Вы уверены, что Ваша аудиосистема звучит на все 100 %? Не торопитесь с ответом. В любом случае - это всё ещё, далеко, не «Magic Sonic»…

Акустика / Книга Dr.Sound / Звукопоглощение и диффузия

АКУСТИЧЕСКАЯ ФИЛОСОФИЯ МУЗЫКАЛЬНОЙ КОМНАТЫ

7. Звукопоглощение и диффузия

(Последнее редактирование 05.10.2012 г.) 

В распоряжении инженера-акустика, занимающегося оптимизацией акустической среды музыкальной комнаты, имеется всего лишь три инструмента: поглощение, перенаправление и рассеивание звуковых волн.

Без представления об этих инструментах невозможно понять суть акустических архитектурных решений, а также разобраться с принципом действия акустических материалов и специальных устройств, используемых для коррекции акустической среды музыкальной комнаты.

1. ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ 

 В природе не существует материалов с абсолютными поглощающими или абсолютными отражающими свойствами. Все материалы одновременно и отражают, и поглощают звук. Даже такие, казалось бы, идеальные отражающие материалы, как, например, мрамор, кафель, бетон или кирпич, всё-таки поглощают от 1 до 3% падающей на них звуковой энергии. В хорошем с акустической точки зрения помещении процент поглощаемой его стенами, полом и потолком звуковой энергии, естественно, должен быть гораздо выше.

Звукопоглощение является основным и наиболее активно используемым инструментом акустической обработки небольших помещений, таких, как специализированные КдП, музыкальные комнаты, ДК, помещения студий звукозаписи и т.д. Это обусловлено универсальностью звукопоглощения, позволяющего контролировать практически все основные акустические проблемы помещения: НЧ комнатные резонансы, SBIR-эффект, эффект «гребенчатой фильтрацией», «порхающее эхо», избыточное время реверберации.

Само название «звукопоглощение» предполагает ослабление акустической энергии звуковой волны за счёт частичного её поглощения. Так за счёт чего и, каким образом это можно сделать на практике? Давайте разбираться вместе.

Как известно, характеристика звуковой волны, в числе прочих, содержит такие параметры, как скорость и звуковое давление. Наглядно продемонстрировать взаимосвязь между этими параметрами и понять их место в процессе распространения звуковой волны поможет простая аналогия с теннисным мячом. Для этого нужно попытаться представить себе, что происходит с ним в процессе игры.

Рассмотрим начальный момент полёта теннисного мяча, то есть, непосредственно после его «отрыва» от «ракетки». Естественно, что скорость мяча в данный момент времени будет максимальной и, в зависимости от её значения, он пролетит ещё некоторое расстояние до полной остановки. Также очевидно, что давление впереди летящего мяча практически равно нулю (так, как давить, в общем-то, не на что).

Теперь, допустим, что теннисный мяч после короткого полёта ударяется о стену. Рассмотрим этот момент более детально. В этот момент мяч полностью останавливается и находится в непосредственном контакте с поверхностью стены. Следовательно, его скорость равна нулю, а значение давления – максимально. Это видно из того, как мяч сплющился.

 Перенеся эту аналогию на процесс распространения звуковых волн в условиях помещения, резонно предположить, что звуковое давление достигает максимальных значений в тех областях помещения, где волна вступает в контакт с отражающими поверхностями стен, пола и потолка, в то время, как значение скорости максимально в пространстве комнаты между ограждающими конструкциями.

Следовательно, в тех областях помещения, где давление звуковой волны максимально - её скорость минимальна и наоборот.

Помимо этого, в связи с тем, что низкочастотные звуковые волны имеют достаточно большую длину, также приходится учитывать и их фазу. Запомните: при отражении от твердой поверхности фаза давления отражённой НЧ звуковой волны не изменяется, в то время, как направление движения волны инвертируется. Следовательно, непосредственно у поверхности твёрдой отражающей поверхности происходит увеличению амплитуды результирующей волны вдвое за счёт «подпитки» ударной звуковой волны энергией отражённой волны, находящейся в той же фазе.

Таким образом, вблизи отражающей поверхности уровень звукового давления на низких частотах увеличивается вдвое.

Однако, фраза «у отражающей поверхности имеет место удвоение значения звукового давления» имеет условное значение, поскольку речь идет только о низких частотах. На СЧ и ВЧ ситуация с отражением звука определяется, главным образом, фазовыми сдвигами.

Но вернёмся к примеру с теннисным мячом. Теперь представим себе, что теннисный мяч после короткого полёта врезается не в твёрдую стену, а в натянутую сетку. При этом мяч продолжает двигаться вперёд, а давления впереди него практически нет, поскольку оно нарастает постепенно и относительно медленно.

Аналогично, при взаимодействии звуковой волны с мягкой поверхностью направление движения волны остаётся прежним, в то время, как фаза волны звукового давления изменяется на противоположную, что, в свою очередь, влечёт за собой взаимоуничтожение энергии ударной и отражённой волн. Следовательно, значение звукового давления в данном случае будет стремиться к нулю.

Таким образом, при взаимодействии низкочастотной звуковой волны с абсолютно твёрдой отражающей поверхностью, в непосредственной близи от неё имеет место удвоение значения звукового давления, создаваемого этой звуковой волной, в то время, как значение скорости распространения этой волны стремится к нулю.

При взаимодействии звуковой волны с идеально мягкой средой, к нулю стремится значение звукового давления, создаваемого этой волной, в то время, как скорость распространения этой волны практически не меняется.

