Основы акустического проектирования

Законы физики действуют одинаково как на профессионалов, так и просто любителей качественного звука. Чтобы Клиент лучше понимал теоретическую базу, влияющую на успех акустического проекта, мы подготовили небольшое пособие:

Теория акустики

Чтобы представить себе принципы работы любого акустического проекта, например, домашнего кинотеатра, нужно знать ответ на несколько основных теоретических вопросов:

Что такое звук?

Звук представляет собой волны с разным давлением и является цикличным процессом, в котором области с высокой амплитудой чередуются с областями с низкой амплитудой. Период времени каждого цикла известен как его частота, выраженная в единицах Герц (Гц).

Длина каждого цикла известна как длина волны. У более низких частот длина волны больше. Например, у звука частотой в 1000 Гц длина волны составляет один фут (0.3 метра), в то время как у звука на 60 Гц длина волны - приблизительно 18 футов. Звук, имеющий большую длину волны в закрытом помещении может иметь разную громкость в зависимости от положения слушателя в комнате.

На что влияет частота?

Проблема возникает для частот в диапазоне 250-300 Гц, когда расстояние между областью с высокой и низкой амплитудой индивидуальной волны является достаточно большим, и может быть ощутимо для человеческого уха. Чтобы минимизировать этот эффект, нужно проанализировать распределение модальных частот (мод) в комнате.

Что такое мода?

Если известно расстояние L, между любыми двумя плоскими поверхностями (две стены или пол и потолок), то можно рассчитать фундаментальную частоту, равную c/(2*L), где c - скорость звука в воздухе - 1170 футов в секунду.

Например, у комнаты с длиной 32 футов фундаментальная частота будет равно приблизительно 18 гц. Моды для этой пары поверхностей - это фундаментальная частота и все частоты, полученные умножением на целое число (например, 18 гц, 36 гц, 54 гц, и т.д.). Моды между двумя поверхностями называют осевыми модами. Есть другие типы мод, которые отражаются от четырех и даже всех шести поверхностей комнаты, известные как тангенциальные и наклонные моды, соответственно.Так как уровень энергии этих мод намного ниже, чем энергия осевых мод (из-за воздействия на большее количество поверхностей), обычно необходимо и достаточно оценить только осевые моды.

Когда все осевые моды между тремя парами поверхностей (передняя+задняя стены, боковые стены и пол+потолок) рассчитаны и перечислены в порядке возрастания, они должны быть оценены, чтобы гарантировать, что а) нет каких-либо двух смежных мод, имеющих одинаковую частоту или частоты, отличающихся в пределах 2 гц друг от друга и б) что средний интервал между всеми модами не больше чем 15 гц.

Почему эти критерии важны?

Первый критерий важен по двум причинам. Во-первых, если две или больше моды имеют одинаковую частоту, то пики и падения в амплитуде волны суммируются - таким образом это приводит к еще вольшим вариациям в различных точках комнаты. Во-вторых, если моды имеют не одинаковую частоту, но отличаются мало, возникает эффект, называемый биение, когда слушатель может слышать, как звук перепрыгивает между двумя близко расположенными модальными частотами.

Как это связано с формой и размером комнаты?

Размер и пропорции комнаты непосредственно влияют на модальное распределение. Если длина, ширина или высота совпадают или кратны друг другу, то в акустике помещения будут возникать модальные наложения.

Можно ли использовать непараллельные стены, чтобы устранить проблемы с модами/стоящую волну?

Это распространенное заблуждение. Если сделать стены непараллельными друг другу, то звук с низкой частотой и большой длиной волны не будет диффузировать на моды. Это приведёт к тому, что рассчитать моды станет невозможно.

Раннее Отражение

В любой типичной комнате звук достигает ушей слушателя двумя путями:

Прямой путь - по (более или менее) прямой линии между источником и слушателем.
Отраженный путь - от множества поверхностей в комнате.

Поскольку любая отраженная звуковая волна достигает уха слушателя немного позже, чем волна по прямой линии, то возникает явление, известное как потеря фазы.

Что такое "прочёсывание"?

