Урок 2. Деяка теорія…

В попередній статті ми обговорили цілі й завдання даного циклу статей та, зокрема, зупинилися на питанні вибору приміщення для майбутньої студії й попередню підготовку. Але перш ніж приступити до подальшого викладу матеріалу, необхідно зупинитися на деяких теоретичних питаннях, без розгляду яких подальше обговорення «навколостудійних» проблем може здатися непереконливим і навіть викликати труднощі. Адже далі ми все частіше будемо вживати такі поняття, як «фаза», «час реверберації», «моди», «стоячі хвилі» і т.п. Впевнений, що більшості читачів це все добре відомо. Проте не зашкодить згадати ще раз або просто уточнити термінологію. Мало того, використання цих знань може бути корисним і в повсякденній роботі звукоінженера. Адже, наприклад, іноді під час запису, перш ніж хапатися за ручки еквалайзера, досить просто переставити мікрофон й/або музичний інструмент в інше місце того ж самого приміщення; і цей метод однозначно буде більше прийнятним, ніж еквалізація. Але – про все по черзі.

Звукова хвиля

Що являє собою звукова хвиля? Звук складається з безлічі локальних змін щільності повітря, які хвилеподібно поширюються в повітряному середовищі з певною швидкістю, котру називають швидкістю звуку. При звичайній кімнатній температурі швидкість звуку становить близько 340 метрів у секунду, а незначні відхилення у швидкості звуку залежать головним чином від температури повітря. Треба також відзначити, що на всіх частотах звукова хвиля поширюється практично з однаковою швидкістю. Швидкість звуку позначається у формулах символом “с”.

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

Рисунок 1. Звукова хвиля синусоїдальної форми. В - точка найвищого тиску; D - точка максимального розрідження; A-C - напівцикл тиску; C-D - напівцикл розрідження

Одними з головних характеристик звукової хвилі є її довжина (обумовлена кількістю періодів/циклів зміни тисків за одиницю часу), амплітуда (максимальна різниця між найвищим і найнижчим тиском усередині одного циклу), форма хвилі й т. ін.

Відстань, котру звукова хвиля проходить зі швидкістю звуку за один цикл на певній частоті, називається довжиною хвилі. Під повним циклом мається на увазі підвищення тиску повітря, проходження його через точку найбільшого тиску, потім зниження тиску, проходження через «нульову відмітку», подальше зниження тиску із проходженням через точку максимального розрідження, а потім підвищення тиску до вихідної величини. Таким чином, один цикл містить у собі два напівцикли: напівцикл тиску й напівцикл розрідження (див. рисунок 1). Довжина хвилі виміряється в метрах (дециметрах, сантиметрах), а у формулах позначається символом “λ” (лямбда).

Кількість повних циклів змін тиску за одиницю часу називається частотою. Частота звукової хвилі виміряється в кількості повних циклів за секунду, а саме – у герцах. У формулах частота позначається символом “f“.

Між довжиною хвилі, частотою й швидкістю звуку існує взаємозв’язок, що виражається простою формулою λ = c/f. Інакше кажучи, довжина хвилі дорівнює швидкості звуку поділеної на частоту. Наприклад, нам потрібно визначити довжину хвилі на частоті 100 Гц. Підставляємо значення у формулу. Виходить: λ = 340 : 100 = 3,4 метри. А щоб не звертатись постійно до формули, можна досить швидко скласти собі невелику таблицю, що відображає співвідношення частоти до довжини хвилі.

Поширення звукової хвилі й фаза

Як же відбувається поширення звукової хвилі у приміщенні?

Поширюючись у приміщенні від свого джерела (гучномовця, музичного інструмента і т. ін.) звукова хвиля розширюється, поки не досягне граничних поверхонь цього приміщення: стін, підлоги, стелі, ін. Що відбувається далі, ми вже згадували в попередній статті. Нагадаю: частина енергії звукової хвилі (особливо в низькочастотному діапазоні) проходить крізь стіни, частина поглинається всередину стін, а частина відбивається назад у середину приміщення. У різному ступені всі три види розподілу звукової енергії присутні практично у всіх випадках. Але ми тут зупинимося на останньому випадку.

Рисунок 2. Синусоїдальна хвиля; амплітуда і фаза. Якщо довжина периметру окружності дорівнює одному циклові синусоїди (відстань від А до Е), то по мірі обертання радіальна лінія цієї окружності буде показувати кут, котрий відповідає значенню фази синусоїди в конкретній точці

Відбита звукова хвиля, втративши частину енергії, змінить напрямок і буде поширюватися, поки не досягне інших поверхонь приміщення, від яких вона знову відіб’ється, втративши при цьому ще частину енергії, і т.д. Так буде тривати, поки енергія звукової хвилі остаточно не згасне. Якщо, наприклад, у порожньому приміщенні включити пару гучномовців, то звук від них почне зіштовхуватися з поверхнями приміщення й переміщатися по дуже складних траєкторіях. На слух це буде сприйматися так: спочатку ми почуємо прямий звук безпосередньо від гучномовців, через декілька міллісекунд до прямого звуку «домішаються» перші (і найдужчі) відбиття від поверхонь, а ще через якийсь час цих відбиттів (хоча й набагато більше слабких) буде безліч. Власне, їх ми й називаємо реверберацією. До речі, розсіювання звукової енергії в приміщенні являє собою перетворення її, в основному, в теплову енергію через опір повітря й внаслідок кожного зіткнення з поверхнями стін. Чи не по цій причині в студіях з гарним звукопоглинанням часто буває так спекотно?

Але з початку ми розглянемо «поведінку» ранніх відбиттів і ті ефекти, які вони спричиняють. При зіткненні звукової хвилі з поверхнею вона частково відбивається під тим же кутом, під яким вона падає на цю поверхню, але фаза звукової хвилі при цьому не змінюється. Що таке фаза? Давайте уявимо собі окружність, довжина периметру якої дорівнює відстані між точками А и Е (рисунок 1, 2); інакше кажучи, дорівнює довжині хвилі на певній частоті. У міру «обертання» цієї окружності її радіальна лінія в кожному окремо взятому місці синусоїди буде перебувати на певній кутовій відстані від початкової точки, що й буде значенням фази в кожній такій точці. Фазу вимірюють у градусах, рідше – у радіанах. Один радіан – це кут, при якому окружність «провернулася» на довжину свого радіуса. Тому:

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

Рисунок 3. Фазова залежність віддзеркалених хвиль. Звукові хвилі на різних частотах (а, значить, і різної довжини), що випромінюються джерелом звуку з однією і тією ж фазою, після проходження однакової відстані досягають поверхні з різною фазою

360° = 2π радіана

(інакше кажучи, довжина окружності дорівнює 2π помножене на значення радіуса)

Звідси

1 радіан = 360° / 2π = приблизно 57,3°

Більшості з нас відомо, що зміна фази на 180° приводить до зміни полярності. Тому, якщо змішати два сигнали однакової частоти й амплітуди, але незбіжні на 180° по фазі, то ці сигнали будуть взаємно компенсуватися. Поворот фази сигналу на 360° або 720° дорівнює відповідній кількості повних циклів, а це означає повернення до нульового значення фази.

Отже, ми вже говорили, що при зіткненні звукової хвилі з поверхнею фаза звукової хвилі не змінюється. Ми також з’ясували, що між відстанню, пройденою звуковою хвилею, і фазою існує залежність. А це значить, що при досягненні граничної поверхні фаза звукової хвилі залежить від відстані від джерела звуку до поверхні й від частоти цієї звукової хвилі. На рисунку 3 можна побачити, як хвилі з різною частотою, розповсюджуючись від одного джерела, доходять до відбиваючої поверхні з різною фазою. Фазу відбитої звукової хвилі можна розрахувати із сумарної відстані, що пройшла хвиля від свого джерела до граничної поверхні й назад. Якщо ця сумарна відстань, розділена на довжину хвилі, дає ціле число, то фаза хвилі на початку й наприкінці її шляху збігається.

Моди й резонанси

Коли дві граничні поверхні є паралельними, то звукова хвиля відбивається від однієї з них у напрямку іншої, потім знову у зворотньому напрямку, і так багато разів, поки її енергія не розсіється. І якщо відстань між граничними поверхнями – від джерела звуку до першої поверхні, потім до другої поверхні й назад до джерела – є кратна довжині хвилі, то хвиля, що повертається, буде такою ж по фазі, що й вихідна хвиля. У результаті їхньої взаємодії енергія звукової хвилі на цій частоті буде підсилюватися. Це явище називається резонансом. Резонанси можуть виникати також внаслідок відбиття від безлічі поверхонь. Головне в тім, щоб звукова хвиля в остаточному підсумку поверталася у вихідну точку з тією ж фазою, з якою вона була в момент випромінювання. Важко уявити, скільки можливих комбінацій, що породжують резонанси, може бути в самому звичайному приміщенні.

Декотрі з таких відбиттів знову й знову проходять назад і вперед по тому самому маршруті й стають резонансними модами. Існує три основних типи резонансних мод, які схильні до наростання й самопосилення. Осьові моди існують між двома паралельними поверхнями й поширюються паралельно до інших чотирьох поверхонь будь-якого приміщення у формі паралелепіпеда (чотири стіни, стеля й підлога). Тангенціальні (дотичні) моди «ходять» по колу, торкаючись чотирьох поверхонь, і залишаються паралельними до двох інших поверхонь. Косі (похилі) моди «гуляють» між всіма шістьома поверхнями кімнати й не поширюються паралельно ні до однієї з них.

