Акустические материалы

Акустические свойства помещения существенно влияют на характер звучания, поэтому студии для записи, концертные и театральные залы должны обладать неодинаковыми акустическими свойствами. Только в этом случае может быть достигнуто максимально возможное с точки зрения слухового восприятия качество звучания. В помещениях акустическое поле формируется не только прямой волной, идущей от исполнителя по кратчайшему пути, но и после ее отражений от стен, потолка, пола и находящихся в помещении предметов. При каждом новом отражении часть звуковой энергии звуковой волны поглощается отражающими поверхностями и воздушной средой, а часть ее, в виде частых и убывающих по величине повторений, воздействует на слух, накладываясь на основной (прямой) звук и придавая ему привычную для слушателей протяженность и окраску.

Проконсультироваться

Таким образом, в помещении, где расположен источник звука, поле звуковых волн формируется из прямых волн и отраженных, образующих так называемое диффузное (рассеянное) звуковое поле. Причем, первые отраженные волны следуют друг за другом дискретно, хотя и с малыми задержками, но с ростом времени в формировании звукового поля начинают принимать участие волны, претерпевшие разное число отражений и имеющих самые различные фазовые соотношения. При этом затухание звука теряет дискретный характер и становится непрерывным (рисунок 1).

Рис.1 Временная структура реверберационного процесса в помещении

Первые, ранние отражения, приходящие к слушателю, могут как сливаться с прямым звуком, улучшая качество звучания, так и, наоборот, снижать разборчивость речи, и даже прослушиваться как эхо. Последнее возникает всякий раз, когда время задержки между прямым и отражённым звуком превышает 50 мс.

Явление распознавания отражений только через определённый отрезок времени объясняется инерционными свойствами слуха. Это означает, что воздействие любого звукового возбудителя прекращается в слуховом аппарате не сразу после выключения источника, а спадает по экспоненциальному закону. Другими словами, громкость за время, когда слух ещё помнит прошлый звук, спадает, по сравнению со значением возбуждающей энергии в момент её выключения, не полностью. Поэтому следующий звук, возникший в интервале времени, не превышающем память слуха, не может ощущаться раздельно от предыдущего, и воспринимается слитно с ним.

Инерционные свойства слуха аналогичны свойствам глаза, который не может различать отдельные кадры в кино при интервале между ними менее 50 мс. Достаточно напомнить, что в старом кинематографе, при скорости 16 кадров в секунду, была заметна угловатость движений, а при современной скорости 24 кадра в секунду она уже практически незаметна.

Итак, звуковые отражения, после выключения источника звука, поддерживают звуковое поле в помещении. Звук поэтому не пропадает мгновенно, а затухает в течение какого-то определенного для данного помещения времени. Такое постепенное затухание звука в помещении (иначе - послезвучание) называется реверберацией. От скорости затухания звука зависит время существования отзвука в помещении, так называемое время реверберации. Это время тем больше, чем меньше звуковой энергии при отражениях поглощается ограничивающими помещение поверхностями и расположенными в нем предметами.

Естественно, что поглощение звука зависит от размеров помещения, свойств материалов, покрывающих стены, потолок и пол, а также от степени заполнения помещения различными предметами. Например, гладкие выкрашенные маслом стены, застекленные окна, паркет, полированная мебель - хорошие отражатели звука. Энергия звуковых волн при отражении от таких поверхностей теряется в небольших количествах. Наоборот, ковры, мягкая мебель, тяжелые матерчатые драпировки - хорошие поглотители; наличие их в помещении резко сокращает время реверберации.

Гулкие помещения имеют большое время реверберации, в них энергия звуковой волны спадает медленно. В таких помещениях речь теряет разборчивость, музыка звучит более пространственно, расплывчато. В сильно заглушенных помещениях, где поглощение звуковой энергии отражающими поверхностями идет быстро и время реверберации мало, речь и музыка звучат глухо, звук лишается сочности и естественной окраски.

Рис.2 Спад звуковой энергии после выключения источника звука

Очевидно, что с увеличением первоначальной акустической мощности источника звука длительность процесса реверберации возрастает, хотя его слуховая оценка практически остаётся неизменной. Для сравнения помещений по их акустическим свойствам надо исключить зависимость времени реверберации от акустической мощности источника звука. Для этого введено понятие времени стандартной реверберации. Временем стандартной реверберации Tст называется время, которое необходимо для того, чтобы плотность звуковой энергии в помещении после выключения источника звука снизилась до одной миллионной части своей начальной величины, то есть уменьшилась бы на 60 дБ. (В англоязычной литературе этот параметр называется  RT₆₀). Это - основная характеристика акустических свойств помещения.

Второй важной характеристикой акустических свойств студии является частотная характеристика времени реверберации, или зависимость времени стандартной реверберации от частоты звукового сигнала. Энергия колебаний различных частот звукового диапазона поглощается одними и теми же материалами по-разному. Например, ковры, мягкая мебель, драпировки, да и сами слушатели, заполняющие концертный зал, поглощают энергию более высоких частот сильнее, чем низких. Помещения, в которых преобладают подобные поглотители, будут иметь время реверберации большее на низших звуковых частотах и меньшее на высших. Это приводит к значительному искажению тембра звука. Звучание будет глухим и бубнящим. Студии и концертные залы должны иметь определенную частотную характеристику времени реверберации.

Опыт эксплуатации показывает, что для больших музыкальных студий рекомендуется ровная горизонтальная характеристика времени реверберации в полосе частот от 250 Гц и выше. Даже сравнительно небольшое подчеркивание отдельных частотных областей на этом участке звукового диапазона может неприятно сказаться на тембре исполняемой музыки. Звукорежиссеры в таких случаях говорят, что студия имеет "формантный характер". И лишь иногда, в больших музыкальных студиях, предпочитают небольшой плавный подъем характеристики для частот ниже 250 Гц. Для небольших студий, площади которых обычно малы, характеристика времени реверберации должна иметь спад в области низших частот. Это необходимо для того, чтобы ослабить резонансные явления, возникающие в помещениях малых объемов, которые на слух воспринимаются как "бубнение" голоса.

При обзоре акустических характеристик студий и концертных залов нельзя обойти вниманием роль ранних дискретных отражений звука, и влияние времени запаздывания прихода к слушателю каждой из этих волн по отношению к прямому звуку. Впечатление слушателя о размерах зала определяется именно этими временами запаздывания. В залах малого размера время запаздывания первого отражения обычно не превышает 20 мс. Звучание здесь воспринимается камерным, интимным. В больших залах задержки первых отражений, еще не успевших в значительной мере потерять свою энергию, больше. Но если при этом они не превышают 50 мс, при которых уже возникает эффект эха, то есть повторы слогов слышатся раздельно, то первые отражения, хотя на слух и сливаются с прямым звуком, но тем не менее создают эффект присутствия слушателя в большом помещении.

Иногда в плохих студиях наблюдается очень нежелательный эффект, получивший название "порхающего" эха или флаттер-эффекта. Флаттер-эффект возникает, когда имеются две гладкие параллельные стены, или потолок и пол, между которыми находится источник звука. В этом случае в точку приема приходят два первых отражения. Если, при этом, разность их путей от ограждающих поверхностей превышает 18…20 м, то возникает эхо. Оно особенно подчеркивается за счет сдвига фаз, проявляющегося во взаимном усилении или ослаблении звука (интерференции звуковых волн). В результате многократного отражения в точке приема звук периодически усиливается, а на коротких импульсных звуках, в зависимости от частотных компонент эха и интервала между ними, приобретает характер дребезга, тресков или ряда последовательных и затухающих сигналов эха.

При оценке акустических свойств студии, принимают во внимание и еще один ее параметр: диффузность звукового поля. Под диффузностью звука понимают равномерность распределения энергии отраженных волн по всему объему помещения, при котором уровень звуковых волн, приходящих в данный момент из разных направлений, одинаков, а фазы случайны. Для улучшения диффузности при строительстве студий прибегают к расчленению больших отражающих поверхностей полуколоннами круглой или прямоугольной формы, применяют кессонные потолки, подвесные отражатели. Для этих же целей иногда используют непараллельные стены и потолок с полом.

Итак, процесс затухания звука в помещении на первый взгляд кажется весьма простым. Звук доходит до стен помещения, частично поглощается и частично отражается, снова встречает отражающие и поглощающие поверхности и т.д. При каждом таком соударении звуковой волны со стенами, полом и потолком теряется часть звуковой энергии, в результате чего звук постепенно замирает.

Однако в действительности дело обстоит значительно сложнее. После выключения источника звука в помещении возникают собственные колебания объёма воздуха, частота которых зависит от геометрических размеров помещения. Английский физик Релей ещё в 19 веке показал, что всякое замкнутое пространство, представляя собой объёмный резонатор, обладает бесконечным рядом собственных резонансных колебаний, или "модусов". Для помещений в форме параллелепипеда частоты этих модусов равны:

где: с - скорость звука, м/с; x, y, z- линейные размеры студии, м; n, m, p - любые целые числа 0, 1, 2 …

Каждой тройке этих чисел n, m, p соответствует одна из собственных частот помещения. Если размеры воздушного объёма не слишком малы, т.е. если   , (где v - объём, м³; λ- длина волны для самых низкочастотных составляющих сигнала, м), то собственные частоты закрытого объёма располагаются настолько плотно, что любая частотная составляющая звукового сигнала возбуждает собственные колебания воздушного объёма с частотами, очень мало отличающимися от частот возбуждающих сигналов. Таким образом, в помещениях достаточного объёма спектр отзвука практически повторяет спектр возбуждающего сигнала, - разумеется, по частотному составу, а не по амплитудам, которые будут существенно различаться вследствие различия звукопоглощения на разных частотах.

Если же размеры помещения малы по сравнению с длиной волны возбуждающих колебаний, то спектр собственных частот помещения редок, и отзвук существенно отличается по спектру от возбуждающего сигнала. При небольшом объёме помещения (порядка 100 м³ и менее) интервалы между соседними частотами на низшей части диапазона могут достигать почти 10 Гц.

Таким образом, реверберация не является равномерным спаданием диффузного звукового поля, а представляет собой неравномерное затухание звуковой энергии, сосредоточенной в узких частотных полосах, группирующихся вокруг резонансной модусной частоты, определяемой уравнением Релея.

Даже в том случае, когда первоначальный прямой звук имел диффузный характер, в момент своего прекращения реверберационный звук начинает немедленно группироваться вокруг модусных частот, причём скорость затухания звука определяется поглощением помещения, свойственным каждой данной полосе частот.

Увеличение плотности реверберационного звука на высоких частотах является чрезвычайно важным фактором для получения хорошего качества реверберации.

Одни и те же собственные частоты могут соответствовать различным комбинациям n, m и p. При совпадении их обедняется спектр собственных частот, и увеличиваются интервалы между ними. Максимальное совпадение собственных частот даёт куб, поэтому он является наихудшей в акустическом отношении формой студии.

Для выравнивания частотной характеристики времени реверберации студии необходимо:
- обеспечить возможно более равномерное распределение собственных частот, что даст возможность устранить глубокие провалы и слишком острые резонансные пики, являющиеся следствием чрезмерной близости двух собственных частот;
- увеличить затухание, что приведёт к расширению резонансных максимумов.

Оба эти фактора - структура спектра собственных частот и быстрота затухания отзвука помещения - влияют на слуховое восприятие.

Поэтому рекомендуется строить студии прямоугольной формы и так, чтобы соотношение размеров студии не были бы кратными, например 1:2:3. Желательно применять размеры близкие к "золотому сечению", когда высота с шириной и длиной относятся как 1:1,6:2,6. При этом имеет место наиболее равномерное распределение резонансных частот помещения. Ограждающие поверхности студии выполняются так, чтобы обеспечить оптимальное время реверберации.

В тех случаях, когда объём помещения достаточно велик (), а это условие обычно выполняется на практике - можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот, и к анализу временной структуры звукового поля можно подойти с позиций геометрической акустики. Поле в каждой точке помещения можно рассматривать как результат интерференции прямой звуковой волны, поступающей от исполнителя по кратчайшему пути (прямой звук), и значительного числа отражённых звуковых волн (отзвуков), претерпевших разное число отражений от поверхностей помещения.

 
Рис.3 Преломление звуковой волны

Падающая на поверхность звуковая волна (E_пад) частично отражается от неё, частично поглощается материалом поверхности, переходя в тепловую энергию, а частично проникает сквозь поверхность в соседнее помещение.

Энергия отражённых от ограждающих поверхностей помещения звуковых волн Е_отр характеризуется коэффициентом отражения , а поглощаемая при отражениях энергия звуковой волны Е_погл - коэффициентом звукопоглощения   α.

Очевидно, что α + β  = 1, так как Е_погл+ Е_отр= E_пад.

Значения коэффициентов α и β зависят от материала и конструктивных особенностей поверхности, от угла падения на неё звуковой волны и от частоты звуковых колебаний.

Значения коэффициентов звукопоглощения α, приводимые в справочниках, получены в диффузном звуковом поле и являются средним значением совокупности его возможных значений.

Поверхности пустого помещения, обработанные разными материалами с коэффициентами звукопоглощения α₁ , α₂ ,…. α _n при площади каждого из них, соответственно равной S₁ , S₂ ,…S_n, образуют общий фонд звукопоглощения

A₀  = α₁ S₁ + α₂ S₂+….+ α _n S_n = ∑ α _n S_n

Здесь S₁ + S₂ +….+ S_n = S - суммарная площадь всех поверхностей помещения.

Дополнительный фонд звукопоглощения  А_доп  в помещении образуют люди, предметы обстановки, а на сцене и в телевизионных студиях декорации, в отношении которых трудно оценить занимаемую ими площадь. Но учитывать этот фонд при проектировании студий и залов необходимо. Таким образом, общее звукопоглощение в помещении А = А₀ + А_доп , и выражается оно в единицах звукопоглощения. Под единицей звукопоглощения понимается поглощающая способность 1 м² условного идеального материала, имеющего  α = 1 (β = 0), то есть полностью поглощающего падающую на его поверхность звуковую энергию. Прибегая к метафоре, эту единицу, для подчёркивания её физической сущности, часто называют "единицей открытого окна".

Приведенные здесь отношения кладутся в основу расчётов акустических свойств проектируемых студий и залов. Основная задача здесь заключается в подборе различных материалов с коэффициентами поглощения, различными на разных частотах звукового диапазона. Таким образом, получают нужную величину времени стандартной реверберации и оптимальную её частотную характеристику.

В студиях, как правило используют три типа звукопоглотителей (абсорбентов):

-   пористые акустические плиты, коэффициент звукопоглощения a которых имеет максимальное значение в области средних и высших частот звукового диапазона;
— пористые перфорированные экраны, чаще всего представляющие собой слой эффективного звукопоглотителя (минеральной ваты, холста из базальтового волокна и т.п.), обернутого тканью и закрытого снаружи перфорированным листом. В качестве этого покрытия используется фанера толщиной 4…5 мм, а также гипсовые или металлические листы. Частотная зависимость коэффициента a этих конструкций имеет резонансный характер, причём (в зависимости от размера перфорационных отверстий, расстояния между ними, толщины наполнителя и других факторов) удаётся изменять положение максимума звукопоглощения на оси частот, что весьма удобно при акустической настройке студий;
— панели, резонирующие на низших частотах, например листы гладкой фанеры, сухой штукатурки, древесно-стружечные плиты. Коэффициент звукопоглощения a этих конструкций максимален в области частот 100…300 Гц и смещается в сторону низших частот при увеличении воздушного промежутка между панелью и поверхностью стены. Большинство выполняемых из дерева или фанеры звукорассеивающих конструкций (полуколонны, пилообразные членения стен, потолка и т.п.) также обладают наибольшим звукопоглощающим действием в низкочастотной области диапазона слышимых частот.

