Lekcja 2. Niektóra teoria

W zeszłym artykule my, w ogóle, omówiły cele i zadania prawdziwego cyklu płci i zatrzymały się, w szczególności, na pytaniu wyboru pomieszczenia pod przyszłe studio i jego poprzedniego przygotowania. Ale nim przystępować do późniejszego referowania materiału, musimy zatrzymać się na niektórych teoretycznych pytaniach, bez rozpatrzenia których późniejsze omawianie «obok studyjnych» problemów może okazać się nie przekonywającym i nawet trudnym. Przecież dalej wszystko częściej będziemy zażywały takie pojęcia, jak «faza», «czas rewerberacji», «mody», «stojące fale» i t.d. Jestem pewny, że większości czytaczy to wszystko dobrze wiadomo. Jednak, wspomnieć jeszcze raz albo prosto uściślić mianownictwo nie przeszkodzi. Co więcej, wykorzystanie tych wiedz może być pożytecznym i w powszedniej pracy inżynierów dźwięku. Przecież, na przykład, niekiedy podczas zapisu, nim chwytać się za rączki equalizera, wystarczy po prostu przestawić mikrofon i/albo muzyczny instrument w inne miejsce tegoż samego pomieszczenia; i ta metoda jednoznacznie będzie możliwą do przyjęcia, aniżeli equalizacja. Ale – o wszystko po kolei.

Dźwiękowa fala

Co że jest dźwiękowa fala? Dźwięk składa się z mnóstwa lokalnych zmian gęstości powietrza, które faliste rozpowszechnią się w powietrznym środowisku z określoną szybkością, nazywaną szybkością dźwięku. Przy zwyczajnej pokojowej temperaturze szybkość dźwięku składa blisko 340 metrów na sekundę, a znikome odchylenia w szybkości dźwięku zależą głównie od temperatury powietrza. Należy również wyróżnić, że na wszystkiej częstości dźwiękowa fala rozpowszechnia się praktycznie z jednakową szybkością. Szybkość dźwięku zarysowuje się w formułach symbolem “c”.

Рисунок 1. Звуковая волна синусоидальной формы.   В  -   точка наивысшего давления;   D  -   точка максимального разрежения;   A-C - полуцикл давления;   C-D - полуцикл разрежения

Rysunek 1. Dźwiękowa fala sinusoidalnej formy. В – punkt najwyższej presji; D – punkt maksymalnego rozcieńczenia; A-C – półcykl presji; C-D – półcykl rozcieńczenia

Jednymi z głównych charakterystyk dźwiękowej fali są jej długość (która określa się ilością okresów/cykli zmiany presji za jednostkę czasu), amplituda (maksymalna różnica między najwyższą i najniższą presją wewnątrz jednego cyklu), forma fali i t.d.

Odległość, którą dźwiękowa fala idzie z szybkością dźwięku za jeden cykl na określonej częstości, nazywa się długością fali. Pod pełnym cyklem jest brany pod uwaga podwyżka presji powietrza, przechodzenie jego przez punkt największej presji, potem poniżenie presji, przechodzenie przez «zerowy znak», późniejsze poniżenie presji z przechodzeniem przez punkt maksymalnego rozcieńczenia, a potem podwyżkę presji do wyjściowej wielkości. Więc, jeden cykl włącza dwa pół cykly: pół cyklu presji i pół cyklu rozcieńczenia (patrz rysunek 1). Długość fali mierzy się w metrach (decymetrach, centymetrach), a w formułach zarysowuje się symbolem “λ” (lambda).

Ilość pełnych cykli zmiany presji za jednostkę czasu nazywa się częstością. Częstość dźwiękowej fali mierzy się w ilości pełnych cykli za sekundę, a mianowicie – w hercach. W formułach częstość zarysowuje się symbolem “f”.

Między długością fali, częstością i szybkością dźwięku istnieje związek wzajemny, który określa się prostą formułą λ = c/f. Innymi słowami, długość fali dorównuje szybkości dźwięku rozdzieloną na częstość. Na przykład, nam trzeba wyznaczyć długość fali na częstości 100 Hz. Nadstawiamy znaczenia do formuły. Wychodzi: λ = 340 : 100 = 3,4 metry. A byle nie udawać się stale do formuły, można dosyć szybko sporządzić sobie niewielką tablicę, że odzwierciedla współzależność częstości do długości fali.

Rozpowszechnienie dźwiękowej fali i faza

Jak że odbywa się rozpowszechnienie dźwiękowej fali w pomieszczeniu?

Rozpowszechniając się w pomieszczeniu ze swojego źródła (głośnika, muzycznego instrumentu, i t.d.) dźwiękowa fala rozszerza się dopóki ona nie osiągnie ostatecznych powierzchni tego pomieszczenia: ścian, podłogi, sufitu. Co odbywa się dalej, wspominaliśmy już w poprzednim artykule.

Rysunek 2. Fala sinusoidalna; amplituda i faza. Jeśli długość obwodu koła dorównuje jednemu cyklowi sinusoidy (odległość od A do E), to w miarę obiegu radialna linia tego koła będzie pokazywała kąt, który odpowiada znaczeniu fazy sinusoidy w konkretnym punkcie

Pryzpomnę: część energii dźwiękowej fali (zwłaszcza w diapazonie niskoj częstości) idzie przez ściany, część chłonie się wewnątrz ścian, a część odbija się wstecz do wewnątrz pomieszczenia. W różnej mierze wszystkie trzy rodzaje podziału dźwiękowej energii są obecne praktycznie we wszystkich wypadkach. Ale tu zatrzymamy się na ostatnim wypadku.

Odparta dźwiękowa fala, straciwszy część energii, zmieni kierunek i będzie rozpowszechniać się dopóki nie osiągnie innych powierzchni pomieszczenia, od których ona znów zaciąży, straciwszy jeszcze część energii, i tak dalej. Tak będzie trwał dopóki energia dźwiękowej fali ostatecznie nie zagaśnie. Jeśli, na przykład, w pustym pomieszczeniu włączyć parę głośników, to dźwięk od nich zacznie zderzać się z powierzchniami pomieszczenia i przenosić się po bardzo skomplikowanej trajektorii. Na słuch to będzie postrzegało się tak: najpierw usłyszymy prosty dźwięk bezpośrednio od głośników, potem kilku milisekund do prostego dźwięku «wkroczą» pierwsze (i najsilniejsze) odzwierciedlenia od powierzchni, a jeszcze przez jakiś czas tych odzwierciedleń (chociaż o wiele słabszych) będzie duża ilość. Właściwie, ich my i nazywamy rewerberacją. A propos, dyspersja dźwiękowej energii w pomieszczeniu jest przekształceniem jej w zasadzie na cieplną energię zza oporu powietrza i wskutek każdej kolizji z powierzchniami ścian. Czy nie dlatego w studiach z dobrym dźwiękochłonnym często bywa tak gorąco?

Ale przedtem rozpatrzymy «zachowanie» wczesnych odzwierciedleń i efekty, które oni wytwarzają. Przy kolizji dźwiękowej fali z powierzchnią ona częściowo odbija się pod tymże kątem, pod którym ona upada na tę powierzchnię, ale faza dźwiękowej fali przy tym nie zmienia się. Co jest faza? Wyobraźmy sobie koło, długość obwodu której dorównuje odległości między ciapkami A i E (rysunek 1 i 2); innymi słowami, dorównuje długości fali na pewnej częstości. Po mierze «obiegi» tego koła jego radialna linia w każdym oddzielnie wziętym miejscu synusoidy będzie znajdowała się na pewnej narożnej odległości od początkowego punktu, co i będzie znaczeniem fazy w każdej takiej cętce. Fazę mierzą w stopniach, płynnie – w radianach. Jeden radian – to kąt, przy którym koło «odwróciło się» na długość swojego promieniu. Dlatego:

Рисунок 3. Фазовая зависимость отражённых волн. Звуковые волны на разных частотах (а, значит, и  разной длины), излучаемые источником звука с одной и той же фазой, после прохождения одинакового расстояния достигают поверхности с разной фазой

Rysunek 3. Fazowa zależność odpartych fal. Dźwiękowe fale na różnej częstości (to oznacza różnej długości), że promieniują źródłem dźwięku z jedną i tąż fazą, po przechodzeniu jednakowej odległości osiągają powierzchni z różną fazą

360° = 2π radiana

(innymi słowami, długość koła jest równa 2π pomnożone na znaczenie promieniu)

Stąd

1 radian = 360° / 2π = w przybliżeniu 57,3°

Większości z nas wiadomo, że zmiana fazy na 180о naprowadza do zmiany polarity. Dlatego, jeśli pomieszać dwa sygnały jednakowej częstości i amplitudy, ale nie zbieżne na 180о po fazie, to te sygnały będą nawzajem się zgasać. Skręt fazy sygnału na 360о albo 720о dorównuje odpowiedniej ilości pełnych cykli, a to oznacza nawrót do zerowego znaczenia fazy.

Więc, już mówiliśmy, że przy kolizji dźwiękowej fali z powierzchnią faza dźwiękowej fali nie zmienia się. Również wyjaśniliśmy, że między odległością, którą minęła dźwiękowa fala, i fazą istnieje zależność. A to oznacza, że osiągnięwszy ostatecznej powierzchni faza dźwiękowej fali zależy od odległości ze źródła dźwięku do powierzchni i od częstości tej dźwiękowej fali. Na rysunku 3 można zobaczyć, jak fale z różną częstością, rozszerzane ze jednego źródła, dochodzą do odbijącej powierzchni z różną fazą. Fazę odpartej dźwiękowej fali można obliczyć z sumarycznej odległości, którą minęła fala ze swojego źródła do ostatecznej powierzchni i wstecz. Jeśli ta sumaryczna odległość, rozdzielona na długość fali, daje całą liczbę, to faza fali na początku i w końcu swojej drogi zbiega się.

Mody i rezonansy

Gdy dwie ostateczne powierzchnie są obocznymi, dźwiękowa fala odbija się od jednej z nich w kierunku innej, potem znów w odwrotnym kierunku, i tak wielokrotnie dopóki nie rozproszy się jej energia. I jeśli odległość między ostatecznymi powierzchniami – ze źródła dźwięku do pierwszej powierzchni, potem do drugiej powierzchni i wstecz do źródła – jest krotną długości fali, to fala, że powraca, będzie taką samą po fazie, co i wyciekająca fala. Wskutek ich współdziałania energia dźwiękowej fali na tej częstości będzie nasilała. To zjawisko nazywa się rezonansem. Rezonansy mogą powstawać również wskutek odzwierciedlenia od mnóstwa powierzchni. Główne w tym, byle dźwiękowa fala wreszcie powracała do punktu wyjścia z tąż fazą, z którą ona była w moment promieniowania. Ciężko przedstawić, ile możliwych kombinacji, że rodziły rezonansy, mogą być w najzwyczajniejszym pomieszczeniu.

Pewne z takich odzwierciedleń znów i znów idą wstecz i naprzód po jednej i tejże trasie i stają się rezonansowymi modami. Istnieją trzy główni rodzaje rezonansowych mód, które są skłonne do narastania i samo wzmacnianiu. Osiowe mody istnieją między dwiema obocznymi powierzchniami i rozpowszechniają się równolegle do innych czterem powierzchniam jakiegokolwiek pomieszczenia w formie równoległościanu (cztery ściany, sufit i podłoga). Tangencjalne (styczne) mody «chodzą» po kole, dotycząc czterech powierzchni, i zostają obocznymi do dwóch ostatnim powierzchniom. Skośne (pochyłe) mody «hulają» między wszystkimi sześciu powierzchniami pokoju i nie rozpowszechniają się równolegle żadnej z ich.