Исходя из вышесказанного, можно сделать крайне важный вывод о том, что ослабить акустическую энергию звуковой волны можно двумя способами. Первый, создавая сопротивление на пути распространения звуковой волны и, тем самым, поглощая её скоростной энергетический компонент в пространстве комнаты. И второй, поглощая энергетический компонент звукового давления, создаваемого волной непосредственно у отражающей поверхности стен, пола и потолка.

Понимание данной закономерности является базисом для дальнейшего восприятия информации о механизмах звукопоглощения и принципах работы различных звукопоглощающих устройств, поскольку действие практически всех известных звукопоглощающих материалов и специальных звукопоглощающих конструкций основано на подавлении одной из двух основных характеристик звуковой волны, а именно, её скоростного компонента или создаваемого ей звукового давления.

В связи с этим различают два основных типа звукопоглощения: резистивное и резонансное.

 1.1. РЕЗИСТИВНОЕ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ 

Уже само название «резистивное звукопоглощение» указывает на то, что в его основе лежит принцип создания сопротивления на пути распространения звуковой волны.

В принципе, в природе не существует материалов, которые абсолютно не поглощают звук. Другое дело – насколько эффективно они это делают. Эффективность звукопоглощения конкретного материала (α) определяется отношением количества поглощённой им акустической энергии к общему количеству, падающей на него звуковой энергии и называется коэффициентом звукопоглощения.

Таким образом, за «1» коэффициента звукопоглощения принимается свойства идеального 100% звукопоглотителя, полностью поглощающего всю, падающую на него акустическую энергию.

Коэффициент звукопоглощения у всех материалов различный, к тому же, его значение очень сильно и, часто непредсказуемо, зависит от частоты. По этой причине выбор поглощающих материалов и конструкций оказывается непростой задачей даже для профессионалов.

В таблице приведены значения коэффициентов звукопоглощения (КЗП) для различных типов материалов в зависимости от частоты:

.gif  

Анализируя данные, приведённые в таблице, нетрудно заметить, что коэффициент звукопоглощения обратно пропорционален плотности материала, то есть, в общем случае, более плотные материалы имеют меньший КЗП, в то время, как менее плотные, рыхлые материалы имеют гораздо более высокие показатели звукопоглощения.

В связи с этим, для оформления помещений, к акустической среде которых предъявляются особые требования, используются, в основном, поглощающие материалы с рыхлой структурой. Именно поэтому, такие материалы называются акустическими материалами.

Наиболее часто для создания сопротивления воздушному потоку используются акустические материалы, имеющие пористую (ячеистую или волоконную) внутреннюю структуру, такие, как минеральная или стекловолоконная вата, акустический поролон, войлок, ватин и т.п. При прохождении через тело такого материала возникает трение движущихся молекул воздуха о плотно расположенные переплетённые волокна или стенки ячеистой структуры материала, в результате чего часть акустической энергии звуковой волны преобразуется в тепловую.

В общем объёме структуры пористого звукопоглощающего материала основное вещество составляет лишь небольшую его часть, представляя собой некое подобие «скелета», формирующего многочисленные открытые наружу и сообщающиеся между собой поры, каналы или полости, заполненные воздухом. Учитывая особенности внутренней структуры и механизма звукопоглощения, данные акустические материалы также называют пористыми поглотителями, пористыми акустическими материалами или пористыми звуковыми абсорберами.

Таким образом, в основе резистивного звукопоглощения лежит принцип поглощения скоростного энергетического компонента звуковой волны.

Ещё одной отличительной особенностью акустических материалов, относящихся к данной группе, является то, что при воздействии звуковой волны они остаются неподвижными. Поэтому их также называют пассивными акустическими поглотителями.

В различной степени аналогичным механизмом звукопоглощения обладают некоторые предметы интерьера, например, мягкая мебель, ковры, толстые портьеры и т.п., а также сами слушатели.

На основании вышесказанного, очевидно, что размещать акустические материалы, действие которых основано на принципе резистивного звукопоглощения следует на достаточном удалении от поверхностей стен, пола и потолка, то есть, в областях, где скорость частиц воздуха максимальна.

Таким образом, поскольку акустическое действие пористых абсорберов основано на принципе поглощения скоростного энергетического компонента звуковой волны, то их размещение непосредственно у твердой отражающей поверхности абсолютно бессмысленно, поскольку скорость звуковой волны в этих областях равна нулю.

Естественно, возникает закономерный вопрос: на каком именно расстоянии от отражающей поверхности следует размещать пористые акустические материалы?

В общем случае, чем больше расстояние между звукопоглощающим материалом и отражающей поверхностью, тем активнее поглощение акустической энергии в более низком частотном диапазоне:

 величины воздушного зазора  

Этот эффект непосредственным образом связан с длинной звуковой волны, то есть, чем больше воздушный зазор между звукопоглощающим материалом и отражающей поверхностью, тем более длинные звуковые волны способен поглощать акустический материал. 

Звукопоглощающая конструкция такого типа, по сути, является «четвертьволновым поглощающим фильтром». Она имеет максимум звукопоглощения на частоте, для которой расстояние от ближайшей отражающей поверхности до поглощающего материала составляет четверть длины звуковой волны или кратно нечётному числу четвертей её длины. 

