Применение диффузоров в комнатах прослушивания. Технический бюллетень.
- Введение
- Что такое диффузор?
- Принцип Гюгенса
- Как диффузоры рассеивают звук?
- Где диффузоры должны быть расположены?
- Как влияют диффузоры на звуковой образ?
- Сколько диффузии нужно использовать?
- На каком расстоянии должен находиться слушатель от диффузора?
- Пример временного ответа помещения.
- Список литеретуры.
- Благодарности.
В этой публикации попытаемся ответить на большинство часто задаваемых вопросов о диффузорах и их применении в дизайне комнат прослушивания:
- Что такое диффузор?
- Каким образом диффузор рассеивает звук?
- Где должны быть расположены диффузоры?
- Как влияют диффузоры на звуковой образ?
- Как далеко должен быть расположен слушатель?
Один из интересных аспектов акустики, в отличие для других наук, является фактор "личных предпочтений", потому что звук интерпретируется био-компьютером (мозгом), который был запрограммирован личным опытом и богажом знаний каждого. Поэтому, некоторым людям нравится опера, некоторым нравится рок, некоторые некоторые предпочитают точные, острые звуковые образы, другим нравятся образы с более естественной шириной и тому подобное. Не менее важным является тот факт, что некоторые био-компьютерs являются дефектными, тем не менее все еще способны выражать акустических мнение. В этом кратком описании пытаемся сосредоточиться на физике диффузоров, поскольку авторы в полной мере осведомлены о рабочем состоянии их био-компьютеров, после нескольких лет непрерывной работы.
Рассеяние звука, безусловно, использовалось с древности в виде скульптур, кессонных потолков, рельефных орнаментов, колонн и т. д. Эти объекты использованы, сознательно ли или не осознанно для создаия многочисленных прекрасных площадок для выступлений, и важность диффузии звука в этих пространствах была подтверждена замерами и опытом прослушивания. Однако эти поверхности, хотя и красивы, имеют ограниченные пространственные возможности рассеяния и эффективность. В начале 80-х, RPG был основан, чтобы начать аналитические исследования рассеивающих звук поверхностей, и теоретические и экспериментальные.
Дисциплина архитектурная акустика была основан более 100 лет назад Уоллесом Сабиным. В течение этого времени основное внимание уделялось изучению поглощающих поверхностей. Значительное количество исследований было посвящено изучению механизмов поглощения звука и количественной оценки их эффективности, были установлены стандарты для оценки звукопоглощения. Даже при всех этом усилиях, мы имеем дело со коэффициентами звукопоглощения, превышающие единицу! Напротив, акустическое проектирование рассеивающих поверхностей еще в периоде формирования. За последние 30 лет значительный прогресс был достигнут в теории, проектировании, прогнозировании, оптимизации, измерения и описанию этих важных поверхностей. Как сопредседатель Рабочей Группы по Оценке Акустических Материалов Characterization of Acoustical Materials Working Group), авторы очень гордимся тем фактом, что первый информационный документ, описывающай как оценить рассевающую равномерность дифозоров был опубликован в качестве AES-4id-2001 документа в журнале Audiо Eng. Soc., Vol. 49, № 3 (март 2001). Мы также работаем над созданием стандартов для коэффициентов звукорассеяния, которые необходимы в программах геометрического моделирования помещения. Эта работа проводится в международной рабочей группе ISO WG25.
Исследования RPG в области акустического рассеяния началось со статьи, доставленой в AES ( Audio Engineering Society) на то же совещание, на котором была представлена технология CD, почти 20 лет назад! [Питер Д`Антонио, и Дж. Коннерт, "Фаза отражения решетчатого диффузора: теория создания и применение.", J. Audio Eng. Soc. Vol. 32, № 4 (апрель 1984)]. Простые диффузоры, построенные на теории квадратичных вычетов,описанные там, были значительно улучшены за последние годы. В действительности, дизайн парадигма о равной энергии в дифракционных направлениях, предложенный Манфредом Шредером, была расширена до равной энергии во всех направлениях, с дополнительными возможностями обеспечения энергией "желаемых" направлений.
