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 / Акустические аномалии музыкальных комнат

АКУСТИЧЕСКАЯ ФИЛОСОФИЯ МУЗЫКАЛЬНОЙ КОМНАТЫ

5. Акустические аномалии музыкальных комнат

(Последнее редактирование 28.08.2012г.)

 Ознакомившись с основными характеристиками звука, особенностями звуковосприятия и распространения различных типов звуковых волн в замкнутом пространстве, а также с некоторыми параметрами помещений, оказывающими влияние на формирование акустической среды, можно перейти к рассмотрению основных акустических проблем, в большей или меньшей степени, присущим большинству музыкальных комнат. Понимание сути этих явлений, оказывающих негативное влияние на качество звуковосприятия, позволит Вам успешно бороться с ними, используя методики инсталляции акустических систем и технологии акустической обработки музыкальной комнаты.

Как уже говорилось в предыдущих главах, абсолютно все акустические проблемы музыкальных комнат обусловлены отражениями звука, излучаемого динамиками, от стен, пола и потолка, поскольку в процессе взаимодействия прямого и отражённого звука, а также сложного взаимодействия отражений различного типа между собой, на разных частотах возникают акустические эффекты, вызывающие искажение оригинальной музыкальной информации.

Учитывая отличия в особенностях распространения звуковых волн различной длины в условиях закрытого помещения, логично разделить все акустические аномалии на две основные группы: высокочастотные и низкочастотные.

 Основными дефектами акустической среды музыкальных комнат являются:
1. Реверберация;
2. «Порхающее эхо»;
3. Первые отражения;
4. Низкочастотные резонансы и «стоячие волны»;
5. Граничные эффекты (SBIR-эффект).

         Рассмотрим каждую из акустических проблем более детально.  

 1.   РЕВЕРБЕРАЦИЯ

Напомню, что РЕВЕРБЕРАЦИЯ (Reverberation или Reverb) – это акустический эффект остаточного звучания в помещении, наблюдающийся после прекращения излучения источником звукового сигнала и являющийся результатом многократного переотражения звука от стен, пола и потолка комнаты, а также от предметов интерьера, находящихся в ней. В процессе затухания звука отдельные отражения постепенно сливаются в один сплошной постепенно затухающий отзвук или послезвучие, так называемый, реверберационный «хвост» (Reverb Tail).

 Так почему же именно реверберация занимает первую строку в этом списке? Как правило, первое, что обращает на себя внимание при ознакомлении с акустикой помещения – это уровень реверберации в ней.

В архитектурной акустике принято характеризовать акустику помещения с помощью терминов «живая» или «мёртвая». Для того, чтобы определить акустический характер Вашей комнаты - попробуйте провести простой тест с хлопками в ладоши. Находясь в комнате, хлопните в ладоши и внимательно слушайте. Если после хлопка звук затухает не сразу и ещё некоторое время слышно послезвучие - это значит, что Ваша комната акустически «живая» (live). Если же звук хлопка неестественно быстро «обрывается» - это значит, что акустическая среда Вашей комнаты «мёртвая» (dead).

Как Вы сами видите, этот простой, но достаточно информативный эксперимент позволяет быстро оценить уровень реверберации в комнате без использования каких либо специальных измерительных приборов. Однако, нетрудно догадаться, что тест с хлопками в ладоши достаточно информативен только в отношении средних частот, но не даёт ни малейшего представления о низкочастотной реверберации, а этот аспект является не менее важным в плане оптимизации акустической среды (к этому вопросу мы обязательно вернёмся, но несколько позже).

Таким образом, в акустически «живой» комнате имеет место высокий уровень реверберации, что субъективно ухудшает разборчивость речи. Такая ситуация характерна для пустых комнат с «голыми» стенами и незашторенными окнами, хорошо отражающими высокие и средние частоты. Музыка в «живой» комнате звучит ярко, сочно и динамично, но, в то же время, чрезмерно резко, жёстко, «грязно» и «смазанно». Сформировать качественную звуковую сцену в таких условиях практически невозможно, она «размыта» и «бедна».

 В акустически «мёртвой» комнате, напротив, уровень реверберации низкий, что субъективно выражается в улучшении ясности речи и музыкальной артикуляции. Такую ситуацию можно наблюдать в небольших комнатах с обилием мягкой мебели, ковров и плотных драпировок, хорошо поглощающих звук на высоких и средних частотах. Однако, несмотря на то, что стереокартина при прослушивании музыки в помещениях такого типа, в общем-то, получается довольно неплохой, в звучании практически полностью отсутствуют такие важнейшие составляющие, как "объёмность" и "лёгкость". ­­­­­Многие аудиофилы, бездумно используя, где нужно и где ненужно ковры, плотные шторы, тяжелые тканевые драпировки, мягкую мебель и прочее, как правило, чрезмерно «глушат» свои музыкальные комнаты. При этом отраженные звуки исчезают вообще, а звучание становится «глухим» и «стерильным», теряет эмоциональность и выразительность, приобретает неестественный оттенок, быстро утомляющий слух.

