Все материалы одновременно и отражают, и поглощают звук. Даже «идеальные отражатели», как-то мрамор, бетон, кирпич поглощают 1-3%. Способность материалов к поглощению выражается через αк - коэффициент поглощения, бесконечная величина, равная отношению энергии, поглощенной поверхностью, к падающей на нее. Поглощающую способность оценивают эквивалентной площадью 100-процентного звукопоглощения, которая для используемого в качестве покрытия материала численно равна коэффициенту α_к, умноженному на площадь покрытия.

Под единицей звукопоглощения (или, как еще ее называют, «единицей открытого окна») понимается поглощающая способность 1 м² условного идеального материала, имеющего α = 1 (β = 0), то есть полностью поглощающего падающую на его поверхность звуковую энергию. У этой единицы есть и более официальное название - единица Сэбина (себ). Кто такой Уильям Сэбин, вы узнаете чуть позже. Выбор звукопоглощающего материала, вернее звукопоглощающих материалов - дело довольно сложное, поскольку коэффициент поглощения у различных материалов разный. К тому же зависит и от такого показателя как частота излучения.

Итак, для звукопоглощения существуют: пористые материалы (резистивное поглощение); резонансные панели (диафрагменное или мембранное поглощение) и полые резонансные панели.

Пористые материалы - это минеральная и хлопчатобумажная вата различной плотности, войлок, ковры, плотные шторы, акустическая штукатурка и т.д. Теория поглощения пористыми материалами построена на предположении, что внутри этих материалов существуют силы «вязкости», которые задерживают протекание воздуха через поры. За счет этого волокна, так называемый твердый скелет, забирают часть энергии колеблющихся частиц воздуха, превращая ее в тепло. Ткани, не продуваемые воздухом (например, качественная хлопковая простыня) – бесполезны, собственно как и ткани, которые прозрачны. Жесткая пластина из стекловолокна является поглотителем до тех пор, пока ее поверхность не покрыта каким-нибудь рисунком или непригодной для акустических целей тканью. Поглощающие свойства пористых материалов зависят от многих факторов: от вязкости и плотности воздуха, радиуса и количества пор на единицу поверхности. Чем меньше радиус пор и чем их больше, тем лучше поглощаются высокие частоты. Если материал используется как покрытие стены, то поглощающие свойства зависят от толщины слоя, вернее сказать, от расстояния между ним и стеной. Поскольку непосредственно у стены колебательная скорость частиц воздуха равна нулю, значит, в этом месте КПД любого пористого поглотителя будет равна нулю.

Коэффициент поглощения реального пористого материала еще никому не удалось рассчитать, да это и не требуется, поскольку он определен экспериментальным путем.

Резонансные панели. Диафрагменное или мембранное поглощение. Поглотители такого рода - это «упругий лист с внутренним затуханием». Изготавливаются такие панели из фанеры, цельного дерева, гипсокартона. Простейшие представители мембранного поглощения окружают нас каждый день. Это стены, потолок и пол. Чтобы в этом убедиться, достаточно включить «басовитую» музыку, приложить руку к стене и почувствовать вибрацию. Правда, это возможно только если вы живете не в бетонном бункере.

Под действием звуковой волны возникают изгибные колебания, часть которых отражается, а часть из-за внутреннего трения превращается в тепло, т.е. акустическая энергия превращается в механическую. Например, гипсокартонные панели, которые сейчас широко применяются при строительстве, а также ремонте и перепланировке квартир, являются великолепными поглотителями низких частот. Самыми гнусными стенами являются, как я уже говорил, бетонные. И возведение фальшстен просто «жизненно» необходимо. Если промежуток между стеной и фальшстеной заполнить пористым поглотителем, то потери энергии возникнут и там. Объем воздуха между стеной и листом определяет изгибную упругость листа, которая вместе с его массой образует механический резонанс. Поскольку масса листа довольна высокая, а упругость, наоборот, низкая, панель резонирует, а значит, поглощает частоты ниже, чем пористые панели.

