Акустика - основні поняття
Якщо в пружною середовищі, якою є повітря, яке-небудь тіло здійснює коливання, то від нього починають розходитися чергуються шари ущільнення і розрідження. Вони називаються звуковими хвилями і являють собою поздовжні коливання частинок середовища, тобто частинки коливаються в напрямку поширення хвилі.
Хвильова поверхня (фронт хвилі) - це геометричне місце точок середовища, тих, хто вагається в однакових фазах.
Звуковий промінь - це лінія, в кожній точці збігається з напрямком поширення хвилі. У однорідноїізотропної середовищі звуковий промінь є прямою лінією, перпендикулярної до хвильової поверхні.
Швидкість поширення звукової хвилі V - відстань, яке за одиницю часу проходить будь-яка точка хвильової поверхні. Швидкість поширення звукових хвиль в газі прямо пропорційна кореню квадратному абсолютної температури газу.
довжиною хвилі # 955; називається відстань між двома найближчими точками середовища, що хитаються зі зрушенням фаз # 916; # 966; = 2π.
Період коливання Т - час, за яке джерело здійснює одне повне коливання.
Частотоюколивання f називається число повних коливань, що здійснюються за одиницю часу.
Важливою характеристикою звуку є його спектр, що отримується в результаті розкладання звуку на прості гармонічні коливання. Спектр буває суцільний, коли енергія звукових коливань безперервно розподілена в більш-менш широкій області частот, і лінійчатий, коли є сукупність дискретних частотних складових.
У чергуються шарах стиснення і розрідження середовища відбувається зміна тиску в порівнянні з атмосферним (статичним) тиском. У моменти стиснення зміна відбувається в бік збільшення тиску, в моменти розрідження - в сторону зменшення.
Звуковим тиском називається величина, яка дорівнює (при гармонійному коливанні) 70% від максимальної різниці між статичним тиском і тиском, створюваним звуковими коливаннями. Звуковий тиск вимірюється в н / м2 (або, що те ж саме, в Па).
Звуковий тиск в даній точці зменшується пропорційно збільшенню відстані точки до джерела.
Якщо Епад - енергія звуку, падаючого на дану перешкоду, а ЕОт - енергія відбитого звуку, то коефіцієнт відображення # 946; = ЕОт / Епад
Якщо Епр - енергія звуку, що пройшов крізь перешкоду (з приміщення 1 в приміщення 2), то коефіцієнт звукопровідності # 947; = Епр / Епад
Так як енергія, що втрачається в приміщенні 1, при відображенні від стіни складається з енергії, що поглинається матеріалом стіни Епогл і енергії, що пройшла крізь стіну, то коефіцієнт поглинання # 945; = (Епогл + Епр) / Епад
З викладеного ясно, що # 945; + # 946; = 1.
При відображенні від увігнутої поверхні може статися фокусування відбитих променів з утворенням мнимого джерела звуку в точці S ', в якій збільшується щільність звукової енергії. Опуклі поверхні сприяють розсіюванню відбитої звукової енергії, часто сприяючи цим забезпечення рівномірної чутності у всіх точках приміщення. Увігнуті поверхні допустимі лише з дуже малим (не більше 40 см) або дуже великим (більше ніж в 4 рази перевершує довжину приміщення) радіусом кривизни. При відображенні звуку від плоскої поверхні також утворюється уявний джерело, але слабший.
пористі матеріали
У пористих матеріалах речовина заповнює невелику частину загального обсягу. Основний обсяг складають численні пори, канали і порожнини, які відкриті назовні і повідомляються між собою. Такими матеріалами є повсть, бавовняна і скловолоконна вата, килими, спеціальна акустична штукатурка і т. П.