 Следует отметить, что «мёртвая» акустическая среда, как ни странно, в некоторых случаях является просто необходимой. Например, в контрольных комнатах звукозаписывающих студий и специальных безэховых камерах, предназначенных для тестирования акустических систем. Однако, собственно, этим всё и ограничивается.

Как мы видим, и в том, и в другом случае уровень реверберации в помещении оказывает значительное влияние на характер звучания музыкальных программ. Тогда, возникает закономерный вопрос: какой уровень реверберации является оптимальным? Ответ неоднозначен, понятно только одно - для того, чтобы избежать нежелательных дефектов звучания, описанных выше, уровень реверберации в музыкальной комнате должен иметь некое среднее значение, то есть, акустическая средадолжна быть нейтральной. Оптимизация уровня реверберации в музыкальной комнате является обязательным условием, позволяющим значительно улучшить качество музыкальной артикуляции, сохранив при этом ощущение пространственности звучания.

 Однако, на практике, это также в значительной мере определяется личными музыкальными предпочтениями конкретного человека. Например, для прослушивания классической музыки, джаза и «лёгкого» блюза, наилучшей является слегка «живая» аустическая среда, а для «тяжёлого» рока и «металла» - слегка «заглушенная». Помимо этого, значение оптимального уровня реверберации также зависит и от типа аудио-системы, а именно, в отличие от музыкальной комнаты, предназначенной для прослушивания стерео, акустическая среда домашнего кинотеатра должна быть значительно более глухой. Это обусловлено тем, что стерео-звучание формируется прямым звуком от двух АС и отражениями от ограждающих конструкций комнаты, а в случае ДК звучание формируется исключительно многочисленными акустическими системами, расположенными в различных областях помещениия.

 Понятно, что без компромисса здесь не обойтись: либо «лёгкость» и «яркость» звучания, либо «вовлечённость» звуковой сцены, однако главная мысль заключается в том, что «звучание способно доставлять нам удовольствие, только в том случае, если в помещении присутствует ощутимая реверберация». Это обусловлено тем, что именно благодаря реверберации звучание инструментов и голосов кажется нам тембрально богаче, тоньше нюансированным, более объёмным и пространственным.

Уменьшение времени реверберации достигается использованием звукопоглощающих покрытий на стенах, полу и потолке помещения. Однако, как уже отмечалось, главное в этом деле – «не переусердствовать», ведь физиологически, система звуковосприятия человека настроена на присутствие естественной реверберации и при её недостатке начинает ощущать дискомфорт.

 Таким образом, акустическая среда музыкальной комнаты должна быть сбалансированной, рационально совмещающей принципы «живой» и «мертвой» акустики и непременно учитывающей личные предпочтения слушателя. Однако, в любом случае, АКУСТИЧЕСКУЮ СРЕДУ МУЗЫКАЛЬНОЙ КОМНАТЫ НЕЛЬЗЯ ЧРЕЗМЕРНО «ГЛУШИТЬ»!

Орган слуха человека устроен таким образом, что качество звуковосприятия зависит не только от количественного соотношения между прямым звуком и реверберацией, но также и от времени запаздывания реверберационного сигнала по отношению к моменту восприятия прямого звука.Эта временная задержка называется ВРЕМЕНЕМ РЕВЕРБЕРАЦИИ и является одним из главных критериев акустической характеристики помещения. Таким образом, время реверберации представляет собой промежуток времени, в течение которого звуковая волна, многократно переотражаясь между поверхностями стен, пола и потолка комнаты, постепенно полностью затухает.

Для обозначения данного параметра было принято сокращение «RT60» - это время (в секундах), за которое уровень звукового давления в помещении снижается на 60 дБ., после того, как источник звука прекратит излучение.

В соответствии с последними рекомендациями 1ЕС,для домашней музыкальной комнаты площадью 20 кв.м., значение времени реверберации должно составлять 0,4 +/- 0,15 сек.Эта величина главным образом зависит от степени звукопоглощения стен, потолка и пола. Сюда же следует отнести поглощение звуковой энергии мебелью, элементами интерьера и самого (или самих) слушателей. Как уже говорилось выше, для домашнего кинотеатра это значение должно быть значительно меньше и составлять 0,2 – 0,25 секунд.

Этот параметр характеризует, как размеры помещения,  так и свойства его отражающих поверхностей.

Следовательно, если сравнивать две одинаковые по размерам комнаты, то в «живой» комнате звуковые волны, претерпевая множество переотражений от стен, пола и потолка, будут затухать дольше, по сравнению с такой же, но «мёртвой» комнатой, содержащей большое количество мягкой мебели, толстых ковров и плотных штор, хорошо поглощающих звук. Таким образом, и время реверберации в «звонкой» комнате будет больше.

