蜗牛影院

  本篇文章将讨论家庭影院视听室的设计及声学处理策略。目的是给打算做独立视听室的同学一个参考。

  关于家庭影院及其相关的技术,除了调炮和影院整体的搭配/调试,大家最关心的另外一个话题是影音室的设计及声学处理策略。本文打算就这一话题展开论述,用理论及一个典型的案例来说明如何实际操作。

  Note:本人的水平有限,如有疏漏/错误,麻烦指出,大家共同探讨。

  我们先来看看一间理想视听室的标准有哪些:

  主观听感标准:

  1. 清晰度:清晰的对白,细节及空间信息(是声学设计的关键目标)

  2. 聚焦:声像定位是否准确

  3. 包围感:没有间隙,声音转向自然

  4. 频率响应:符合目标曲线

  5. 动态范围:宽广的动态范围(考察功率和背景噪音)

  6. 一致性:座位间差异很小

  7. 对白要清晰(注意不是要厚)

  8. 声压大的时候是否音效不佳 (牵涉到喇叭后级素质)

  9. 低频是否拖泥带水 听到是驻波还是真正的低频

  10.高音是否毛刺

  11.声场是否立体还是平坦

  12.喇叭是否点声源情况严重(尤其是环绕)

  13.听感愉悦还是疲劳

  客观测量数据标准:

  

 

  再来看看设计一个视听室的一般流程是怎么样的?

  评估房间的尺寸,设计一个比较合理的比例。如何评估一个比例是否合理,或者哪些比例比较合理?且听后面分解。

  确定视听室基层的处理方式,即是否需要做隔音,是否需要做弹性剪力墙?是否需要做薄板共振吸音,及如何搭建视听室的骨架并安排布线。如果预算允许的情况下,强烈建议做弹性剪力墙,而且按照标准做。好处是:1)能提供比较好的隔音性能,隔绝外部噪音进入影音室,提高视听室的信噪比。另外也能隔绝声音跑出影音室,让你可以安心大声压轰片。2)弹性剪力墙可以提供良好的低频吸收性能(具体吸收系数如何,本文最后声学部分再做具体阐述)。

  确定器材特别是音箱的型号/搭配,然后确定摆位方式。特别是前置三只音箱,明确是使用透声幕+障板墙的设计?还是使用普通画框幕,前三置于幕前的方式,或者是简单透声幕+前三幕后摆位的方式(非障板墙)?确定之后再合理安排皇帝位,兼顾幕布大小/视距,还有一些摆位的声学原则(比如皇帝位那一排不要放置在长度方向1/2或者离后墙1/4的位置(这是一次二次驻波的波腹位置 - 有比较严重的谷。这部分在HAA的培训资料里有阐述)。摆位的标准建议按照杜比全景声的摆位标准。皇帝位离后墙的距离,比较合理的是38%,30%,20%等。文后会详细说明如何确定这个皇帝位或多排沙发的位置。

  幕布大小和视距:视距建议1:1(屏幕宽度:视距),比如150寸的幕布(宽度3.2m),建议视距是3.2-3.5m。当然这个需要根据各个人的情况具体确定。

  低频的处理策略:弹性剪力墙+多炮+低频陷阱+位置EQ(皇帝位的摆放)+低管EQ。

  中高频处理策略:确定内部吸音材料,扩散材料的使用比例及摆放位置。这些材料建议使用模块化的组件,可以边安装边测试,以便修正。。

  确定器材架的位置,确定如何布线,如何布置灯光,空调,新风,智能控制等部分。

  按照图纸施工,关注施工的质量。施工关键节点进行相应的测试(主要测试混响时间和全频曲线,以便实时修正设计方案)。

  基层完成后,等沙发,地毯,幕布等都就位之后,再进行吸音扩散模块的安装。边安装边测试,包含听感的测试。争取数据上能达到最优,听感上定位,清晰度和包围感也有比较好的平衡。

  按照步骤进行影院的整体调试。

  房间比例

  设计合适的房间比列的目的,不是为了消除驻波,而是让驻波在整个低频频率范围内尽量的均匀分布。这方面现在用的比较多的是 1)波尔围线(Bolt-Area)- 利用平均模式间隔的评估方式,如果比列在这个范围之内的算是比较好的比列。2)波尔围线有限制的地方(后期研究发现,不在围线内也有比较好的比列),所以Bolleno研究了另外一个看比列是否理想的考量办法,即1/3倍频驻波密度统计法。只需将各种不同比例的房间低频段的共振频率计算出来,分析各1/3频程中的共振频率数量,如果属于单调递增,那么这个房间尺寸比例就较佳。大家可以上这个网站amcoustics.com/tools/amroc?l=730&w=595&h=350&r60=0.3