Jeśli wyobrazimy, że w pomieszczeniu nic nie chłonie energię dźwiękowej fali, to krótki szerokopasmowy impuls ze źródła dźwięku będzie rozpowszechniał się w pomieszczeniu nieprzewidywalnie. Dźwiękowa fala będzie rozpowszechniała się po bardzo licznym trasam, ale nasilać będzie tylko ta częstość i na tych trasach, które odpowiadają rezonansowej częstości, a wszystkie inne szybko zagasną. W wyniku otrzymamy dźwiękowe pole, które będzie sumą podnieconych rezonansów. Te rezonansowe kierunki nazywają się przyrodniczymi modami pomieszczenia, a rezonansowa częstość – przyrodniczą częstością pomieszczenia (aygentonami). Przyrodnicze mody i przyrodnicza częstość pomieszczenia określają się tylko jego geometrycznymi rozmiarami i właściwościami.

W poprzednim akapicie naumyślnie rozpatrzyliśmy wypadek, kiedy wewnątrz pomieszczenia nieobecne pochłanianie dźwięku. Zrobiono to było po to, żeby jaśniej zademonstrować powstanie przyrodniczych mód i przyrodniczej częstości pomieszczenia. Jeśli że powierzchnie pomieszczenia mają dźwiękochłonne właściwości, to rezonansowe mody nadal istnieją, jednak energia dźwiękowej fali zagasa szybciej, i szybkość tego zagasania zależy od miary dźwiękochłonnej właściwości. Dla podtrzymania w dźwiękochłonnym pomieszczeniu poziomu dźwięku na zadanym znaku, źródło dźwięku musi stale generować dźwięk na poziomie, który zależy jak od obecności w pomieszczeniu podnieconych rezonansowych mód, tak i od miary dźwiękochłonnej właściwości powierzchni pomieszczenia.

Jeśli w dźwiękochłonnych umowach źródło dźwięku wydaje krótki samotny sygnał, to naprowadza do podniecenia wieloliczebnych tras jego ruchu. Ale przez krótki czas «pozostają przy życiu» tylko rezonansowe mody, a pomieszczenie przedłuża pewny czas «buczeć» na rezonansowej częstości dopóki mody nie zagasną w całości. A propos, czas, za który energia dźwiękowej fali zagasa na 60 dB w stosunku do swojego wyjściowego poziomu, nazywa się czasem rewerberacji. Mierzy się czas rewerberacji jak średnia szybkość zagasania dźwięku w pomieszczeniu z momentu drastycznego przerywania pracy stalego źródła dźwięku. Dokładniej o czasie rewerberacji – trochę później.

W miarę zwiększenia miary dźwiękochłonnej powierzchni pokoju poziom dźwięku na rezonansowej częstości upada, a «pasmo częstości» każdej mody (diapazon częstości, w którym mody mogą mniej więcej podniecać się) powiększa się. I jeżeli wyobrazić sobie przypadek, że powierzchni ścian mają sto procent pochłaniania dźwięku (np. bezechowe kamery), wtedy nie będzie nawet pierwszych odzwierciedleń fal dźwiękowнych. A jeśli tak, znikają i trasy tych odzwierciedleń, a to znaczy, że mody przestają istnieć.

Wychodzi tak, że znaczna część tego artykułu będzie poświęcona modom, rezonansom i ich podziałowi w pomieszczeniu. I to nie zadziwiająco, ponieważ właśnie oni w zasadzie i określają akustyczne właściwości jakiegokolwiek pomieszczenia. A wymagania do studyjnych pomieszczeń w tym sensie są bardzo wysokimi. Gdy w pomieszczeniu rozszerzają się dźwięki, na przykład, mowa albo muzyka, poziom nieprzerwanych składających brzmienia zależy od tego, czy zbiegają się oni z jakimikolwiek podnieconymi rezonansami pomieszczenia czy nie. A impulsowe składające brzmienia już potem, jak znika sam impulsowy sygnał, «zwisają» na rezonansowej częstości. To może okazywać się pod postacią nie wybredności wokalistyki, bębnów, nie pożądanej barwy brzmienia instrumentów i tak dalej, że w studiach, delikatnie mówiąc, nie wita się.

Temat, który teraz zaczepiliśmy, dalej będziemy poszerzały po chodzie naszej opowieści. W którym by kierunku nie poruszaliśmy się w poszukiwaniu dróg stworzenia dostojnej akustyki studyjnych pomieszczeni, nasze zadanie będzie zawsze sprowadzało się do konieczności przytłoczenia rezonansu pomieszczeni. Właśnie tak zmożemy domagać się tego, byle pomieszczenia posiadały potrzebnym nam poziomem «muzykalności» i w całości odpowiadały naszym celom. Koniec końcem, musimy domagać się takiego brzmienia, które by nas załatwiało i nie określało się przewagą własnej rezonansowej częstości pomieszczenia. Samymi oczywistymi tu nadarzają dwa kierunki. Po pierwsze, to warianty zmiany geometrii pomieszczeni; w tym wypadku możemy postawić pod swoją kontrolę trajektorię rozpowszechnienia fal, to znaczy – i rezonansowe mody, i ich częstość. Po drugie, zażywanie dźwiękochłonnych konstrukcji; to pozwoli nam domagać się kontroli jak nad poziomem odzwierciedleń, tak i nad rozpowszechnieniem dźwiękowych fal tych częstości, które wzmacniają energię konkretnych mód.

Dlatego proponuję dalej rozpatrzyć efekt geometrycznej konfiguracji pomieszczeni, wpływ dźwiękochłonnych konstrukcji, a także częstotny podział naturalnych rezonansów pomieszczenia.

Geometryczna konfiguracja pomieszczeni

Efekt geometrycznej konfiguracji pomieszczenia polega na zmianie kątów między ścianami, zmianie ich rozmiaru i ilości, a także w zmianie proporcji wśród rozmiarów ścian. Z poprzedniej opowieści nam już jasno, że geometrycznie oboczne powierzchni sprzyjają powstaniu osiowych mód.

Rysunek 3. Fazowa zależność odpartych fal. Dźwiękowe fale na różnej częstości (to oznacza różnej długości), że promieniują źródłem dźwięku z jedną i tąż fazą, po przechodzeniu jednakowej odległości osiągają powierzchni z różną fazą

Z całego całoksztaltu rezonansowych mód (osiowych, tangencjalnych i skośnych) właśnie osiowe mody kosztem odzwierciedleń między obocznymi ścianami sprzyjają powstaniu najsilniejszych rezonansów. Pojęcie oboczności w akustycznym i geometrycznym sensie słowa – różne, i pojęcie akustycznej oboczności zależy nie tylko od geometrycznej oboczności, ale i od częstości odbijanej między powierzchniami dźwiękowej fali. To pytanie dobrze jest oświetlone w książce Philipa Newella “Recording Spaces”, a rozważania autora na ten temat naprowadzają się niżej.

«Na rysunku 4 pokazano dwie ściany, że odbijają, długością po 10 metrów z odległością między nimi też do 10 metrów. Oni są oboczne geometryczne, a dlatego są równolegle i akustycznie na wszystkich częstościach. Bawełna do dłoni w cętce X rodzi dźwięk, że zawiera bardzo dużo częstości, i ten dźwięk będzie rozpowszechniał się ze źródła na wszystkich kierunkach. Fale, uderzające się w ciapkach Y i Z, będą odbijały się wstecz, przechodząc przez pozycję źródła «hulając» tam i z powrotem wzdłuż linii Y-X-Z. Częstości, długość fal których jest krotna odległości między ciapkami Y i Z, będą iść po dodatnich i negatywnych dzidach presji w tych pozycjach w pomieszczeniu, które zbiegają się po każdym odzwierciedleniu. Oni będą podniecali rezonansowe mody, które mocno wzmacniają jeden jednego i które odczuwają się na słuch, z reguły, w jakichś oddzielnych punktach pomieszczenia, nie okazując się przy tym w innych miejscach. Obraz uszczelniania stojącej fali (o to, co jest stojąca fala, porozmawiamy niżej – A.K.) na częstości 70 Hz pokazana na rysunku 5. Jasne działki – to obwody rozcieńczenia, w których rezonans na częstości 70 Hz na słuch postrzegać się nie będzie, a ciemne działki – to obwody zwiększenia presji, w których 70-hercowa składowa dźwięku będzie wyraźnie okazywała się.

A teraz zmienimy kąt położenia ścian jak pokazano na rysunku 6, gdy koniec jednej ściany przysunął się do innej ściany na 1,5 metry. W tym wypadku będziemy miały dwie ściany z predyspozycją blisko 15о po stosunku jeden do jednego. Teraz bawełna do dłoni w cętce X też zrodzi falę, że idzie w kierunku cętki Y, która w odpartym wyglądzie wróci do punktu źródła i przedłuży swoją drogę do cętki Z. W tą że cętkę Z będzie skierowana i prosta fala. I prosta, i odparta fale zaciążą w cętce Z, ale już nie w kierunku cętki Y, w razie jak geometryczne obocznymi ścianami, a w kierunku cętki F. Potem oni zaciążą w kierunku cętki G, a potem – w kierunku cętki H. W odróżnieniu od wypadku z geometryczne obocznymi ścianami, pokazanego na rysunku 4, w tym wypadku człowiek, który stoi w cętce X, nie będzie słyszał echa z jazgotem, a duża część rezonansowej energii mód pomieszczenia będzie odbijał się tangencjalne «idąc» w pomieszczeniu po bardziej skomplikowanej drodze. Jednak podczas gdy wysokie częstości będą odbijały się po trasie Y-Z, Z-F, F-G, G-H, osiowe mody na niskiej częstości, u których długość fali jest dosyć duża, mogą nadal przejawiać swoją «przeżywalność». Stąd wycieka, że na niskiej częstości ściany nadal przedłużają zostawać się akustyczne obocznymi.

Рисунок 5. Величина поля давления, возникающего от точечного источника, расположенного между стенами, показанными на рисунке 4

Рисунок 5. Величина поля давления, возникаю-щего от точечного источника, расположенно-го между стенами, показанными на рисунке 4

Na rysunku 7 jest pokazany obraz podziału gęstości stojącej fali na częstości 70 Hz dla wypadku, zademonstrowanego na rysunku 6. Ten obraz zadziwiająco jest podobny do tego, który był pokazan na rysunku 5. Chociaż z rysunku 6 i wycieka, że nieoboczne położenie ścian szorstko zmienia trasy ruchu dźwiękowych odzwierciedleń, powstającego od bawełny do dłoni, i stwarza bardzo silną dyspersję (dekoncentrację) na wysokiej częstości, na niskiej częstości mało co zmienia się. Grubo mówiąc, po to, żeby geometryczna konfiguracja pomieszczenia dawała akustyczny wynik, jest potrzebna odmienność w długości drogi, którą idzie każde następne odzwierciedlenie w stosunku do poprzedniego, było odpowiednie długości fali. Jeśli na częstości 50 Hz długość fali składa w przybliżeniu 7 metrów, takiego kąta przesuwania ścian, który pozwolił by domagać się akustycznej nieoboczności, możliwy, prawdopodobnie, tylko w dużych budowlach, rozmiarami z koncertowa sala. Cóż do zwyczajnych studiów nagrania, to u nich taka konfiguracja odjęła by za wiele potencjalnie pożytecznego miejsca».