Спектр реверберационных сигналов также содержит информацию об акустических характеристиках материалов, из которых изготовлены отражающие поверхности. Например, реверберация с высоким уровнем высокочастотных составляющих, ассоциируется с комнатой, имеющей твёрдые глянцевые поверхности, которые хорошо отражают высокие частоты, что в свою очередь, естественно, продлевает время реверберации. Если же звук реверберации глухой, то слушатель приходит к выводу, что стены комнаты покрыты коврами или драпировками, поглощающими высокие частоты.

Помимо этого, реверберация несёт в себе информацию о размерах помещения. Спектральный состав отраженных сигналов в больших и малых помещениях отличается, поскольку в отличие от больших помещений, в малых комнатах за единицу времени происходит большее количество переотражений, что ведёт к быстрому ослаблению и последующему затуханию реверберации. Именно поэтому, в маленьких комнатах значение времени реверберации относительно небольшое по сравнению с этим же параметром в просторных помещениях.

Также спектр реверберационных отражений позволяет определить примерное расстояние до источника звука. Наша система ухо/мозг, автоматически оценивая соотношение между уровнями прямого звука и реверберации, самостоятельно делает вывод о том, находится ли источник звука близко (короткая реверберация) или далеко (длительная реверберация).

Таким образом, значение времени реверберации в музыкальной комнате является одним из главных параметров, определяющим качество звучания аудиосистемы. К более детальному рассмотрению данного вопроса мы вернёмся несколько позже. 

2.   «ПОРХАЮЩЕЕ ЭХО»

        Следующей очень распространённой акустической проблемой, типичной для многих музыкальных комнат является, так называемое, «ПОРХАЮЩЕЕ ЭХО» или «ФЛАТТЕР».

Несомненно, каждый из Вас, находясь в пустых комнатах с «голыми» стенами, обращал внимание на неприятный «звенящий тон» или «металлический» призвук, продолжающийся ещё некоторое время после хлопка в ладоши и иногда сопровождающийся дрожащим или вибрирующим «хвостом», напоминающим порхание крыльев птицы. Отсюда, собственно, и название «порхающее эхо». Некоторые сравнивают этот акустический эффект с шумом медленно вращающихся лопастей пропеллера самолёта, очевидно, поэтому существует и другое название – «флаттер». Для справки: термин «флаттер» в авиации означает вибрацию, дрожание несущих плоскостей - явление, грозящее самолету разрушением.

Так что же такое «флаттер» с физической точки зрения. Очень упрощённо, «порхающее эхо» напоминает отражение от двух, расположенных друг напротив друга зеркал, которое поочерёдно «мечется» туда-сюда. То есть, для возникновения этой акустической аномалии необходимы две параллельные отражающие поверхности, например, две противоположные стены или пол и потолок.

 С другой стороны, «флаттер» напоминает быстроповторяющееся эхо, возникающее на частотах, длины волн которых кратны расстоянию между параллельными отражающими поверхностями и, естественно, вызывает тембральное окрашивание звучания за счёт акцентирования этой определённой частоты по отношению к уровню остальных частот. Понятно, что в просторных комнатах этот эффект будет иметь место на более низких частотах и субъективно будет восприниматься, как быстрое эхо, типа «а-тат-тат», в то время, как в небольших комнатах этот эффект будет происходить на более высоких частотах, поэтому, с большей вероятностью, Вы услышите просто «металлический призвук». Из изложенного выше становится понятным, что «флаттер» не возникает в очень тесных помещениях, ему нужен простор.

 Таким образом, под «порхающим эхо» или «флаттером» в акустике понимают процесс многократного циклического отражения звука между двумя параллельными поверхностями с высокой отражающей способностью. 

bbe019863d004524894c008898b65223  

Следует уточнить, что с точки зрения звуковоспроизведения, нас интересует не присутствие «флаттера» в помещении вообще, а только его наличие в плоскости акустических систем. Определить это можно также с помощью простого теста. Находясь вблизи одной из АС, хлопните в ладоши и слушайте...

Наличие «флаттера» в плоскости АС отрицательно сказывается на качестве звуковоспроизведения, поскольку это ухудшает разборчивость речи, «смазывает» звучание музыкальных программ и придаёт ему резкий неприятный «визгливый» окрас. 

3.   РАННИЕ (ПЕРВЫЕ) ОТРАЖЕНИЯ

Переходя к рассмотрению вопроса о ранних отражениях в аспекте звуковоспроизведения, хочу подчеркнуть его особую важность, поскольку именно первые отражения способны оказывать мощное негативное влияние, как на качество, если так можно выразиться, самого звука, так и на характеристики звуковой стереосцены.

