Слышимый звук

СЛЫШИМЫЙ ЗВУК
20 000 Гц
15*103 м

Любой звук начинается с вибрирующего источника. Обычно это голосовые связки, музыкальные инструменты и мембраны динамиков. Взглянем на последние. Совершая вибрирующие движения вперед и назад, мембрана толкает молекулы воздуха. При толчке вперед молекулы воздуха сближаются, т.е. происходит сжатие воздуха, и создается зона высокого давления. При движении назад, молекулы отходят друг от друга, в результате чего создается разрежение с образованием зоны низкого давления. Зоны сжатия и разрежения передвигаются в направлении от диафрагмы в форме волнового движения. Движения волн окружают нас повсюду - от волн на поверхности моря (лучше всего наблюдать их с плывущего корабля, поскольку прибой у берега нарушает истинную волновую картину явления) до всех форм электромагнитного излучения, таких как рентгеновские лучи, видимый свет, микроволновое излучение и радиоволны. Детская игрушка, длинная спиральная пружина, позволяет продемонстрировать волны, очень похожие на звуковые.

Звуковые волны являются продольными. Волны на воде, наоборот, являются волнами поперечными - сами волны двигаются параллельно водной поверхности, однако молекулы воды колеблются вверх-вниз (у продольной волны направление движения параллельно направлению движения среды (такое движение называется еще "движением частиц"). Электромагнитные волны также являются поперечными. Один из лучших способов наблюдения за волнами на воде - это сидеть в лодке и смотреть на какой-нибудь мелкий качающийся на волнах предмет: хотя волны двигаются вдоль поверхности, предмет будет просто качаться вверх-вниз. Если бы не ветер или течение, которые воздейстуют непосредственно на предмет, то последний так и качался бы неограниченно долго, никуда не передвигаясь. То же относится и к звуку. Звуковая волна покидает корпус звуковой колонки, но это не значит, что сам воздух двигается в целом в направлении от колонки. Молекулы воздуха просто колеблются вперед и назад, никуда в итоге не передвигаясь (когда молекулы воздуха перемещаются из одной точки в другую на техническом языке это называется течением).

Хотя волны в детской игрушке-спирали похожи на звуковые, но разница все-таки есть. Эти волны ограничены пределами самой спирали, в то время как звуковые волны распространяются во всех направлениях. Можно рассматривать любую молекулу воздуха, колеблющуюся под действием звука, также в качестве источника звуковой волны. Звук стремится распространяться вдоль прямых линий, но с готовностью начинает отходить в сторону, образуя расширяющийся луч, особенно на низких частотах. Частота связана с длиной волны по формуле v = f x λ (скорость равна произведению частоты на длину волны). Эта формула применима для любых волн и не только для звуковых. Скорость звука в воздухе немного меньше 340 м/с. Эта величина может меняться в зависимости от температуры, влажности и высоты, но 340 - это хорошее округленное значение, которым мы и будем пользоваться. Приложив совсем немного математических знаний, вы определите, что волны с частотой 20 Гц имеют длину всего 17 м. Чрезвычайно большие размеры волн низких звуковых частот вызывают, как мы увидим, огромные проблемы. На другом конце шкалы звук с частотой 20 кГц имеет длину волны всего 17 мм. Любопытно, что чем больше частота процессов, тем труднее иметь с ними дело в случае работы с сигналами в электрической, магнитной и других формах, однако, мы можем достаточно легко управляться с такими частотами в случае с реальным звуком, распространяющимся в воздухе.

Децибелы

Можно только удивляться тому, как аудио- и видеоинженеры обходились без такого понятия, как децибелы до его "изобретения". Децибелы - это условное обозначение, позволяющее сравнивать и количественно оценивать уровни сигналов, относящиеся к процессам в различных средах. В терминах акустики децибелы могут использоваться для любой среды или носителя, которые могут служить для хранения и распространения звука или звуковых сигналов:

• реальный звук в воздухе;
• электрические сигналы;
• магнитные сигналы;
• цифровые сигналы;
• оптические сигналы на звуковой дорожке кинофильма;
• механические сигналы при записи на виниловую пластинку.

