Акустика

Акустика домашней студии:
шаг к пониманию

Сергей Проскуряков
Акустика
Акустика домашней студии:
шаг к пониманию
Сергей Проскуряков
Залог хорошего микса - это качественный контроль.
А он невозможен без профессионального оборудования и соответствующих акустических условий. Почему же акустика домашней студии так важна?
В этой статье спикер WaveForum, преподаватель музыкальной звукорежиссуры университета "Синергия", инженер-акустик Сергей Проскуряков подробно и наглядно расскажет об акустике небольших и домашних студий. А самое главное - о способах её улучшения.
ОГЛАВЛЕНИЕ:

1. Базовые акустические явления и понятия

В интернете можно найти довольно много информации о том, как устроить домашнюю студию. Многочисленные рекомендации «Какую купить звуковую карту и микрофон, чтобы ваши треки зазвучали не хуже, чем у звёзд», сравнительные тесты, обзоры и тому подобное. В основном информация касается аппаратуры, программного обеспечения и некоторых наиболее распространённых приёмов записи. Но один фундаментальный аспект всей работы со звуком остаётся незаслуженно мало освещён.

Это акустика помещения и способы достижения необходимых её параметров.
Почему важно уделять внимание качеству акустики помещения и как это влияет на звучание наших треков?
Во-первых, при записи с помощью микрофона улавливаются не только звуковые волны, исходящие непосредственно от источника (например, голоса или гитары), но и многочисленные отражения от стен, потолка и предметов, расположенных в комнате. Такие отражения существенно влияют на характер звучания записываемого сигнала.
Во-вторых, когда мы работаем с уже записанными дорожками или пытаемся подобрать подходящий тембр виртуального инструмента, или сводим наш трек, мы контролируем звучание через мониторы. Нетрудно догадаться, что на «звучание мониторов» накладывается «звучание комнаты», и мы слышим уже существенно изменённый, «окрашенный» звук.
Прямой сигнал и отражения в комнате
От того, насколько качественно «звучит» наша комната, напрямую зависит качество записываемого сигнала и объективность мониторинга.
Я намеренно ухожу от обсуждения микрофонов, звуковых карт, мониторов и т. д. Исходим из того, что у нас хорошее профессиональное оборудование. Также я не касаюсь звукоизоляции – это тема отдельной статьи.
Давайте поближе познакомимся с нашей комнатой и теми процессами, которые определяют её акустические свойства.
Будем рассматривать наиболее распространённый случай: комната прямоугольной формы в кирпичном или панельном доме. Стены, пол и потолок - массивные и плоские, поэтому они отражают порядка 90 % звуковой энергии во всём слышимом спектре.

Процесс постепенного затухания звуковых колебаний в результате множественных переотражений в помещении называется реверберацией.

Продолжительность процесса реверберации зависит от объёма помещения и отражающих/поглощающих свойств поверхностей, с которыми звуковые волны взаимодействуют. Характер взаимодействия со звуковой волной зависит от условной кривизны (степени развитости) поверхности, физико-механических свойств и её площади. Для разных частот этот характер будет разным:

  • для одних частот поверхность будет полностью или частично поглощающей;
  • для других — полностью или частично отражающей;
  • для третьих — полностью или частично пропускающей (акустически прозрачной).
Взаимодействие падающей звуковой волны и поверхности выглядит следующим образом: достигая границы раздела двух сред (поверхностей), звуковая волна претерпевает отражение и преломление аналогично отражению и преломлению света.

Коэффициент отражения – это отношение энергии отражённой волны к энергии падающей. Его величина зависит от величины отношения волновых сопротивлений сред (удельных акустических импедансов), которые определяются как произведения плотностей сред и скоростей распространения звуковых волн в этих средах. Чем больше отличаются импедансы, тем больше коэффициент отражения.

Волны, проникшие в среду и претерпевшие преломление (изменение направления распространения), постепенно затухают. Вообще распространение звуковых волн в среде сопровождается поглощением их энергии, причём интенсивность волн убывает по экспоненциальному закону с увеличением проходимого волной расстояния.
В таблице ниже приведены коэффициенты поглощения некоторых материалов:
Подобными значениями пользуются инженеры при расчётах. Как видно из таблицы, поглощение на разных частотах у разных материалов может существенно отличаться.
При распространении звуковых волн в замкнутом помещении возникает множество интересных акустических явлений
Одно из таких явлений – образование «стоячих волн». Стоячие волны названы так из-за возникновения в пространстве стационарных (неподвижных) областей максимумов и минимумов энергии, обусловленных наложением волн, исходящих от источника звука и их отражений от стен и других поверхностей.

Надо сказать, что звуковые волны, распространяясь, переносят в пространстве области максимумов и минимумов энергии, подобно расходящимся на поверхности воды кругам, и такие волны называют «бегущими». На рисунке ниже показано, как звуковая волна из динамика, достигнув стены, отражается обратно. И складываясь с первичной волной, образует неподвижные области узлов (минимумов) и пучностей (максимумов).

