房间比例与大小、 环绕声布局与音频系统设计 从规范、标准与新理念 再谈定制安装的核心要素(一)上

家庭影院技术 2019-08-16 09:30:18

近十年来,THX家庭影院认证工程师培训课程的引入,为行业培养了一大批专业的影音从业人员,使得中国家庭影院行业的发展由于定制安装市场的崛起而产生了质的飞跃,从早期仅仅是影音爱好者自行摸索,在客厅、房间、地下室甚至是阁楼上安装5.1、7.1环绕声系统与100英寸的投影系统,到如今参考THX、HAA、CEDIA以及ISF等国际机构的推荐标准与规范针对空间、系统进行规范化的设计,同时融入定制化的元素进行打造,最终构建出各具特点、与众不同的定制化家庭影院视听室。在这些年间,我们特别针对定制安装在音频、视频、布线、空调暖通、中控系统等方面的内容进行全面或局部的分析,带来过众多能广泛引起影音行业从业人员共鸣与启发的重要专题。

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不过,技术的发展日新月异,即使是在看上去波澜不惊的家庭影院领域也面临着技术方面的巨变,除了在视频方面已经迈入4K超高清与HDR高动态范围阶段之外,环绕声音频方面也从沿用许久的5.1、7.1提升至5.1.4、7.1.4甚至更加复杂的沉浸式三维音效系统。因此,我们觉得需要从一个更加全面的角度来谈家庭影院定制安装的现状,并深入讨论未来的发展趋势。在接下来的几期专题策划之中,我们将会从各个不同的方向归纳与总结家庭影院定制安装领域备受瞩目的几个关键因素,包括房间、音频系统、视频系统、传输系统以及通风系统,希望能让各位在设计、构建定制化的家庭影院视听系统的时候获得更多的帮助与指引,同时也借此让更多入门的家庭影院玩家了解到家庭影院的设计可以是很简单,也可以是相当复杂的。

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第一部分:房间因素

家庭影院设计环节需要考虑的首要问题

家庭影院定制安装的首要因素在于房间的设计环节上。为什么我们需要首先考虑房间因素?最主要的原因在于可以在家庭影院设计阶段尽量减少一些在后面安装调试环节很难处理的问题,其中就包括了许多人都知道的小房间低频驻波所带来的低频能量不均匀,声音细节不足的问题。由于家庭影院的环境基本上都属于小房间,而小房间声学当中最令人头痛的就是低频驻波,如果通过低音炮和座椅位置的调整,以及房间声学处理来减轻这个问题,绝对不是可以轻易解决的,需要通过周密的测试与计算才能实现。因此,一个好的房间对于整个家庭影院的设计可以说是相当重要。那么什么是一个好的房间?我们认为一个矩形的,规则的房间就是一个相对好的房间,应该尽量避免一个不规则的天花与墙面,包括弧形天花,过道等问题。因为这将大大加大我们前期计算处理的难度。另外一个需要注意的问题是这个矩形的房间的长度、宽度与高度最好不要成倍数关系,这样更容易使得低频驻波的问题变得更严重,房间声音频响相应变得不平坦。从更专业的角度来说,当房间的尺寸与低频部分波长相近或与低频部分波长呈简单倍数关系时,房间就会产生驻波现象。房间共振方式有三种,包括轴向共振、切向共振以及斜向共振。当房间的几何尺寸呈整数比时,造成室内轴向共振与切向共振频率重合或相近时,就会产生简并现象。简并现象会加重房间的声染问题。由于房间容积较小,长宽高三边的长度与声波波长能产生一定的比例关系,特别是在200Hz的低频部分就更容易出现。

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合适的房间形状和比例是重要的,但并不意味着需要最佳房间比例

长久以来房间的比例问题都是影音行业从业人员与影音爱好者所关心的重要因素,国际上一直都有相关的标准和规范,也有不同影音专家的讨论和分析。在这里我们需要给大家一个较新的理念:一个合适比例的矩形房间当然是最好的选择,但很多情况下房间的比例是无法更改的,即使可以调整也只是小范围改动,并不能有效地改变房间低频驻波的模式,但是这也并非无药可治,如果我们可以通过多个低音炮的使用与摆放,调整座椅位置,加上一定程度的房间声学处理就能够有效处理小房间低频驻波的难题。想了解更详细的技术要点,大家可以参加HAA或THX培训。

如何判断房间的比例是合适的,可以参考Bolt-Area波尔围线与Bonello 1/3倍频程驻波密度统计法

“请问最佳的房间比例是多少?”这是我们经常会遇到的一个问题,不管是影音从业人员,还是影音爱好者都十分关心。但其实,只有极少数情况下我们可以控制一个房间长宽高的比例,通常来说这个比例是固定的,是不是应该将焦点放在你所采用的房间的比例是否适合呢?

