Акустика домашнего кинотеатра

А.В. Петренко, г.Киев Введение

В кино или театре, когда вы смотрите живое представ­ление, воздействие на вас производится двумя спосо­бами.

Во-первых, необходим хороший материал и хоро­шие артисты. Этот фактор находится в руках произво­дителей и режисеров.

Во-вторых, нужны комфортные условия. Для этого нужно выполнение множества условий: красивый зана­вес,подсветка сцены,комфортные сидения,температура, отсутствие помех, кондиционер и т.д.

В домашнем кинотеатре на первый фактор мы повлиять не можем. Со вторым фактором дела обстоят гораздо хуже. Искажения видео и аудиосигнала могут привести к большому дискомфорту. Задача аудио и видеоинженеров свести эти искажения к минимуму.

Для визуального канала все обстоит более или менее благополучно. От большинства предметов, нахо­дящихся в комнате, свет практически не отражается и эффективно рассеивается. А это значит, что визуальная информация к нам доходит в полноценном виде.

Совсем не та ситуация со звуковым сигналом. Стены комнаты хорошо отражают звук и напоминают как бы систему зеркал для звука. Это приводит к значитель­ным искажениям звука, особенно на низких частотах.

Акустические проблемы

В телевидении имеется только два канала передачи информации: визуальный канал и звуковой канал. Традиционно видеокомпоненте уделяли гораздо боль­ше внимания,чем звуку. Десятисантиметровый в диаме­тре громкоговоритель был в течение многих предыдущих лет и даже десятилетий стандартным компонентом аудиосистемы телевизора. С приходом домашнего кино­театра и сложных звуковых трактов это должно было измениться. Но старые привычки трудно ломать…

Когда-то мы думали,что приход видеомагнитофонов автоматически изменит подход к телевизионному звуку. Это не совсем так, о чем свидетельствует изобилие проигрывателей с моноаудиоканалом и не многочис­ленность устройств Hi-Fi и тем более High End. Усложнение обработки видеосигналов для видеомаг­нитофонов намного превышало работу над аудиоканалами. Производители, продавцы и потребители теле­визионных систем развивали давние традиции о том, что изображение первично, а звук вторичен. Даже сей­час производители телевизоров сморят на звук, как на нечто вторичное.

Возможно, самым большим толчком к улучшению телевизионного звука было появление стереотелевиде­ния. Сразу же в телевизорах появились и вторые гром­коговорители и два стереоканала, причем громкогово­рители были разнесены на разные стороны экрана. Но стереозвук был полезен только для потре­бителя, который сидел прямо по центру экрана. Остальные, которые сидели по бокам, воспринимали звук только от ближайшего громкоговорителя, т.е. в монорежиме.

Современная аудиотехника проделала очень боль­шую работу, чтобы звук для посетителя домашнего кинотеатра по-настоящему соответствовал изображае­мой сцене.

В настоящее время домашние кинотеатры стали наиболее продаваемой продукцией после компьюте­ров. Имеются магазины, которые продают только домашние кинотеатры. Появившиеся недавно телеви­зионные системы высокого разрешения дополняют качество работы домашнего кинотеатра вместе с совершенным звуком.

К сожалению, эта удивительная техническая эволю­ция звука долго не могла преодолеть предрассудки о том, что изображение играет ведущую роль в передаче, когда на самом деле именно звук играет ведущую роль в домашнем театре. Современный домашний театр -это симбиоз высококачественных аудиосистем и теле­видения высокой четкости.

Сабвуферы

В технике высококачественного звука известно, что для достижения полного эффекта в аудиоцепи (последова­тельности передачи звука) должно быть правильно установлено последнее звено. Этим звеном является комната, в которой воспроизводится звук. Вот почему проблемы установки домашнего кинотеатра играют большую роль, чем качество оборудования. Акустика комнаты играет первоочередную роль. Позиционирование громкоговорителей важно, и нет акустической системы более чувствительной к акустике комнаты, чем сабвуфер. В дальнейшем мы изучим вопрос о положении сабвуфера в комнате.

