Звуковое поле и основы акустики помещений

Звуковое поле (sound field) представляет собой периодически чередующиеся области сгущения и разряжения среды – зоны повышенного и пониженного давления, проявление которых обусловлено колебанием её частиц.

В макроскопическом масштабе звуковое поле может характеризоваться пространственным распределением звукового давления, что определяется диаграммой направленности (radiation pattern) излучателя. Характеристика направленности является частотно-зависимым параметром: низкочастотные колебания со сферическим фронтом распространяются по всем направлениям, а высокочастотные, имеющие плоский фронт – узконаправлены. Существует программное обеспечение для прогнозирования характеристик звуковых полей, создаваемых профессиональными акустическими системами: EASE Focus, d&b ArrayCalc, MAPP XT. Некоторые функции моделирования звукового поля в помещении доступны в измерительном комплексе REW.

Звуковое поле в условиях открытого пространства достаточно предсказуемо. Для имитации «свободного поля» источник и приёмник звука поднимают на значительную высоту, либо помещают в безэховую камеру (anechoic chamber), все поверхности которой покрыты толстым слоем поглощающего материала. Это необходимо при измерениях, когда для получения точных характеристик требуется исключить влияние отражающих поверхностей.

Звуковое поле может иметь весьма сложную структуру ввиду многообразия волновых процессов. Перечислим варианты взаимодействия звуковой волны с некоторым препятствием:

• Резонанс – резкое повышение амплитуды колебаний при совпадении частоты вынуждающего колебания с собственной частотой объекта (колебательной системы).

• Проникновение и рефракция – преломление волн, т.е. изменение направления их распространения при переходе из одной среды в другую, либо при распространении в среде, имеющей некий градиент, например – плотности или температуры.

• Дифракция – огибание препятствий, проникновение волны через отверстия.

• Отражение и рассеяние. Угол падения волны равен углу её отражения. При рассеянии коротковолновые составляющие комплексного акустического сигнала отражаются от поверхности сложной формы в разных направлениях, вследствие чего искажается состав сигнала и образуется диффузное звуковое поле. Это справедливо и для длинных волн при соответствующих размерах диффу́зора. Обратным явлением можно считать концентрацию акустической энергии в фокальной точке большого гладкого параболического рефлектора.

• Поглощение – преобразование акустической энергии в тепловую. Не следует думать, что при звукопоглощении нагрев материала будет хоть сколько-нибудь ощутимым.

Типы взаимодействий будут зависеть от длины волны, размеров препятствия, его формы, топологии и структуры материала. Благодаря действию принципа суперпозиции, звуковые волны взаимодействуют также и между собой – интерферируют. Наиболее эффектна интерференция когерентных сигналов, которая может быть конструктивной при совпадении фаз или деструктивной в случае противофазы (рис. 1). В первом случае происходит взаимное усиление, во втором – аннигиляция колебаний. На основе деструктивной интерференции работает технология активного шумоподавления, применяемая в наушниках. Интерференция также является причиной появления гребенчатых фильтров (comb filters) и стоячих волн (standing waves), описанных ниже.

Рисунок 1. Результаты конструктивной и деструктивной интерференции
Рисунок 2. Пример гребенчатого фильтра с расчётом частот провалов и подъёмов

В закрытом помещении звуковое поле представляется сложным благодаря обилию процессов, обусловленных отражением звуковых волн от его поверхностей. Прямой звук от источника и его ранние отражения (early reflections), имея высокую степень когерентности, приходят в точку прослушивания не одновременно – в результате интерференции смещённых по фазе сигналов происходит характерное искажение ЧХЗД, называемое гребенчатой фильтрацией (рис. 2). Постепенно затухая, волны продолжают многократно отражаться от поверхностей, формируя диффузное звуковое поле – это явление называется реверберацией (рис. 3). Для быстрой оценки реверберации было введено понятие времени стандартной реверберации – RT60, которое определяется снижением уровня звукового давления на 60 dB относительно уровня прямого акустического сигнала в среднем по пространству помещения. Но фактически продолжительность реверберации является частотно-зависимым параметром: как правило, она больше на низких частотах.

