Akustyka Pomieszczenia Odsłuchowego.doc

AKUSTYKA POMIESZCZENIA ODSŁUCHOWEGO

 
Głośniki promieniują fale dźwiękowe nie tylko w jednym kierunku, wzdłuż osi głównej ("na wprost"). Większa część całkowitej wypromieniowanej energii jest rozpraszana ("na boki"). Ponieważ nasz system i głośniki nie działają w wolnej przestrzeni, ale w pomieszczeniu zamkniętym, więc rozproszone fale mogą dotrzeć do słuchacza po jedno lub wielokrotnych odbiciach od ścian, mebli i różnych przedmiotów znajdujących się w pomieszczeniu.

Tak więc udział fal odbitych w wielkiej mierze decyduje o kształcie obrazu dźwiękowego. Udział fal odbitych wcale nie jest zjawiskiem jednoznacznie szkodliwym. Naszym celem nie powinno być ich całkowite wyeliminowanie, ale sprowadzenie ich udziału do pożądanego poziomu i właściwe ukształtowanie. Precyzja lokalizacji pozornych źródeł dźwięku zwiększa się wraz ze zmniejszaniem się udziału fal odbitych, bowiem fale te, docierając z różnymi opóźnieniami i z różnych kierunków, zamazują obraz tworzony przez fale promieniowane bezpośrednio przez głośniki. Ale dla pożądanej atmosfery akustycznej, "oddychania" dźwięku w pomieszczeniu, określony udział fal odbitych jest niezbędny. Rzecz w tym, aby znaleźć złoty środek.

W pomieszczeniu zupełnie niewytłumionym, o płaskich, gołych ścianach, stereofonia jest nieuporządkowana, zaburzona jest również charakterystyka częstotliwościowa na skutek pojawiających się rezonansów, zwłaszcza w zakresie niskich częstotliwości (pomieszczenie dudni), jak i przez zbytnie nasycenie średnimi i wysokimi częstotliwościami (dźwięk zbyt jasny, jazgotliwy).

Walka z tymi szkodliwymi efektami odbywa się za pomocą dwóch grup środków - ustrojów tłumiących i ustrojów rozpraszających. W grupie środków tłumiących jedne lepiej działają w zakresie częstotliwości niskich, inne wysokich, jeszcze inne w dość szerokim zakresie częstotliwości. Wiele z tych ustrojów, zarówno tłumiących jak i rozpraszających, jest lub może być jednocześnie funkcjonalnym wyposażeniem pokoju mieszkalnego (meble, kwiaty). Jeśli to nie wystarcza, interweniuje się za pomocą specjalnych "wynalazków".

Tłumienie nie odbywa się na zasadzie zero-jedynkowej: wytłumione albo nie wytłumione. Energia fali dźwiękowej padającej na powierzchnię jakiegokolwiek przedmiotu ulega podziałowi. Część energii fali zostaje odbita bezpośrednio, część energii zostaje przejęta przez przedmiot, a z tej części z kolei część zostaje oddana z powrotem w kierunku źródła dźwięku, część na drugą stronę, a część zamieniona na ciepło - czyli w rzeczywistości wytłumiona. Ponadto, sposób podziału tej energii zmienia się w skali częstotliwości, a dla różnych materiałów proporcje te są różne.

Stopień tłumienia niskich częstotliwości jest określony przede wszystkim przez ilość i kubaturę dużych mebli (szafy, wersalki, fotele). Ich działanie w tłumieniu niskich częstotliwości polega na absorbowaniu drgań przez drewnianą (z płyty wiórowej, ze sklejki) konstrukcję i ew. dużą ilość "wypełnienia" (książki, pościel, ubrania). Dość nowym pomysłem są "pułapki basowe" - dostrojone do określonych częstotliwości i ustawione najczęściej w narożach pomieszczenia.