Co można wysnuć z powiedzianego? Po pierwsze, geometryczne oboczne powierzchnie w większości wypadków są i akustyczne obocznymi. A to oznacza, że obecność obocznych powierzchni sprzyja powstaniu osiowych rezonansów, co dla nas nadzwyczaj nie jest koniecznie. Po drugie, czym na niższej częstości pragniemy osiągnąć akustycznej nieoboczności, tym większą powinna być geometryczna nieoboczność i plac powierzchni.

Рисунок 6. Всё то же самое, что и на рисунке 4, но одна отражающая поверхность сдвинута так, чтобы создать геометрическую непараллельность между поверхностями A-B и C-D. Здесь уже не будет чётких эхо-сигналов наподобие тех, которые порождаются поверхностями на рисунке 4, потому что отражённые сигналы не идут по одному и тому же пути (их пути не повторяются). Средне- и высокочастотные звуки, распространя-ющиеся в направлениях точек Y и Z из точки X, идут затем по маршруту Z-F, F-G, G-H и так далее. Однако на низких частотах ситуация может едва ли отличаться от той, что показана на рисунке 4

Rysunek 6. Wszystko jest toż samo, jak i na rysunku 4, ale jedna odbijająca powierzchnia jest ruszona tak, by stworzyć geometryczną nieoboczność między powierzchniami A-B i C-D. Tu już nie będzie wyraźnych echo-sygnałów na kształt owych, które rodziły się powierzchniami na rysunku 4, ponieważ odparte sygnały nie idą po tejże drodze (ich drogi nie powtarzają się). Dźwięki średnio- i wysokiej częstotliwości, że rozpowszechniają się w kierunku punktów Y i Z z punktu X, idą potem po trasie Z-F, F-G, G-H i tak dalej. Jednak na niskiej częstości sytuacja chyba nie może różnić się od owej, która jest pokazana na rysunku 4

Na rysunku 8 jest zademonstrowany wpływ konfiguracji ścian (pokazanych na rysunkach 4 i 6) na akustykę pomieszczenia. Jak widać z grafików, na częstości powyżej 300 herc geometryczna nieobocznośc ścian wyraźnie obniża poziom modalnej energii. Jednak na częstości niżej 100 Hz zauważalnych odmienności nie obserwuje się. To świadczy o tym, że w tym częstotnym diapazonie ściany, obrysowane na rysunku 6, w akustycznym sensie nadal zostają obocznymi. Na częstości powyżej 300 Hz poziom modalnej energii maleje przez to, że przy geometrycznej konfiguracji ścian mody wysokiej częstotliwości przetworzą się w zasadzie z osiowych do tangencjalnych. A u tangencjalnych mód nie tylko skomplikowana trajektoria, ale oni jeszcze i odbijają się od ścian pod nie prostym kątem, że naprowadza do dużczych utrat energii, czym w osiowych modach, które odbijają się od powierzchni prostopadle. Zmiana geometrycznej konfiguracji powierzchni da efekt na częstości z taką długością fal, gdy przy każdym ich odzwierciedleniu i nawrocie do wyjściowej ściany sumaryczna odległość będzie zmieniała się niemniej, czym na połowę długości fali, a także, oczywiście, i na wyższej częstości. Trochę poplątane? Wtedy jak przykład jeszcze raz rozpatrzymy rysunek 6.

Dopuścimy, że wskutek odzwierciedleń od nie obocznych powierzchni dźwiękowa fala rozpowszechnia się po takich trasach: Y-Z – 10 metrów; Z-F – 10,5 metrów; F-G – 11 metrów; G-H – 12 metrów. Przy pierwszym odzwierciedleniu do wyjściowej ściany dźwiękowa fala będzie iść 20,5 metrów (10+10,5), a przy drugim odzwierciedleniu – 23 metry (11+12). Różnica przy tym sporządzi 2,5 metry (23 – 20,5). Jeśli przedstawić odległość 2,5 metry, jak połowy długości fali, to pełna długość fali sporządzi 5 metrów (2,5 x 2). Pamiętając o szybkość dźwięku 340 m/sek i wykorzystując formułę λ = c/f, wspomnianą na początku artykułu, wyliczamy wynik:

Рисунок 7. Величина поля давления, возникающего от точечного источника, расположенного между стенами, показанными на рисунке 6

Rysunek 7. Wielkość pola presji, że powstaje z punktowego źródła, rozmieszczonego między ścianami, pokazanymi na rysunku 6

λ = с/f

f = c/λ

f = 340/5

f = 68Hz

Wskutek tych rozliczeń można mówić o to, że wskazana nieoboczność ścian zapewni dyspersję (dekoncentrację) dźwiękowych fal zaczynając od 68 Hz i powyżej. W tym że częstotnym diapazonie możemy nie obawiać się powstania osiowych mód między tymi powierzchniami. Ale na niższej częstości będzie okazywał się efekt grzebieniowego filtrowania, ponieważ dźwiękowa fala będzie kolejno przechodziła przez wzmacniające, neutralne i obluzowujące obwody. Silne grzebieniowe filtrowanie na niskiej częstości nadaje destruktywne działanie na muzykę i dlatego bardzo nie koniecznie w studiach nagrania, chociaż w tej albo innej mierze ono ma miejsce we wszystkich pomieszczeniach z odbijającymi dźwięk powierzchniami. Więc, chociaż geometryczna konfiguracja odbijących powierzchni jest efektywną dla przytłoczenia mód na średniej i wysokiej częstości, na niskiej częstości wyjątkowo geometryczne rozwiązania zwykle pożądanych wyników nie przynoszą. Dlatego tu już należy dodatkowo udawać się do dźwiękochłonia. Tym więcej, że poza innym oboczne powierzchnie stwarzają jazgot, który jeszcze i powtarza się (w języku pospolitym – efekt «pralniczego blatu»), który powstaje od szumów kolizji dźwiękowej fali z odbijącej powierzchnią.

Rysunek 8. Na tych grafikach jest pokazana charakterystyka dźwięku w punkcie X w wypadkach, obrysowanych na rysunkach 4 i 6

Przedtem już mówiliśmy o to, że przy promieniowaniu dźwięku między dwiema obocznymi powierzchniami (jeśli oni nie są na 100% dźwiękochłonnymi) jest nieuniknione utworzenie aksialnych mód, co naprowadza do kształtowania pewnego rezonansowego obrazu. Zwyczajne pomieszczenie w formie równoległościanu ma trzy pary takich powierzchni: dwie pary – między przeciwległymi ścianami; jedna para – «podłoga-sufit». Jeśli przewidzieć wypadek, gdy pomieszczenie ma formę sześcianu, u którego wszystkie parzyste oboczne powierzchnie są rozmieszczone jeden od jednego na jednakowej odległości, wszystkie aksialne mody będą miały jednakową długość drogi i posiadają jednakowymi rezonansami. To doprowadzi do silnego rezonansowego gromadzenia energii na tej częstości. W wyniku pomieszczenie będzie miało nasycony rezonansowy charakter z wielkimi mocnymi rezonansami, destruktywnymi dla faktury muzycznej jakichkolwiek udźwiękowionych w nim instrumentów. Z powiedzianego można wysnuć, że pomieszczenie w formie sześcianu jak startowa pozycja przy budownictwie studyjnego pomieszczenia jest nie lepszym wariantem. Projektantowi Waszego studia na pewno jest znana formuła (znana jak «grafik Bolca», chociaż im też trzeba korzystać z niektórą ostrożnością), po której rozliczają się pożądane proporcje stron pomieszczenia, przy których zabezpiecza się najprzeróżny «asortyment» modalnej częstości i, więc, najmniej zabarwione ogólne brzmienie. Jak na warianty, możemy, na przykład, orientować się na proporcji 1:1,5:1,8, 1:1,59:2,52, 1:1,14:1,39, 1:1,28:2,33, 1:1,6:2,4 i tak dalej. Mogą być i inne proporcje. Philip Newell, na przykład, mówi, że jeśli pomieszczenie ma formę pudełka dla obuwia (w podziałce), to, z reguły, przyzwoity wariant.

Dla większej naoczności rozpatrzymy przykład podziału aksialnych mód w dwóch pomieszczeniach: jedno ma formę sześcianu ze stroną 4 metrowie, a inne – rozmiarami 2,5 x 4 x 5,25 metrów (czyli z dotrzymaniem proporcji 1:1,6:2,1). Wyliczać aksialne mody będziemy po formule:

Рисунок 9. Распределение гармонических резонансов в помещении. На схеме показаны всплески отдельных гармонических резонансов в помещении. На участке B-C резонансы находятся недалеко друг от друга и сравнительно выровнены по уровню. “Кривая усреднённого уровня” (штриховая линия) на этом участке довольно ровная. Однако на участке A-B гармонические резонансы помещения значительно удалены по частоте, а “кривая усреднённого уровня” начинает изгибаться и огибать отдельные всплески и провалы в энергии резонансов. Это говорит о том, что на участке А-В звучание комнаты становится неровным, подчёркивающим одни ноты больше, чем другие. На какой частоте находится точка В - зависит от размеров помещения. Чем больше помещение, тем на более низкой частоте находится точка В. По этой причине большие комнаты обладают более равномерным звучанием из-за более низких частот разделения резонансов

Rysunek 8. Na tych grafikach jest pokazana charakterystyka dźwięku w punkcie X w wypadkach, obrysowanych na rysunkach 4 i 6

F = 340/2L

gdzie

F – to częstość aksialnej mody;

L – odległość między przeciwległymi ścianami albo podłogą i sufitem.

Dla uproszczenia rozliczeń uprościmy formułę. Wyjdzie:

F = 170/L

Obliczymy częstość aksialnych mód dla drugiego pomieszczenia. Oto oni:

5,25 metry: 32,4; 64,8; 97,1; 129,5; 161,9; 194,3; 226,7; 259 Hz i tak dalej.

4 metry: 42,5; 85; 127,5; 170; 215,5; 255 Hz i tak dalej.

2,5 metry: 68; 136; 204; 272 Hz i tak dalej.

Dla pomieszczenia, że ma formę sześcianu ze stroną 4 metry, częstość aksialnych mód będzie następne: 42,5; 85; 127,5; 170; 215,5; 255 Hz i tak dalej.

Zilustrujemy nasze rozliczenia grafikiem (rysunek 14). Wyświetlemy na rysunku 14(a) częstości aksialnych mód drugiego pomieszczenia, a na rysunku 14(b) – częstości aksialnych mód pomieszczenia w formie sześcianu. Przeprowadzimy krzywą średniego poziomu (na rysunku – pomarańczowa tłusta kropkowana linia). Można odznaczyć, że na rysunku 14(a) ta krzywa jest gładką, podczas gdy na dolnym grafiku «zachowanie» krzywą średniego poziomu bardzo mocno podporządkowano energie oddzielnych – odległych od jeden jednego – rezonansów.

Rysunek 10. Na wykresie są pokazane diapazony częstości z różnym wpływem na akustykę pomieszczenia. fpz – górna granica strefy presji; fL – częstość rozdzielania rezonansów («częstość dużego pokoju»). W strefie presji właściwości pomieszczenia nie zarysowują się na ogólnym brzmieniu. Płynnie zaokrąglona wygładzona krzywa jest średnią charakterystyką pomieszczenia

Nie będę sprzeczał się, we wskazanych grafikach nie uwzględniono dużo momentów. Nie uwzględnione przejawy rezonansów na częstości tangencjalnych i skośnych mód, a także energia mód na wszystkich częstości. Ale jeśli uwzględnić, że aksialne mody są energopojemnymi i silniejszymi, to w tej części z naszymi grafikami można godzić się.