Аудиосистема домашнего кинотеатра включает в себя сабвуфер, центральный канал, основные фронталь­ные громкоговорители и тыловые громкоговорители. Самая маленькая система воспроизведения должна быть пятиканальной: иметь один сабвуфер, три диалоговых канала и канал окружения. Полноценный домашний кинотеатр должен иметь два или три сабву­фера, набор фронтальных громкоговорителей и специ­альные тыловые громкоговорители для создания аку­стического окружения. Расположение сабвуфера вну­три комнаты является важной задачей.

Домашний кинотеатр 7,1 

Виды комнат

Самым главным «врагом» сабвуфера является тип ком­наты. Именно тип комнаты определяет, как звук в комна­те распространяется и сохраняется.

Как известно, труба органа звучит так, как определяет ей размер и диаметр трубы, а также расположение щели. Этот вид резонанса (называемый «трубным резо­нансом») звучит громче всего. Комната для домашнего кинотеатра — своего рода органная труба, она может резонировать на одних частотах и гасить звук на дру­гих. Но ее влияние зависит еще и от подкачки воздуха сабвуфером. При этом на одних частотах сабвуфер звучит громко, на других — тихо.

При научном изучении видов комнат был открыт уникальный вид помещений, которые названы реверберационными камерами. Эти комнаты разработаны для исследования звукоизоляционных материалов. Хорошая реверберационная камера имеет толстые, гладкие и тяжелые стены. Звук долго не затухает в таких комна­тах. Если вы крикните в такой комнате, то звук может сохраняться 15…20 с.

Была разработана методика измерений для таких комнат. Она называется RT-60, a единицами измерения являются секунды. RT (Reverberation Time) означает время реверберации (полного затухания) для звука громкостью 60 дБ, а именно эта громкость соответству­ет уровню крика.

Громкоговоритель в реверберационной камере тра­диционно располагается в углу комнаты. Это место является единственным эффективным местом для раз­мещения низкочастотного громкоговорителя для воз­буждения резонанса в комнате. При этом громкогово­ритель возбуждает максимальное число резонансных частот (при размещении в центре комнаты их оказыва­ется меньше).

Есть еще одна существенная причина для располо­жения громкоговорителя в углу — так называемый «рупорный эффект» стен. Этот эффект используется при конструировании музыкальных инструментов, но там он имеет место на более высоких частотах.

Для целей тестирования звукопоглощающих мате­риалов инженеры-акустики хотят воспроизвести как можно больше резонансных частот. Они также хотят, чтобы эти резонансные частоты равномерно распреде­лялись по шкале частот. Это совсем не лишнее требо­вание. Ноты музыкальной шкалы распределены очень равномерно. Случается, что соотношения между раз­мерами комнаты подчеркивают некоторые гармоники звука. Это только подчеркивает требование, что громко­говоритель должен быть в углу комнаты.

Если громкоговоритель убрать из угла комнаты, то только часть резонансов сохранится, а их размещение станет однородным. Невозможно добиться хорошего стереоэффекта, когда громкоговорители расположены по углам комнаты. Только когда они выведены из углов, то можно получить высокое качество звучания.

Одно из популярных заблуждений о высококаче­ственном звучании исходит из непонимания цели и ограничений реверберационных камер. Их часто счита­ют «идеальной средой» для воспроизведения звука, потому что они «приглушают басы». Существуют леген­ды об идеальных размерах помещений (магические числа), только в этом случае способного обеспечить по-настоящему качественное звуковоспроизведение.

При конструировании домашних театров, конечно же, нужно избегать так называемых «магических чисел», хотя они действительно работают.

Стоячие волны

«Ловушки для басовых звуков» (поглотители низкоча­стотного звука), резонансы комнаты, ее размеры, рас­положение сабвуферов — мощный инструмент для рас­пространения звука в комнате таким образом, чтобы слушатель его хорошо воспринимал. Среди аудиоинженеров есть поговорка: «Для басовых звуков слушатель слышит не громкоговоритель, а комнату».

Один из наиболее красноречивых случаев в иссле­довании поведения сабвуферов в комнате — появление стоячих волн, которые известны еще как «резонансы комнаты». Попробуйте провести некоторые измерения, для которых нужен генератор звукового сигнала и измеритель уровня звука. Подайте сигнал звуковой частоты на сабвуфер (естественно, через усилитель), поместите сабвуфер в одном углу, а измеритель уровня звука в другом углу на полу. Начните с частоты звуко­вого генератора 20 Гц, постепенно ее повышайте и следите за показаниями измерителя.