Пока некоторые из этих поверхностей, основанных на теории последовательности простых чисел всё ещё весьма применимы, новые правила искусства в разработке диффузоров используют новый алгоритм оптимизации, который сочетает в себе мощь поверхностей раздела и многомерные методы оптимизации. Эти новые программы мы будем называть Shape Optimizer. Исследования, проведенные за последние 20 лет, были рассмотрены в нескольких опубликованных работах и новой книге "Акустические поглотители и диффузоры: теория, разработка и применение", Тревор Кокс и Питера Д`Антонио, которорая будет опубликована позднее в этом году издательством Spon Press. Для тех, кто заинтересован в дальнейшем чтении, ссылки на технические публикации в конце этой статьи. Индустрия архитектурной акустики в настоящее время близока к стадии, когда специалисты-акустикои имеют возможность для оценки потенциал диффузоров, предлагаемых на рынке, и определить их эффективность, так же как это происходит с коэффициентами звукопоглощения для поглощающих поверхностей. С этой точки зрения, акустическая индустрия добилась значительных успехов, идя в ногу с невероятными достижениями в электронной промышленности.
Когда звук падает на поверхность, некоторую энергию удаляется за счёт поглощения или проходит сквозь поверхность, и ещё какая-то часть рассеивается энергии рассеивается. Когда звук рассеивается только в одном направлении, где угол падения равен углу отражения, такое рассеянние энергии обычно называют зеркальным отражением. Когда энергия рассеивается равномерно во всех направлениях и с временной задежкой, рассеянная энергия называется диффузным отражением. В зеркальном отражении, основная часть энергии концентрируется в очень короткий период времени, тогда как энергия рассеивается распределяется в течение более длительного периода времени. Чтобы понять, что такое диффузор, полезно понять, почему зеркальное отражение звука ограничено только в одном - зеркальном направлении. Чтобы понять это, полезно использовать постулат, введенный Гюйгенсом для объясния механизма рассеяние света.
Гюйгенс предложил очень интересную концепцию, описывающкю рассеяние света от поверхности, которую можно использують для понимания рассеяния звука. Идея заключается в представлении рассеивающей поверхности как набора вторичных точечных источников, которые излучают полусферически. Эти вторичные источники полусферического излучения энергии, образующие концентрические всплески, сочетаются с моделированием отраженного звука. Линии, проведенной через точки на отраженных волнах находятся в фазе друг с другом. Эти линии волновых фронтов, которые показывают направление распространения отраженного звука. На рисунке 1 показан эффект падающей волны от нормали к поверхности, которая производит отражения плоской волны в зеркальном направлении, где угол падения равен углу отражения. Фазовые отношения в других направлениях, накладываются и разрушаются, а, следовательно, остаются волны рассеивающиеся только в зеркально отраженном направлениии.
Как плоскоя поверхность может быть модифицирована для того, что бы отраженный звук рассеивался в других направлениях, помимо зеркального направления?
Поскольку звук может быть описан фазовыми и амплитудными характкристиками, мы видим, что можно изменить направленность рассеяния звука посредством изменения фазы и амплитуды рассеивающихся волн. Изменить фазу можно путём изменения топологии отражающей поверхностис, варируя глубиной. В этом случае поверхность называется фазовая дифракционная решётка (теперь вы знаете, что RPG означает [reflection phase grating]). Если амплитуда изменяется путем формирования отражающих и поглощающих областей на поверхности, вы создаете отражающую/поглощающую амплитудную дифракционную решетку. Оба подходы были использованы для создания большого семейства рассеивающих поверхностей для различных целей.
На рисунке2, мы покажем создание фазовой ифракционной решетки, вводя серию лунок одинаковой ширины, но разной глубины, разделенных перегородками, которая способна перенаправять отраженные волны.
Эти фазовые дифракционные решетки, которые первоначально описывались на основе теории последовательности простых чисел, теперь могут быть оптимизированы с помощью Shape Optimizer. Изогнутой поверхности так же можно придать способность рассеивать звук, как показано на рисунке 3, в форме простого полуцилиндра.
На рисунке 4 мы проиллюстрируем как серия отражающих и поглощающих областей могут также может вызвать незеркальных переориентации рассеянной волны. Обратите внимание, как область в центре схемы, не способствует рассеиванию энергии в любом направлении, так как эта энергия поглощается.
