в каждой отдельно взятой комнате мы получим разные проблемы.

В области низких частот можно достаточно точно предсказать тот эффект, который окажет на звук комната, но структура более высокочастотной стоячей волны часто теряется в беспорядке. Следующие простые примеры нам помогут.


рис. 8. Вид комната прослушивания с распределением в ней звукового давления стоячей волны первого порядка (1,0,0), возникающей по длине комнаты.

   Обратите внимание, что звуковое давление оказывается наибольшим возле отражающих поверхностей – в тех самых местах, где волна меняет направление – и что скорость частиц воздуха возле отражающей поверхности минимальна, где воздушные молекулы оказываются прямо напротив стены. Взятый для этого примера громкоговоритель имеет фазоинверторное акустическое оформление, либо ЗЯ, и является источником давления. Такой излучатель акустически «воссоединяется» с модой, когда он расположен в области высокого давления. В этом случае громкоговоритель будет взаимодействовать с модой с эффективностью, близкой к максимальной.

   Слушатель располагается так, что сможет услышать влияние этой моды, однако он находится не в точке максимума. Возможно, зря - прирост давления на этой частоте мог бы оказаться весьма кстати. Если бы слушатель находился в точке минимума давления (нуле), он не смог бы услышать звуки с частотой 16 Гц даже в том случае, если громкоговоритель воспроизводит эту частоту и хорошо «подпитывает» соответствующую моду.


рис. 9. Та же комната. Распределение звукового давления и скорость частиц для моды второго порядка (2,0,0), возникающей по длине комнаты.

   Интересно, что если бы громкоговоритель был диполярным (dipole), то он не являлся бы источником звукового давления, а был бы только источником скорости воздушного потока, и максимально подпитывал бы моду в том случае, если бы АС находилась в скоростном максимуме – в центре комнаты. Из этого нетрудно сделать вывод, что та расстановка, которая хорошо подойдет для громкоговорителя диполярного типа, будет плохой для обычной АС – по крайней мере, в отношении низких частот.

   А вот на частоте 32 Гц слушатель находится в минимуме давления, так что звуки на 32 герцах он не услышит. Например, если он захочет насладиться органом в начале 2001 (R. Strauss: Also Sprach Zarathustra / Штраус, Так говорил Заратустра), то будет серьезно разочарован. Проблему позволит решить небольшое перемещение кресла вперед или назад. Очень полезно рассчитывать моды до второго-третьего порядков и размещать кресло так, чтобы оно не оказывалось ни в одном из нулей.


рис. 10. Иллюстрация показывает распределение звукового давления и скорости волны для моды первого порядка (0,1,0), возникающей поперек комнаты.

   На десятом рисунке мы видим одновременно и проблему, и решение. Слушатель находится в нуле моды первого порядка, однако правая и левая АС находятся в разных лепестках стоячей волны, с разными полюсами.

   В нижней части звукового диапазона сигнал обычно монофонический, (одинаковый в обоих каналах). Абсолютно справедливо это утверждение для винила: ошибка комбинирования басового сигнала приведет к тому, что игла будет подброшена вверх со звуковой дорожки. Вообще-то, это хорошая практика – использовать на басу монофонический сигнал. У акустических систем для домашнего кинотеатра существует отдельный канал низкочастотных эффектов, так что вариантов там нет. Когда же два громкоговорителя установлены в каждом из лепестков стоячей волны, эта волна не получает энергии. Поскольку громкоговорители излучают один и тот же сигнал в фазе, а лепестки имеют разную полярность, волны в фазе и противофазе гасят друг друга.


Рис 11. Иллюстрация показывает распределение звукового давления и скорости волны для моды второго порядка (0,2,0), возникающей поперек комнаты.


