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[案例分享] ==音箱摆位细思量==

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发表于 2009-2-10 17:07:28 |显示全部楼层

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杜比、THX都提供了标准的音箱摆位图,可是实际是只是规定了音箱与听音者之间的方位(角度),并没有提供与墙壁、天花板、地板的位置关系。一些书籍和杂志上有各种各样的摆位原则,但都莫衷一词,让人无所适从。今天咱们就来细细研究一下,探个究竟,多问个为什么。

陈湘允博士在《新音响杂志》2003年七月号载有《喇叭摆位的真相》,大家可以看一下,但我觉得仍不够透沏。这是地址:http://www.ks-
hifi.com/dr.chen/dr-chen.htm

根据我的理解,音箱的摆位主要影响重放的低、中频特性,使频率响应曲线恶化,对音质影响很大。那么,决定音箱摆位的因素究竟有哪些呢?一句话,音箱摆位取决于房间的驻波和墙面的反射特性。下面听我细细道来。

一、驻波的影响

声波在两个平行的表面持续反射,当频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进,故称行波;上述两列波叠加后波形并不向前推进,故称驻波的现象,称为驻波。技术上来说这是由房间的模式即房间中空气的震动模式所决定的,所以我们也称之为房间模式。简单地说,驻波就是房间共振。


驻波容易出现在两个反射面距离为该频率波长一半的整数倍的空间内。对于一个给定的距离,将会有很多的频率可能产生驻波。
设平行墙面距离L米,驻波频率fs=n×(344/2L),n=1时称为基波(一次谐波),n=2时称为二次谐波,n=3时称为三次谐波……

声音看不见,看一下弦丝上的驻波吧。从图中可以看出:1、驻波中,振动的振幅在空间有一定的分布规律。2、不同的激励源可激发不同频率的驻波(n×fs)。

N155.jpg


类比弦丝上的驻波,房间平行墙面间声音不断反射,产生驻波,在某些区域声压(SPL)值较高,在另一些区域声压值(SPL)值较低。上述区域分别成为波腹波节。在波节处就听不到这一频率的驻波声音,而在波腹处听到的声音特别强。画出房间长度方向驻波的声压分布如下图,注意是声压分布图而不是波形图。
Axial.gif


复习一下中学物理,这是弹簧振子的受迫振动实验装置。弹簧振子有自己的共振频率,但稳定状态下是不振动的,当通过摇把给它一个驱动力,它就以自己的固有频率开始振动,停止驱动,由于阻尼作用(能量有损耗),振幅慢慢减小,最后停止振动。同理,房间驻波频率是一定的,但没有激励是不会起振的,研究发现,当音箱置于驻波节点位置,就不会激励该频率的驻波,这是一个很重要的结论,也是我们分析最佳摆位的依据。
弹簧振子的受迫振动.gif


驻波是听音室的大敌。就象清水中滴入了墨水,原本纯净的音乐声音中被加入了附加的成分,产生了扭曲,有了声染色。而且,驻波强度大,房间阻尼不良时衰减时间很长,使低频混响时间过长,产生隆隆声。

消除平行墙面可消除驻波。驻波能通过低频吸声处理来降低,增大低频阻尼,使它振不起来或很快衰减掉,低频平直了,也干脆利落了。
我们今天要研究的是利用合理的摆位,把驻波的影响最小化。

二、反射声的影响

音箱发出的声音,有两种途径到达人耳,一种直线传播到人耳,称为直达声,另一种经过墙壁、天花板、地板等刚性表面一次或多次反射到达人耳,称为反射声。由于反射声经过的路径长,会比直达声晚到,于是产生了时间差(相位差),根据波的干涉理论,会在人耳处产生干涉作用,使频率响应曲线产生梳状效应。
dsp-f2.gif

dsp-f3.gif


实际对频响的影响如下图的红线。
faq23_2.jpg


来自侧面的反射声干涉通过调整与侧墙的距离、通过吸声或扩散解决。来自音箱背墙的反射声也会与直达声产生干涉,使低频产生增强或减弱的现象,称之为低频凹陷。它的影响远远超出你的想象,听感上就是下潜不深。

要消除低频凹陷,应使音箱与背墙保持一段最小距离,计算公式如下:
dmin =1.4 c / 4 f-3dB
这里:
dmin 是音箱与背墙间的距离,c 是 20°C时空气速度 = 344 m/s,f-3dB 是音箱的-3dB低频截止频率

管善群教授给我们整理出了下表,根据频率查表即可得到最小距离:

信号频率(Hz)

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

1/4波长(m)

0.86

0.96

1.80

1.21

1.43

1.72

2.15

2.87

3.44

4.30

最小距离(m)

1.20

1.34

1.51

1.70

2.07

2.41

3.01

4.01

4.82

6.02



真力公司的推荐值:
faq23_4.jpg


这组数据也是决定摆位的依据之一。

三、房间分析

这里就不用 CARA 软件来进行仿真了,杀鸡焉用牛刀!