Теорія поглинання звуку пористими матеріалами була розроблена вперше більш 100 років тому Дж. В. Стретта (лордом Релея). Вона побудована на постулаті, що в пористих матеріалах існують сили в'язкості, що перешкоджають протіканню повітря через пори, за рахунок чого речовина відбирає частину кінетичної енергії вагається частинок повітря, перетворюючи її в тепло. Відповідно до цієї теорії, поглинаючі властивості пористих матеріалів залежать від в'язкості і щільності повітря, радіусу і кількості пір на одиницю поверхні, а при використанні матеріалу в якості покриття твердої стіни - від товщини шару, точніше від відстані між ним і твердої стіною. Чим менше радіус пір і чим їх більше, тим краще поглинаються високі частоти. Поглинач цього типу ефективний тільки на тих частотах, на яких коливаються в звуковій хвилі частинки повітря пронизують пористий матеріал. Безпосередньо у твердій стіни коливальна швидкість частинок повітря дорівнює нулю, тому товщину поглинача (або відстань між ним і стіною) вибирають рівною як мінімум чверті довжини хвилі поглинається звуку.
Коефіцієнти поглинання найбільш часто використовуваних в архітектурній акустиці матеріалів
пурхають луна
У переважній більшості випадків кімната має форму прямокутного паралелепіпеда. З точки зору акустики це далеко не ідеальний варіант. Якщо існують дві паралельні поверхні, що відбивають (а в акустично необробленому, що не заглушеному приміщенні таких пар поверхонь три - протилежні стіни і підлогу зі стелею), то при появі звукового сигналу звук, відбитий однією поверхнею, повертається до іншої, відбивається від неї, і починає кидатися , як би пурхати між ними, поступово затухаючи. Тому таке відлуння називають пурхаючим, або флатер-луною. Якщо слухач знаходиться на однаковій відстані від обох поверхонь, що відбивають, то луна-сигнали повторюються з інтервалами, рівними часу пробігу звуку між двома поверхнями (2 рази по 1/2 часу пробігу). Якщо ж слухач розташовується поблизу однієї з поверхонь, то період повторення ехосигналів буде дорівнює подвоєному часу пробігу.
Вухо людини надзвичайно чутливе до всіх повторюваним до всіх періодично повторюваним процесам. Якщо період повторення ехосигналів невеликий і становить менше 20 мс (частота проходження 50 Гц і вище), то сприймається звук набуває характеру тони. У таких випадках говорять про звучання «як з бочки» при низькій частоті проходження відображень і про «металевому звучанні» при високій частоті. Таке фарбування звучання спостерігається не тільки на короткочасних, але і на тривалих сигналах (вокальне виконання, тривалі ноти і т.п.).
Стоячі хвилі в приміщенні
Інша вплив паралельності стін на акустику приміщення полягає в тому, що прямокутна кімната являє собою тривимірний резонатор.
Як одновимірного резонатора можна собі уявити вузьку трубу, закриту з двох сторін. Якщо біля однієї зі сторін помістити джерело синусоїдальних коливань, то уздовж труби зі швидкістю звуку буде переміщатися синусоїдальна звукова хвиля, відбиваючись від закритих стінок
Помістимо біля одної стінки труби мікрофон. Змінюючи частоту генератора, можна помітити, що при зміні частоти амплітуда звуку, що фіксується за допомогою мікрофона, то наростає, то падає майже до нуля. Тобто труба демонструє амплітудно-частотну характеристику, з вигляду нагадує гребінку, причому кожен її зубець являє собою акустичний резонанс.
Резонанс утворюється, якщо довжина труби кратна половині довжини хвилі порушуваних коливань. Це явище носить назву гребенчатой фільтрації.
Очевидно, що боротися з самим фактом виникнення резонансів в приміщенні важко, а часто і не потрібно - якщо резонанси розташовані в заданій смузі частот близько один до одного і рівномірно, то форма сигналу в цій смузі частот передається практично без спотворень.
Фізик-теоретик Філіп Морз вивів формулу для підрахунку кількості резонансних частот в заданому діапазоні частот в залежності від обсягу і лінійних розмірів приміщення, звідки видно, що кількість резонансів приміщення, що припадають на одну і ту ж смугу частот, з пониженням частоти істотно зменшується.