Напомню, что отличительной чертой первых отражений является то, что до момента достижения ушей слушателя, они претерпевают одно единственное отражение от одной единственной отражающей поверхности. Следование первых отражений кратчайшим путём, возможным для отражений, обеспечивает им минимальную временную задержку, относительно момента прибытия к ушам слушателя прямого звука и сохранение достаточно большой амплитуды (немногим меньше амплитуды прямого звука). Именно это обстоятельство обуславливает восприятие человеческим органом слуха первых отражений слитно с прямым звуком, то есть, в виде одного суммарного звукового сигнала (Haas-effect).Помимо этого, по сути, являясь «зеркальным отражением» основного звукового сигнала, ранние отражения практически полностью сохраняют его структуру. Сильно упрощая, если бы мы могли услышать только первые отражения (без основного звука), то они полностью бы соответствовали основной музыкальной программе, за исключением тембрального баланса и имели бы несколько меньшую амплитуду.

Области на стенах, полу и потолке музыкальной комнаты от которых происходит отражение первых отражений (извиняюсь за тавтологию) называются площадками первых отражений.

image001

 Отражение звуковых волн от препятствий подчиняется законам геометрической акустики, рассматривающей процессы отражения звука в динамике и в зависимости от геометрии помещений. Геометрическая акустикаимеет много общего с законами геометрической оптики, например, «угол падения равен углу отражения». Следовательно, геометрические характеристики ранних отражений напрямую зависят от геометрии помещения и являются уникальными для каждой конкретной точки данного помещения, то есть, акустическая характеристика каждой точки помещения определяются, в основном, сочетанием прямого звука и ранних отражений, приходящих в данную точку.

Естественно, что локализация площадок первых отражений будет изменяться при изменении положения АС и/или позиции слушателя в пределах одной и той же комнаты. Именно поэтому соблюдение акустической симметрии является важнейшим условием формирования реалистичной звуковой сцены.

В зонах площадок первых отражений формируются, так называемые, кажущиеся источники звука (КИЗ). Рассмотрим, что же такое КИЗ более подробно, поскольку это имеет непосредственное отношение к вопросу формирования звуковой стереосцены. Поскольку кажущиеся источники звука являются вторичными, то они конкурируют с прямым звуком, излучаемым динамиками АС, отвлекая внимание на себя. Однако, прямой звук сообщает системе уши/мозг важную информацию о направлении, откуда он исходит, что является непременным условием формирования стереокартины. Следовательно, ранние отражения негативно влияют на формирование звуковой сцены, как бы «размывая» её.

Однако, и это ещё не всё. «Оттягивая» звучание на себя, первые отражения искажают истинный размер виртуальных музыкальных образови их локализацию на звуковой стерео-сцене. В результате субъективно виртуальные образы музыкантов и вокалистов воспринимаются или неестественно большими или, наоборот, слишком маленькими, а их местонахождение на звуковой сцене не соответствует замыслу звукоинженера, создавшего запись.

Механизм «объёмного» влияния ранних отражений на характеристики звуковой сцены объясняется тем, что они происходят сразу от нескольких поверхностей, находящихся в разных плоскостях, то есть, от всех стен, пола и потолка, при этом отличия между ними состоят лишь в направлении прибытия, геометрии пути, интенсивности, временной задержке и спектре.

 Помимо этого, высокоамплитудные ранние отражения, достигая ушей слушателя почти одновременно с прямым звуком и воспринимаясь слитно с ним, оказывают на прямой звук сильное искажающее влияние. Это выражается в привнесении в звучание неестественной тональной окраски, спектр которой с одной стороны, определяется расстоянием от источника звука до отражающей поверхности и расстоянием от отражающей поверхности до ушей слушателя, а с другой, от физических свойств последней.

Дело в том, что с одной стороны, отражающие поверхности, имеющие различные характеристики, по-разному отражают звуковые волны различной частоты, имея при этом также отличающийся спектр звукопоглощения. С другой стороны, положение усугубляется, так называемым, эффектом «гребенчатой фильтрации». Его суть состоит в том, что при взаимодействии прямого и отражённого звука на некоторых частотах происходит усиление звука за счёт сложения синфазных звуковых волн, а на некоторых - его значительное ослабление, вплоть до полной отмены (в случае взаимного уничтожения звуковых волн, имеющих противоположные фазы). При этом из сигнала, доходящего до слушателя, исчезает часть полезной музыкальной информации на «выпавших» частотах, что, в свою очередь, естественно, сильно искажает тональный баланс исходной фонограммы, то есть вызывает тональную окраску звучания в басовом и нижнем среднем частотных диапазонах. Частоты, на которых возникает нежелательное акустическое взаимодействие пропорциональны расстоянию от АС до стен помещения. Причём на графике АЧХ участки, соответствующие «выпавшим» частотам, располагаются с более или менее равномерными интервалами, что визуально напоминает гребень для расчёсывания волос. Отсюда и название – «гребенчатая фильтрация».