Фактически, любой поглощающий материал, подвешенный перед отражающей поверхностью, представляет собой такой фильтр. Например, портьеры на окнах, ковёр с некоторым относом от стены, плотная занавеска на шкафу и т.п. 

Приблизительное значение самой нижней частоты поглощения обычного четвертьволнового поглотителя несложно вычислить, воспользовавшись простой формулой:
Fo = c/4L, где 
с - скорость звука в воздухе в м./сек.;
L - расстояние между пористым поглотителем и отражающей поверхностью в метрах;

Например, при расстоянии между пористым поглотителем и отражающей поверхностью 15 см. F = 565 Гц. Помимо этого, данная конструкция также будет имеет пики поглощения и на нечётных кратных значению F частотах, например, 3 x F (1695 Гц.), 5 x F (2825 Гц.), 7 x F (3955 Гц.), и так далее. 

Таким образом, пористые абсорберы являются четвертьволновыми поглотителями. 

Естественно, чем толще пористый абсорбер, тем эффективнее он поглощает более низкие частоты. 

 толщины пористого материала  

По мере того, как длины звуковых волн в СЧ/ ВЧ диапазонах становятся всё короче, их скоростные зоны, соответственно, всё больше приближаются к отражающим поверхностям, а, следовательно, даже достаточно тонкие резистивные поглотители (например, шторы или драпировки), размещенные на относительно близком расстоянии от стен, будут работать достаточно эффективно. 

Таким образом, толщину пористого поглотителя, собственно, как и минимальную величину воздушного зазора между ним и отражающей поверхностью, выбирают из расчёта, как минимум четверти длины волны предполагаемой самой низкой поглощаемой частоты. 

Помимо этого, коэффициент звукопоглощения пористого поглотителя также зависит от плотности материала, из которого он изготовлен или от значения его объёмной массы, то есть, массы одного кубического метра акустического материала. Чем выше пористость, тем легче материал и, соответственно, тем ниже его плотность. Такой материал лучше поглощает высокие частоты и хуже – более низкие. 

В то же время, чем выше плотность материала пористого поглотителя, тем эффективнее он поглощает более низкие частоты. Само собой, это утверждение справедливо только до определённых значений объёмной массы, обычно, не более 120 кг./м.куб. Также следует помнить о том, что плотные акустические материалы отражают более высокие частоты. 

К положительным качествам пористых поглотителей следует отнести их эффективность в широком частотном диапазоне и простоту конструкций готовых акустических устройств.  

Однако, даже достаточно толстые и плотные пористые абсорберы, установленные на значительном расстоянии от отражающих поверхностей, не способны эффективно поглощать самые низкие басовые частоты. С одной стороны, это обусловлено очень пологим спадом характеристики звукопоглощения пористых абсорберов в низкочастотной области. Несмотря на то, что график звукопоглощения пористых материалов таки захватывает басовый частотный диапазон, однако, коэффициент звукопоглощения на этих частотах у них очень низкий (КЗП в диапазоне от 500 Гц. до 4 кГц. находится в пределах, соответственно, 0,4 - 1,0). А поскольку пористые поглотители являются низкодобротными девайсами, то и говорить о таких их параметрах, как «частота среза» или «нижняя рабочая частота», в принципе, некорректно. 

С другой стороны, пористые поглотители работают по принципу четвертьволнового фильтра. Тогда, подставив в приведённую выше формулу значение самой низкой предполагаемой к поглощению частоты, например, 100 Гц., получаем расстояние от отражающей поверхности – 85 см.!!! Естественно, что «безболезненно вписать» такую конструкцию в интерьер небольшой комнаты практически невозможно.  

Таким образом, пористые поглотители рационально использовать, главным образом, для акустической коррекции в ВЧ/СЧ диапазонах. 

На рынке акустические пористые материалы представлены изделиями из акустического поролона (Auralex, Mappysil, Vicoustic и т.п.), плитами из мягких волокнистых материалов (из минеральной или стекловолоконной ваты), а также плитами из твёрдых синтетических или целлюлозных волокон (Heradesign и т.п.). 

Наружная декоративная отделка поверхности этих материалов обязательно должна быть акустически прозрачной. Например, это может быть окраска акриловыми красками для внутренних работ, тканевое декоративное покрытие с использованием легко продуваемых тканей или нетканых материалов, наружная защитная облицовка перфорированными материалами: пластиком, металлом, фанерой, деревом, гипсокартоном и т.д. 

1.2. РЕЗОНАНСНОЕ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ 

В отличие от пористых абсорберов, в основе акустического действия звукопоглотителей резонансного типа лежит принцип поглощения энергии звукового давления, создаваемого звуковой волной непосредственно у отражающей поверхности. Это определяет, как конструктивные особенности данных устройств, так и специфику их размещения в пространстве помещения. 

Я не случайно говорю именно об акустических конструкциях, а не об акустических материалах. Дело в том, что резонансный тип звукопоглощения подразумевает использование «во благо» принципа резонанса, а значит, речь идёт о низкочастотном диапазоне ниже 200 Гц., где, как уже говорилось выше, акустические материалы уже неэффективны или малоэффективны. Такая серьёзная задача под силу только специальным акустическим устройствам - низкочастотным поглотителям резонансного типа. 

Акустическое действие этих устройств основано на принципе возникновения свободных колебаний некоторых элементов их конструкций в унисон с колебаниями частиц воздуха в помещении, вызванными воздействием звуковых волн. 