计算房间的驻波可以手工计算,也可以使用房间模式计算器,这里就是一个 JBL 提供的计算器:
http://www.harman.com/about_harman/technology_leadership.aspx

一般认为模式计算器也就是计算计算频率,实际还能反映驻波在某个方向上的声压分布。找到了规律才能寻找合适的摆位。输入房间的长宽高,就能显示三个维度上的驻波频率和分布情况。洋人喜欢用英制单位,只能自己先进行单位转换了。
htvol3-pic5.jpg



下图就是长度方向的计算实例,包含基波(黑色)、二次(红色)、三次(蓝色)、四次谐波(绿色)。请注意看图中顶点和节点的分布规律。

图例.gif



模式_L.gif


墙面处声压最强,意味着音箱或听音位靠墙是最糟糕的情况。节点分布,一次在1/2长度处;二次在1/4、3/4处;三次在1/6、3/6、5/6;四次在1/8、3/8、5/8、7/8处。

宽度方向同样分析,规律相同但频率不同。高度方向就不考虑了,就是找出了最佳高度也不能把人悬在空中。{[

查找最佳摆位的过程,就是查找上图中四条曲线的幅度都较小的位置,优化的过程就是妥协的过程。这个位置还与你的音箱低频范围有关。如重低音频率在20-120Hz之间,在AV功放把分频点降低到100Hz,就不用考虑绿色的线(115Hz)。

四、确定主音箱摆位

首先假定一个房间尺寸,选典型的高6米、宽4.5米、高2.8米。主音箱低频截止频率50Hz。当然实际操作时以自己的房间和音箱性能进行计算。

上面的分析仍不够清晰,下面用一种全新的更直观的方法来进行分析。首先画出房间的矩形图,然后把长、宽方向模式图分别贴到矩形的边上,如下图。呵,没有做不到只有想不到啊,活学活用很重要啊。

模式与摆位分析.gif


下面开始动工,找出驻波最轻的位置并用直线画在图上。由于主箱低频截止频率50HZ,长度方向上29Hz、宽度方向38Hz的黑线就不用考虑了,因为在频带之外,不会激励出这么低的驻波。150HZ以上的驻波,也可以不用考虑,因为它比较容易用吸声的方法解决。同时,权衡各频率时,频率低的优先度高。

因此,长度方向剩下红蓝绿三线,宽度方向仅剩下红蓝两线。根据上面的原则,画出几条直线,距离前墙在1/6-1/4长度,即1-1.5米,宽度方向距侧墙1/6-1/4宽度,即0.75-1.13米,即图中划出的几个小方块区域。根据互易定律,最佳吸音区,至少要离后墙1米。

再根据低频凹陷数据,得到最小离背墙距离2.41米,不可能达到,要么入墙安装,否则只能将就点了。

确定大致的区域以后,根据实际听音进行调整,得到最终的最佳位置。

比较一下 Linkwitz 实验室给出的摆位图吧,注意要折算成比例来看,你会有启发。
linkwitz_dm-room-4.jpg



五、确定低音炮摆位

首先计算低频凹陷频率,假定炮的厚度0.5米,由于频率抵消发生在1/4波长处,计算频率为172Hz,已经在炮的工作频率之外了,不予考虑。
怕麻烦,就不另画图了。先根据频率范围决定所需考虑的曲线。长度方向考虑黑红蓝线,宽度方向考虑黑红线。根据前述的优先原则,重点是黑线。毫无疑问,最佳位置是在房间中心。当然这是不现实的,但摆放的位置要尽量靠近墙的中点,千万不能放在墙角。

THX 推荐的低音炮摆位就是墙的中点,如果是双炮,优先考虑分别放在左右两侧墙的中点。

===============================

后半贴写得匆忙,讲得不易理解,因此,将国际著名电声学家 Floyd E. Toole 的《Loudspeakers and Rooms for Multichannel Audio Reproduction : Part 3 - Getting the Bass Right》中,关于位置与驻波(模式)的部分内容整理如下,原文可在哈曼国际的官方网站找到。

幻灯片1.GIF

幻灯片2.GIF

幻灯片3.GIF

幻灯片4.GIF

幻灯片5.GIF

幻灯片6.GIF

幻灯片7.GIF

幻灯片8.GIF


[ 本帖最后由 城东大头 于 2010-6-18 06:45 PM 编辑 ]

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发表于 2009-2-10 19:53:35 |显示全部楼层

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发表于 2009-2-10 23:36:24 |显示全部楼层