   До сих пор, решая проблемы стоячих волн, мы чувствовали себя комфортно и находили простые и хорошие решения, однако на этот раз все не так радужно. Слушатель находится в зоне высокого давления моды второго порядка, а громкоговорители размещены в зоне лепестков с одинаковой полярностью, так это эта стоячая волна будет слышна очень хорошо. Чтобы решить проблему, можно сдвинуть колонки поближе друг к другу, чтобы они оказались поближе к нулям этой моды (или вообще установить их в нулях). В результате, конечно, пострадает ширина звуковой сцены, что никому не понравится. В этой ситуации очень помогла бы система с сабвуфером – низкочастотный излучатель можно было бы установить оптимально для баса, без ущерба для звуковой сцены.





Рис. 12 Иллюстрация показывает распределение звукового давления и скорости волны для моды первого порядка (0,0,1), возникающей по высоте комнаты.

У двухканальных систем существует место, в котором стереоэффект оптимален, звуковая сцена фокусируется наилучшим образом (т.н. sweet spot). Многоканальные системы способны обеспечить объемный звук для нескольких слушателей, однако при этом все будут слышать разный звук – по крайней мере, на низких частотах, так как давление горизонтальных мод в разных частях комнаты разное. Однако в вертикальной плоскости распределение будет одинаковым. Если есть возможность варировать высоту потолка (как вариант, высоту стоек и кресла), лучше сделать так, чтобы головы слушателей не находились посередине между потолком и полом.


Рис 13. На этой иллюстрации схематически показано, как стены комнаты, которые способны поглощать низкочастотной звуковой энергии, могут качество звукового поля в комнате на определенных частотах. Стены с хорошим НЧ-звукопоглощением были бы особенно уместны в домашнем кинотеатре, чтобы все присутствующие могли слышать одно и то же.

   Акустическое поглощение стенами комнаты удаляет часть низкочастотной энергии из звукового поля. Эта потеря энергии уменьшает ту звуковую мощность, которую способно обеспечить помещение. С одной стороны это вроде как плохо, потому что требует подведения большей мощности к низкочастотному громкоговорителю со всеми вытекающими последствиями, с другой стороны – хорошо, так как уменьшается добротность комнатных резонансов, и максимумы и минимумы стоячих волн становятся менее выраженными (см. рис 13). Нули в помещениях – отнюдь не самое приятное явление. Звукопоглощение также позволяет контролировать реверберацию на низких частотах, устраняя комнатное бубнение в области баса. Диафрагменное, или мембранное звукопоглощение стенами комнаты – один из немногих механизмов поглощения энергии в области самых низких частот. Многочисленные дополнительные акустические устройства не могут эффективно решать задачу поглощения звуковой энергии в самой нижней части спектра, где звуковые волны наиболее проблематичны.

2.2.3 Сталкиваясь с проблемой

   Ясно, что настройка басового баланса громкоговорителей может быть достигнута за счет выбора позиции громкоговорителей и места прослушивания в комнате. От этого же зависит и тембральный баланс звукового поля. Влияние комнаты прослушивания на звук также может быть доминирующим. Так как базовые физические механизмы этого явления сводятся к влиянию стоячих волн и ранних отражений, влияние помещения в некоторой степени можно контролировать и использовать в своих целях.

   Вот несколько средств, которыми мы располагаем:
   - Акустическое взаимодействие громкоговорителей со стенами и стоячими волнами помещения можно варировать, перемещая громкоговорители.
   - Влияние комнаты на слушателя можно подвергать изменению, меняя местоположения точки прослушивания
   - Можем изменять расположение слушается и громкоговорителей одновременно.
   - Можно изменить сигнал, идущий на громкоговорители, то есть прибегнуть к помощи эквализации
   - Акустически модифицировать комнату, убрав молотки и пилы (трудно понять, что имеет в виду автор: то ли использование звукопоглощающих материалов, которое позволит устранить «зубообразные» циклические интерферении прямого и отраженного звука, то ли он говорит о необходимости убрать из комнаты звенящие и бряцающие предметы, которые будут резонировать на частотах, кратных их собственной резонансной частоте – прим. переводчика).

   Каждая из этих модификаций будет иметь и свои выгоды, и побочные эффекты – визуальные, акустические и экономические.