Домашние студии звукозаписи. Часть 5. Архитектурная акустика
18.09.2011
В прошлых статьях мы узнали, как оградить нашу студию от посторонних звуков, также были приведены возможные конструкции студийных окон и дверей, и определены задачи, решение которых необходимо для обеспечения вентиляции и кондиционирования внутри студийных помещений, то есть немного изучили строительную акустику.
А сегодня я хочу рассказать об акустике непосредственно внутри нашего помещения: почему в одних помещениях музыка звучит мощно, громко и чётко, в других превращается в неразборчивую кашу, а в третьих звучит хоть и разборчиво, но вяло и неинтересно. Для начала уясним, что такое архитектурная акустика, и с помощью каких теорий она описывается.
Архитектурная акустика – это раздел прикладной акустики, изучающий:
- распространение звуковых волн в помещении;
- отражение и поглощение их ограждающими конструкциями;
- влияние отраженных волн на слышимость речи и музыки.
Соответственно, существует целых три теории, описывающих процессы, происходящие при распространении звуковых волн внутри помещений, это:
- геометрическая теория
- статистическая теория
- волновая теория.
1. Геометрическая теория одна из самых древних, с её помощью были построены ещё греческие и римские амфитеатры, она основана на законах геометрической оптики, то есть распространение звуковых волн рассматривается аналогично распространению световых лучей: угол падения равен углу отражения, вогнутая поверхность фокусирует звук, выгнутая – рассеивает, гладкая поверхность отражает звук, как зеркало, шероховатая – рассеивает, наподобие матового стекла. Однако применение этой теории на практике ограничено весьма важным условием: размеры преграды должны быть многократно больше длины звуковой волны. Например для частоты 340Гц длина волны будет около 1 метра, соответственно, чтобы её «отразить» размер преграды должен быть больше 10 метров, а таких размеров в «малой студии», понятно, быть не может. На низких частотах эти размеры ещё больше. Поэтому геометрическая теория применяется в настоящее время в основном для проектирования больших концертных залов. Однако, и для нас она всё-таки не бесполезна: с её помощью мы можем рассчитать время прихода первых отражений, просто измерив длину отраженного полом, стенами и потолком «луча», исходящего из источника звука. А также уменьшить их энергию, разместив в местах отражения звукопоглощающий материал. Причём сделать это можно с помощью зеркала: двигая его вдоль стены, со своего рабочего места вы в определённой точке положения зеркала увидите в нём мониторы, вот эту точку и нужно заглушить, если первые отражения вам мешают. Однако, это правило действует только для средних частот, но об этом ниже.
2. Статистическая теория, заключается в рассмотрении процессов, возникающих в помещении, после выключения источника звука, как запаздывание многократно отраженных волн, и их постепенное ослабление в результате поглощения энергии волн преградами. Таким образом, с помощью статистической теории можно рассчитать время реверберации, и её спектральный состав, зная геометрические размеры помещения, и акустические характеристики ограждающих поверхностей. Однако и статистическая теория имеет ограничения. Рассмотрим сначала процессы, возникающие в помещении с источником звука, смотрим на рисунок.
Первым в точку приема, где находятся уши слушателя или микрофон, приходит по пути 1 прямой звук, затем по пути 2 и 3 звуки, отраженные от ближайших к источнику поверхностей, далее звуки по пути 4, отраженные от удаленных поверхностей, и претерпевшие двукратные, трёхкратные и т.д. отражения. Помещение начинает «звучать» совместно с инструментом.
Кстати, это очень важно для правильного звука. Дело в том, что отражения, приходящие к слушателю или микрофону с разных сторон, с определённой задержкой и спектральным составом, и создают то самое ощущение глубины и пространственности звука. Если вы «переглушите» помещение, то звук в нём будет сухой и неинтересный, тембры акустических инструментов будут малоузнаваемыми, к тому же, в случае концертного зала, или репетиционной «точки», вы значительно потеряете в громкости звучания инструментов, или акустических систем, вплоть до 9 дБ. Если же наоборот, время реверберации будет слишком большим, то следующая нота будет «наезжать» на предыдущую, ударные инструменты звучать с явным эхом, и музыка превратится в трудноразличимую кашу.
После прекращения звучания источника начинается процесс затухания колебаний. Сначала в точку приема приходят сравнительно редкие начальные отражения. Далее плотность запаздывающих импульсов увеличивается, а их энергия постепенно спадает. Собственно, именно этим спадающим «хвостом» и занимается статистическая теория. Однако, для расчетов принимаются некоторые допущения, в частности считается, что распределение амплитуд и фаз акустических волн носит хаотический характер (что далеко не так), из чего следует, что средняя плотность звукового поля во всех точках помещения одинакова (таковое поле называется диффузным), что тоже невозможно.
Например, в помещении размером 3 на 4 и на 5 метра возникнут т.н. «моды» - «стоячие» волны с частотами 57, 42,5, и 34 Гц (340/2/L, где 340 - скорость звука, а L – измерение комнаты), которые нарушат равномерность звукового поля, и создадут амплитудные «всплески» (резонансы) на этих, и кратным им высших частотах. Таким образом, применение статистической теории также ограничено, её можно применять только для тех частот, где модальные «всплески» сливаются друг с другом, и мало влияют на диффузность звукового поля.
Эта частота зависит от объема помещения, и его геометрической формы, и ориентировочно вычисляется по формуле:
f = K ( RT60 / V )1/2 (Гц),
где RT60 – это коэффициент реверберации, равный (в секундах) времени, за которое звуковое давление падает на 60дБ, V – объём помещения, а К – экспериментально полученный коэффициент, равен 1890 по одним данным, и 2000 по другим.
Вот как раз выше этой частоты, называемой частотой Шрёдера, действует статистическая теория, причём, для частоты в 4 раза большей частоты Шрёдера можно уже применять и законы геометрической акустики. А область частот «вниз» от частоты Шрёдера, до частоты также приблизительно определяемой формулой:
f=340/2L (Гц),
где 340-скорость звука (м/с), а L-максимальный размер комнаты (м), называется «резонансной», и в ней применяют третью акустическую теорию.
3. Волновая теория. Данная теория рассматривает процессы, происходящие внутри помещения, как постепенно затухающие сложные резонансы самого помещения (плюс воздух в нём, конечно), где помещение рассматривается, как объёмный резонатор. Данная теория применяется для расчета мод помещения, а также для выбора оптимальных пропорций помещения, в котором моды были бы распределены наилучшим для слуха образом. Также с помощью волновой теории рассчитываются методы борьбы с модами – резонаторы Гельмгольца, панельные поглотители, и пр.
Таким образом, мы узнали сегодня о теориях, с помощью которых можно рассчитать акустические характеристики нашей студии. Вот о том, какими они должны быть, а также об устройствах, позволяющих осуществить акустическую коррекцию помещения, мы и поговорим в следующий раз.
Дмитрий Розе
RP-STUDIO
