Формирование акустически правильных вариантов планировок домашнего кинозала

Выбор помещения в современном жилье

Приступая к созданию домашнего кинозала, в первую очередь необходимо определиться с помещением, в котором он будет устроен. Размеры, геометрия и материалы этого помещения будут играть определяющую роль в звуковой картине и возможности корректно совместить лучшие условия для прослушивания и просмотра. Все средства, которые будут применены в уже готовом помещении, будь то отделка или меблировка - в основном будут направлены на борьбу с последствиями, возникающими из-за несоответствия помещения поставленным задачам.

Всего при определении помещения в жилищных условиях доступны четыре варианта: единственный вариант (однокомнатная квартира), выбор из уже имеющихся помещений (многокомнатная квартира), приведение помещения к заданному (свободная планировка), строительство помещения (частный дом). В первом случае определяться конечно не с чем, а вот во втором уже имеет смысл провести оценку. Третий вариант связан уже не столько с оценкой, сколько с процессом проектирования помещения, т.к. предоставляет возможность влияния на размеры, геометрию и материалы. Четвертый вариант отличается от третьего тем, что возможности не являются ограниченными, т.к. под контролем находятся все строительные работы.

Создание домашнего кинозала будет вестись в рамках третьего варианта с захватом части вопросов, свойственных больше для четвертого (например, устройства системы принудительно приточной и вытяжной вентиляции). Собственно, сегодня первичное жилье в силу технологий строительства имеет или изначально свободную планировку, либо подразумевает такую возможность. И это - отличная возможность для любителей аудио и видео поднять свое увлечение на кардинально другой уровень.

Необходимость соблюдать правила

Почему тема определения помещения является первостепенной? Помимо доминантного значения в предметной области, существует также и правовой аспект. Любая планировка должна быть согласована с бюро технической инвентаризации, которое проверяет корректность предлагаемых изменений. Если согласования не провести, можно получить негативные последствия разного характера: штраф, судебную волокиту (принудительное согласование), невозможность продать жилье, разрушение конструкций здания. Например, стены внутри квартиры кладкой всего в полкирпича это уже десятки тонн (из-за этого повсеместно используется пустотелая пазогребневая плита) - на нижних этажах проблем скорее всего с такой нагрузкой не будет, но не везде есть нижние этажи.

Также, помимо планировки может потребоваться согласование проекта электрической сети, если плановое потребление превышает установленное (до 15 кВт для квартир проект не обязателен). Или может потребоваться согласование проекта вентиляции, если захочется иметь в помещении кинозала настоящий камин (в случае любого этажа кроме последнего воплотить такую идею будет крайне затруднительно). В любом случае подробнее процесс разработки проекта новой планировки и его согласования с бюро будет описан после прохождения соответствующей процедуры, а пока нужно определиться с самой планировкой.

Определение размеров помещения

Подбирая жилье я целился в 40+ м2 площади для помещения домашнего кинозала. Эта цифра сформировалась у меня изначально из опыта посещения комнат прослушивания в аудио-видео салонах, а потом закрепилась путем подтверждения информацией из различных источников. Например, рекомендации ITU-R BS.1116-1 это 20-60 м2 для стерео системы и 30-70 м2 для многоканальной системы. Согласно EBU Tech. 3276 это 40 м2 для референсной комнаты прослушивания и 30 м2 для контрольной комнаты высокого качества. Озадачивает перевод данного документа ДТР ВГТРК, где референсная комната называется "базовой", что рядом с комментарием о том, что помещение не должно превышать 300 м2 производит впечатление, что лучшим является помещение меньшего размера. Читать такие документы нужно только в оригинале, чтобы неточности не искажали смысл.

Если отойти от серьезных документов и перейти в плоскость компаний на широком рынке, можно посмотреть на рекомендации THX, например. Правда рекомендациями это является только в части "совместимой" техники, а с точки зрения размеров помещения является по сути классификацией. Так, сертификация DOMINUS предлагается устройствам для помещений объемом 200 м3 с расстоянием до слушателя 6 м (2-3 ряда кресел). Остальные классы: ULTRA (один ряд кресел) 90 м3 с 3.65 м, SELECT (7.1.4) 60 м3 с 3 м, COMPACT (5.1) 30 м3 с 2.43 м. Есть даже сертификация MULTIMEDIA без требований к размеру помещения - чтобы никто не оказался обиженным.