Якщо уявити, що в приміщенні ніщо не поглинає енергію звукової хвилі, то короткий широкосмуговий імпульс від джерела звуку буде поширюватися в приміщенні непередбачено. Звукова хвиля буде поширюватися по самим численним маршрутам, але підсилюватися будуть тільки ті частоти й на тих маршрутах, які відповідають резонансним частотам, а всі інші швидко згаснуть. У результаті ми одержимо звукове поле, що буде являти собою суму збуджених резонансів. Ці резонансні напрямки називаються природними модами приміщення, а резонансні частоти – природними частотами приміщення (айген-тонами). Природні моди й природні частоти приміщення визначаються тільки його геометричними розмірами й властивостями.

У попередньому абзаці ми навмисно розглянули випадок, коли усередині приміщення відсутнє звукопоглинання. Зроблено це було для того, щоб продемонструвати виникнення природних мод і природних частот приміщення. Якщо ж поверхні приміщення мають звукопоглинаючі властивості, то резонансні моди як і раніше теж існують, однак енергія звукової хвилі згасає швидше, і швидкість цього згасання залежить від ступеня звукопоглинання. Для підтримки у звукопоглинаючому приміщенні рівня звуку на заданому рівні, джерело звуку повинно постійно генерувати звук на рівні, що залежить як від наявності в приміщенні збуджених резонансних мод, так і від ступеню звукопоглинання поверхонь приміщення.

Якщо у звукопоглинаючих умовах джерело звуку видає короткий поодинокий сигнал, це призводить до порушення численних маршрутів його руху. Але через короткий час «виживають» тільки резонансні моди, а приміщення продовжує якийсь час «гудіти» на резонансних частотах, поки моди не згаснуть повністю. До речі, час згасання енергії звукової хвилі на 60 dB відносно свого вихідного рівня, називається часом реверберації. Виміряється час реверберації як середня швидкість згасання звуку в приміщенні з моменту різкого переривання роботи постійно діючого джерела звуку. Детальніше про час реверберації – трохи пізніше.

По мірі збільшення ступеня звукопоглинання поверхонь кімнати рівень звуку на резонансних частотах падає, а «частотна смуга» кожної моди (діапазон частот, у якому мода може більш-менш збуджуватися) збільшується. І якщо представити випадок, що поверхні стін мають стовідсоткове звукопоглинання (наприклад, безлунна камера), то в цьому випадку будуть відсутні навіть перші відбиття звукової хвилі. А якщо це так, то пропадають і маршрути цих відбиттів, а значить – моди припиняють своє існування.

Виходить так, що значна частина цієї статті буде присвячена модам, резонансам та їхньому розподілу в приміщенні. І це не дивно, тому що саме вони в основному й визначають акустичні особливості будь-якого приміщення. А вимоги до студійних приміщень у цьому сенсі є дуже високими. Коли в приміщенні лунають звуки – наприклад, мова або музика – рівень безперервних складових звучання залежить від того, збігаються вони з якими-небудь збудженими резонансами приміщення чи ні. Імпульсні ж складові звучання, – уже після того як зникає імпульсний сигнал – «зависають» на резонансних частотах. Це може проявлятися у вигляді нерозбірливості вокалу, бубніння, небажаного забарвлення при звучанні інструментів і т. ін., що в студіях, м’яко кажучи, не вітається.

Тему, якої ми зараз торкнулися, будемо розширювати й далі по ходу нашого оповідання. У якому б напрямку ми не рухалися в пошуках шляхів створення гідної акустики студійних приміщень, наше завдання завжди буде зводитися до необхідності заглушення резонансу приміщень. Саме так ми зможемо домогтися того, щоб приміщення володіли потрібним нам рівнем «музичності» і сповна відповідали нашим цілям. Ми, в остаточному підсумку, повинні домогтися такого звучання, яке б нас влаштовувало й не визначалося перевагою власних резонансних частот приміщення. Найбільш очевидними тут представляються два напрямки. По-перше, це варіанти зміни геометрії приміщень; у цьому випадку ми можемо поставити під свій контроль траєкторію поширення хвиль, а значить – і резонансні моди, і їх частоти. По-друге, застосування звукопоглинаючих конструкцій; це дозволить нам домогтися контролю як над рівнем відбиттів, так і над поширенням звукових хвиль тих частот, які підсилюють енергію конкретних мод.

Тому я пропоную далі розглянути ефект геометричного конфігурування приміщень, вплив звукопоглинаючих конструкцій, а також частотний розподіл природних резонансів приміщення.

Геометричне конфігурування приміщень

Ефект геометричного конфігурування приміщення складається в зміні кутів між стінами, зміні їхнього розміру й кількості, а також у зміні пропорцій між розмірами стін. З попередньої розповіді нам уже ясно, що геометрично паралельні поверхні сприяють виникненню осьових мод. Із усієї сукупності резонансних мод (осьові, тангенціальні й косі) саме осьові моди за рахунок відбиттів між паралельними стінами сприяють виникненню найдужчих резонансів. Поняття паралельності в акустичному й геометричному розумінні слова – різні, і поняття акустичної паралельності залежить не тільки від геометричної паралельності, але й від частоти звукової хвилі, що відбивається між поверхнями. Це питання добре освітлене в книзі Філіпа Ньюелла “Recording Spaces”, а міркування автора на цю тему приводяться нижче.

Рисунок 4. Геометрично паралельні стіни. Звук, що виходить з точки X, розповсюджується у всіх напрямках, але звукові хвилі, що йдуть в напрямку точок Y и Z віддзеркалюються по тому ж самому шляху, по якому вони йшли з самого початку. Вони продовжують віддзеркалюватись туди й назад до тих пір, поки нарешті їх енергія не розсіється в стінах та повітрі

«На рисунку 4 показані дві стіни, що відбивають, довжиною по 10 метрів з відстанню між ними теж в 10 метрів. Вони паралельні геометрично, а тому паралельні й акустично на всіх частотах. Оплеск у долоні з точки Х народжує звук, що містить дуже багато частот, і цей звук буде поширюватися від джерела у всіх напрямках. Хвилі, що вдаряються в точках Y і Z, будуть відбиватися назад, проходячи через позицію джерела, «гуляючи» туди й назад уздовж лінії Y-X-Z. Частоти, довжина хвиль яких кратна відстані між точками Y і Z, будуть проходити по позитивних і негативних піках тиску в тих позиціях у приміщенні, які збігаються по кожному відбиттю. Вони будуть збуджувати резонансні моди, що сильно підсилюють один одного й відчуваються на слух, як правило, у якихось окремих точках приміщення, не проявляючись при цьому в інших місцях. Картина ущільнення стоячої хвилі (про те, що таке стояча хвиля, поговоримо нижче – А.К.) на частоті 70 Hz показана на рисунку 5. Світлі ділянки – це області розрідження, у яких резонанс на частоті 70 герців на слух сприйматися не буде, а темні ділянки – це області збільшення тиску, у яких 70-герцева складова звуку буде чітко проявлятися.

А тепер ми змінимо кут положення стін так, як показано на рисунку 6, коли кінець однієї стіни присунуто до іншої стіни на 1,5 метри. Так у нас буде дві стіни з нахилом близько 15° у відношенні одна до одної. Тепер оплеск у долоні з точки X теж породить хвилю, що йде в напрямку точки Y, що у відбитому виді повернеться в позначку джерела й продовжить свій шлях до точки Z. В ту ж точку Z буде спрямована й пряма хвиля. І пряма, і відбита хвилі відіб’ються в точці Z, але вже не в напрямку Y, як у випадку з геометрично паралельними стінами, а в напрямку F. Потім вони відіб’ються в напрямку точки G, а потім – у напрямку H. На відміну від випадку з геометрично паралельними стінами, показаного на рисунку4, у цьому випадку людина, що знаходиться в точці X, не буде чути деренчливу луну, а більша частина резонансної енергії мод приміщення буде відбиватися тангенціально, «проходячи» у приміщенні по більш ускладненому шляху. Однак у той час як високі частоти будуть відбиватися по маршруту Y-Z, Z-F, F-G, G-H, осьові моди на низьких частотах, у яких довжина хвилі досить велика, можуть як і раніше проявляти свою «живучість». Звідси висновок, що на низьких частотах стіни як і раніше продовжують залишатися акустично паралельними.

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

Рисунок 5. Величина поля тиску, що виникає від точкового джерела, що розташоване між стінами, як показано на малюнку 4

На рисунку 7 показана картина розподілу щільності стоячої хвилі на частоті 70 Hz для випадку, продемонстрованого на рисунку 6. Ця картина разюче схожа на ту, що була показана на рисунку 5. Хоча з рисунка 6 і виходить, що непаралельне положення стін різко змінює маршрути руху звукових відбиттів, що виникає від оплеску у долоні, та створює дуже сильну дисперсію (розсіювання) на високих частотах, на низьких частотах мало що міняється. Грубо говорячи, для того, щоб геометричне конфігурування приміщення мало акустичний результат, потрібно щоб розходження в довжині шляху, що проходить кожне наступне відбиття стосовно попереднього, було відповідно довжині хвилі. Якщо на частоті 50 Hz довжина хвилі становить приблизно 7 метрів, такий кут зрушення стін, що дозволив би домогтися акустичної непаралельності, можливий, імовірно, лише у великих приміщеннях, розмірами з концертний зал. Стосовно звичайних студій звукозапису, то в них таке конфігурування відняло б занадто багато потенційно корисного місця.