Скорее всего, первый частотный диапазон генерато­ра звуковых сигналов будет стандартный от 20 до 200 Гц. Этот диапазон охватывает практически всю шкалу басовых частот, а у сабвуферов начинается спад звуча­ния на частоте ниже 60 Гц. Наибольшая отдача сабву­фера, как правило, будет на частоте около 150 Гц. Поэтому, наверняка, в диапазоне 20…200 Гц вы замети­те колебания уровня на измерителе порядка 15 дБ.

Настройте генератор сигналов на частоту в диапазо­не 50…60 Гц,где наблюдается максимум на измерите­ле. Затем поднимите измеритель и прогуляйтесь по комнате, замечая, где будут максимумы, а где провалы уровня звучания. Затем сядьте на то место, где вы смо­трите передачу и замерьте уровень сигнала возле вашего уха. Сравните его с тем, что наблюдается в ком­нате. Затем вытяните руку с измерителем на всю длину и, глядя на шкалу, проведите рукой по кругу, отмечая подъемы и спады уровня сигнала (это нужно делать не быстро, иначе инерционность прибора вас подведет).

Вот теперь вы начнете понимать что некоторые басо­вые тона будут звучать громче остальных. То же самое будет в том случае, если вы будете находиться на одном месте, а перемещать придется ваш сабвуфер.

Все эти рассуждения имеют место только в комнате. Перенесите вашу аппаратуру на открытое пространство, и вы убедитесь, что резонансов нет. Их нет также и в огромном киноконцертном зале. Так что резонансы имеют место только в маленькой комнате. Это стано­вится основной проблемой для домашних кинотеатров. Самое великолепное исполнение, самая высококаче­ственная аппаратура могут произвести в маленькой комнате только ощущение гула и шума. Сабвуфер нужно расположить так, чтобы в точке размещения слу­шателя эти помехи отсутствовали.

Тыловой сигнал системы звукозаписи Dolby 5.1 обычно подается на два громкоговорителя, направленных на заднюю стену комнаты или расположенных вдоль этой стены. Этот сигнал специфический, так как снизу огра­ничен частотой 100 Гц или более высокой. Это не означает, что в тыловом сигнале не будет глубокого баса. Это значит,что глубокий бас не имеет направлен­ности. Так как наша голова слишком мала и наши уши слишком близко расположены друг к другу, мы не можем определить,с какого направления приходят низ­кочастотные колебания. Вспомните, что никто не бес­покоится, где именно стоит сабвуфер, кроме как с эстетической точки зрения. Способ, по которому мы узнаем, откуда идет бас,- это определение его по верх­ним составляющим баса. Тыловой сигнал Dolby 5.1 содержит верхние составляющие пространственного баса, поэтому мы думаем, что бас идет от тыловых громкоговорителей.

Существуют два основных типа тыловых громкогово­рителей. Первый, основной, обычно маленький, в виде небольшой коробки, устанавливается на стене. Сигнал от него может идти на вас или от вас. Если сигнал идет на вас, вы слышите его и знаете, где он. Наши уши очень чувствительны к звуку идущему прямо в ухо. Что мы обычно делаем, когда плохо слышим звук? Мы поворачиваем голову к источнику звука.

Для установки тылового громкоговорителя, его ори­ентация — дело персонального выбора. Многие люди предпочитают не слышать прямо сигнал окружения, и их громкоговорители направлены к стенкам.

Существует другой тип тыловых громкоговорителей. В этой системе выбор, как мы слышим сигнал окруже­ния, сделан для нас. Громкоговоритель монтируют высоко на боковой стене, ни один его пространственный луч не направлен на слушателя. Эти громкогово­рители дипольного типа Это означает, что они излучают одинаково сильно, как вперед, так и назад, но не в сторону слушателя.