对于如何判断房间比例是否合适,目前在国内外较为认可的有两种方法,一种是Bolt-Area波尔围线,而另外一种是Bonello 1/3倍频程驻波密度统计法。原本来说,都是需要通过数学的方式来计算房间比例是否符合这两种规范,但有了互联网之后,一切都好办了。现在网络上就有免费的amroc THERoom Mode Calculator房间模式计算器就能够让你输入常见的长度、宽度与高度的数值,就能够计算出这个房间比例在波尔围线的位置,以及是否符合Bonello 1/3倍频程驻波密度统计法。这个计算还包括其他的一些计算功能,例如计算出房间的250Hz以内的各个驻波频率,甚至是构建三维驻波示意图。

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首先来谈谈这个Bolt-Area波尔围线的判断方法。这个方法其实是上个世纪中期由著名声学专家Bolt所提出的。Bolt假定刚性矩形房间的固有共振频率被均匀分开,那么在声音频率响应曲线上将会更加平坦,不会出现过多的峰谷。不过就现在的声学理论来看,利用平均模式间隔作为基本理论并不够理想,但是在当时来说,不能不说是重大的突破。波尔围线是一个封闭的曲线。这个曲线被设定在一个坐标轴中,横轴为W(房间宽度比值),纵轴为L(房间长度比值),房间的高度比例定为1。Bolt认为封闭曲线内部的范围是较为理想的房间比例取值,而这条封闭曲线是针对中小型房间推导出来的,曲线内部左方对应的是体积相对较小的房间,右方则是对应体积较大的房间。当年Bolt也留意到在封闭曲线之外的区域同样也存在多个可以接受的房间比例,这正是由于他所依据的平均模式间隔作为基础的理论仍然存在缺陷所确定的。

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接下来,再谈谈Bonello 1/3倍频程驻波密度统计法,这个方法相对波尔围线有了进一步的改良,是由声学专家Bonello在1981年研究所得。Bonello的研究的主要根据是:当进行1/3倍频程至更高带宽计算时,驻波密度是不会减少的,5个或更多一致的频率模式在1/3倍频程中是可以接受的。实际上,这种方法的原理则是由共振频率的数量及其分布特点而来的。共振频率越是倾向于高频方向,它的数量也会越多。Bonello认为一个良好的视听室共振频率在1/3倍频程内的共振频率密度是单调递增的,后一频程中的共振频率数量总是比相邻的前一频程更多。因此,判断一个房间比例是否合适的方法就简单了,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。需要指出,统计过程也常会出现相邻两个频程中的共振频率数量相同的情况,这种情况仅限于共振频率数量为1的开头几个频程。如出现在共振频率数量大于1的相邻频程中,则仅算合格。在共振频率数量小于5个频程中不应有同频,大于等于5的频程才可以有同频的出现。

Bonello也将自己的研究结果与Bolt的波尔围线相比较,发现封闭曲线中的某些比例不能满足要求,相反曲线外的某些比例则可以接受。更加重要的一点,就是Bonello指出了一个非常重要的理论:共振频率的分布状况除了与房间长宽高的比例有关之外,还与房间的容积有关。对于小容积房间合适的比例,在容积较大的房间就不一定合适。反之也一样。当中,Bonello发现1:1.25:1.6这个比例,对于60m2、200m2以及400m2同样也能符合共振频率分布密度呈单调递增的要求。Bonello1/3倍频程驻波密度统计法目前在专业演播室与录音室的设计中均被视作房间比例设计的重要参照依据。

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了解一下几个国际上推荐的房间比例,要注意,除了房间比例还要了解房间的容积大小

