Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування

10

Акустика — основні поняття

Якщо в пружному середовищі, яким є повітря, яке-небудь тіло здійснює коливання, то від нього починають розходитися чергуються шари ущільнення і розрідження. Вони називаються звуковими хвилями і являють собою поздовжні коливання частинок середовища, тобто частинки коливаються в напрямку поширення хвилі.

Хвильова поверхня (фронт хвилі) – це геометричне місце точок середовища, що коливаються в однакових фазах.

Звуковий промінь – це лінія, в кожній точці співпадає з напрямком поширення хвилі. В однорідному ізотропному середовищі звуковий промінь є прямою лінією, перпендикулярною до хвильової поверхні.

Швидкість поширення звукової хвилі V – відстань, яке за одиницю часу проходить будь-яка точка хвильової поверхні. Швидкість поширення звукових хвиль в газі прямо пропорційна кореню квадратному абсолютної температури газу.

Довжиною хвилі λ називається відстань між двома найближчими точками середовища, що хитаються зі зсувом фаз Δφ=2π.

Період коливання Т – час, за яке джерело здійснює одне повне коливання.

Частотою коливання f називається число повних коливань, що здійснюються за одиницю часу.

Важливою характеристикою звуку є його спектр, що отримується в результаті розкладу звуку на прості гармонічні коливання. Спектр буває суцільний, коли енергія звукових коливань безперервно розподілена в більш чи менш широкій області частот, і лінійчатий, коли існує сукупність дискретних частотних складових.

У чергуються шарах стиснення і розрідження середовища відбувається зміна тиску в порівнянні з атмосферним (статичним) тиском. У моменти стиснення відбувається зміна у бік збільшення тиску, в моменти розрідження – у бік зменшення.

Звуковим тиском називається величина, приблизно рівна (при гармонічному коливанні) 70% від максимальної різниці між статичним тиском і тиском, створюваним звуковими коливаннями. Звуковий тиск вимірюється в н/м2 (або, що те ж саме, Па).

Звуковий тиск в даній точці убуває пропорційно збільшенню відстані точки до джерела.

Акустика приміщень

Одним з найважливіших елементів шляху звуку від аудионосителя до вуха слухача є кімната прослуховування. Про це нерідко забувають, так як приміщення не входить в сферу інтересів виробників звуковідтворювальної техніки, а значить, не стає об’єктом реклами. Тим не менш, кімната здатна кардинально змінити звучить у неї музику – вбити всі деталі власним «гудінням» або, навпаки, надати звучанню просторовість і легкість.


Елементи геометричної акустики

Елементи геометричної акустики
При програванні аудіозаписи звукові хвилі від різних джерел звуку поширюються в приміщенні. Зустрічаючись з поверхнями приміщення, звукова енергія частково відбивається від цих поверхонь, частково поглинається матеріалом перешкоди (переходячи в теплову енергію) і частково може пройти крізь перешкоду, проникаючи в сусіднє приміщення. Закони відбивання і заломлення звукових променів аналогічні законам геометричної оптики. Кількісно відображена, поглинена і пройшла крізь перешкоду частина звукової енергії визначається відповідними коефіцієнтами.

Якщо Епад – енергія звуку, падаючого на цю перепону, а Еот – енергія відбитого звуку, то коефіцієнт відображення
β=Еот/Епад

Якщо Епр – енергія звуку, що пройшов крізь перешкоду (з приміщення 1 в приміщення 2), то коефіцієнт звукопровідності
γ=Епр/Епад

Так як енергія, що втрачається в приміщенні 1, при відбитті від стіни складається з енергії, що поглинається матеріалом стіни Епогл і енергії, що пройшла крізь стіну, то коефіцієнт поглинання
α=(Епогл+Епр)/Епад

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування

З викладеного ясно, що α+β=1.

