Акустика помещения: от теории к практике

Многие из нас в определенный момент задумываются об апгрейде акустики помещения, ведь это и вправду весьма интригующий вопрос: может ли условная тысяча долларов, потраченная на звукопоглощающие и звукорассеивающие материалы, оказать более положительное влияние на качество звука, чем приобретённый за ту же сумму новый кабель или картридж для звукоснимателя?

Пожалуй, на этот вопрос нет однозначного ответа, поскольку аудиосистемы и комнаты прослушивания бывают очень разными. В том случае, если апгрейд акустики помещения кажется вам необходимым, либо вы просто решили поэкспериментировать (так скажем, ради интереса), мы обозначим несколько идей насчет того, что можно приобрести, а самое главное – где и как именно это разместить.

Предложенные идеи предполагают экспериментальный подход, а не просто веру на слово тому, что написано в этом тексте. К тому же, будет совершенно не лишним заручиться мнением другого, беспристрастного человека – например, супруга или приятеля, чтобы предотвратить возможные заблуждения относительно обновлённого звучания вашей домашней системы.

Другое мнение

В какой-то момент из относительно недавнего прошлого, в аудиоиндустрии утвердилось общепринятое мнение, что последним большим барьером на пути к по-настоящему точному воспроизведению звука является комната прослушивания. Пожалуй, это не та мудрость, которую можно с энтузиазмом поддержать, по трём основным причинам:

1) Это старая и небрежная привычка обвинять комнату прослушивания в том, что на самом деле является проблемой аудиосистемы. Сделайте апгрейд системы – и “проблемы с акустикой комнаты” зачастую будут магическим образом исчерпаны.

2) Некоторые из самых плохих комнат, которые можно услышать, были спроектированы специалистами по акустике – как правило, они являются таковыми по причине чрезмерного использования звукопоглощающих материалов, что приводит к тусклому, сухому и невыразительному звучанию.

3) Чаще всего, музыка, исполненная вживую или воспроизведённая на записи, лучше звучит в помещении, чем на улице – что вам наверняка не нужно доказывать, если вы использовали акустические системы на открытом воздухе или были на концерте под открытым небом. Удивительно, насколько бесхребетно звучит симфонический оркестр без зала, обеспечивающего ему акустическую поддержку.

Конечно же, это вовсе не означает, что комнаты прослушивания безупречны. Некоторые нюансы влияют на звук в помещениях однозначно плохо, но другие – из-за нашего восприятия отражений в пространствах с реверберацией – наоборот, оказывают благотворное влияние. Таким образом, “состязательный” подход в вопросах, касающихся акустики помещения, можно считать ошибочным. Более разумной стратегией будет “сотрудничество” с помещением и его акустическими свойствами, а не борьба против него: эффективное использование положительных особенностей и устранение, насколько это возможно, его негативного влияния на звук.

Эффект комнаты

Для начала важно понять, благодаря каким процессам комната “звучит”. Помещения обладают специфическими акустическими свойствами, так как они препятствуют проникновению звука наружу. Вместо этого, звук отражается от стен, пола и потолка, постепенно рассеивая свою энергию за счёт её поглощения. Частично поглощение энергии происходит прямо в воздухе (это может показаться удивительным, но 60 м³ воздуха в комнате 5x4x3 м весят около 72 кг при температуре 20 °C), но наибольшая доля этого поглощения происходит в мягкой мебели и других элементах интерьера. В случае с низкими частотами, поглотителями также могут выступать, к примеру, паркетный пол, стены и различные перегородки, либо большие стеклянные панели.

На рис.1 представлено стилизованное изображение реакции помещения на звуковой импульс (room impulse response или RIR). Вид этой характеристики зависит от того, в какой точке помещения проводились измерения, а также от того, где расположен источник импульса. На практике, импульсные сигналы не используются для изменения RIR – как правило, измерения проводятся с использованием периодических шумовых (periodic noise) или свип-сигналов, а затем результаты обрабатываются для получения RIR.

Рис. 1

Отражения, которые появляются сразу после воспроизведения звукового сигнала, называются ранними отражениями, и имеют особый статус. Обычно они не воспринимаются отдельно от прямого звукового излучения, а “сливаются” с ним, благодаря явлению, известному под названием “эффект предшествования”. Его суть заключается в том, прямому звуковому излучению отдаётся преимущество в восприятии, что позволяет нам локализовать непосредственно источник звука, и не учитывать при этом отражённый сигнал, который в ином случае сбивал бы нас с толку. Несмотря на этот эффект слияния, который в случае с таким сложным звуковым сигналом как музыка, может включать отражения с задержкой до 80 мс после прямого звукового излучения, ранние отражения всё ещё могут оказывать существенное влияние на тональный баланс, стереопанораму и разборчивость звучания. То, как ранние отражения проявляют себя в комнате прослушивания, очень существенно влияет на качество звука.