Это точки, в которых две встречные волны одной частоты, совпадая по фазе, входят в резонанс, увеличивая амплитуду в два раза, и наоборот, вычитаются в ноль в противофазе.

Распределение этих узловых точек зависит от частоты колебаний и связанной с ней длинной волны. Первый максимум стоячей волны образуется на расстоянии ¼ длины волны от отражающей поверхности. Далее области максимумов и минимумов следуют с интервалом в ½ длины волны.
Длиной волны называют расстояние, которое проходит волна за время совершения одного колебания (за один период). Вычислить длину волны можно разделив скорость звука (344 м/с.) на частоту. Например, для 100 Гц длина волны будет 344/100=3,44 м.
Обнаружить такие области можно на слух, запустив генератор звуковой частоты и, перемещаясь в пространстве, наблюдать увеличение и уменьшение громкости.
Препятствие, от которого отразилась волна, является источником «вторичных волн» и рассматривается как самостоятельный источник.

То есть, если расстояние между двумя параллельными стенами (источниками вторичных волн) будет равно половине длины волны, то на этой частоте возникнет стоячая волна. Это и будет собственной резонансной частотой (модой) помещения.

Таких частот может быть несколько. Частоты, на которых это резонансное явление наблюдается, легко вычислить. Например, ширина вашей комнаты 3,4 метра – это равно ½ длины волны для частоты 50 Гц. Другими словами, первая мода (мода первого порядка) будет на частоте 50 Гц.

Но раз есть «первая», значит есть и «вторая»?
Да, есть. Образуется она по гармоническому закону умножением частоты первой на целое число. Таким образом, резонансные частоты для нашего примера будут 50х1=50Гц, 50х2=100Гц, 50х3=150Гц, и т.д. Обычно вычисляют до 4-го порядка, так как с его повышением интенсивность частоты моды заметно снижается. И на более высоких порядках не влияет на общую звуковую картину.

Давайте рассмотрим более детально

Наша комната имеет размеры: длина 5,5 метров, ширина 3,4 метра и высота 2,7 метров – типовая комната в панельном доме.

Частоты собственных резонансов (аксиальных мод) будут такими:
Это не все так называемые «собственные частоты» помещения. Кроме аксиальных (осевых) мод существуют ещё тангенциальные и косые, но их влияние значительно ослабляется при размещении поглощающих конструкций, работающих с аксиальными модами.

2. Частота Шрёдера

Итак, мы на примере вычислили собственные резонансные частоты помещения и рассмотрели образование так называемых «стоячих» волн.

Очевидно, что есть некая связь между размерами помещения, конструкцией, материалом ограждающих поверхностей (стен, потолка, пола, предметов интерьера) и характером «звучания» комнаты, непосредственно влияющим на наше восприятие.

Почему они звучат так по-разному?

Давайте взглянем на нашу комнату с точки зрения процессов и явлений, происходящих при распространении звуковых волн. В каком-то смысле в ней уживаются как бы две разные комнаты. Для высоких и средних частот её «поведение» можно сравнить с бильярдом: звуковые волны отскакивают от стен и прочих поверхностей подобно тому, как шарики отскакивают от бортов. Теряя энергию с каждым отражением, волны постепенно затухают. Благодаря таким множественным отражениям, высокие и средние частоты довольно равномерно распределяются (рассеиваются) по всему помещению.


С низкими же частотами помещение ведёт себя, как резонатор.


Все знают: если дунуть в горлышко пустой бутылки, она издаст звук. Причём его высота будет зависеть от формы и размера бутылки. Теперь представьте, что у вас бутылка размером с комнату. :)


Те частоты, длины волн которых коррелируют с размерами комнаты, будут входить в резонанс - то есть, усиливаться. Причём, в зависимости от положения в пространстве источника звука и слушателя, одни частоты будут усиливаться, а другие подавляться. Если мы переместимся или переместим источник, то картина поменяется.

Казалось бы, о природе и поведении звука всё было известно ещё древним грекам, однако, такое проявление «акустического дуализма» долгое время оставалось незамеченным и было открыто сравнительно недавно.
В середине 20-го века немецкий учёный Манфред Шрёдер, изучавший акустические явления, обнаружил у помещений своеобразное «раздвоение личности», и частоты, на которых происходит смена характера «рассеиватель/резонатор» и обратно, назвал переходными частотами.

Сегодня такую частоту мы называем частотой Шрёдера (не путать с любителем кошек Эрвином Шрёдингером).
Обычно в жилых помещениях эта частота располагается в диапазоне от 100 до 200 Гц. И может быть вычислена по формуле:
где T – время реверберации в секундах, V – объём помещения в м3
Если вы не знаете значение времени реверберации в вашей комнате, то частоту Шрёдера можно примерно вычислить экспериментально посредством измерения частотного отклика комнаты.

Для этого вам понадобится измерительный микрофон и широкополосная акустическая система.