 Собственно, именно два этих фактора и объясняют механизм искажающего влияния первых отражений на качество самого звука, то есть, «тональное окрашивание» звучания.

 Также следует отметить, что ранние отражения информируют систему уши/мозг о размерах музыкальной комнаты, вследствие чего слушатель вместо атмосферы просторного концертного зала, имеющейся на записи, воспринимает реальные размеры маленькой комнаты.

 Логично предположить, что по мере удаления источника(ов) звука и точки прослушивания от отражающих поверхностей влияние первых отражений ослабевает, однако, это возможно только в условиях достаточно просторных музыкальных комнат.

 Таким образом, ранние отражения являются одной из основных акустических проблем практически любой небольшой музыкальной комнаты.

 К ранним также относят отражения, переотразившиеся в среднем только 2 - 3 раза и достигающие ушей слушателя вслед за прямым звуком в течение последующих 50-60 миллисекунд, поэтому всё вышесказанное в большей или меньшей степени касается и их.

Таким образом, управление интенсивностью ранних отражений позволяет улучшить качество звуковой сцены, сделать звучание АС более ясным и детальным.

4.   КОМНАТНЫЕ РЕЗОНАНСЫ И «СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ»

Теперь перейдём к рассмотрению низкочастотных акустических проблем, характерных для большинства относительно небольших музыкальных комнат.

 Одним из самых серьёзных и труднокорректируемых дефектов акустической среды музыкальных комнат, несомненно, являются низкочастотные акустические резонансы.

Многие из Вас, без сомнения, неоднократно сталкивались с этой проблемой. Субъективно, низкочастотный резонанс воспринимается в виде интенсивного неприятного «гула» в некоторых басовых партиях, причём, именно в некоторых и в определённых местах фонограммы. Звучание приобретает «грязный» «гудящий» характер. В этом сплошном низкочастотном гуле трудно различить не только басовые партии, но и более тихие партии остальных инструментов, а также нюансы вокала. Вы не в состоянии расслышать конкретные партии басовых музыкальных инструментов, так как все тоны звучат одинаково грязно. Ну что? Знакомая ситуация?

Так что же такое - акустический резонанс и каковы условия его возникновения?

Любая система обладает собственными резонансными частотами. В спокойном состоянии, то есть, в состоянии равновесия системы, они никак не проявляются. Но, стоит систему вывести из равновесия, например, возбудив внутри помещения звук, как эта система сразу обязательно проявит свои собственные резонансные частоты (а их - множество).

Рассмотрим механизм возбуждения резонансного режима. Объём воздуха, заключённый в пространстве помещения, ограниченном его стенами, полом и потолком, способен резонировать, причём значения резонансных частот находятся в непосредственной зависимости, как от размеров помещения, так и от соотношения его линейных размеров. Сущность данного эффекта состоит в том, что звуковые волны прежде, чем окончательно затухнуть, проделывают многократные движения «вперёд-назад» между двумя параллельными отражающими поверхностями, подобно колышущейся воде в корыте. В результате этого на некоторых частотах отражённые звуковые волны совпадают по фазе и, соответственно, начинают усиливать друг друга, что, в свою очередь, выражается в увеличении их суммарной амплитуды. Однако происходит это не на всех частотах, а только тогда, когда значение расстояние между параллельными отражающими поверхностями кратно значению половины длины звуковой волны - формируется РезонансНЫЙ РЕЖИМ.

Иными словами, для возникновения акустического резонанса необходимо, что бы звуковая волна, «начавшись» у одной стены, прошла через всю комнату по прямой к противоположной параллельной стене и, отразившись от неё, снова вернуться к началу своего пути в тот момент, когда начинает возбуждаться вторая точно такая же волна. И так далее по замкнутому циклу. При этом, в результате взаимоусиления прямой и отражённой звуковых волн, происходит неестественное увеличение амплитуды суммарного звукового сигнала, что субъективно выражается в акцентировании его по отношению к остальным частотам и обуславливает гулкость звучания на данной частоте.

Таким образом, акустический резонанс– это явление возрастания амплитуды звука при приближении частоты возбуждающего сигнала к собственной частоте системы.

Однако обычная прямоугольная комната имеет не одну, а сразу три пары параллельных отражающих поверхностей: боковые стены, пол и потолок, тыловая и фронтальная стены. Следовательно, если в любом из линейных размеров помещения, будь-то: длина, ширина или высота, точно укладывается некое целое (одна и более) количество звуковых полуволн, то соответствующие этим длинам волн частоты и являются собственными резонансными частотами данного помещения. Естественно, что комнаты с различными линейными размерами обладают своим уникальным набором резонансных частот.