Изменение уровня на 3 дБ означает во всех этих средах одно и то же. Без децибелов нам бы пришлось проводить преобразования между такими единицами, как Ньютон/кв.м (звуковое давление), Вольты, НаноВебер/кв.м и т.д. Важно помнить еще, что децибелы определяют отношение уровней, а не абсолютную величину. Децибелы всегда используются для сравнения двух уровней. Для преобразования в децибелы применяется следующая формула: 20*log₁₀(P1/P2), где P1 и P2 - два значения звукового давления , которые вы хотите сравнить. Таким образом, если звуковое давление в одном случае в два раза больше другого, то P1/P2=2. Логарифм 2 по основанию 10 равен 0.3. Умножая это значение на 20, получаем 6 дБ. На самом деле, это около 6.02 дБ, но не стоит беспокоиться об этих незначительных 0.02.

Такой подход полезен, иногда нам необходимо бывает увеличить уровень, например, на 6 дБ, но при этом мы не можем оценить - насколько же громок звук, поскольку дБ - это не абсолютные единицы. Для ответа на этот вопрос необходимо использовать в качестве нуля какой-то опорный уровень. За этот уровень принимается величина звукового давления 20mН/кв.м., которая, согласно экспериментальным данным, соответствует самому тихому звуку, который может услышать среднестатистический индивидуум. Этот уровень называется "порогом слышимости", и его можно сравнить с шорохом падающего листа с дерева в осенний день на расстоянии 10-ти шагов. Порог слышимости обозначается как 0 дБ SPL (0 дБ звукового давления - sound pressure level). Теперь мы можем сравнивать с этим уровнем самые разные звуки. Громкой музыке соответствует примерно 100 дБ SPL, а слишком "жаловаться" на громкость ухо начинает при приближении к 120 дБ SPL.

Частота

Звуковые волны могут иметь практически любую частоту, однако наши органы слуха воспринимают звук только в узком диапазоне. Верхний предел этого диапазона для людей молодого возраста принимается обычно равным 20 кГц. Наряду с этим имеются индивидуальные различия, а с возрастом предел снижается, но в качестве опорного значения эта величина - хороший компромисс. Если звукоизлучающая система способна воспроизводить звуки до 20 кГц, то только очень небольшая часть аудитории не сможет услышать некоторые составляющие. Что касается нижнего диапазона, то здесь достаточно трудно определить границу, когда звук, слышимый ухом, переходит в вибрацию, воспринимаемую непосредственно телом. В аудиотехнологиях, нижняя граница определяется как 20 Гц. Мы можем слышать или чувствовать и частоты ниже 20 Гц, но они считаются уже несущественными.

Акустика помещений

Вероятно пройдет еще немало времени, прежде чем кто-нибудь изобретет способ прямой передачи электрических или цифровых сигналов непосредственно в мозг человека, минуя органы слуха. А пока, в большинстве случаев, прежде чем попасть в ухо, звук должен пройти через воздух, а это и есть наиболее сложная и наименее понятая часть всего аудиотракта. Что происходит при генерации звука? Звуковые волны расходятся от источника по воздуху, отражаются от различных поверхностей, затем снова попадают на эти поверхности и снова отражаются, взаимодействуя с предыдущими отражениями, и в конечном итоге попадают в микрофон. То же самое происходит на противоположном конце цепи. Звук излучается динамиками, и, хотя часть звуковой энергии попадает непосредственно в уши слушателей, большая часть ее является отраженной. Прежде чем попасть в ухо звуковая энергия в течение некоторого времени, от полусекунды для небольших комнат до нескольких секунд в больших аудиториях, будет циркулировать по помещению, отражаясь от всевозможных поверхностей.

