Акустика залов и помещений
Акустика – один из важнейших факторов, влияющих на впечатление о пространстве в целом. Множество залов построено и оборудовано без соблюдения правил и критериев, напрямую связанных с качеством звука. И это касается, в том числе помещений, в которых акустика крайне важна.
Например, концертных залов в школах и университетах. Причин плохой акустики здесь может быть множество: от большого времени реверберации до резонансов, искаженной передаче жестикуляции и стоячих волн. Для того, чтобы добиться улучшенного и разборчивого звучания в таких залах, нужно исключить выступления в живую, оставив только уже записанное аудио, уровень громкости снизить до минимального, а зал при этом должен быть полностью заполнен слушателями, одежда и тела которых будут выполнять звукопоглощающую функцию. Однако на практике тяжело выполнить все эти условия.
Что влияет на качество акустики
Чтобы улучшить качество акустики помещения, стоит более подробно ознакомиться с условиями, без которых не достичь позитивного результата. Но для начала рассмотрим несколько примеров, которые позволят рассмотреть проблему на практике.
Исследования открытых театров, известных своей высококачественной акустикой и минимальным отражением, показали, что большинство проблем со звучанием зависит от реверберации. Также важным является расположение отражающих поверхностей на небольшом расстоянии от источника звука. При соблюдении последнего критерия можно улучшить звучание, как музыки, так и речи. Это объясняется тем, что скорость звуков, отраженных от поверхностей, которые находятся вблизи источника, увеличивается и приходит незамедлительно после прямого звука, поэтому хорошо сказывается на акустике.
Таким образом, рассмотрев пример открытых театров, полученные знания можно применить и при устранении проблем, на которые прямо влияет акустика помещения. Существует заблуждение о том, что отражение со сцены требуется для увеличения громкости в зале. Однако, отражающие поверхности служат для того, чтобы исполнители могли «слышать себя».
В помещениях с большой площадью отражение действительно имеет влияние на усиление акустического звука в зале, но оно незначительно. Усиления происходит только первые несколько отражений, последующие же никак не сказываются на восприятии звучания залом. Ключевую роль же тут играют системы звукоусиления.
Некоторые исследования
С концертными помещениями меньших размеров дело обстоит несколько иначе. В ходе исследований изменений свойств звука в закрытых пространствах выяснилось, что музыкантам больше импонирует игра в реверберирующих помещениях, а слушатели же считают, что музыка воспринимается лучше там, где отсутствует эхо.
Для достижения эффективной реверберации, необходимо наличие в стенах материала, который будет поглощать звуковые волны. Благодаря этому после эха звук будет постепенно затухать.
Чем дальше звукопоглощающий материал расположен от исполнителей и ближе к слушателям, тем лучше звучания, как для первых, так и для вторых.
Так, когда стены в части, где разместились музыканты стали отражать звук, исполнители стали «слышать себя», а часть со слушателями стала работать по принципу открытых театров, стены которого поглощают звук.
Но, естественно, имеет значение отражение звука или его поглощение не только стенами. В ходе еще одного эксперимента выяснилось, что чем ниже над исполнителями расположен отражатель, тем лучше и качественней звучание, как для музыкантов, так и для слушателей.
Разбираем зал по частям. Что сделать для улучшения акустики
Дополнительные факторы влияющие на акустику
Архитектурная акустика во многом зависит и от качества и размещения звуковоспроизводящей аппаратуры. Среди распространенных ошибок – размещение часто используемых широкополосных порталов по краям сцены. Они не в состоянии воспроизвести низкие частоты, чем ухудшат звучания.
Можно значительно улучшить ситуацию, устранив лишние препятствия на пути звука к слушателю. Для этого порталы стоит устанавливать не на сцене, а на стойках, либо подвешивать их под потолок под определенным углом.
Используя акустические on-line калькуляторы, вы сможете рассчитать оптимальное расположения громкоговорителей, время реверберации и многое другое.
