Стоячие волны в помещении.

Другое влияние параллельности стен на акустику помещения заключается в том, что прямоугольная комната представляет собой трехмерный резонатор.

В качестве одномерного резонатора можно себе представить узкую трубу, закрытую с двух сторон. Если возле одной из сторон поместить источник синусоидальных колебаний, то вдоль трубы со скоростью звука будет перемещаться синусоидальная звуковая волна, отражаясь от закрытых стенок.

Поместим возле другой стенки трубы микрофон. Изменяя частоту генератора, можно заметить, что при изменении частоты амплитуда звука, фиксируемая при помощи микрофона, то нарастает, то падает почти до нуля. То есть труба демонстрирует амплитудно-частотную характеристику, по виду напоминающую гребенку, причем каждый ее зубец представляет собой акустический резонанс. Резонанс образуется, если длина трубы кратна половине длины волны возбуждаемых колебаний. Это явление носит название гребенчатой фильтрации.

 

Прямоугольное помещение с физической точки зрения ведет себя точно так же, как закрытая с двух сторон труба. Разница лишь в том, что в трубе всего одно (аксиальное) направление распространения звуковых волн, тогда как в прямоугольном помещении их неисчислимое количество, причем во многих из них возникают акустические резонансы. Волны, создающие резонансы, подразделяют на три категории.

 

К первой категории относятся осевые (аксиальные) волны. Их подразделяют на три класса: продольные, поперечные и вертикальные. Звуковые волны каждого из этих классов отражаются только от двух противоположных стен (или от потолка и пола). Ко второй категории относятся касательные волны, которые распространяются, последовательно отражаясь от четырех стен. Последняя категория – так называемые косые волны, отражающиеся последовательно от всех шести ограждающих поверхностей.

 

Очевидно, что бороться с самим фактом возникновения резонансов в помещении тяжело, а зачастую и не нужно – если резонансы расположены в заданной полосе частот близко друг к другу и равномерно, то форма сигнала в этой полосе частот передается практически без искажений.

 

Физик-теоретик Филипп Морз вывел формулу для подсчета количества резонансных частот в заданном диапазоне частот в зависимости от объема и линейных размеров помещения. В упрощенном виде она выглядит следующим образом:

ΔN=(4πV/с3)·f2·Δf,(1)

где ΔN – количество резонансных частот; V – объем помещения; с – скорость звука; Δf – узкий диапазон частот; f – средняя частота данного диапазона[13]. Отсюда видно, что количество резонансов помещения, приходящихся на одну и ту же полосу частот, с понижением частоты существенно уменьшается.

 

Морз так же подсчитал, сколько в помещении должно быть резонансов в заданном интервале частот для того, чтобы без заметных искажений нести форму звука длительностью порядка 0,1 с. Результат его расчетов таков: в интервале Δf=10 Гц должно быть не менее 10 резонансов[14].

 

Подставляя эти данные в формулу, получим нижнюю граничную частоту помещения, ниже которой звучание будет заметно искажено (в не заглушенной комнате) вследствие удаленности резонансов друг от друга:

fН=1770/V1/2

С резонансами ниже данной частоты бороться необходимо, но тяжело. Как уже было указано, резонансы выше нижней граничной частоты данного помещения для формы звукового сигнала безопасны, если они расположены равномерно. Но проблема в том, что в большинстве помещений это условие не выполняется, и резонансные частоты распределены неравномерно и, что еще хуже, даже совпадают и «сливаются». В качестве простого примера можно привести помещение кубической формы, у которой совпадают собственные частоты во всех трех аксиальных направлениях. АЧХ такого помещения (если оно не заглушено) имеет совершенно недопустимые пики и провалы. Подобные проблемы возникают во всех помещениях с кратными линейными размерами. Наилучший же результат достигается в случае, если соотношения линейных размеров помещения соответствуют «золотому сечению»[15].

Борьба с вредными резонансами и излишней реверберацией помещения происходит в основном посредством заглушения комнаты пористыми материалами.

 

Расположение громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания.

 

Размещение громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания является правильным, когда

- в районе головы слушателя нет отражений, запаздывающих относительно начала прямого звука менее чем на 3 мс;

- неравномерность общей амплитудно-частотной характеристики стереопары громкоговорителей, вызванная их взаимодействием между собой и с помещением, минимальна.

Излучение двух источников звука, одновременно выдающих один и тот же сигнал, <воспринимается, как излучение одного кажущегося источника звука. Если один из источников излучает сигнал с меньшим уровнем громкости и/или с задержкой во времени 1…3 мс (большая задержка воспринимается, как эхо), то кажущийся источник звука смещается к другому источнику. На этом свойстве слуха основан стереофонический эффект[16].

Слух умеет не только объединять разные сигналы в один, но и разделять «нужные» и «не нужные» компоненты.

В данном случае речь идет о том, что слух может эффективно отделить сигнал фонограммы от добавившихся к нему в процессе воспроизведения отраженных сигналов. Но это произойдет лишь в том случае, если разность времени прихода прямого и отраженного сигналов составляет не менее 3 мс. Если эта величина будет меньше указанной, то прямой и отраженный звук вместе образуют новый кажущийся источник звука, что, естественно, приведет к искажению стереопанорамы, задуманной создателями фонограммы[17].