В акустике наиболее часто используются два вида таких устройств, это:
1. мембранные поглотители;
2. поглотители, работающие по принципу резонатора Гельмгольца; 

Характерной особенностью звукопоглотителей резонансного типа является их способность поглощать частоты, длины звуковых волн которых во много раз превосходят размеры самих устройств. 

Мембранные низкочастотные поглотители 

Резонирующим элементом таких конструкций является упругая лицевая панель, выполняющая роль акустической диафрагмы или мембраны. Именно поэтому данные акустические устройства называют низкочастотными мембранными (диафрагменными) поглотителями или просто - панельными поглотителями (ПП). 

Панельный поглотитель представляет собой систему масса-пружина («масса» – диафрагма, «пружина» - внутренний объём воздуха, заключённый в герметичный корпус устройства) и, соответственно, обладает собственной резонансной частотой. В силу этого, «рабочий» частотный диапазон таких устройств достаточно узок и не выходит за пределы ограниченной области вблизи значения этой частоты. Наибольшая эффективность звукопоглощения наблюдается на резонансной частоте панельного поглотителя. Следовательно, в отличие от пористых абсорберов, мембранный поглотитель является высокодобротным девайсом. 

Значение резонансной частоты панельного поглотителя определяется, главным образом, глубиной конструкции и массой мембраны. Немного расширить поглощаемый частотный диапазон позволяет частичное заполнение внутреннего объёма устройства эффективным звукопоглощающим материалом, например, минеральной ватой. В то же время, такое решение несколько снижает эффективность поглотителя на основной резонансной частоте. 

Конструктивно корпус панельного поглотителя представляет собой жесткий прямоугольный рамочный каркас, жёстко закрепляемый непосредственно на поверхности стены или потолка и герметично закрытый снаружи гибкой массивной панелью. Таким образом, устройство представляет собой герметичный ящик-резонатор с замкнутым внутри него объёмом воздуха. Передней стенкой поглотителя является гибкая мембрана (диафрагма), задней - поверхность стены (потолка), а роль боковых стенок выполняют элементы прямоугольного рамочного каркаса. Иногда, в мобильном варианте исполнения панельного поглотителя, его задняя стенка выполняется в виде отдельного элемента корпуса. 

В качестве материала для изготовления мембраны, обычно применяют листы не очень толстой фанеры, ДВП, MDF или же геометрически стабильные эластичные листовые материалы. 

В середине герметичного корпуса устройства, как правило, жёстко закрепляют минераловатную панель соответствующего размера, располагая её параллельно диафрагме на небольшом расстоянии от последней. 

Принцип работы данного устройства следующий: звуковая волна, совпадающая по частоте с резонансной частотой устройства, приводит в движение упругую мембрану поглотителя, вызывая её синхронные изгибные колебания. В силу того, что масса диафрагмы обычно достаточно велика, а её упругость относительно низкая, в материале резонирующей панели происходит частичная потеря звуковой энергии. Проще говоря, часть акустической энергии звуковой волны расходуется на «раскачивание» диафрагмы. Этот процесс характеризуется, как внутренние потери в материале мембраны. 

Таким образом, акустическая энергия падающей на наружную поверхность диафрагмы звуковой волны, частично расходуется на преодоление внутренних потерь в материале мембраны, то есть, на «раскачивание» диафрагмы, а частично - переизлучается диафрагмой во внутреннее пространство корпуса устройства. 

При этом происходит трансформация (конверсия) акустической энергии звукового давления в кинетическую энергию резонирующей мембраны и колебательную скорость молекул воздуха внутри корпуса устройства. В свою очередь, кинетическая энергия мембраны, превращается в тепловую энергию, частично за счёт внутренних потерь в материале мембраны, а частично - за счёт потерь, обусловленных трением колеблющихся молекул воздуха о жёсткие стенки ячеистой структуры пористого поглощающего материала, размещённого внутри корпуса панельного поглотителя. Исходя из этого, Андрей Смирнов предложил ещё одно название описываемого устройства – «низкочастотный конверсионный поглотитель» или НЧКП. 

К достоинствам устройств данного типа следует отнести высокую эффективность звукопоглощения на собственной резонансной частоте, а к недостаткам – их частотную узкополосность, собственно, поэтому панельные поглотители и являются высокодобротными девайсами. 

Помимо этого, при неправильном изготовлении конструкции наличие собственной резонансной частоты может обуславливать специфическую тональную окраску звучания. И хотя самостоятельное изготовление панельных НЧ-поглотителей не представляет серьёзных трудностей, необходимо очень ответственно отнестись к вопросу расчёта соответствующей конкретному случаю резонансной частоты и правильности изготовления устройств. 

Также эффективность использования мембранных НЧ-поглотителей напрямую зависит от правильности их размещения в пространстве музыкальной комнаты или ДК. А поскольку акустическое действие панельных поглотителей основано на поглощении энергетического компонента давления звуковой волны, то  и монтировать их нужно непосредственно на поверхности стен и/или потолка помещения, как правило, вблизи области фронтальных углов, то есть в зонах максимальных значений звукового давления соответствующих звуковых волн. 

В силу своей частотной узкополосности и высокой эффективности в басовом диапазоне, основным назначением панельных поглотителей является осуществление модального контроля, однако, по этой же причине они не предназначены для коррекции времени реверберации.