Таким образом определим диффузор как поверхность, равномерно рассеивающую падающий на неё звук вне зависимости от угола падения волны, угола наблюдения и частоты в пределах своей пропускной способности.
Они также должны иметь временную сигнатуру, отличающуюся от падающего звука, и это, как правило, делается путем создания временной дисперсии.
КАК ДИФФУЗОРЫ РАССЕИВАЮТ ЗВУК?Мы уже упоминали фазовых дифракционных решетках, оптимизированных формах и амплитуды дифракционных решетках, как возможные типах диффузоров. Далее они могут быть разделены по характеру их пространственного распределения энергии звука. Когда фаза или амплитуда изменяется только в одном направлении, мы называем эти диффузоры одномерными или 1D-диффузорыв.
Пример полярного распределения показан на рисунке 5 (слева). В 1D-диффузоре, звук рассеивается в форме полуцилиндра в направлении изменения фазы или амплитуды и зеркально ориентированы в другом направлении. Эти 1D диффузоры можно рассматривать как выдавленные в поперечном сечении, содержащие отражение фазовой дифракционной решетоки, таких как отражения от выпуклых поверхностей колон, изогнутых фракталов. 2D-диффузор равномерно рассеивает звук в форме полушария, независимо от угла падения. Поскольку 2D-диффузор рассеивает звук всенаправленно (omniffusor), отраженная энергия в сопоставимых направленях для 2D-диффузора составляет половину энергии для 1D-диффузор. 2D-диффузоры включают оптимизированную разделеную и неразделеную фазовую дифракционную решетку, новые оптимизированные контурные поверхности и амплитудную фазовую решетку.
Использование метода граничных элементов (Boundary Element Technique) можно рассчитать и визуализировать, как звук рассеивается, отражаясь от поверхности.
Чтобы проиллюстрировать это, на рисунке 6 показано 3D зеркальное полюсное рассеяние плоской отражающей поверхности от параллельных реек из дерева, отражающей поверхности в форме пирамиды с квадратным основанныем, а оптимизированным 2D-диффузором. Полюсные ответы рассчитываются для нормального падения волны на частоте 2 кГц. Деревянные рейки отражают практически зеркально с небольшой рассеченностью. Пирамида перенаправляет отражения, следуя симметрии из четырёх трехугольных граней. 2D диффузор равномерно распределяет отражение рассеянного звука в полушарии.
- Введение
- Что такое диффузор?
- Принцип Гюгенса
- Как диффузоры рассеивают звук?
- Где диффузоры должны быть расположены?
- Как влияют диффузоры на звуковой образ?
- Сколько диффузии нужно использовать?
- На каком расстоянии должен находиться слушатель от диффузора?
- Пример временного ответа помещения.
- Список литеретуры.
- Благодарности.
ГДЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ РАЗМЕЩЕНЫ ДИФФУЗОРЫ?
В комнате прослушивания, ограждающие конструкции как правило довольно близко расположены к слушателю. Наиболее эффективным размещением для диффузоров или поглощающих поверхностей являются площадки ранних отражений. Рассмотрим комнату, в которой все поверхности зеркала. Это площадки, где с точки прослушивания просматривались бы отражения источника на всех поверхностях. Вследствии размещения диффузоров на этих площадках изменяется звуковой образ и его окраска.
КАК ВЛИЯЮТ ДИФФУЗОРЫ НА ЗВУКОВОЙ ОБРАЗ?