 

Поэтому громкоговорители должны быть установлены в комнате прослушивания так, чтобы длина пути звука от любого громкоговорителя до головы слушателя была минимум на 1 м меньше длины пути звука, включающего одно отражение от любой стены, пола или потолка.

 

Взаимодействие двух источников звука, излучающих один и тот же сигнал в одинаковой фазе, рассмотрел в своей работе американский акустик Е. Скучик. Он показал, что акустическая мощность, излучаемая одним из этих источников, зависит от расстояния между ними и длины излучаемой волны следующим образом:

 

N/N1=1+sin (k·d)/k·d, (2)

 

где N – мощность, излучаемая источником; N1 – мощность, которую источник излучал бы при отсутствии других источников; k=2π/λ - волновой вектор; d – расстояние между источниками[18].

Очевидно, что похожим образом себя ведет АЧХ излучаемого громкоговорителями сигнала. На графике видно два основных искажения: «горб» в районе kd<3 (то есть d<0,5λ) и «провал» в районе 3

Провал такой глубины может появиться из-за взаимодействия громкоговорителей между собой и еще тремя мнимыми источниками звука, которые являются отображениями этих громкоговорителей в боковых стенах и в полу[19]. Исключить действие мнимых источников посредством заглушения очень трудно, так как оно проявляется на самых низких воспроизводимых частотах. Но ими можно частично управлять, меняя расстояние от громкоговорителя до ближайших стен и пола.

Чтобы свести к минимуму провал, расстояния x до боковой стены, h до пола, y до задней стены и 0,5d следует выбрать не равными друг другу. Если задаться целью, чтобы максимум в районе kd=8 одной пары взаимодействующих источников приходился на минимум другой пары, то расстояния между источниками одной пары и другой должны соотноситься, как 1/1,7. Пример расстановки приведен на рисунке.

 

После того, как громкоговорители установлены в рассчитанное положение, соотношения между размерами необходимо уточнить, основываясь на оценке характера звучания басовых нот. Уточнение необходимо не только из-за приблизительности приведенного расчета. Есть еще такие неучтенные факторы, как, например, индивидуальная неравномерность АЧХ громкоговорителей, неоднородное распределение в комнате низкочастотных резонансов и т. п.

 

Относительно расположения слушателя в комнате прослушивания достаточно помнить следующие рекомендации.

Для адекватного восприятия стереопанорамы, заложенной в фонограмме, слушатель должен находиться на равном расстоянии от громкоговорителей стереосистемы, причем угол между ними (с вершиной у его головы) должен составлять от 50 до 70°. При смещении слушателя, например, влево, сигнал от правого громкоговорителя оказывается задержанным и стереопанорама смещается в сторону ближайшего громкоговорителя.

 

Для получения неискаженной АЧХ сигнала голова слушателя должна находиться на уровне высокочастотных динамиков громкоговорителей (обычно этот уровень выбирают порядка 90 см от пола, что соответствует расстоянию от пола до головы сидящего слушателя).

 

Иногда так же советуют слушателю находиться в зоне баланса амплитуд четных и нечетных продольных стоячих волн. Расчету положение этой зоны не поддается и ищется на слух.

 

 

Реверберация (позднелат. reverberatio — отражение, от лат. reverbero — отбрасываю), процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Воздушный объём помещения представляет собой колебательную систему с очень большим числом собственных частот. Каждое из собственных колебаний характеризуется своим коэффициентом затухания, зависящим от поглощения звука при его отражении от ограничивающих поверхностей и при его распространении. Поэтому возбуждённые источником собственные колебания различных частот затухают неодновременно. Р. оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении, т.к. слушатели воспринимают прямой звук на фоне ранее возбуждённых колебаний воздушного объёма, спектры которых изменяются во времени в результате постепенного затухания составляющих собственных колебаний. Влияние Р. тем более значительно, чем медленнее они затухают. В помещениях, размеры которых велики по сравнению с длинами волн, спектр собственных колебаний можно считать непрерывным и представлять Р. как результат сложения прямого звука и ряда запаздывающих и убывающих по амплитуде его повторений, обусловленных отражением от ограничивающих поверхностей.

 

Длительность Р. характеризуется т. н. временем реверберации, т. е. временем, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 106 раз, а его уровень на 60 дб. Время Р. — важнейший фактор, определяющий акустическое качество помещения (см. также Архитектурная акустика). Оно тем больше, чем больше объём помещения (или время свободного пробега звука) и чем меньше поглощение на ограничивающих поверхностях. Измеряют время Р., записывая процесс убывания уровня звука после выключения его источника; для этого применяются самописцы с логарифмической шкалой. Время Р. определяется по среднему наклону записанной на ленте уровнеграммы.

 

Р. называется также послезвучание, наблюдаемое в море в результате отражения и рассеяния исходного звука от дна (донная Р.), взволнованной поверхности (поверхностная Р.) и неоднородностей водной среды, рыб и др. биологических объектов (объёмная Р.).