Розповсюдження звуку у вільному просторі

Якщо джерело звуку всеспрямований, іншими словами, звукова енергія поширюється рівномірно у всіх напрямках, як наприклад, звук від літака в повітряному просторі, то розподіл звукового тиску залежить тільки від відстані і зменшується на 6 дБ з кожним подвоєнням.

Якщо джерело звуку спрямований, як, наприклад, рупор, то рівень звукового тиску залежить як від відстані, так і від кута сприйняття щодо осі випромінювання звуку.

Взаємодія звуку з перешкодою

Звукові (чутні) хвилі, зустрічаючи на своєму шляху перешкоду, частково поглинаються ним, частково відбиваються від нього, тобто перевипромінюються перешкодою назад у приміщення і частково проходять через нього наскрізь.

Відразу слід зазначити, що відсоткове співвідношення цих процесів буде різним для звукових хвиль різної довжини, що з особливостями поведінки ВЧ, СЧ і НЧ хвиль. Крім цього, важливу роль відіграють характеристики самої перешкоди такі, як його товщина, щільність матеріалу з якого вона виготовлена, а також властивості поверхні (гладка/рельєфна, щільна/пухка).

Розповсюдження звуку в замкнутому просторі

Поширення звуку в замкнутому просторі (в умовах приміщення) кардинальним чином відрізняється від умов його поширення у вільному просторі, оскільки звукова хвиля зустрічає на своєму шляху безліч перепон (стіни, стеля, підлога, меблі, предмети інтер'єру і т.п.).

Численні відображення основного звуку, що виникають в результаті цього, взаємодіють, як з прямим звуком, що виходить безпосередньо з динаміка і досягає вух слухача найкоротшим шляхом, тобто, по прямій, так і між собою. Схематично цю відмінність ілюструє наступна діаграма:

1) Відкритий простір: прямий звук;

2) Замкнений простір: прямий звук + ранні відбиття + реверберація.

Всім відомо, що звук відбивається від стін, підлоги та стелі, але як це відбувається?

Як було розглянуто вище, звукова хвиля, ударяючись про перешкоду, частково відбивається від неї, частково поглинається, а частково проходить крізь перешкоду.

Звичайно, чим твердіше і щільніше стіна, тим більшу частину акустичної енергії вона відбиватиме назад у внутрішній простір приміщення.

Звукові хвилі відбиваються від перешкод гостроспрямовано, тому в місцях їх віддзеркалень від стін, стелі і підлоги, тобто, осторонь основного джерела звуку з'являються його додаткові "образи" (вторинні, «уявні» джерела звуку або, так звані «фантоми»).

Відображення, взаємодіючи між собою та з прямим звуком, спотворюють його та погіршують виразність звукової картини. А тепер уявіть собі, що відбувається, коли багаточастотний звук відразу від двох або більше акустичних систем відбивається відразу від шести поверхонь кімнати (чотирьох стін, стелі та підлоги), і Ви зрозумієте, який колосальний вплив має акустика приміщення на якість звуку, що відтворюється в ньому.

Отже, в замкнутому просторі (в умовах приміщення) виділяють три джерела звуку:

1. Прямий звук — це звук, що виходить безпосередньо з динаміків АС (акустичної системи) і досягає вух слухача найкоротшим шляхом — прямою, тобто, не відбиваючись від поверхонь стін, підлоги та стелі приміщення (умовно можна вважати його оригінальним звуком, записаним на музичному носії).

2. Ранні відбиття (перші відбиття) — це відбиття основного звуку від стін, підлоги і стелі приміщення, а також від предметів інтер'єру, що знаходяться в ньому, що досягають вух слухача найкоротшими шляхами, тобто, зазнаючи одне єдине відображення, завдяки чому вони зберігають поверхнях стін, підлоги та стелі приміщення «образи» (вторинні, віртуальні, «уявні» джерела, «фантоми») прямого звуку. Саме тому перші відображення є найбільш важливими у загальній структурі відображень і, відповідно, серйозно впливають на якість звучання та формування стереокартини.

3. Ревербераційні відображення (пізні відображення, реверберація, відлуння). На відміну від ранніх відбитків, вони є результатом багаторазових перевідбиття основного звуку від поверхонь стін, підлоги і стелі.Вони досягають вух слухача складними, довгими шляхами і мають низьку амплітуду.

Під основним звуком мається на увазі звук, що виходить безпосередньо з динаміка, але, на відміну прямого звуку, має кругову спрямованість.

Чим же відрізняються ранні та пізні відображення?

Щоб відповісти на це питання, необхідно ознайомитися з деякими суб'єктивними особливостями людського звукосприйняття, пов'язаними з часовою характеристикою звуку.

Це — так званий ефект Хааса (Haas effect), суть якого полягає в тому, що якщо звук приходить від кількох різновидалених джерел, то наша система вухо/мозок ідентифікує (сприймає) тільки той звук, який прийшов раніше.

Якщо різниця в часі прибуття кількох звукових сигналів становить до 50 мс, то раніше прибув звук домінує над тим, що прийшов пізніше, навіть у випадку, якщо останній на 10 дБ голосніше (тобто голосніше в 3 рази!).

Таким чином, всі відображення, що досягають вух слухача протягом перших 50 мс слідом за прямим звуком, сприймаються людським вухом разом з прямим сигналом, тобто, як один загальний сигнал.

З одного боку, це призводить до поліпшення сприйняття мови і суб'єктивного збільшення її гучності, проте, у разі звуковідтворення це значно погіршує його якість за рахунок спотворення оригінальної музичної інформації відбитими звуковими сигналами, що зливаються з нею.

Якщо ж відображення надходять із затримкою більше, ніж 50 мс і мають порівнянний рівень з прямим сигналом, людське вухо сприймає їх як повторення прямого сигналу, тобто - у вигляді окремих звукових сигналів. У таких випадках ці відображення називають «луною» (реверберацією). Відлуння істотно погіршує розбірливість мови та сприйняття музичної інформації.

1) Особливе практичне значення мають ранні відбиття (перші відбиття), що досягають вуха слухача в часовому проміжку до 20 мс. після прямого сигналу.

Як мовилося раніше, вони зберігають велику амплітуду і сприймаються людським вухом разом із прямим сигналом і, отже, спотворюють його початкову (оригінальну) структуру. Таким чином, перші відображення є одним з основних ворогів якісного звуку.

Геометричні характеристики ранніх відбитків безпосередньо залежить від форми приміщення, розташування джерела звуку (у разі це АС) і слухача у ньому, будучи унікальними кожної конкретної точки даного приміщення.

Амплітудні характеристики перших відбитків залежать від:

- відстані між джерелом звуку і поверхнею, що відбиває;

- відстані від вух слухача до поверхні, що відбиває;

- від акустичних властивостей самої поверхні, що відбиває.

Таким чином, акустична характеристика кожної точки внутрішнього простору приміщення, головним чином, визначається поєднанням характеристик прямого звуку та ранніх відбитків, що приходять у цю точку.

2) Реверберация (поздние отражения, эхо).


При відтворенні звуку в приміщенні ми чуємо не тільки прямий звук від джерела і ранні відбиття, але й слабкіші (тихі) відбиті сигнали, що є результатом тривалих багаторазових перевідбиття основного звуку від стін, підлоги і стелі приміщення. Ці звукові сигнали досягають вух слухача з великим запізненням щодо моменту прибуття прямого звуку і перших відображень. Суб'єктивно це сприймається в
луна.

Таким чином, ефект, при якому загасання звуку відбувається не відразу, а поступово, за рахунок численних його перевідбиття від стін, підлоги та стелі приміщення, називається реверберацією.

Спектральний склад відбитих сигналів у великих і малих приміщеннях відрізняється, оскільки реверберація несе у собі інформацію розміри приміщення. Крім цього спектр ревербераційних сигналів також містить інформацію про властивості матеріалів, з яких виготовлені поверхні, що відбивають.

Наприклад, реверберація з високим рівнем високочастотних складових асоціюється з кімнатою, що має тверді стіни, які добре відображають високі частоти. Якщо ж звук реверберації глухий, то слухач приходить до висновку, що стіни кімнати вкриті килимами або драпіруванням, що поглинає високі частоти.

Також слідвідзначити, що спектр сигналів реверберації дозволяє визначити відстань до джерела звуку.

Наша система вухо/мозок, автоматично оцінюючи співвідношення між рівнями прямого звуку та реверберації, самостійно робить висновок про те, чи є джерело звуку близько (слабка реверберація) чи далеко (сильна реверберація).

Крім того, орган слуху людини влаштований таким чином, що якість звукосприйняття залежить не тільки від кількісного співвідношення між прямим звуком і реверберацією, але також від часу запізнення ревербераційного сигналу по відношенню до моменту сприйняття прямого звуку.

Час реверберації є проміжком часу, протягом якого звукова хвиля, багаторазово перебиваючись луною по кімнаті, поступово згасає. Цей параметр є одним із головних критеріїв акустичної характеристики приміщення.

Цей параметр характеризує розміри приміщення: у малих приміщеннях за одиницю часу відбувається більша кількість перевідбиття, що, на відміну від ситуації у великих кімнатах, веде до швидкого ослаблення та подальшого загасання реверберації. А також і властивості його поверхонь, що відбивають: тверді глянцеві поверхні, на відміну від рельєфних і м'яких, добре відображають звук, практично не послаблюючи його, що в свою чергу, природно, продовжує час реверберації.

Для позначення даного параметра було прийнято скорочення RT60, тобто час (у секундах), за який рівень звукового тиску (SPL) у приміщенні знижується на 60 дБ, після того, як джерело звуку припинить випромінювання.

Багаторазова луна суб'єктивно сприймається як гучність приміщення. Чим менше загасання, тим більший час реверберації і, відповідно, тим сильніша гучність.

Як зазначалося, час реверберації визначається як розмірами приміщення, а й відбиває здатністю його стін, підлоги і стелі. Вам доводилося помічати, як незвичний звук у порожній кімнаті, підготовленій для ремонту, чи величезному ангарі, де має місце сильна реверберація?

У зв'язку з вищесказаним, доцільно розглянути ще одну категорію, а саме, радіус гучності. Що таке?

Йдеться про співвідношення рівнів прямого та відбитого звуку. Загалом, чим ближче слухач до джерела звуку, тим голосніше прямий звук і, відповідно, тихіше - відбитий. У міру віддалення джерела звуку прямий звук слабшає, а відбитий, навпаки, посилюється.

Логічно дотримуючись цього принципу, можна цілком справедливо припустити, що на певній відстані від джерела звуку прямий і відбитий звук сприйматимуть слухач з однаковою гучністю. Так от коло, з радіусом, що відповідає радіусу гулкости, і є межею між двома областями: внутрішньою з переважанням прямого звуку і зовнішню, де домінує відбитий звук.

Особливості поведінки звукових хвиль різної довжини в умовах замкнутого простору

Очевидно, що поведінка звуку в музичній студії підпорядковується законам його поширення в замкнутому просторі. Розглянемо цей процес детальніше.

Поведінка звукових хвиль в замкнутому просторі залежить від їх довжини і, відповідно, від частоти їх коливань, що варіюють в межах від 17 метрів (20 Гц - на початку чутного басового діапазону) до 17 міліметрів (20 частих діапазонів КГц).

Спрощено поведінку звукових хвиль усередині приміщення, залежно від їхньої довжини, можна представити у вигляді двох незалежних моделей.

Одна — для НЧ виглядає як суто хвильовий процес - інтерференція (складання) всіх джерел НЧ (як басу від динаміків, так і низькочастотних відбиття від стін, підлоги і стелі), що призводить до утворення тривимірної картинки для кожної частоти подібно до гірського рельєфу з піками і провалами, що чергуються.

Друга — для ВЧ, подібна до випромінювання світла з відомими законами заломлення, відображення та дифракції. Вона використовує наочні методи геометричної оптики, оскільки у цих сферах діють аналогічні правила. Наприклад, частина енергії звукової хвилі, що досягла твердої поверхні, відбивається нею під кутом, що дорівнює куту падіння.

Загальну картину доповнює змішання цих двох процесів СЧ.


Середньо- та високочастотні хвилі (хвилі малої довжини).

Як мовилося раніше, поведінка звукових хвиль ВЧ діапазону загалом підпорядковується законам поширення світла. Це безпосередньо відноситься до хвиль ВЧ діапазону і більш менш справедливо по відношенню до ВСЧ піддіапазону.

Першою особливістю звукових хвиль даного діапазону є їхня виражена спрямованість, тобто зміна (посилення або ослаблення) сприйняття рівня ВЧ навіть при незначному відхиленні від осі їх випромінювання. Простіше кажучи, високі частоти поширюються у напрямку слухача подібно до променя прожектора.

Спрямованість зростає із збільшенням частоти сигналу, досягаючи максимуму на найвищих частотах. Саме спрямованість визначає основнуЗначимість ВЧ хвиль у формуванні стереокартини.

Другою характерною особливістю ВЧ, є здатність до багаторазового відображення від твердих поверхонь, подібно до рекошетної кулі або більярдної кулі, що, у свою чергу, обумовлює їх легку розсіюваність (дифузію).

Третя особливість - легка поглинання навіть тонкими м'якими поверхнями, такими як, наприклад, штори.

Саме завдяки спрямованості та здатності до відображення ВЧ, як зазначалося вище, беруть активну участь у формуванні ревербераційної картини.


Низькочастотні або басові хвилі (хвилі великої довжини).

Отже, поведінка НЧ в умовах замкнутого простору виглядає як суто хвильовий процес, в основі якого лежить інтерференція, тобто процес складання (накладання) звукових хвиль, що виходять абсолютно від усіх НЧ джерел, що знаходяться в приміщенні, а також безлічі НЧ-відбиття від стін, підлоги та стелі даного приміщення.

Це зумовлено тим, що на відміну від СЧ і ВЧ хвиль, що є спрямованими, басові хвилі рівномірно поширюються у всіх напрямках подібно до сфер, що розходяться від випромінюючого центру. Таким чином, НЧ звукові хвилі є всеспрямованими, саме тому із закритими очима неможливо визначити місцезнаходження вуфера.

Ця властивість НЧ хвиль пояснює нездатність їх у формуванні стереокартини.

Крім цього, завдяки великій довжині хвилі та високої енергії, НЧ хвилі здатні не тільки огинати перешкоду, але і, частково відбиваючись, «проходити» наскрізь навіть через бетонні стіни (це саме той випадок, коли Ваші далекі сусіди по «багатоповерхівці» чують низькочастотне «гудіння», під час прослуховування Вами).

Таким чином, на відміну від ВЧ, які легко відбиваються від твердих поверхонь, басові хвилі відбиваються набагато гірше, частково поглинаючись і частково проходячи крізь перешкоду, причому зі зниженням частоти вони все більше втрачають здатність до відображення і вважають за краще «йти напролом».

А ще НЧ хвилі «вміють» «витікати» з приміщення через відкриті віконні та дверні отвори, а також легко проникати через скло, наче його взагалі немає.

Враховуючи всі вищеперелічені моменти, а також беручи до уваги той факт, що довжини НЧ хвиль можна порівняти з лінійними розмірами кімнати (довжиною, шириною та висотою), стає зрозумілим, чому на поведінку басових хвиль основний вплив мають саме параметри приміщення.

Якщо довжина хвилі звукового сигналу в два рази більше одного з лінійних розмірів кімнати, то на її частоті між даною парою стін виникає найгрізніше і важко придушується акустичне явище, що буквально, «вбиває» звук, - резонанс повітряного об'єму.

Суб'єктивно це виявляється у посиленні сигналу цієї конкретної частоти по відношенню до рівня інших частот і появі гучності звучання.

Низькочастотні резонанси та стоячі хвилі виникають між двома паралельними поверхнями (наприклад, між фронтальною та тиловою стінами або між бічними стінами, або між підлогою та стелею) при збудженні в даному приміщенні звукової хвилі з відповідною частотою.

Причому абсолютно неважливо, що порушить цю хвилю: відтворення музики, гра на музичному інструменті, тембр голосу при розмові, звуки комунікацій або транспорту, що проходить повз, робота електропобутових приладів і т.д.).

Низькочастотні звукові хвилі поширюються всеспрямовано («... ми не можемо локалізувати баси, нижче 80 Гц...» - Anthony Grimani) і вони мають величезну енергію. Найнижчі з них – басові частоти, практично не відбиваючись, здатні проходити через будь-які перешкоди.

У міру підвищення частоти їх здатність до відображення зростає, а здатність, що проникає, знижується.


«Вважається, що звук поширюється прямолінійно, як будь-які хвилі. Але це справедливо лише позбавленого перешкод широкого простору. Насправді рух звукових хвиль набагато складніше. Вони стикаються з перешкодами і один з одним, і часом поширюються, утворюючи вихори, невимовними траєкторіями.

На мій погляд, тим, хто займається аудіотехнікою, необхідно мати просторову уяву, щоб ясно представляти візуальні образи звукових хвиль та їх поведінку, яку неможливо пояснити, спираючись лише на теорію електрики.

Схоже, до цього дня, величезна кількість факторів, що впливають на звуковідтворення, залишаються невивченими, кидаючи виклик усім накопиченим знанням та досвіду звукоінженерів. Чим більше я розмірковую над цим, тим чіткіше розумію, що світ звуку набагато глибший, ніж ми можемо собі уявити.

Джерело: Акустична філософія домашньої музичної студії. - 16.12.2010. - doctor‑sound.com.ua.