Стоячие волны и басовые ловушки: почему гудит угол

Что такое стоячие волны и комнатные моды

Стоячая волна появляется, когда звук отражается от двух параллельных стен и накладывается на собственное отражение. Картина перестаёт бежать и застывает: в одних точках давление колеблется с максимальным размахом (пучности), в других почти не меняется (узлы). Частоты, на которых комната делает это охотнее всего, называют комнатными модами. Для пары стен на расстоянии L первая осевая мода стоит на f = c/(2L), где c — скорость звука, около 343 м/с при 20 °C.

Ниже определённой частоты комната ведёт себя не как зал, где звук бежит лучом, а как набор резонаторов. Граница называется частотой Шрёдера и считается примерно как 2000·√(RT60/V) Гц, где V — объём в кубометрах. Для комнаты 30 м³ и RT60 0,5 с получается около 260 Гц (расчёт). Всё, что ниже, определяется размерами, а не отделкой.

Отсюда практический вывод: моды лечатся не тембром, а расстановкой и поглотителями. Провал в точке узла нельзя «поднять» фильтром: добавленная энергия попадает в ту же картину давления, и узел остаётся на месте. Эквалайзер нужен для тембра, и о нём — в статье про настройку эквалайзера, но не для комнатных провалов.

Расчёт мод для комнаты 4×3×2,5 м

Осевые моды считаются по одной формуле для каждого размера: f = n·c/(2L), n = 1, 2, 3… При c = 343 м/с и размерах комнаты 4, 3 и 2,5 м получается таблица (расчёт, Гц).

Первая мода по длине, 42,9 Гц, стоит рядом с открытой низкой струной баса (41,2 Гц). Вторая, 57,2 Гц, — по ширине, чуть выше открытой «ля» (55 Гц). Третья, 68,6 Гц, — по высоте. Ниже 200 Гц в комнате девять осевых мод, а на 171,5 Гц сходятся сразу две: четвёртая по длине и третья по ширине (расчёт). Закономерность простая: размеры 4 и 3 м относятся как 4 к 3, и их гармоники совпадают. Такая «слипшаяся» частота гудит сильнее соседних.

Осевые моды — самые энергичные, но не единственные. Тангенциальные, затрагивающие две пары стен, и косые, затрагивающие три, считаются по общей формуле f = (c/2)·√((l/Lx)²+(m/Ly)²+(n/Lz)²). Например, мода (1,1,0) даёт 71,5 Гц, а (1,0,1) — 80,9 Гц. Всего ниже 100 Гц в такой комнате восемь мод всех типов (расчёт), и между ними почти нет пустых мест: бас здесь не «ровный» на протяжении октавы, а ломаная. У комнаты с двумя равными сторонами хуже: при 3×3 м оба размера дают одну и ту же частоту 57,2 Гц, и пучности суммируются (расчёт). Поэтому квадратные и кубические комнаты считаются самыми трудными.

Почему угол усиливает бас

Давление в моде записывается произведением трёх косинусов: cos(lπx/Lx)·cos(mπy/Ly)·cos(nπz/Lz). У стены x равен нулю, косинус равен единице. В углу, где сходятся три стены, единице равны сразу все три множителя. Значит, в углу пучность у каждой моды без исключений: все резонансы там на пике.

Отсюда три следствия. Монитор в углу или вплотную к стене возбуждает моды сильнее и поднимает бас. Слушатель, сидящий у задней стены, получает максимум давления почти всех мод и слышит «бубнящий» низ. А ловушка в углу достаёт сразу все моды, поэтому углы — главное место для басовых ловушек.

Центр комнаты тоже плохой выбор. Посередине длины стоит узел первой моды: на 2 м от стены давление на 42,9 Гц почти нулевое, и бас здесь слабеет. Нужно место, где ни одна из первых мод не оказывается в узле или пучности.

Куда ставить басовые ловушки и где сидеть

Порядок, который не требует измерений. Сначала передние углы за мониторами, потом задние. Если ловушки есть в нескольких углах, вертикальные углы между стеной и потолком тоже работают на низ. «Облако» — панель, подвешенная над точкой прослушивания с зазором от потолка, — гасит прежде всего первое отражение от потолка, а зазор приближает поглотитель к зоне высокой скорости частиц (о нём — в следующем разделе).