透过上述两种判断方法,基本上你就可以知道你所采用的房间比例是否合适了?当然如果你有条件改变房间的比例和容积大小,就可以来看看下面几个国际上推荐的房间比例了。首先是著名的Sabine推荐比例:1:1.5:2.5,Boner推荐比例1:1.26:1.59,经典的黄金比例1:1.62:2.62,其中由Boner所推荐的1:1.26:1.59,这是为容积较小的广播演播室而推荐的房间比例,也较为适合套用于家庭影院视听室房间的设计之中。

除了这三个比较常见的房间推荐比例之外,实际上国际不少机构与知名公司都有相关的推荐规范,其中以国际电工委员会带来的IEC29-B家庭视听室标准为重点,是家庭影院房间设计参考的重点标准。成立于1906年的国际电工委员会(IEC)是世界最早的国际性电工标准化机构,主要负责电工、电子领域国际性标准的设定,总部设立在日内瓦。关于视听室的建立标准,由IEC所建立的IEC29-B家庭视听室标准是最具权威性的标准。

与IEC早期带来的IEC268-13视听室标准相比,IEC29-B标准更加详细与准确,适合于面积较小的房间使用,便于用户在普通家居环境之下建立家庭影院视听室。IEC对于家庭视听室方面制定的IEC268-13视听室标准,适用范围涵盖了双声道与多声道环绕声系统。由于IEC机构是建立在欧洲地区,因而IEC29-B标准也是根据欧洲家居环境的状况对房间三边的长度、比例以及房间的面积以及混响时间等提出了相关的建议。在房间的形状方面,建议最佳的房间形状是矩形,稍微梯形的四边形也在接受范围,但是绝不建议采用正方形或者窄长的形状,以减低低频共振所造成的房间声染的严重问题。推荐的房间比例为1:1.6:2.4 (高:宽:长),此比例在波尔围线的线上,符合Bolt所制定的理论比例范围。建议的房间面积应该在24m2以上。此外,IEC29-B标准还对房间内部的装饰进行了细致的规定,要求音箱前方的地面无地毯等吸音物料,音箱的背后墙面与天花顶棚属于反射性的表面等。

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除了IEC29-B家庭视听室标准之外,商业影院的制作室与电视广播领域的试听室在空间设计方面与家庭影院视听室较为相近,因此,来自EBU(欧洲广播联盟)与Dolby Laboratories(杜比实验室)的PREMIER STUDIO电影制作室在房间比例与大小方面的推荐要求也值得我们参考。其中,EBU认为以1:1.4:1.9与120m3作为立体声试听室的最佳比例与房间容积,这个比例广泛应用于欧洲各国的广播试听室的设计中。值得留意,这个参考标准是依据当年Louden共振频率分布标准差均匀度统计法所得的参考标准,同时也完全符合波尔围线推荐的房间比例。而Dolby PREMIER STUDIO电影制作室则要求房间面积应该在45m2以上,最佳的房间容积应该在150m3以上。在房间比例方面,Dolby给出了一个房间比例推荐示意图,横坐标是指房间的长度与宽度的比例数值,纵坐标是指房间的高度与宽度的比例数值。图中的阴影范围是推荐的房间尺寸,其中最佳的房间比例在途中的斜线上面。可以看到Dolby PREMIER STUDIO所要求的房间比例是在一个范围之内而非一个固定比值。

那么除了国外这些推荐规范与标准之外,其实国内也有相关的设计标准。其中《音箱听音试验国家标准》规定了视听室的最佳混响时间,《家庭影院用环绕声放大器通用规范》则规范了家庭影院视听室的基本特征。关于房间比例与容积推荐标准则在《家庭影院用环绕声放大器通用规范》之中。《家庭影院用环绕声放大器通用规范》认为视听室内声音频响曲线应尽可能平滑,无明显声染色。在100-5000Hz频率范围内,室内不应有任何异常共鸣和颤动回声。至于空场(无聆听者)时的本底噪声,在视听室的聆听区域测得的本底噪声级别应低于35dB(A计权、慢档)。视听室推荐容积为80m3,高为2.8m,长为6.7m,宽为4.2m,房间的比例为1:1.5:2.39。将这个推荐房间比例放置在波尔围线中,正好在封闭曲线之内,属于Bolt推荐的房间比例之一。

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透过amroc THE Room Mode Calculator房间模式计算器,一起来深入了解一下国内外主要推荐的房间比例的具体情况