Кстати сказать, популярные гипсокартонные облицовки стен и потолка также являются своего рода панельными поглотителями. Однако, поскольку их параметры не рассчитываются специальным образом, а конструкция не соответствует предъявляемым к изготовлению специализированных устройств требованиям, вполне естественно, что их акустические характеристики носят случайный характер, а эффект от их присутствия в большинстве случаев является негативным. Именно поэтому, обычным гипсокартонным конструкциям не место в музыкальных комнатах и ДК! 

Другое дело, специальные гибкие звукоизолирующие облицовки. Помимо основной звукоизолирующей функции, их можно рассматривать, как низкодобротный панельный поглотитель, то есть, менее эффективный, но зато более широкополосный. Такая конструкция будет поглощать низкие частоты с КЗП 0,15 - 0,25 ниже 200 Гц., отражая при этом СЧ/ВЧ. Достаточно скромные значения КЗП в данном случае частично компенсируются большой площадью облицовок. Благодаря этому, в отличие от традиционных панельных поглотителей, гибкие облицовки, в основном, используют для уменьшения времени реверберации на НЧ.  

Продолжая аналогию, можно предположить, что стены, потолок и пол любого помещения в акустическом смысле также не являются идеально жёсткими, то есть, их следует рассматривать, как очень большие, закрепленные по краям панели, которые под действием звуковых волн совершают изгибные колебания. Доказательством того, что они поглощают энергию низкочастотных звуковых волн, является их вибрация в ответ на воспроизведение в помещении баса. 

Причём заметьте, каждая из ограждающих конструкций будет резонировать на собственной резонансной частоте, а не на частотах комнатных резонансов. Значения собственных резонансных частот ограждающих конструкций (стен, пола и потолка) определяются акустическими свойствами материалов, из которых они изготовлены, их толщиной, размерами и способом закрепления. Обычно значения резонансных частот типовых ограждений в жилых домах находятся в частотном диапазоне от 100 до 3000 Гц. Таким образом, суперпозиция комнатных мод и резонансов ограждений происходит в частотном диапазоне от 100 до 300 Гц., что может существенно искажать АЧХ помещения. 

Звукопоглотители, работающие по принципу резонатора Гельмгольца 

Помимо мембранных поглотителей в акустической практике также популярно ещё одно устройство резонансного типа, а именно, резонатор Гельмгольца, принцип звукопоглощающего действия которого был разработан Германом фон Гельмгольцем. Суть данного принципа звукопоглощения состоит в сжатии внутреннего объёма воздуха, заключённого в корпусе герметичного устройства, давлением звуковой волны через отверстие (я) в нём. 

Само название «резонатор» говорит о том, что в основе акустического действия данного устройства также, как и в предыдущем случае, лежит принцип возникновения свободных колебаний некоторых его конструктивных элементов в унисон с колебаниями частиц воздуха в помещении под воздействием звуковых волн. Однако, в данном случае роль резонирующего элемента выполняет объём воздуха, заключённый внутри герметичного корпуса резонатора. А поскольку этот замкнутый объём воздуха тоже обладает массой и упругостью, то данную систему также корректно рассматривать, как систему «масса-пружина». 

Наиболее наглядным примером демонстрации работы резонатора Гельмгольца является обычная стеклянная бутылка. Если сильно, но медленно подуть над горлышком пустой бутылки, то можно отчётливо услышать тон определённой частоты. Налейте в бутылку воду, примерно до четверти её ёмкости и повторите эксперимент – теперь бутылка «запоёт» более высоким тоном. Продолжайте экспериментировать, наливая в бутылку разное количество воды, при этом каждый раз будет изменяться и характер звукового тона. Причём, чем больше воды в бутылке, тем выше частота тона. 

Так что же происходит с физической точки зрения? Вода, наливаемая в бутылку, уменьшает объём воздуха, содержащегося внутри бутылки, а это, в свою очередь, приводит к повышению частоты звукового тона, то есть, к увеличению значения собственной резонансной частоты системы. Следовательно, значение резонансной частоты данного устройства напрямую зависит от величины внутреннего объёма воздуха, содержащегося в его корпусе. 

На самом деле, помимо величины внутреннего объёма воздуха, на значение собственной частоты резонатора Гельмгольца определённое влияние также оказывает и та часть этого объёма, которая заключена непосредственно в «горлышке» бутылки, то есть, в её суженной части. Таким образом, конкретное соотношение между внутренним объёмом воздуха и объёмом воздуха, заключённым в суженной части резонатора Гельмгольца определяет значение его резонансной частоты. 

Из вышесказанного понятно, что резонатор Гельмгольца является колебательной системой с одной степенью свободы и поэтому способен «отзываться» только на одну единственную частоту, соответствующую его собственной резонансной частоте. По аналогии с мембранным поглотителем резонатор Гельмгольца также является высокодобротным девайсом со всеми вытекающими последствиями. 

Интересен тот факт, что резонатор Гельмгольца способен, как усиливать звуковые колебания на своей резонансной частоте, так и ослаблять их. В качестве примера усиления звука можно привести устройство полых корпусов струнных или трубчатые конструкции духовых музыкальных инструментов. Этот же принцип лежит в основе работы фазоинвертора в корпусах акустических систем. Нетрудно заметить, что во всех приведённых случаях звук струны или поток воздуха поступают изнутри устройства или же из области вблизи его горловины. Собственно, в этих случаях и происходит усиление звука на собственной частоте резонатора. 