Częstotliwości średnie i wysokie tłumione są przez materiały miękkie i porowate. Im są grubsze, tym swoim działaniem sięgają niżej na skali częstotliwości. Zasłony, kotary, dywany, kilimy, specjalnie przygotowane kilkucentymetrowej grubości płaty gąbki poliuretanowej, dla estetyki obszyte materiałem, miękka tapicerka wersalki, foteli i krzeseł - to środki "uspokajające" średnie i wysokie częstotliwości. Jak widać, najbardziej uniwersalnymi wytłumiaczami są duże, miękkie meble - tłumią w szerokim zakresie częstotliwości akustycznych.

Najbardziej szkodliwe są odbicia od płaskich, równoległych ścian. Mogą się one kumulować, tworząc w pomieszczeniu fale stojące i rezonanse. Zamiast wytłumiać, możemy tym zjawiskom przeciwdziałać rozpraszając falę dźwiękową. W tym przypadku istotny jest kształt powierzchni, która nie pochłania, ale odbija falę dźwiękową. Ogólnie im kształt jest nieregularniejszy, tym lepiej, bowiem uzyskujemy wówczas wiele przypadkowych odbić i w ślad za tym wiele słabo zaznaczonych rezonansów, które ostatecznie uśredniają się w szerszych pasmach częstotliwości i są niewyczuwalne. Podobnie jak w przypadku tłumienia, również rozpraszanie fal niskich częstotliwości jest najtrudniejsze. Najskuteczniejszym rozwiązaniem zapobiegającym powstawaniu fal stojących w zakresie niskich częstotliwości są nierównoległe ściany pomieszczenia, a zwłaszcza pochylony sufit. Niestety, w tej sprawie niewiele jesteśmy w stanie zrobić.

Rezonanse pomieszczenia

Rezonanse dużych, nieregularnych pomieszczeń, takich jak sale koncertowe, są trudne do obliczenia. Zdarza się, że zaprojektowane przez profesjonalistów, z użyciem najnowocześniejszych technik, brzmią bardzo źle; potrzebne są wówczas eksperymenty, prowadzące nieraz do całkowitej przebudowy. Na eksperymenty powinni być przygotowani również audiofile, adaptujący swoje pomieszczenia; na szczęście jednak, podstawowe rezonanse małych, regularnych pomieszczeń łatwiej obliczyć.

W małym, niewytłumionym pomieszczeniu rezonanse - wynikające z powstawania fal stojących między równoległymi płaszczyznami ścian - występują nie tylko w zakresie częstotliwości niskich. W zakresie powyżej 200Hz ich ilość znacznie wzrasta; to jednak - paradoksalnie - jest zaletą, bowiem występując bardzo blisko siebie, będąc rozłożonymi równomiernie, w praktyce zlewają się ze sobą, i eksponowanie wybranych, pojedynczych częstotliwości nie jest słyszalne. Poza tym naturalne wytłumienie pomieszczenia jest w zakresie średnich i wysokich tonów dość skuteczne. Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w zakresie niskich częstotliwości. Rezonansów jest mniej, ale są przez to bardziej wyróżnione i lepiej słyszalne; znacznie mniej pomagają też tutaj proste zabiegi wytłumiające.

Układ rezonansów w zakresie niskich częstotliwości może być jednak lepszy lub gorszy - w zależności od tego, czy rezonanse są w miarę równomiernie rozłożone, czy nakładają się na siebie. Zależy to od proporcji między trzema wymiarami pomieszczenia - wysokością, szerokością i długością.

Badania i obliczenia doprowadziły do ustalenia, w jakim stosunku powinny być trzy wymiary pomieszczenia, aby rozkład rezonansów był najkorzystniejszy. Już ponad 30 lat temu, amerykański akustyk L.W. Sepemeyer przedstawił trzy "złote proporcje":

1 :1,14 : 1,39
1: 1,28 : 1,54
1 : 1,60 : 2,33

Gdzie 1 przypisać należy wysokości pomieszczenia, a pozostałe współczynniki krótszemu i dłuższemu bokowi.