Який висновок можна зробити зі сказаного? По-перше, геометрично паралельні поверхні в більшості випадків є й акустично паралельними. А це значить, що наявність паралельних поверхонь сприяє виникненню осьових резонансів, що для нас небажано. По-друге, чим на більш низьких частотах ми прагнемо досягти акустичної непаралельності, тим більшою повинна бути геометрична непаралельність і площа поверхонь.

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

Рисунок 6. Все те є саме, що й на малюнку 4, але одна поверхня, що відбиває, здвинута таким чином, щоб створити геометричну непаралельність між поверхнями A-B та C-D. Тут вже не буде чітких ехо-сигналів на кшталт тих, котрі виникають між поверхнями на малюнку 4, тому що віддзеркалені сигнали не йдуть одним і тим же шляхом (їх шляхи не повторюються). Середньо- та високочастотні звуки, що розповсюджуються в напрямку точок Y та Z з точки X, йдуть потім за маршрутом Z-F, F-G, G-H і так далі. Однак на низьких частотах ситуація навряд чи може відрізнятися від тієї, що зображена на малюнку 4

На рисунку 8 продемонстровано вплив конфігурації стін (показаних на рисунках 4 й 6) на акустику приміщення. Як видно із графіків, на частотах вище 300 герців геометрична непаралельність стін помітно знижує рівень модальної енергії. Однак на частотах нижче 100 герц помітних розходжень не спостерігається. Це свідчить про те, що в цьому частотному діапазоні стіни, зображені на рисунку 6, в акустичному сенсі, як і раніше, залишаються паралельними. На частотах вище 300 герц рівень модальної енергії зменшується через те, що при геометричному конфігуруванні стін високочастотні моди перетворяться в основному з осьових у тангенціальні. А у тангенціальних мод не тільки більш складна траєкторія, але вони ще й відбиваються від стін під непрямим кутом, що призводить до більших втрат енергії, чим в осьових модах, які відбиваються від поверхонь перпендикулярно. Геометричне переконфігурування поверхонь дасть ефект на частотах з такими довжинами хвиль, коли при кожному їхньому відбитті й поверненні до вихідної стіни сумарна відстань буде змінюватися не менш, ніж на половину довжини хвилі, а також, природно, і на більш високих частотах. Дещо заплутано? Тоді як приклад ще раз розглянемо рисунок 6.

Допустимо, що внаслідок відбиття від непаралельних поверхонь звукова хвиля поширюється по таких маршрутах: Y-Z – 10 метрів; Z-F – 10,5 метрів; F-G – 11 метрів; G-H – 12 метрів. При першому відбитті до вихідної стіни звукова хвиля пройде 20,5 метрів (10+10,5), а при другому відбитті – 23 метра (11+12). Різниця при цьому складе 2,5 метри (23 – 20,5). Якщо представити відстань в 2,5 метри, як половину довжини хвилі, то повна довжина хвилі складе 5 метрів (2,5 х 2). Пам’ятаючи про швидкості звуку 340 м/сек і використовуючи формулу λ = c/f, згадану на початку статті, вираховуємо результат:

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

Рисунок 7. Величина поля тиску, що виникає від точкового джерела, яке розташоване між стінами, що показані на малюнку 6

λ = с/f

f = c/λ

f = 340/5

f = 68 герц

В результаті цих розрахунків можна говорити про те, що зазначена непаралельність стін забезпечить дисперсію (розсіювання) звукових хвиль починаючи від 68 герц і вище. В цьому ж частотному діапазоні ми можемо не боятися виникнення осьових мод між цими поверхнями. Але на більш низьких частотах буде проявлятися ефект гребінчастого фільтрування, тому що звукова хвиля буде по черзі проходити через посилюючу, нейтральну й послаблюючу області. Сильне гребінчасте фільтрування на низьких частотах впливає на музику й тому небажано в студіях звукозапису, хоча в деякій мірі воно має місце у всіх приміщеннях зі звуковідбивними поверхнями. Таким чином, хоча геометричне конфігурування поверхонь, що відбивають звук, є ефективним для пригнічування мод на середніх і високих частотах, на низьких частотах тільки геометричні рішення, як правило, бажаних результатів не дають. Тому додатково доводиться прибігати до звукопоглинання. Тим більше, що крім усього іншого паралельні поверхні створюють ще й повторюваний брязкіт (у просторіччі – ефект «пральної дошки»), що виникає від шумів зіткнення звукової хвилі з поверхнею, що відбиває.

Рисунок 8. На цих графіках показана характеристика звуку в точці X в тих випадках, що зображені на малюнках 4 и 6

Раніше ми вже говорили про те, що при випромінюванні звуку між двома паралельними поверхнями (якщо вони не є на 100% звукопоглинаючими) неминуче утворення аксіальних мод, що призводить до формування певної резонансної картини. Звичайне приміщення у формі паралелепіпеда має три пари таких поверхонь: дві пари – між протилежними стінами; одна пара – «підлога-стеля». Якщо припустити випадок, коли приміщення має форму куба, у якого всі парні паралельні поверхні розташовані одна від одної на однаковій відстані, всі аксіальні моди будуть мати однакову довжину шляху й мати однакові резонанси. Це приведе до сильного резонансного нагромадження енергії на цих частотах. В результаті приміщення буде мати насичений резонансний характер з надпотужними резонансами, що руйнують музичну фактуру будь-яких озвучених у ньому інструментів. Зі сказаного можна зробити висновок, що приміщення у формі куба як стартова позиція при будівництві студійного приміщення є не кращим варіантом. Проектувальникові Вашої студії напевно відома формула (відома як «графік Болта», хоча ним теж варто користуватися з деякою обережністю), по якій розраховуються бажані пропорції сторін приміщення, при яких забезпечується найбільш різноманітний «асортимент» модальних частот та найбільш якісне загальне звучання. Як варіант, ми можемо, наприклад, орієнтуватися на пропорції 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 і т.д. Можуть бути й інші пропорції. Філіп Ньюелл, наприклад, говорить, якщо приміщення має форму коробки для взуття (у масштабі :) ), то це, як правило, непоганий варіант.

Для більшої наочності розглянемо приклад розподілу аксіальних мод у двох приміщеннях: одне має форму куба зі стороною 4 метри, а інше – розмірами 2,5 х 4 х 5,25 метрів (тобто з дотриманням пропорції 1:1,6:2,1). Вираховувати аксіальні моди ми будемо по формулі:

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

Рисунок 9. Розподілення гармонічних резонансів у приміщенні. На схемі зображені сплески окремих гармонічних резонансів в приміщенні. На ділянці B-C резонанси знаходяться недалеко один від одного і порівняно однакового рівня. “Крива усередненого рівня” (штрихова лінія) на цій ділянці досить рівна. Однак на ділянці A-B гармонічні резонанси приміщення значно віддалені по частоті, а «крива усередненого рівня» починає вигибатись і огинати окремі сплески й провали в енергії резонансів. Це каже про те, що на ділянці А-В звучання кімнати стає нерівним, що підкреслює одні ноти більше за інші. На якій частоті знаходиться точка В — залежить від розмірів приміщення. Чим більше приміщення, тим на більш низькій частоті знаходиться точка В. З цієї причини великі кімнати мають більш рівномірне звучання через більш низькі частоти розділення резонансів

F = 340/2L

де

F – частота аксіальної моди;

L – відстань між протилежними стінами або підлогою й стелею.

Для спрощення розрахунків спростимо формулу.

Вийде:

F = 170/L

Обчислимо частоти аксіальних мод для другого приміщення.

От вони:

5,25 метра: 32,4; 64,8; 97,1; 129,5; 161,9; 194,3; 226,7; 259 Гц і т.д.

4 метри: 42,5; 85; 127,5; 170; 215,5; 255 Гц і т.д.

2,5 метри: 68; 136; 204; 272 Гц і т.д.

Для приміщення, що має форму куба зі стороною 4 метри, частоти аксіальних мод будуть наступні: 42,5; 85; 127,5; 170; 215,5; 255 Гц і т.д.

Проілюструємо наші розрахунки графіком (рисунок 14). Відобразимо на рисунку 14(а) частоти аксіальних мод другого приміщення, а на рисунку 14(b) – частоти аксіальних мод приміщення у формі куба. Проведемо криву усередненого рівня (на рисунку – жовтогаряча жирна пунктирна лінія). Можна помітити, що на рисунку 14(а) ця крива є більш гладкою, у той час як на нижньому графіку – «поводження» кривої усередненого рівня дуже сильно підпорядковується енергії окремих – віддалених друг від друга – резонансів.