Формула для расчета резонанса существует, но, скажем так, для практического применения она не точна. За то, что без расчетов можно обойтись, говорит тот факт, что старые залы, отделанные деревянными панелями и с прекрасной акустикой, возводились в те времена, когда расчеты по акустике помещений проводить еще неумели. Кстати! Чуть не забыл! Новомодные окна ПВХ являются неплохими резонансными панелями. Это я испытал, так сказать, на личном опыте. Басы стали более организованы.

Ну и, наконец, полые резонансные панели. Такие панели представляют собой гипсокартонный щит с перфорацией. Их устанавливают на расстоянии от стен и заполняют пористым поглотителем. «Механизм» этого поглотителя можно представить как разделенный перегородками объем за панелью на равные по объему ячейки. При этом каждое отверстие сообщается со своей ячейкой. Вспомните хотя бы глиняные кувшины, которые вмуровывали в стены и купола церквей, горлышком наружу. Каждая такая «ячейка» представляет собой резонатор Гельмгольца. Чем хорош такой резонатор, так тем, что он поглощает звуковую энергию на частотах, близких к частотам резонанса. Причем площадь 100% поглощения намного больше, чем реальная площадь отверстия. Такие резонаторы используют в студиях звукозаписи, для коррекции помещения в диапазоне средних и низких частот.

Теперь поговорим о резонансах. У каждого помещения имеются акустические резонансы и, выражаясь языком научным, моды.

Когда две поверхности параллельны, то звуковая волна отражается от одной поверхности и устремляется к параллельной, затем в обратном направлении, и так множество раз, пока ее энергия не иссякнет. К тому же если расстояние от акустической системы к первой поверхности, потом ко второй поверхности, а затем опять к АС является кратным длине волны, то обратная волна будет такая же по фазе, как и исходящая волна. Ну а поскольку эти волны находятся в фазе, то и энергия звуковой волны на этой частоте увеличивается. Вот это явление и называется резонансом.

Любопытная деталь: на частоте акустического резонанса звуковая волна как бы останавливается, и вот она-то и получила название стоячей волны (конечно, они стоят не в буквальном смысле слова, просто в определенных областях пространства между отражающими поверхностями волны суммируются и образуют неподвижные пучности, а в других вычитаются, преобразуясь в неподвижные узлы). Зубцов в такой гребенке великое множество, при этом они увеличиваются количественно в сторону высоких частот до бесконечности. Но это не должно нас пугать, поскольку для расчетов важна частота самого нижнего зубца.

Мы рассматривали, скажем так, виртуальное помещение с двумя отражающими поверхностями, короче говоря - трубу. Прямоугольное помещение ведет себя точно так же. Различие в том, что в первом случае мы имеем одно направление распространения звуковой волны (аксиальное). Но поскольку мы имеем не два, а шесть отражающих поверхностей, то широкополосный сигнал будет распространяться хаотично. Английский физик Релей ещё в 19 веке показал, что всякое замкнутое пространство, представляя собой объёмный резонатор, обладает бесконечным рядом собственных резонансных колебаний, или "модусов". Нелегко представить количество комбинаций направления волн, порождающих резонансы, в обычной комнате. Звук будет распространяться по всевозможнейшим направлениям, но усиливаться будут те частоты и на тех направлениях, которые соответствуют резонансным частотам. Я имею в виду те направления, в которых звуки, отраженные от стен, возвращаются к первой стене под таким углом, при котором процесс отражения повторяется вновь и вновь. В результате мы получаем звуковое поле, которое представляет собой сумму резонансов. Эти резонансные направления называются естественными модами помещения, а резонансные частоты – айгентонами (естественные частоты помещения).

Существуют три основные категории резонансных мод, которые склонны к нарастанию и самоусилению. Первая категория – осевые, или аксиальные моды. Они подразделяются на три класса: продольные, поперечные, вертикальные. Волны этих классов отражаются только от двух противоположных стен или от пола и потолка. Они самые интенсивные, но вычисляются легко. Вычисление аксиальных мод дело нехитрое, и я приведу его ниже.

Вторая категория – касательные, или тангенциальные моды. Распространяются, касаясь четы-рех стен последовательно. У этой категории тоже три класса. Первый класс распространяется между четырьмя боковыми стенами, два других - между противоположными боковыми стенами, полом и потолком и остаются параллельными двум остальным плоскостям.