Морз так само підрахував, скільки в приміщенні повинно бути резонансів в заданому інтервалі частот для того, щоб без помітних спотворень нести форму звуку тривалістю близько 0,1 с. Результат його розрахунків такий: в інтервалі # 916; f = 10 Гц повинно бути не менше 10 резонансів.
Як вже було зазначено, резонанси вище нижньої граничної частоти даного приміщення для форми звукового сигналу безпечні, якщо вони розташовані рівномірно. Але проблема в тому, що в більшості приміщень ця умова не виконується, і резонансні частоти розподілені нерівномірно і, що ще гірше, навіть збігаються і «зливаються». Як простий приклад можна привести приміщення кубічної форми, у якій збігаються власні частоти у всіх трьох осьових напрямах. АЧХ такого приміщення (якщо воно не заглушено) має абсолютно неприпустимі піки і провали. Подібні проблеми виникають у всіх приміщеннях з кратними лінійними розмірами. Найкращий же результат досягається в разі, якщо співвідношення лінійних розмірів приміщення відповідають «золотому перетину».
Боротьба зі шкідливими резонансами і зайвої реверберацией приміщення відбувається в основному за допомогою заглушення кімнати пористими матеріалами.
Розташування гучномовців і слухача в кімнаті прослуховування.
Розміщення гучномовців і слухача в кімнаті прослуховування є правильним, коли
- в районі голови слухача немає відображень, що запізнюються щодо початку прямого звуку менш ніж на 3 мс;
- нерівномірність загальної амплітудно-частотної характеристики стереопари гучномовців, викликана їх взаємодією між собою і з приміщенням, мінімальна.
Випромінювання двох джерел звуку, одночасно видають один і той же сигнал,
Розташування гучномовців і слухача в кімнаті прослуховування
Слух вміє не тільки об'єднувати різні сигнали в один, але і розділяти «потрібні» і «непотрібні» компоненти.
В даному випадку мова йде про те, що слух може ефективно відокремити сигнал фонограми від додав до нього в процесі відтворення відбитих сигналів. Але це станеться лише в тому випадку, якщо різниця часу приходу прямого і відбитого сигналів становить не менше 3 мс. Якщо ця величина буде менше зазначеної, то прямий і відбитий звук разом утворюють новий здається джерело звуку, що, природно, призведе до спотворення стереопанорами, задуманої авторами фонограми.
Тому гучномовці повинні бути встановлені в кімнаті прослуховування так, щоб довжина шляху звуку від будь-якого гучномовця до голови слухача була мінімум на 1 м менше довжини шляху звуку, що включає одне відображення від будь-якої стіни, підлоги або стелі.
Взаємодія двох джерел звуку, випромінюючих один і той же сигнал в однаковій фазі, розглянув в своїй роботі американський акустик Е. Скучік. Він показав, що акустична потужність, яку випромінює одним з цих джерел, залежить від відстані між ними і довжини випромінюваної хвилі.
Очевидно, що схожим чином поводиться АЧХ випромінюваного гучномовцями сигналу. На графіку видно два основних спотворення: «горб» в районі kd
спотворення стереоефекту
Для адекватного сприйняття стереопанорами, закладеної в фонограмі, слухач повинен знаходитися на рівній відстані від гучномовців стереосистеми, причому кут між ними (з вершиною у його голови) повинен складати від 50 до 700. При зсуві слухача, наприклад, вліво, сигнал від правого гучномовця виявляється затриманим і стереопанорама зміщується в бік найближчого гучномовця.
Для отримання неспотвореної АЧХ сигналу голова слухача повинна знаходитися на рівні високочастотних динаміків гучномовців (зазвичай цей рівень вибирають близько 90 см від підлоги, що відповідає відстані від підлоги до голови сидячої слухача).
Іноді так же радять слухачеві перебувати в зоні балансу амплітуд парних і непарних поздовжніх стоячих хвиль. Розрахунку положення цієї зони не піддається і шукається на слух.