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学习一下

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发表于 2009-2-11 02:17:02 |显示全部楼层

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很实用,顶~~~~~~~
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播放设备:HD5450
中置:杰士RC62
主箱:杰士RB61
炮:杰士RW10D
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喇叭线:华敏4平方 2.5平方

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发表于 2009-2-11 22:18:57 |显示全部楼层

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由于后半贴讲得过于简单,为便于理解,现增添一部分内容。

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发表于 2009-2-12 10:10:15 |显示全部楼层

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Floyd E. Toole 博士有个观点,认为多声道声音系统应全部使用卫星箱,把100Hz以下频率全部交由低音音箱处理,用多个小低音音箱代替大的低音音箱,低音音箱要偶数配置,最好四只以上。他通过研究发现驻波主要影响100Hz以下低频,通过避开偶次驻波和抵消奇次驻波,从而很好地解决驻波问题。


仔细体味上图,将一对低音放在某个驻波的波节(声压为0)处,就能避开该驻波。只要两只音箱关于中心对称,就能抵消奇次驻波,如基波、三次、五次……,这是因为奇次模式声压是中线对称的,而且极性(振动方向)始终相反,而两只音箱发出的声音始终是同相的,这样就破坏了奇次模式的产生条件,抵消掉了。

推广到双声道系统,即使是全频率音箱,对于100Hz以下频率,其相位基本上一样,也就是发出的声音相同,同样适用上面的结论。

如示例房间宽4.5米,驻波分别为38Hz、77Hz、115Hz、153Hz。四次驻波频率较高,此处不予考虑。
将音箱放在离侧墙1/4房间宽度(1.125米)处,即二次驻波波节处,二次驻波不会被激发,同时由于音箱关于中线对称,奇次驻波(一次、三次)被抵消,即38Hz和115Hz的影响消除。

为了验证上述结论,不得不再次请出 CARA Plus 2.2。将房间设置成只有宽度方向的驻波,将一对音箱分别离侧墙1.125米,分别计算SPL频响曲线和房间声压分布。结果如下图:

SPL.gif

40 拷贝.jpg
74_1 拷贝.jpg

117_6 拷贝.jpg
153 拷贝.jpg




频响曲线的低频堪称完美,红线与蓝线几乎重合。从声压分布图中可以看出一、二、三次驻波完全消失,四次驻波(还包括六次、八次、十次……驻波)仍然不容忽视,但这可以在侧墙采取吸声措施来解决,150Hz以上的吸声难度不是非常高。

由上述分析,我们可以得出双声道宽度方向摆位的普遍原则:将音箱摆在离侧墙1/4宽度处。



长度方向摆位更进一步分析以后再议。

[ 本帖最后由 城东大头 于 2010-6-18 06:46 PM 编辑 ]

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发表于 2009-2-12 10:27:04 |显示全部楼层

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大头钻得挺深的,是正道。###gg

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发表于 2009-2-12 11:15:22 |显示全部楼层

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对于AV系统而言可能比较难以实现。若要将主箱放在离侧墙1/4处的话就会部分地挡住屏幕,而且可能会使声场变窄。对于HIFI系统而言则没这些顾虑。

好帖!又学到了新知识。谢谢大头兄!

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发表于 2009-2-12 11:34:26 |显示全部楼层

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如果你能进行有效的低频吸声,驻波没有或很轻了,摆位随你怎么定。

目前针对是的存在驻波时的摆位。

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发表于 2009-2-12 14:43:21 |显示全部楼层

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真是好贴。可以举一反三。

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发表于 2009-2-13 12:40:56 |显示全部楼层

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请看老外的实例:

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发表于 2009-2-13 15:31:18 |显示全部楼层

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大头兄,cara能不能对不规则的房间进行分析?比如两个部分错开但联通的房间,其中一间作为听音室。

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发表于 2009-2-13 15:36:26 |显示全部楼层

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可以的, 就是房间建模复杂一点, 运算量大点.

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发表于 2009-2-15 10:37:31 |显示全部楼层

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:151 :151 赞一个
风云之巅 唯乐富豪也 如涓涓细水 微风沁耳亦足矣

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发表于 2009-2-15 14:03:23 |显示全部楼层

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原帖由 城东大头 于 2009-2-12 11:34 AM 发表
如果你能进行有效的低频吸声,驻波没有或很轻了,摆位随你怎么定。

目前针对是的存在驻波时的摆位。



补充一下,在声学上讲的小空间环境来说,使用房间模式分析设计摆位还是非常必要的,因为驻波本身无法完全消除。
相信现在还没有符合声学上大空间定义的私人影院环境。
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发表于 2009-2-15 22:13:29 |显示全部楼层

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谢谢大头兄又发一力作,我们这些刚入门的真是受益非浅。引经据典,思维严密,很有学术风范,呵呵!

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发表于 2009-2-16 14:46:20 |显示全部楼层

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应该多支持这样的好贴!
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发表于 2009-2-21 18:52:17 |显示全部楼层

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确实是近期难得有质量的好帖~~~~~~~~~~~~顶一个###gg

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发表于 2009-3-19 17:29:01 |显示全部楼层

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继续补充内容!!!!

为了更好地理解和掌握驻波和摆位的关系,引入几个新的概念。

临界频率

因为所有的房间都有自己的模式,在较低频率范围总有一个频率,低于它模态影响占主导,房间不再视作扩散。即使是消声室也有较低频率的限制。房间模式的其中一个影响是引起房间频率响应的变化。由于驻波在空间上的变化,模态行为对频率响应的影响也与房间位置相关。一个重要结果是,在模态区内
不再支持扩散声场,在些频率范围内,混响时间的要领无效,代之以模态衰减时间(modal decay time)。但在哪个频率发生转换呢?下面是一个房间的典型频率响应,标出了三个频率范围。
room_critical_freq.gif



1、截止频率区

这个范围低于最低共振频率,有时也叫房间截止频率区。在此范围内房间的任何一个尺寸都小于半波长,但这并不意味着房间不传播声音,实际上它的行为更象末端封闭的气筒中的空气。这意味着成为不同声源(扬声器或乐器)的环境“负载”,这负载的影响是降低了声音辐射进房间的能力,结果降低了这些频率的声压级(注意,不是播放不出来或听不到)。低频截止频率可以简单地计算:

    fcutoff = 344 /2Dmax
        这里 Dmax 房间的最长尺寸,单位米

    这个频率小于等于最低模式的频率。如果最大尺寸取房间的长度,那么这个频率就等于最低模式频率,如果最大尺寸取对角线长度,则此频率低于最低模式频率。

3、模态区

第二个区域是模态区,在些范围内房间的声学性能模态行为占主导,基于扩散声场的分析肯定是错误的。

3、扩散声场区

最后的区域是存在扩散声场的,混响时间的概念也适用。一般而言,这个频率范围的声音最佳,混响特性好,因为房间模式的影响最小,听音者通过房间体验到平均的混响声级。

在模态行为区和扩散行为区之间有个转换边界,就称之为临界频率。

临界频率使我们可以在声学上界定“大房间”和“小房间”。声学大房间的临界频率低于声学最低频率,而声学小房间的临界频率落在声音频率范围内。如音乐厅、大教学、大录音栅是声学大房间。多数情况下我们都是在声学小房间中听音乐,如卧室、盥洗室、起居室等。

如何计算临界频率?有两种方法。第一种认为当声音波长接近房间的自由平均行程(MFP),模态行为的可能性增大,因为声波“接触”房间的所有墙面。

计算公式如下,它假设一旦自由平均行程等于一个半波长,模态行为占主导。

    fcritical = (3/2)(c/MFP) = (3/2)(344ms-1/MFP)

      这里 MFP =4V/S      ……(V为房间容积,单位立方米,S为房间内总表面积,单位为平方米)

这个公式可快速确定一个给定房间的临界频率。但是,实际的临界频率可能比它高,因为如果吸声较低,一个房间也可能有严重的高频模态行为。因此临界频率的定义是基于模式带宽。

第二种方法是根据混响时间来计算:

    f critical = 2102  SQRT(T60 /V)

      这里 T60 为混响时间,单位秒,V为房间容积,单位立方米。

下面进行实例计算。以典型的高6米、宽4.5米、高2.8米的房间为例。V=75.6立方米,S=112.8平方米,假定混响时间为1秒。

    最长尺寸轴向为6米,对角方向为8米。
    房间截止频率=344/12=28.7Hz,严格一点,=344/16=21.5Hz

    MFP=4V/S=4X75.6/112.8=2.7米

    临界频率(方法一)=1.5X344/2.7=191 Hz
    临界频率(方法二)=2102X0.115=241.7Hz

    那么,我们在处理驻波和摆位时就只要考虑 28Hz 到 200 Hz的情况,从中也可以看出,容积大的房间临界频率比容积小的房间的临界频率低,也就是要考虑的频率范围要小,因此选择房间时宁大勿小。

    从计算方法二可以看出,增加吸声可以降低临界频率,吸声真的很重要。

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好帖 ,一定要顶。

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真的是要细思量!
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发表于 2009-5-19 11:57:40 |显示全部楼层

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精华学习一下。。。
预算策划升级中。。。

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发表于 2009-5-20 14:53:23 |显示全部楼层

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很好!学习了一下!!!
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