Рисунок 10. На діаграмі показані частотні діапазони з різним впливом на акустику приміщення. fpz — верхня межа зони тиску; fL — частота розділу резонансів (“частота великої кімнати”). В зоні тиску особливості приміщення не позначаються на загальному звучанні. Плавно закруглена зглажена крива є усередненою характеристикою приміщення

Не буду сперечатися, у зазначених графіках не враховано багато моментів. Не враховані прояви резонансів на частотах тангенціальних і косих мод, а також енергія мод на всіх частотах. Але якщо врахувати, що аксіальні моди є самими енергоємними і сильними, то в цій частині з нашими графіками можна погодитися.

Однак у дійсності все трохи складніше. Справа в тому, що вищезгадані модальні властивості поширюються тільки на порожні приміщення. Як тільки в них установлюється обладнання й з’являються люди, то рівномірність розподілу модальних резонансів трохи втрачається. Однак, приміщення з відповідними пропорціями як стартова позиція – це набагато краще, ніж приміщення кубічної форми. З іншого боку, ці пропорції мають значення тільки для приміщень середнього розміру. Занадто малих кімнат і величезних просторів розміром з концертний зал, вони не стосуються.

Частотний розподіл резонансів приміщення

Гармонійні резонанси можна розглядати як маршрути, які проходять звукові хвилі між поверхнями, що відбивають. Якщо звук поширюється вперед та назад і повертається у вихідну точку в тій же фазі, то енергія звукової хвилі на цій частоті різко зростає, що сприяє формуванню резонансної стоячої хвилі. Відповідність відстані між двома поверхнями повним довжинам хвиль є визначальним чинником прояву резонансу. Як тільки відбувається модальний розподіл, різні частотні компоненти відтвореної музики починають чутися з різним рівнем, залежно від того, збігаються вони із природними резонансами кімнати, підсилюючись ними, чи ні.

Рисунок 11. Характеристика помещения без акустической обработки (вариант)

Рисунок 11. Характеристика приміщення без акустичної обробки (варіант)

Перші гармонійні резонанси приміщень, як правило, чітко розділені по частотах, тому акустично необроблене приміщення має характеристику, більше схожу на хвилясту лінію на рисунку 10, чим на більш «правильну» характеристику у вигляді лінії «узагальненої характеристики приміщення» на тому ж графіку. Гасіння гармонійних резонансів шляхом їхнього поглинання дозволяє мінімізувати цей ефект, що впливає на частотну характеристику. Взагалі, демпфірування в тому чи іншому ступені потрібне для будь-якого приміщення, інакше зміна тиску буде частотно- і позиційно-залежною, а на резонансних частотах у кімнаті буде «зависати» енергія. Наприклад, якщо частота тону бас-бочки збігається із частотою якогось резонансу, то Вам важко буде визначити: чи це звук бас-бочки загасає повільно, чи це повільне загасання є проявом резонансів приміщення на цій частоті.

Акустично необроблене приміщення вносить істотні зміни у звучання музичних інструментів або моніторів у цьому приміщенні. Згадайте один із принципів фірми FAR: «Звучання найкращого монітора буде настільки добрим, наскільки добра акустика приміщення, у якому він установлений». На рисунку 11 показана частотна характеристика одного з таких непідготовлених приміщень.

Перед тим, як зайнятися розрахунком системи звукопоглинання, нам необхідно визначити самий критичний частотний діапазон, у якому вплив гармонійних резонансів є найбільш руйнівним. Тому зараз ми розглянемо залежність поводження й прояву резонансів від частоти.

Коли гармонійні резонанси перекривають один одного, то частотна характеристика приміщення буде більш-менш рівномірною. Але як тільки відбувається їхній розподіл, вона стає нерівною, а звучання починає підкорятися формі окремих резонансів (див. рисунок 9). У малих кімнатах цей поділ починається з більш високих частот. Із цього випливає, що в більших кімнатах буде спостерігатися більш рівномірне звучання до більш низької частоти за умови, якщо всі інші характеристики кімнат однакові.

Щоб було більш зрозумілим, про що йде мова, пропоную поглянути на рисунок 10. На цьому малюнку показаний типовий частотний розподіл резонансів у приміщенні. По характеру прояву й поводження резонансів їх можна розділити на чотири частотних діапазони (зони):

  • зона тиску;
  • зона прояву гармонійних резонансів;
  • зона дифузії й дифракції (зона «перекривання резонансів»);
  • зона згасання відбиттів і звукопоглинання.

Найбільш проблемною зоною з погляду небажаного втручання у звучання гармонійних резонансів є друга зона – зона прояву гармонійних резонансів, яка обмежена знизу частотою fpz, а зверху – частотою fL. Як правило, саме в цій зоні може відбуватися небажаний окрас звучання. До речі, позначка fL на рисунку 10 практично відповідає позначці В на рисунку 9. Обчисливши ці дві частоти, ми зможемо визначити самий проблемний частотний діапазон при розподілі резонансів у приміщенні. Як це зробити?

Сама низькочастотна область на рисунку 10 – це зона тиску. Самою верхньою частотою в цій зоні є та частота, довжина напівхвилі якої більше самої протяжної ділянки приміщення. Ця ж частота є нижньою границею зони прояву гармонійних резонансів. Обчислюється ця частота дуже просто:

fpz = c/2Lr

де:

fpzверхня границя (частота) зони тиску (pz – pressure zone – зона тиску);

c – швидкість звуку в метрах за секунду;

Lr – сама довга сторона кімнати, у метрах (L – length (довжина); r – room (кімната)).

Щоб зрозуміти різницю в розподілі гармонійних резонансів між великими й малими приміщеннями, уявимо собі, що в нас є два приміщення: велике – розмірами 10м x 8м x 5м; мале – розмірами 3м х 2м х 2,5м (типова дикторська кабіна).

Отже, для великого приміщення верхня границя зони тиску складе:

fpz = 340/2×10 = 17 Гц

Для дикторської кабіни

fpz = 340/2×3 = 56,7 Гц

Нижче цих значень (тобто в зоні тиску) частотна характеристика приміщення буде дуже гладкою, тому що в цих діапазонах резонансні явища виникати не будуть. А коли так, то частоти в зоні тиску будуть нижчі за рівнем, чим частоти в наступній зоні, де «працює» також і відбита енергія звукових хвиль.

Тепер про те, як нам обчислити частоту fL, більше відому як «частота великої кімнати». Її також можна розрахувати простим рівнянням:

fL = K √RT60/V

де:

K – константа SI (тут: 2000);

V – обсяг приміщення в кубометрах;

RT60час згасання звуку в приміщенні на 60 db, у секундах (буде розглянуто нижче).

Спробуємо обчислити частоту fL для нашої великої кімнати, беручи до уваги, що час реверберації RT60 в ній може становити 1,2 секунди:

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 Гц.

Тепер обчислимо частоту fL для нашої дикторскої кабіни, зважаючи на те, що час реверберації RT60 в ній навряд чи буде більше, ніж 0,8 секунди:

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= 461,9 Гц.

Після цих обчислень ми можемо визначити частотні діапазони, які будуть відповідати зонам прояву гармонійних резонансів для наших приміщень. У великому приміщенні – це діапазон від 17 Гц до 109,5 Гц; у дикторській кабіні – від 56,7 Гц до 462 Гц. Це дозволяє нам зробити наступні висновки:

  1. Чим менше приміщення, тим вище частота верхньої границі зони тиску (fpz) і частота поділу резонансів (fL).
  2. Чим менше приміщення, тим ширше зона прояву гармонійних резонансів, у якій відбувається небажане змінення звуку.
  3. Чим менше приміщення, тим більше корисні частотні діапазони піддаються небажаному зміненню звучання власними резонансами приміщення; справді, на прикладі дикторської кабіни ми бачимо, що зона прояву гармонійних резонансів досягає частоти 462 Гц, що практично означає проблемний діапазон аж до звуків другої октави!

Обчислені нами діапазони частот – це ті частоти, забезпечити поглинання яких необхідно в першу чергу, якщо ми хочемо домогтися більш рівної частотної характеристики приміщення. У приміщеннях більшого розміру, обсяг яких дозволяє облаштувати звукопоглинаючі системи, рішення цих питань значно полегшується. Крім того, у більших за розміром приміщеннях енергія відбиттів змушена проходити більші відстані від джерела звуку до слухача або мікрофона, вона більш рознесена в часі й згасає набагато сильніше. Більші приміщення також мають більшу по площі поверхню, що може використовуватися для поглинання звукової енергії, що також є їхнім плюсом. У певних типах дизайну більших приміщень часови́й і просторовий розподіл поєднується з поглинаючою обробкою і тією, що розсіює. Це створює дуже приємну й зовсім рівномірну акустику.

Рисунок 12. Розподілення резонансів у приміщенні на частоті 70 Hz. Темні ділянки відповідають зонам збільшення звукового тиску, а білі відповідають зонам незмінного звукового тиску. Чим більше поверхні приміщення мають здатність відбивати звук, тим контрастнішим буде перехід від світлого до темного. Безехова камера в цьому випадку мала б показати більш-менш одноманітну «сірість»

В акустичному сенсі «розміри» приміщення залежать від бажаної частоти розподілу резонансів. Тому навіть велика кімната з рівномірним розподілом резонансів до 70 Hz в акустичному сенсі вважається невеликою, якщо не розширити цю рівномірність донизу – до 20 Hz.

Тепер розглянемо позиційний ефект при розподілі резонансів.