Jednak naprawdę wszystko jest trochę skomplikowaniejsze. Rzecz w tym, że wyżej wymienione modalne właściwości rozpowszechniają się tylko na puste pomieszczenia. Jak tylko w nich ustala się sprzęt i pojawiają się ludzie, to równomierność podziału modalnych rezonansów kilka gubi się. I, jednak, pomieszczenie z odpowiednimi proporcjami jak startowa pozycja – to o wiele lepiej, aniżeli pomieszczenie kubicznej formy. Z innej strony, te proporcje mają znaczenie tylko dla pomieszczeni średniego rozmiaru. Bardzo malutkich pokojów i ogromnych obszarów rozmiarem na salę koncertowy oni nie dotykają.

Częstotny podział rezonansów pomieszczenia

Harmoniczne rezonansy można rozpatrywać jak trasy, które idą dźwiękowe fali między odbijającymi powierzchniami. Jeśli dźwięk rozpowszechnia się naprzód i wstecz i powraca do punktu wyjścia w tejże fazie, to energia dźwiękowej fali na tej częstości szorstko rośnie, że sprzyja kształtowaniu rezonansowej stojącej fali. Zgodność odległości między dwiema powierzchniami pełnej długości fal jest określający czynnikiem przejawy rezonansu. Jak tylko odbywa się modalne rozdzielanie, różne częstotne komponenty przegrywanej muzyki zaczynają słyszeć się z różnym poziomem zależnie od tego, czy zbiegają się oni z przyrodniczymi rezonansami pokoju, nasilając nimi, czy nie.

Рисунок 11. Характеристика помещения без акустической обработки (вариант)

Rysunek 11. Charakterystyka pomieszczenia bez akustycznej obróbki (wariant)

Pierwsze harmoniczne rezonansy pomieszczeni, z reguły, wyraźnie są rozdzielone po częstości, dlatego akustycznie nieobrobione pomieszczenie posiada charakterystyką, bardziej podobnej na falistą linię na rysunku 10, czym na bardziej «prawidłową» charakterystykę pod postacią linii «średniego charakterystyki pomieszczenia» na tymże grafiku. Gaszenie harmonicznych rezonansów przez ich wchłanianie pozwala minimalizować ten efekt, że nakłada się na częstotną charakterystykę. W ogóle, damping w tej albo innej mierze trzeba dla jakiegokolwiek pomieszczenia, inaczej zmiana presji będzie częstotno- i pozycyjno- zależnym, a na rezonansowej częstości w pokoju będzie «zwisać» energia. Na przykład, jeśli częstość tonu bas-bębnu zbiega się z częstością jakiegoś rezonansu, to Wam ciężko będzie wyznaczyć: czy to dźwięk bębnu basowego zagasa powoli, czy to to powolne zagasanie jest przejawem rezonansów na tej częstości.

Akustyczny nieobrobione pomieszczenie wnosi istotne zmiany do brzmienia muzycznych instrumentów albo monitorów w tym pomieszczeniu. Wspomnicie jedną z zasad firmy FAR: «Brzmienie samego lepszego monitora będzie na tyle dobrym, na ile jest dobra akustyka pomieszczenia, w którym on jest ustalony». Na rysunku 11 jest pokazana częstotna charakterystyka jednego z takich nieobrobionych pomieszczeni.

Przed tym, jak zająć się rozliczeniem systemu dźwiękochłonnego, nam jest potrzebne określić najkrytyczny częstotny diapazon, w którym wpływ harmonicznych rezonansów jest najbardziej destruktywnym. Dlatego teraz rozpatrzymy zależność zachowania i przejawu rezonansów od częstości.

Gdy harmoniczne rezonansy kryją jeden jednego, to częstotna charakterystyka pomieszczenia będzie mniej więcej równomierną. Ale jak tylko odbywa się ich rozdzielanie, ona staje się nierówną, a brzmienie zaczyna poddać się formie oddzielnych rezonansów (patrz rysunek 9). W małych pokojach to rozdzielanie zaczyna się z wyższej częstości. Z tego wychodzi, że w dużych pokojach będzie obserwowało się bardziej równomierne brzmienie do niższej częstości przy umowie, zazwyczaj, że wszystkie ostatnie charakterystyki pokojów są jednakowe.

Byle było zrozumiałym, o co rozmowa dotyczy, proponuję spojrzeć na rysunek 10. Na tym rysunku jest pokazany typowy częstotny podział rezonansów w pomieszczeniu. Po charakteru przejawy i zachowania rezonansów ich można rozdzielić na cztery częstotne diapazony (strefy):

  • strefa presji;
  • strefa przejawu harmonicznych rezonansów;
  • strefa dyfuzji i dyfrakcji (strefa «krycia rezonansów»);
  • strefa zagasania odzwierciedleń i dźwiękochłonnia.

Najbardziej problematyczną strefą z punktu widzenia nie pożądaną ingerencji do brzmienia harmonicznych rezonansów jest druga strefa – strefa przejawu harmonicznych rezonansów – która jest ograniczona od spodu częstością fpz, a z wierzchu – częstością fL. Właśnie w tej strefie przeważnie może odbywać się nie pożądana barwa dźwięku. A propos, cętka fL na rysunku 10 praktycznie odpowiada cętce B na rysunku 9. Obliczywszy tę dwie częstości, zmożemy wyznaczyć samy problematyczny częstotny diapazon przy podziale rezonansów w pomieszczeniu. Jak to zrobić?

Obwód samej niskiej częstości na rysunku 10 – to strefa presji. Samą górną częstością w tej strefie jest ta częstość, długość pół faly której więcej niż najciągła działka pomieszczenia.

Ta że częstość jest dolną granicą strefy przejawu harmonicznych rezonansów. Oblicza się ta częstość bardzo prosto:

fpz = c/2Lr

gdzie:

fpz – górna granica (częstość) strefy presji (pz – pressure zone – strefa presji);

c – szybkość dźwięku w metrach za sekundę;

Lr – najdługa strona pokoju, w metrach (L – length (długość); r – room (pokój)).

Byle zrozumieć różnicę w podziale harmonicznych rezonansów między dużymi i małymi pomieszczeniami, wyobrazimy sobie, że mamy dwa pomieszczenia: duże – rozmiarami 10 m x 8m x 5m; małe – rozmiarami 3 m x 2 m x 2,5 m (typowa spikerska kabina).

Więc, dla dużego pomieszczenia górna granica strefy presji sporządzi:

fpz = 340/2×10 = 17 Гц

Dla spikera kabiny

fpz = 340/2×3 = 56,7 Гц

Niżej za te znaczenia (czyli w strefie presji) częstotna charakterystyka pomieszczenia będzie bardzo gładką, ponieważ w tych diapazonach rezonansowe zjawiska powstawać nie będą. A jeżeli tak, to częstość w strefie presji będzie niższa po poziomie, czym częstość w następnej strefie, gdzie jest czynna również i odparta energia dźwiękowych fal.

Teraz o tym, jak nam obliczyć częstość fL, znaną jak «częstość dużego pokoju». Jej również można obliczyć prostym równaniem:

fL = K √RT60/V

gdzie:

K – stała SI (tu: 2000);

V – objętość pomieszczenia w metrach sześciennych;

RT60 czas zagasania w pomieszczeniu na 60 dB, w sekundach (będzie rozpatrzone dalej).

Spróbujemy obliczyć częstość fL dla naszego dużego pokoju, uwzględniając, że czas rewerberacji RT60 w niej może składać 1,2 sekund:

fL= 2000 √1,2/10 x 8 x 5;

fL= 2000 √1,2/400;

fL= 2000 √0,003;

fL= 2000 х 0,0548;

fL= 109,5 Hz.

Teraz obliczymy częstość fL dla naszej spikerskiej kabiny, uwzględniając, że czas rewerberacji RT60 w niej chyba nie będzie więcej, aniżeli 0,8 sekund:

fL= 2000 √0,8/3 х 2 х 2,5;

fL= 2000 √0,8/15;

fL= 2000 √0,053;

fL= 2000 х 0,2309;

fL= 461,9Hz.

Po tych obliczeniach możemy wyznaczyć częstotne diapazony, które będą odpowiadać strefom przejawu harmonicznych rezonansów dla naszych pomieszczeni. W dużym pomieszczeniu – to diapazon od 17 Hz do 109,5 Hz; w spikerskiej kabinie – od 56,7 Hz do 462 Hz. To pozwala nam wysnuć następne:

  1. Czym mniej pomieszczenie, tym powyżej częstość górnej granicy strefy presji (fpz) i częstość rozdzielania rezonansów (fL).
  2. Czym mniej pomieszczenie, tym szerzej strefa przejawu harmonicznych rezonansów, w której odbywa się nie pożądana barwa dźwięku.
  3. Czym mniej pomieszczenie, tym więcej pożyteczne częstotne diapazony są skłonne do nie pożądanej barwy brzmienia własnymi rezonansami pomieszczenia; naprawdę, na przykładzie spikerskiej kabiny widzimy, że strefa przejawu harmonicznych rezonansów osiąga częstości 462 Hz, co praktycznie oznacza problematyczny diapazon aż do dźwięków drugiej oktawy!

Obliczalne nami diapazony częstości – to są częstości, zapewnić wchłanianie których trzeba w pierwszej kolejności, jeśli chcemy domagać się równiejszą częstotnej charakterystyki pomieszczenia. W pomieszczeniach większego rozmiaru, objętość których pozwala urządzić dźwiękochłonne systemy, rozwiązanie tych pytań znacznie ułatwia się. Poza tym, w dużych według rozmiaru pomieszczeniach energia odzwierciedleń wymuszona iść dużą odległość od źródła dźwięku do słuchacza albo mikrofonu, ona jest bardziej rozniesiona w czasie i zagasa o wiele silniej. Duże pomieszczenia również mają dużą za placem powierzchnię, która może wykorzystywać się dla wchłaniania dźwiękowej energii, że również jest ich plusem. Przy pewnych rodzajach designu dużych pomieszczeni dorywcze i przestrzenne rozdzielanie jednoczy się z dekoncentrującą i chłonną obróbką. To stwarza bardzo przyjemną i absolutnie równomierną akustykę.

Rysunek 12. Podział rezonansów w pomieszczeniu na częstości 70 Hz. Ciemne obwody odpowiadają strefom zwiększenia dźwiękowej presji, a białe odzwierciedlają strefy nieodmiennej dźwiękowej presji. Czym więcej jest przydatność do odbijania powierzchni pomieszczenia, tym drastyczniej będzie przejście od jasnego do ciemnego. Bezechowa kamera w tym wypadku pokazała by mniej więcej jednorodną «szarość»

W akustycznym sensie «rozmiary» pomieszczenia zależą od pożądanej częstości podziału rezonansów. Dlatego nawet duży pokój z równomiernym podziałem rezonansów tylko do 70 Hz w akustycznym sensie uważa się niewielkim, jeśli nie poszerzyć tę równomierność do samego dołu – do 20 Hz.

Teraz rozpatrzymy pozycyjny efekt przy podziale rezonansów.

Ten efekt jest zademonstrowany na rysunku 12, na którym jest pokazany podział presji w pomieszczeniu przy rozpowszechnieniu dźwiękowej fali z częstością 70 Hz. Ciemniejsze działki – to strefy podniosłej presji dźwięku.