Резонансные частоты помещения также называют собственными резонансами помещения, комнатными резонансами, модальными резонансами или комнатными модами, подчёркивая тем самым, их непосредственную связь с линейными размерами помещения.

Особое место среди комнатных резонансов занимают главные комнатные резонансы, возникающие на самых низких частотах, возможных для каждого линейного размера помещения, то есть, когда в конкретном линейном размере чётко укладывается половина длины соответствующей звуковой волны или, перефразируя, когда длина волны вдвое превышает значение соответствующего линейного размера. Такие резонансные частоты ещё называют базовыми. Именно на них, главным образом, формируются стоячие волны, но об этом несколько позже…

Очевидно, что по сравнению с большими помещениями в маленьких комнатах значения главных резонансных частот будут гораздо выше, а следовательно, различные моды будут более растянуты по частотному диапазону, что, в свою очередь, существенно повышает риск их слияния. Именно поэтому в большинстве малогабаритных комнат, как правило, наблюдается длительный гудящий бас на их собственных резонансных частотах.

Таким образом, наиболее очевидной акустической проблемой практически любой, сравнительно небольшой музыкальной комнаты, является наличие низкочастотных резонансов, непосредственно связанных с линейными размерами помещения.

Как уже говорилось в предыдущих разделах, в отличие от высоких частот, распространение низкочастотных звуковых волн подчиняется законам волнового процесса и не вполной мере соответствует положениям геометрической акустики. Это выражается в том, что в отличие, например, от «флаттера», для формирования резонансного режима строгая параллельность противоположных отражающих поверхностей совсем не обязательна, то есть, достаточно просто того, что бы эти поверхности были условно параллельными. Это важно для понимания того, что резонансные режимы могут формироваться не только в строго перпендикулярной плоскости, относительно отражающей поверхности. 

В прямоугольном помещении неисчислимое количество направлений распространения звуковых волн, причем во многих из них возникают акустические резонансы.

Волны, создающие резонансы, разделяют на две категории и пять классов. К первой категории относят так называемые ОСЕВЫЕ(АКСИАЛЬНЫЕ) РЕЗОНАНСЫ. В соответствии с трёмя линейнымм размерами помещения (длина, ширина и высота), выделяют три класса аксиальных резонансов: продольные, поперечные и вертикальные. Звуковые волны каждого из этих классов распространяются, отражаясь только от двух противоположных попарнопараллельных отражающих поверхностей. Например, поперечный резонанс возникает между боковыми стенами, вертикальный - между полом и потолком, а продольный, соответственно, между фронтальной и тыловой стенами.

Аксиальные низкочастотные резонансы являются самыми сильными, и самыми разрушительными для точного воспроизведения музыки. Осевые моды, особенно первые из них, заслуживают самого пристального внимания, поскольку именно они дают наибольшие амплитуды, формируя стоячие волны и обуславливая высокую неравномерность звукового давления в пространстве помещения.

Ко второй категории относят так называемые НЕОСЕВЫЕ (КАСАТЕЛЬНЫЕ) РЕЗОНАНСЫ. Они следуют более сложным маршрутом. Различают два вида неосевых резонансов:тангенциальные,если отраженные волны касаются четырех поверхностей комнаты в одной плоскости, подобно бильярдному шару, катящемуся вокруг стола, обрамлённому бортом и наклонные, в том случае, когда отраженные волны касаются всех шести поверхностей помещения, подобно многократно рекошетящей пуле.

Однако, роль неосевых резонансов в аспекте звуковоспроизведения гораздо менее значима. Этот факт объясняется тем, что ограждающие поверхности комнаты, как правило, параллельны, а, следовательно, и расстояния между ними - короче. Поэтому практическое значение имеют, главным образом, осевые (аксиальные) резонансы:
- продольный (между фронтальной и тыловой стенами);
- поперечный (между боковыми стенами);
- вертикальный (между полом и потолком).

Таким образом, значения трёх линейных размеров прямоугольного помещения: длины, ширины и высоты, определяют соответствующие значения её трёх главных резонансных частот, то есть, продольного, поперечного и вертикального резонансов. Эти частоты различают по старшинству: первая, вторая и третья, причём первая из них, самая низкая по частоте, в прямоугольном помещении соответствует наибольшему размеру - длине.

Однако, на самом деле, не всё так просто. Дело в том, что возбуждение любого из главных резонансов на какой-либо определённой частоте всегда сопровождается возбуждением сопутствующих резонансов на более высоких частотах, кратных этой основной базовой частоте. Эти сопряжённые резонансы называются ГАРМОНИЧЕСКИМИ ОБЕРТОНАМИ или просто ГАРМОНИКАМИ главного резонанса.