Цей ефект продемонстрований на рисунку 12, де показаний розподіл тиску в приміщенні при поширенні звукової хвилі із частотою 70 Hz. Більш темні ділянки – це області підвищеного тиску звуку. Джерело звуку та/або слухач, перебуваючи в більш темних областях, на частоті 70 Гц генерує або сприймає звуки набагато сильніші на відміну від більш світлих областей. Якщо в приміщенні проявляється тільки одна паразитна резонансна частота, то вирівнювання частотної характеристики можливо шляхом переносу або позиції прослуховування, або позиції джерела звуку, або й того й іншого. Однак, через різні довжини хвиль на різних частотах (якщо в приміщенні є дві або більше паразитних резонансних частоти), дані схеми зміни тиску вбік підвищення й вбік зниження не будуть збігатися позиційно. Вийшовши із проблемної зони на одній частоті, можна запросто потрапити в проблемну зону на іншій частоті.

Ще більш «ускладнює життя» те, що кожна кімната по-своєму поглинає звукову енергію, залежно від розмірів і характеру акустичної обробки. Різні матеріали поглинають різні частоти в більшому або меншому ступені. Поглинання й акустичне демпфірування визначають силу енергії відбитого звуку, а також впливають на Q (добротність) поширення енергії гармонійних резонансів (див. рис 13). Хоча Q означає «добротність», але в нашому випадку бажано мати резонанс із низьким Q, оскільки такий резонанс менш виражений і менш настирливо діє на вуха, ніж резонанс із високим Q. Тому приміщення із сильним демпфіруванням і поглинанням одночасно розширюють частотний вміст резонансної енергії й зменшують рівні резонансних піків. Все це призводить до того, що звучання у звукопоглинаючій кімнаті з низьким Q буде більш рівномірним, ніж у кімнаті з більш твердими стінами й гармонійними резонансами з високим Q. Хоча в другому прикладі звучання буде більш голосним, бо таке приміщення повільніше розсіює вихідну енергію джерела звуку.

Рисунок 13. Ефект демпферування в залежності від "Q". Пунктирна лінія показує резонанс с високим Q, котрий сильно збуджується при дії сигналу 103 Hz, але ледь реагує на сигнал 88 Hz. Штрих-пунктирна лінія показує эфект демпферування при зниженні Q. В цьому випадку збудження і на 88 Hz і на 103 Hz дає майже такий же рівень резонансу. Обидві криві - і штрихова і штрих-пунктирна — показують резонанси при «частоті заводки» 103 Hz, але обидві мають однакову кількість загальної енергії. В дійсності ж при влаштуванні звукопоглинальних конструкцій більш пологий резонанс буде мати менше енергії і тому буде нижче за рівнем

Розглядаючи питання позиційної залежності при розподілі резонансів, необхідно зупинитися на тому, що таке стоячі хвилі. Термін цей вживається часто, але зміст іноді вкладається різний. Стоячі хвилі виникають тоді, коли дві або більше хвилі, однакові по частоті й типу, проходять через одну й ту ж точку. Картина, одержувана в результаті просторової інтерференції, що складається з областей з великою й малою амплітудою, стає «фіксованою», хоча самі хвилі можуть переміщатися.

Резонансні стоячі хвилі виникають тільки тоді, коли:

  1. утворюється схема стоячих хвиль через взаємодію між хвилею і її відбиттями від двох або більше поверхонь;
  2. коли хвиля виходить від якоїсь точки, відбивається від однієї поверхні до іншої, повертаючись у вихідну точку, і знову йде в первісному напрямку;
  3. коли пройдена хвилею відстань в точності кратна її довжині; хвиля, що повертається, підсилюється, і якщо її втрати невеликі, поле цієї стоячої хвилі стає резонансним.

Приведемо для наочності простий приклад резонансної стоячої хвилі, що утворюється між двома паралельними стінами, які знаходяться одна від одної на відстані, що дорівнює половині довжини хвилі. Хвиля, що йде від будь-якої точки до протилежної стіни, відбивається назад до першої стіни, від якої вона знову відбивається в первісному напрямку. Оскільки відстань між стінами дорівнює половині довжини хвилі, то вся відстань, пройдена хвилею, що повернулася у вихідну точку, становить одну довжину хвилі. Потім хвиля йде із цієї ж точки з такою ж фазою, через що на наступному циклі хвиля підсилюється. Якщо змінити частоту хвилі або відстань між стінами, то схема стоячої хвилі залишиться, але резонансу вже не буде.

Варто підкреслити, що стоячі хвилі завжди існують при взаємодії однакових хвиль, незалежно від того, склалася резонансна ситуація чи ні. Тому вживання терміна «стояча хвиля» для опису тільки резонансних умов є не зовсім правильним.

Приміщення неправильної форми породжують більший розкид модальних резонансів, оскільки звуковим хвилям у цьому випадку важко «відшукувати» шляхи рівної довжини при кожному наступному відбитті. Тому переважають модальні резонанси в тангенціальній або косій формі, які, частіше за все, містять менше енергії, ніж аксіальні моди, а їх Q (добротність) більш «розмита», бо енергія розсіюється ширше, не дозволяючи їм настроїтися на конкретні ноти. Природна реверберація таких приміщень більш згладжена й майже не має домінуючих частот. І все ж таки, у всіх перерахованих випадках самою важко переборною проблемою є проблема придушення більш широко рознесених мод у самих нижніх октавах чутного діапазону. У цьому діапазоні частоти мають таку велику довжину хвилі, що подолати їх важко навіть за допомогою похилих стін.

Звукопоглинання

Ми вже достатньо поговорили про моди й резонанси, про їхнє виникнення й поводження залежно від частоти, від позиційності, а також про те, як можна в певній мірі управляти маршрутами мод, шляхом зміни пропорцій і геометрії приміщення. Але все ж таки навряд чи можна домогтися прийнятних акустичних умов тільки цими методами, тому без систем звукопоглинання нам не обійтися. Адже саме звукопоглинаючі поверхні відбирають значну частину енергії звукових хвиль при кожному зіткненні з цими поверхнями. Як вже велася мова – це призводить не тільки до значного ослаблення енергії резонансних мод, але й до зниження їх Q (добротності).

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

Рисунок 14. Розподілення резонансів в приміщенні (аксіальні моди) a) приміщення розмірами 5,25 х 4 х 2,5 м; b) приміщення в формі куба з стороною 4м. Пунктирною помаранчевою лінією позначена крива усередненого рівня

Ми говорили також і про те, що самою проблемною областю відносно впливу резонансів на акустику приміщення є зона прояву гармонійних резонансів (ділянка В на рисунку 10). Ця зона (в основному, в залежності від розмірів приміщення) може простиратися від інфранизьких частот до нижніх середніх частот. На жаль, звукопоглинання низьких частот – «камінь спотикання» для малих кімнат, у яких не можна застосувати багато систем поглинання цих частот через розміри таких систем. Ефективні поглиначі низьких частот традиційно мають великі розміри; їм потрібний простір в глибину, що дорівнює чверті довжини хвилі найнижчої частоти, яку потрібно поглинати. Якщо для частоти 40 Hz довжина хвилі становить близько 8,5 метра, то для поглинання звуку із цією частотою й вище буде потрібна система поглинання глибиною більше 2 метрів. Якщо в деяких видах приміщень із «живою» акустикою, призначених для звукозапису, незначний прояв резонансів може бути прийнятним (в окремих випадках навіть корисним), то в контрольних кімнатах (де рівномірність звучання – первинна необхідність), присутність резонансів украй небажана, бо це призводить до спотворення умов моніторингу.

Певною мірою у цій ситуації нас рятує те, що вуха мають нерівномірну чутливість до звукових хвиль різних частот чутного діапазону. Зокрема, має місце деякий спад чутливості в межах чутного діапазону, зокрема на низьких частотах. Це наочно демонструється кривими рівновеликої гучності Флетчера-Мансона (Fletcher-Munson), що можна побачити на рисунку 15. На рисунку добре видно, як падає чутливість слуху на граничних значеннях частотного діапазону. Якщо по кривій, що на рівні лінії 3 kHz відповідає граничному значенню 0 dB, перейти до рівня на частоті 30 Hz, то ми одержимо приріст звукового тиску в розмірі 60 dB. Якщо ж, ідучи по кривій, що проходить на частоті 3 kHz через точку 25 dB, опуститися до частоти 30 Hz, то видно, що на цій частоті величина звукового тиску буде становити приблизно 65 dB. Що це означає? По-перше, для того, щоб досягти порога чутності, на частоті 30 Hz потрібен звуковий тиск на 60 dB (або акустична потужність у мільйон разів) більше, ніж на частоті 3 kHz. Для того щоб на частоті 30 Hz гучність звуку відповідала гучності 25 dB SPL від рівня на частоті 3 kHz, потрібно додатково ще 40 dB (або в 10 тис. раз більша потужність). Це говорить про те, що при низьких рівнях звукового тиску людське вухо набагато чутливіше до середніх частот, ніж до низьких. По-друге, для того, щоб на частоті 3 kHz підвищити гучність на 25 dB, її потрібно підняти на всі 25 dB (з 0 dB SPL до 25 dB SPL), а на частоті 30 Hz, щоб домогтися такого ж підвищення суб’єктивної гучності, потрібно буде всього 5 dB.