Kilka lat później inny badacz, M.M. Louden, przedstawił bogatszy materiał: aż 20 proporcji, uporządkowanych od najlepszej do najgorszej:

1 : 1,9 : 1,4
1 : 1,9 : 1,3
1 : 1,5 : 2,1
1 :1,5 : 2,2
1 : 1,2 : 1,5
1 : 1,4 : 2,1
1 : 1,1 : 1,4
1 : 1,8 : 1,4
1 : 1,6 : 2,1
1 : 1,2 : 1,4
1 : 1,6 : 1,2
1 : 1,6 : 2,3
1 : 1.6 : 2,2
1 : 1,8 : 1,3
1 : 1,1 : 1,5
1 : 1,6 : 2,4
1 : 1,6 : 1,3
1 : 1,9 : 1,5
1 : 1,1 : 1,6
1 : 1,3 : 1,7

Gdzie 1 ponownie odpowiada wysokości pomieszczenia, ale pozostałe dwa współczynniki przypisywane są zamiennie, krótszemu lub dłuższemu bokowi pomieszczenia. Niewielkie zmiany w proporcjach powodują znaczne pogarszanie się rozkładu rezonansów: proporcje 1 : 1,8 : 1,4 i 1 : 1,9 : 1,5 niewiele przecież różniące się od najlepszej 1 : 1,9 : 1,4, znajdują się odpowiednio na 8 i aż na 18 pozycji. Być może skrócenie pokoju o 30cm przesunie go w rankingu proporcji z miejsca osiemnastego na pierwsze! Gdy na przeszkodzie nie stoją drzwi ani okna, przy odrobinie determinacji wykonanie gipsowej ścianki jest możliwe. Wtedy można też przygotować coś specjalnego - lekkie pochylenie ścianki zaburzy jej równoległość ze ścianą przeciwległą, co osłabi wszystkie rezonanse tworzące się między nimi.
 

Ustawienie zespołów głośnikowych.  

Istnieje wiele wskazówek dotyczących prawidłowego ustawienia zespołów głośnikowych w układzie stereofonicznym. Niektóre z nich są wymaganiami podstawowymi i uniwersalnymi dla wszystkich lub przeważającej części zespołów głośnikowych, inne dotyczą określonych rodzajów, specyficznych konstrukcji, jeszcze inne wynikają z indywidualnych, czasami bardzo odosobnionych opinii producentów i ekspertów.
 

1. Obydwa zespoły głośnikowe muszą znajdować się w jednakowej odległości od słuchacza (położenie słuchacza i głośników wyznacza wówczas trójkąt równoramienny).

Spełnienie tego warunku jest absolutnie konieczne dla prawidłowego odbioru stereofonicznego. Regulatory zrównoważenia kanałów, w które wyposażona jest większość wzmacniaczy, nie są zdolne do skompensowania skutków różnicy w odległości zespołów głośnikowych od słuchacza, jako że regulują jedynie natężenie dźwięku, a z powodu różnic w odległościach powstają również różnice fazowe sygnałów (odbiór stereofoniczny opiera się na percepcji odpowiednich relacji natężeniowych i fazowych między sygnałami obydwu kanałów).
 

2. Zespoły głośnikowe muszą być umieszczone na takiej samej wysokości (najczęściej tak, aby głośnik wysokotonowy znajdował się na wysokości uszu słuchacza), w takim samym położeniu względem słuchacza (pod tym samym kątem), zalecanym przez producenta, i wynikającym z cech konstrukcyjnych zespołów głośnikowych (najczęściej w pozycji pionowej, czyli tak, że poszczególne głośniki zespołu znajdują się jeden nad drugim).

Umieszczenie zespołów głośnikowych na takiej samej wysokości jest niezbędne, aby uzyskać panoramę strereofoniczną w naturalny sposób rozciągniętą w poziomie; umieszczenie na wysokości uszu (słuchacza siedzącego - najczęściej) daje efekt sceny dźwiękowej ze źródłami na naturalnej, "fizjologicznej" wysokości. Ponadto, charakterystyka (kierunkowa) promieniowania zespołu głośnikowego jest najczęściej taka, że optymalne brzmienie (najlepszą charakterystykę natężeniowo-częstotliwościową) uzyskujemy na osi wyprowadzonej prostopadle z powierzchni przedniej ścianki, na wysokości głośnika wysokotonowego.