Źródło dźwięku i/albo słuchacz, znajdując się w ciemniejszych obwodach, na częstości 70 Hz generuje albo otrzymuje dźwięki o wiele silniejsze w odróżnieniu od jaśniejszych obwodów. Jeśli w pomieszczeniu okazuje się tylko jedna pasożytnicza rezonansowa częstość, to wyrównywanie częstotnej charakterystyki jest możliwe przez przenoszenie albo pozycji osłuchiwania, albo pozycji źródła dźwięku, albo i tego i innego. Jednak, zza różnej długości fal na różnej częstości (jeśli w pomieszczeniu są dwie albo bardziej pasożytniczych rezonansowych częstości), dane schematy zmiany presji w stronę podwyżki i w stronę poniżenia nie będą zbiegały się pozycyjnie. Wyszedłszy z problematycznej strefy na jednej częstości, można po prostu okazać się w problematycznej strefie na innej częstości.

Jeszcze więcej komplikuje życie to, że każdy pokój po swojemu chłonie dźwiękową energię zależnie od rozmiarów i charakteru akustycznej obróbki. Różne materiały chłoną różną częstość w większej czy mniejszej mierze. Wchłanianie i akustyczny demping określają siłę energii odpartego dźwięku, a także wywierają wpływ na Q (gruntowność) rozpowszechnienia energii harmonicznych rezonansów (patrz rysunek 13). Chociaż Q i oznacza «gruntowność», ale w naszym wypadku koniecznie mieć rezonans z niskim Q, ponieważ taki rezonans jest mniej wyrażony i mniej uparcie działa na uszu, czym rezonans z wysokim Q. Dlatego pomieszczenia z silnym dempingiem i wchłanianiem jednocześnie poszerzają częstotną zawartość rezonansowej energii i pomniejszają poziomy rezonansowych pik. Z tego wszystkiego wychodzi, że brzmienie w dźwiękochłonnym pokoju z niskim Q będzie bardziej równomiernym, aniżeli w pokoju z twardszymi ścianami i harmonicznymi rezonansami z wysokim Q. Chociaż w drugim wypadku brzmienie będzie bardziej głośnym, ponieważ takie pomieszczenie powolniej dekoncentruje wyciekającą energię.

Рисунок 13. Эффект демпфирования в зависимости от "Q". Пунктирная линия показывает резонанс с высоким Q, который сильно возбуждается при воздействии сигнала 103 Hz, но слабо реагирует на сигнал 88 Hz. Штрих-пунктирная линия показывает эффект демпфирования при снижении Q. В этом случае, возбуждение и на 88 Hz и на 103 Hz даёт почти такой же уровень резонанса. Обе кривые - и штриховая и штрих-пунктирная - показывают резонансы при "частоте заводки" 103 Hz, но обе обладают одинаковым количеством общей энергии. В действительности же при обустройстве звуко-поглощающих конструкций более гладкий резонанс будет содержать меньше энергии и поэтому будет ниже по уровню

Rysunek 13. Efekt dempingu zależnie od «Q». Kropkowana linia pokazuje rezonans z wysokim Q, który mocno podnieca się przy działaniu sygnału 103 Hz, ale słabo reaguje na sygnał 88 Hz. Kreskowa kropkowana linia pokazuje efekt dempingu przy obniżce Q. W tym wypadku podniecenie i na 88 Hz, i na 103 Hz daje prawie taki samy poziom rezonansu. Obie krzywe, i kreskowa, i kreskowa kropkowana, pokazują rezonansy przy «częstości podniecenia» 103 Hz, ale obie posiadają jednakową ilością ogólnej energii. Naprawdę przy zagospodarowaniu dźwiękochłonnych konstrukcji gładki rezonans będzie zawierał mniej energii i dlatego będzie niżej po poziomie

Przy rozpatrzeniu pytania pozycyjnej zależności przy podziale rezonansów trzeba zatrzymać się i na tym, co że takie stojące fale. Ten termin stosuje się często, ale sens do niego niekiedy wkłada się różny. Stojące fale powstają wówczas, gdy dwie albo bardziej fale, jednakowe po częstości i rodzaju, przechodzą przez jedną i tęż cętkę. Otrzymywany w wyniku obraz przestrzennej interferencji, składający się z obwodów z dużą i małą amplitudą, staje «utrwaloną», chociaż same fale mogą się przenosić.

Rezonansowe stojące fale powstają tylko wówczas, gdy:

  • stwarza się schemat stojących fal zza współdziałania między falą i jej odzwierciedleniami od dwóch albo bardziej powierzchni;
  • gdy fala wychodzi od jakiejś cętki, odbija się od jednej powierzchni do innej, powracając do punktu wyjścia, i znów idzie w pierwotnym kierunku;
  • gdy odległość, którą minęła ta fala, w precyzji krotna jej długości; powracająca fala nasila, i jeśli jej utraty są małe, pole tej stojącej fali staje rezonansowym.

Dla naoczności przytoczymy prosty przykład rezonansowej stojącej fali, stwarzająca się między dwiema obocznymi ścianami, odległymy jedna od jednej na odległość, która jest równa połowie długości fali. Fala, że idzie od niektórej cętki do przeciwległej ściany, odbija się wstecz do pierwszej ściany, od której ona znów odbija się w pierwotnym kierunku. Ponieważ odległość między ścianami dorównuje połowie długości fali, to cała odległość, którą minęła falą, że wróciła do punktu wyjścia, składa jedną długość fali. Potem fala wyrusza z tej że cętki dokładnie z taką samą fazą, przez co na następnym cyklu fala nasila. Jeśli zmienić częstość fali albo odległość między ścianami, to schemat stojącej fali pozostanie, ale rezonansu już nie będzie.

Trzeba zamarkować, że stojące fale istnieją zawsze przy współdziałaniu jednakowych fal, bez względu na to, złożyła się rezonansowa sytuacja czy nie. Dlatego zażywanie terminu «stojąca fala» dla opisu tylko rezonansowych umów jest nie całkiem prawidłowym.

Pomieszczenia nieprawidłowej formy rodzą większy rozrzut modalnych rezonansów, ponieważ dźwiękowym falom w tym wypadku ciężko «odnajdywać» drogi równej długości przy każdym późniejszym odzwierciedleniu. Dlatego przeważają modalne rezonansy w tangencjalnej albo skośnej formie, które, z reguły, zawierają mniej energii, czym aksialne mody, a ich Q (gruntowność) jest bardziej «rozmytą», ponieważ ich energia dekoncentruje się szerzej, nie pozwalając im nastroić się na jakieś konkretne noty. Przyrodnicza rewrberacja u takich pomieszczeni zwykle jest bardziej wygładzona i prawie nie ma dominującej częstości. Jednak, we wszystkich powyżej przelanych wypadkach samym ciężko do pokonania problemem jest problem przytłoczenia bardziej szeroko rozniesionych mód w samych dolnych oktawach słyszalnego diapazonu. W tym diapazonie częstości mają taką dużą długość fali, że uporać się z nimi ciężko nawet za pomocą pochyłych ścian.

Dźwiękochłanianie

Już dosyć porozmawialiśmy o modach i rezonansach, o ich powstaniu i zachowaniu zależnie od częstości, od pozycyjnej zależności, a także o to, jak można w jakieś mierze zarządzać trasami mód przez zmianę proporcji i geometrii pomieszczenia. Ale mimo wszystko chyba nie można domagać się możliwych do przyjęcia akustycznych umów tylko tymi metodami, dlatego bez systemów dźwiękochłonnych nam wszystko jedno nie obejść się.

Przecież właśnie dźwiękochłonne powierzchnie odbierają znaczną część energii dźwiękowych fal przy każdej ich kolizji z tymi powierzchniami. Jak już było mówiono – to naprowadza nie tylko do znacznego osłabnięcia energii rezonansowych mód, ale i do obniżki ich Q (gruntowności).

Рисунок 14. Распределение резонансов в помещении (аксиальные моды).  a) помещение размерами 5,25 х 4 х 2,5 м; b) помещение в форме куба со стороной 4м.  Пунктирной оранжевой линией обозначена кривая усреднённого уровня

Rysunek 14. Podział rezonansów w pomieszczeniu (aksialne mody) a) pomieszczenie 25 x 4 x 2.5 m. b) pomieszczenie w formie sześcianu ze stroną 4 m. Kropkowaną pomarańczową linią jest oznaczona krzywa średniego poziomu

Mówiliśmy również i o to, że samym problemnym obwodem z punktu widzenia wpływu rezonansów na akustykę pomieszczenia jest strefa przejawy harmonicznych rezonansów (zona В na rysunku 10). Ta strefa (w zależności w zasadzie od rozmiarów pomieszczenia) może ciągnąć się od infraniskie częstości do dolnej średniej częstości. Na żal, dźwiękochłanianie niskiej częstości – kamień zawady dla małych pokojów, w których nie można zastosować wiele systemów wchłaniania tej częstości zza znacznych rozmiarów takich systemów. Efektywne pochłaniacze niskiej częstości tradycyjnie mają duże rozmiary; im jest potrzebny obszar do głębi, równy ćwierci długości fali najniższej częstości, którą trzeba chłonąć. Jeśli dla częstości 40 Hz długość fali składa blisko 8,5 metrów, to dla wchłaniania dźwięku z tą częstością i powyżej będzie trzeba system wchłaniania głębią więcej 2 metrów. I jeśli w niektórych rodzajach pomieszczeni z «żywy» akustyką, przeznaczonych dla nagrania, znikomy przejaw rezonansów może być możliwym do przyjęcia i w pewnych wypadkach nawet pożytecznym, to w kontrolnych pokojach, dla których równomierność brzmienia jest pierwszorzędną koniecznością, ich obecność nadzwyczaj nie jest koniecznie, ponieważ to naprowadza do aberracji umów monitoringu.

W jakiejś mierze nas w tej sytuacji wyręcza to, że nasze ucha mają różną czułość do dźwiękowych fal różnej częstości słyszalnego diapazonu. W szczególności, obserwuje się spadek czułości na granicach słyszalnego diapazonu, między innymi i na niskiej częstości. To naocznie demonstruje się krzywymi głośności równej wielkości Fletchera-Munsona, co można zobaczyć na rysunku 15. Z rysunku dobrze widać, jak upada czułość słuchu na progowych znaczeniach częstości diapazonu. Tak, jeśli po krzywej, która na poziomie linii 3 kHz odpowiada progowi znaczeniu 0 dB, przejść do poziomu na częstości 30 Hz, to otrzymamy przyrost dźwiękowej presji w rozmiarze 60 dB. Jeśli że, idąc po krzywej, która idzie na częstości 3 kHz przez cętkę 25 dB, opaść do częstości 30 Hz, to widać, że na tej częstości wielkość dźwiękowej presji będzie składała w przybliżeniu 65 dB. Co to oznacza? Po pierwsze, po to, żeby osiągnąć progu słyszalności, na częstości 30 Hz jest potrzebna dźwiękowa presja na 60 dB (albo akustyczna potęga do miliona razy) więcej, aniżeli na częstości 3 kHz. Po to, żeby na częstości 30 Hz głośność dźwięku odpowiadała głośności 25 dB SPL od poziomu na częstości 3 kHz, trzeba dodatkowo jeszcze 40 dB (albo do 10 tys. razy duża potęga). To mówi o to, że przy niskich poziomach dźwiękowej presji ludzkie ucho o wiele wrażliwej do średniej częstości, czym do niskich. Po drugie, po to, żeby na częstości 3 kHz zwiększyć głośność 25 dB, jej trzeba podjąć na wszystko 25 dB (z 0 dB SPL do 25 dB SPL), a oto na częstości 30 Hz będzie trzeba zaledwie 5 dB, byle domagać się takiej samej podwyżki subiektywnej głośności.