Часто бывает полезно рассматривать крайние или граничные условия, при попытке решить проблему. Для комнате прослушивания одина крайность - полностью безэховая заглушенная камера, а другая - реверберационная камера. Любой, кто провел какое-то время в этих комнатах понимает, что ни одна из них не явлфется подходящей для прослушивания музыки. В начале 80-х предпринимались попытки в улучшении дизайна комнат прослушивания стерео. Поскольку в то время не было и психоакустических и измеримых доказательств того, что ранние отражения влияют на характеристики звука в точке прослушивания, поглощающие материалы был использован для контроля отражений между источником и слушателем что бы обеспечить то, что мы называем зоной свободной от временных и пространственных отражений (RFZ, a temporal and spatial reflection free zone). Отсуствие оттражений было временным, так как нежелателтные отражения контролируются только в течение определенного интервала времени, до тех пор пока отражения от остальных поверхностей комнаты не начинают прибывать, и так же пространственным, поскольку зона, свободная от отражений существует только в определённой области помещения. После этого временная RFZ, отражения от необработанных поверхностей комнаты будут прибывать и будут слышимыми. Поскольку нежелательно иметь сильные зеркальные отражения от задней стены, из-за их сильного влияния на звуковой образ, а так же для того, чтобы не делать заднюю часть комнаты поглощающей звук, что приводит к "мертвой" комнате, диффузия была рассмотрена в качестве альтернативного способа изменения энергии отражений, прибывающей в RFZ. Эти задние диффузоры по существу обеспечивают "пассивное" объемное звучание, обеспечения в комнате среду, минимально влияющую на прямой звук.
СКОЛЬКО ДИФФУЗИИ НУЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ?
Это зависит от личных предпочтений слушателя. Если раниие отражения от тыльной стены или другие отражения первого порядка поглощаются, то музыкальный образ появляется с высоким разрешением. Если для контроля любых из упомянутых отражений используется диффузия, размер музыкального образа увеличивается. Если все сделано правильно, слушатель может описать своё ощущение, как более естественный размер образа, похожий на тот, что возникает в присутствии фактического источника звука.
Таким образом необходимо достичь баланса, при котором достигается желаемая ширина и глубина музыкального образа. Некоторые люди склонны переглушить комнату, используя её, например, для микширования, другие нет. Многие из ведущих заведений, занимающихся мастерингом аудио, используют комнаты с сочетанием поглощения и диффузии. Следовательно, если необходимо достичь етественного звучания в комнате, то сочетание поглощения и диффузии лучше, чем сочетание поглощения и отражения. Поскольку стерео уступило дорогу различным форматам объемного звучания, мы больше не полагаться полностью на фантомные центр музыкального образа. "Пассивный" акустический объём теперь может быть использован в дополнение к «активным» каналам объёмного звучания, создавая желаемый сочетание размера образа и атмосферы звучания.
НА КАКОМ РАССТОЯНИИ ДОЛЖЕН НАХОДИТСЯ СЛУШАТЕЛЬ ОТ ДИФФУЗОРА?
Этот вопрос может быть решён при рассмотрении концепции рабочего расстояния. Рабочее расстояние это оптимальное расстояние, на котором слушатель должен располагаться от рассеивающей поверхности. Расстояние может быть определено, рассматривая поле рассеяния или общее поле диффузора.
Вопрос в том, какое расстояние необходимо устройству для создания согласованного во времени волнового фронта. По сути, вопрос в том находится ли слушатель в ближнем поле или дальнем поле устройства. Существует аналогия с громкоговорителями. Ведь слушатель не станет сидеть на расстоянии 30 см от многоканального громкоговорителя, так как он будет находится в ближайшем поле одного из группы динамиков. На некотором расстоянии от динамика индивидуальные частоты всех динамиков (высокие, средние и низкие) комбинируются, образуя в совокупности когерентный волновой фронт. То же самое верно и для рассеивающих поверхностей. Они также могут рассматриваться с точки зрения ближнего и дальнего поля, хотя ситуация немного сложнее чем для громкоговорителей.
Поле рассеяния можно описать временными, пространственными и частотными характеристиками. Время отклика описывает уровень рассеянного звука по сравнению с времем прибытия звука от источника под заданным углом падения и заданного угла наблюдения, в отношении к нормали к поверхности. Для плоской, полностью отражающей поверхности бесконечного размера, время отклика является точной копией прямого звука, ориентированной в зеркальном направлении. Для панели конечного размера время отклика состоит из времени прибытия зеркально отражённой волны и краевых эффектов. Пример панели конечного размера показан в верхней части рисунка 7A и 7B. Частотная характеристика описывает уровень рассеянного звук в зависимости от частоты, от источника с заданным углом падения и заданным углом наблюдения, по отношению к нормали к поверхности. Для поверхности конечных размеров, частотная характеристика, как правило, высокий pass фильтр с низким частотным срезом и пульсацией, определяемой размером панели.