И третья, самая «хитрая» категория - так называемые косые, или наклонные моды. Эти моды ухитряются отметиться у всех шести поверхностей комнаты и не распространяются параллельно ни одной из них.

Для того, что бы иметь хоть какое-то представление о сонме резонансов, рыщущих по обычной комнате, приведу классические примеры. Например, для комнаты объемом в 100м3 с размерами 6,6х4,5х3,3 м в диапазоне частот от 1000 до 1200 Гц мы получим 16 осевых, 750 касательных и 6550 косых. А на частоте ниже 200 Гц - всего 16 осевых, 64 касательных и 64 косых.

Итак, в прямоугольных комнатах с ровными и отражающими поверхностями (стенами, полом и потолком) эти резонансы легко могут быть вычислены по следующей хорошо известной формуле:

где f – частота N-ной моды; n, m, p – целые числа от 0 до, скажем, 4, выбираемые независимо; x, y, z – размеры помещения в метрах (длина, ширина, высота); с – скорость звука в воздухе при комнатной температуре (~340м/с).

Чтобы вычислить все моды, придется перебрать все комбинации из трех целых чисел n, m и p. На самом деле достаточно вычислить только низкочастотные моды. То есть ограничиться 4.

Каждая мода описывается сочетанием целых чисел n, m, p. Например, (1,0,0) мода первого по-рядка, аксиальная, описывает вдоль стороны «х» (в данном случае длину). (0,2,0), как вы уже поняли, описывает моду второго порядка вдоль стороны «y», ну и так далее.

Существует упрощенная формула для вычисления аксиальной моды, т.е. для случаев, когда два из трех целых чисел равны 0:

где с – скорость звука в воздухе при комнатной температуре (~340м/с); L- длина комнаты.

Тангенциальные моды, как я уже говорил, возникают вследствие отражения звука от четырех поверхностей и носящегося по комнате параллельно двум оставшимся. Подсчитываются они путем приравнивания к 0 только одного из целых чисел. Например (1, 1, 0) описывает моду первого порядка в плоскости «x-y». Еще раз повторюсь, эти стоячие волны порождаются четырьмя стенами и возникают параллельно потолку и полу. Наклонные, или косые моды «работают» со всеми поверхностями. Таких мод очень много по своему количеству, но при каждом отражении они теряют свою энергию. И поэтому они наименее интенсивные. По этой упрощенной формуле можно вычислять и прочие моды. Полученные герцы умножаем на 2х, 3х, 4х и т.д.

Вся сложность в том, что данные свойства мод распространяются только на помещения без звукопоглотителей, пустые и прямоугольные. Как только в комнате появляются какие-либо предметы и люди, равномерность резонансов, естественно, утрачивается. Есть еще формула, которая исчисляет по объему помещения, но она довольно громоздкая.

Эти формулы показывают зависимость между качеством воспроизведения НЧ и размерами помещения. Если же комната не прямоугольная, а квадратная, и в стенах есть большие проемы, то предварительные расчеты тщетны. Поэтому если у вас квадратная комната, то ничего не остается, как применить метод научного тыка, а именно перетаскивать с места на место акустику и заодно слушателя «в поисках прекрасного звука». Добиться же приемлемого распределения резонансов можно и радикальными способами, сделав из прямоугольной комнаты трапециевидную. А можно применить рассеивающие звук поверхности.

Теперь коротенечко о реверберационной акустике. Реверберационная акустика решает задачи оценки статистических параметров помещения. То есть время стандартной реверберации. До начала 20 в. главное внимание в акустике помещений уделяли анализу путей распространения потоков звуковой энергии в помещении - прямого и отраженного от преград, т.е. рассмотрению геометрической картины. Реверберационная же акустика берёт за основу предположение, что многократные отражения образуют реверберационное поле, которое равномерно распределено по всему объему помещения. Другими словами, все направления движения волн равновероятны, а плотность звуковой энергии в каждой точке пространства помещения одинакова.