Механизм звукопоглощающего действия резонатора Гельмгольца выглядит примерно так: давление воздуха, создаваемое звуковой волной, взаимодействует с внутренним объёмом воздуха резонатора через отверстие в его корпусе. При этом часть акустической энергии звуковой волны тратится на сжатие внутреннего объёма воздуха и трение в «горлышке» резонатора, а часть кинетической энергии поглощается пористым звукопоглощающим материалом, размещённым внутри корпуса устройства. Также, как и в конструкции панельного поглотителя, заполнение внутреннего объёма резонатора Гельмгольца эффективным звукопоглощающим материалом, несколько снижает его добротность на основной резонансной частоте, но при этом расширяется частотный диапазон звукопоглощения. 

Поскольку резонаторы Гельмгольца также работают по принципу поглощения давления звуковой волны, то и размещать их следует в зонах максимального звукового давления, то есть, в непосредственной близости от отражающих поверхностей. 

Существует множество вариантов конструктивного исполнения резонаторов Гельмгольца: планочный, щелевой, трубчатый, коробчатый, перфорированный. 

Простейшей конструкцией является жёсткая перегородка, установленная на некотором расстоянии от стены и имеющая массу небольших перфорационных отверстий по всей поверхности. В данном случае суммарный диаметр всех отверстий эквивалентен одному большому, размеры которого подбираются исходя из расчётной частоты поглощения и толщины перфорированной панели. В свою очередь, произведение значения толщины панели и значения суммарного диаметра всех отверстий, определяют расчётный объём горловины резонатора. Всё внутреннее пространство устройства, обычно, заполняют пористым звукопоглощающим материалом. 

Планочный резонатор Гельмгольца представляет собой полую объёмную рамочную конструкцию, смонтированную на стене, с параллельно закреплёнными на её лицевой стороне жёсткими планками одинаковой толщины. Причём между планками оставляются одинаковые зазоры (щели). Нетрудно понять, что произведение общей площади всех щелей и толщины планок определяет объём горловины резонатора. 

Конструкция щелевого резонатора Гельмгольца также состоит из рамочного каркаса, только, в отличие от планочного резонатора, его фронтальная панель – сплошная, но в ней имеются многочисленные щели различной длины и ширины. 

Также резонатор Гельмгольца конструктивно может быть выполнен в виде трубы, закрытой с одной стороны или в виде герметичной ёмкости произвольной формы с отверстием/отверстиями на корпусе. 

Наибольшее практическое распространение получили перфорированные звукопоглощающие конструкции, выполненные в виде перфорированныхметаллических или гипсовых щитов (например, акустические панели подвесного потолка ППГЗ, фирмы Knauf). Такие панели монтируют с относом от поверхности стены или потолка. Для некоторого расширения поглощаемого частотного диапазона часть воздушного объёма между ними заполняют пористым поглощающим материалом, обычно, минеральной ватой. 

Принцип действия перфорированного резонансного поглотителя легко понять, если представить себе, что внутренний объём за фронтальной панелью как бы разделён условными перегородками на равные по объёму небольшие ячейки, причём таким образом, что каждое наружное отверстие сообщается только со своей индивидуальной ячейкой. Каждую такую ячейку можно рассматривать в качестве обособленного малогабаритного резонатора Гельмгольца. Таким образом, при воздействии давления звуковой волны на поверхность перфорированной панели, представляющей собой совокупность самостоятельных маленьких резонаторов, данное устройство будет вести себя, как единый составной резонатор Гельмгольца с суммарной круговой частотой резонанса. 

Вы можете возразить, что никаких перегородок, разделяющих отдельные ячейки, на самом деле, нет. Однако, каждая воображаемая перегородка со всех сторон испытывает синфазно меняющееся равное давление воздуха, то есть, к каждой воображаемой перегородке прикладываются равные встречные силы, компенсирующие друг друга. Именно поэтому абсолютно не важно, существуют перегородки на самом деле или нет. 

Итак, подведём итоги по теме «Звукопоглощение». Из всего вышесказанного следует, что все поглощающие материалы и специальные звукопоглощающие акустические устройства в зависимости от поглощаемого частотного диапазона можно условно разделить на две группы:
1). ВЧ/СЧ поглотители;
2). НЧ поглотители. 

          В свою очередь, НЧ поглотители могут быть, как пористого, так и резонансного типа.

          Широкополосные ВЧ/СЧ поглотители, главным образом, представлены пористыми акустическими материалами с ячеистой или волокнистой структурой. Причём их структура может быть, как мягкой, так и твёрдой.

          Материалы с мягкой структурой – это акустический поролон и минеральная вата. Обычно эти материалы выпускаются в виде плит толщиной до 10 см. и плотностью 45 – 65 кг./м.куб. Как уже говорилось выше, коэффициент поглощения данных материалов находится в пределах 0,4 - 1,0 в диапазоне средних/высоких частот, примерно от 500 Гц. до 4 кГц. 

          Материалы с жёсткой пористой структурой типа Heradesign, в отличии от акустических материалов с мягкой структурой, эффективно поглощают в СЧ диапазоне, но при этом отражают ВЧ составляющую. 

          Также в качестве СЧ звукопоглотителей часто используются специальные акустические устройства, работающие по принципу резонатора Гельмгольца. Как правило, это различные конструкции с перфорированной фронтальной панелью. Также как и акустические материалы с жёсткой пористой структурой, эти устройства эффективно поглощают СЧ, отражая при этом ВЧ. 