  1. Воспроизведите «розовый» шум, чтобы установить уровень входного сигнала.
  2. Теперь воспроизведите короткий свип-тон для замера частотного отклика.
  3. Сохраните результаты измерения, переместите микрофон и повторите. Сначала по «розовому» шуму выставляем уровень, затем производим замер отклика и сохраняем результат.
Достаточно трёх-четырёх измерений в разных точках комнаты. Не имеет значения, в каких именно точках вы устанавливаете микрофон. Единственное условие – источник должен находиться в «зоне прямой видимости» микрофона. Другими словами, между источником и микрофоном не должно быть препятствий. Затем нужно наложить друг на друга результаты измерений и внимательно проанализировать.
Результаты измерений
На рисунке отображены результаты подобного опыта, из которых видно, насколько велика неравномерность частотной характеристики и как сильно различаются между собой результаты измерений в нижней области спектра. Это как раз и иллюстрирует описанную выше ситуацию с образованием локальных областей с усилением и ослаблением отдельных частот в результате образования стоячих волн. Однако, после определённой частоты (или, скорее, частотной области) неравномерность становится значительно менее выраженной, а в графиках начинает прослеживаться некоторая общая тенденция.

Таким образом, можно утверждать, что в нижней полосе частот в каждой конкретной точке звукового поля в комнате существует значительная неравномерность характеристики.
Она обусловлена сложением звуковых волн в разной фазе, затем следует некоторая переходная зона (вокруг частоты Шрёдера), выше которой неравномерность сглаживается.

Зависит частота Шрёдера от размеров помещения: чем больше помещение – тем ниже частота, чем меньше – тем она выше.

Что нам даёт понимание этой закономерности с практической точки зрения?

Наверняка вы слышали рекомендации, что в акустически неподготовленных помещениях нужно пользоваться мониторами с меньшим размером динамиков. Чем меньше динамик, тем меньше низких он воспроизводит. Ещё раз взгляните на картинку и представьте, насколько «криво» будут восприниматься низкочастотные инструменты с провалами на одних нотах и всплесками на других. Причём, стоит вам переместиться в сторону буквально на полметра и картинка поменяется на противоположную. :) Выше же переходной частоты тональный баланс будет искажаться значительно меньше. Однако, большое время реверберации так же будет препятствовать объективности контроля звучания.

Если мы зададимся целью улучшить акустические параметры комнаты, то должны будем учитывать двойственность поведения звуковых волн в помещении и применять разные подходы и разные типы акустической отделки для частот, лежащих ниже и выше частоты Шрёдера.

Какие методики, какие акустические конструкции и материалы могут быть применены для эффективного решения проблем с акустикой - об этом и не только читайте дальше. :)

3. Рассеяние звуковых волн, или как заставить комнату зазвучать

Звуковые волны, излучённые источником (например, акустической системой) распространяются в виде расходящегося луча. И чем ниже частота, тем шире раскрытие этого луча. Таким образом, звуковые волны направляются не только точно в уши слушателя, подобно лазерному лучу, но и достигают поверхностей окружающих предметов, отражаясь и поглощаясь ими.
На отражающую способность поверхности влияет несколько факторов.
Например:

  • материал, из которого она сделана (плотность, вязкость);
  • геометрические «макро» параметры – степень криволинейности, выпуклость, вогнутость и т. д.;
  • геометрические «микро» параметры – гладкость, «шершавость», пористость, другими словами, «фактура»;
  • общая жёсткость или зыбкость конструкции;
  • её расположение по отношению к направлению распространения волны;
  • конечно же, площадь и линейные размеры.
Да, это как раз тот самый случай, когда размер действительно имеет значение и это связано с длиной звуковой волны.
Если препятствие меньше длины волны, то волны без труда его огибают, если препятствие больше длины волны, то волны от него отражаются.

Таким образом, чем больше размер преграды на пути звуковой волны, тем более низкие частоты будут отражаться от него, изменяя направление своего движения.

На формирование пространственной звуковой картины влияет совокупность прямых и отражённых сигналов. В зависимости от свойств отражающих поверхностей, звуковая энергия может фокусироваться в определённой точке пространства, рассеиваться и частично или полностью поглощаться. Говоря научным языком, наше восприятие зависит от свойств звукового поля в данный момент времени.
Звуковым полем называют некоторую область пространства, в которой совершаются звуковые колебания.
Оно характеризуется целым рядом параметров, в том числе, звуковым давлением – непосредственно влияющим на воспринимаемую нами громкость. Процесс формирования звукового поля растянут во времени.

Выделяют три фазы – «установление», «статическая фаза» и «затухание».
В процессе установления происходит нарастание интенсивности (силы) звука, обуславливаемое сложением энергии прямого сигнала, приходящего от источника в точку измерения по кратчайшему пути и отражений, которые приходят с некоторым запозданием. Если источник излучает непрерывный «статичный» сигнал, то наступает момент «насыщения» - когда количество приходящих отражений достигает своего естественного максимума и увеличения энергии в точке регистрации не происходит.

