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