 Как уже говорилось выше, низкочастотные поглотители могут быть представлены объёмными специальными акустическими конструкциями, изготовленными с использованием толстых (не менее 10 см.) пористых материалов, обычно это минеральная вата плотностью около 80 - 120 кг./м.куб. Или специальными акустическими устройствами резонансного типа, как правило, панельными поглотителями.

 Однако, следует отметить, что даже очень объёмные акустические устройства, изготовленные из пористых материалов, всё таки малоэффективны в частотном диапазоне ниже примерно 100 - 120 Гц., поэтому для, действительно, эффективного решения басовых акустических задач, как правило, используют высокодобротные панельные поглотители.  

2. ПЕРЕНАПРАВЛЕНИЕ ЗВУКА 

Отражение звука используется в тех случаях, когда его энергию нужно перенаправить, то есть, это делается с целью отклонения траектории звуковых волн, как правило, в сторону рассеивающих акустических конструкций. Для этого используются твёрдые массивные отражающие панели (экраны), монтируемые в определённых местах помещения под определённым углом. Естественно, чем твёрже и массивнее экран, тем выше его отражающая эффективность в НЧ диапазоне. 

Однако, на практике данный инструмент применяется нечасто. Дело в том, что далеко не всегда имеется возможность построить капитальную конструкцию, а лёгкая отражающая панель, как известно, способна переотражать только высокие и средние частоты, не оказывая при этом заметного влияния на распространение НЧ звуковых волн. Обычно, такие акустические решения используются при строительстве контрольных комнат студий звукозаписи в соответствии с концепцией RFZ (Reflection Free Zone), то есть, создание в студии зоны, свободной от ранних отражений. Этот подход помогает не переглушить помещение. 

Единственным вариантом бескомпромиссного использования принципа отражения является, так называемый «золотой трапагон» (Golden Trapagon). Это вариант архитектурного решения для музыкальной комнаты с наклонным потолком и расходящимися от фронтальной к тыловой стене боковыми стенами. Геометрия «золотого трапагона» характеризуется постепенным увеличением площади поперечного сечения помещения от фронтальной к тыловой стене по принципу «золотого сечения». 

Акустическое преимущество музыкальной комнаты, имеющей форму «золотого трапагона», состоит в том, что такое решение исключает проблему параллельных стен и, связанных с ней, ярко выраженных резонансов помещения и флаттера.

 трапагон  

По вполне понятным причинам такое архитектурное решение не является актуальным для широкой аудитории, поэтому, я ограничусь лишь кратким упоминанием о нём. 

Давайте попробуем разобраться, что происходит со звуковой волной при его отражении от твёрдой плоской поверхности. Как известно, плоские поверхности отражают падающий на них волновой фронт обратно в комнату под тем же углом, под которым звуковая волна достигает этой рефлексивной поверхности, иными словами, угол падения равен углу отражения. При этом отражённый волновой фронт, по сути, представляет собой практически точную копию (зеркальное отражение) падающего волнового фронта, сохраняя достаточно высокую амплитуду, направленность и структурную последовательность. Именно поэтому система «уши/мозг» идентифицирует плоскую стену как источник вторичного излучения звука, например, формирование КИЗ в областях площадок первых отражений. 

На основании результатов анализа значений временных задержек отражённых сигналов, система «уши/мозг» делает интуитивные выводы о местоположении различных отражающих поверхностей в пространстве и примерных расстояниях до них, а также формирует представление о приблизительных размерах помещения. Помимо этого, как уже говорилось, интенсивные отражения от плоских рефлексивных поверхностей «размывают» стерео-картину и искажают оригинальную музыкальную информацию. Также благодаря им мы слышим тональную окраску, обусловленную свойствами материалов, из которых сделаны ограждающие конструкции. 

Однако, в аспекте высококачественного звуковоспроизведения вся эта информация является не только бесполезной, но и однозначно вредной, поскольку она отвлекает слушателя и искажает оригинальный музыкальный контент. 

3. РАССЕИВАНИЕ ЗВУКА 

Однако, в акустическом аспекте имеет значение не только плотность материала отражающей поверхности, но и её конфигурация. Понятно, что речь идёт в основном о высоких и средних частотах, поскольку процесс их распространения подчиняется законам дифракции, в отличие от басовых частот, распространение которых происходит в соответствии с законами волнового процесса. 

Так вот, если относительно короткая звуковая волна встречает на своём пути твёрдое препятствие, имеющее размеры, сопоставимые с длиной звуковой волны, то вогнутые отражающие поверхности будут фокусировать звук, подобно параболическому зеркалу фонарика, а выпуклые, наоборот, рассеивать его в разных направлениях. 

Понятно, что, чем крупнее препятствие или, чем глубже рельеф отражающей поверхности, тем шире частотный диапазон звукового рассеивателя в сторону НЧ.  

Принцип рассеивания энергии звуковых волн широко используется в различных конструкциях специальных устройств, предназначенных для оптимизации акустической среды музыкальных комнат от простейших полукруглых дефлекторов (в качестве примера можно рассматривать стену бревенчатой избы) до технически сложных акустических диффузоров Шрёдера.  

Так чем же всё-таки рассеивание (диффузия) звука отличается от его отражения? 

В отличие от рассмотренного выше механизма отражения от плоской рефлексивной поверхности, при взаимодействии падающего волнового фронта с рельефной рефлексивной поверхностью, его акустическая энергия равномерно рассеивается в разных направлениях. То есть, мощный падающий волновой фронт, как бы, «разбивается» о рассеивающую поверхность и «рассыпается» на множество разнонаправленных мелких отражений. Далее, каждое из этих мелких отражений движется своим уникальным путём последующих переотражений. При этом происходит резкое снижение амплитуды, теряется направленность восприятия отражённого звукового сигнала, а также нарушается его структура. 