При відображенні від увігнутої поверхні може статися фокусування відбитих променів з утворенням уявного джерела звуку в точці S’, в якій збільшується густина звукової енергії. Опуклі поверхні сприяють розсіюванню відбитої звукової енергії, часто сприяючи цим забезпечення рівномірної чутності у всіх точках приміщення. Увігнуті поверхні допустимі лише з дуже малим (не більше 40 см) або дуже великим (більше ніж у 4 рази перевищує довжину приміщення) радіусом кривизни. При відображенні звуку від плоскій поверхні також утворюється уявний джерело, але більш слабкий.

Пористі матеріали

В пористих матеріалах речовина заповнює невелику частину загального обсягу. Основний обсяг складають численні пори, канали і порожнини, які відкриті назовні і повідомляються між собою. Такими матеріалами є повсть, бавовняна і скловолоконна вата, килими, спеціальна акустична штукатурка тощо

Теорія поглинання звуку пористими матеріалами була розроблена вперше більш 100 років тому Дж. Ст. Стреттом (лордом Релея). Вона побудована на постулаті, що в пористих матеріалах існують сили в’язкості, що перешкоджають проходженню повітря через пори, за рахунок чого речовина відбирає частину кінетичної енергії вагається частинок повітря, перетворюючи її в тепло. Згідно цієї теорії, поглинаючі властивості пористих матеріалів залежать від в’язкості і щільності повітря, радіуса та кількості часу на одиницю поверхні, а при використанні матеріалу в якості покриття твердої стіни – від товщини шару, точніше від відстані між ним і твердою стіною. Чим менше радіус пор і чим їх більше, тим краще поглинаються високі частоти. Поглинач цього типу ефективний тільки на тих частотах, на яких коливаються в звуковій хвилі частинки повітря пронизують пористий матеріал. Безпосередньо у твердій стіни коливальна швидкість частинок повітря дорівнює нулю, тому товщину поглинача (або відстань між ним і стіною) вибирають рівної як мінімум чверті довжини хвилі поглинутого звуку.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
Коефіцієнти поглинання найбільш часто використовуваних в архітектурній акустиці матеріалів

Пурхає ехо

У переважній більшості випадків кімната має форму прямокутного паралелепіпеда. З точки зору акустики це далеко не ідеальний варіант. Якщо існують дві паралельні поверхні, що відбивають, (а в акустично необробленому, не заглушеному приміщенні таких пар поверхонь три – протилежні стіни і підлогу зі стелею), то при появі звукового сигналу звук, відбитий однією поверхнею, повертається до іншого, відбивається від неї, і починає кидатися, як би пурхати між ними, поступово затухаючи. Тому таке відлуння називають порхающим, або флаттер-луною. Якщо слухач перебуває на однаковій відстані від обох поверхонь, що відбивають, то ехо-сигнали повторюються з інтервалами, рівними часу пробігу звуку між двома поверхнями (2 рази по 1/2 часу пробігу). Якщо ж слухач розташовується поблизу однієї з поверхонь, період повторення ехо-сигналів буде дорівнює подвоєному часу пробігу.

Вухо людини надзвичайно чутливо до всіх повторюваних до всіх періодично повторюваних процесів. Якщо період повторення ехо-сигналів невеликий і становить менш 20 мс (частота проходження 50 Гц і вище), то сприймається звук набуває характер тони. У таких випадках говорять про звучанні «як з бочки» при низькій частоті проходження відбиттів і про «металевому звучанні» при високій частоті. Таке забарвлення звучання спостерігається не тільки на короткочасних, але й на тривалих сигналах (вокальне виконання, тривалі ноти тощо).

Стоячі хвилі в приміщенні

Інше вплив паралельності стін на акустику приміщення полягає в тому, що прямокутна кімната являє собою тривимірний резонатор.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування

Як одновимірного резонатора можна собі уявити вузьку трубу, закриту з двох сторін. Якщо біля однієї із сторін помістити джерело синусоїдальних коливань, то вздовж труби зі швидкістю звуку буде переміщатися синусоїдальна звукова хвиля, відбиваючись від стінок закритих

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
Помістимо біля іншої стінки труби мікрофон. Змінюючи частоту генератора, можна помітити, що при зміні частоти амплітуда звуку, що фіксується за допомогою мікрофона, то наростає, то падає майже до нуля. Тобто труба демонструє амплітудно-частотну характеристику, за виглядом нагадує гребінку, причому кожен її зубець являє собою акустичний резонанс.