Любопытно, что THX априорно говорит именно об объеме помещения, но не его площади, что вызывает некий диссонанс на фоне куда менее активного упоминания об объеме помещения в серьезных документах, хотя аспект высоты является важным, особенно в разрезе рядной компоновки зрительских мест и размещением акустики трехмерного звучания (высотных каналов). Так или иначе обзавестись желаемыми 40+ м2 площади для помещения домашнего кинозала мне не удалось. Точнее, их выделение крайне нецелесообразно в условиях проведенных застройщиком строительных работ, но рассчитывать на 30+ м2/90+ м3 можно - в этих рамках и будет выбираться геометрия помещения.

Забегая наперед сразу скажу, что основным преткновением, заставившим мой перфекционизм бросить вызов самому себе и отдать на эту борьбу большое количество сил и времени - стало совмещение желания построить близкую к идеальной кино и стерео системы в одном помещении с желанием сделать домашний кинозал по-настоящему семейным (два ряда кресел на 5-7 мест). Проблемой оказалось то, что лучшее место для просмотра и прослушивания неизбежно оказываются в разных рядах и нет тех самых дополнительных 10 м2, чтобы разрешить эту ситуацию. Таким образом мой опыт бьется с классификацией, предложенной THX - запихнуть в помещение под ULTRA два ряда кресел технически красиво не получится.

Что считать геометрией помещения

Первый момент, с которого следует начать - это договориться о том, что именно можно и нужно считать геометрией помещения. Проблемой и причиной, из-за которой вообще возникла тема определения соотношения сторон - являются артефакты звука на низких частотах. Чем ниже частота звука, тем энергетически тяжелее вывести его на целевое звуковое давление.

Кстати, это же одна из причин, игнорирование которой приводит к разногласиям в обсуждениях о необходимой мощности для усилителя. Ведь чем в более низком диапазоне частот способна равномерно играть акустическая система, тем большей мощностью должен обладать усилитель. А поскольку акустические системы с более широким диапазоном в нижнем регистре обычно слушают с большего расстояния (также приводящего к необходимости кратного увеличения мощности), кумулятивный эффект легко приводит к разнице необходимой мощности в целый порядок. Так и спорят: владельцы двухполосных полочных систем (слушающие их с одного метра) с владельцами 3-4 полосных напольных систем (слушающие их с четырех метров) - ради забавы.

Будучи выведенным на целевое давление звук низкой частоты не будет обращать внимание на раздвижные двери из рисовой бумаги или окна на улицу. Такой популярный строительный материал, как пустотелая пазогребневая плита будет относительным препятствием. Один метр в длину стены высотой три метра из такой плиты будет весить 200 кг, в то время как аналогичная стена кладкой в полкирпича около 650 кг. А поскольку в данном случае действует "закон массы", то под геометрией помещения имеет смысл понимать только капитальные стены и перекрытия. Если мы сделаем облицовку кирпичной стены гипсокартоном, отражаться низкие частоты все равно будут от кирпичной стены, на сколько бы гипсокартон не был отнесен.

Еще один момент заключается в том, что помещений даже идеальной формы без окон и дверей не существует. Нюансы, связанные с нарушением свойств поверхности должны быть рассмотрены в индивидуальном порядке. В ряде случаев можно воспользоваться ситуацией и, например, имея окно с потолка до пола на линии от акустической системы уже за слушателем - "выпустить бас в окно". Помещение также может содержать эркеры, балконы, лестницы - т.е. нарушения формы поверхности. В таком случае нужно правильно интерпретировать виртуальную форму поверхности. Итого говоря о соотношении сторон, можно говорить только о той или иной степени приближении к искомой геометрии, с учетом реального помещения.

Расчет соотношения сторон

Существуют рекомендации по пропорциям для помещений, в которых нет параллельных поверхностей. Поскольку возведение таких помещений в первичном фонде не предусматривается, а самостоятельное устройство невозможно - рассматриваться такие рекомендации не будут. С одной стороны: гипсокартонный потолок любой формы не будет являться геометрией помещения, а заливка пола стяжкой под углом вообще идея близкая к абсурду и вряд ли будет согласована в бюро технической инвентаризации. С другой стороны: в случае многоканального звука расчет звукового поля для множества зрителей превращается в сложную задачу. Таким образом данные рекомендации могут быть актуальны только для больших энтузиастов в музыке, имеющих возможности воплотить четвертый вариант выбора помещения - построить его в частном доме.