Критическое расстояние

Менее важным можно считать так называемый “хвост” реверберации, хотя если время реверберации помещения слишком велико, это также может заметно влиять на разборчивость звучания. В зависимости от расстояния до источника звука, он также может оказать значительное влияние на воспринимаемый тональный баланс.

Точку перехода, где прямой и отражённый звук оказываются равны по уровню громкости, называют критическим расстоянием (critical distance). В помещениях с большой отражающей способностью “критические расстояния” будут меньше, а в акустически нейтральных пространствах, соответственно, наоборот – больше.

Поскольку мягкие поверхности в интерьере комнаты, как правило, более эффективно поглощают высокие частоты, чем низкие, время реверберации в типичном жилом помещении само по себе зависит от частоты, будучи больше на низких частотах, чем на высоких. Рис.2, на котором показаны результаты измерений времени реверберации (RT) в зависимости от частоты звукового сигнала, выполненные в октавных интервалах от 125 Гц до 8 кГц в 50 британских помещениях в начале 1970-х годов, подтверждают этот факт. Черный график показывает среднее время реверберации, а верхняя и нижняя полосы [Красные] – максимальное и минимальное измеренное время реверберации, соответственно.

Правило третей

Другим важным эффектом, оказываемым помещением, является резонанс в замкнутом объёме воздуха, вызванный интерференцией двух (или более) звуковых отражений. Стоит отметить, что резонансы помещения (комнатные моды) являются особо острой проблемой на низких частотах, для контроля которых, как уже было отмечено, обычно недостаточно эффективного звукопоглощения. Это означает, что данную задачу в первую очередь следует решать путем изменения положения акустических систем и самого слушателя (хотя в сложных случаях могут также помочь угловые басовые ловушки).

Важнейшим фактором, влияющим на качество звука в любом помещении, является расположение аудиосистемы. При правильном подходе к этому вопросу вы, вероятно, обнаружите, что в корректировке акустики комнаты попросту нет необходимости. Если же выяснится, что такие действия всё же необходимы, то эта задача будет значительно упрощена.

Можно повторять до бесконечности, что хорошая планировка помещения – это вопрос, касающийся как источника звука, так и слушателя. Будет крайне затруднительно достичь наилучшего результата, меняя только расположение акустических систем или только местоположение слушателя: эти два компонента взаимодействуют, и их следует рассматривать и корректировать совместно – в рамках бытовых ограничений, накладываемых конфигурацией жилого пространства.

Что совершенно необходимо, так это симметричное размещение громкоговорителей – так, чтобы у них была схожая акустическая среда: одинаковое расстояние до пола, передней и боковых стен. В прямоугольной или почти прямоугольной комнате достичь этого достаточно легко; в случае же с некоторыми другими конфигурациями помещений это совершенно не так. К примеру, в Г-образной комнате наилучших результатов можно достичь, разместив акустические системы в конце более длинной стороны комнаты, а слушателя расположить так, чтобы он слышал ранние отражения от обеих боковых стен.

Хотя этот вариант и не оставляет много полезного пространства в помещении, “правило третей” – с колонками, расположенными на расстоянии одной трети длины комнаты от передней стены и местоположением слушателя – соответственно, на расстоянии одной трети от задней стены. Такая компоновка зачастую является отличным вариантом для старта: понимание того, как может звучать ваша комната в случае оптимального размещения колонок и слушателя (даже с учётом того, что это совершенно непрактично), позволяет получить представление о том, чем вы жертвуете в случае более практичной (с точки зрения жилого пространства) расстановки.

Известно, что акустика помещения – это тема, относительно которой мнения аудиофилов расходятся. К примеру, некоторые утверждают, что беспорядок в комнате хорошо влияет на звук, так как позволяет добавить диффузии (рассеивания) звука – то есть, делает картину отражений в комнате более сложной и помогает подавлять сильные зеркальные отражения от стен. Различие между зеркальным и диффузным отражениями показано на рис.3 - зеркальное отражение происходит в определенном направлении, тогда как при диффузном – отраженный звук рассеивается под разными углами. Мы остановимся на отражениях более подробно, когда перейдем к рассмотрению вопроса о размещении звуковых поглотителей и рассеивателей. Но мнение о беспорядке в комнате можно счесть несколько спорным, так как зачастую как раз избавление от лишних вещей и наведение порядка может заметно улучшить качество звучания.