Рисунок 15. Класичні криві рівновеликої гучності Флетчера-Менсона, які чітко показують рівні підсилення, котрі необхідні для забезпечення відчуття однакової гучності на різних частотах

Якщо знову звернутися до графіка, можна зробити висновок, що 25 dB над порогом слухового сприйняття на частоті 3 kHz рівноцінні по гучності 5 dB над порогом сприйняття на рівні 30 Hz. Таким чином, сприймана динаміка звуку значно збільшується на низьких частотах. При високих же значеннях звукового тиску, що перевищують 100 dB, залежність є більш лінійною.

Але повернемося до наших звукопоглинаючих конструкцій.

Найбільш ефективними конструкціями для звукопоглинання є багатошарові конструкції з різних матеріалів. Основна причина, з якої вони застосовуються, полягає в тому, що різні матеріали й варіанти компонування, поглинають звук по-різному й ефективні тільки в тих або інших місцях, і на тих або інших частотах. Наприклад, великі фанерні панелі можуть добре поглинати звук, але, зазвичай, тільки на певних частотах, оскільки володіють високим Q (добротністю). Поглинач із високим Q може добре поглинати звук, наприклад на частоті 80 Гц, але майже не поглинати його на частотах 60 й 100 Hz. І якщо ми будемо домагатися звукопоглинання за допомогою таких систем (з високим Q), то нам їх буде потрібно багато, що неминуче займе корисну площу приміщення.

Якщо ж ми зменшимо Q звукопоглинача шляхом додавання матеріалів, що амортизують, то не тільки знизимо рівень поглинання його основної частоти, а й розширимо частотний діапазон поглинання. Звідси висновок, що набагато раціональніше домагатися звукопоглинання за допомогою добре замортизованих систем, чим за допомогою набору звукопоглиначів з високим Q. Ще одна перевага поглиначів з низьким Q полягає в тому, що резонанси загасають в них набагато швидше, ніж у поглиначах з високим Q. Справа в тому, що резонатори з високою частотною вибірковістю, що здатні швидко поглинати значну частку енергії, мають й оборотну «сторону медалі»: вони «полюбляють» гудіти після припинення дії сигналу; інакше кажучи, вони починають випромінювати вторинний призвук після імпульсного збудження.

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

Рисунок 16. Експеримент с гарматами. Дві однакові гармати встановлені на позиціях A и C й заряджені однаковою кількістю порохуа. При пострілі з гармати C, спостерігачі в позиціях A, B і D майже відразу бачать спалах. Через деякий час, що відповідає локальній швидкості звуку в повітрі й відстані до позиції C, три спостерігача чують постріл гармати. При пострілі з гармати A, спалах бачуть всі три спостерігача. Через певний проміжок часу спостерігач в позиції В чує звук пострілу, тоді як спостерігачі в позиціях C і D, що знаходяться в більш щільному повітрі, можуть його так і не почути, не дивлячись на те, що вони знаходяться до позиції А ближче, ніж спостерігач В

В наступних статтях циклу ми більш докладно розглянемо практичні прийоми й механізми звукопоглинання.

Ефективність багатошарових звукопоглинаючих конструкцій обумовлена також тим, що звукові хвилі дуже «не люблять» проникати з менш щільного середовища в більш щільне. Це явище можна проілюструвати двома прикладами.

Так, у книзі Ф. Ньюелла “Recording Spaces” описаний експеримент, коли в XIX ст. на схилі гори установили дві гармати – одну внизу, хоча й не біля самого підніжжя гори, а іншу – високо, ближче до вершини. Гармати зарядили однаковою кількістю пороху, і напроти кожної гармати на схилі іншої гори, через ущелину, виставили спостерігачів – одного високо, а іншого нижче. Розташування гармат і спостерігачів показано на рисунку 16. Гармату, що перебуває нижче, не поставили на самому дні ущелини тільки тому, щоб у неї не було необґрунтованої переваги в плані посилення звуку за рахунок того, що звук відбивається від дна ущелини. При проведенні пострілів спалах й дим були добре видні з усіх пунктів спостереження, а оскільки відстань до них була відома, то передбачалося, що звук до них дійде по завершенню відповідних проміжків часу.

Першим був зроблений постріл з нижньої гармати. Слухачі в позиціях A, B й D очікували прибуття звуку, і той, як передбачалося, дійшов до кожної позиції у відповідний момент часу. У кожному випадку спостерігачі, почувши звук, сигналізували прапорцями про його прибуття. Інтенсивність звуку в кожному пункті спостереження описувалася настільки точно, наскільки це було можливо в час, коли ще не було винайдено приладів для вимірювання рівня звуку. Гучний звук почув спостерігач, що перебував унизу на протилежній стороні ущелини. Два спостерігачі, що перебували зверху на протилежних сторонах ущелини в позиціях A й B, чули не такий голосний, але виразний звук (див. рисунок 16). Коли вистрілила верхня гармата з позиції A, спалах і дим знов-таки чітко бачили всі спостерігачі, що перебували на відстані від неї, але цього разу в позиціях B, C й D. По завершенню передбаченого відрізку часу, спостерігач у позиції B просигналізував про те, що він чітко почув звук. Але от пройшло цілком достатньо часу, за який, як передбачалося, звук повинен був дійти до позицій C й D, однак сигналів не було, тому що ніякого звуку спостерігачі, що там перебували, не почули.

Із цього зробили висновок, що відношення щільності повітря в тому місці, звідки пролунав постріл, до щільності повітря в тому місці, у якому він був почутий, і є той фактор, що визначає силу поширення звуку. Постріл в умовах дуже щільного повітря внизу ущелини зміг легко викликати поширення звуку не тільки до пункту D, де щільність повітря була такою ж, але й до пунктів спостереження A й B, розташованих вище, де повітря має меншу щільність. Що ж стосується верхньої гармати, то постріл з неї був добре чутний у позиції B, що перебувала в такому ж розрідженому повітрі, але він рішуче не зміг пробитися крізь більш щільне повітря до розташованих внизу пунктів спостереження C й D. І це незважаючи на те, що позиція C перебувала до позиції A ближче, чим позиція B, де звук був чітко чутний. У порівнянні з більш щільним повітрям унизу ущелини, розріджене повітря біля вершини створювало вибуху пороху, що вилетів з жерла знаряддя, менше опору, від якого той міг би відштовхнутися. А якщо у вибуху менше повітря, від якого він може відштовхнутися, то при вибуху виконується й менша кількість роботи. А якщо роботи виконується менше, значить і звуку генерується менше. Тиск повітря знижується майже на 1 міллібар через кожні 8 метрів підйому над рівнем моря, а відповідно зменшується і його щільність. До речі, при 2000-метровій різниці рівнів, на яких стоять пушки на рисунку 16, тиск повітря у верхніх позиціях A й B становить менш 75 % від того, яке спостерігається на нижніх позиціях C й D.

Можна привести й більш простий приклад. Всім відомо, що щільність води набагато більше щільності повітря. Більшість з нас під час відпочинку на морі купалися, занурювалися, а дехто навіть поринав з аквалангом. Згадайте, як звуки гучного пляжу моментально припинялися після того, як під час занурення або пірнання з аквалангом Ви (і Ваші вуха :) ) опинялися під водою.

Тому, якщо у звукопоглинаючій конструкції поперемінно присутні матеріали з різною щільністю, то така конструкція сприяє більш ефективному звукопоглинанню, і особливо – звукоізоляції.

Реверберація

Дифузія й дифракція

Після розгляду проблем, пов’язаних з модами й резонансами, ми поступово переходимо до питань реверберації приміщення. У недалекому минулому реверберація вважалася єдиною й найважливішою характеристикою закритого приміщення, призначеного для озвучування мови або музики. Через деякий час під впливом фундаментальних досліджень акустичних властивостей закритих приміщень значимість реверберації зменшилася. І зараз реверберація є одним з декількох вимірюваних параметрів, по яким визначають якість звучання приміщення.

Ми вже дещо знаємо про «поводження» приміщень у зоні тиску та в зоні розподілу гармонійних резонансів, які на рисунку 10 позначені відповідно буквами А и В. Тепер коротенько розглянемо, що ж відбувається в зоні дифузії й дифракції, позначеної на рисунку 10 буквою С.

Ми вже говорили про те, що при зіткненні звукової хвилі з поверхнею частина її проходить далі, частина відбивається, а частина поглинається. Те ж відбувається зі світлом, що падає у вікно. Світло, що проходить у вікно, передається через скло. Якщо встати за вікном, ми побачимо на склі своє відбиття; це значить, що світло відбивається туди, звідки воно прийшло. Якщо ми відкриємо вікно, то помітимо, що в кімнату попадає трохи більша кількість світла, ніж через скло. Різниця в освітленості мінус кількість світла, відбитого назад до свого джерела – є власним рівнем поглинання скла, що перетворює енергію світла в теплову енергію. Якщо ми у вікнах встановимо фігурне скло, то світло буде надходити, але не буде видно його джерела, а в кімнату будуть відкидатися лише неясні тіні. Дифузія перемішує дискретні джерела енергії та добре їх розсіює. А дифракція – це скривлення звукових (світлових) хвиль, що обгинають об’єкти, особливо з гострими кутами. Дифракція відбувається й зі світлом, що відхиляється (дифрагує) навколо граней непрозорого тіла. Дифракція світлових хвиль – як і звукових – залежить від частоти. При цьому дифракція світлових хвиль створює ефект веселки, коли світло проходить крізь вузьку щілину або обходить гострий кут. В існуванні паралелей між звуком і світлом немає нічого незвичайного, тому що обидва приклади пов’язані з поширенням хвиль, бо ті самі закони поширення хвиль притаманні й електромагнітним світловим і радіохвилям, і акустичним звуковим хвилям.