Потолок и пол, а точнее расстояние между ними - вообще является определяющим критерием в выборе пропорции помещения. Возможность как-то ощутимо повлиять на высоту потолка есть разве что у жителей последних этажей с мансардным типом крыши. Все остальные могут оперировать пятью, в лучшем случае 10 см толщины стяжки. В моем случае высота потолка с уже устроеной стяжкой составляла 3 м, а максимальные ширина и длина (виртуальная), которые я мог себе позволить - 6,5 и 6,0 м соответственно. Начал с того, что просто выписал популярные соотношения сторон помещений и подставил в них высоту потолка, дополнительно добавив получающиеся площадь и объем помещения.

Красным цветом выделены неподходящие пропорции - при их использовании получались слишком большие помещения (не могли быть созданы) или наоборот слишком маленькие (хуже имеющегося). Желтым цветом выделены спорные пропорции: создающие компромисс с жилым пространством; недостаточно большие. Зеленым цветом выделена единственная удовлетворяющая условиям и желаниям пропорция.

Однако она как назло могла быть реализована только или несимметрично (окно только с одной стороны), или с размещением вдоль широкой стены (не подходила под задачи). Не будем пока отказываться от этих вариантов, в конце концов аналог окна можно сделать искусственно в противоположной стене, было бы желание - назовем их "Первый оконный" и "Второй широкий". Также возьмем из этой таблицы в качестве резервного верхнюю желтую пропорцию 1.0х1.4х1.9 и назовем этот вариант "Третий малый" - он хорош тем, что ширина 5.7 м помещается в максимальную длину помещения, поэтому позволит разместится с требуемой ориентацией.

Теперь, когда сходу однозначный вариант не был найден, можно подумать над изобретением велосипеда. Все приведенные выше пропорции - игры в математический аппарат, с той или иной степенью сложности и подтверждаемой на опыте достоверности. Не увидел в них банальной идеи простых чисел. Если мы говорим о том, что в каждом из трех измерений мы должны избежать совпадений приводящих к интерференции, то простые числа просто символизируют эту идеологию, т.к. по определению могут делиться только на себя, а их произведения на другие числа будет иметь общность только в случае, если множитель также является простым числом и участвует в соотношении.

Например, возьмем соотношение 1.0х1.66х2.33, что соответствует отношению простых числе 3, 5 и 7. Если 3 умножить на 2 (смотрим восходящую гармонику), то произведением будет 6, т.е поскольку множитель тоже простое число и не участвует в соотношении, мы гарантированно не пересечемся с другими числами. Говорить здесь можно только о величине разбега между получившимся произведением и ближайшим числом из выбранного соотношения. Итак, для начала посмотрим, какие размеры помещения получаются с помощью магии простых чисел - за абсолютную базу возьмем высоту помещения в 3 м, от которой нам никуда не уйти.

Все-таки не заметил - в самом начале (выделено жирным) предложение, которое сделал Richard H. Bolt, 1946 - значит на велосипеде простых чисел давно покатались и я не одинок в своем взгляде в эту сторону. Вопрос только, почему в рекомендацию попало только одно соотношение, а остальные были проигнорированы? При этом почему именно 1.0х1.5х2.5 понятно, ведь чем меньше простое число, тем больше тот самый разбег между соседями в соотношении при перемножении. Красным на картинке выделил неподходящие варианты (точно не влезают), желтым потенциально подходящие (нужно проверить).

Любое колебание будет возбуждать соседей в некоторой полосе частот вокруг базовой, что также может привести к возникновению нежелательных резонансов. Например, в предпоследней желтой строке соотношение указано 1.00х1.63х1.95. Вторая гармоника для 1.00 это 2.00, в то время как в соотношении есть очень близкое значение 1.95. С большой долей вероятности колебание с длиной волны, соответствующей 1.975 сможет раскачать как потолок высотой 3 м, так и стену шириной 5.75 м. Значит нужно внимательно посмотреть на данный аспект в выбранных соотношениях.

Первые три блока это соотношение 1.00х1.57х1.86, что соответствует отношению к 7 чисел 11 и 13. Поочередно берем отношения 7 к 11, 7 к 13 и 11 к 13, чтобы исследовать все зависимости. В таблице рассчитаны соотношения до пятой гармоники, однако на практике имеет смысл обратить особое внимание на первые две (обведены рамкой) и если там все нормально, на остальные можно не обращать внимания. Критерий для оценки приближение к 100% (полное совпадение): если в результате деления получился диапазон 90-110% это красный цвет; если 80-90%/110-120% это желтый цвет; все остальное - зеленый.