Рис. 3

Существуют классические ошибки, которых следует избегать, худшая из которых – наличие большого отражающего объекта (или объектов) между колонками, таких как стул, диван или буфет. Ещё хуже, если вы размещаете свои аудиокомпоненты в пространстве между колонками. Это может выглядеть впечатляюще (для глаз аудиофила...) и уменьшить длину акустических кабелей, но помимо появления дополнительных звуковых отражений, это подвергает компоненты аудиосистемы воздействию более высокого уровня звукового давления, а это в свою очередь может негативно сказаться на качестве звука, даже если вы не используете проигрыватель виниловых пластинок.

Две опции

Что ж, мы уже зашли достаточно далеко, но при этом ещё ни разу не упомянули (разве что мимоходом) вопрос улучшения акустики помещения. И действительно, вы наверняка сможете обнаружить, что предложенных выше идей уже вполне достаточно для того, чтобы не заниматься подобной доработкой. Но что же делать в том случае, когда звук в помещении всё же неудовлетворительный и желание “исправить” акустику комнаты всё ещё осталось?

По сути, есть всего два базовых варианта: вы можете использовать поглощение для рассеивания звуковой энергии, либо диффузию – для перенаправления отдельных нежелательных отражений. Эти два понятия весьма различны, их не следует рассматривать как взаимозаменяемые.

Звуковые поглотители часто выпускаются в виде пористой пены (акустического поролона), либо специального волокнистого материала, причем первый вариант можно назвать более практичным. Считается, что звукопоглотители из акустического поролона с контурной поверхностью более эффективны, чем плоские, и вдобавок лучше выглядят. Недостатком подобных поглотителей (которые целесообразно использовать в жилом помещении) является то, что они избирательно поглощают только определённые частоты, будучи достаточно эффективными в высокочастотном диапазоне, но менее эффективными на низких частотах. [см. Рис.4].

Рис. 4

Спектральные искажения

Если посмотреть на план размещения акустических систем и слушателя в прямоугольном помещении и проследить направление отражений от передней, задней, и боковых стен, мы можем определить конфигурацию размещения поглощающих материалов на стенах (показаны красными прямоугольниками).

Возвращаясь к эффекту приоритета, стоит отметить, что для достижения наилучшего звучания, прямой и отражённый звук должны быть максимально схожими. Как мы уже отметили, звукопоглощающие панели действительно подавляют отражения, но с учётом того, что на высоких частотах они работают гораздо эффективнее, чем на низких, выходит, что они спектрально искажают отражённый звук путём поглощения его высокочастотной составляющей. В итоге, расположение звукопоглощающего материала на боковых стенах может привести к спектральному несоответствию между прямым и отражённым звуком, что не лучшим образом отразится на качестве звучания. Возможно сужение стереопанорамы и снижение ощущения динамического масштаба.

Именно по этой причине, наилучшим вариантом размещения звукопоглощающих панелей, призванных уменьшить время реверберации, можно считать их расположение значительно выше уровня ушей слушателя, для того, чтобы оставить самые ранние и самые заметные отражения спектрально нетронутыми.

Сообща

В качестве звукопоглощающих материалов можно использовать специально разработанные акустические панели, а также, к примеру, гобелены или другие подобные материалы, которые будет уместно использовать в жилом помещении. Следует учесть, что покрытие звукопоглотителем всей верхней части стен может привести к слишком большому демпфированию, поэтому хорошим решением может стать размещение каждой звукопоглощающей панели напротив не закрытого специальными материалами, отражающего участка стены, что поможет предотвратить появление эффекта эхо без чрезмерного воздействия на акустику комнаты.

Что касается рассеивателей (диффузоров), вероятно, не следует располагать их на передней или боковых стенах, хотя стоит признать, что этот вариант их размещения также существует. Изобретённый физиком Манфредом Шредером рассеивающий диффузор был предназначен для уменьшения потолочных отражений в современных концертных залах, которые являются по своей сути “моно” и обычно доходят до слушателя раньше и с большей интенсивностью, чем “стерео” отражения от боковых стен. Это приводит к нивелированию разницы между звуковыми сигналами, поступающими в левое и правое ухо, и, как следствие, снижает ощущение объёмности звука.

Конечно же, следует быть осторожными, приравнивая концертный зал к комнате для прослушивания, так как у них разное предназначение, и вместе с тем - различные временные задержки. Но даже применительно к комнате прослушивания, вероятно, лучшим решением будет рассеивание “моно”, а не “стерео” отражений. Если предположить, что вы не планируете размещать акустический диффузор на потолке, это будет значить, что наилучшим местом для него будет стена, расположенная за слушателем, с целью рассеивания поступающих от неё отражений.