Дипольный громкоговоритель известен нам в Hi-Fi варианте и обычно представляет собой тонкий лист материала, который движется вперед и назад под дей­ствием магнитного или электрического поля. Передняя волна противофазна задней волне. Когда лист движет­ся вперед то вперед посылается волна положительного давления,в то время как назад посылается волна отрицательного давления. Этот тип часто сравнивают с двумя динамическими громкоговорителями, намотан­ными в противофазе и расположенными спинами друг к другу. Имеется множество дипольных громкого­ворителей, и цель не состоит в том, чтобы оценить, какой из них лучше другого. Целью является изучение влияния звука этих громкоговорителей в комнате, где они расположены.

Дипольный громкоговоритель — странный вид гром­коговорителя в мире аудио, и он, без сомнения, под­вергся ряду трансформаций, пока не пришел к нынеш­нему виду. Во-первых, это не полнодиапазонный гром­коговоритель, поскольку его нижняя рабочая частота заметно выше 100 Гц. В большинстве случаев эти громкоговорители представляют собой небольшой ящик с двумя громкоговорителями, отделенными друг от друга, один из них смотрит в одну сторону. другой — в противоположную. Обычно на каждой панели монтиру­ют один драйвер. Используются двусторонние громко­говорители, иногда вместе с высокочастотным громко­говорителем.

Идея этого типа громкоговорителей — «звучать впе­ред и назад» и поэтому озвучивать комнату, а не слу­шателя. Эффект направленности работает только при ограниченном частотном диапазоне громкоговорителя. Небольшие драйверы оказываются направленными для среднего и верхнего частотных диапазонов, но ста­новятся всенаправленными для более низких диапазо­нов.

Хорошей демонстрацией направленности громкого­ворителя может быть его установка вне дома, посреди­не открытого двора. Пройдитесь вокруг громкогово­рителя, пока он передает знакомую вам музыку. Вы слышите полный диапазон звучания, когда находитесь перед громкоговорителем,но когда окажетесь сзади, то убедитесь, что сигнал на верхних частотах уменьшился (рис.12),   исчезли свистящие звуки.

Если у вас есть идентичный второй громкоговоритель, подключите его в фазе и поставьте спиной друг к другу. Басовый диапазон вы услышите везде, а высокие частоты будут слышны только на двух лучах, один -передний, другой -задний. Если слу­шать сбоку пары громкоговорителей, услышите средний диапазон и басы. А теперь   подключите громкоговорители в противофазе. Басы упадут, а средние и верхние частоты сохранятся на двух лучах. Таков дипольный громкоговоритель. Дипольный эффект преимущественно проявляется на средних и верхних звуковых частотах громкоговори­теля, так как басы замыкаются накоротко, говоря аку­стическим языком. На некоторой низкой частоте дипольный громкоговоритель просто расплескивает воздух взад и вперед по углам громкоговорителя и не производит звука. Это отличается от прослушива­ния простого громкоговорителя, смонтированного на куске клееной фанеры. Увеличиваем расстояние между передом и задом драйвера, и таким образом даем громкоговорителю более широкий диапазон зву­чания.

Поскольку дипольные тыловые громкоговорители имеют достаточно малые размеры, они замыкаются на достаточно высокой частоте, около 400 Гц. Поэтому должна быть другая система для генерации звука ниже этой частоты среза. Имеется ряд способов выполнить это. Наиболее прямой путь — использовать один низко­частотный драйвер в обратном направлении, больших размеров и направленные драйверы средних частот. Коаксиальные высокочастотные громкоговорители сопровождают этот драйвер средних частот, чтобы получить полный частотный диапазон.

Основное, что нужно иметь в виду с громкоговорите­лями такого типа, — ориентация низкочастотных драй­веров не имеет отношения к ориентации нижних реги­стров. Не имеет значения, какое направление занимает громкоговоритель среднего баса

Кажется, что есть пара правил для размещения дипольных тыловых громкоговорителей. Главным обра­зом, их нужно размещать высоко на боковых стенах справа и слева от положения слушателя. Их можно разместить спереди или сзади слушателя, но чтобы их излучение шло сбоку слушателя.