Проведем сравнение с электрическим сигналом. От источника сигнал распространяется в "комфортной" одномерной среде - по кабелю или по электронным цепям. Сигнал не может "покинуть" предназначенный ему путь, пока не достигнет точки назначения; нет ничего от чего он мог бы отразиться (если только не рассматривать кабель длиной в несколько километров, когда сигнал отражается от противоположного конца); самое худшее, что может произойти - это снижение уровня сигнала из-за электрического сопротивления. Конечно, эта картина несколько упрощена, но все-таки об электрических сигналах наука знает уже все. Не так обстоит дело с акустикой. Звук распространяется в трех направлениях, а не в одном, и с готовностью отражается от практически любой поверхности. Когда отражения смешиваются, возникают конструктивные и деструктивные эффекты интерференции, различные для каждой точки помещения. Число отражений звуковых волн в любых практически важных случаях по существу бесконечно. Даже современная наука и компьютерные технологии не позволяют с полной точностью, с учетом всех отражений, анализировать акустику помещений. Очень маловероятно, чтобы после установки (конечно, профессиональной) электрических компонентов акустической системы, последняя не стала бы работать так, как ожидалось.

С другой стороны, нормальной является ситуация, когда после полного проектирования акустики помещения и после его постройки, его еще приходится дорабатывать. К счастью, эти доработки, как правило, не превышают соответствующих запасов, закладываемых в бюджет. Акустика как наука очень сложна в практическом применении, хотя очень просто выглядит в теории. Акустика помещений определяется всего тремя факторами: временными параметрами отражений, относительной силой отражений и распределением силы отражений по частотному спектру. Посмотрим на различные поверхности в комнате. Если вы разговариваете с коллегой, то звук вашего голоса непосредственно достигает его или ее ушей. Он также отразится от самой ближайшей поверхности - это отражение достигнет вашего уха через определенное количество миллисекунд (за одну миллисекунду звук распространяется на 34 см, поэтому в качестве хорошей практической оценки, хотя и немного заниженной, принимается скорость 1 фут (30.5 см) за миллисекунду).

С несколько большей задержкой придет отражение от следующей ближайшей поверхности, затем еще от следующей. Затем отражения начнут прибывать одно за другим. Сначала они будут отделены по времени, однако в скором времени их будет так много, что они образуют сплошную реверберационную смесь. Некоторые поверхности могут иметь больший коэффициент поглощения, и тогда отражение от них будет слабее. Некоторые будут лучше отражать в определенном диапазоне частот. Таким образом, эти три фактора практически полностью определяют акустику помещения.

Имеется четвертый фактор, который стоит упомянуть - это движение. Если в помещении имеется движущийся объект, источник звука, слушатель или отражающая поверхность, то на восприятии звука начинает сказываться эффект Допплера. Лучше всего этот эффект можно заметить, слушая сирену проносящейся мимо полицейской машины - после проезда высота тона снижается. Звук не может распространяться быстрее своей естественной скорости распространения в определенной среде, поэтому, когда источник звука перемещается, то высота тона меняется, т.е. повышается для приближающегося источника и уменьшается для удаляющегося ("красное смещение" в акустике). Впрочем, в большинстве случаев скорости как источников звука, так и слушателей и отражающих поверхностей, достаточно малы. Есть, однако, еще один движущийся объект - это воздух в комнате, склонный к конвекционному перемещению.

Вы можете ясно это увидеть, укрепив нитку от надутого гелием воздушного шарика на полу так, чтобы шарик "плавал" примерно посредине между полом и потолком. Даже в жилой комнате размах его движений окажется гораздо шире, чем вы могли бы предполагать. Этот эффект часто моделируется в цифровых реверберационных устройствах, что придает звуку полезную "полноту".

Стоячие волны Хотя акустика является точной наукой, окончательный вердикт в отношении акустического качества помещений все равно выносится на основе человеческой оценки, в основу чего кладется как статистическая обработка результатов испытаний с использованием субъективных суждений, так и некоторые основные принципы, сформировавшиеся на базе общих знаний и практики. Первое, о чем необходимо помнить - это то, что помещение, рассчитанное для прослушивания речи, должно обеспечивать хорошую ее разборчивость. Слишком большая реверберация - когда отражения слышимы в течение более 40 миллисекунд - уменьшает разборчивость, т.к. более поздние отражения приводят к взаимному наложению фонем (т.е. звуков, из которых состоит речь).