У приміщенні на високих частотах звучання є комбінацією прямого звуку, дзеркально відбитого від твердих поверхонь, а також таким, що розсіює у результаті дифузії й скривленого в результаті дифракції. Дзеркальними називаються відбиття, які повертаються назад у кімнату дискретними та недоторканими (як промінь світла, спрямований у дзеркало). Дифузійні відбиття можна порівняти з відбиттям променя світла від листка паперу. У нашому випадку вони проявляються в діапазоні, позначеному на рисунку 10 буквою С. У цьому ж діапазоні проявляються й ефекти дифракції (скривлення хвилі навколо об’єктів).

Таким чином, зона розподілу резонансу і зона дифузії й дифракції спільно додають до прямого звуку наступні ефекти: дифракційну, дифузійну й відбиту енергію.

Час реверберації: проблеми вимірів

До цього моменту ми розглядали питання виникнення й поширення звукових хвиль, їхньої взаємодії зі своїми відбиттями від поверхонь приміщень і зміну характеру такої взаємодії при зміні геометричної конфігурації приміщення, а також особливості взаємодії відбитих хвиль залежно від частотного діапазону. Але всі ці процеси відбуваються й розвиваються в часі. Що ж саме відбувається, наприклад, при широкополосному імпульсному збудженні акустично непідготовленого приміщення?

Рисунок 17. Характеристика затухання (реверберація)

Через якийсь час після імпульсного збудження в точку збудження повертаються перші відбиття від самих прилеглих поверхонь, т.зв. ранні відбиття. Потім приходять відбиття від інших поверхонь, а також відбиття, які встигли відбитися під різними кутами від декількох поверхонь. Як уже описувалося вище, на одних частотах ці відбиття вгасають швидко, а на частотах, що збігаються з резонансними частотами приміщення, вони, так би мовити, зависають і згасають набагато повільніше. Слідом за ранніми відбиттями підуть міріади відбиттів, які незабаром зіллються в те, що ми називаємо реверберацією. Через якийсь час ці відбиття загасають повністю. Якщо цей час досить великий, то у виниклому сум’ятті зовсім неможливо розібрати будь-які нюанси музичного виконання. Різниця між акустично обробленим і необробленим приміщенням чутна, так би мовити, «неозброєним вухом». :)

В цій ситуації дуже цікаво спостерігати за поведінкою робітників під час будівництва студій. На наших будівництвах радіоприймач є таким же невід’ємним атрибутом, як молоток і плоскогубці. Звучання його в приміщенні на початку будівництва жахливе: суцільний гул і бубоніння, нічого не розбереш. Крім того, різні робітники по-різному сприймають нестандартність робіт, які їм треба виконати. Але вже через кілька днів усім стає цікаво, а до того ж вони чують зміни у звучанні радіоприймача. Більшість із них по закінченні будівництва признавалися, що їх здивувало й потрясло звучання радіоприймача по закінченні роботи. Інакше кажучи, різницю чітко чули люди, які в силу своєї професії до роботи зі звуком не мають ніякого відношення. Припускаю, що в першу чергу вони реагували саме на зміну часу реверберації приміщення.

За час реверберації (позначається як RT60) прийнято вважати час, протягом якого звук згасає на 60 dВ від свого первісного рівня. Наприклад, якщо звучання оркестру в концертному залі може досягати рівня в 100 dВ при рівні фонового шуму близько 40 dВ, то фінальні акорди оркестру при згасанні розчиняться в шумі при падінні їхнього рівня приблизно на 60 dВ. Інакше кажучи, 60 dВ – це згасання звуку до однієї мільйонної частини від його первісної потужності.

Рисунок 18.  Время реверберации в двух концертных залах

Рисунок 18. Час реверберації в двох концертних залах

Ми не будемо розглядати в цьому циклі графіки часу реверберації різних приміщень. В дійсності «голі» характеристики мало що говорять про сприймання акустичних особливостей приміщень, а неправильна інтерпретація їх в руках дуже завзятих «спеціалістів» може навіть завдати шкоди.

Поняття про типову величину RT60 (часу реверберації) проілюстровано на рисунку 18. На двох графіках представлені тимчасові характеристики реверберації двох концертних залів, а час реверберації показаний залежно від частоти. Дані графіки дають непогане уявлення про «частотні характеристики» цих залів. Звучання в залі, характеристика якого зображена на графіку (a), суб’єктивно буде сприйматися як більш тепле й насичене. В той же час, воно є менш виразним, ніж звучання в залі, характеристика якого зображена на графіку (b), оскільки в першому випадку час реверберації на низьких частотах набагато більше, а це не тільки робить баси більш соковитими, але й маскує більшість негучних одиночних високочастотних нюансів. На жаль, такі графіки говорять нам тільки про те, що відбувається на рівні -60 dВ, але нічого не говорять про те, що відбувається протягом самого процесу згасання. І залежно від того, яким чином згасає реверберація, може статися, що наші уявлення про суб’єктивну якість звуку виявляться помилковими.

Існує багато методик виміру реверберації, її «поводження». Свої методики в різні часи розробляли провідні вчені-акустики світу: Беранек (Beranek), Шульц (Schulz), Шрьодер (Schroeder), Себін (Sabine), Ейрінг (Eyring) і багато інших.

Рисунок 19. Графіки Шредера

Наприклад, метод побудови функцій залежності енергії реверберації від часу. Одним з варіантів такої методики є графік Шрьодера (Schroeder). На рисунку 19(a) показаний графік згасання (по Шрьодеру), що характерний для гарної ревербераційної камери. Однак у студіях завжди присутнє звукопоглинання, розсіювання (дифузія) і цілий ряд відбиттів, які спільно вносять істотні корективи в реальну картину згасання, роблячи її криву куди менш плавною (рисунок 17).

На рисунку 19(b) показані графіки, характерні для типових студійних приміщень. А на рисунку 20 показаний ряд реальних ревербераційних характеристик різних приміщень, які мають однакове значення RT60 й які могли б давати дуже схожі графіки, якби виміри вироблялися по тій самій методиці, як і на рисунку 18. Із графіка на рисунку 20 видно, що приміщення, характеристика якого на діаграмі позначена суцільною кривою лінією, має набагато менше ревербераційної енергії, ніж інші. Приміщення з такою характеристикою має більш швидке первинне загасання й буде менше маскувати нюанси середнього рівня гучності в тих звуках, які з’являються в другій половині секунди після збудження гучного звуку. А інші приміщення (характеристики мають вигляд пунктирних ліній), будуть мати більш насичене звучання. Таким чином, дуже часто саме характеристика первинного часу згасання (наприклад, час згасання на 10 dВ) більше говорить нам про акустику приміщення, ніж значення RT60 цього ж приміщення.

Як можна зрозуміти з вищесказаного, вимір реверберації та оцінка первинних акустичних властивостей приміщення є дуже непростим заняттям. Існують й інші більш складні методики вимірів, які не розглядаються в цьому циклі статей. Але, у принципі, можна зробити висновок – якщо приміщення не має серйозних проблем, пов’язаних з яскравими проявами резонансів у ревербераційних хвостах, то графік Шрьодера найбільше підходить для оцінки часу реверберації, при цьому основним моментом, що цікавить нас, є швидкість згасання енергії в приміщенні.

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

Рисунок 20. Три різні характеристики затухання з номінально однаковими значеннями RT60, що складають 2 секунди. Видно, що крива №3 має в цілому найбільшу кількість енергії, тому якби ці криві відповідали своїм приміщенням, то кімната №3 звучала б голосніше за інших, а кімната №1 давала би більш чітке сприйняття нюансів

Розвиток комп’ютерної техніки зробив можливим об’єднання й відображення традиційних графіків RT60 разом з т.зв. графіками ETC. Такі графіки дуже зручні для аналізу, тому що вони дозволяють бачити в перспективі по трьох осях, що видно на рисунку 21: осі представляють відповідно амплітуду звуку, час і частоту.

У кожному разі потрібно пам’ятати, що ніякі графіки не дозволять дати точну оцінку акустичним властивостям приміщення, тому що інформація для будь-яких графіків «знімається» з вимірювальних мікрофонів, які далеко не так чутливі, як наш слуховий апарат. Існують й інші відмінності. Наприклад, у процесі еволюції чутливість нашого слухового апарату до вертикальних відбиттів стала нижче, ніж до горизонтального. В той же час у вимірювального мікрофона із круговою спрямованістю чутливість у всіх напрямках однакова.

Тому не виключено, що якесь відбиття, що у процесі виміру здається не шкідливим, в реальності може настирливо різати слух. В той же час більш голосне відбиття, що поширюється по вертикалі, на слух може ігноруватися. Із усього сказаного можна зробити висновок, що ніякі графіки не повинні бути єдиним джерелом інформації при ухваленні рішення по акустичному проектуванню. Якщо ми хочемо дізнатися ще до будівництва, як зазвучить кімната, то проста побудова графіків якихось заздалегідь заданих характеристик мало чим допоможе. Нам потрібно вдатися ще й до інших методів.