Прежде всего, никогда не размещайте их на книжных полках, насколько бы удобными они не казались. Общие резонансы при таком размещении сделают звук непереносимым, не говоря уже о том, что стенки книжной полки искажают пространственный звуковой сигнал. Эти тыловые громкоговорители должны рас­пространять сигнал вдоль боковой стены к передней и задней стенам. Затем нужно считаться с тремя факто­рами при размещении тыловых громкоговорителей -резонансом, самоподавлением и вибрацией.

Если тыловые громкоговорители расположены неправильно, это стимулирует местные эффекты ком­наты, которые маскируют звучание громкоговорителей.

Мы знаем, что тыловой громкоговоритель должен быть расположен высоко на боковой стене от слушате­ля. Нижние частоты громкоговорителя могут быть использованы для определения наиболее нейтрального вертикального расположения громкоговорителя на боковой стене. Характеристики верхних частот могут быть использованы для определения наиболее ней­трального горизонтального положения громкоговорите­ля. В следующих разделах даются детальные рекомен­дации по расположению тылового громкоговорителя.

Антирезонанс и самозапрещение

В предыдущем разделе рассмотрено, как определить наиболее нейтральное положение для размещения сабвуфера в комнате прослушивания. Нужно учитывать два фактора для оценки влияния окрашивания на каче­ство звука. Первый и наиболее известный — резонансы в комнате. Мы определили, что расположение громко­говорителя так, чтобы как минимум стимулировать ком­натные резонансы, — наиболее подходящий шаг. Вдобавок есть сложность в расположении громкогово­рителя возле стены, пола, угла — эффект самозапреще­ния. Близлежащий отражатель ослабляет мощность громкоговорителя на некоторых частотах.

Эти выводы также применимы к размещению тыло­вых громкоговорителей. Вертикальное положение громкоговорителя на боковой стене определяется низ­кой частотой громкоговорителя (ее сочетанием с отра­жением пол — потолок). Мы видели, что когда частотный диапазон громкоговорителя проходит много резонансов, то наилучшим расположением громкоговорителя является 25% от одного конца. Однако для тылового громкоговорителя частотный диапазон снизу ограни­чен 100 Гц (или даже большей частотой). Это значит, что первый резонанс пол — потолок, который составля­ет 70 Гц при высоте комнаты 2,5 м, не будет поддер­живаться. При изучении распределения давления для первых трех резонансов и игнорировании первого, мы увидим, что минимальная позиция для стимуляции вто­рого и третьего резонансов лежит на 20% от конца измерения. Это означает, что наилучшее антирезонанс­ное положение на дистанции пол — потолок 2,5 м составит 50 см от пола или от потолка.

Для тыловых громкоговорителей, которые монтируют­ся на высоте 2 м. все обстоит нормально (рис.15). Но для громкоговорителей, которые стоят на подставках, установить 50 см совсем не просто. Многие подставки выполнены на высоте ушей слушателя (1…1,1 м), а это 40% высоты, где первая и вторая гармоники проходят 50-% точку (как это можно видеть на рис.7). Трудно изменить высоту металлической или деревянной под­ставки, хотя мы все время говорим о хорошей акустике, а не об удобствах.

Когда громкоговоритель расположен вблизи отража­ющей поверхности, возникает проблема самозапреще­ния. Для громкоговорителя, расположенного в 20% высо­ты от потолка, частота самозапрещения имеет место на длине волны равной четырем расстояниям или 80% от высоты комнаты. Эта длина волны при высоте 2,5 м составляет 2 м (частота 170 Гц). Кстати, на двойной частоте самозапрещения или 340 Гц должно быть усиле­ние звука,а на тройной или 510 Гц — опять запрещение и т.д. Эти величины имеют порядок от 4 до 6 дБ и пре­кращаются, когда громкоговоритель становится настоль­ко направленным, что не отражается от пола или потолка, эта частота обычно составляет 600…70O Гц.

Эту проблему самозапрещения очень легко испра­вить. Нужно просто поставить ловушку для баса в точке отражения . Но не всякая ловушка баса подойдет. Отсечка по низкой частоте для басовой ловушки должна быть установлена на половину октавы ниже самой низкой частоты, которую нужно поймать. Для частоты 170 Гц это выглядит так: полная октава от 170 Гц составляет 85 Гц, половина от нее — 42 Гц. Так что вниз на пол-октавы означает 128 Гц. Простая фор­мула: 75% от заданной частоты.