Резонанс утворюється, якщо довжина труби кратною половині довжини хвилі порушуваних коливань. Це явище носить назву гребінцевої фільтрації.

Прямокутне приміщення з фізичної точки зору веде себе точно так само, як закрита з двох сторін труба. Різниця лише в тому, що в трубі всього одне (аксіально) напрям поширення звукових хвиль, тоді як у прямокутному приміщенні їх незліченна кількість, причому в багатьох з них виникають акустичні резонанси. Хвилі, що створюють резонанси, підрозділяють на три категорії.

До першої категорії відносяться осьові (аксіальні) хвилі. Їх підрозділяють на три класи: поздовжні, поперечні і вертикальні. Звукові хвилі кожного з цих класів відображаються тільки від двох протилежних стін (або від стелі та підлоги). До другої категорії відносяться дотичні хвилі, які поширюються, послідовно відбиваючись від чотирьох стін. Остання категорія – так звані косі хвилі, відбиті послідовно від всіх шести огороджувальних поверхонь.

Очевидно, що боротися з самим фактом виникнення резонансів у приміщенні важко, а часто й не потрібно – якщо резонанси розташовані в заданій смузі частот близько один до одного і рівномірно, то форма сигналу в цій смузі частот передається практично без спотворень.

Фізик-теоретик Філіп Морз вивів формулу для підрахунку кількості резонансних частот в заданому діапазоні частот в залежності від обсягу і лінійних розмірів приміщення, звідки видно, що кількість резонансів приміщення, що припадають на одну і ту ж смугу частот, з пониженням частоти суттєво зменшується.

Морз так само підрахував, скільки в приміщенні повинно бути резонансів в заданому інтервалі частот для того, щоб без помітних спотворень нести форму звуку тривалістю близько 0,1 с. Результат його розрахунків такий: в інтервалі Δf=10 Гц повинно бути не менше 10 резонансів.

Як вже було зазначено, резонанси вище нижньої граничної частоти даного приміщення для форми звукового сигналу безпечні, якщо вони розташовані рівномірно. Але проблема в тому, що в більшості приміщень ця умова не виконується, і резонансні частоти розподілені нерівномірно і, що ще гірше, навіть збігаються і «зливаються». В якості простого прикладу можна привести приміщення кубічної форми, у якій збігаються власні частоти у всіх трьох аксіальних напрямках. АЧХ такого приміщення (якщо воно не приглушене) має абсолютно неприпустимі піки і провали. Подібні проблеми виникають у всіх приміщеннях з кратними лінійними розмірами. Найкращий результат досягається у випадку, якщо співвідношення лінійних розмірів приміщення відповідають «золотому перетину».

Боротьба з шкідливими резонансами і зайвої реверберацією приміщення відбувається в основному за допомогою вимкнення кімнати пористими матеріалами.

Розташування гучномовців і слухача в кімнаті прослуховування.

Розміщення гучномовців і слухача в кімнаті прослуховування є правильним, коли
— в районі голови слухача немає відбиттів, запізнілих щодо початку прямого звуку менш ніж на 3 мс;
— нерівномірність загальної амплітудно-частотної характеристики стереопари гучномовців, викликана їх взаємодією між собою і з приміщенням, мінімальна.