Zaburzenie charakterystyki jest najczęściej większe, gdy przemieszczamy się w płaszczyźnie pionowej względem pionowo ustawionego zespołu głośnikowego (zmieniamy wówczas relację odległości naszych uszu od poszczególnych głośników zespołu, co prowadzi do dużych zmian fazowych, mających konsekwencje w przebiegu charakterystyki natężeniowo - częstotliwościowej), mniejsze, gdy w płaszczyźnie poziomej. Zwykle zależy nam, aby bez dużej degradacji dźwięku móc przemieszczać się w płaszczyźnie poziomej względem zespołów głośnikowych, niż aby słuchać ich na stojąco lub na leżąco. Jeśli jednak zachodzi nietypowy (i niepożądany) przypadek umieszczenia zespołów głośnikowych np. znacznie powyżej słuchacza, ze skierowaniem ich osi głównej powyżej (np. zespoły głośnikowe leżą na półce z książkami na wysokości 1,5 m, czyli pół metra powyżej uszu słuchacza), to może się zdarzyć, że lepsze brzmienie uzyskamy ustawiając zespoły głośnikowe w poziomie.

Wracając do pożądanego, klasycznego ustawienia - na odpowiedniej wysokości, można podjąć eksperymenty z ukierunkowaniem zespołów głośnikowych; nie zawsze muszą być zwrócone swoimi osiami głównymi wprost w miejsce odsłuchowe, nieraz lepsze rezultaty uzyskuje się, gdy osie są niemal równoległe (przechodzą po bokach słuchacza), lub gdy przecinają się przed słuchaczem (zespoły głośnikowe zwrócone do środka). Eksperymenty takie dają różne rezultaty w zakresie przestrzenności dźwięku, jak i charakterystyki tonalnej. Np., gdy przy zespołach głośnikowych skierowanych bezpośrednio w stronę słuchacza dźwięk jest zbyt jaskrawy (za dużo wysokich tonów), to zejście z głównej osi promieniowana głośnika wysokotonowego powinno dać spokojniejszą, bardziej równomierną charakterystykę.
 

3. Przed zespołami głośnikowymi nie mogą znajdować się żadne przeszkody utrudniające dotarcie fali dźwiękowej do słuchacza; w bezpośredniej bliskości nie powinny znajdować się duże gładkie powierzchnie odbijające ani ostre krawędzie powodujące dyfrakcje.

Fale niskich częstotliwości są bardzo długie i rozchodzą się wszechkierunkowo; nie jest dla nich przeszkodą stojący metr przed głośnikiem niskotonowym fragment np. wersalki czy stolik. Jeżeli więc z pozycji siedzącego słuchacza nie widzimy głośnika niskotonowego (trójdrożnego zespołu głośnikowego), nie jest to powód do alarmu. Na pewno musimy widzieć źródło częstotliwości średnich i wysokich (a więc w przypadku dwudrożnych zespołów głośnikowych - obydwa głośniki). Bliskie powierzchnie odbijające mogą poważnie zaburzyć charakterystykę w zakresie częstotliwości średnich i wysokich. Również ostre krawędzie (np krawędź półki, na której nieszczęśliwie postawiliśmy małe zespoły głośnikowe) powodują szkodliwe dyfrakcje fal.
 

4. W zależności od konstrukcji i cech zespołów głośnikowych, należy umieścić je w odpowiedniej odległości od ścian pomieszczenia.

Występuje tutaj dość duże zróżnicowanie wskazówek, zależnych nie tylko od cech zespołów głośnikowych i warunków akustycznych pomieszczenia, ale i od żądanych rezultatów akustycznych (zmieniając położenie zespołów głośnikowych względem ścian możemy w dużym stopniu zmieniać charakter brzmienia).