Стоит обратить внимание и на другие факторы, к которым чувствительна акустика помещений. Это и время года, и температура воздуха, и одежда присутствующих людей – легкая или плотная.
Не только концертные залы нуждаются в качественной шумоизоляции. Это и студии звукозаписи, и конференц-залы, и квартиры. Так что, ознакомившись с основными принципами акустики, можно начинать процесс устранения нежелательных шумов.
Вопросы § 33
Физика А.В. Перышкин
1.Какова причина образования эха? Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате? Ответы обоснуйте.
Эхо возникает при отражении звука от преграды и возвращения звуковой волны.
В маленькой комнате исходный и отраженный звук слышится почти одновременно и еще поглощается и рассеивается мебелью. В большом, полупустом помещении звук не рассеивается и расстояние время прихода отраженной звуковой волны больше.
2. Как можно улучшить звуковые свойства большого зала?
Для этого стены зала облицовывают звукопоглощающими материалами, которые препятствуют образованию эха или гула.
3. Почему при использовании рупора звук распространяется на большее расстояние?
При использовании рупора звук меньше рассеивается, поэтому он обладает большей мощностью и распространяется на большее расстояние.
4. Приведите примеры проявления звукового резонанса, не упомянутые в тексте параграфа.
Если открыть пианино и пропеть над струнами какую-нибудь ноту, то можно услышать, что инструмент откликается. Голос действует на все струны пианино, но откликаются только те, которые находятся в резонансе. Еще пример звукового резонанса — гитара. В правильно настроенной гитаре, при зажиме какой-либо струны определенным, можно увидеть, что колеблющейся зажатой струне резонирует другая.
5. Для чего камертоны устанавливают на резонаторных ящиках? Каково назначение резонаторов, применяемых в музыкальных инструментах?
Резонаторные ящики способствуют усилению звука, он становится более громким, хотя и менее длительным.
Резонаторы в музыкальных инструментах усиливают звук и создают определенный тембр инструмента.
6. Что является источником голоса человека?
Источником голоса человека являются голосовые связки.
Как заставить зал «зазвучать»: азы акустической подготовки
Среди инженеров-строителей популярна шутка, что как ни проектируй систему водоснабжения, она будет работать; как ни проектируй вентиляцию, она работать не будет. С акустическими характеристиками помещений дело обстоит ещё хуже. Конечно, если проектируется театральное здание или концертный зал, вопросам акустики уделяют первоочередное внимание, но много ли у нас таких залов? В остальных случаях о том, как будет «звучать» помещение, думают в последнюю очередь и в результате получают гулкие коробки с безобразной акустикой. Другой нередкий случай – перепрофилирование помещений, которые изначально «звучать» вообще были не должны. Как же бороться с возникающими проблемами? На помощь приходят устройства электронной акустики.
Рис. 1. Отражения звука в помещении
Рассмотрим вариант создания системы звукоусиления речи в помещении.
При работе в помещении с неидеальными акустическими характеристиками, в первую очередь, следует очертить круг возможного. С акустическими свойствами помещения ничего сделать нельзя, или можно сделать очень мало, поэтому основное внимание следует уделять акустическим системам (АС) и электронным средствам обработки звука (рис. 1, 2). Инженер-электроакустик в принципе способен решить две задачи: скорректировать частотную характеристику звука и изменить его динамический диапазон. В свою очередь, частотная характеристика звукоусилительного тракта складывается из АЧХ применяемых АС систем и акустических свойств помещения. АС чрезвычайно сложным образом взаимодействуют с помещением – с его стенами, полом, потолком, с мебелью, элементами убранства и с находящимися внутри людьми. Для каждой точки помещения суммарный фактор взаимодействия отражений будет разным. Люди, сидящие в первом и последнем ряду, будут слышать выступающего по-разному.
