打造高标准影音空间 家庭影院空间规划纵谈


要打造真正优秀的家庭影院视听空间,获取出众的影音效果,制约的因素除了影音器材的性能之外,房间的声学与光学特性更是先天因素。尤其是难以预测与计算的各种不同类型房间的声学特性,将会对声音的回放造成各种各样的影响,当中房间大小与比例更是至关重要的部分。以现代建筑学上经典的矩形房间而言,当房间的长宽高之间的比例达到某个特定的数值,就会出现低频响应中的峰谷现象,导致整个频段的声音均匀度失调,引起声染,严重减低声音的清晰度与细节感。因此,在打造视听室的时候,最理想的必然是根据一个合适的房间比例去建造。对于已经拥有了出色的设备,却不能获得满意的声音效果的朋友,不妨留意自己的房间是否建立在合适的比例上。
对于视听室的房间大小与比例的研究,其实从上个世纪40年代就陆续得到了不少著名声学专家的重视,并发现房间的比例与大小是两个互相影响的房间声学特性。起初大多数的研究是围绕演奏厅、录音室等环境而进行的,经过数十年的发展,随着家庭影院逐渐成熟与普及,国际上也出现了针对小空间家庭视听室房间大小与比例的标准。现在,绝大多数优秀的家庭影院视听室的建立都是基于这些标准之上。以下将会回顾这数十年来的各种不同的研究,以及对国际性的标准比例与大小进行逐一深入的讨论,希望能够让更多的影音爱好者重视视听室的房间大小与比例,获得优异的声音效果。以此为打造家庭影院的基础,构造理想的视听空间。
视听室房间大小与比例研究发展历程回顾
从古至今,依据建筑的合理性、安全性以及便利性,住宅房间多以矩形的形式存在。利用住宅改造的视听室由于先天不足,往往会存在声学上的问题。这也引起人们的关注,对于常规的矩形视听室房间大小与比例的探讨从上个世纪40年开始就在不断发展之中。视听室的声学属于小房间的声学范畴,而当中最容易出现的问题就在于低频部分,会导致不平坦的声音频率响应与声波衰减,从而引发声音重放的声染现象。改变房间比例能够大幅度减低房间的声染现象,这是历史上众多声学专家的共识。
涉及声学知识简介——小房间声学缺陷
轴向共振示意图

轴向共振示意图
切向共振示意图
切向共振示意图
斜向共振示意图
斜向共振示意图
 谈及家庭视听室的声学缺陷就必然联系到小房间声学系统。小房间的定义是指室内空间尺寸较小的房间,其房间的三边尺寸多数在10m以内,家庭视听室大多数都是这样的环境。由于房间容积较小,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。因此,家庭视听室由于房间容积较小,必然会由于房间的固有共振频率模式而引起某部分频段的声音叠加或者衰减的现象,造成房间声染的问题,导致房间声音质量下降。家庭视听室的声学缺陷包括了驻波、梳妆滤波、共振与简并等声学缺陷。当中与房间大小与比例相关的包括驻波、共振与简并。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,这也是研究视听室房间大小与比例的原因之一。[page]
早期的西方声学专家所提出的经典房间推荐比例
在声学研究方面,不得不说,西方国家与我国相比要领先许多。对于视听室房间声学的研究,早在上个世纪初就展开,在40年代中期达到了最高峰,出色的声学专家不断涌现,他们也逐渐发现,与其在建立后的视听室对声音进行吸音与扩散的控制,还不如选择在建立视听室的前期就控制房间的形状与比例。于是,关于视听室房间比例的研究就不断地进行着,并发现房间比例并不能限制于某一特定的比例,而是一个推荐的比例范围,著名的波尔围线就是当中的经典。
此外,关于视听室房间的形状,这些声学专家也对除了矩形的各种类型进行研究,并最终表示矩形的房间易于建筑以及进行声学控制,同时任何环境都要尽量避免凹表面,因为它会引起声学上的聚焦点与盲点,难以消除影响。
早期最著名的几个房间推荐比例:
声学专家 推荐房间比例(高:宽:长)
Sabine 1:1.5:2.5
Volkmann 1:1.6:2.5
Knudsen 1:1.88:2.5
Harmonic 1:2:3
Boner 1:1.26:1.59