Это вид фильтрования, основанный на задержке отраженного звука, что, в свою очередь, зависит от длины пути, который проходит звук по прямой и по траектории с отражениями; область амплитуды прямой волны может достигнуть уха точно в то же самое время,что и область низкой амплитуды отраженной волны - таким образом, частоты погасят друг друга.

Почему это важно для домашнего кинотеатра?

Главная цель при проектировании комнаты, предназначенной для просмотра фильмов или прослушивания музыки, состоит в том, чтобы достигнуть качества звука, которое было заложено при первичной записи. Это предполагает, что само помещение не искажает частотные характеристики, относительную амплитуду или время распространения звуков.

Эффект "прочёсывания", если его не компенсировать, вызывает существенное искажение звука. Искажение будет разным в каждом кресле кинотеатра(или по крайней мере оно будет отличаться для мест по разные стороны относительно оси симметрии комнаты) из-за разного вида отражения и разной длины пути. Другая важная причина связана с тем, что сильное отражение может вызвать смещение звука, который первоначально двигался по осевой линии прямо от центра экрана. Например, сильное отражение голоса, звучащего из центрального канала от боковых стен, может создать впечатление, что голос звучит с боковой стороны экрана, а не из центра. Это становится проблемой, если намерение режиссера состояло в том, чтобы голос звучал в соответствии с положением актера на экране.

Как решить эти проблемы?

Чтобы избежать искажения, "прочёсывания" и смещения звука относительно изображения, нужно сделать так, чтобы поверхности комнаты могли отразить звук опеределнным образом, чтобы тот достигал слушателя с небольшим интервалом времени после прямого звука. Эти поверхности нужно звукоизолировать поглощающими материалами, которые эффективны для всех частотах выше 125 гц. Эти материалы уменьшают уровень энергии отраженного звука так, чтобы она была значительно ниже уровня энергии прямого звука. Эффект "прочёсывания" останется, но он будет настолько незначителен, что искажение не будет заметным.

Среднее поглощение и Время отражения

Чтобы оценить какие поверхности, следует звукоизолировать, следует оценить время отраженияили время затухания комнаты. Многие ошибочно используют звукоизолирующие материалы на всех поверхностях в комнате. Мало того, что это создает неестественный звук, но также приводит к потере свойств отражающих поверхностей, которые могут быть полезны с точки зрения объемного звучания.

Что такое время отражения?

Время отражения (сокращенно RT60) - это период в секундах, требуемый для того чтобы т уровень звука уменьшился на 60 децибелпосле того как звуковой источник был отключен. В большинстве случаевуменьшение громкости на 60 децибел эквивалентно времени до момента, когда звук перестанет быть слышен.

Чтобы понять, что такое RT комнаты, хлопните в ладоши, находясь в маленьком офисе или переговорной, и прислушайтесь, как быстро звук будет затухать;затем повторите то же самое в большом зале или холле, отделанном твердыми материалами и сделайте то же самое. Важно, чтобы в домашнем театре RT было относительно низким, так как это имеет прямое отношение к ясности и чёткости звука. Низкое время отражения позволит реалистично передать звук, в противном случае он может быть искажен за счёт длинного затухания.

Какой должна быть величина времени отражения для домашнего кинотеатра?

Количество и порядок использования звукопоглощающих материалов должно быть таким, чтобы с одной стороны уменьшить нежелательные отражения звука, а с другой - достичь показателя времени отражения приблизительно 0.30-0.35 секунд во всех частотах между 250 гц и 4 кГц и 0.40-0.50 секунды в частотах между 60 гц и 250 гц.

Оптимальное использование пространства

Как было сказано выше, переизбыток звукопоглощения может дать эффект нереалистичного звучания. Однако, если совсем не делать звукоизоляцию стен (в том числе боковых стен и задней стены), то можно столкнуться с другого рода проблемами, такими как:

Дрожащее эхо (короткое повторяющееся эхо на средних и высоких частотах возникающее между двумя параллельными стенами)
Эхо с длительной задержкой от тыловой стены, которое может фактически переместить локализацию звука из положения перед слушателем к положению позади слушателя;
Резкий surround-звука.

Эти проблемы можно решить, используя материалы, которые отражают звук, одновременно диффузируя его. Таким образом, звук оказывается рассеянным в разных направлениях, что устраняет любое слышимое эхо и при этом улучшает качество объёмного звучания за счётувеличения размеров помещения.