Oddalanie od ścian sprzyja uzyskaniu obszerniejszej stereofonii, dźwięku bardziej przestrzennego i lekkiego. Duża odległość od tylnej ściany jest najczęściej niezbędnym warunkiem prawidłowego funkcjonowania zespołów głośnikowych o dipolarnych lub bipolarnych charakterystykach kierunkowych. Odpowiedniego odsunięcia wymagają też zespoły z otworem bass-reflex umieszczonym na tylnej ściance.

Przysunięcie do ścian zwiększa natężenie niskich częstotliwości, dając w rezultacie dźwięk potężniejszy i cięższy.

Jeżeli w celu zwiększenia ciśnienia niskich częstotliwości zbliżamy zespoły głośnikowe do ścian, lepiej jest zbliżać je bardziej w kierunku ściany tylnej, niż ścian bocznych. Odległość minimum 0.5 m od ścian bocznych powinna być zawsze zachowana. Jeżeli zbliżamy się do tej granicy, dobrze jest wytłumić ścianę przed głośnikiem, czyli tam, gdzie odbijałaby się fala biegnąca dalej do słuchacza.

Ponieważ idealna panorama stereofoniczna może powstać tylko w warunkach idealnej symetrii elektrycznej i akustycznej, więc nasuwa się wniosek, że zespoły głośnikowe powinny być ustawione w takich samych odległościach od ścian bocznych. Jednak wielu ekspertów zaleca zróżnicowanie tych odległości - ponieważ nie możemy i tak osiągnąć ideału, decydujemy się na pewne kompromisy - tym razem zaburzamy symetrię, aby rozbić i uśrednić rezonanse pomieszczenia. Odbicia i rezonanse pochodzące z lewej strony będą miały inny rozkład, niż odbicia i rezonanse z prawej strony, co może nieco zaszkodzić stereofonii, ale pomóc ogólnemu zrównoważeniu tonalnemu. Z tego samego powodu należy unikać sytuacji, gdy odległość od słuchacza do tylnej ściany pomieszczenia jest równa odległości od zespołów głośnikowych do ściany frontowej, zwłaszcza jeżeli ściany te pozostają słabo wytłumione - aby droga fali po odbiciu od ściany tylnej nie była równa drodze po odbiciu od ściany frontowej.
 

5. Szerokość rozstawienia zespołów głośnikowych jest uzależniona od możliwej odległości od słuchacza. Najczęściej zalecane jest zachowanie odległości między zespołami głośnikowymi nie większej niż ich odległości od słuchacza.

Szeroko rozstawione zespoły głośnikowe nie są gwarancją uzyskania dobrej panoramy stereofonicznej. Zbyt szerokie rozstawienie względem zbyt blisko usadowionego słuchacza spowoduje utratę spójności i naturalności panoramy stereofonicznej. Wydarzenia dźwiękowe będą rozgrywały się po bokach, plan centralny będzie trudny do uchwycenia lub będzie postawiony zbyt blisko słuchacza. Natomiast zbyt wąsko rozstawione zespoły głośnikowe nie przedstawią efektownych rozmiarów sceny dźwiękowej, stłoczą pozorne źródła dźwięków na małej przestrzeni, muzycy będą siedzieć "jeden na drugim". Konieczne jest więc znalezienie "złotego środka", którym najczęściej jest trójkąt równoboczny, lub równoramienny, w którym podstawa wyznaczona przez odległość między głośnikami jest do 30% krótsza od boku wyznaczonego przez pozycję zespołu głośnikowego i słuchacza.
 

Aranżacja akustyczna pomieszczenia i ustawienie w nim głośników to w dużej mierze kwestia eksperymentów. Każdy umeblowany pokój mieszkalny stanowi wraz z systemem Hi-Fi indywidualny przypadek akustyczny. Gdy dodamy do tego indywidualizm upodobań słuchacza, jasne się stanie, że powyższe wskazówki są wytyczają tylko ogólne kierunki działań.
 

Rys. 2: Efekt zmiany wysokosci zespołu głośnikowego
 
 

Rys. 3: Efekt zmiany pozycji zespołów głośnikowych względem ściany tylnej i zmiany ich ustawienia względem słuchacza
 

Andrzej Kisiel