Рисунок 3. Реверберация: пример импульсной характеристики помещения

В помещениях с параллельными стенами интерферируют волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, следствием чего является значительная неравномерность пространственного распределения звукового давления на резонансных частотах – это явление называется стоячими волнами (рис. 4). Неподвижные минимумы и максимумы давления называются узлами и пучностями (nodes & antinodes) соответственно. Резонансные частоты и их гармоники определяются линейными размерами помещения, т.е. это его собственные частоты. Волны, не являющиеся стоячими, называют бегущими волнами. Визуализация стоячих волн осуществлялась в опытах Рубенса (огненная труба) и Хладни (пластина с песком).



Рисунок 4. Стоячая волна: пространственное распределение давления

Все перечисленные явления, кроме умеренной и равномерной по всему частотному спектру реверберации, обычно считаются негативными и неприемлемыми для звуковых студий, в первую очередь – потому, что они снижают объективность мониторинга. Можно считать, что звучание акустической системы зависит от обстановки в помещении не меньше, чем от неё самой – и только сужение направленности её излучения позволит снизить вклад комнаты в характер звучания. Оценить реверберацию помещения можно с помощью измерительного микрофона, получив waterfall-график широкополосного тестового сигнала, поданного на громкоговоритель. Ранние отражения легче зафиксировать на импульсной характеристике. Современное ПО вроде Smaart позволяет работать в режиме RTA (Real Time Analyzer), т.е. проводить акустические измерения в реальном времени. Полностью устранить влияние помещения можно только используя наушники. Но стоит помнить, что по некоторым причинам, они подходят далеко не для всех студийных операций…

Проблемы в ВЧ и СЧ области легко устраняются коврами, мягкой мебелью, а также специальными панелями из акустического поролона или минеральной ваты, размещёнными на некотором расстоянии от стен в точках первых отражений относительно источников звука и зоны прослушивания. Не рекомендуется полностью заглушать комнату – следует чередовать поглощающие поверхности с рассеивающими. В противном случае при сведении фонограмм возможно злоупотребление применением искусственной реверберации. Если нет возможности поглотить волны, их можно преломить, перенаправив в сторону от точки прослушивания. Проблемы в НЧ-области решаются труднее, так как для эффективного поглощения толщина соответствующего материала должна быть не менее ¼ длины волны – 85 см для частоты 100 Гц. Для борьбы с низкими частотами применяют басовые ловушки (bass traps): в углах, где происходит наиболее интенсивное переизлучение, размещают пористые поглотители, либо наиболее эффективные поглотители резонансного типа. Добавим, что невозможно исправить с помощью эквалайзера «провалы» в ЧХЗД, обусловленные деструктивной интерференцией.

Говоря об акустической обработке помещения, следует различать звукоизоляцию и звукопоглощение. Звукоизоляция (soundproofing) – это снижение взаимопроникновения звуковых волн в соседних помещениях, либо между помещением и внешней средой. Первичная мера звукоизоляции – герметизация помещения, в том числе – уплотнение окон и дверей. Самым трудноустранимым явлением в плане звукоизоляции является ударный шум, передающийся элементами конструкции здания.

Звукопоглощение – это снижение энергии звуковых волн, обусловленное трением, т.е. процессом преобразования акустической энергии в тепловую. Мероприятия, связанные со звукопоглощением, были достаточно подробно описаны выше. Полезно помнить, что тело человека также хорошо поглощает звук. Чтобы толпа людей не снижала полезную энергию, акустические системы располагают на некотором возвышении с помощью стоек или других приспособлений. С другой стороны, публика, находящаяся в зале, снижает его реверберацию.

Агалаков Иван