Випромінювання двох джерел звуку одночасно видають один і той же сигнал, <сприймається, як випромінювання одного уявного джерела звуку. Якщо один з джерел випромінює сигнал з меншим рівнем гучності і/або з затримкою в часі 1…3 мс (бо?більша затримка сприймається, як луна), то удаваний джерело звуку зміщується до іншого джерела. На цій властивості слуху заснований стереофонічний ефект.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
Розташування гучномовців і слухача в кімнаті прослуховування

Слух вміє не тільки об’єднувати різні сигнали в один, але і розділяти «потрібні» і «непотрібні» компоненти.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
В даному випадку мова йде про те, що слух може ефективно відокремити сигнал фонограми від добавившихся до нього в процесі відтворення відбитих сигналів. Але це відбудеться лише в тому випадку, якщо різниця часу приходу прямого і відбитого сигналів становить не менше 3 мс. Якщо ця величина буде меншою від зазначеної, то прямий і відбитий звук разом утворюють новий уявний джерело звуку, що, природно, призведе до спотворення стереопанорамы, задумана творцями фонограми.

Тому гучномовці повинні бути встановлені в кімнаті прослуховування так, щоб довжина шляху звуку від будь-якого гучномовця до голови слухача була мінімум на 1 м менше довжини шляху звуку, що включає одне віддзеркалення від будь-якої стіни, підлоги або стелі.

Взаємодія двох джерел звуку, випромінювальних один і той же сигнал в однаковій фазі, розглянув у своїй роботі американський акустик Е. Скучик. Він показав, що акустична потужність, випромінювана одним з цих джерел, залежить від відстані між ними і довжини випромінюваної хвилі.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
Очевидно, що подібним чином поводиться АЧХ випромінюваного гучномовцями сигналу. На графіку видно два основних спотворення: «горб» в районі kd<3 (тобто d<0,5 λ) і «провал» в районі 3
Провал такої глибини може з’явитися із-за взаємодії гучномовців між собою і ще трьома уявними джерелами звуку, які є відображеннями цих гучномовців в бічних стінах і в підлозі]. Виключити дію уявних джерел допомогою вимкнення дуже важко, так як воно проявляється на найнижчих відтворюваних частотах. Але ними можна частково керувати, змінюючи відстань від гучномовця до найближчих стін та підлоги.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
Щоб звести до мінімуму провал, відстані x до бічної стіни, h до підлоги, y до задньої стіни і 0,5 d слід вибрати не рівними один одному. Якщо задатися метою, щоб максимум в районі kd=8 однієї пари взаємодіючих джерел припадав на мінімум іншої пари, то відстані між джерелами однієї пари і інший повинні співвідноситися, як 1/1,7. Приклад розстановки наведений на малюнку.

Після того, як гучномовці встановлені у розраховане положення, співвідношення між розмірами необхідно уточнити, ґрунтуючись на оцінці характеру звучання басових нот. Уточнення необхідно не тільки з-за приблизності наведеного розрахунку. Є ще такі невраховані фактори, як, наприклад, індивідуальна нерівномірність АЧХ гучномовців, неоднорідний розподіл в кімнаті низькочастотних резонансів і т. п.

Щодо розташування слухача в кімнаті прослуховування досить пам’ятати такі рекомендації.

Акустика приміщень, як важливий фактор якісного звуковідтворення і прослуховування
Спотворення стереоефекту

Для адекватного сприйняття стереопанорамы, закладеної у фонограмі, слухач повинен знаходитися на однаковій відстані від колонок стереосистеми, причому кут між ними (з вершиною біля його голови) повинен складати від 50 до 700. При зсуві слухача, наприклад, вліво, сигнал від правого гучномовця виявляється затриманим і стереопанорама зміщується в бік найближчого гучномовця.

Для отримання неспотвореної АЧХ сигналу голова слухача повинна знаходитися на рівні високочастотних динаміків гучномовців (зазвичай цей рівень вибирають близько 90 см від підлоги, що відповідає відстані від підлоги до голови сидячої слухача).

Іноді так само радять слухачеві перебувати в зоні балансу амплітуд парних і непарних поздовжніх стоячих хвиль. Розрахунком положення цієї зони не піддається і шукається на слух.