Рис. 2. Осциллограмма отражений звука с рис. 1
Важнейшими характеристиками акустики помещений является время реверберации, т.е. время, за которое уровень звукового сигнала спадает на 60 дБ от начального. Например, для конференц-залов рекомендованное время реверберации не должно превышать 1 с, но на практике это значение является труднодостижимым и в реальных помещениях можно встретить значения до 8 с.
Второй важнейший параметр – это радиус гулкости. Радиус гулкости – это расстояние от источника звука до слушателя, внутри которого энергия прямого звука превышает энергию отражённого.
Грамотная, эффективная коррекция звука возможна только внутри радиуса гулкости, поэтому правильно спроектированный конференц-зал должен быть таким, чтобы все слушатели находились внутри радиуса гулкости, который в этом случае лучше назвать радиусом чёткости.
Время реверберации и радиус гулкости связаны. Для увеличения радиуса гулкости можно применить АС с более узкой диаграммой направленности, что уменьшит количество отражений, и/или увеличит количество АС, распределив их по залу. Средствами цифровой обработки звука иногда удаётся частично скорректировать строительные ошибки и добиться более качественного звука.
Основными типами приборов для коррекции АЧХ являются эквалайзеры. Классический, проверенный временем, но постепенно устаревающий аппаратный эквалайзер – графический (рис. 3) 30-полосный или третьоктавный. Главное его достоинство – наглядность создаваемой АЧХ. Недостатки – фиксированное количество полос и заданная ширина каждой полосы.
Рис. 3. Графический эквалайзер
Основное правило использования эквалайзера заключается в том, что вырезать части спектра следует узкими полосами, а добавлять – широкими. Нельзя, например, в конференц-зале вырезать весь диапазон средних частот, так как просядет весь диапазон человеческой речи. Поднимая какую-то одну частоту, получим неприятный звон или взвизгивания на этой частоте. Не стоит пытаться исправить неисправимое, например, грубые ошибки АС, особенно вблизи их нижней граничной частоты.
Рис. 4. Параметрический эквалайзер
По уровню следует добавлять примерно столько же, сколько вырезается, иначе общий уровень звука недопустимо просядет. В целом коэффициент передачи эквалайзера должен быть примерно равен единице.
Более совершенный прибор – это параметрический эквалайзер (рис. 4), у которого каждая полоса допускает множество настроек. Как правило, они реализуются на базе компьютерных технологий.
Следующий этап – финальная настройка звука. Начинать следует с прослушивания какой-либо музыкальной композиции, причём выбирать надо композицию, правильное звучание которой вам хорошо знакомо. На этом этапе выставляют комфортный уровень ВЧ и НЧ, после чего с помощью параметрического эквалайзера приступают к поиску проблемных частот. Нужно выбрать какую-либо полосу частот и двигать её вдоль оси, стараясь найти такое положение, при котором звук стал комфортным. Выставив ширину и глубину вырезаемой полосы, процедуру повторяют несколько раз.
Затем переходят к проверке и подстройке микрофонов, при этом лучше работать со знакомыми приборами. Самовозбуждение микрофонов уничтожают с помощью подавителей ОС, которые бывают аппаратными и программными. Эти приборы автоматически находят проблемные частоты и вырезают их узкой полосой. Следует помнить, что такие фильтры вносят заметные фазовые искажения и могут неожиданно принять за самовозбуждение звук духового инструмента или гитарное соло. Части фильтров назначают фиксированные значения на конкретные частоты, а часть остаются плавающими, они непрерывно контролируют ситуацию, и при возникновении проблемной частоты подавляют её. Такая ситуация может возникнуть, например, если лектор окажется под АС. Громкость микрофонов выставляют вручную или с помощью системы автоматического регулирования громкости.
Рис. 5. Подавитель ОС микрофонов
Динамическая обработка звука (коррекция уровней) – обязательный элемент настройки систем звукоусиления. Динамический диапазон речи подготовленного диктора составляет 20-25 дБ, неподготовленный диктор имеет гораздо больший диапазон, и это снижает разборчивость речи. Приходится его искусственно укладывать в комфортный диапазон. Для этого используют компрессоры и лимитеры.