Далее следует «статическая фаза», при которой параметры звукового поля остаются неизменными, если положение в пространстве и свойства сигнала источника не меняются.

После выключения источника начинается фаза «затухания», которая так же растянута во времени, и связано это с тем, что запаздывающие отражения некоторое время ещё продолжают достигать точки наблюдения, но их энергия стремительно уменьшается.
Процесс постепенного затухания колебаний в замкнутом пространстве вследствие переотражений называется реверберацией.
Наверняка вам уже приходилось встречаться с термином «диффузия» или «диффузность звукового поля». Так вот, абсолютным диффузным полем является такое состояние некой области пространства, при котором отсутствует прямое излучение источника, отсутствует выраженное направление прихода «звуковых лучей», а интенсивность и спектральная характеристика в каждой точке в момент времени одинаковы.

Но в реальном мире ничего абсолютного не бывает, и на практике звукорежиссёры называют диффузным полем область пространства, в которую помещён микрофон, где явно преобладают отражения и обуславливается это некоторым удалением от источника звука.
Диффузность звукового поля – одна из «тёмных материй» для начинающих работать со звуком. В каких-то случаях это желательное явление, в каких-то нет.
Давайте с этим разберёмся.

В физике диффузия – это перераспределение энергии или плотности из областей с высокой концентрацией в области с более низкой. При этом происходит взаимопроникновение и «перемешивание» с образованием единообразной «усреднённой среды», простите за тавтологизм.

Диффузия звуковых волн – это их рассеяние, существенно ухудшающее пространственную локализацию источника. И, как было сказано ранее, это может являться как позитивным, так и негативным фактором. В случае, когда нам необходимо слышать точное положение источника в пространстве, множественные отражения, приходящие с разных сторон, сопоставимые по интенсивности с прямым сигналом способны значительно «размыть» звуковую картину, исказить естественный тембр и тональный баланс, снизить разборчивость и стать причиной неудовлетворительного результата в целом.

Совсем другая ситуация, когда отражения следуют в явно выраженном направлении (прямоугольная комната) и с одними временными интервалами поступают в точку, где установлен микрофон или находится рабочее место звукорежиссёра. Складываясь с прямым сигналом с сопоставимым уровнем энергии, отражения формируют области резонансов и «провалов» на определённых частотах. Что также не способствует точности передачи звуковых характеристик источника или объективности контроля. В этом случае как раз необходимо отражения рассеивать или поглощать, предотвращая нежелательные «акустические последствия».

Одним из эффективных способов борьбы с нежелательными акустическими явлениями является устранение ранних (первых) отражений из рабочей области пространства.

Это достигается за счёт отсутствия в помещении параллельных поверхностей. В этом случае значительно увеличивается путь отражённых волн и временной интервал, прежде чем они попадут в рабочую область. Если необходимо ещё и снизить время реверберации, отражения перенаправляются на поглощающие поверхности и конструкции. Большинство контрольных комнат спроектированы по такому принципу. Это позволяет минимизировать влияние отражений на объективность восприятия звукового образа.

А что делать, если помещение с параллельными стенами?

Это типичная ситуация практически для любой домашней студии. Размеры помещения не позволяют возвести внутри дополнительные стены под углом относительно друг друга, да и разноуровневый потолок можно смонтировать не везде.

На помощь приходят специальные акустические конструкции - рассеиватели (диффузоры).

Что произойдёт, если мы на плоские стены поместим диффузоры и подадим звуковой сигнал?

Большинство моих знакомых сказало бы, что теперь наши отражения будут перераспределены в других направлениях. Это абсолютно верно, но далеко не всё. Отразить звуковую волну по аналогии с тем, как отражается луч света, было бы недостаточно.

Рассчитанный и грамотно сконструированный диффузор не просто изменяет направление отражений, он распределяет их практически во все стороны.
Тем самым, достигается эффективное снижение концентрации звуковых волн в интересующей нас части помещения, волновой фронт разбивается на множество разнонаправленных лучей, и его энергия делится между ними. В рабочую область отражения приходят с разных направлений и они слабо различимы, тем не менее, мы потеряли не так много энергии, как если бы мы использовали поглотители.

Помимо перераспределения отражений в пространстве, диффузоры влияют ещё и на временные характеристики. Запуская отражённые лучи по более длинному пути, мы увеличиваем время запаздывания отражений. А поскольку отражения приходят с различным временем задержки, получается, что мы уменьшаем их концентрацию не только в пространстве, но ещё и во времени. А складывающиеся с задержкой, и, как следствие, с фазовой разницей, волны в сумме дают меньшую интенсивность.
Итак, конструкции-диффузоры способствуют рассеиванию звуковой энергии по трём критериям: направление, время, интенсивность.
Это значительно осложняет локализацию источника. В конце концов мы заставляем наш мозг поверить в то, что комната «акустически больше», чем есть на самом деле, и воспринимаем звук более объёмным.