Rysunek 15. Klasyczne krzywe głośności równej wielkości Fletczera-Mansona, które wyraźnie pokazują poziomy wzmacniania, potrzebne dla zabezpieczenia odczucia jednakowej głośności na różnej częstości

Jeśli znów zwrócić się do grafików, można wysnuć, że 25 dB nad progiem słuchowego odbioru na częstości 3 kHz równorzędne po głośności 5 dB nad progiem odbioru na poziomie 30 Hz. Więc, postrzegana dynamika dźwięku znacznie powiększa się na niskiej częstości. Przy wysokich że znaczeniach dźwiękowej presji, że przekraczają 100 dB, зависимость jest bardziej liniową.

Ale wrócimy do naszych dźwiękochłonnych konstrukcji.

Najbardziej efektywnymi konstrukcjami dla dźwiękochłaniania są wielowarstwowe konstrukcje z różnych materiałów. Główna przyczyna, po której oni stosują się, polega na tym, że różne materiały i warianty ich komponowania chłoną dźwięk rozmaicie i efektywne tylko w tych albo innych miejscach i na tej albo innej częstości.

Na przykład, duże dykty boazerie mogą bardzo dobrze chłonąć dźwięk, ale, z reguły, tylko na pewnej częstości, ponieważ posiadają wysokimi Q (gruntownością). Pochłaniacz z wysokim Q może dobrze chłonąć dźwięk, na przykład na częstości 80 Hz, ale prawie nie chłonąć go na częstości 60 i 100 Hz. I jeśli będziemy domagały się dźwiękochłaniania z zażywaniem takich systemów (z wysokim Q), to nam będzie trzeba ich dużo, że nieuchronnie będzie zajmował pożyteczny plac pomieszczenia.

Jeśli że obniżymy Q pochłaniacza dźwięku przez dodanie amortyzujących materiałów, to nie tylko obniżymy poziom wchłaniania jego głównej częstości, ale i poszerzymy częstotny diapazon wchłaniania. Stąd można wysnuć, że o wiele racjonalniej domagać się dźwiękochłonne z pomocą dobrze amortyzowanych systemów, czym za pomocą kompleta pochłaniaczy dźwięku z wysokim Q. Jeszcze jedna przewaga pochłaniaczy z niskim Q polega na tym, że rezonansy zagasają w nich o wiele szybciej, aniżeli w pochłaniaczach z wysokim Q. Rzecz w tym, że rezonatory z wysoką częstotną selektywnością, zdolne szybko chłonąć znaczny los energii, mają i odwrotną «stronę medalu»: oni «lubią» buczeć po wstrzymaniu sygnału podniecenia; innymi słowami, oni zaczynają promieniować wtórny przydźwięk po impulsowym podnieceniu.

Рисунок 16.  Эксперимент с пушками.  Два одинаковых орудия установлены в позициях A и C и заряжены одинаковым количеством пороха. При выстреле из пушки C, наблюдатели в позициях A, B и D почти сразу же видят вспышку. Спустя какое-то время, соответствующее локальной скорости звука в воздухе и расстоянию до позиции C, три наблюдателя слышат выстрел из орудия. При выстреле из пушки A, вспышку видят все три наблюдателя. После того, как прошло соответствующее время, наблюдатель в позиции B слышит звук выстрела, тогда как наблюдатели в позициях C и D, находящиеся в более плотном воздухе, могут его так и не услышать, невзирая на то, что находятся к позиции A ближе, чем наблюдатель B

Rysunek 16. Eksperyment z armatami. Dwie jednakowe armaty są ustalone w pozycjach A i C i ładują jednakową ilością prochu. Przy strzale z armaty C obserwatorzy w pozycjach A, B i D prawie od razu widzą błysk. Przez pewien czas, odpowiednie lokalnej szybkości dźwięku w powietrzu i odległości do pozycji C, trzy obserwatorzy słyszą strzał z armaty. Przy strzale z armaty A błysk widzą wszyscy trzy obserwatorzy. Przez odpowiedni czas obserwator w pozycji B słyszy dźwięk strzału, podczas gdy obserwatorzy w pozycjach C i D, które znajdują się w szczelniejszym powietrzu, mogą jego tak i nie usłyszeć, mimo że znajdują się do pozycji A bliżej, aniżeli obserwator B

W następnych artykułach cyklu dokładniej rozpatrzymy praktyczne przyjęcia i mechanizmy dźwiękochłonne.

Skuteczność wielowarstwowych dźwiękochłonnych konstrukcji jest uwarunkowana również tym, że dźwiękowe fale bardzo «nie lubią» przenikać z mniej szczelnego środowiska w szczelną. To zjawisko można zilustrować dwoma przykładami.

Tak, w książce Ph. Newella “Recording Spaces” jest opisany wypadek, gdy w XIX stuleciu na uboczu góry jak eksperyment ustaliły dwie armaty – jedną na dole, chociaż nie u samego podnóża góry, a inną – wysoko, bliżej do cypla. Armaty ładowały jednakową ilością prochu, i naprzeciw każdej armaty na uboczu innej góry przez wąwóz wystawiły po obserwatoru – jednego wysoko, a innego – niżej. Rozkład armat i obserwatorów jest pokazany na rysunku 16. Armatę, że znajduje się niżej, nie postawiły na samym dnie wąwozu tylko dlatego, byle jej nie miało nie uzasadnioną przewagi w planie wzmacniania dźwięku kosztem tego, że dźwięk odbija się od dna wąwozu. Przy przeprowadzeniu strzałów błysku i dym były dobrze widoczne z wszystkich odległy od jeden jednego punktów obserwacji, a ponieważ odległość do ich była znana, to planowało się, że dźwięk do ich dojdzie po zakończeniu odpowiednich interwałów czasu.

Pierwszym był zrobiony strzał z dolnej armaty. Słuchacze w pozycjach A, B i D czekały przyjścia dźwięku, i ten, jak i planowało się, doszedł do każdej pozycji w odpowiedniej chwili czasu. W każdym wypadku obserwatorzy, usłyszawszy dźwięk, sygnalizowali chorągiewkami o jego przyjście. Intensywność dźwięku w każdym nadzorczym punkcie była opisana na tyle dokładnie, na ile to mogło być w ten czas, gdy jeszcze nie były wynalezione przyrządy dla wymiaru poziomu dźwięku. Głośny dźwięk usłyszał obserwator, który znajdował się na dole na przeciwległej stronie wąwozu. Dwa obserwatorzy, które znajdowały się z wierzchu na przeciwległych stronach wąwozu w pozycjach A i B, słyszały nie taki głośny, ale wyrazisty dźwięk (patrz rysunek 16). Gdy wystrzeliła górna armata z pozycji A, błysk i dym znowuż wyraźnie widzieli wszyscy obserwatorzy, które znajdowały się na odległości od jej, ale w ten raz w pozycjach B, C i D. Po zakończeniu odcinania czasu, że planowało się, obserwator w pozycji B sygnalizował o to, że on wyraźnie usłyszał dźwięk. Ale minęło więcej niż dostatnio czasu, za który, jak planowało się, dźwięk musił był by już dojść do pozycji C i D, jednak sygnałów nie poszło, ponieważ żadnego dźwięku obserwatorzy, które znajdowały się tam, nie usłyszeli.

Z tego wysnuły, że stosunek gęstości powietrza w tym miejscu, w którym zabrzmiał strzał, do gęstości powietrza w tym miejscu, w którym on jest usłyszany, i jest ten czynnik, który określa, z którą siłą rozpowszechnia się dźwięk. Strzał w warunkach bardzo szczelnego powietrza na dole wąwozu zmógł lekko wywołać rozpowszechnienie dźwięku nie tylko do punktu D, gdzie gęstość powietrza była taką samą, ale i do punktów obserwacji w ciapkach A i B, rozmieszczonym powyżej, powietrze w których ma mniejszą gęstość. Cóż do górnej armaty, to strzał z jej był dobrze słyszalny w pozycji B, która znajdowała się w takim samym rozrzedzonym powietrzu, ale ono stanowczo nie zmogło przedrzeć się przez szczelne powietrze do rozmieszczonych na dole punktów obserwacji C i D. I to mimo że pozycja C znajdowała się do pozycji A bliżej, aniżeli pozycja B, w której dźwięk był wyraźnie słyszalny. W porównaniu z szczelnym powietrzem na dole wąwozu, rozrzedzone powietrze bliżej do cypla góry stwarzało eksplozji prochu, że wyleciał z otworu narzędzia, mniej oporu, od którego ów mógł odepchnąć się. A jeśli u eksplozji mniej powietrza, od którego on może odepchnąć się, to przy eksplozji wykonuje się i mniejsza ilość pracy. A jeśli praca wykonuje się mniej, oznacza i dźwięk generuje się mniej. Presja powietrza zniżkuje prawie na 1 millibar przez każde 8 metrów podniesienia nad poziomem morzy, a odpowiednio maleje i jego gęstość. A propos, przy 2000- metrowej różnice poziomów, na których kosztują armaty na rysunku 16, presja powietrza w górnych pozycjach A i B składa mniej 75 % od tego, które obserwuje się w dolnych pozycjach C i D.

Można przytoczyć i prostszy przykład. Wszystkim wiadomo, że gęstość wody o wiele więcej niż gęstość powietrza. Większość z nas podczas odpoczynku na morzu kąpały się, nurkowały, a niektóre nawet zanurzały się z aqualungiem. Wspomnicie, jak dźwięki szumnej plaży w okamgnienie wstrzymywały się potem, jak podczas nurka albo zanurzenia z aqualungiem Wy (i Wasze ucha) okazywaliście się pod wodą.

Dlatego jeśli w dźwiękochłonnej konstrukcji są obecne na przemian materiały z różną gęstością, to taka konstrukcja sprzyja efektywnemu dźwiękochłanianiu, i zwłaszcza – izolacji dźwiękowej.

Rewerberacja

Dyfuzja i dyfrakcja

Po rozpatrzeniu problemów, związanych z modami i rezonansami, my stopniowo przechodzimy do pytań rewerberacji pomieszczenia. W niedalekiej przeszłości rewerberacja uchodziła za jedyną i najważniejszą charakterystykę zakrytego pomieszczenia, przeznaczonego dla udźwiękawiania mowy albo muzyki. Przez pewien czas pod wpływem fundamentalnych badań akustycznych właściwości zakrytych pomieszczeni znaczność rewerberacji zmalała. I teraz rewerberacja jest jednym z kilku parametrów, które zamierzają się, po których określają jakość brzmienia pomieszczenia.

My już coś wiemy o «zachowaniu» pomieszczeni w strefie presji i w strefie podziału rezonansów harmonicznych, które na rysunku 10 są oznaczone odpowiednio literami A i B. Teraz krótko rozpatrzymy, co że odbywa się w strefie dyfuzji i dyfrakcji, określonej na rysunku 10 literą C.

Już mówiliśmy o to, że przy kolizji dźwiękowej fali z powierzchnią część jej idzie dalej, część odbija się i część chłonie się. To że odbywa się z światłem, padającym na okno. Światło, które idzie do okna, udziela się przez szkło. Jeśli wstać za oknem, zobaczymy na szkle swoje odzwierciedlenie; to oznacza, że światło odbija się tam, skąd on przyszedł. Jeśli otworzymy okno, to odznaczymy, że do pokoju trafia kilka większa ilość światła, czym przez szkło. Różnica w oświetleniu minus ilość światła, odpartego wstecz do swojego źródła, jest własnym poziomem wchłaniania szkła, które przekształci energię światła do cieplnej energii. Jeśli w oknach ustalimy figuralne szkło, to światło będzie postępowało, ale nie będzie widać jego źródła, a do pokoju będzie odrzucały się tylko mętne cienie. Dyfuzja miesza dyskretne źródła energii i dobrze ich dekoncentruje. A dyfrakcja – to wykrzywienie dźwiękowych (świetlnych) fal, które otaczają obiekty, zwłaszcza z ostrymi kątami. Dyfrakcja odbywa się i z światłem, który zbacza (dyfraguje) dookoła granic nie przejrzystego ciała. Dyfrakcja świetlnych fal – jak i dźwiękowych – zależy od częstości. Przy czym dyfrakcja świetlnych fal stwarza efekt tęczy, gdy światło idzie przez wąską fugę albo obchodzi ostry kąt. W istnieniu paralel między dźwiękiem i światłem nie ma nic niezwykłego, ponieważ oba przykłady związane z rozpowszechnieniem fal, bo jedne i też prawa rozpowszechnienia fal są przydatne i do elektromagnetycznych świetlnych fal i fal radiowych, i do akustycznych dźwiękowym fal.