В целом же акустическая подготовка помещения – процесс творческий, и требует от специалиста с одной стороны хорошего знания техники и умения её применять, а с другой – совершенного и чуткого музыкального слуха. Хороший результат может быть получен только при сочетании этих свойств.
Обуздать волну
Корректируем акустику помещения при разных бюджетах
Обуздать волну
Многократные отражения, стоячие волны, резонансы… Все эти слова вызывают в душе аудиофила тревогу, а описываемые ими явления – печаль. Ничего удивительного: гулкая комната является едва ли не самым эффективным терминатором качественного звучания. Не важно, насколько скрупулезно подобрана техника, не имеет значения и ее класс – помещение с голыми стенами и пустотелыми украшательствами из гипсокартона с легкостью перечеркнет любые ваши старания на ниве повышения звуковых надоев.
Почему? Да потому что жесткие ровные и при этом параллельные поверхности для появления нежелательной реверберации (многократных отражений звуковых волн, попросту эхо) и комнатных резонансов (гула на определенных частотах) – все равно, что недельной давности хлеб для развития плесени: идеальная среда! Но если батон проще купить новый, то с неприятными акустическими явлениями нужно и можно бороться. Средства борьбы необходимо выбирать исходя из возможностей. Однако стратегия всегда одна: для улучшения звучания колонок необходимо дополнить интерьер предметами и специальными приспособлениями таким образом, чтобы излишки звуковых волн поглощались, а остатки рассеивались. И этот баланс важно соблюсти! Ведь если сделать из комнаты прослушивания безэховую камеру, то результат вам едва ли понравится, поскольку в звучании пропадет то, что аудиофилы называют воздухом или атмосферой. Для человеческого слуха неестественно находиться в акустическом вакууме. Поэтому комната в любом случае должна немного помогать аудиосистеме, создавая необходимый звуковой объем, но делать это обязана предельно деликатно. Чем просторнее комната, тем, казалось бы, больше сил и средств потребуется. Однако большой объем снижает требования к масштабу самой затратной коррекции звучания – в низкочастотном диапазоне, поэтому увеличение стоимости материалов не находится в линейной пропорции с увеличением объема помещения.
В качестве примера мы решили использовать типовую комнату площадью 19 квадратных метров (3,5 х 5,5) с потолком на высоте 2,8 м. По первому сценарию «музыкальный» рабочий стол с тихим системным блоком компьютера и хорошими колонками полочного типа расположен в центре короткой стены. По второму сценарию стереосистема с парой напольных АС размещена вдоль длинной стены. Оба варианта инсталляции являются далеко не безальтернативными, но весьма распространенными. А вот от идеи установить рабочий стол с акустикой или спикеры стереосистемы вблизи любого из углов лучше отказаться сразу и навсегда. Так вот, если ваша комната схожа по конфигурации с представленной, но несколько больше или меньше по площади, то все упомянутые в статье рецепты применимы к ней в полной мере, только с небольшой поправкой на размеры помещения. Для сложных по форме апартаментов и в случае асимметричной (относительно боковых стен) инсталляции колонок проблематично дать какие-то универсальные советы таким образом, чтобы они гарантированно сработали именно в вашей ситуации, однако общие принципы акустической обработки помещения актуальны и в этом случае. Просто помните, что если колонки расположены к одной из боковых стен заметно ближе, чем к другой, на ближней стене следует организовать более эффективное поглощение звуковых волн для устранения дисбаланса. Ну а тем, кто не чувствует уверенности и желания экспериментировать, посоветуем обратиться к профессионалам, которые выполнят необходимые расчеты и подберут материалы именно на основании расчетов по данному конкретному объекту. Насколько это будет дорого? Весьма. Однако если стоимость вашей системы переваливает за отметку в миллион рублей, то выделить сотню-другую тысяч на акустическую обработку – идея гораздо более здравая, нежели вложить деньги в новый пафосный интерконнект или сетевой кондиционер.