Из отобранных шести вариантов два откровенно негодные, они не только имеют красный цвет в обведенной зоне, но он еще и уходит по диагонали налево вниз. Это значит, что проблема имеется уже в базовом соотношении сторон помещения и все кратные частоты будут тянуть ее за собой. Такие же проблемы имеют еще три варианта, где диагональ выделена желтым - и только третий вариант имеет всего одно желтое выделение во всех трех обведенных блоках, назовем его "Четвертый простой". Однако я решил оставить еще и пятый вариант, т.к. его значения близки к предельным (91%, 109%, 119%), при этом красные выделения не тянутся по диагонали. При этом площадь и объем пятого варианта на 23% больше третьего и ближе к желаемым, пришлось назвать его "Пятый не подведи".

У меня разумеется разгорелось любопытство посмотреть, как себя чувствует одно из базовых соотношений, предложенных Richard H. Bolt, 1946 - 2 к 3 к 5. Стоит заметить, что это действительно наименьшее количество желтых и красных выделений а трех блоках среди всех проанализированных вариантов (шесть желтых и четыре красных против 10 желтых и четырех красных в варианте "Четвертый простой").

От теории в реальную плоскость

Пришло время посмотреть, как отобранные варианты будут вписываться в реальное помещение. В прошлый раз при проектировании (текущей кино системы) я пользовался двумя программными продуктами - Autodesk 3ds Max и Sweet Home 3D. Лицензия на первый у меня закончилась (стоимость отечественного аналога оказалась недружелюбной), а вот второй остался доступен для использования. В нем я накидал планировку по проектной документации от застройщика и добавил отобранные варианты для создания домашнего кинозала.

В планировке изначально есть два нарушения формы поверхности, для которых необходимо будет считать виртуальную форму (мнимое положение ровной стены). Это эркер наверху жилья и две железобетонные опоры в центре. Рассмотрим расчет на примере варианта "Третий малый", при этом сначала посмотрим на план, чтобы было наглядно понятно, о чем речь.

Форма верхней стены состоит из прямой части стены помещения, скоса эркера, прямой части эркера, скоса эркера и снова прямой части стены - итого пять участков. Вооружившись документацией на эркер я нашел его точные размеры и вписал в таблицу глубину и ширину участков (для скошенных под 45 градусов взял половину соответственно). За нулевую точку отсчета принял нижнюю линию верхней стены. Путем деления ширины конкретного участка на общую ширину эркера можно получить весовой коэффициент, который при умножении на глубину этого участка даст слагаемое для определения общей мнимой глубины - итого для эркера она составила 0.83 м.

Аналогичным образом был рассчитан и вариант "Третий малый" с тем лишь отличием, что для него появилось два слагаемых в виде прямых стен справа и слева от эркера на нулевом уровне. С учетом общей ширины помещения в 4.2 м, мнимая глубина получилась 0.59 м, значит общую длину 5.7 м нужно сместить на это значение вверх за пределы нижней линии верхней стены, снизу которой останется 5.11 м. Теперь можно вернутся к плану и еще раз посмотреть на получившийся относ.

Сделанное вычисление в рамках низких частот имеет смысл тогда, когда мы рассчитываем форму тяжелой стены. В данном случае эркер, занимающий более 2/3 центральной области стены от пола до потолка состоит из стекла и не является препятствием для низких частот. Комнатных резонансов в таком помещении на частотах кратных размерам длинной стены никогда не возникнет и в расчет ее можно не принимать. Оговорку нужно сделать только для случая размещения акустической системы между верхними и нижними железобетонными опорами (но там нужно считать расстояние именно между ними). Поэтому в данном случае вычисление мнимой стены может использоваться только с целью оценки общих площади и объема помещения.

А вот в варианте "Первый оконный" эркер забирает на себя меньшую половину общей длины стены и с возможностью появления резонансов уже придется считаться. Какое соотношение сторон было в итоге выбрано расскажу в следующий раз, т.к. принять окончательное решение по этому вопросу возможно только с учетом планируемого размещения зрителей и аудио-видео техники, а это большой отдельный разговор.

Выполненные задачи:

1.4. Поднять материалы по акустике помещений, найти подходящие соотношения сторон помещения для строительства, характеристики

Предыдущие серии:

1. 2022 02 21: Старт проекта по самостоятельному созданию домашнего кинотеатра семейного формата