В конечном итоге, эта беспорядочно рассеянная по всему пространству помещения акустическая энергия таки достигнет Ваших ушей, но не в виде цельного отражённого волнового фронта, а в виде множества слабых разрозненных отражений, приходящих из разных неидентифицируемых направлений и с различными значениями временной задержки. Таким образом, её структура будет носить хаотический случайный характер и содержать широкий спектр тональной окраски, обусловленный многократными переотражениями, а амплитуда – сильно ослаблена. 

Такое акустическое состояние в зоне прослушивания называется диффузным звуковым полем. При этом у слушателя создается ощущение, будто бы звук приходит с одинаковой интенсивностью сразу со всех сторон, то есть, он, как бы, окружён однородной звуковой средой. Эта среда представляет собой пространство, заполненное отражённой рассеянной хаотической акустической энергией, в котором ни одна его область не воспринимается как доминирующая ни по одному из параметров: времени, направлению или окраске. Субъективно, это обогащает восприятие музыки ощущением реальности пространства, но при этом, не отвлекает слушателя и не привлекает к себе внимания. 

Формирование диффузного звукового поля в зоне прослушивания музыкальной комнаты обеспечивает равномерное затухание реверберации на всех частотах, без пробелов или серьезных «разрывов». 

Madsen обосновал важность такого акустического фактора, как значение временной задержки отражённых звуковых сигналов, а Damaske теоретически доказал, что многочисленные отражения, формирующие диффузное звуковое поле, должны обладать беспорядочными фазово-временными характеристиками и не должны «указывать» конкретного направления, откуда они прибыли. 

Таким образом, исследования Madsen, Haas и Damaske говорят о том, что нелокализованная звуковая энергия, достигающая ушей слушателя не ранее, чем через 15 мс. после прямого звука, являющаяся хаотичной по фазово-временной структуре, способствует значительному улучшению характеристик звуковой сцены и «музыкальной артикуляции». 

J. Peter Moncrieff пишет о том, что вторичные, третичные и т.д. отражения помогают системе «уши/мозг» реконструировать образную стерео-сцену вокруг пары АС. Они привносят в акустическую среду музыкальной комнаты ощущение пространственности звучания («ambience»). 

Звукорассеивающими свойствами обладают практически любые твёрдые рельефные поверхности. 

Классической задачей теории акустики является рассеивание звуковых волн цилиндрической поверхностью. Одним из примеров практического использования полуцидиндрической рассеивающей поверхности является бревенчатая изба. В таком помещении никогда не бывает флаттера, а акустические характеристики в среднечастотном диапазоне приближаются к характеристикам диффузного звукового поля. Однако, при всём этом, классическая полуцилиндрическая поверхность всё же представляет собой простейший дефлектор с достаточно узким «рабочим» частотным диапазоном и высокой неравномерностью диаграммы направленности рассеивания. 

На практике для этих целей обычно используют специальные эффективные звукорассеивающие устройства – акустические диффузоры. Акустические диффузоры (распылители, рассеиватели) – представляют собой сложные отражатели, имеющие, как правило, геометрически сложную рельефную поверхность и рассеивающие падающие на них звуковые волны в разных направлениях. Рельефная поверхность этих устройств может иметь вид упорядоченно или хаотически расположенных полуцилиндров, пирамид, полушаров, волн и т.п. Более сложную конструкцию имеют диффузоры Шрёдера, имеющие равномерную круговую диаграмму направленности рассеивания в очень широком частотном диапазоне - это одни из основных устройств, использующихся для коррекции акустической среды в музыкальных комнатах и звукозаписывающих студиях. 

Таким образом, в отличие от звукоотражающих и звукопоглощающих материалов/устройств, которые, соответственно, перенаправляют или поглощают звуковые волны, снижая интенсивность отражений, акустические диффузоры перераспределяют акустическую энергию интенсивных ранних отражений путём её пространственной и временной дисперсии. Перераспределяя акустическую энергию в пространстве помещения и задерживая её во времени, данные устройства трансформируют звуковые сигналы с последовательной структурой в хаотичные по всем основным параметрам. Таким образом, формируется диффузное звуковое поле в зоне прослушивания. 

Из всего вышесказанного следует крайне важный вывод: контролировать отражения в музыкальной комнате необходимо, однако, ни в коем случае, нельзя устранять их полностью и в любом произвольно взятом месте. «Мёртвая» акустическая среда в музыкальной комнате не менее ущербна, чем чрезмерно «живая». Прослушивание музыки в акустически «переглушенном» помещении, то есть, в условиях полного отсутствия реверберации можно охарактеризовать, как картину в чёрно-белых тонах без градации серого или, как картинку «штрихового кода». Следовательно, звучание способно доставлять удовольствие, только при наличии в помещении ощутимой реверберации.

P.S. ------------------------------------------------------------------------------------- 

Таким образом, для коррекции акустической среды небольших музыкальных комнат в распоряжении специалистов имеется только два основных инструмента: звукопоглощение и рассеивание. Грамотное сочетанное использование звукопоглощения и рассеивания позволяет добиться естественности звучания в музыкальной комнате.

Dr.Sound

 


ВНИМАНИЕ