Для стоящих на полу тыловых громкоговорителей эффектов самозапрещения удается избежать. Их драй­веры должны находиться в 1…1,1 м от пола,и самоза­прещение происходит на учетверенной длине волны 1,5 м, т.е. 6 м,а это частота 85 Гц, т.е. ниже, чем частота среза для тыловых громкоговорителей. Таким образом, стоящие на полу громкоговорители не имеют эффекта самозапрещения. Но их нужно устанавливать подальше от стены,поскольку отражение от стены может стать про­блемой. Мы знаем, что такие громкоговорители имеют срез на частоте 400 Гц. Четвертьволновое расстояние для этой частоты составляет 18 см,что является макси­мальной дистанцией, на которой драйвер должен отсто­ять от стены и не иметь эффекта самозапрещения.

Каждый может спросить, должны ли мы внимательно относиться к диапазону басовой ловушки, которую используем. И вообще, нужна ли она? Можно ли вос­пользоваться акустической пеной или панелью на стене, которая поглощает звук, но стоит гораздо мень­ше? Все эти вопросы включают в себя балансирование между частотными характеристиками громкоговорите­ля и поглотителя Громкоговоритель любит находиться в углу при достижении самой низкой частоты. «Эффект горна» наблюдается при расположении громкого­ворителя возле стены, пола или угла и увеличи­вает отдачу на самых низких частотах. Если басовую ловушку распо­ложить в углу, то она поглощает глубокий бас.

Мы хотим противоположного: загрузки «горна», чтобы усилить глубокий бас. По этой причине нужно, чтобы у басовой ловушки было уменьшение поглоще­ния там, где у громкоговорителя уменьшается уровень на низких частотах. Для небольших полнодиапазонных громкоговорителей эти 3 дБ снижения (50% по мощ­ности) имеют место на частоте 60 Гц. Но как отмечено выше, для тыловых громкоговорителей срез имеет место на частоте 100 Гц или выше.

А теперь углубимся в акустическую пену и панели на стене. Эти акустические изделия хороши только для среднего и высокого диапазонов. Этот диапазон вклю­чает в себя только три верхние октавы фортепиано и не включает нижние 4,5 октавы.

Только басовые ловушки могут закрыть этот нижний диапазон звуков. Середина клавиатуры — нота «ля» пер­вой октавы, имеющая частоту 256 Гц. Нужно, чтобы погло­щение имело уровень половины мощности на частоте 133 Гц,т.е. на целую октаву ниже «ля» первой октавы.

Таким образом, имеется две полных октавы ниже тех частот, которые поглощает акустическая пена и стено­вые панели. Басовые ловушки являются единственны­ми поглощающими приборами, которые могут коррек­тировать акустические проблемы на нижних 60% кла­виатуры фортепиано.

Заключение

Тыловые громкоговорители, подобно другим, использу­ют акустику комнаты. Из-за их ограниченного частотно­го диапазона они не связаны с низкими резонансами комнаты. Это дает наиболее нейтральное, антирезо­нансное положение громкоговорителя на 20% высоты комнаты (от пола или от потолка). Кое-что новое было добавлено к сглаживанию акустического пространства для громкоговорителя — басовая ловушка. Наилучший пространственный звук — без окраски.

Басовые ловушки — акустические поглотители или глушители звука, которые обладают свойством пода­влять низкочастотный звук. Басовые ловушки, в част­ности, полезны в домашних театрах, студиях записи для создания нормального звукового окружения. Типы басовых ловушек. Существуют два типа: резони­рующие поглотители и пористые поглотители. Резонирующие поглотители работают только в узком диапазоне частот, а пористые — на всех частотах, при­чем они имеют меньшие размеры, чем резонирующие. Поэтому практически все серийно выпускаемые басо­вые ловушки — пористого типа.

Пористые поглотители обычно изготовляются из сте­кловолокна, минеральной шерсти или других волокон­ных материалов и функционируют благодаря наличию пустых отверстий, заполненных воздухом. Это как бы множество маленьких резонаторов с различными раз­мерами, что позволяет пористому поглотителю рабо­тать в широком диапазоне звуковых частот.

РА08’2008