Среди энтузиастов и любителей ходит большое количество мифов и заблуждений.

Часть из них касается акустики и «самодеятельных» способов её формирования и улучшения. Про яичные лотки, пожалуй, не будем, а вот про использование в качестве диффузора шкафов с книгами «настало время высказаться». :)

Есть устойчивый миф о том, что шкаф с книгами, выставленными на «рандомную» глубину является прекрасным диффузором и чуть ли не «лучше, чем специальные конструкции. И вообще, на La Fabrique так все стены уставлены».

Ну, во-первых, сами книги, скорее поглощают, нежели отражают звук, за исключением высокочастотной части спектра.

Во-вторых, случайный выбор глубин вовсе не обеспечивает эффективного рассеяния в контролируемой области частот. Размеры и материалы, из которых изготавливаются диффузоры, тщательно рассчитываются, чтобы гарантировать равномерное рассеяние под углом 180°.

В-третьих, если собирать конструкцию, не производя расчётов, то крайне вероятно возникновение непредсказуемых аберраций. И в действительности мы получим крайне неэффективное рассеяние с дополнительными проблемами с частотной характеристикой.

4. Диффузоры: с чем их «едят»

Мы с вами уже знаем, что акустические диффузоры (рассеиватели, отражатели) являются весьма эффективным способом решения проблем со звучанием помещения. И даже знаем, что применяют их для частот, лежащих выше частоты Шрёдера. Теперь мы познакомимся с некоторыми разновидностями, конструкцией и методами расчёта диффузоров.

Самый первый вопрос, которым задаются люди, сталкивающиеся с необходимостью приобрести или изготовить диффузоры:

«А так ли необходимы диффузоры или можно обойтись без них? Это дорогие, сложные и довольно большие конструкции, занимающие полезный объём в комнате. И вообще, это скорее роскошь, и без них во многих случаях можно обойтись».

Есть одна тонкость в понимании процессов «диффузии» и «рассеяния». С одной стороны, это как бы одно и то же, а с другой – не совсем. При «рассеянии» звуковые волны отражаются от поверхности препятствия, и в зависимости от её кривизны изменяется не только направление движения, но и форма волнового фронта, при этом сохраняется характер направленного распространения.

При взаимодействии же с акустическим диффузором падающая волна «распадается» на множество лучей, и поверхность отражённого волнового фронта в случае «одномерного» диффузора представляет собой полуцилиндр, а в случае «двухмерного» - полусферу. При этом потери в качестве локализации источника по сравнению с рассеянием не такие значительные.
Диффузия наряду с поглощением применяется для контроля отражений в помещении, особенно когда нужно сохранить «живость» акустики.

При проектировании и строительстве студии или концертного зала необходимо соблюдать баланс между поглощающими и отражающими конструкциями. Чрезмерное количество поглотителей способно «убить» акустику комнаты, сделать её слишком «сухой» или даже «мёртвой». Применение диффузоров позволяет высоким частотам затухать дольше. Также диффузоры применяют для борьбы с флаттер-эффектом в небольших помещениях.


Давайте взглянем на разновидности диффузоров и отметим отличие их конструкции от рассеивателей (отражателей):
диффузоры
рассеиватели
С точки зрения «дизайна» диффузоры несколько ограничены в разнообразии форм и нередко в интерьере «первую скрипку» играет именно визуальная «эстетическая» составляющая, предопределяя выбор конструкций и элементов декора. Но в специализированных помещениях, где на первом плане качество акустики, применяют диффузоры, работа которых гораздо более предсказуема и обеспечивает контроль отражений в заданной частотной области.

Если позволите, небольшая историческая справка:
В 1975 году уже известный нам немецкий физик, математик - Манфред Шрёдер, - среди прочего, занимавшийся проблемами акустики, вынуждено эмигрировавший после второй мировой войны в США и работавший в лаборатории компании Bell Telephone – предложил новую методику проектирования потолков в концертных залах, позволяющую существенно улучшить их акустические свойства путём изменения характера отражений. Суть методики состояла в использовании рассеивающих поверхностей периодической структуры, расчёт которых строился на последовательности квадратичных вычетов (знакомые с элементарной теорией чисел поймут), исследованных в трудах Лежандра и Гаусса.
Принцип работы диффузора Шрёдера основан на интерференционном взаимодействии участков волнового фронта, вследствие его отражения от неоднородной по глубине поверхности.
Глубины ячеек диффузора подбираются таким образом, чтобы обеспечить максимально эффективное рассеяние энергии во всём рабочем диапазоне. При расчётах опираются на проектную частоту и количество ячеек, которых в одной секции диффузора может быть 7, 11, 13, 17, 19,… 43, что влияет на их последовательность и соотношение глубин.