Правило 38% приписывают Уэсу Лашо (Wes Lachot): лучшая точка для уха находится на 38% длины комнаты от передней или задней стены. По объяснению Лашо, это точка, которая не попадает в узлы гармоник на половине и четверти длины комнаты (заодно она совпадает с «золотым сечением»). Оговорка идёт вместе с правилом: это одна из теоретически лучших точек для начала измерений, а не гарантия. В комнате 4 м 38% — это 1,52 м. Если мониторы стоят в 0,3 м от стены и раздвинуты на 1,4 м, треугольник со стороной 1,4 м имеет высоту 1,21 м, и ухо оказывается на 1,51 м от стены: схема сходится (расчёт). Про точки первых отражений и сколько панелей нужно — в статье про акустику комнаты.

Пористые поглотители и мембранные резонаторы

Басовые ловушки бывают двух принципиально разных типов. Пористые (минеральная вата, стекловата, плотный поролон) превращают звуковую энергию в тепло трением. Резонаторные — панельные поглотители и резонаторы Гельмгольца — раскачивают мембрану или объём воздуха, настроенные на свою частоту.

Для порога размера есть простая арифметика: четверть длины волны на 43 Гц — 2,0 м, на 57 Гц — 1,5 м, на 100 Гц — 0,86 м (расчёт). Десять сантиметров ваты у стены берут середину и частично низ, но на 43 Гц работают слабо. Поэтому ловушки для самых низких мод делают толстыми, ставят в угол, где вата занимает большую глубину по диагонали, или отодвигают от стены на воздушный зазор. Углы заполняют по всей высоте, от пола до потолка: моды по высоте тоже собираются в угловой пучности, и ловушка «в полроста» берёт только часть из них. Резонаторные компактнее и настраиваются на конкретную моду, но требуют замера; о том, как его провести, — в статье про измерительный микрофон.

Время реверберации RT60: определение и расчёт

RT60 — время, за которое уровень звукового давления падает на 60 дБ после того, как источник выключили. Классическая оценка — формула Сэбина: RT60 = 0,161·V/A, где V — объём комнаты в м³, A — суммарное поглощение в метрических сэбинах, то есть сумма площадей поверхностей, умноженных на их коэффициенты поглощения. Константа 0,161 получается из скорости звука (расчёт: 24·ln10/343,2).

Пример для той же комнаты. Объём 30 м³, площадь поверхностей 59 м². Если средний коэффициент поглощения 0,1 (условно: голые стены, жилая отделка), поглощение 5,9 м², RT60 = 0,161·30/5,9 = 0,82 с. Чтобы получить 0,3 с, нужно поглощение 16,1 м², то есть средний коэффициент около 0,27 (расчёт). Для комнаты прослушивания рекомендация EBU (Tech 3276) — среднее время реверберации от 0,2 до 0,4 с в третьоктавных полосах от 200 Гц до 4 кГц. Стандарт написан для профессиональных комнат (от 30 м² пола), так что для домашней студии это ориентир, а не норма.

Формула Сэбина честна, пока поглощения немного: при среднем коэффициенте выше примерно 0,3 она завышает время, и точнее формула Эйринга. Ниже частоты Шрёдера понятие RT60 тоже перестаёт быть удобным: там слышны уже не затухание, а отдельные моды. Поэтому ловушки для баса нельзя заменить «реверберацией»: слоем ваты на стене низ не решается.

Калибровка мониторов по месту прослушивания

Мониторы настраивают на комнату в четыре шага. Первый: поставить колонки и ухо по треугольнику, твитеры на уровне ушей (подробности — в гайде по студийным мониторам). Второй: на подобранном месте проверить бас-проходом по полутонам, как в шаге выше, и сдвинуть стул так, чтобы самые заметные провалы и горбы ушли от нот, которые вы чаще всего сводите. Третий: выровнять левую и правую колонки по громкости в точке слушателя — розовый шум в каждом канале по очереди, одинаковый показатель на измерителе или хотя бы на слух. Четвёртый: проверить результат микрофоном и повторить замер после установки ловушек.

Если места мало, помогают две вещи: не ставить колонки вплотную к стенам и углам, а ловушки поставить хотя бы в передние углы. С чего вообще начинать студию и в каком порядке тратить деньги, разобрано в статье про домашнюю студию с нуля. Какие колонки подходят под такую комнату — в разборе активных и пассивных колонок, а если слушаете не только в студии, то и в статье про Hi-Fi для дома.

Частые вопросы

Комната звучит не хуже и не лучше, а просто по-своему. Узнать, где она ошибается, можно за один вечер с басовой линией по полутонам.

Механик

• Звукорежиссёр, музыкант, электронщик из Петербурга.
• Более 20 лет в музыке: дрим-поп, эмбиент, электроника.
• Рассказываю о фишках и техниках при создании музыки.
• Помогаю подобрать музыкальный сетап без переплат.
• Собираю аналоговые гитарные педали.

Вопросы — в Telegram.