Временная и частотная характеристики для диффузора показаны на рисунке 7С и 7D. Обратите внимание, рассеянная энергия от диффузора рассредоточена во времени и частотный ответ характеризуется серией беспорядочно расположенных углублений и пиков частоты, характерных для замера в комнате с диффузным поле.
Временной и пространственный ответ для поглощающей поверхности, которая ослабляет падающий звук, отражающей поверхности, которая перенаправляет падающий звук и диффузора, который равномерно рассеивает падающий звук показаны на рисунке 8.
Поле рассеянияо можно также описать по его пространственному ответу. Это похоже на полярный ответ громкоговорителя в дальнем поле, однако, полярный ответ диффузора гораздо труднее измерить в дальнем поле, и это было предметом обширных исследований и AES-4id-2001 стандарта. В дальнем поле, полярную реакцию идеального диффузора не зависит от угола падения, угола наблюдения и частоты, в пределах своего рабочего спектра частот. Определить дальнее поле рассеивающей поверхности можно с помощью следующих критериев:
- расстояние до наблюдателя должно быть большим по сравнению с длинной волны и
- разница между длиной пути от точек на поверхности до наблюдателя должна быть мала по сравнению с длиной волны.
Подобно тому, как мало кто бы слушал 3-х полосную колонку, приложив ухо к среднечастотному динамику, то следует ожидать звуковые искажения сидя слишком близко к поверхностям, рассеивающим звук. Дизайнеры комнат прослушивания сообщают о разничных фазовых аномалиях просто из-за того, что они не находятся достаточно далеко от диффузора и они в ближнем поле диффузора слышат эффект гребенчатой фильтрации и lobing эффект. Более того, располагаясь слишком близко к диффузору означает то, что отражения от поверхности, расположенной близко к уху, преобладают, поэтому временная задержка отражений, образуемая диффузором не слышна. Прямой и отраженный звуки в этом случае довольно схожи и искажения становится все хуже. Это приводит нас к рассмотрению общего поля.
Общее поле комнаты прослушивания.
До сих пор мы рассматривали только рассеивание звука диффузором. Когда мы слушаем музыку в комнате, мы слушаем общее звуковое поле, прямой звук от источника, отражённый и рассеянный звук. Если рассеянный звук преобладает, мы слышим аберрации (искажения звука). Так как комнатные отражения влияют на размер и направленность звукового образа, они также могут вносить окраску, обычно определяющуюся как искажение спектрального состава или тембра прямого звука. Изучение полного поля вносит некоторое представление от том, почему рассеивающие поверхности могут привнести окраску.
Ранее мы иллюстрируется временной и частотный ответы изолированных панелей зеркального и диффузного отражения, теперь давайте рассмотрим временной и частотный ответ общего поля. Рассмотрим эффекты для случая, когда слушатель находится примерно на расстоянии 1 м от поверхности рассеяния.
Когда рассеянние звука происходит от плоской поверхности, отраженный и прямой звуки относительно сопоставимы по уровню, что приводит к эффекту гребенчатой фильтрации (рисунок 9 вверху). Не слишком характеризуют содержание прямого звука. Хотя это выглядит довольно плохо, эффект гребенчатой фильтрации может не восприниматься на слух из-за отношения между частотами нуль/пик и особенностями слухового восприятия критических полос, а так же эффектом слуховой маскировки другими отражениями. Когда отражающая поверхность является диффузором, время отклика рассредоточено во времени, пространственный ответ более равномерный и частотный ответ состоит из нерегулярных чередовании нулей и пиков, что свойственно диффузному звуковому полю. Частотная характеристика общего поля больше напоминает прямой звук, поскольку диффузия сводит помехи к минимуму. Важно отметить, что слушатель не улавливает регулярности нулей и максимумов, которые были замечены с плоской поверхностью на рисунке 9, и поэтому спектральные изменения становятся менее заметными. Нижние графики на рисунке 9 иллюстрируют временной и частотный ответы для 1D диффузора (полуцилиндрическое рассеяние). 2D диффузоры (полусферическое рассеяние), которые направляют больше энергии от слушателя, будет способствовать большему снижению уровеня рассеянной энергии в направлении слушателя. Недавние исследования в настоящее время привели к гибридным отражающе-поглощающим поверхностям, состоящие из отражающих и поглощающих поверхностей. Эти диффузоры обеспечивают как поглощение так и диффузию и позволяют слушателю приблизиться еще ближе к рассеивающей поверхности.