  输入长宽高,点回车,即会出现类似下面的图:

  

 

  可以看到这个比例在波尔围线内(右下角),同时Bonello 三分之一倍频内的驻波分布是单调递增的,这个比例还算不错。

  下面的比例是声学专家们总结的还算不错的,可以直接套用:

  

 

  需要注意的是,如果你的房间比例不是很理想,但是你又不能做太大的改变,其实问题也不是特别大,有合适的低频处理策略,也是可以搞定的。

  低频(低于250hz临界频率的低频)处理策略

  关于驻波的分析及对策:根据已经确定的视听室的三维尺寸,打开网站acoustic.ua/forms/calculator8.en.html

  输入后点确定,就可以得出房间原始驻波及其分布状况。其实根据上面看房间比例的网站,我们也能看出,是否有简并的现象。

  

 

  这个图告诉我们什么?

  n 从图上可以看出驻波在房间三轴方向上的分布状况。可以清楚的看到驻波频率在房间各处的声压高低分布。波峰的位置是该频率声压最高的地方,谷就是波结的位置(Node),这位置声压非常低,对应频响曲线上的谷。

  n 根据这个图,我们可以合理的布置音箱和皇帝位的位置。尽量不要布置在波结(Node)的位置。最好布置在几个驻波线交错的位置,比如上图红线的位置。

  n 记住这些驻波频率,这些是我们下来低频部分处理需要重点关注的。

  n 图上音箱和沙发的位置对于视听室无意义,可以无视。

  先说一下我们处理需要达到的目的:

  均衡的声场 - 即各个位置的低频曲线基本一致,差别不大

  MLP-主听音位的曲线能达到+-1.5dB的平直度,且20-120hz的消散300ms内至少有30dB。

  低频有力,迅速,下潜深,动态大,清晰度高,质感优异。

  要达到以上目标,现在流行的低频处理策略是什么?

  在多年以前,声学材料的厂家推荐的处理方式是:用低频陷阱/低频吸收装置搞定驻波。对于驻波的处理方法十分的单一。曾经有一个国外的厂家的做法是放一个低音炮在墙角(此时房间所有的驻波都会被激发),然后用了20来个低频陷阱(包含各种各样的),成本高不说,效率非常低,而且占用很多房间宝贵的尺寸。

  近年来,哈曼的几位声学专家(Dr. Floyd Toole,Todd Welti)发表了多炮的文章之后,影音室低频重放/处理策略有了新的方法:就是利用多炮+少量的全局EQ来处理。多炮可以均衡低频声场提供更大的低频甜区,削峰填谷平坦曲线,全局EQ可以在均衡声场后消除多余的峰。因为低频曲线的峰往往都是最小相位,使用正确的EQ消除曲线上的峰之后,相应它对应的时域的表现(瀑布图)也可以改善。炮的数量最推荐的是4个,推荐摆放在房间四边中点摆位或者四个墙角,配合相应的延时和EQ处理,调出可接受的低频问题不大。如果你的房间不大,使用多炮可能会产生比较大的能量堆积,如果能用软调装修(弹性剪力墙或者石膏板+木龙骨),对低频能量的消散会有很大的帮助。

  有了多炮+EQ的处理方式,那传统的低频陷阱是否就没有用武之地了呢? 其实不是。炮的频率上沿一般到120hz就差不多了,但是上文已经说了我们需要处理临界频率大约250hz以下的低频。 80-250hz的频率是传统的低频陷阱比较擅长的地方。低频陷阱可以买成品的,比如GIK的三角形或者柱形的(我在用他们家三角形的),或者自己DIY superchunk的低频陷阱。

  总结:现代比较流行的低频处理策略是弹性剪力墙+多炮+低频陷阱+位置EQ(皇帝位的摆放)+低管EQ。其中最有效的是多炮+EQ的方式。Note:关于弹性剪力墙的做法请参照群文件的资料。

  说到弹性剪力墙,下面图是它的吸音系数,可以看到40hz都有很理想的吸收系数,加上墙面的面积,低频的吸收量是非常可观的。对于低频的消散有很大的作用。

  

 

  关于多炮能削峰填谷的具体原理,可以查看哈曼的文章,具体见QQ群文件的文献。

  中高频处理策略

  说完了低频,我们来看看中高频如何处理。中高频处理达到的目标:合适的混响时间。清晰的定位和包围感 - 有个合理的平衡。

  先说混响时间,125hz –4000hz,基本一致。根据房间的容积大小,PMI给出的范围是0.2s-0.4s,HAA和THX推荐的是0.25s-0.5s。

  如何计算?