Базовая коррекция: только предметы интерьера
На этой стадии можно обойтись применением подходящих предметов интерьера для достижения существенного позитивного сдвига. Программа минимум – это большой толстый ковер на полу, шторы из плотной ткани на окнах, мягкая мебель и звукопоглощающий мат позади стола или аудиосистемы. Им может служить еще один ковер или так называемый акустический поролон с профилем «пирамида» 100 мм. Общая толщина листа в этом случае будет 120 мм, ориентировочная цена – 1100 рублей за квадратный метр. Здесь и далее упоминаются цены по состоянию на июль 2016 года.
Размер задника следует выбирать из расчета высоты не менее 1,5м и такой ширины, чтобы 0,5 м материала оказалось с каждой наружной стороны стереобазы, то есть выходило во внешние стороны от пары колонок. Если прочие стены в помещении тоже пустынны, то несколько листов акустического поролона можно развесить и на них. Только помните, что белый материал отечественного производства, как правило, желтеет со временем. Так или иначе, ситуация с качеством передачи СЧ и ВЧ заметно улучшится, однако качество баса кардинально не изменится. В этом нет ничего странного, поскольку перечисленные решения, в силу формы, способа размещения и свойств материалов, сравнительно эффективны лишь на частотах свыше 200 Гц. Для ловли длинных низкочастотных волн нужны предметы значительно более крупные. Это могут быть открытые стеллажи с книгами вдоль стен, большие пуфы в углах помещения.
Улучшенная коррекция: задействуем потолок
Как уже упоминалось выше, серьезно улучшить точность звучания баса можно лишь объемными в прямом смысле средствами. Но если стеллажей с книгами и больших пуфов в вашем распоряжении нет, либо они справляются не в полной мере, пора посмотреть вверх – на потолок. Ведь это многочисленные квадратные метры, которые сейчас являются огромным акустическим зеркалом, а могут стать отличным инструментом коррекции акустики помещения. Стратегия трансформации потолка в звуковую ловушку зависит от его высоты и желаемого внешнего вида. В помещениях с типовой высотой 2,8 м логичнее всего смонтировать подвесной потолок из гипсокартона «КНАУФ-Акустика С3» (с рассеянной перфорацией 8/15/20 КР) на стандартном каркасе.
Однако чтобы материал «заработал» на частотах ниже 200 Гц, его нужно отдалить от перекрытия минимум на 200 мм и заполнить всю полость плитами из минеральной ваты, например «Шуманет-БМ» (получится четыре слоя плит толщиной 50 мм).
Такая конструкция обеспечит ровное звукопоглощение в диапазоне 250-500 Гц (с коэффициентом 0,7), а полный ее рабочий диапазон составит от 100 до 2000 Гц с коэффициентом звукопоглощения 0,3-0,4 на краях диапазона. Ориентировочная стоимость материалов – около 2000 рублей за квадратный метр, или примерно 38 000 рублей за весь подвесной потолок нашей условной комнаты 19 кв.м. Цена услуг по монтажу может варьироваться в широких пределах, однако намекнем, что по сложности сборки этот подвесной потолок не отличается от типовых офисных аналогов. При наличии желания и некоторого опыта можно выполнить работы самостоятельно, все инструкции есть на сайте производителя. Если же высота перекрытия позволяет – делайте отступ 300-350 мм, в этом случае влияние на бас будет еще более позитивным, причем стоимость материалов принципиально не изменится: потолочный «бутерброд» нужно сдвинуть вниз целиком, образовавшейся воздушный зазор между плитами минеральной ваты и перекрытием заполнять не нужно.