除了以上5个推荐比例之外,还有黄金比例1:1.62:2.62以及早期欧洲声学专家们推荐的1:1.67:2.67。从这7个推荐的房间比例可以得知,大致将房间比例的范畴定于1:(1~2):(1.5~3)区间之内,虽然上面几个房间推荐比例多是针对容积较大的音乐厅而设定的,但也为后期的小房间比例标准的建立打下了坚实的基础。当中值得留意的是由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,也最终成为家庭影院视听室房间推荐比例国际标准的前身。
 1946年由著名声学专家Bolt提出的“波尔围线”(Bolt-Area)
在上个世纪早期关于房间比例的研究与讨论过程中,取得最大成果的当数来自著名声学专家Bolt所带来的波尔围线,将生硬的数字比例转变为具体的图像范围。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”(Bolt-Area)
▲上图:由著名声学专家Bolt带来的波尔围线(Bolt-Area),对后世房间比例的研究带来极大的帮助,图中的封闭曲线就是著名的波尔围线,图中的横轴为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。
 涉及声学知识简介——房间固有共振频率
房间固有共振频率与小房间声学代表性问题之一的简并模式有着密不可分的关联关系。简单来说,对于某一刚性房间来说,房间的几何尺寸呈整数比,而导致房间轴向共振与切向共振频率的重合或相近,就会产生简并模式或简并现象。对于一个刚性墙面全封闭的矩形房间,可看作一个共鸣腔,其固有共振频率取决于房间长(L)、宽(W)和高(H)的长度。房间中所有的固有共振频率都可以由以下的公式计算出来。
共振频率公式
▲上图:公式中,C为声速(340m/s),nx、ny和nz可以取任意正整数(0,1,2,…,n),因此不难发现对于每一组的数值都会有一个固有的共振频率,因而整个房间中会存在无数个共振频率。.
当用户的音响系统发出的某一声音频率与房间中的某个固有频率相同之时,整个房间便会在该频率上产生共振,使得房间中某几个固定位置上的声音出现叠加变成峰值,声音变得响亮;同时也会使得房间内的某几个固定位置上的声音出现谷值,声音变得柔弱,这就形成了驻波。假设当出现房间的简并模式,横向和纵向的共振频率出现叠加,就会大大增强房间中的驻波问题,特别是当中最容易出现驻波问题的是在整个声音频段的低频部分,也就是200Hz左右以下的频率范围内,导致室内原有的声音产生失真,具体表现为出现嗡嗡声。这也是在容积较小的家庭影院视听室中经常出现的现象。


房间共振的形成
实际上房间中大部分的共振频率都分布在200Hz以上的中高频段区,但由于共振频率数量多,分布密度高,不会出现明显的频率叠加与衰减。在200Hz以下的低频区域,共振频率的数量并不多,当出现简并现象的时候,更是会加剧低频部分的共振频率分布不均,出现严重的峰谷现象。
以标准的长宽高均为7m的房间声学模型,在10种振动方式时的最低共振频率,为下表:
振动方式 1,0,0 0,1,0 0,0,1 1,1,0 1,0,1 0,1,1 1,1,1 2,0,0 0,2,0 0,0,2
共振频率(Hz) 24 24 24 34 34 34 42 50 50 50
由上表可以发现在某些振动方式时的共振频率相同,例如24Hz、34Hz、50Hz,即为共振频率的重叠现象,这就是共振频率的简并现象,其频率就是简并频率。
据目前最新的研究所得,并不存在能够使得所有房间共振频率都能均匀分布的比例数值,只不过由于人耳在听觉上存在一定的宽容度,只要共振频率分布的不均匀度控制在合理的范围内,就能符合听觉的要求。Bolt所带来的波尔围线的概念也是在寻找这个控制范围。
值得注意的是,此共振的计算公式也存在着局限性,只适用于刚性墙壁,任何的吸收都会对声音的表现造成影响,例如会改变频率的特征。
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对上述所提及的多个房间推荐比例进行房间声学模拟
来自amroc.andymel.eu的房间模式声学计算器
如果大家想要进行房间比例的模拟声学计算,可以登录amroc.andymel.eu,上面提供了相关的免费计算。以下将会对早期声学专家推荐的房间比例进行模拟计算,计算200Hz以内房间的固有共振频率,声速取343m/s,房间高度一律取3米。

插声学模拟文件夹图
Sabine:1:1.5:2.5

高:3m,宽:4.5m,长:7.5m,面积:33.75m2,容积:101.25m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀

房间比例推荐点在波尔围线上方

在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,符合单调递增要求

房间大小模拟图,三边长度适中,属于普通家用环境
Volkmann:1:1.6:2.5
高:3m,宽:4.8m,长:7.5m,面积:23.04m2,容积:69.12m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀

房间比例推荐点在波尔围线之外

在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,出现相邻同频数量大于5,T3与T4频程单调递减,不符合要求