Природне запитання: що нам із цим робити і як реалізувати це на практиці?

Рисунок 21

Рисунок 21

Відповідь у кожному конкретному випадку залежить від досвіду й навіть від інтуїції проектувальника Вашої студії, а також від вимог до Ваших студійних приміщень, а вони найчастіше сильно відрізняються. Та й однакового результату можна домогтися різними методами й технологіями, і витратити при цьому різну кількість грошей. У наступних статтях ми розглянемо вимоги до кімнат з нейтральною акустикою, змінною акустикою, до кімнат з «живою» акустикою (наприклад, кам’яних), а також до контрольних кімнат.

Методи зміни реверберації

Існує два загальноприйнятих методи, що застосовуються для створення реверберації: метод відбиттів і метод дифузії (розсіювання). За останні роки різноманітні компанії, зокрема RPG із США, створили різноманітні асортименти акустичних розсіювачів (дифузерів), здатних «працювати» у широкому частотному спектрі. Ці розсіювачі побудовані за принципом матриці, у якій чергуються об’ємні пористі резонатори різної глибини (рисунок 22, III й IV). Порядок розташування осередків й їхня глибина визначаються в строгій відповідності з певними рядами чисел. Розсіювачі виготовляються, як правило, з дерева, бетону або пластмаси. Дія об’ємних резонаторів полягає в тому, щоб викликати вкрай хаотичне відбиття звукової енергії, при якому виключено помітний прояв будь-яких окремих відбиттів. Таке розсіювання створює надзвичайно згладжену реверберацію, що дозволяє підладити загальний час реверберації так, щоб він відповідав відношенню дифузійних поверхонь до звукопоглинаючих поверхонь, хоча для відносно рівномірного розподілу реверберації в приміщенні необхідно, щоб і розподіл поверхонь, що розсіюють, був відносно рівномірним. Для розсіювання підійдуть будь-які поверхні, крім підлоги, дверей та вікон.

Рисунок 22. Детальне креслення панелей, що повертаються — чотири варіанти. Подібні поворотні пристрої можуть забезпечувати віддзеркалення, розсіювання (диффузію) та поглинальні властивості як в цілому, так і частково (при їх установці в проміжне положення). Їх можна застосовувати як для стін, так і для стелі

Здавалося б, все просто – бери й додавай розсіювачі, поки не одержиш бажаного часу реверберації (поворотні панелі з подібними розсіювачами, зображені на рисунку 22, застосовуються в приміщеннях зі змінною акустикою). Але в такому випадку приміщення може програти в плані своєї «музикальності», бо все ж таки, йому не буде вистачати дискретних відбиттів, до яких ми так звикли. На щастя, домогтися їх досить легко за допомогою панелей, що відбивають або поверхонь, що відбивають, тих же поворотних панелей, зображених на рисунку 22.

Таким чином, при створенні в приміщенні певної реверберації необхідно, в певній мірі, використовувати обидва методи – і розсіювання, і відбиття. Також необхідно відзначити, що ці методи можна застосовувати тільки для порівняно великих приміщень. У маленьких приміщеннях (на зразок дикторської кабіни), вони не працюють, бо в таких приміщеннях явища дифузії й дифракції дуже незначні. До речі, обговорюючи акустичні особливості таких маленьких приміщень, правильніше буде говорити не про час реверберації, а скоріше про час згасання.

Переважну більшість тон-залів у студіях нашої країни скоріше можна віднести до категорії невеликих приміщень. Основне завдання при проектуванні таких приміщень зазвичай полягає в тому, щоб створити в них акустику, яка сприяє звучанню музичних інструментів, але таку, яка не «заявляє» про себе у вигляді резонансних сплесків на власних частотах приміщення. Інакше кажучи, потрібно домагатися того, щоб приміщення було однаково настроєне на всі ноти, а також, щоб ноти на частотах, що збігаються з резонансами приміщення, не виділялися. Таке приміщення повинне мати таку звукову просторовість, щоб різні музиканти почували себе комфортно, як особисто, так і в плані звучання своїх інструментів. Акустичні характеристики такого приміщення повинні дозволяти звукоінженерам розсаджувати музикантів і встановлювати мікрофони практично скрізь, де це їм заманеться. Подібними акустичними властивостями володіють кімнати з нейтральною акустикою (т.зв. нейтральні кімнати), про які буде розказано в наступній статті.

Висновок

В рамках цієї статті ми розкрили досить багато проблем, висвітленню яких присвячено безліч книжок. Ми спробували зробити це простою й зрозумілою мовою, без додавання складних формул і спеціальної термінології для того, щоб ознайомити із цим матеріалом якнайбільше читачів. І якщо власники студій, де стіни обклеєні пакуваннями з-під курячих яєць (“для гарної акустики” ), зрозуміють безглуздість цієї витівки, це теж можна сприймати як позитивний результат.

Але як би ми не намагалися обійти спеціальну термінологію, поступово знайомитися з нею все ж таки прийдеться. Наприклад, у цій статті була така фраза: «Ця зона може простиратися від інфранизьких частот до нижніх середніх частот». Якось незвично звучить – «нижніх середніх частот», – чи не так? Справа в тому, що весь звуковий діапазон умовно розділений на декілька більш вузьких діапазонів, що мають свої назви. Ось вони:

  • Інфразвуковий діапазон 0 – 20 Hz
  • Діапазон дуже низьких частот 15 Hz – 50 Hz
  • Діапазон низьких частот 20 Hz – 250 Hz
  • Діапазон нижніх середніх частот 200 Hz – 500 Hz
  • Діапазон середніх частот 250 Hz – 5 kHz
  • Діапазон верхніх середніх частот 2 kHz – 6 kHz
  • Діапазон високих частот 5 kHz – 20 kHz
  • Діапазон дуже високих частот 15 kHz – 25 kHz
  • Ультразвуковий діапазон 20 kHz – ∞

В цій та наступних статтях ми часто будемо оперувати таким поняттям, як децибел.

Що таке децибел і рівень звукового тиску (SPL)?

Наш слуховий апарат здатний сприймати величезний динамічний діапазон. Зміни в тиску повітря, викликані самими тихими зі сприйманих на слух звуків, становлять приблизно 20 μPa (20 мікропаскалей), тобто 0,00002 Pa. В той же час звуки з рівнем, що наближається до порога болісних відчуттів для вуха, становлять приблизно 20 Pa. Отже, співвідношення між самими тихими й найгучнішими звуками, які може сприймати слух, становить один до мільйона. Якщо, наприклад, говорити про рівень звукового тиску реактивних двигунів літаків, то це співвідношення становить майже один до мільярда! Вимірювати такі різні за рівнем сигнали в лінійній шкалі досить незручно, а крім того – не наочно. З метою пристосування такого широкого динамічного діапазону до зручних чисел, було введене поняття «бел» (bel). Бел – це простий логарифм відносин двох ступенів; а децибел дорівнює одній десятій бела.

Для того щоб виразити акустичний тиск у децибелах, необхідно звести тиск (у паскалях) в квадрат і розділити його на квадрат еталонного тиску. Для зручності, зведення у квадрат двох тисків виконується поза логарифмом (що є зручною властивістю логарифмів).

Для перетворення акустичного тиску в децибели існує така формула:

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

де

p – акустичний тиск, що цікавить нас;

po – вихідний тиск.

Коли в якості еталонного тиску береться 20 μPa, то звуковий тиск, виражений у децибелах, називається рівнем звукового тиску (SPL – від англ. sound pressure level). Таким чином, звуковий тиск 3 Pa еквівалентно дорівнює звуковому тиску 103,5 децибел (dB), отже:

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

Вищезгаданий акустичний динамічний діапазон можна виразити в децибелах у вигляді наступних рівнів звукового тиску: від 0 dB – для самих тихих звуків, 120 dB – для звуків на рівні больового порогу та до 180 dB для найгучніших звуків.

Децибелами можна також користуватися й для вираження електричних величин, таких як напруга й сила струму, і в цьому випадку еталонне значення залежить від даного конкретного випадку (і повинне бути неодмінно зазначене).

При розгляді величин, у яких є одиниці потужності – таких як потужність звуку або електрична потужність – необов’язково зводити ці величини у квадрат всередині логарифма, а тому відношення двох потужностей, W1 й W2,, виражене в децибелах, становить:

10 x log10{W1/W2}

Наступна стаття нашого циклу буде присвячена звукоізоляції й акустичній обробці приміщень для запису. Скоріш за все, ми почнемо з приміщень, що мають т.зв. «нейтральну» акустику.

Стаття опублікована в журналі “Install Pro”, №23 (4-2003)

Popularity: 78% [?]

Розповісти іншим:
Digg Google Bookmarks reddit Mixx StumbleUpon Technorati Yahoo! Buzz DesignFloat Delicious BlinkList Furl

Відгуків немає до “Урок 2. Деяка теорія…”

Ваш відгук:

Name (required):
Mail (will not be published) (required):
Website:
Повідомлення (обов'зково):
XHTML: You can use these tags: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Spam Protection by WP-SpamFree