Вычисляются эти последовательности по формуле:
Таким образом, если число ячеек, например, N = 13, то последовательность будет выглядеть так: 0, 1, 4, 9, 3, 12, 10, 10, 12, 3, 9, 4, 1. Последовательность может циклично повторяться. То есть, секции диффузора могут следовать одна за другой, образуя сколь угодно широкую конструкцию.

Давайте для примера рассчитаем диффузор, состоящий из семи ячеек.

Это наиболее простой и компактный диффузор из семейства диффузоров Шрёдера, имеющий наименьшую глубину и занимающий минимум места на стене.

Для расчёта нам потребуются некоторые сведения. Я постарался максимально лаконично изложить их в виде картинки и пояснений.
Необходимо определить базовую частоту, с которой будет работать наш диффузор. Ну, скажем, это будет 500 Гц. Нижняя граница диапазона эффективной работы диффузора находится на кварту ниже проектной частоты. Верхняя граница зависит от ширины ячейки b, которая равна удвоенной длине волны верхней частоты рабочего диапазона.

Вспомним, что длина волны находится как отношение пройденного ею за секунду расстояния к частоте и наоборот, частота может быть выражена через отношение пройденного расстояния за единицу времени к длине волны.

Приняв значение скорости при нормальной температуре 21°С равной 344 м/с, подставим значения в приведённые выше формулы получим:

b = 94 мм., Δl = 49 мм.

Толщину стенок между ячейками рекомендовано минимизировать. Понятно, что мы не можем сделать их очень тонкими, так как ограничены прочностью и массой материала. Слишком лёгкие стенки не смогут отражать звуковые волны, к тому же конструкция будет слишком хрупкой и не сможет выдерживать механические воздействия или даже собственный вес. Поэтому выберем материал исходя из практических соображений. Допустим, наш диффузор изготавливается из фанеры толщиной 10 мм. Таким образом, полная ширина ячейки составит:

L = 94 + 10 = 104 мм.

Зная полную ширину ячейки, вычислим ширину диффузора:

T = L ∙ N = 104 ∙ 7 = 728 мм.

Если в нашем диффузоре одна секция, то добавляется ещё и последняя боковая стенка. Таким образом, полная ширина составит T + w,так же стоит помнить про заднюю стенку.

Длину диффузора этой конструкции можно выбрать исходя из необходимой площади и в каждом конкретном случае она будет отличаться. Предположим, что нас устроит длина в 1 м.

Для расчёта глубин ячеек нам необходимо рассчитать последовательность тех самых квадратичных вычетов и перемножить полученные значения на шаг глубины ячеек соответственно.
Итак, глубины ячеек будут такими:

для n = 0 вычет будет равен 0; 0 ∙ 49 = 0 мм.
для n = 1 вычет будет равен 1; 1 ∙ 49 = 49 мм.
для n = 2 вычет будет равен 4; 4 ∙ 49 = 196 мм.
для n = 3 вычет будет равен 2; 2 ∙ 49 = 98 мм.
для n = 4 вычет будет равен 2; 2 ∙ 49 = 98 мм.
для n = 5 вычет будет равен 4; 4 ∙ 49 = 196 мм.
для n = 6 вычет будет равен 1; 1 ∙ 49 = 49 мм.

Подведём итог

Наш диффузор имеет габариты: Ш х В х Г - 738 х 1000 х 206 мм. (с учётом толщины материала, из которого он изготавливается)

Проектная частота: 500 Гц;

Границы эффективного рабочего диапазона: 375 – 1830 Гц;

Для расширения рабочего диапазона вверх по спектру, мы можем уменьшать ширину ячейки, но это скажется на равномерности рассеяния. На практике мне приходится периодически нарушать рекомендованное самим Шрёдером соотношение ширины ячеек из-за необходимости вписать конструкции в ограниченное пространство интерьера. Иногда я удваиваю ширину, а добавляю только несколько ячеек из последовательности и диффузор получается немножко «обрезанным», «полуторным». Каких-то ощутимых на слух ухудшений пока не обнаруживалось. Тем не менее, для прогнозируемости результата, всегда лучше придерживаться отработанной схемы.
Тем, кто решит попробовать самостоятельно изготовить диффузор для своей студии, хочу напомнить про технику безопасности при работе с инструментами. Во избежание травм надевайте перчатки и защитные очки.

5. Поглотители

Когда у вас на руках готовый акустический проект со спецификацией материалов, это лишает необходимости самому «ломать голову». Берём проект и строим, стараясь сильно не отклоняться от чертежей. И если инженеры хорошо знали своё дело, то в конце нас ждёт предсказуемый положительный результат. Все довольны и спокойны, деньги потрачены не зря.

Однако, совсем другая ситуация, когда нам приходится самостоятельно выступать в роли автора технических решений, призванных улучшить наши акустические условия. Как правило, это про домашнюю студию и ограниченный бюджет. Поскольку ресурсы ограничены, расходовать их нужно с умом. Нужно знать наверняка, что вложения дадут ощутимый прирост в качестве.