Звукоизоляция

Чтобы слушатели, находящиеся в домашнем кинотеатре, не слышалишумов извне, а люди в других комнатах не испытывали неудобств из-за громких взрывов и стрельбы в очередномголивудском блокбастере, небходимо использовать строительные конструкции и материалы, способные обеспечить приемлемый уровень звукоизоляции в большинстве диапазонов частот.

Изоляция звуков касается не только стен, пола и потолка, но также и всех важных деталей комнаты, таких как двери, отверстия в стенах, пересечения, стыки и края.

Многие компании утверждают, что используемые ими материалы или детали гарантируют полную звукоизоляцию. Эти утверждения далеки от реальности, поскольку в природе нет таких материалов, которые могут полностью обуздать низкочастотный звук того же сабвуфера. Кроме того, поскольку громкость звука за пределами комнаты зависит и от громкости источника, а не только от использованных при строительстве материалов, невозможно гарантировать, что все звуки из кинотеатра будет нейтрализованы и неощутимы в соседних помещениях, особенно на низких частотах.

Уровень окружающего звука

Очень важно, чтобы в примыкающих к кинотеатру помещениях было тихо, только в этом случае вы сможете оценить широкий динамический диапазон звука. В кино много моментов, когда действие достигает кульминации -достигает максимального визуального и звукового уровня, а затем внезапно всё останавливается и погружается в полную тишину. Чтобы ощутить этот мгновенный переход в уровне звука, нужно иметь низкий уровень фонового шума.

Как фоновый шум измеряют и оценивают?

Уровень шума в кинотеатре измеряют с помощью специального прибора, который меряет средний уровень в децибелах за короткий промежуток времени в зоне, где сидят зрители. Уровень измеряют в разных диапазонах частот или октавах, чтобы получить более детальный анализ. Результаты измерений затем сравнивают с эталонными, известными также, как Шумовые Критерии, или NC - кривые.

Что следует знать о кривых NC?

NC-кривые позволяют сравнить уровень шума для различных типов помещений. Каждой кривойсоответствует число. Чем меньше число, тем тише в помещении. Для всех кривых NC более низким частотам соответствует более высокий уровень шума в децибелах. Человеческое ухо легче воспринимает низкие частоты, таким образом, низкочастотный звук может быть относительно громче и при этом соседствовать со звуком высокой частоты. Самые низкие кривые соответствующие NC 15 и NC 20 представляют концертные залы и звукозаписывающиестудии, тогда как более высокие кривые NC 35 или NC 40 типичны для офисных помещений.

Каким должно быть значение NC?

Величина равная NC 20 - отражает идеальный баланс между хорошей акустикой и уровнем шума. Кривой NC 20 соответствуют следующие уровни шума в децибелах:

63Hz	125Hz	250Hz	500Hz	1kHz	2kHz	4kHz	8kHz
51	40	33	26	22	19	17	16

Контроль шума от HVAC, A/V, систем электропитания и освещения

Посторонний шум в кинотеатре образуется под влиянием двух факторов:

Шум от внешних шумовых источников, попадающий внутрь кинотеатра
Шум от собственных систем, обслуживающих кинотеатр.

Влияние первой группы факторов можно уменьшить за счёт звукоизоляции, что описано выше.

Вторая группа факторов включает такие системы, как HVAC, аудио/видео и электрические системы / системы освещения.

Так для систем HVAC (отопление, вентиляция, кондиционирование) основным является правильный выбор оборудования/систем, местоположение оборудования, схема прокладки и сечение коммуникаций, настройка и регулировка работы оборудования, устранение вибрации и установка приборов контроля.

Для аудио/видео систем важно добиться уменьшения шума и вибрации проекторов, усилителей и другого оборудования с вентиляторным охлаждением; вибрации динамиков и помех, создаваемых электрооборудованием.

Для систем электроснабжения и освещения необходимо правильное расположение и уменьшение шума от трансформаторов, решение вопросов, связанных с электрическими помехами, выбор бесшумного холодильного оборудования для бара, если он есть, а также выбор бесшумных систем управления освещением.

Далее советы по выбору домашнего кинотеатра