W pomieszczeniu na wysokiej częstości brzmienie jest kombinacją prostego dźwięku, lustrzanie odpartego od twardych powierzchni, a także dekoncentrowanego wskutek dyfuzji i skrzywionego wskutek dyfrakcji. Lustrzanymi nazywają się odzwierciedlenia, które wrócą do tyłu pokoju dyskretnymi i nietkniętymi (jak promień światła, skierowany do lustra). Dyfuzyjne odzwierciedlenia można porównać z odzwierciedleniem promieniu światła od listka papieru. W naszym wypadku oni okazują się w diapazonie, oznaczonym na rysunku 10 literą C. W tym że diapazonie okazują się i efekty dyfrakcji (wykrzywienie fali dookoła obiektów).

Więc, strefa podziału rezonansów i strefa dyfuzji i dyfrakcji wspólnie dodają do prostego dźwięku następne efekty: dyfrakcyjną, dyfuzyjną i odpartą energię.

Czas rewerberacji: problemy wymiarów

Do tego momentu rozpatrzyliśmy pytania powstania i rozpowszechnienia dźwiękowych fal, ich współdziałanie ze swoimi odzwierciedleniami od powierzchni pomieszczeni i zmiana charakteru takiego współdziałania przy zmianie geometrycznej konfiguracji pomieszczenia, a także właściwości współdziałania odpartych fal zależnie od częstości diapazonu.

Ale wszystkie te procesy odbywają się i rozwijają się w czasie. Co że właśnie odbywa się, na przykład, przy szerokopasmowym impulsowym podnieceniu akustycznie nie przygotowanego pomieszczenia?

Rysunek 17. Charakterystyka zagasania (rewerberacja)

Przez jakiś czas po impulsowym podnieceniu do punktu podniecenia wrócą pierwsze odzwierciedlenia od samych otaczających powierzchni, t.zw. wczesne odzwierciedlenia. Potem przychodzą odzwierciedlenia od innych powierzchni, a także odzwierciedlenia, które zdążyły zaciążyć pod różnymi kątami od kilku powierzchni. Jak już opisywało się wyższe, na jednych częstości te odzwierciedlenia dogorywają szybko, a na częstości, zbieżnej z rezonansową częstością pomieszczenia, oni jakby zwisają i dogorywają o wiele powolniej. W ślad za wczesnymi odzwierciedleniami pójdą miriady odzwierciedleń, które wkrótce będą zlewały się do tego, że zwykle nazywamy rewerberacją. Przez jakiś czas te odzwierciedlenia zagasają w całości. Jeśli ten czas jest niemały, to w zaistniało harmiderze absolutnie niemożliwie usłyszeć jakiekolwiek niuanse muzycznego wykonania. Różnica między akustyczny obrobionym i nieobrobionym pomieszczeniem jest słyszalna, jak mówi się «nie uzbrojonym uchem».

W związku z tym bardzo ciekawie obserwować za zachowaniem robotników podczas budownictwa studiów. Na naszych budownictwach aparat radiowy jest takim samym nieodłacznym atrybutem, jak młotek i płaskoszczypy. Brzmienie jego w pomieszczeniu w pierwszych dniach budownictwa prawdziwie okropnie: nieprzerwany łomot i szum, nic nie rozebrać. Poza tym, różni pracownicy rozmaicie postrzegają niezwykłość tych prac, które im należy wykonać. Ale już przez kilka dni wszystkim im staje ciekawie, a dodatkowo do tego oni słyszą zmiany w brzmieniu swojego aparatu radiowego. Większość z nich po zakończeniu budownictwa wyznawały, że ich zdziwiło i potrząsnęło brzmienie aparatu radiowego w skończonym pokoju. Innymi słowami, różnicę wyraźnie słyszeli ludzie, które przez swój fach do pracy z dźwiękiem żadnego stosunku nie mieli. Przewiduję, że w pierwszej kolejności oni reagowali właśnie na zmianę czasowi rewerberacji pomieszczenia.

Za czas rewerberacji (zarysowuje się jak RT60) przyjęto liczyć czas, w ciągu którego dźwięk zagasa na 60 dB od swojego pierwotnego poziomu. Na przykład, jeśli brzmienie orkiestry na sali koncertowym może osiągać poziomu 100 dB przy poziomie tła szumu gdzieś obok 40 dB, to finałowe akordy orkiestry przy zagasaniu rozpuszczą się w szumie przy spadku ich poziomu w przybliżeniu na 60 dB. Innymi słowami 60 dB – to zagasanie dźwięku do jednej milionową części od jego pierwotnej potęgi.

Рисунок 18.  Время реверберации в двух концертных залах

Rysunek 18. Czas rewerberacji w dwóch salach koncertowych

Nie będziemy rozpatrywały w tym cyklu grafiki czasu rewerberacji różnych pomieszczeni. Naprawdę «gołe» charakterystyki mało co nam mówią o postrzeganych akustycznych właściwościach pomieszczeni, a nie prawidłowa interpretacja ich w «szaleńczych rękach» może nawet wyrządzić szkody.

Pojęcie o typową wielkość RT60 (czasowi rewerberacji) zilustrowano na rysunku 18. Na dwóch grafikach są przedstawione czasowe charakterystyki rewerberacji dwóch koncertnych sal, a czas rewerberacji jest pokazany zależnie od częstości. Dane grafiki pokazują pojęcie o «częstotnych charakterystykach» tych sal. Brzmienie na sali, charakterystyka którego obrysowana na grafice (a), subiektywnie będzie postrzegał się jak cieplejsze i nasycone. W tym że czasie, ono jest mniej wyrazistym, czym brzmienie na sali, charakterystyka którego jest obrysowana na grafice (b), ponieważ w pierwszym wypadku czas rewerberacji na niskiej częstości znacznie więcej, a to nie tylko robi bas soczystym, ale i maskuje większość nie głośnych samotnych niuansów wysokiej częstotliwości. Na żal, takie grafiki mówią nam tylko o to, że odbywa się na poziomie -60 dB, ale nic nie mówią o to, co odbywa się w ciągu samego procesu zagasania. I zależnie od tego, jakim sposobem zagasa rewerberacja, może stać się, że nasze pojęcia o subiektywnej jakości dźwięku mogą okazać się błędnymi.

Istnieją dużo metodyk wymiaru rewerberacji, jej «zachowania». Swoje metodyki w różne czasy opracowywały prowadzący uczeni akustycy świata: Beranek, Schulz, Schreder, Sabine, Eyring i wiele innych.

Rysunek 19. Grafiki Szredera

Na przykład, metoda budowy funkcji zależności energii rewerberacji od czasu. Jednym z wariantów takiej metodyki jest grafik Schredera. Na rysunku 19(a) jest pokazany grafik zagasania (po Schrederu), który jest charakterystyczny dla dobrej rewerberacyjnej kamery. Jednak w studiach jest zawsze obecne dźwiękowchłanianie, dyspersja (dyfuzja) i cały szereg odzwierciedleń, które wspólnie wnoszą istotne korekty do realnego obrazu zagasania, robiąc jej krzywą mniej płynną (rysunek 17).

Na rysunku 19(b) są pokazane grafiki, charakterystyczne dla typowych studyjnych pomieszczeni. A na rysunku 20 jest pokazany szereg realnych rewerberacyjnych charakterystyk różnych pomieszczeni, które mają jednakowe znaczenie RT60 i które mogły by dawać bardzo podobne grafiki, gdyby wymiary wytwarzały się po takiej samej metodyce, jak i na rysunku 18. Z grafika na rysunku 20 widać, że pomieszczenie, charakterystyka którego na wykresie jest oznaczona nieprzerwanej krzywą linią, ma znacznie mniej rewerberacyjnej energii, czym ostatnie. Pomieszczenie z taką charakterystyką ma szybsze początkowe zagasanie i będzie mniej maskował niuanse średniego poziomu głośności w tych dźwiękach, które pojawiają się w drugej połowie sekundy po podnieceniu głośnego dźwięku. A oto ostatnie pomieszczenia, charakterystyki mają wygląd kropkowanych linii, będą posiadały bardziej nasyconym brzmieniem. Więc, bardzo często właśnie charakterystyka początkowego czasu zagasania (na przykład, czas zagasania na 10 dB) więcej mówi nam o akustykę pomieszczenia, czym znaczenie RT60 tego ż pomieszczenia.

Jak można odznaczyć z wyżej powiedzianego, wymiar rewerberacji i ocena początkowych akustycznych właściwości pomieszczenia są bardzo nie prostym zajęciem. Istnieją i inne skomplikowane metodyki wymiarów, które nie rozpatrują się w tym cyklu płci. Ale, w zasadzie, można wysnuć o to, że jeśli pomieszczenie nie ma poważnych problemów, związanych z jaskrawymi przejawami rezonansów w rewerberacyjnych ogonach, to grafik Schredera najwięcej pasuje dla oceny czasu rewerberacji, przy czym głównym  interesującym nas momentem jest szybkość zagasania energii w pomieszczeniu.

Рисунок 20.  Три разные характеристики затухания с номинально одинаковыми значениями RT60, составляющими 2 секунды. Видно, что кривая №3 содержит в целом наиболь-шее количество энергии, поэтому, если бы эти кривые представляли собой комнаты, комната №3 звучала бы громче всех, а комната №1 давала бы более отчётливое восприятие нюансов

Rysunek 20. Trzy różne charakterystyki zagasania z nominalnie jednakowymi znaczeniami RT60, składającymi 2 sekundy. Widać, że krzywa №3 zawiera na ogół największą ilość energii, dlatego, gdyby te krzywe były pokojami, pokój №3 brzmiał by głośniej za wszystkich, a pokój №1 dawał by wyrazisty odbiór niuansów

Rozwój komputerowej techniki doprowadził do tego, że stało się możliwym zjednoczenie i odzwierciedlenie tradycyjnych grafików RT60 wspólnie z t.zw. grafikami ETC. Takie grafiki są bardzo wygodne dla analizy, ponieważ oni dają wygląd w perspektywie po trzech osiach, które można spojrzeć na rysunku 21: osiami jest odpowiednio amplitudę dźwięku, czas i częstość.