Что же такое реверберация? Реверберация как физическое явление - это постепенное затухание звука в помещении, вызванное многократными отражениями звуковых волн от стен, потолка, пола, различных предметов, находящихся в помещении. Первым ушей слушателя достигает прямой звук (direct signal). Он приходит к слушателю по кратчайшему пути. Поэтому он сильней, чем отраженные сигналы. Прямой сигнал несет информацию только о расположении ис-точника звука справа или слева от слушателя. Вторыми, несколько поотстав и отразившись от одной-двух поверхностей, приходят ранние или первичные отражения. Эти звуковые волны не только отражаются, но и передают часть своей энергии, которая расходуется на нагрев поверхности. Ранние отражения содержат в себе информацию не только о месте расположения источника звука, но и о размерах помещения. Именно ранние отражения вносят наибольший вклад в пространственное ощущение акустики зала.

Точка «И»- источник сигнала. Точка «П»- микрофон или наши уши. Красная линия «1» - прямой звук. Линии «2» и «3» - первичные отражения сигнала. Линия «4» - вторичные отражения.

Вторичные отражения - сигнал многократно отраженный. Чем выше число переотражений, тем больше энергии теряет сигнал. Помимо этого, спектральный состав первоначального сигнала из-за разницы в поглощающих материалах, покрывающих поверхности, и конфигурации препятствий претерпевает существенные изменения. Мало-помалу они перестают восприниматься как дискретные звуки и сливаются в один затухающий звук. Собственно, это и есть реверберация.

Реверберация оказывает влияние на качество речи и музыкального материала. Долгая реверберация означает неразборчивую речь, поскольку новые слова звучат на фоне предшествующих, слегка затухающих слов, но все же слышимых. При коротком времени реверберации речь обрекается на безжизненность, «стерильность». Тоже самое касается и музыки. В первом случае нарушается эстетическое восприятие музыки. Музыкальные фразы как бы набегают друг на друга и взаимно «топят». Во втором случае это касается больше выступлений на открытом воздухе, когда музыка звучит сухо, не эмоционально, утрачивается слитность звучания.

Итак, время стандартной реверберации Т₆₀ – это время затухания отклика помещения на звук в секундах. За длительность этого процесса было принято считать временной отрезок, за который плотность звуковой энергии уменьшается в 106 раз, звуковое давление в 103, а уровень звуково-го давления на 60 дБ. Время стандартной реверберации определяют или на частоте 512 Гц, или на избранных частотах (125, 250, 500, 1000, 2000 и 4000 Гц).

Формулу для расчетов вывел Сэбин, впервые и в простом виде выразив связь времени стандартной реверберации с объемом помещения и площадью поглощения. Для экспериментального определения времени реверберации использовались простейшие приспособления: органные трубы как источник звука и секундомер.

Где А=а_kS - суммарное поглощение в помещении, м₂ (в данном случае а_k – средневзвешенный по площади помещения коэффициент поглощения).

По измерениям времени реверберации в пяти различных помещениях в форме прямоугольного параллелепипеда и объемами от 96 до 1960 м₃ У. Сэбин принял значение коэффициента k = 0,164 (это число примерно равно дроби 1/6). При теоретическом выводе формулы для расчета времени реверберации было получено значение k = 0,161, которое и указывается в большинстве учебников.

Средний коэффициент поглощения:

где a₁, a₂,... - коэффициенты поглощения различных материалов; S = S₁ + S₂ + ... - общая площадь преград; n - количество преград.

Формула Сэбина верна для помещений с небольшим средним коэффициентом поглощения a_k<0,3; при больших значениях a_k используется формула Эйринга.

Теоретический вывод формулы Сэбина основан на предположении о диффузном распределении звуковой энергии по объему помещения и о непрерывном поглощении энергии преградами.

На самом деле звуковая энергия поглощается не непрерывно, а по мере достижения волной той или иной поверхности. И, естественно, равномерного заполнения энергией всего объема помещения не будет.

Более точные исследования реверберации были проведены в 1929 г. Шустером и Ветцманом, а в 1930 г. - Карлом Эйрингом. Формула Эйринга имеет вид:

Где S_i – общая площадь поглощения материалов с коэффициентом a_ki в м².