Какие же материалы используются при формировании акустики нашего рабочего пространства?

Да практически все традиционные строительные и отделочные материалы находят применение при строительстве студии. Металл, дерево, стекло, текстиль. Натуральные и искусственные, красивые и уродливые. Химическая промышленность предлагает нам всевозможные пластики, резины и пластмассы, вспененные, пористые, волокнистые, с хаотической и упорядоченной структурой, ультратонкие и мега-толстые, дорогие и дешёвые, специализированные и общего назначения, уникальные и широко распространённые, незаменимые и взаимозаменяемые. Под любые задачи и в любой ценовой категории.

Процесс поглощения энергии звуковых волн сопровождается её рассеянием и переходом в другую форму: тепловую, механическую или энергию деформации.

С точки зрения физики, поглотители звуковой энергии делятся на три типа: пористые, мембранные и резонансные. Поглощающая способность сильно зависит от физических свойств самого материала, размеров конструкции, способа монтажа и, собственно, звуковой частоты.

Так вот, некоторые из доступных сегодня материалов могут быть использованы как вполне самодостаточные (например, те же поролоновые панели «пирамидка» для поглощения высоких и средних частот), а часть материалов гораздо эффективнее работает в составе конструкций. Например, минеральная вата малой плотности, размещённая во внутреннем объёме низкочастотного мембранного поглотителя. Сама по себе она малоэффективна для поглощения низких частот, но будучи частью конструкции, отлично выполняет свою роль.

Нужно различать поглощающие материалы и поглощающие конструкции.

Строго говоря, все материалы в той или иной степени способны поглощать энергию звуковых волн. Более плотные, массивные материалы лучше поглощают низкие частоты, при этом хорошо отражают средние и высокие. А более лёгкие материалы хорошо поглощают высокие частоты, но в то же время являются «акустически прозрачными» для низких. В зависимости от плотности и структуры материал может более эффективно взаимодействовать с одними частотами и менее эффективно справляться с другими.
Универсальных материалов, которые бы имели одинаково высокое поглощение сразу во всём звуковом спектре, не существует. Например, именно поэтому применение «пирамидки» в качестве единственного материала не может решить всех акустических задач в помещении.
Поглощающие свойства материалов принято выражать в виде «коэффициента поглощения», определяемого как отношение энергии отражённых волн к энергии волн, попавших на поверхность материала или конструкции.

Определяется он в стандартных частотных полосах путём акустических измерений. Данные измерений заносятся в «технический паспорт» материала и используются инженерами при разработке акустических проектов.
Ниже в таблице в качестве примера приведены коэффициенты поглощения для некоторых материалов и конструкций в стандартизированных частотных полосах:

Пористые поглотители

Обычно обладают высоким коэффициентом поглощения. К ним относятся минеральная вата, поролон, синтепон, пористые резины, древесно-стружечные плиты с рыхлой структурой, сюда же можно отнести ковровые покрытия и текстиль. Звукопоглощающие материалы, как правило, обладают относительно низкой плотностью. Поэтому звуковые волны проникают сквозь их поверхность в толщу материала, где их энергия за счёт сопротивления, трения и вязкости волокнистой или ячеистой структуры, а также за счёт большой удельной поверхности, эффективно поглощается, преобразуясь в тепловую форму.

Количество выделяемого тепла, кстати, ничтожно мало, примерно 1∙10-6 ватт.

Пористые звукопоглотители наиболее эффективны для средних и высоких частот. На низкие частоты они, как правило, оказывают минимальное влияние.

Неплохо на всякий случай вспомнить закон сохранения энергии, из которого следует, что энергию нельзя создать или разрушить, её можно только преобразовать из одной формы в другую.

Мембранные поглотители

Традиционно этот тип конструкций представляет собой плоский герметичный ящик, внутри которого заключён воздух, и часть внутреннего объёма заполнена поглощающим материалом. Одна из стенок (мембрана) выполнена из воздухонепроницаемого материала с небольшой жёсткостью и способна воспринимать звуковые колебания. У данной системы есть выраженная резонансная частота, услышать которую можно слегка ударив по мембране пальцем.

Механизм действия можно описать так: звуковые волны, достигая поверхности мембраны, вынуждают её отклониться от положения покоя, затрачивая на это свою энергию. Колебательная система, «масса мембраны + упругость заключённого внутри воздуха» (почти как грузик на пружине) преобразует энергию звуковых волн в механические колебания.

Материалы из которых изготавливаются мембранные поглотители (фанера, МДФ, пластик, винил, резина) обладают значительной плотностью и сами по себе не являются поглощающими, однако конструкция в целом эффективно взаимодействует с низкими частотами. Поверхность мембраны хорошо отражает средние и высокие частоты, поэтому часто на неё наносят поглощающий материал. Например, крепят листы минеральной ваты. Обычно такие конструкции скрыты за драпировкой или размещаются вне поля видимости.