房间大小模拟图,属于小空间环境

Knudsen:1:1.88:2.5
高:3m,宽:5.64m,长:7.5m,面积:42.3m2,容积:126.9m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀

房间比例推荐点在波尔围线之外

在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,出现相邻同频数量大于5,不符合要求

房间大小模拟图,属于较大的家庭视听空间

以下计算图片省略
 Harmonic:1:2:3
高:3m,宽:6m,长:9m,面积:54m2,容积:162m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀

房间比例推荐点在波尔围线之外

在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,T1到T3频程不符合要求,T5以上频程呈单调递增

房间大小模拟图,属于较大的家庭视听空间
 Boner:1:1.26:1.59
高:3m,宽:3.78m,长:4.77m,面积:18m2,容积:54m3


在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀

房间比例推荐点在波尔围线左下方

在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,呈单调递增,符合要求

房间大小模拟图,体积较小,适合小型家庭环境使用
黄金比例:1:1.62:2.62
高:3m,宽:4.86m,长:7.86m,面积:38.2m2,容积:114.6m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀
房间比例推荐点在波尔围线以外
在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,呈单调递增,符合要求

房间大小模拟图,体积适中
 早期欧洲推荐标准:1:1.67:2.67
高:3m,宽:5.01m,长:8.01m,面积:40.1m2,容积:120.4m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀
房间比例推荐点在波尔围线以外
在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,T2频程开始呈单调递增
房间大小模拟图,属于较大的视听室空间
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中期及近期关于视听室房间比例的研究
 在早期声学专家对房间比例方面取得的研究成果的基础上,自上世纪60年代到现在,不断出现全新的寻求最佳房间比例范围的计算方法,当中最出名的包括Gilford带来的松散共振频率统计法、Louden的共振频率分布标准差均匀度统计法、Bonello的 1/3倍频驻波密度统计法以及Walker的基于简正频率分布确定低频性能指数统计法。
Gilford:松散共振频率统计法
Gilford对大约20Hz的驻波带宽进行查找分组,改变房间的尺寸,不断计算,直到出现一个令人满意的平均分布。当年,Gilford是通过手工计算的方式来完成,工作量之巨大让人佩服。现在完全可以利用电脑进行最优化的计算来完成。Gilford当时也指出了Bolt所建议的1:1.5:2.5比例存在着一定的问题,原因在于轴向模式导致房间声学特性的改变。

Louden:共振频率分布标准差均匀度统计法
1971年,著名的声学专家Louden使用共振频率分布标准差的均匀度统计方法,计算精度比早期Bolt所提出的采用平均差统计法的更加精确。Louden在1:(1.1~1.9):(1.1~2.8)的房间比例范围内,比例间隔为0.1的125个矩形房间分别计算出前36个共振频率及其标准差。为了避免房间容积方面的影响,Louden所选取的各个比例的体积均选取了201.6m3,然后再以标准差为判断方式列出统计所得出的125个房间的尺寸比例的优劣次序。于是就产生了现在国际广播电视组织与欧洲广播联盟推荐的1:1.4:1.9的房间比例,另外1:1.5:2.1、1:1.4:2.1以及1:1.6:2.1等经典房间比例都出现在Louden的研究成果之中。从Louden的研究所得出的房间比例数值与Bolt所带来的波尔围线相比较,最佳的三个数值均在围线的中部,与波尔围线相当接近,为后人选取最佳的房间比例尺寸提供了便利。
对Louden推荐的经典房间比例进行房间声学模拟
Louden:1:1.5:2.1
高:3m,宽:4.5m,长:6.3m,面积:28.35m2,容积:85.05m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀
房间比例推荐点在波尔围线内中心位置
在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,T1~T3出现同频,数量为1,T4频程开始呈单调递增,符合要求
房间大小模拟图,体积适中

Louden:1:1.4:2.1
高:3m,宽:4.2m,长:6.3m,面积:26.46m2,容积:79.38m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀
房间比例推荐点在波尔围线内左方
在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,T1~T3出现同频,数量为1,T4频程开始呈单调递增,符合要求
房间大小模拟图,体积适中

Louden:1:1.6:2.1
高:3m,宽:4.8m,长:6.3m,面积:30.2m2,容积:90.7m3

在200Hz以内的房间共振模式分布较为均匀
图b:房间比例推荐点在波尔围线内中部
在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,T1~T3出现同频,数量为1,T4频程开始呈单调递增,符合要求
房间大小模拟图,体积适中

Bonello:1/3倍频驻波密度统计法
1981年,又一位声学专家Bonello对房间比例的统计方法展开全新的研究。Bonello的研究的主要根据是:当进行1/3倍频程至更高带宽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。于是一种全新的统计方式出现了: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。Bonello的这套理论在目前专业演播室与录音室的设计过程中都取得了非常理想的效果。
对Bonello推荐的经典房间比例进行房间声学模拟
Bonello:1:1.25:1.6
高:3m,宽:3.75m,长:4.8m,面积:18m2,容积:54m3


图a:在200Hz以内的房间共振模式分布均匀
图b:房间比例推荐点在波尔围线内左下方
图c:在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,呈单调递增,符合要求
图d:房间大小模拟图,体积较小,适合打造小型视听室

Walker:基于共振频率分布确定低频性能指数统计法
正是由于Bonello发现视听室声音质量不仅与房间比例有关,还与房间的容积有着紧密相连的重要关系,声学专家Walker在共振频率分布的研究上发展了低频的性能指数,研究的重点也放置在获取最适宜的房间比例,而不必是最好房间。
通过以上四位声学专家对早期房间比例推荐的深度研究,为最新的国际性房间形状、大小与比例标准的建立奠定了切实的基准。与早年对于视听室单一的房间比例推荐值相比,目前大部分国际性的视听室房间建立标准都完整说明房间的形状、大小以及建议的比例参数。用户在打造家庭影院视听室的过程中能够根据房间的实际情况来打造最适宜的房间。

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目前国内外组织与机构关于视听室房间大小与比例的推荐标准
经过前人的研究积累,目前关于视听室形状、大小与比例方面,国内外组织与机构都订立了相关的标准与推荐值,当中包括国际电工委员会、国际广播电视组织、欧洲广播联盟、Dolby公司、THX公司、PMI公司、清华大学等等。在这些规定之中,尤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。而又Dolby公司专门为顶级电影后期审片室而制定的相关推荐标准,对于家庭影院视听室的设计同样也有着重要的意义,因为家庭影院的前身就是电影后期审片室,电影后期审片室是家庭影院建造的标准。相对而言国际广播电视组织与欧洲广播联盟所推荐的房间大小与比例标准是针对广播录音室环境而制定的,与家居环境仍有一定差异。
值得注意的是,大家在参考相关标准的时候,除了要留意房间的推荐比例之外,还需要留意推荐的房间容积,两者都会影响房间的声学特性。房间容积较大的推荐比例,也许并不适合作为容积较小的房间的推荐比例。虽然并非所有的组织与机构都带有房间大小的推荐标准,但他们也默认视听室为一般的家庭环境。除此之外,在各种的推荐标准中,也展开了对房间形状的讨论,如THX与PMI公司就认为,除了矩形的房间形状,其他形状的房间也可用来作为视听室(当中不包括正方形),但是由于很难对房间的声学特性进行预测、计算与控制,并不推荐使用。因此,对于想要在不规则形状的房间中打造家庭影院视听室的用户,最佳的办法,还是改建为矩形的房间形状。
国际主流家庭视听室设计标准
IEC(国际电工委员会):IEC29-B家庭视听室标准

网址:www.iec.ch
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,音箱的背后与天花顶棚呈现反射性,音箱的前面呈现吸声性。

推荐的房间比例(高:宽:长):1:1.6:2.4,建议房间面积:24m2以上

房间声学模拟:
利用amroc.andymel.eu网络房间模式计算软件,对推荐房间比例进行模拟计算,计算200Hz以内房间的固有共振频率,声速取343m/s。假设房间高为3m,宽为4.8m,长为7.2m。面积为34.56m2
在200Hz以内的房间共振模式分布均匀
房间比例推荐点在波尔围线上
在Bonello的1/3倍频驻波密度统计法,呈现单调递增,且同频现象也仅出现在数量为1的频程中,符合要求
房间大小模拟图,大小适合家用
Dolby Laboratories(杜比实验室)在顶级电影后期审片室房间设计方面推荐建议
网址:www.dolby.com

Dolby Laboratories(杜比实验室)在世界的音频娱乐领域拥有重要的地位,也是世界最早开展家庭影院研究的组织之一,在电影后期审片室、专业广播录音室、家庭影院的音频设计方面拥有丰富的经验。一个标准的家庭影院视听室,是建立在电影后期审片室的标准之下。Dolby(杜比)在电影后期审片室房间设计方面有着相当独到的一面,具体就表现在Dolby最顶级的PREMIER STUDIO顶级电影后期审片室的认证之中。当中有提及房间设计这方面的要求。

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