  19世纪末20世纪初,美国物理学家赛宾(w. c.Sabine) 提出混响时间理论,提出赛宾公式:T60=KV/A, T60:混响时间。K:常数,一般取0.161,V:密闭房间容积(立方米),A:室内总吸声量(平米) A=as, a:室内平均吸声系数,S是吸音材料的表面积。

  当房间内表面平均吸音系数较低,通常吸音系数a <0. 2,例如音乐厅等混响时间较长的空间及毛培空间,适合采用赛宾公式计算RT60.

  人们在研究影响混响时间的各种因素过程中发现,吸收声能的除了房间内表面之外,还有房间空气本身也在吸收声能,空气湿度不同对声能的吸收不同,空气对不同频率声音吸收也不同,特别是1000hz以上的频率空气吸收对混响时间的影响特别重要。因此在混响时间计算公式中要加上对空气吸收的修正才能得到更为准确的计算结果。因此艾润做了修正。当房间的平均吸音系数a>0.2,计算公式:T60 =0.161V/(-Sln (1-a) +4mV)。公式中T60为混响时间 (s),V为房间容积(m3); s为室内总表面积(m2); a为室内平均吸音系数。

  RT60计算首选艾润(伊林)公式。适用于吸音能力较强的房间,包括扩声系统的房间,录音室、视听室等声学空间。

  Note:不管是赛宾公式还是艾润(伊林)公式,对于小房间的计算准确度都不大高,因为反射不平均。我们能做的是用它们的计算结果做个参考,实际安装吸音扩散模块的过程中需要测试,根据结果进行相应的修正,确保万无一失。

  美国PMI机构根据每个密封的独立空间特点都给予了一个最佳混响时间的指标概念:RT60=0.3(v /3532) ^1/3 +- 15% . 其中V是房间处理后的容积,单位ft^3。这是199论坛某位坛友做的图:

  

 

  我这里有个混响计算的Excel表格,如图:

  

 

  这个计算表是根据艾润(伊林)公式来计算的。你所要做的是在各个墙面的B列和D列选用合适的声学材料,并输入相应的面积,然后它会自动计算好使用这些材料之后的混响时间。这些材料对应的吸音系数非常关键,可以在表格“dat”里维护。Note:这个表格在QQ群文件可以下载到。用这个表,输入你房间的长宽高,也可以在上面直接得出PMI推荐的混响时间范围。

  如何看某个材料/吸音模块的吸音系数?我们如果是买的成品的吸音模块,它一般会带有一个specification(规格书),里面就可以查到。比如下图是声博士的全频吸音模块对应的吸音系数:

  

 

  我们看这个吸音的参数,特别需要看看它是否是全频吸音的,吸音系数有0.6基本就是比较有效的,能处理到250hz算理想的,250hz以下可以交个低频陷阱。上面声博士的全频吸音模块橙色EQ60T 250hz的吸音系数接近0.5,还算可以。再下面这个GIK的全频吸音模块的参数,算是比较理想的(200hz接近0.7) - GIK242的厚度是10.7cm:

  

 

  注:混响计算的Excel表格只能计算个大概,因为很多材料的吸音系数不会太精确(比如沙发,地毯),另外还有DIY的低频陷阱等。如果你有电脑的基础,可以安装CARA,建模做计算,精度会高一些。需要注意的是Cara也需要自己输入大部分材料的吸音系数,使用的时候也不大方便。如果你能按照本文下面处理的策略处理,其实基本不需要做太精确的计算,CARA可以不用。

  早期反射声

  

 

  早期反射声是在直达声以后到达的对房间的音质起到有利作用的所有反射声。时间范围一般取直达声以后50ms. 早期反射声能与混响声能之比称为明晰度。明晰度高,语言清晰度也高,如明晰度达到50%,音节清晰度就可达90%以上。对于家庭影院视听室来说,不仅要考虑早期反射声所占的比重,还要考虑从侧墙反射过来的早期反射声,能使声源的空间距离展宽,增加立体感,但侧向早期反射声过强,又会形成虚声源,造成移位错觉的不良后果。我们通常在侧墙、后墙和天花的第一反射点采取吸音的方式,以控制早期反射声和直达声的比例,目标是既有清晰的定位又有合适的包围感和空间感。

  关于梳状滤波效应(SBIR)

  直达声和反射声经过的路径不同,会产生梳状效应,使声音某些频率得到加强、另一些频率得到减弱,使频响曲线产生大的起伏。要消除梳状效应得到平坦的频率响应,就要对反射声进行控制。第一种方法是在反射面进行吸声处理,消除反射声。第二种是在反射面进行扩散处理,使反射声向各个方面扩散。前者有利于听到更纯净的声音,后者有利于声场的建立。前墙和侧墙都有可能产生SBIR,我们都可以采用吸声的方式来处理。前墙有更好的处理方式- THX建议采用障板墙音箱嵌入的方式,可以完美消除梳状滤波效应(SBIR),具体见下图:

  

 

  中高频的处理策略,我们来看看THX和HAA的推荐,见下面几张图:

  

 

  

 

  

 

  总结:使用全频的吸音模块(低频吸收下限最好能到200hz附近)+扩散模块。第一反射点(包含环绕和天花上的第一反射点)吸音,环绕和天花其他位置安装扩散。不要过度吸音,每对墙面25%吸音即可(注意是每2个墙面一组加起来25%)。可以使用Excel表格简单计算混响时间(只能做个简单参考),实际影音室基础完成,音箱,沙发,幕布和地毯就位之后再安装吸音和扩散模块,一边安装一边测试,及时调整。

  Note: 在什么位置放置吸音体目前还没有定论,即第一反射点可以吸音也可以扩散,只要混响时间合适,听感基本差不多。有人喜欢第一反射点扩散的做法,也有人喜欢吸音的做法,上面所述是大家使用比较多的经验规则。

  说完了理论,我们来看看一个实际操作的例子。先看看下面的设计图:

  

 

  

 

  这个影音室是AVS Forum -Home Theater of the Month的获奖者。我们来具体看看他如何通过摆位,低频的优化和中高频的吸音扩散等来做整个声学设计的?

  

 

  

 

  

 

  

 

  这个视听室面积算挺大的(9m*5.5m),安排了两排座位,为了每排座位都有比较好的音效和包围感沉浸感,音箱配置为11.6.6。地面安排了11只音箱,保证声场顺滑流畅的衔接。天空安排了六只音箱(天空音箱的位置只是示意图)。前三做了障板墙,消除前墙梳状滤波效应的影响,配合透声幕做到声画合一定位准确。第一排的视距是50度,比较符合大多数人的观看距离要求。

  需要特别提出的是,如果你的影音室长度比较长,两到三排座位的情况下,地面的音箱越多越好,后环绕在后墙上的分布不能离得太开,更多的音箱才能兼顾多排座位保证合适的包围感。如上图这样的布置是比较合理的。199有位声学砖家,给人设计了一个九米长的影音室,两排座位,设计的是7.1.4,后环绕安装到了侧墙上,给他指出以后(正确的是设计9.1.4或者甚至11.1.6,或者缩短长度),该砖家说这是杜比的标准。不明白标准的用意,只会照搬角度数据,我也是醉了。

  

 

  低频处理策略:房间用了软调装修(弹性剪力墙做壳壳-Shell),四个角安排了四只低音炮,最大限度均衡声场,削峰填谷另外侧墙配置了两只JL的入墙炮,做平衡用,这样可以保证基本两排座位的低频都有比较好的表现。上图该设计师用一个有限元分析的软件分析低频的声压分布(可视化),也给了各个炮相应的延时数据。该软件也给出了需要关注的低频驻波分布,这些是实际调试过程中需要关注的。其实这个房间比例不算特别好,可以看到高度的第一次驻波和宽度的第二次驻波很接近,宽度的第一次驻波和长度的第二次驻波也很接近。但是通过多炮的处理策略,这个比例也完全没问题。

  中高频处理策略:使用了模块化的吸音和扩散模块。吸音模块的吸收频率也不尽相同,保证能均匀吸收,模块的安装遵循的原则是前面第一反射点吸收(图上蓝绿色RPG的吸音模块,该模块还可以后期根据听感调节覆盖的外表面,平衡早期反射声和直达声,保证有清晰定位的同时有良好的包围感和空间感。)后墙环绕附近吸音和扩散模块配合,保证中高频的均匀分布,让环绕声场有足够的包围感。

  

 

  各个模块分别是:蓝绿色 RPG的可调吸音模块。木色的是葡萄牙威巨声的吸音模块(兼具扩散功能)。黑色的GIK的低频70 140hz的吸收模块。其他是威巨声的扩散和吸音模块(紫色和扩散板)。这些模块可以在后期安装的时候根据测量的结果和听感做调整。这些成品的吸音扩散模块基本是这个星球上最出名的声学厂家出的产品,质量和效果有保证。Note:当然不是建议大家去买这些贵的成品模块,自己DIY也是可以的。

  视听室的整体设计(外观等):安装个调试结束之后,会用透声布把裸露的音箱和吸音扩散模块全部封闭起来了类似下面两张图。配合特别设计的灯光,地毯,座椅等,让整个影音室有比较好的外观,视听室的美学也很重要。