前面讲了几个目前国内外主要的房间比例与大小的推荐数值,那么下面我们就来利用amroc THE Room Mode Calculator房间模式计算器来看看这几个推荐数值是否适合在家庭影院环境中使用吧。需要补充说明一下,早些年,我们也曾经利用amroc THERoom Mode Calculator进行过声学模拟,但是在当时只限定了相同的高度,在一些推荐比例上并没有加入房间大小的限制因素,但例如EBU标准的推荐就包括1:1.4:1.9比例与120m 3 房间容积。因此,这次,我们就加入了改变了模拟房间高度数值的因素,以符合该标准对房间容积方面的要求。

Sabine推荐比例:1:1.5:2.5

假设是在一个高3m,宽4.5m,长7.5m;面积33.75m 2 ;容积101.25m 3 的房间。从声学模拟的计算结果可以看到在250Hz以下频率的房间共振模式分布较为均匀,该比例点稍微偏离波尔围线上方,但根据Bonello的1/3倍频程驻波密度统计法,符合单调递增要求。这个比例按照3米天花的高度,面积为30平方米左右,可以考虑用于中型家庭影院视听室的设计之中。

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Boner推荐比例:1:1.26:1.59

假设是在一个高3m,宽3.78m,长4.77m,面积18m 2 ,容积54m 3 的房间。从声学模拟的计算结果可以看到在250Hz以下的频率在部分较低频率下的轴向与切向的低频驻波频率较为接近,但整体分布还算均匀。房间比例推荐点在波尔围线左下方,在Bonello的1/3倍频程驻波密度统计法,呈单调递增,符合要求。这个比例按照3米天花的高度,面积为18平方米,可以考虑用于小型家庭影院视听室的设计之中。

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IEC268-13标准推荐比例:1:1.6:2.4

假设是在一个高3m,宽4.8m,长7.2m,面积34.56m 2 ,容积103.68m 3 的房间。从声学模拟的计算结果可以看到在250Hz以下的频率在70-150Hz频率下的轴向与切向的低频驻波频率较为接近,但整体分布还算均匀。房间比例推荐点在波尔围线范围上方,按照Bonello的1/3倍频程驻波密度统计法,44.2Hz以上频段呈单调递增。这个比例按照3米天花的高度,面积为35平方米左右,大于IEC268-13推荐的24平方米,可以考虑用于中型家庭影院视听室的设计之中。

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EBU标准推荐比例:1:1.4:1.9与120m 

假设是在一个高3.6m,宽5.04m,长6.8 4m,面积34.47m 2 ,容积124.10m 3 的房间。从声学模拟的计算结果可以看到在250Hz以下房间驻波模式分布均匀。房间比例推荐点在波尔围线内的中部。在Bonello的1/3倍频程驻波密度统计法,除了同频程为1,其余呈单调递增,符合要求。这个比例按照3.6米天花的高度,面积为35平方米左右,可以考虑用于中型家庭影院视听室的设计之中。

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黄金比例:1:1.62:2.62

假设是在一个高3m,宽4.86m,长7.86m,面积38.2m 2 ,容积114.6m 3 的房间。从声学模拟的计算结果可以看到在250Hz以下的频率在部分较低频率下的轴向与切向的低频驻波频率较为接近,但整体分布还算均匀。房间比例推荐点不在波尔围线范围内,但按照Bonello的1/3倍频程驻波密度统计法,呈单调递增,符合要求。这个比例按照3米天花的高度,面积为38平方米左右,可以考虑用于中型家庭影院视听室的设计之中。

最后要说说

究竟房间比例重要,还是房间大小重要?

在前面所提到的一些国内外的推荐房间比例标准之中,我们不难发现不少房间比例都附带着一个房间大小的要求,那么问题来了,当我们有预算,有条件去选择的时候,是选择比例更好的房间,还是选择更大的空间的房间?或者说,我们是为了让房间比例更好,而大幅度的压缩房间的空间,还是维持原来的比例,让房间的空间能获得最大限度的应用?其实,相对于好的房间比例,房间的空间更为重要,根据国内外最新的小房间声学研究,更大的空间能让我们有更大的调整空间去处理房间低频驻波的问题,再加上我们如今已经有了多元化的房间内的声学处理方法,再加上合理的低音炮与房间座椅位置的摆放,不一定要刻意为了追求更好的比例而舍弃房间内部重要的使用空间。


编辑:编辑部

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