Уровень рассеянного звука и результирующее воздействие на общее поле уменьшается в следующем порядке: плоская поверхность, изогнутая поверхность, 1D фазовая дифракционная решётка, 2D фазовая дифракционная решётка, 1D амплитудная решётка, 2D амплитудная решётка, поглотитель. В свете этих замечаний, важно учитывать временной, пространственный и спектральный ответы звукорассеивающих поверхностей. Случайный комбинирование произвольных поверхностей не рекомендуется и дизайнеры должны запрашивать теоретические или экспериментальные доказательства характеристик от производителей.
ПРИМЕР ВРЕМЕННОГО ОТВЕТА ПОМЕЩЕНИЯ.
Давайте посмотрим на измерения в комнате прослушивания до и после её обработки совместно поглощающими и рассеивающими поверхностями на рисунке 10. В верхней части мы видим временной ответ до начала обработки, в котором все поверхности были полностью отражающими. Измерительный микрофон находится в позиции прослушивания. До начала обработки можно увидеть влияние ранних отражений боковых стен и пола, отражений потолка и серию разбросанных комнатных отражений. Стены, пол и потолок были обработаны материалами с широкой полосой поглощения для того, что бы создать зону, свободную от отражений (RFZ, reflection free zone), а задняя стена была обработана рассеивающей поверхностью для создания диффузного звукового поля с пространственной и временой задержкой отражений.
- P. D'Antonio and T. Cox, "Two Decades of Sound Diffusor Design and Development, Part 1: Applications and Design", J. Audio Eng. Soc., vol. 46, No. 11 (November 1998)
- P. D'Antonio and T. Cox, "Two Decades of Sound Diffusor Design and Development, Part 2: Prediction, Measurement and Characterization", J. Audio Eng. Soc., vol. 46, No. 11 (November 1998)
- Special Edition of Applied Acoustics: Surface Diffusion in Room Acoustics, Guest Editor: Y. W. Lam, Vol. 60, No. 2 (June 2000), Elsevier with articles by Y.W. Lam, P. D'Antonio, T. Cox, J.A.S. Angus, M. Vorlander, E. Mommertz, T. Johansson, M. Kleiner, K. Fujiwara, K. Nakai, H. Torihara, M.J. Howarth and F.R. Fricke.
- Proceedings of the 17th International of Acoustics Rome, Italy 2001, Volume III
Авторы хотели бы поблагодарить бесчисленное количество архитектурных акустиков, дизайнеров студий звукозаписи, дизайнеров домашних кинотеатров, которые поддержали эти исследования и разработку продуктов за счет включения диффузии в их проекты. Эти новаторские усилия помогли сделать диффузию частью акустической структуры в музыкальной индустрии в тысячах инстоляций. Когда вы слушаете ваши любимые CD, DVD, радио канал, фильм или концерт, созданные за последние два десятилетия, возможно, вы слушаете музыкальный продукт, созданный в учреждении, использующий диффузию как часть своего дизайна. Это включает в себя многие ведущие в своей отрасли звукозаписывающие студии, таких как Sony Music, Hit Factory, Criteria, Starstruck Studios; студии мастеринга, такие как Gateway Mastering, Zomba/Battery, Sterling Sound, Telarc, DMP, Dorian; большинство студий вещания, такие как XM Satellite, Sirius, NPR, BBC, CBC, etc; концертные площадки, такие как Carnegie Hall, Juilliard, Fritz Philips Muziekcentrum, Rivercenter, MIT Kresge Auditorium; коммерческое кино как Cinerama; акустикие научно-исследовательских лаборатории, включая Harman Multichannel Listening Lab, Etymotic Research; множество помещений увлечённых людей, и многие домашние кинотеатры для богатых и знаменитых.
Комментариев нет:
Отправить комментарий