Процесс гармонизации происходит только на тех частотах, для которых соблюдается следующее условие: расстояние между двумя параллельными отражающими поверхностями должно без остатка вмещать целое, отличное от единицы, число соответствующих этим частотам полуволн. А поскольку первой гармоникой является сама базовая резонансная частота, то первая следующая за ней кратная частота будет называться второй гармоникой, вторая – третьей, третья – четвёртой и т.д. Например, если значение главной резонансной частоты соответствует 50 Гц., то значение частоты её первой гармоники будет соответствовать его удвоенному значению, то есть, 100 Гц., третьей, соответственно, 150 Гц., четвёртой – 200 Гц. и т.д. Всё то же самое можно выразить и иным способом, например, конкретно для рассмотренного выше линейного размера это может выглядеть и так: «1-я мода – 50 Гц., 2-я мода – 100 Гц., 3-я мода 150 Гц.. 4-я мода – 200 Гц. и т.д.»

Как Вы сами видите, любая из гармоник более высокого порядка одного и того же главного резонанса имеет кратно более высокую частоту, а, следовательно, и кратно меньшую длину волны по отношению к длине волны главного резонанса. Понятно, что соответствующий линейный размер помещения будет вмещать уже совсем не одну половину волны, а некоторое целое, отличное от единицы, количество половинок длины волны конкретной моды.

Естественно, что гармоники сопутствуют всем трём главным резонансам помещения. Однако, поскольку практическое значение имеют только первые четыре моды для каждого линейного размера комнаты, то обычно резонансный анализ ограничивается двенадцатью модами.

Таким образом, любая музыкальная комната представляет собой многочастотный объёмный резонатор, внутри которого находится нелинейный акустический излучатель, а слушатель воспринимает звучание, являющееся продуктом их взаимодействия.

В большинстве источников информации понятия «резонанс» и «стоячая волна» отождествляются, но на самом деле между ними имеются некоторые отличия. Так, что же такое «стоячая волна» и, в чём её отличие от остальных комнатных мод? 

«Стоячие волны», как правило, формируются на главных резонансных частотах помещения, по сути, являясь вариантом резонансного режима, то есть,стоячая волна является частным случаем бегущей волны, но с фазовой скоростью равной нулю. Это значит, что в отличие от обычного резонанса, в стоячей волне не происходит переноса акустической энергии.

Рассмотрим процесс формирования стоячей волны на примере одной из главных резонансных частот помещения. Так вот, на частоте одного из главных комнатных резонансов звуковая волна как бы перестает «бегать» от стены к стене и "останавливается", представляя собой неподвижные в пространстве чередующиеся области повышенного и пониженного (относительно атмосферного давления) звукового давления.

 Таким образом, «СТОЯЧАЯ ВОЛНА» представляет собой стабилизированный резонансный режим, являющийся результатом интерференции (наложения) бегущих навстречу друг другу двух звуковых волн, имеющих одинаковые амплитуду, фазу и частоту.

Наложение таких волн происходит всякий раз, когда волна падает на массивное, высокорефлексивное препятствие, перпендикулярное к направлению ее распространения. В этом случае отраженная волна будет распространяться строго навстречу падающей, сохраняя при этом практически такую же амплитуду (это возможно, например, в случае наличия двух параллельных массивных плоских стен с твёрдой поверхностью). Когерентность же (идентичность) прямой и обратной волн определяется тем, что, по сути, они представляют собой более ранний и более поздний фрагменты одной и той же звуковой волны.

Сохранение достаточно высокой амплитуды после отражения является непременным условием формирования стоячей волны, обеспечивающим идентичность прямой и отражённой звуковых волн. Очевидно, что соблюдение этого условия возможно только на достаточно низких частотах, имеющих наибольшую амплитуду и продолжительность. Именно поэтому стоячие волны, как правило, формируются на основных резонансных частотах помещения или на частотах их гармоник самого низкого порядка.

 В результате, в одних областях помещения между двумя отражающими поверхностями эти волны суммируются, образуя неподвижные в пространстве «сгустки» постоянно-высокого звукового давления, так называемые, «пучности», а в других - взаимоуничтожаются, превращаясь в неподвижные области с нулевым значением звукового давления, так называемые «узлы».

 Амплитуда в пучностях стоячей волны равна удвоенной амплитуде каждой из волн и здесь нет нарушения закона сохранения энергии, поскольку в узлах интенсивность равна нулю. Дело в том, что, как уже отмечалось ранее, в отличие от бегущей звуковой волны (типичный резонанс), в cтоячей волне не происходит переноса акустической энергии, а осуществляется лишь её пространственное перераспределение.

 Таким образом, узлы стоячей волны представляют собой неподвижные в пространстве, чередующиеся области, в которых вследствие взаимодействия звуковых волн, имеющих противоположные фазы, звуковое давление равно нулю, а колебательная скорость частиц воздуха максимальна. Напротив, пучности стоячей волны, или «антиузлы», представляют собой неподвижные в пространстве, чередующиеся области, являющиеся результатом взаимодействия звуковых волн, имеющих одинаковые фазы, в которых значение звукового давления максимально, а колебательная скорость частиц воздуха равна нулю. При этом результирующая звуковая волна в пучностях постоянно изменяет фазу.

 Расстояние между двумя соседними узлами или двумя соседними пучностями равно половине длины волны. Следовательно, смежные узлы и пучности в стоячей волне располагаются на расстоянии четверти длины волны друг от друга, причём, у отражающей поверхности всегда формируется пучность стоячей волны.

 Субъективно пучности и узлы Вы можете без труда определить на слух, просто перемещаясь по комнате, в которой воспроизводится синусоидальный звуковой сигнал с частотой ниже 150 Гц. (имеются в виду только направления, перпендикулярные стенам, участвующим в процессе отражения). При этом, находясь в области пучности, Ваша голова будет буквально «гудеть», напротив, в области узла может ощущаться сильное ослабление басового тона, вплоть до полного его отсутствия.

Таким образом, комнатные акустические резонансы и стоячие волны негативно влияют на качество звуковоспроизведения, поскольку привносят сильнейшую низкочастотную окраску звучанию и делают невозможным восприятие тонких музыкальных нюансов.

5.   Граничные эффекты (SBIR-ЭФФЕКТ)

Как уже отмечалось, поведение басовых волн очень капризно. Они не замечают маленьких препятствий, если их размеры много меньше длины волны, но если препятствие имеет достаточно большой размер и плотность, то, отражаясь, басовые волны многократно накладываются друг на друга, вызывая сложную интерференционную картину, сильно зависящую от взаимного расположения источника звука и препятствия.

 Для того, что бы понять о чём идёт речь, представьте себе прямоугольную комнату с установленными в ней акустическими системами. Для начала рассмотрим, что же происходит на примере только одной АС. Низкочастотная составляющая звука, излучаемого динамиком, взаимодействует со своими же собственными отражениями от поверхностей фронтальной (позади АС) и ближайшей боковой стен, а также от поверхности пола (рассматриваем только отражающие поверхности, расположенные в непосредственной близости от АС). Как мы видим, процесс одновременно происходит сразу в трёх плоскостях, принимая объёмный характер.

 Отражённые звуковые волны «сталкиваются» со звуковыми волнами, продолжающими поступать из динамиков. В зависимости от расстояния до каждой отражающей поверхности и длины волны, давление воздуха отраженных волн будет либо складываться, либо вычитаться из давления волны прямого звука. В результате некоторые частоты будут акцентироваться, а некоторые, наоборот, сильно ослабевать, вплоть до полного выпадения отдельных музыкальных партий.

Естественно, чем больше расстояние от АС до отражающей поверхности, тем ниже диапазон проблемных частот и наоборот, чем это расстояние меньше, тем проблемный диапазон - выше. Однако, куда более важным является аспект равенства/кратности расстояний от АС до каждой из ближайших отражающих поверхностей. Понятно, что при равенстве хотя бы двух из трёх рассматриваемых расстояний, например, АС/фронтальная стена и АС/ближайшая боковая стена, взаимодействие в двух плоскостях будет происходить на одних и тех же частотах, что, в свою очередь, приведёт к появлению в звучании неприятного назойливого низкочастотного «бубнения». А если ещё и расстояние от НЧ-динамика до поверхности пола также будет равно двум остальным расстояниям… Я думаю, всё понятно и без дальнейших комментариев.    

Естественно, чем больше источников звука и смежных отражающих поверхностей, тем акустическая картина еще сложнее. Помимо этого, также имеет значение и расстояние между самими источниками звука, в нашем случае - это расстояние между самими АС.

Не правда ли, описанная картина напоминает эффект «гребенчатой фильтрации», только происходящий в низкочастотном диапазоне. С другой стороны, в отличие от низкочастотных резонансов, описанный процесс не нуждается в наличии парнопараллельных отражающих поверхностей. Именно поэтому, даже несмотря на то, что объективные проявления граничных эффектов выглядят точно так же, как и в случае с низкочастотными резонансами, данная акустическая проблема рассматривается самостоятельно.

В результате мы имеем ещё одну, не менее важную акустическую проблему, вызываемую низкочастотными отражениями, а именно, SBIR – эффект (Speaker Boundary Interference Response). Она присутствует абсолютно во всех помещениях, но особенно характерна для небольших музыкальных комнат. В некоторых источниках это явление также называют «ГРАНИЧНЫМИ ЭФФЕКТАМИ», подчёркивая тем самым непосредственную зависимость данной акустической проблемы от взаимного расположения АС, а также от их положения относительно ближайших ограждающих конструкций помещения.

 Dr.Sound 

 

 

ВНИМАНИЕ