Акустика - основные понятия

Если в упругой среде, каковой является воздух, какое-либо тело совершает колебания, то от него начинают расходиться чередующиеся слои уплотнения и разрежения. Они называются звуковыми волнами и представляют собой продольные колебания частиц среды, то есть частицы колеблются в направлении распространения волны.

Волновая поверхность (фронт волны) – это геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах.
Звуковой луч – это линия, в каждой точке совпадающая с направлением распространения волны. В однородной изотропной среде звуковой луч является прямой линией, перпендикулярной к волновой поверхности.

Скорость распространения звуковой волны V – расстояние, которое за единицу времени проходит любая точка волновой поверхности. Скорость распространения звуковых волн в газе прямо пропорциональна корню квадратному абсолютной температуры газа.

Длиной волны λ называется расстояние между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися со сдвигом фаз Δφ=2π.

Период колебания Т – время, за которое источник совершает одно полное колебание.

Частотой колебания f называется число полных колебаний, совершаемых за единицу времени.

Важной характеристикой звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на простые гармонические колебания. Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных частотных составляющих.
В чередующихся слоях сжатия и разрежения среды происходит изменение давления по сравнению с атмосферным (статическим) давлением. В моменты сжатия изменение происходит в сторону увеличения давления, в моменты разрежения – в сторону уменьшения.

Звуковым давлением называется величина, примерно равная (при гармоническом колебании) 70% от максимальной разности между статическим давлением и давлением, создаваемым звуковыми колебаниями. Звуковое давление измеряется в н/м2 (или, что то же самое, в Па).
Звуковое давление в данной точке убывает пропорционально увеличению расстояния точки до источника.

Одним из важнейших элементов пути звука от аудионосителя до уха слушателя является комната прослушивания. Об этом нередко забывают, так как помещение не входит в сферу интересов производителей звуковоспроизводящей техники, а значит, не становится объектом рекламы. Тем не менее, комната способна кардинально изменить звучащую в ней музыку – убить все детали собственным «гудением» или, напротив, придать звучанию пространственность и воздушность.

Пористые материалы
В пористых материалах вещество заполняет небольшую часть общего объема. Основной объем составляют многочисленные поры, каналы и полости, которые открыты наружу и сообщаются между собой. Такими материалами являются войлок, хлопчатобумажная и стекловолоконная вата, ковры, специальная акустическая штукатурка и т. п.

Теория поглощения звука пористыми материалами была разработана впервые более 100 лет назад Дж. В. Стреттом (лордом Рэлеем). Она построена на постулате, что в пористых материалах существуют силы вязкости, препятствующие протеканию воздуха через поры, за счет чего вещество отбирает часть кинетической энергии колеблющихся частиц воздуха, превращая ее в тепло. Согласно этой теории, поглощающие свойства пористых материалов зависят от вязкости и плотности воздуха, радиуса и количества пор на единицу поверхности, а при использовании материала в качестве покрытия твердой стены – от толщины слоя, точнее от расстояния между ним и твердой стеной. Чем меньше радиус пор и чем их больше, тем лучше поглощаются высокие частоты. Поглотитель этого типа эффективен только на тех частотах, на которых колеблющиеся в звуковой волне частицы воздуха пронизывают пористый материал. Непосредственно у твердой стены колебательная скорость частиц воздуха равна нулю, поэтому толщину поглотителя (или расстояние между ним и стеной) выбирают равной как минимум четверти длины волны поглощаемого звука.

Порхающее эхо
В подавляющем большинстве случаев комната имеет форму прямоугольного параллелепипеда. С точки зрения акустики это далеко не идеальный вариант. Если существуют две параллельные отражающие поверхности (а в акустически необработанном, не заглушенном помещении таких пар поверхностей три – противоположные стены и пол с потолком), то при появлении звукового сигнала звук, отраженный одной поверхностью, возвращается к другой, отражается от нее, и начинает метаться, как бы порхать между ними, постепенно затухая. Поэтому такое эхо называют порхающим, или флаттер-эхом. Если слушатель находится на одинаковом расстоянии от обеих отражающих поверхностей, то эхо-сигналы повторяются с интервалами, равными времени пробега звука между двумя поверхностями (2 раза по 1/2 времени пробега). Если же слушатель располагается вблизи одной из поверхностей, то период повторения эхо-сигналов будет равен удвоенному времени пробега.

Ухо человека чрезвычайно чувствительно ко всем повторяющимся ко всем периодически повторяющимся процессам. Если период повторения эхо-сигналов невелик и составляет менее 20 мс (частота следования 50 Гц и выше), то воспринимаемый звук приобретает характер тона. В таких случаях говорят о звучании «как из бочки» при низкой частоте следования отражений и о «металлическом звучании» при высокой частоте. Такое окрашивание звучания наблюдается не только на кратковременных, но и на продолжительных сигналах (вокальное исполнение, длительные ноты и т.п.).

Прямоугольное помещение с физической точки зрения ведет себя точно так же, как закрытая с двух сторон труба. Разница лишь в том, что в трубе всего одно (аксиальное) направление распространения звуковых волн, тогда как в прямоугольном помещении их неисчислимое количество, причем во многих из них возникают акустические резонансы. Волны, создающие резонансы, подразделяют на три категории.

К первой категории относятся осевые (аксиальные) волны. Их подразделяют на три класса: продольные, поперечные и вертикальные. Звуковые волны каждого из этих классов отражаются только от двух противоположных стен (или от потолка и пола). Ко второй категории относятся касательные волны, которые распространяются, последовательно отражаясь от четырех стен. Последняя категория – так называемые косые волны, отражающиеся последовательно от всех шести ограждающих поверхностей.

Очевидно, что бороться с самим фактом возникновения резонансов в помещении тяжело, а зачастую и не нужно – если резонансы расположены в заданной полосе частот близко друг к другу и равномерно, то форма сигнала в этой полосе частот передается практически без искажений.

Физик-теоретик Филипп Морз вывел формулу для подсчета количества резонансных частот в заданном диапазоне частот в зависимости от объема и линейных размеров помещения, откуда видно, что количество резонансов помещения, приходящихся на одну и ту же полосу частот, с понижением частоты существенно уменьшается.
Морз так же подсчитал, сколько в помещении должно быть резонансов в заданном интервале частот для того, чтобы без заметных искажений нести форму звука длительностью порядка 0,1 с. Результат его расчетов таков: в интервале Δf=10 Гц должно быть не менее 10 резонансов.

Как уже было указано, резонансы выше нижней граничной частоты данного помещения для формы звукового сигнала безопасны, если они расположены равномерно. Но проблема в том, что в большинстве помещений это условие не выполняется, и резонансные частоты распределены неравномерно и, что еще хуже, даже совпадают и «сливаются». В качестве простого примера можно привести помещение кубической формы, у которой совпадают собственные частоты во всех трех аксиальных направлениях. АЧХ такого помещения (если оно не заглушено) имеет совершенно недопустимые пики и провалы. Подобные проблемы возникают во всех помещениях с кратными линейными размерами.

Наилучший же результат достигается в случае, если соотношения линейных размеров помещения
соответствуют «золотому сечению».    

Борьба с вредными резонансами и излишней реверберацией помещения происходит в основном посредством заглушения комнаты пористыми материалами.

Расположение громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания.
Размещение громкоговорителей и слушателя в комнате прослушивания является правильным, когда
- в районе головы слушателя нет отражений, запаздывающих относительно начала прямого звука менее чем на 3 мс;
- неравномерность общей амплитудно-частотной характеристики стереопары громкоговорителей, вызванная их взаимодействием между собой и с помещением, минимальна.

Излучение двух источников звука, одновременно выдающих один и тот же сигнал, <воспринимается, как излучение одного кажущегося источника звука. Если один из источников излучает сигнал с меньшим уровнем громкости и/или с задержкой во времени 1…3 мс (бо?льшая задержка воспринимается, как эхо), то кажущийся источник звука смещается к другому источнику. На этом свойстве слуха основан стереофонический эффект.

Для адекватного восприятия стереопанорамы, заложенной в фонограмме, слушатель должен находиться на равном расстоянии от громкоговорителей стереосистемы, причем угол между ними (с вершиной у его головы) должен составлять от 50 до 700. При смещении слушателя, например, влево, сигнал от правого громкоговорителя оказывается задержанным и стереопанорама смещается в сторону ближайшего громкоговорителя.

Для получения неискаженной АЧХ сигнала голова слушателя должна находиться на уровне высокочастотных динамиков громкоговорителей (обычно этот уровень выбирают порядка 90 см от пола, что соответствует расстоянию от пола до головы сидящего слушателя).

Иногда так же советуют слушателю находиться в зоне баланса амплитуд четных и нечетных продольных стоячих волн. Расчету положение этой зоны не поддается и ищется на слух.
Автор: Владимир Кисляков