W jakimkolwiek razie trzeba pamiętać, że żadne grafiki nie pozwolą dać dokładną ocenę akustycznym właściwościom pomieszczenia, ponieważ informacja dla jakichkolwiek grafików «usuwa się» z pomiarowych mikrofonów, które daleko nie tak wrażliwe, jak nasz słuch. Jest i inna odmienność. Na przykład, w trakcie ewolucji czułość naszego słuchowego aparatu do pionowych odzwierciedleń stanęła niższa, aniżeli do poziomych. W tym że czasie u pomiarowego mikrofonu z kolistym ukierunkowaniem ona na wszystkich kierunkach jest jednakowa. Dlatego nie wykluczono, że jakieś odzwierciedlenie, które zdaje się bezpiecznym w trakcie wymiarów, w rzeczywistości może kroić nam słuch i być dokuczliwym. W tym że czasie głośne odzwierciedlenie, że rozpowszechnia się po linii pionowej, na słuch może ignorować się. Z całego powiedzianego można wysnuć, że żadne grafiki nie powinny być jedynym źródłem informacji przy podjęciu decyzji po akustycznym projektowaniu. Jeśli chcemy dowiedzieć się jeszcze do budownictwa pokoju, jak ona zadźwięczy, to prosta budowa grafików jakichś zawczasu zadanych charakterystyk mało co da. Nam trzeba udać się jeszcze i do innych metod.

Przyrodnicze pytanie: co nam z tym robić i jak zrealizować wszystko to w praktyce?

Рисунок 21

Rysunek 21. ЕТС

Odpowiedź w każdym konkretnym wypadku zależy od doświadczenia i nawet od intuicji projektanta Waszego studia, a także od wymagań do Waszych studyjnych pomieszczeni, a oni dość często mocno różnią się. Ta i jednego i tegoż wyniku można domagać się różnymi metodami i technologiami, i wydać przy tym jakaś ilość pieniędzy. W późniejszych artykułach rozpatrzymy wymagania do pokojów z neutralną akustyką, zmienną akustyką, do pokojów z «żywą» akustyką (na przykład, kamiennymi), a także, oczywiście, do kontrolnych pokojów.

Metody zmiany rewerberacji

Istnieją dwie ogólnie przyjęte metody, używanych dla stworzenia rewerberacji: metoda odzwierciedleń i metoda dyfuzji (dyspersja). Ostatnimi rokami takie firmy, jak RPG w USA, stworzyły szeroki asortyment akustycznych dyfuzerów (dekoncentratorów), zdolnych «robić» w szerokim częstotnym spektrum. Te dyfuzery są zbudowane na zasadzie matrycy, w której przeplatają się objętościowe sotowe rezonatory różnej głębi (rysunek 22, III i IV). Tryb rozkładu  sót i ich głąb określają się w srogej zgodności z pewnymi szeregami liczb. Dyfuzery wytwarzają się, z reguły, z drzewa, betonu i plastiku. Działanie objętościowych rezonatorów polega na tym, byle wywołać nadzwyczaj chaotyczne odzwierciedlenie dźwiękowej energii, przy którym jest wyłączony zauważalny przejaw których by to nie było oddzielnych odzwierciedleń. Taka dyspersja stwarza niezwykle wygładzoną rewerberację, co pozwala dostroić ogólny czas rewerberacji tak, by ono odpowiadało stosunkowi dyfuzyjnych (dekoncentrujących) powierzchni do dźwiękochłonnych powierzchni, chociaż dla stosunkowo równomiernego podziału rewerberacji w pomieszczeniu trzeba, byle i podział dekoncentrujących powierzchni był stosunkowo równomiernym. Dla dyspersji podejdą jakiekolwiek powierzchni, oprócz, naturalnie, podłogi, drzwi i okien.

Rysunek 22. Dokładne kreślenie obracających boazerii (wygląd z przekroju poprzecznego) – cztery warianty. Podobne powrotne urządzenia mogą zapewnić odbijające, dekoncentrujące (dyfuzne) albo chłonne właściwości jak na ogół, tak i częściowo (przy ich ustawieniu do pośredniego położenia). Ich można stosować dla ścian i sufitów

Zdawało się by, wszystko prosto: bierz i dodawaj dyfuzery dopóki nie otrzymasz pożądanego czasu rewerberacji (powrotne boazerie z podobnymi dyfuzerami, obrysowane na rysunku 22, stosują się w pomieszczeniach z zmienną akustyką). Ale w takim wypadku pomieszczenie może przegrać w planie swojej «muzykalności», ponieważ jemu nie będzie chapał mimo wszystko dyskretnych odzwierciedleń, do których wszystkie tak oswoiliśmy się. Na szczęście, domagać się ich dosyć lekki za pomocą boazerii, że odbijają, albo odbijających powierzchni tychże powrotnych boazerii, obrysowanych na rysunku 22.

Więc, przy stworzeniu w pomieszczeniu pewnej rewerberacji jest potrzebne stosować w tej czy innej mierze obie metody: i dyspersję, i odzwierciedlenie. Trzeba również wyróżnić, że te metody są przydatne tylko do stosunkowo dużych pomieszczeni. W malutkich pomieszczeniach na kształt spikerskiej kabiny oni nie są czynne, ponieważ w takich pomieszczeniach zjawiska dyfuzji i dyfrakcji są bardzo znikomymi. A propos, omawiając akustyczne właściwości takich malutkich pomieszczeni, właściwie będzie mówił nawet nie o czas rewerberacji, a szybciej o czas zagasania.

Zdecydowana większość sal tonowych w studiach naszego kraju śmiało można odnieść do kategorii niewielkich pomieszczeni. Główne zadanie przy projektowaniu takich pomieszczeni zwykle polega na tym, byle stworzyć w nich akustykę, pomagającą brzmieniu muzycznych instrumentów, ale jednocześnie nie «że oświadcza» o siebie pod postacią rezonansowych plusków na własnej częstości pomieszczenia. Innymi słowami, trzeba domagać się tego, byle pomieszczenie było równie nastrojone na wszystkie noty, a także byle noty na częstości, zbieżnej z rezonansami pomieszczenia, nie wyodrębniały się. Takie pomieszczenie musi posiadać takim dźwiękowym przestrzennym, przy którym sami różni muzycy odczuwali by siebie komfortowo: jak osobiście, tak i w planie brzmienia swoich instrumentów. Akustyczne charakterystyki takiego pomieszczenia muszą pozwalać inżynierom dźwięku rozsadzać muzyków i ustalać mikrofony praktycznie wszędzie, gdzie im to zachce się. Podobnymi akustycznymi właściwościami posiadają pokoje z neutralną akustyką (t.zw. neutralne pokoje), o które będzie opowiedziano w następnym artykule.

Wynik

W ramkach tego artykułu rozewarliśmy dosyć dużo problemów, oświetleniu których jest poświęcona duża ilość książek. W tym że czasie spróbowaliśmy zrobić to prostym i dostępną mową, bez dużej ilości skomplikowanych formuł i specjalnego mianownictwa po to, żeby zaznajomić z tym materiałem jak najwięcej czytacze. I jeśli właściciele studiów, w których ściany są oklejone opakowywaniami spod drobiowych jajek (“dla dobrej akustyki”), zrozumieją absurdalność tego wszczynania, to też można postrzegać jak dodatni wynik.

Ale jakby nie pragnęliśmy obejść specjalne mianownictwo, zapoznawać się z nim stopniowo mimo wszystko przypadnie. Na przykład, w tym artykule była taka fraza: «Ta strefa może się ciągnąć od infraniskich częstości do dolnej średniej częstości». Trochę niezwykle brzmi – «dolnej średniej częstości», – tak czy nie? Rzecz w tym, że cały dźwiękowy diapazon warunkowo rozdzieliony na kilka węższych diapazonów, które mają swoje nazwy. Oto oni:

Nazwa diapazonu Częstotny diapazon

  • Poddźwiękowy diapazon                                  0 – 20 Hz
  • Diapazon bardzo niskiej częstości         15 Hz – 50 Hz
  • Diapazon niskiej częstości                       20 Hz – 250 Hz
  • Diapazon dolnej średniej częstości      200 Hz – 500 Hz
  • Diapazon średniej częstości                   250 Hz – 5 kHz
  • Diapazon górnej średniej częstości         2 kHz – 6 kHz
  • Diapazon wysokiej częstości                     5 kHz – 20 kHz
  • Diapazon bardzo wysokiej częstości      15 kHz – 25 kHz
  • Ultradźwiękowy diapazon                        20 kHz – ∞

W tej i w późniejszych artykułach również często będziemy operowały takim pojęciem, jak decybel.

Co mianowicie decybel i poziom dźwiękowej presji (SPL)?

Nasz słuchowy aparat jest zdolny do odbioru ogromnego dynamicznego diapazonu. Zmiany w presji powietrza, że wywołują się najcichszymi z postrzeganych na słuch dźwięku, składają trybu 20 μPa (20 mikropasksli), czyli 0,00002 Pa. W tym że czasie dźwięki z poziomem, że przybliża się do progu bolowych odczuć dla naszych uch, składają trybu 20 Pa. W wyniku, współzależność między najcichszymi i najgłośnymi dźwiękami, które może postrzegać nasz słuchowy aparat, składa jeden do miliona. Jeśli że mówić, na przykład, o poziom dźwiękowej presji reaktywnych silników samolotów, to ta współzależność składa prawie jeden do miliarda! Mierzyć takie różne po poziomie sygnały w liniowej skali dosyć неудобно, a poza tym – nie naocznie. W celu ściskania takiego szerokiego dynamicznego diapazonu do lekkostrawnych liczb było wprowadzono pojęcie «beły» (bel). Beły – to prosty logarytm stosunku dwóch miar; a decybel jest równy jedną dziesiątą biała.

Żeby wyrazić akustyczną presję w decybelach, trzeba sprowadzić presję (w paskalach) do kwadratu i rozdzielić jego na kwadrat wzorowej presji. Dla wygody, zestawienie do kwadratu dwóch presji wykonuje się poza logarytmem (że jest wygodnym właściwością logarytmów).

Dla przekształcenia akustycznej presji do decybelów istnieje taka formuła:

decybely= 10 х log10 = {p2/p02} = 20 x log10= {p/p0} ,

gdzie

p – że interesuje nas akustyczna presja;

po – wyjściowa presja.

Gdy jak wzorowa presja bierze się 20 μPa, to dźwiękowa presja, wyrażona w decybelach, nazywa się poziomem dźwiękowej presji (SPL – od ang. sound pressure level). Więc, dźwiękowa presja równa 3 Pa ekwiwalentnie poziomowi dźwiękowej presji 103,5 decybelów (dB), więc:

SPL = 20 x log10{3/20 x 10-6} = 103,5 dB

Wyżej wymieniony akustyczny dynamiczny diapazon można wyrazić w decybelach pod postacią następnych poziomów dźwiękowej presji: od 0 dB – dla najcichszych dźwięków 120 dB – dla dźwięków na poziomie bolowego progu i do 180 dB dla najgłośnych dźwięków.

Decybelami można również korzystać i dla wyrażenia elektrycznej wielkości, takich jak napięcie i siła prądu, i w tym wypadku wzorowe znaczenie zależy od konkretnego wypadku (i musi być koniecznie wskazano).

Przy rozpatrzeniu wielkości, u których są jednostki potęgi – takich jak potęga dźwięku albo elektryczna potęga – nie obowiązkowo sprowadzać tę wielkości do kwadratu wewnątrz logarytmu, a dlatego stosunek dwóch potęg W1 i W2,, wyrażone w decybelach, składa:

10 x log10{W1/W2}

Następny artykuł naszego cyklu będzie poświęcony izolacji dźwiękowej i akustycznej obróbce pomieszczeni dla zapisu. I zaczniemy, szybciej za wszystko, z pomieszczeni, że mają t. zw. «neutralną» akustykę.

Tłumaczenie z rosyjskiego – Andrzey Baszmakow

“Install Pro”, №23 (4-2003)

Popularity: 24% [?]

Share this Page:
Digg Google Bookmarks reddit Mixx StumbleUpon Technorati Yahoo! Buzz DesignFloat Delicious BlinkList Furl

Comments are closed.