Короткие отражения улучшают разборчивость, делают неусиленную микрофоном речь более громкой. Как для речи, так и для музыки существует требование, чтобы время реверберации (обычно определяемое как время, необходимое, чтобы уровень реверберирующего звука понизился на 60 дБ (RT60)) соответствовало бы значению, наиболее характерному для помещения данного размера. В небольшом помещении с большим временем реверберации звук будет звучать странно. То же самое происходит в большом помещении с малым временем реверберации.

Самая распространенная в акустике проблема, характерная больше для помещений "комнатного размера", нежели для больших концертных залов и аудиторий - это проблема стоячих волн. Длины волн слышимого звука лежат в диапазоне от 17 мм до 17 м. Представим две параллельные отражающие поверхности - стенки, отстоящие на расстояние 4 м. Это составит как раз половину длины волны для тона с частотой 42.5 Гц, что примерно соответствует наименьшей частоте звучания стандартной бас-гитары. При отражении от обеих стенок волны сжатия и разрежения, накладываясь друг на друга, образуют в итоге неподвижную картину - вблизи стенок окажется область низкого давления, посредине между стенками - область высокого. Таким образом, помещение будет резонировать на этой частоте, и любая взятая на этой частоте нота станет усиливаться. Увеличится и время реверберации на этой частоте. Помещения меньшего размера звучат хуже, поскольку частоты, на которых образуются сильные стоячие волны, будут в этом случае лежать в диапазоне высокой чувствительности слуховой системы.

Стоячие волны возникают не только в случае пары параллельных поверхностей. Представьте себе шар, отскакивающий от всех бортов бильярдного стола и возвращающийся в исходную точку. Такую же картину может образовывать и стоячая волна, отражаясь не только от всех четырех стен, но и от пола и потолка. В любом случае при наличии стоячей волны в помещении должно присутствовать и многократное эхо. Ради эксперимента можно встать между двумя жесткими параллельными стенками, хлопнуть в ладоши и вы услышите поразительное эхо, которое, впрочем, мало полезно для речи и музыки.

Решение состоит в том, что необходимо выбрать такие пропорции комнаты, при которых частоты стоячих волн отстояли бы друг от друга как можно дальше. Квадратные комнаты концентрируют стоячие волны, в результате чего одно и тоже число стоячих волн занимает меньшее число дискретных частот. Самой худшей будет комната кубической формы. Непараллельные стенки - хорошее решение, но и здесь эти проклятые стоячие волны найдут свой путь. Что нам необходимо, это акустическая обработка помещений.

Акустическая обработка помещений

Суть функции акустической обработки заключается в том, чтобы воздействовать на время реверберации и подавлять стоячие волны. Если сделать поверхности с большим коэффициентом поглощения, то очевидно, что отражения станут слабее, и соответственно уменьшится и время реверберации. В качестве пористых поглотителей применяются мягкие материалы, такие как ковровые покрытия, драпировки, и особенно минеральная вата. Пористые поглотители работают в случае, если их толщина составляет, по крайней мере, четверть длины волны. Это означает, что практически их можно использовать только для высоких частот и верхнего диапазона средних. Если нанесение пористых поглотителей использовать в качестве единственного средства акустической отработки, то звук в таком помещении будет восприниматься как очень скучный и безжизненный.

Другой тип поглотителей - панельные или мембранные поглотители. Гибкая деревянная панель (от 4 до 18 мм толщиной), установленная над герметически закрытым пространством (от 100 до 300 мм глубиной) будет резонировать на низких частотах и за счет упругих деформаций станет поглощать энергию. При заполнении внутренней полости демпфирующим материалом или при использовании достаточно упругой мембраны данный поглотитель эффективен в низкочастотном диапазоне. Просверлите отверстия в панели, и поглощение станет более широкополосным. Идея! Панельные поглотители с низким демпфированием можно настраивать на частоты стоячих волн для эффективного управления ими.

Другой способ управления стоячими волнами, заставляющий, будто по мановению волшебной палочки, звучать помещение просто великолепно - это использование диффузии. Нерегулярные поверхности разрушают отражения, создавая более плотную картину отражений низкого уровня по сравнению с плоскими поверхностями. Однако нерегулярности должны быть сравнимы по размерам с длинами волн, которые вы хотите подвергнуть диффузии. G

2001 - 2005  Copyright (C) FairSoft Lab.