Любителям высокого дизайна и природных материалов можем посоветовать заменить перфорированный гипсокартон «КНАУФ-Акустика С3» на окрашиваемые панели «Heradesign macro» из древесного волокна толщиной 2 мм.
По своим акустическим свойствам они даже чуть лучше, и уж точно намного «богаче» смотрятся в интерьере, однако стоимость квадратного метра подвесного потолка на их основе возрастет примерно вдвое – до 4 тысяч рублей, причем, напомним, это цена только лишь материалов.
Комплексная коррекция: пространство в обмен на звук
Вам хочется реализовать весь потенциал аудиосистемы? Это возможно, хотя комната все меньше будет походить на функциональное помещение. Итак. Во-первых, позади рабочего стола или аудиосистемы предстоит построить фальш-стену. С точки зрения конструкции и материалов это будет тот же подвесной потолок, только вертикально смонтированный на соответствующих креплениях из металлического профиля. Поверхность акустической стены формируется из листов «КНАУФ-Акустика С3», «Heradesign macro» или аналогичного подходящего материала, и она тоже должна быть отнесена от капитальной стены (на 150-250 мм) с последующим тотальным заполнением полости минватой.
На схеме нижняя часть стены забрана сплошными листам гипсокартона, но это предлагается делать лишь для повышенной ударной прочности: в домашних условиях панелями с перфорацией лучше облицевать всю поверхность конструкции, если в доме нет маленьких детей и больших собак. Дополнительный нюанс: для облицовки фальш-стены выбирайте материал, который не использовался для потолка. То есть, если потолок обшит «Heradesign macro» или аналогичными плитами, отделайте акустическую стену «КНАУФ-Акустика С3» (и наоборот), чтобы обеспечить некоторое разнообразие влияния материалов на звук. На свободных стенах комнаты можно разместить по несколько акустических панелей, чтобы общая их площадь составила около 30-40% от площади стены. Это может быть поролон «пирамида» 100 мм, панель «Heradesign macro» или ее аналог. Причем, стеновые панели лучше вешать в последнюю очередь, чтобы с их помощью тонко настроить звучание. Скажем, для снижения реверберации листы нужно крепить вплотную к стене или просто наклеить на нее. А если хочется вдобавок немного обуздать мидбас или «нижнюю середину», то каждую панель следует поместить в рамку из П-образного профиля шириной 60 мм с подложкой из минеральной ваты – и в таком виде закрепить на стене. Количество и размещение панелей можно варьировать для достижения оптимального результата.
Завершает ансамбль квартет басовых ловушек в углах, которые призваны снизить комнатные резонансы на частотах ниже 100 Гц. Это могут быть готовые наборные модули из поролона высотой 1 метр, которые ставятся друг на друга до самого потолка во всех углах помещения. Стоимость одного блока российского производства, как на фото ниже, составляет от 650 рублей, то есть все четыре угла при высоте потолка 2,8 метра можно оборудовать ловушками примерно за 9000 рублей, с учетом клея. За такие же блоки из цветного поролона придется заплатить больше.
Если же пространство в дефиците, то имеет смысл использовать именно поролоновые (или аналогичные) модули, но не только в углах, а еще и на стыке потолка со стенами. Особенно это актуально для помещений площадью менее 15 квадратных метров, либо в тех случаях, когда обустроить полноценный акустический потолок возможности нет.
На кликабельных схемах красным цветом отмечены все элементы акустической коррекции помещения: стеновые акустические панели, звукогасящая фальш-стена за рабочим столом или напольной акустикой, а также вертикальные басовые ловушки (в виде колонн) в углах. Весь этот арсенал дополняют бытовые средства коррекции, такие как ковер, шторы и мягкая мебель. Подвесной акустический потолок подразумевается тоже, просто он не показан.
Еще раз уточним, что показанное на рендерах расположение элементов коррекции акустики помещения не является безальтернативным. В зависимости от площади и конфигурации комнаты, ее «акустическое» наполнение может меняться.