Давайте взглянем на конструкцию и простейший расчёт мембранного поглотителя:

На рисунке а) изображён классический вариант конструкции «ничего лишнего», а на рисунке б) – усовершенствованная версия.
Недостатком «классического» варианта является отражающая ВЧ и СЧ поверхность мембраны, что потребует размещения дополнительных поглощающих материалов для контроля этой части спектра.

Кроме того, свободно колеблющаяся мембрана при определённых условиях может начать возбуждаться, переизлучать звуковые волны на частоте собственного резонанса.

Очевидным улучшением конструкции было добавление на наружную поверхность мембраны пористого поглощающего материала, что позволило расширить спектр захватываемых частот. Перенос же поглощающего материала на внутреннюю поверхность с поверхности задней стенки конструкции позволил при сохранении количества поглотителя увеличить массу мембраны, практически не увеличивая её жёсткость.

Эффективная рабочая область частот мембранного поглотителя распространяется на октаву вниз и на октаву вверх от опорной частоты. Что делает этот тип конструкций «широкополосным» и позволяет прощать небольшие погрешности при изготовлении. Имеются в виду, конечно, не аккуратность исполнения, а отклонения фактической резонансной частоты от расчётных значений, в виду непостоянства свойств самой мембраны, шага скоб или шурупов, которыми мембрана крепится к корпусу, силы прижима и некоторого варьирования линейных размеров конструкции.
Кстати, приведённая выше формула f = 80/(m∙d) – это экспериментально скорректированная «классическая» формула f = 60/(m∙d), которая не учитывает «граничный эффект», возникающий в реальной конструкции и подразумевала бесконечно большую площадь мембраны и бесконечно большой воздушный объём. Реально измеряемая резонансная частота конструкций была на 1/3 выше, чем рассчитанная по «классической» формуле. Поэтому в неё была внесена поправка и вместо 60 в числителе появилось 80.
Дело в том, что по периметру мембрана жёстко и неподвижно крепится к корпусу поглотителя и никакого смещения на краях не происходит.

То есть, масса, вовлекаемая в колебательный процесс, и амплитуда самих колебаний уменьшаются от центра к краям. Увеличение же жёсткости мембраны влечёт за собой увеличение влияния граничного эффекта и как следствие, повышение резонансной частоты.

То есть, резонансная частота резиновой мембраны будет ниже, чем фанерной при одинаковой поверхностной плотности.
Стоп! А как это обстоятельство учесть в расчёте?
Для больших (размером в несколько метров) конструкций с нежёсткими эластичными мембранами (например, резиновыми) можно использовать «классическую» формулу, а для небольших конструкций, типа 1 х 0.6 м. с жёсткой фанерной мембраной – скорректированную.

На практике при работе с акустикой комнаты мне приходится изготавливать несколько различающихся своими параметрами поглотителей для лучшего контроля НЧ.

Поглотители резонаторного типа

Поглотители резонаторного (резонансного) типа используются, когда необходимо подавить конкретную частоту. Принцип возникновения резонанса, лежащий в основе действия, был открыт немецким физиком Германом Гельмгольцем в середине 19-го века и часто эти конструкции называют резонаторами Гельмгольца.

Конструкция представляет собой воздушную камеру с горлышком, частично заполненную пористым поглощающим материалом. Звуковые волны, достигая поверхности поглотителя, оказывают давление на воздушный столб, содержащийся в горлышке, «вдавливая» его внутрь камеры, что вызывает сжатие содержащегося в ней воздуха (воздушной пружины). Когда внешняя вдавливающая сила и сила противодействия сжатого воздуха сравниваются, происходит обратный процесс – воздушная пружина выдавливает воздушный столб наружу и так продолжается, пока не исчезнет внешняя сила. Это происходит с определённой частотой, которая зависит от площади сечения и длины горлышка.

Давайте рассмотрим устройство и расчёт поглотителя, построенного по принципу резонатора Гельмгольца

Эквивалентная длина горлышка – величина, использующая поправочный коэффициент, учитывающий отличие реальной длины воздушного столба от длины горлышка и от теоретического значения.
Гидравлический (эквивалентный) диаметр отверстия – величина, употребляемая при расчётах потоков газов и жидкостей в трубах не круглого сечения и позволяющая учесть поведение потока в них.
Как видите, принцип работы поглотителей можно описать в довольно доступной форме.
Конечно, процессы, происходящие в материалах и конструкциях довольно сложные и многоуровневые, но для большинства задач вполне достаточно расчётов, приведённых в этой статье.
Автор: Сергей Проскуряков "Акустик Бюро" (проектирование и строительство студий звукозаписи)

© WAVEFORUM

Поделись своим опытом
Развивай свой личный бренд и делись опытом с заинтересованной аудиторией
Поделиться своим опытом
E-mail
ФИО
Специальность
Немного о себе (опыт работы, проекты, кейсы)
На какие темы вы хотели бы писать, какой пользой можете поделиться с аудиторией WaveForum?
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности