Вы можете приобрести самую дорогую в мире систему, но если вы расположите её в небольшой кубической комнате – стоимость уже не будет иметь значения. Определение правильного места для ваших АС – единственный наиболее важный фактор в получении хорошего звука в вашей комнате. Очень точное расположение АС может открыть перед вами новое звуковое измерение. Любые АС не существуют сами по себе. Они суть неизбежный компромисс с комнатой прослушивания. Не бывает просто хороших АС – бывают подходящие. При большом желании и небольшом везении ваша комната может стать для Вас счастливейшим местом. Будем исходить из того, что вся мебель и обстановка в комнате существовала до приобретения АС или аппаратуры, которые должны интегрироваться в вашу комнату не нарушая сложившуюся в ней динамику. Цель хорошей комнаты прослушивания: минимизировать окраску, которая является самой сильной в басовом регионе между 20 и 200 Hz. В более высоких частотах комната так же имеет влияние, но резонансы являются намного менее проблематичными, так как намного легче добиться поглощения высокочастотных резонансов. Любая комната будет резонировать во многих частотах.

Точность и высота резонансного пика зависят от поглощающих свойств комнаты. Комната с большим количеством мягкой мебели, с коврами на полу и драпами будет акустически относительно “мертвой”. Пики и провалы в ответе частоты в таких помещениях имеют неравномерность 5-10 db. Комната с голыми стенами и полом будет очень “живая”, и пики и провалы изменяются 10-20 dB или больше. Общее правило таково: в акустически хорошей и правильной комнате можно располагать АС достаточно близко к отражающим поверхностям с минимальными отрицательными последствиями. В акустически плохих комнатах главная стратегия состоит в том, что бы разместить АС максимально далеко от границ комнаты и самого слушателя насколько это возможно.

Если мы чувствуем ряд глубоких провалов или пиков в частоте, значит это результат отражений. Сокращение уровня отражений выравнивает фактическую кривую ответа частоты Самое важное – минимизировать ранние отражения (меньше 20ms) в максимально возможной степени.. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Как улучшить акустику комнаты, чтобы эта кривая пригладилась? Это может быть сделано с помощью поглощающих материалов, закрывающих твердые поверхности около АС. Лучшая, наиболее полезная среда для прослушивания, – полное совмещение принципов “живой” и “мертвой” акустики комнаты. Я лично предпочитаю слегка заглушенную (dead) комнату в отличие от живой, звонкой (live). Как это можно определить без специальных приборов? Хлопните в ладоши. Покажется вам, что затухание звука естественно, или слишком долго гаснет (live), или наоборот слишком быстро затухает (dead)? Лучшее решение состоит в том, что бы обеспечить комнату разумным балансом дисперсии и поглощения. Комната с голыми стенами будет иметь сильное эхо, которое ухудшает ясность. Картины на стенах, книжные полки, драпировка, напольные покрытия обеспечат звуковое поглощение и рассеют вредные отражения. Неприкрытые окна, голые полы и стены не желательны.

АС должны располагаться в акустически мертвой зоне, занимающей примерно 1/3 пространства комнаты. Затем идет очень живая зона комнаты, в которой должны находиться предметы рассеивающие, но не поглощающие звук. Чем ближе поглощающая поверхность (ковер) к АС, тем лучше. Различные типы ковров и сама подкладка (основа) ковра больше всего влияют на верхнюю середину и в/частоты. Чем толще и больше ковер, или ковровое покрытие, тем больше они будут “впитывать” эти частоты. Ковры и шторы уменьшают реверберации в комнате, и, как следствие, передачу звуковой энергии стенам. Ковровые покрытия почти не влияют на низкие частоты, но средние частоты могут переглушить. Я предпочитаю не толстый ковер от стены к стене. Это резонно хотя бы потому, что основная масса производителей АС решающие прослушивания своих изделий проводят в комнатах с полностью заглушенным полом.

Многие специалисты считают, что основа ковра/покрытия должна быть из естественных волокон, а не из резины или вспененного каучука, т.к. они поглощают частоты выборочно – некоторые частоты значительно приглушаются, а другие не приглушаются совсем. Самое важное – минимизировать ранние отражения. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Все проектировщики студий звукозаписи стараются уменьшить именно ранние отражения в максимально возможной степени. Как расположить АС в комнате надлежащим образом? Вы должны преследовать 2 основных цели: плоская частотная характеристика и хороший трехмерный образ. Даже при том, что у вас хорошие АС, влияние комнаты очень важный фактор. Во многих случаях важнее обратить внимание на акустику комнаты, чем потратить в 2 раза больше денег на новые АС.

Симметрия

Окружающая среда сзади и по бокам АС должна быть симметрична. В меньшей степени важна окружающая среда непосредственно рядом со слушателем. Относительно симметрии передних и задних стен имеется много сторонников различных мер. Большинство (но не все) соглашаются, что стена позади слушателя должна быть с хорошими отражающими свойствами.

Профессионалы считают, что вся область вокруг АС должна быть заглушена, чтобы максимально уменьшить отражения. Еще один момент: желательно заглушить боковые стены лишь непосредственно перед АС, чтобы минимизировать близкие отражения боковой стены. Для лучшего воспроизведения трехмерной звуковой картинки комната должна иметь хорошую симметрию между и вокруг АС. Это означает, что если АС расставлены не симметрично, ранние отражения от задней стены у первой АС будут отличаться от отражений второй АС, и критические части стереосигнала будут повреждены. Обязательно чтобы расстояние от вас до обеих АС была максимально идентичным. В хороших системах отклонение в несколько см. будет отчетливо слышно. Обычно считается что АС и слушатель должны образовывать равносторонний треугольник, но это не абсолютное правило. Некоторые производители дают свои рекомендации по расстановке своих АС. Помните, что любая рекомендация – только старт, начало для эксперимента, поэкспериментировав как следует, вы добьетесь желаемых результатов.

Направленный звук от АС прежде всего ответственен за imaging (образность звуковой картинки), в то время как отраженный звук больше всего влияет на изменение тонального баланса АС – в смысле плотности звука, или его истощения и т.д. Любая отражающая поверхность – стена, пол, мебель, создает отражения. Исходя из этого и надо располагать АС. Самое важное максимально уменьшить естественные отражения. Ранние отражения достигают слушателя почти одновременно с прямым звуком, деградируя сигнал. Например АС с широкими передними панелями – планары и др., менее критичны к близлежащим боковым стенам и поверхностям, но очень критичны к близости к задней стене. В общем, чем дальше от отражающих поверхностей и чем дальше от задних стен – тем большей будет глубина soundstage и будет больше “воздуха” .

Расположение слушателя

Слушатель должен сидеть точно посередине между АС, расстояние до слушателя, чуть больше чем расстояние между АС. Если вы не соблюдете это правило, вы никогда не услышите хорошей звуковой картинки. В комнате с пропорциональными размерами лучшее расположение слушателя 30-90 см от задней стены. Если вы сидите прямо у стены, вы должны немного заглушить место на стене непосредственно позади вашей головы. Ваш мозг не сможет обработать эти отражения, но поверьте мне, в данном случае они могут сильно повлиять на звук.

Помните одну вещь – близость головы к тыловой стене имеет два положительных эффекта. Во-первых, вблизи у стен самое высокое звуковое давление, а скорость звуковых волн самая минимальная. Расположение в зоне максимального давления дает лучшее восприятие глубокого баса. Во-вторых, отраженные звуковые волны короче чем окружность головы, так что мозг не может измерить задержку времени между ушами. Когда мозг не может определить отражения – он игнорирует их.

Это простой пример того, как мозг игнорирует нежелательную или несущественную информацию и подтверждение эффекта Хааса – если информация от АС придет первой, то любые искажения и отражения (даже неприятные) придут позже и на значительно меньшей громкости – и наш мозг проигнорирует их.

Часто слушатель сидит слишком далеко от АС. Чем дальше вы сидите, тем больше свободное пространство комнаты воздействует на звук, особенно это относится к средним и высоким частотам, но близко – тоже плохо – звук не успеет оформиться в картинку. Большое значение имеет высота АС. Лучше всего, когда ВЧ динамик расположен чуть выше уха (но не всегда) – экспериментируйте, выше или ниже сидеть. Развал схождение – этим методом достигается сосредоточение звукового образа (imaging) и регулировка тонального баланса, а так же оптимизация средних и высоких частот с помощью регулировки их направленности. Легче всего это делать вдвоём. Сначала направьте АС так, чтобы они смотрели на точку немного позади головы слушателя – сохраняя одинаковое расстояние от уха до твиттера каждой АС. Поставьте музыку с вокалом или скрипкой. Один человек должен наблюдать за фокусом. Другой должен вращать АС вокруг внутреннего перед-него шипа. Слушатель должен обнаружить какое расположение АС наилучшее. Когда это сделано, установите вторую АС идентично первой. Одни АС работают лучше завернутыми внутрь, другие иначе, но лучше всего не большой поворот внутрь или вообще не трогать. Следуйте за рекомендациями изготовителя.

Самое главное – правильно заполнить центральные образы без привнесения в жертву ширины soundstage. Наклон АС так же важный фактор – вперед назад, внутрь и т.д. – тоже влияет на звук. Многие производители делают отрицательный наклон передних панелей своих АС для достижения должной образности и когерентности звучания динамиков.

Высота прослушивания

В двухполосных АС ваши уши должны находиться на условной линии между ВЧ и вуфером, в 3 полосных – на линии между ВЧ и СЧ динамиком. Имейте в виду, что лучшее местоположение для создания просторного soundstage, не может быть идеальное местоположение для баса. Мы должны найти такой компромисс, при котором эти характеристики максимальны в нашем представлении. На личный вкус можно иногда пожертвовать одним ради другого. Развязка от пола самый важный момент при установке АС. Только после решения этого вопроса вы сможете услышать ваши АС такими, какие они и есть на самом деле. АС больше всего подвержены резонансам, поэтому больше всего нуждаются в жесткой фиксации. Самое главное, что дает жесткая установка колонок, – это четкая фокусировка, ясность, детальность, слитность, хорошо артикулированный бас. Звук станет плотнее и четче, особенно на большой громкости. Чем дороже ваша система, тем больше требований к установке АС. Слишком низкое расположение колонок сужает динамический диапазон. Улучшение акустических характеристик вашей комнаты может полностью изменить ваше мнение относительно качества вашей системы. Какие характеристики комнаты влияют на звучание. Весь звук в границах вашей комнаты будет зависеть от комбинации трёх акустических характеристик: отражения, рассеивание, поглощение. Хорошая комната прослушивания будет иметь пропорциональное количество этих характеристик. Чем меньше расстояние между стенами, где расположены АС и слушатель, тем более звонкое звучание, чем больше расстояние между этими стенами, тем глубже бас. Отражения: вся или большинство звуковой энергии состоит из отражений, происходящих в комнате по правилу: угол падения равен углу отражения. Твердые плоские и гладкие поверхности – голые стены, стекло, голые твёрдые поверхности мебели – отражают звуковую энергию.

Рассеивание

Все или большинство звуковых волн, отраженных обратно в комнату, находятся там уже в беспорядочном состоянии – беспорядочно рассеянная звуковая масса. Твердые, неплоские, шероховатые, ребристые поверхности, цилиндрической и округлой формы предметы – рассеивают звук. Поглощение в противоположность отражениям, большинство звуковой энергии впитывается. Мягкие пористые поверхности ковры, половые покрытия, мягкая мебель, драпировки из толстой ткани и т.д. – поглощают.

Качество низких частот в вашей комнате в большей степени зависит от самой комнаты. Поскольку длина волны басовых частот очень большая, большая часть обстановки, оформление стен и пола делают очень немного для изменения басовых частот в комбинации room/speakers. Поэтому оптимизация низких частот является вопросом выбора комнаты прослушивания с оптимальными размерами (соотношениями) и расположения в этой комнате АС. Низкочастотная энергия распространяется сферически во всех направлениях одинаково. Когда низкочастотная звуковая волна ударяется о преграду (стена), басовая энергия – большей частью – отражается обратно в комнату, отражаясь от каждой преграды – пол, стены, потолок. Вуфер должен находиться на неравном расстоянии от трех ближайших боковых плоскостей комнаты. Всё это существенно, т.к. ближайшая к АС отражающая плоскость усиливает некоторые басовые частоты.

Если отражающие плоскости находятся от АС на равном расстоянии, некоторые басовые частоты будут усилены очень сильно. Т.е. если ваша АС стоит на одинаковом расстоянии от задней стены, боковой стены и стенки шкафа или комода, то вы получите тройное усиление каких-то одних групп басовых частот, что приведет к очень слышимому гулу на этих частотах. Если двери находятся в углах комнаты, бас может просто напросто “вытекать” через них. При серьезном прослушивании надо двери закрывать. Дело обстоит не так для средних и высоких частот, где энергия направлена более сосредоточенным и управляемым образом, конусообразно, по рупорному принципу. Низкочастотные отражения, резонансы можно достаточно просто регулировать, манипулируя расстановкой АС, варьируя расстояниями от колонки до ближайшей стены.

Чем сильнее будут отличаться друг от друга все три эти параметра (расстояния), тем меньше будет “унисон” , соответственно меньше будут нежелательные резонансы. Стоячие волны- это низкочастотные отражения (резонансы) между двумя параллельными стенами, основные враги хорошего звука. Они окрашивают звучание в вашей комнате, подчеркивая некоторые музыкальные ноты и создают грубое и неестественное распределение акустической энергии в пределах комнаты. Распространение стоячих волн – собственность физических характеристик комнаты и не имеет никакого отношения к аппаратуре. В прямоугольных комнатах стоячие волны возникают во всех трёх направлениях одновременно, оказывая очень сложно распределённое давление в пределах комнаты Стоячие волны – причины заметных окрашиваний выше приблизительно 300 Гц. Однако изолированные или случайные стоячие волны могут быть заметны и ниже этой частоты. Стоячие волны являются по существу осколками каких-либо частот сбившихся в кучу, в каких- либо местах в комнате. Равномерно распределённые окрашивания почти не проблематичны по сравнению со стоячими волнами. Понимание того, чем являются стоячие волны и как они работают будет полезно для лучшей оптимизации вашей комнаты и ваших АС.

Определение осевой постоянной стоячей волны между двумя параллельными стенами может быть легко рассчитана следующим уравнением: (1) Fo = 1130 / 2L или (2) Fo = 565 / L (где константа 1130 – скорость света в футах в секунду, L – расстояние между стенами в футах пример: вычисление фундаментальных стоячих волн в трех основных направлениях для комнаты размером 4,8 (ш) * 7,8 (д) * 2,4 (в) между коротких стен Fo w = 565/16 = 35 Гц между длинных стен Fo l = 565/26 = 22 Гц между полом и потолком Fo h = 565/ 8 = 70 Гц .

Обратите внимание, что в этом примере высота стены в 2 раза меньше длины короткой стены Foh = 2Fow = 70 Гц . Эта комната имела бы значительную окраску на 70 Гц, 140 Гц, 210 Гц и далее кратно 70. Худшее возможное тональное распределение происходит, когда измерения комнаты равны во всех трех направлениях, т.е. когда комната – идеальный куб. В такой комнате гармоники всех резонансных частот будут равны между собой, а резонансы низких частот будут чрезвычайно грубы и окрашены. Наилучшее возможное тональное распределение будет в комнате, размеры которой не связаны одним целым (кратным) числом. L24*W24*H8 -плохой пример – все разекры кратны 8 L26*W15*H8 – хороший пример. Самое гладкое басовое расширение будет получено, если частоты отраженной энергии будут распределяться равномерно и не будут смешиваться в кучу.

Определение баса в комнате. Число 550 – половина скорости звука в секунду над уровнем моря. Деля это число на какую-либо басовую частоту, скажем 20 Гц, мы получим наименьшее расстояние между стенами, при которой эта частота будет поддержана комнатой. Если разделить это число на басовую частоту 20 герц, мы получим 27,5 футов – такое минимальное расстояние должно быть между стен вашей комнаты для того, чтобы поддержать эту частоту. Если расстояние между противоположными стенами, где расположены слушатель и АС, составляет 12,8 фута, значит 550/12,8 = 43 Гц – нормально для британской АС среднего размера, но позорно для АС типа Infinity Bass Tower.

Предположим вы хотите иметь бас ниже 35 Гц – 550/35= 15,7 футов – минимальное расстояние между стен, чтобы поддержать частоту 35 Гц. Но это число – 15,7 – почти двойная высота стандартной комнаты – и это плохие вести. Комната будет иметь одни и те же стоячие волны в двух направлениях.Но не расстраивайтесь, мало вероятно, чтобы эти размеры были строго кратны двум. Звуковая сцена и звуковая картинка зависят от расположения АС, их ориентации и акустики комнаты. Оптимизация расположения АС – трудная задача. Поскольку расположение АС одинаково важно и для soundstage и для хорошего воспроизведения баса, вы должны найти между этими характеристиками компромисс – намного лучше немного пожертвовать уменьшением баса для получения хороших staging/imaging. Глубина сцены лучше всего, когда АС расположены на некоторой дистанции от фронтальной стены – это понизит эффект от ранних её отражений, улучшит сфокусированность образов, позволит колонкам “дышать”. В системах высшего разрешения, точно расположенных в акустическом пространстве, звуковая сцена может простираться далеко за пределы комнаты прослушивания: тыл сцены не упирается в заднюю стену, а естественным образом простирается вглубь. Ширина сцены на окончательную ширину будет воздействовать расстояние между АС и развал –схождения колонок. Но помните, что на большинстве записей эта звуковая характеристика плохо записана.

Определение расстояние между АС

Поставьте запись с хорошей фокусировкой центрального образа – например вокал. Расположите АС примерно на 1.8 – 2 метра друг от друга, и чтобы они были направлены в точку немного позади вашей головы. Слушайте, достаточно ли звук сфокусирован. Раздвиньте АС дальше – сантиметров на 30 и слушайте снова и т.д.. Когда центр начнет тончать и расплываться и становиться разбросанным, знайте, что дальше раздвигать АС нельзя. Вы теперь знаете, насколько широко можно расставить АС не потеряв soundstage и плотность центрального образ (фокус). Фокус в значительной степени, но не полностью, связан с передачей АС высоких частот. Наше ухо использует их для очертания предмета. Поэкспериментируйте с развал – схождением.

ВЧ распространяются очень направленно. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ещё и в том, что уменьшаются побочные отражения от близлежащих поверхностей, минимизируя эхо отраженных частот, которые влияют на звуковую картинку.

Регулировка баланса

Если баланс системы отрегулирован так, что звук распространяется неровно по всему фронту и он плохо сфокусирован, значит причина может быть в том, что одна АС ближе к вам, чем другая. Например, если ведущий вокал, который должен звучать по центру приходит к вам справа, правый спикер должен быть отодвинут назад или левый выдвинут вперёд. Обычно даже 2-3 см разницы в расстоянии до вас уже отчетливо слышны.

Перемещения АС

Все боковые перемещения АС влияют больше на мidbass а перемещение “вперёд – назад” влияют больше на глубину баса.

Плотность звукового образа- одна из необычных и музыкально очень красивых характеристик – способность сконцентрировать не только энергию ВЧ, но так же и богатство музыкальной энергии сосредоточенной в СЧ и верхнем басу. Из-за широкой характеристики рассеивания этих частот, плотность образа в этой части не зависит от того, какие края у АС – острые или скругленные. Узкий корпус с сильно скругленными краями позволяет снизить отражения от передней панели, но появляются проблемы возникновения внутри ящика стоячих волн. Узкий корпус способствует хорошему воспроизведению СЧ, т.к. чем уже корпус, тем более звучание становится всенаправленным. Если АС с широкой диаграммой направленности (узкий корпус) расположить в звонкой комнате, то тембр её звучания будет сильно искажен. Узкий корпус и небольшие динамики приводят к нехватке телесности и образности. Такие АС надо размещать подальше от отражающих поверхностей. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ВЧ – уменьшаются побочные отражения от близких поверхностей, минимизируя первичные отражения, которые влияют на звуковую картинку.

Широкие передние панели и неглубокие корпуса – залог наиболее правильных характеристик направленности и сбалансированности н/ч диапазона в условиях реального помещения прослушивания.

По Питеру Квортрупу

Если АС имеют узкую направленность (широкий корпус), а акустика комнаты глуховата – вы услышите собственно звучание АС.

Исследования фирмы Bryston по акустическому оформлению и расположению АС

Резонансные характеристики комнаты зависят от ее конфигурации (пропорций) и оформления. Квадратная комната с голыми стенами имела бы самую плохую возможную акустику для аудио системы. В квадратных комнатах возникают стоячие волны сразу в трех направлениях, они ослабляют и изменяют одни частоты и укрепляют другие, усиливая резонансные пики в очень узком диапазоне. Эти пики очень сильно изменяют звук. Голые стены имеют проблемы с ранними отражениями (High Q) – они не дают звуку раскрыться, делая его звонким, сужая динамический диапазон и сильно влияя на тональный баланс. В концертном зале мы имеем три основных эффекта, влияющие на то, какую информацию получит наш мозг относительно акустических качеств этой окружающей среды:

1. Первая звуковая прямая волна, прибывающая к нам от инструментов.
2. Вторая звуковая волна отраженная от ближайших стен.
3. Отраженная энергия, которая является случайными призвуками от всех находящихся внутри предметов и не имеет никакого направления.

Прямой звук сообщает мозгу откуда доносится звук. Ранние отражения, если они доходят до нас в пределах 10-20 мл/секунд, будут искажать звуковую картинку, тональность и т.д. Поздние отражения (ambience), наоборот будут добавлять ощущение просторности, пространственности, воздушности окружающей среды. В хорошем концертном зале прямой звук доходит до слушателя на 20-30 мл/сек. раньше, чем первичные отражения. А вторичные отражения приходят позже на целых 100 мл/сек. Очевидно, что в своей комнате прослушива-ния мы должны стремиться получит подобные результаты.

Надо заметить, что поп и рок музыка обычно записывается в акустически мертвой среде студии в “ближнем поле”, которое имеет тенденцию предотвращать первичные отражения и High Q звонкость. (поэтому наверное студийные мониторы часто звучат в комнатах звонко и резко, т.к. в студиях они прослушиваются в ближнем поле и в очень заглушенной среде, где эта звонкость и резкость не проявляется, но все детали записи слышны отчетливо).

Так вот, если ваша акустика комнаты будет близка к концертному залу, рок музыка будет звучать превосходно. Как же достичь подобных результатов в обычной комнате 12*18*9 футов (почти стандартная российская комната, надо сказать, В.М.)? Вы должны разместить ваши АС так, что бы сначала прямой звук достиг ваших ушей, используя при этом абсорбенты (поглотители) в местах первых отражений от боковых стен. А вот позади вас должно быть больше пространства для создания большего звукового поля. Сядьте в кресло. Попросите кого либо подвигать зеркало вдоль боковой стены. Когда вы увидите отражение АС в зеркале – это первая точка, откуда последуют ранние отражения. Звук отражается как и свет – угол падения…. В этом месте и надо разместить поглотитель. Сядьте на расстоянии 20-30 см. от задней стены. Не помещайте никаких поглощающих материалов позади головы. Там могут быть только рассеивающие звук материалы, распределяя случайную ненаправленую звуковую энергию, которая добавляет ощущение простора в комнате, потому что это случайная энергия (поздние отражения) прибывает намного позже, чем прямой звук. Помещайте в углы комнаты поглощающие материалы.

Другие меры – мягкие кресла, цветы, статуи и т.д. Они также будут рассеивать или поглощать вторичные отражения. Очевидно, что эти предметы не будут так же эффективны, как спец изделия, но это – шаг в правильном направлении. Гланая цель, которую вы должны запомнить: ранние отражения и недостаток поздних случайных отражений мозг использует, чтобы определить тот факт, что вы находитесь в маленьком помещении. Поэтому сокращая эффект ранних отражений, сокращая эффект от воздействия стоячих волн и звонкости, вам будет все больше казаться, что вы находитесь в зале вместе с исполнителями.

Эта информация основана на научном исследовании и наблюдениях, а так же на опыте некоторых наиболее успешных дилеров. Решения, представленные здесь. нацелены на ограничение вмешательства вашей комнаты на звук. Мы поможем разместить ваши АС через примененние психоакустики и физики. Этот метод может давать превосходные результаты через экспериментирование, без использования специальной обработки комнаты. Каким образом мы распологаем звуковые события в пространстве? Наш мозг определяет задержку времени возникновения звука между двумя нашими ушами. Если не имеется никакой задержки, значит звук исходит из точки, расположенной непосредственно перед нами. Если звуковая волна достигает сначала правого уха, значит звук находится справа и т.д. Эта пространственная информация – звуковые переходные процессы – мгновенно определяется мозгом. Определяя задержку между правым и левым ухом, наш мозг с необыкновенной точностью определяет, насколько правее или левее, или насколько ближе или дальше, находится от нас источник звука. Именно по задержке звука между нашими ушами мозг определяет важнейшую звуковую характеристику – тональность. Это недавно было доказано в научных исследованиях. И как полагают, является критической частью нашего исторического выживания. Иначе говоря, мы сначала определяем источник звука – например потенциальная опасность – а затем пробуем иденфицировать то, что явилось источником звука.

Первый шаг к получению хорошей stereo soundstage – вы должны устранить ранние отражения от основных переходных процессов в максимально возможной степени. Или, практически, вы должны добиться, чтобы звук от спикеров достигал ваших ушей раньше, чем любые отражения от этого звука. Согласно psychoacoustic явлению, названному эффектом Haas. мозг отдаст приоритет первой звуковой волне не искаженной отражениями.

Определение наилучшего расположения АС учитывая размеры комнаты

Этот метод фирма Audio Physic назвала картографией комнаты. Принцип этой техники основан на волновом явлении (феномене). Точно измерьте комнату и нарисуйте её план. Разделите комнату на равные части. Два способа – четное и нечетное количество зон. При разделении плана комнаты на четное количество зон. Размещая АС и/или свой стул даже не в точку пересечения, а в одну из разделённых частей – вы получите естественное укрепление баса от взаимодействия с комнатой. В точках пересечения басовые частоты будут усилены. Метод настройки баса и midbass предполагает похожий принцип – уменьшение, а не усиление низких частот. Это происходит в случае разделения комнаты на нечетное количество зон. Чтобы сделать это, Вы перемещаете АС в нечетные части плана комнаты. Важно помнить, что комната может быть разделена на гораздо большее количество частей чем 3 или 4. В четных разделах бас укрепляется, в нечетных – ослабляется. Другой пример (фирма Bryston) – если вы размещаете АС с превосходной характеристикой ответа частоты в углы комнаты, вы получаете подъем частоты на басах около -6 db. Этот подъем явная аномалия, но то же самое происходит в других местах комнаты, только в меньшей степени. Мы произвели исследования и обнаружили, что увеличение или уменьшение происходит в определенных узлах (точках) комнаты. В нечетных узлах возбуждение имеет минимальное значение и наоборот. Например ваша комната имеет размер 14*18 футов (фут = 0,3 м). Возьмите любой размер – длину или ширину – и разделите на нечетное количество частей, скажем 18 делим на 3,5,7.. вы получите значения = 6, 3.6, 2.57 – три возможных положения (позиции) при размещении у длинной стены. Делим 14 на три части – получаем значения = 4.67, 2.8, 2. – возможные местоположения у короткой стены. Теперь разместите АС в точке пятого значения в длину и седьмого в ширину комнаты. Пятое значение длины у нас = 3.6 футам, седьмое значение ширины = 2 футам. АС надо разместить в точке пересечения, там возбуждения низких частот будут минимальны. Помните: надо проверить все варианты для получения оптимальных результатов. Важная деталь – точка пересечения должна проходить не через переднюю или заднюю панель АС, а через магнит вуфера. Если это правило соблюдается, вы ощутите явный результат. Экспериментирование – ключ к успеху. В процессе этого вы обнаружите многие вещи, работающие не так, и сможете минимизировать эти недостатки. Самое важное – стоячие волны и ранние отражения – их надо минимизировать в максимально возможной степени.

В этой статье мы еще глубже окунемся в структуру строения слухового аппарата, и как бы соединим на «физическом» уровне, то о чем я писал в предыдущих трех статьях. Сегодня мы затронем тему «предел громкости» в двух следующих статьях. Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик: частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др. Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссо нансы, маскировка, локализация-стер еоэффект и т.п. Как мы знаем, слуховые ощущения не линейны по восприятию! Обычно, это всегда комплекс физических параметров. К примеру, громкость – это ощущение, возникающее из комбинаций частоты , от уникальности спектра и самой интенсивности звука.

Еще в давние времена было установлено взаимоотношение о не линейном восприятии слуха. Это вылилось в закон Вебера - Фехнера - эмпирический психофизиологич еский закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя.

В 1834 году Э. Вебер провел ряд экспериментов и пришел к выводу: новый раздражитель, чтобы отличаться по ощущениям от предыдущего, должен отличаться от исходного на величину, пропорциональную исходному раздражителю. На основе этих наблюдений Г. Фехнер в 1860 году сформулировал «основной психофизический закон», согласно которому сила ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя . Как пример: люстра, в которой 8 лампочек, кажется нам настолько же ярче люстры из 4 лампочек, насколько люстра из 4 лампочек ярче люстры из 2 лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться в одинаковое число раз, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. И наоборот, если абсолютный прирост яркости (разница в яркости «после» и «до») постоянен, то нам будет казаться, что абсолютный прирост уменьшается по мере роста самого значения яркости. Например, если добавить одну лампочку к люстре из двух лампочек, то кажущийся прирост в яркости будет значительным. Если же добавить одну лампочку к люстре из 12 лампочек, то мы практически не заметим прироста яркости.

Из этого примера (хотя он полностью не описывает структуру «громко-восприяти я») мы видим прямое и явное перевоплощение «частотных групп» (критические полосы) слухового аппарата. Их заполняемость, подобно «лампочкам», приводит к субъективному увеличению чувства громкости. Степень «заполняемости» называется «интенсивностью» звука.

Но прежде чем мы будем более подробно говорить не только о громко-восприятии, но и о такой возможности слухового аппарата, как установление высоты тона, нужно более подробно окунуться в строение «уха» и наглядно понять работу всех этих «фишек». Об этом я поведаю в следующей статье.

Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи. На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность верхних частот.

Частотные характеристики слуховых ощущений

Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий (звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150.

Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.

Субъективные характеристики звука

Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6 Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты, имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости. За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают. На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает, что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости, при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха). Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости. Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.). При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала, следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник, средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот. Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие звуки обычно являются и более резкими.

Музыкальные источники звука

Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов, характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр, ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).

Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику, связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота. Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых, ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания. Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими - обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200, валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900, кларнета 250-600.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4, трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника 0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо", к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен 90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение. Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях, имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".

Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).

Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать достаточно большого уровня (до 110 дБ).

Эффект маскировки

Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной, указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например, если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки. На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы, а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например, при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки 60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.

Временные характеристики слухового восприятия

Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток, выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.

Пространственное представление о звуке

Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.

До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде. Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется, что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе, достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков, проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся (виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м, расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится" на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства, находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы, называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона, располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала, субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных источников или, что то же, о размерах помещения.

Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.

Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол, под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность, т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.

О роли акустики помещения

Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.

Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны, создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты, как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.

Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).

Акустические принципы часто не совсем правильно трактуются и, как следствие, некорректно применяются на практике.

Многое из того, что следовало бы отнести к знаниям и опыту в этой области, на самом деле часто оказывается некомпетентностью. Традиционный подход большинства строителей к решению проблем звукоизоляции и коррекции акустики помещений основан на практике и опыте, которые часто ограничивают или даже уменьшают суммарный акустический эффект. Успешные акустические проекты, как правило, лишены заблуждений и псевдонаучных заключений и их содержание направлено на обеспечение того, чтобы вложенные деньги и усилия принесли пользу и предсказуемые результаты.

Ниже перечислены некоторые наиболее распространенные акустические мифы, с которыми мы постоянно сталкиваемся во время общения с нашими клиентами.

Миф № 1: Звукоизоляция и звукопоглощение это одно и то же

Факты: Звукопоглощение - снижение энергии отраженной звуковой волны при взаимодействии с преградой, например со стеной, перегородкой, полом, потолком. Осуществляется путем рассеивания энергии, ее перехода в тепло, возбуждения вибраций. Звукопоглощение оценивают с помощью безразмерного коэффициента звукопоглощения αw в диапазоне частот 125-4000 Гц. Этот коэффициент может принимать значение от 0 до 1 (чем ближе к 1, тем соответственно выше звукопоглощение). С помощью звукопоглощающих материалов улучшают условия слышимости внутри самого помещения.

Звукоизоляция - снижение уровня звука при прохождении звука через ограждение из одного помещения в другое. Эффективность звукоизоляции оценивают индексом изоляции воздушного шума Rw (усредненным в диапазоне наиболее характерных для жилья частот - от 100 до 3000 Гц), а межэтажных перекрытий ещё и индексом приведенного уровня ударного шума под перекрытием Lnw. Чем больше Rw и меньше Lnw, тем выше звукоизоляция. Обе величины измеряются в дБ (децибел).

Совет: Для увеличения звукоизоляции рекомендуется применять наиболее массивные и толстые ограждающие конструкции. Отделка помещения одними только звукопоглощающими материалами малоэффективна и не приводит к значительному увеличению звукоизоляции между помещениями.

Миф № 2: Чем больше значение индекса изоляции воздушного шума Rw, тем выше звукоизоляция ограждения

Факты: Индекс звукоизоляции воздушного шума Rw это интегральная характеристика, применяемая только для диапазона частот 100-3000 Гц и расчитанная на оценку шумов бытового происхождения (разговорная речь, радио, телевизор). Чем больше значение Rw, тем выше изоляция для звуков именно этого типа .
В процессе разработки методики расчета индекса Rw не было учтено появление в современных жилых домах домашних кинотеатров и шумного инженерного оборудования (вентиляторы, кондиционеры, насосы и т.п.).
Возможна ситуация, когда легкая каркасная перегородка из ГКЛ имеет индекс Rw выше, чем у кирпичной стены аналогичной толщины. В этом случае каркасная перегородка значительно лучше изолирует звуки голоса, работающего телевизора, звонок телефона или будильника, но звук сабвуфера домашнего кинотеатра кирпичная стена снизит более эффективно.

Совет: Перед возведением перегородок в помещении проанализируйте частотные характеристики существующих или потенциальных источников шума. При выборе вариантов конструкций перегородок рекомендуем сравнивать их звукоизоляцию в треть-октавных полосах частот, а не индексы Rw. Для звукоизоляции низкочастотных источников шума (домашний кинотеатр, механическое оборудование) рекомендуется применять ограждающие конструкции из плотных массивных материалов.

Миф № 3: Шумное инженерное оборудование может быть расположено в любой части здания, потому что его всегда можно звукоизолировать специальными материалами

Факты: Правильное расположение шумного инженерного оборудования является задачей первостепенной важности при разработке архитектурно-планировочного решения здания и мероприятий по созданию акустически комфортной среды. Звукоизолирующие конструкции и виброизоляционные материалы могут иметь очень высокую стоимость. Несмотря на это, применение звукоизоляционных технологий не всегда может снизить акустическое воздействие инженерного оборудования до нормативных значений во всем звуковом диапазоне частот.

Совет: Шумное инженерное оборудование необходимо располагать в удалении от защищаемых помещений. Многие виброизоляционные материалы и технологии имеют ограничения по эффективности в зависимости от сочетания массогабаритных характеристик оборудования и строительных конструкций. Многие типы инженерного оборудования обладают ярко выраженными низкочастотными характеристиками, которые достаточно трудно изолировать.

Миф № 4: Окна с двухкамерным стеклопакетом (3 стекла) имеют более высокие звукоизоляционные характеристики по сравнению с окнами с однокамерным стеклопакетом (2 стекла)

Факты: Из-за акустической связи между стеклами и возникновения резонансных явлений в тонких воздушных промежутках (обычно они составляют 8-10 мм) двухкамерные стеклопакеты, как правило, не обеспечивают значительной звукоизоляции от внешнего шума по сравнению с однокамерными стеклопакетами аналогичной ширины и суммарной толщиной стекол. При одинаковой толщине стеклопакетов и суммарной толщине стекол в них однокамерный стеклопакет всегда будет обладать более высоким значением индекса изоляции воздушного шума Rw по сравнению с двухкамерным.

Совет: Для увеличения звукоизоляции окна рекомендуется применять стеклопакеты максимально возможной ширины (не менее 36 мм), состоящие из двух массивных стекол, желательно разной толщины (например, 6 и 8 мм) и максимально широкой дистанционной планки. Если применяется все же стеклопакет двухкамерный, то рекомендуется применять и стекла разной толщины и воздушные промежутки разной ширины. Профильная система должна обеспечивать трехконтурное уплотнение створки по периметру окна. В реальных условиях качество притвора влияет на звукоизоляцию окна даже больше, чем формула стеклопакета. Необходимо учесть, что звукоизоляция это частотно-зависимая характеристика. Иногда стеклопакет с большим значением индекса Rw может быть менее эффективным по сравнению с стеклопакетом с меньшим значением индекса Rw в некоторых частотных диапазонах.

Миф № 5: Применение в каркасных перегородках матов из минеральной ваты достаточно для обеспечения высокой звукоизоляции между помещениями

Факты: Минеральная вата не является звукоизолирующим материалом, она может быть только лишь одним из элементов звукоизоляционной конструкции. Например, специальные звукопоглощающие плиты из акустической минеральной ваты могут увеличить звукоизоляцию гипсокартонных перегородок, в зависимости от их конструкции, на величину 5-8 дБ. С другой стороны, облицовка однослойной каркасной перегородки вторым слоем гипсокартона может увеличить её звукоизоляцию на 5-6 дБ.
Тем не менее, необходимо помнить, что применение в звукоизоляционных конструкциях произвольных утеплителей приводит к гораздо меньшему меньшему эффекту или вовсе не оказывает на звукоизоляцию никакого эффекта.

Совет: Для увеличения звукоизоляции ограждающих конструкций настоятельно рекомендуется применять специальные плиты из акустической минеральной ваты из-за её высоких показателей звукопоглощения. Но акустическую минеральную вату необходимо применять в сочетании со звукоизоляционными методами, такими как устройство массивных и/или акустически развязанных ограждающих конструкций, использование специальных звукоизолирующих креплений и т.п.

Миф № 6: Звукоизоляцию между двумя помещениями можно всегда увеличить возведением перегородки с высоким значением индекса звукоизоляции

Факты: Звук распространяется из одного помещения в другое не только через разделяющую перегородку, но и по всем примыкающим строительным конструкциям и инженерным коммуникациям (перегородки, потолок, пол, окна, двери, воздуховоды, трубопроводы водоснабжения, отопления и канализации). Это явление назвается косвенной передачей звука. Все строительные элементы требуют мероприятий по звукоизоляции. Например, если построить перегородку с индексом звукоизоляции Rw=60 дБ, а затем смонтировать в ней дверь без порога, то суммарная звукоизоляции ограждения практически будет определяться звукоизоляцией двери и составлять не более Rw=20-25 дб. Тоже самое произойдет, если соединить оба изолируемых помещения общим вентиляционным каналом, проложенным через звукоизоляционную перегородку.

Совет: При возведении строительных конструкций необходимо обеспечивать "баланс" между их звукоизоляционными свойствами таким образом, чтобы каждый из каналов распространения звука имел приблизительно одинаковое влияние на суммарную звукоизоляцию. Особое внимание следует уделить системе вентиляции, окнам и дверям.

Миф № 7: Многослойные каркасные перегородки имеют более высокие звукоизоляционные характеристики по сравнению с обычными, 2-слойными

Факты: Интуитивно кажется, что чем больше чередующихся слоев гипсокартона и минеральной ваты, тем выше звукоизоляция ограждения. На самом деле звукоизоляция каркасных перегородок зависит не только от массы облицовки и от толщины воздушного промежутка между ними.

Различные конструкции каркасных перегородок изображены на рис.1 и расположены в порядке возрастания звукоизолирующей способности. В качестве исходной конструкции рассмотрим перегородку с двойной облицовкой ГКЛ с обеих сторон.

Если в исходной перегородке перераспределить слои гипсокартона, сделав их чередующимися, мы разделим существующий воздушный промежуток на несколько более тонких сегментов. Уменьшение воздушных промежутков приводит к росту резонансной частоты конструкции, что существенно снижает звукоизоляцию, особенно на низких частотах.
При одинаковом количестве листов ГКЛ наибольшей звукоизоляцией обладает перегородка с одним воздушным промежутком.

Таким образом, применение правильного технического решения при конструировании звукоизоляционных перегородок и оптимальное сочетание звукопоглощающих и общестроительных материалов имеет гораздо большее влияние на конечный звукоизоляционный результат, чем простой выбор специальных акустических материалов.

Совет: Для увеличения звукоизоляции каркасных перегородок рекомендуется применять конструкции на независимых каркасах, двойные или даже тройные облицовки из ГКЛ, заполнять внутреннее пространство каркасов специальным звукопоглощающим материалом, применять упругие прокладки между направляющими профилями и строительными конструкциями, тщательно герметизировать стыки.
Применять многослойные конструкции с чередованием плотных и упругих слоев не рекомендуется.

Миф № 8: Пенопласт является эффективным звукоизолирующим и звукопоглощающим материалом

Факт А: Пенопласт выпускается в листах различной толщины и объемной плотности. Разные производители по-разному называют свою продукцию, но суть от этого не меняется - это пенополистирол. Это прекрасный теплоизолирующий материал, но к звукоизоляции воздушного шума он не имеет никакого отношения. Единственная конструкция, в которой применение пенопласта может положительно повлиять на снижение шума, это его укладка под стяжку в конструкции плавающего пола. Да и то это касается снижения только ударного шума. При этом, эффективность слоя пенопласта толщиной 40-50 мм под стяжкой не превышает эффективности большинства прокладочных звукоизоляционных материалов толщиной всего 3-5 мм. Подавляющее число строителей рекомендует для увеличения звукоизоляции наклеивать листы пенопласта на стены или потолки и затем штукатурить. На самом деле, такая «звукоизоляционная конструкция» не увеличит, а в большинстве случаев даже уменьшит(!!!) звукоизоляцию ограждения. Дело в том, что облицовка массивной стены или перекрытия слоем гипсокартона или штукатурки с использованием акустически жесткого материала, каким является пенополистирол, приводит к ухудшению звукоизоляции такой двухслойной конструкции. Это связано с резонансными явлениями в области средних частот. Например, если такую облицовку смонтировать с двух сторон тяжелой стены (рис. 3), то снижение звукоизоляции может быть катастрофическим! В данном случае получается простая колебательная система (рис.2) “масса m1-пружина-масса m2-пружина-масса m1”, где: масса m1 - слой штукатурки, масса m2 - бетонная стена, пружина - слой пенопласта.

Рис. 2 ÷ 4 Ухудшение изоляции воздушного шума стеной при монтаже дополнительной облицовки (штукатурка) на упругом слое (пенопласт).

а - без дополнительной облицовки (R’w=53 дБ);

б - с дополнительной облицовкой (R’w=42 дБ).

Как и любая колебательная система, данная конструкция имеет резонансную частоту Fo. В зависимости от толщины пенопласта и штукатурки, резонансная частота данной конструкции будет находиться в диапазоне частот 200÷500 Гц, т.е. попадет в середину речевого диапазона. Вблизи резонансной частоты и будет наблюдаться провал звукоизоляции (рис.4), который может достигать величины 10-15 дБ!

Необходимо отметить, что к такому же плачевному результату может привести применение в подобной конструкции вместо пенопласта таких материалов, как пенополиэтилен, пенополипропилен, некоторых типов жестких полиуретанов, листовой пробки и мягкого ДВП, а вместо штукатурки гипсокартонных плит на клею, листов фанеры, ДСП, ОСБ.

Факт Б: Для того, чтобы материал хорошо поглощал звуковую энергию необходимо, чтобы он был пористым или волокнистым, т.е. продуваемым. Пенополистирол это непродуваемый материал с закрытой ячеистой структурой (с пузырьками воздуха внутри). Слой пенопласта, смонтированного на жесткой поверхности стены или перекрытия, обладает исчезающе малым коэффициентом звукопоглощения.

Совет: При устройстве дополнительных звукоизоляционных облицовок в качестве демпфирующего слоя рекомендуется применять акустически мягкие звукопоглощающие материалы, например, на основе тонкого базальтового волокна. Важно использовать специальные звукопоглощающие материалы, а не произвольные утеплители.

И наконец, наверное, самое главное заблуждение, разоблачение которого вытекает из всех, приведенных выше, фактов:

Миф № 9: Звукоизолировать помещение от воздушного шума можно, наклеив или закрепив на поверхности стен и потолка тонкие, но "эффективные" звукоизолирующие материалы

Факты: Основным фактором, разоблачающим этот миф, является наличие самой проблемы звукоизоляции. Если бы в природе существовали такие тонкие звукоизолирующие материалы, то проблема защиты от шума решалась бы еще на стадии проектирования зданий и сооружений и сводилась бы только к выбору внешнего вида и цены подобных материалов.

Выше говорилось о том, что для изоляции воздушного шума необходимо применение звукоизолирующих конструкций типа "масса-упругость-масса", в которых между звукоотражающими слоями располагался бы слой акустически "мягкого" материала, достаточно толстого и имеющего высокие значения коэффициента звукопоглощения. Выполнить все эти требования в пределах общей толщины конструкции 10-20 мм невозможно. Минимальная толщина звукоизоляционной облицовки, эффект от которой был бы очевидным и ощутимым, составляет не менее 50 мм. На практике применяют облицовки толщиной 75 мм и более. Звукоизоляция тем выше, чем больше глубина каркаса.

Иногда "специалисты" приводят в пример технологии шумоизоляции кузовов автомобилей тонкими материалы. В этом случае работает совсем другой механизм шумоизоляции - вибродемпфирующий, эффективный только для тонких пластин (в случае с автомобилем - металлических). Вибродемпфирующий материал должен быть вязкоэластичным, обладать высокими внутренними потерями и иметь толщину больше, чем у изолируемой пластины. Ведь на самом деле, хотя автомобильная шумоизоляция имеет толщину всего 5-10 мм, это в 5-10 раз толще самого металла, из которого сделан кузов автомобиль. Если в качестве изолируемой пластины представить межквартирную стену, то становится очевидным, что "автомобильным" методом вибродемпфирования звукоизолировать массивную и толстую кирпичную стену не удастся.

Совет: Выполнение звукоизоляционных работ в любом случае требует определенных потерь полезной площади и высоты помещения. Рекомендуется еще на этапе проектирования обратиться к специалисту-акустику, чтобы свести к минимуму эти потери и выбрать самый дешевый и наиболее эффективный вариант звукоизоляции вашего помещения.

Заключение

В практике строительной акустики гораздо больше заблуждений, чем описано выше. Приведенные примеры помогут Вам избежать некоторых серьезных ошибок во время производства строительных или ремонтных работ в вашей квартире, доме, студии звукозаписи или домашнем кинотеатре. Эти примеры служат иллюстрацией того, что не стоит безоговорочно верить статьям по ремонту из глянцевых журналов или словам "опытного" строителя - "…А мы всегда так делаем…", которые не всегда основываются на научных акустических принципах.

Надежной гарантией правильного выполнения комплекса звукоизоляционных мероприятий, обеспечивающих максимальный акустический эффект могут служить грамотно составленные инженером-акустиком рекомендации по звукоизоляции стен, пола и потолка.

Андрей Смирнов, 2008

Список литературы

СНиП II-12-77 «Защита от шума»/ М.: «Стройиздат», 1978.
«Пособие к МГСН 2.04-97. Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий»/- М.: ГУП «НИАЦ», 1998.
«Справочник по защите от шума и вибраций жилых и общественных зданий» / под ред. В.И. Заборова. - Киев: изд. «Будівельник», 1989.
«Справочник проектировщика. Защита от шума» / под ред. Юдина Е.Я.- М.: «Стройиздат», 1974.
«Руководство по расчету и проектированию звукоизоляции ограждающих конструкций зданий» / НИИСФ Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1983.
«Снижение шума в зданиях и жилых районах»/ под ред. Г.Л. Осипова/ М.: Стройиздат, 1987.

В повседневной жизни мы описываем звук, указывая, среди прочего, его громкость и высоту. Но с точки зрения физики звуковая волна - это периодическое колебание молекул среды, распространяющееся в пространстве. Как и всякая волна, звук характеризуется своей амплитудой, частотой, длиной волны и т. д. Амплитуда показывает, насколько сильно колеблющаяся среда отклоняется от своего «спокойного» состояния; именно она отвечает за громкость звука. Частота говорит о том, сколько раз в секунду происходит колебание, и чем больше частота, тем более высокий звук мы слышим.

Типичные значения громкости и частоты звука, которые встречаются, например, в технических нормативах и характеристиках аудиоустройств, адаптированы к человеческому уху, они находятся в комфортном для человека диапазоне громкости и частоты. Так, звук громкостью выше 130 дБ (децибел) вызывает болевые ощущения, а звуковую волну с частотой 30 кГц человек вообще не услышит. Однако кроме этих «человеческих» ограничений существуют и чисто физические пределы громкости и частоты звуковой волны.

Задача

Оцените максимальную громкость и максимальную частоту звуковой волны, которая может распространяться в воздухе и в воде при обычных условиях. Опишите в общих словах, что будет происходить, если попытаться излучить звук выше этих пределов.

Подсказка

Напомним, что громкость, измеряемая в децибелах, - это логарифмическая шкала, которая показывает, во сколько раз давление в звуковой волне (P) сильнее некоторого фиксированного порогового давления P 0 . Формула пересчета давления в громкости такова: громкость в децибелах = 20 lg(P/P 0), где lg - это десятичный логарифм. В качестве порогового давления в акустике принято брать P 0 = 20 мкПа (в воде принято другое пороговое значение: P 0 = 1 мкПа). Например, звук с давлением P = 0,2 Па превышает P 0 в десять тысяч раз, что соответствует громкости 20·lg(10000) = 80 дБ. Таким образом, предел громкости возникает из максимально возможного давления, которое может создавать звуковая волна.

Для решения задачи надо попытаться представить себе звуковую волну с очень большим давлением или очень большой частотой и постараться понять, какие физические ограничения при этом возникают.

Решение

Найдем вначале предел громкости . В спокойном воздухе (без звука) молекулы летают хаотично, но в среднем плотность воздуха остается постоянной. При распространении звука молекулы кроме быстрого хаотического движения испытывают еще и плавное смещение вперед-назад с некоторым периодом. Из-за этого возникают чередующиеся области сгущения и разряжения воздуха, то есть области повышенного и пониженного давления. Именно это отклонение давления от нормы и есть акустическое давление (давление в звуковой волне).

В области разряжения давление опускается до P атм – P. Ясно, что в газе оно должно оставаться положительным: нулевое давление означает, что в этой области в данный момент времени частиц нет совсем, и меньше этого быть уже не может. Поэтому максимальное акустическое давление P, которое звуковая волна может создавать, оставаясь при этом звуком, как раз равно атмосферному. P = P атм = 100 кПа. Ему отвечает теоретический предел громкости равный 20·lg(5·10 9), что дает примерно 195 дБ .

Ситуация слегка меняется, если речь идет про распространение звука не в газе, а в жидкости. Там давление может стать отрицательным - это просто означает, что сплошную среду пытаются растянуть, разорвать, но она за счет межмолекулярных сил выдерживает такое растяжение. Однако по порядку величины это отрицательное давление невелико, порядка одной атмосферы. С учетом другого значения для P 0 это дает теоретический предел громкости в воде около 225 дБ .

Получим теперь ограничение на частоту звука . (На самом деле, это лишь одно из возможных ограничений на частоту; о других мы упомянем в послесловии.)

Одно из ключевых свойств звука (в отличие от многих других, более сложных волн) состоит в том, что его скорость практически не зависит от частоты. Но скорость волны связывает частоту ν (то есть временну ю периодичность) с длиной волны λ (пространственной периодичностью): c = ν·λ. Поэтому чем выше частота, тем меньше длина звуковой волны.

Частоту волны ограничивает дискретность вещества. Длина звуковой волны не может быть меньше типичного расстояния между молекулами: ведь звуковая волна есть сгущение-разряжение частиц и не может существовать без них. Более того, длина волны должна составлять как минимум два-три таких расстояния: ведь она должна включать как области сгущения, так и область разряжения. Для воздуха в нормальных условиях среднее расстояние между молекулами составляет примерно 100 нм, скорость звука равна 300 м/с, поэтому максимальная частота составляет порядка 2 ГГц . В воде масштаб дискретности меньше, примерно 0,3 нм, а скорость звука составляет 1500 м/с. Это дает ограничение на частоту примерно в тысячу раз выше, порядка нескольких терагерц .

Обсудим теперь, что произойдет, если мы попытаемся излучить звук, превышающий найденные ограничения. В качестве излучателя звуковой волны подойдет погруженная в среду твердая пластина, которую мотор двигает взад-вперед. Технически осуществим излучатель с такой большой амплитудой, который в максимуме создает давление намного выше атмосферного - для этого достаточно двигать пластину быстро и с большой амплитудой. Однако тогда в фазе разряжения (когда пластина отходит назад) будет просто вакуум. Таким образом, вместо очень громкого звука такая пластина будет «нареза ть воздух» на тонкие и плотные слои и выбрасывать их вперед. Распространяться сквозь среду они не смогут - столкнувшись с неподвижным воздухом, они резко его нагреют, породят ударные волны, а сами разрушатся.

Можно представить себе и другую ситуацию, когда акустический излучатель колеблется с частотой, превышающей найденный предел частоты звука. Такой излучатель будет толкать молекулы среды, но так часто, что не даст им шанса сложиться в синхронное колебание. В результате пластина будет просто хаотично передавать энергию подлетающим молекулам, то есть будет попросту нагревать среду.

Послесловие

Наше рассмотрение было, конечно, очень простым и не принимало во внимание множество процессов, происходящих в веществе и также ограничивающих распространение звука. Например, вязкость приводит к затуханию звуковой волны, причем скорость этого затухания быстро увеличивается с частотой. Чем больше частота, тем быстрее газ движется вперед-назад, а значит, тем быстрее энергия превращается в тепло за счет вязкости. Поэтому в слишком вязкой среде высокочастотный ультразвук просто не успеет пролететь какое-либо макроскопическое расстояние.

В затухании звука играет роль и другой эффект. Из термодинамики следует, что при быстром сжатии газ нагревается, а при быстром расширении - охлаждается. Это происходит в том числе и в звуковой волне. Но если у газа большая теплопроводность, то при каждом колебании тепло будет перетекать из горячей зоны в холодную, ослабляя таким образом тепловой контраст, а в конечном счете - и амплитуду звуковой волны.

Стоит еще подчеркнуть, что все найденные ограничения относятся к жидкостям и газам при нормальных условиях; они изменятся при существенном изменении условий. Например, максимальная теоретическая громкость, очевидно, зависит от давления. Поэтому в атмосфере планет-гигантов, где давление существенно выше атмосферного, возможен и еще более громкий звук; и наоборот, в очень разреженной атмосфере все звуки неизбежно тихие.

Наконец, упомянем еще одно интересное свойство ультразвука очень большой частоты при его распространении в воде. Оказывается, когда частота звука существенно превышает 10 ГГц, его скорость в воде возрастает примерно вдвое и примерно сравнивается со скоростью звука во льду. Это означает, что некие быстрые процессы взаимодействия молекул воды начинают играть существенную роль при колебании с периодом меньше 100 пикосекунд. Условно говоря, вода приобретает некую дополнительную упругость на таких временных интервалах, что и ускоряет распространение звуковых волн. Микроскопические причины этого так называемого «быстрого звука», впрочем, были поняты