Рис.4 Зависимость коэффициентов звукопоглощения от частоты:
а) для пористых звукопоглощающих акустических плит;
б) для перфорированных звукопоглотителей с наполнителем; в) для низкочастотных резонансных панелей

Звукопоглощающие конструкции с разными акустическими характеристиками размещают как можно более равномерно по поверхности студии, что способствует повышению диффузности звукового поля.

Опыт показал, что лучшее звучание или оптимальное время реверберации не одинаково для студий и залов разных размеров и различного назначения. Ориентировочно, оптимальное время реверберации для речевых студий малого объема принимается равным 0,35…0,5 с, и доходит до 2 с для больших концертных залов.

Некоторое уменьшение оптимального времени реверберации для малых студий связано с необходимостью сохранения максимальной четкости (разборчивости) текста, которая ухудшается при большой реверберации.

Акустические условия концертных залов и телевизионных студий существенно отличаются от условий студий звукозаписи или радиостудий рядом особенностей:
-   декорации вносят дополнительные поглощения и отражения;
-   акустические условия меняются при перемещениях исполнителей;
-   необходимо согласовывать зрительный и звуковой образы.

Величина поглощения, вносимого декорациями, в среднем меняется в сравнительно узких пределах, и возрастает в области низших и высших частот. На низких частотах рост звукопоглощения происходит за счёт конструкций декораций, выполненных из фанеры или окрашенного холста; на высоких частотах - за счёт свободно висящих тканей.

Отражения от декораций создают свою собственную акустическую обстановку, отличающуюся от акустики студии. Чем более замкнута декорация, тем большее количество отражений попадает в микрофон и тем больше меняется тембр звука.

С уменьшением коэффициента звукопоглощения увеличивается отражённая энергия и возрастает зависимость тембра от положения микрофона.

Энергия, отражённая от декораций, суммируется с прямым звуком, и таким образом увеличивает его громкость и отношение сигнала к шуму. В этом смысле декорации полезны. Однако при перемещении источника отражённая от декораций энергия может резко меняться, что ограничивает возможность перемещения исполнителей без потери чёткости. Поэтому построение сцены должно предусматривать неизменность количества отражений от декораций, попадающих в микрофон.

Наряду со всем изложенным, надо иметь в виду, что акустические свойства студии являются важным и необходимым условием высокого качества звучания, но реализовать его можно только при соблюдении определённых правил использования данной студии.

Надо отметить, например, что для качественного звучания передач следует строго соблюдать нормы заполнения студии исполнителями. Современные требования, справедливость которых также подтверждена опытом, предполагают, что при музыкальном исполнении на каждого исполнителя должно приходиться не меньше, чем по 35…50 м³ объема студии. Так, для оркестра из 50 человек необходима студия объемом не меньше 2000 м³. При исполнении оперы, оратории, симфонического произведения коллективом 150…200 человек необходима студия объемом соответственно 6000…10000 м³ и более.

Попытки записать музыкальные произведения, исполняемые большими коллективами, в студиях, не рассчитанных на такой состав, приводят к ухудшению качества звучания.

Акустическая пригодность любого помещения определяется уровнем шума, проникающего в него от оборудования или от внешних источников шума. Суммарный уровень шума, проникающего в помещение различными путями, не должен превышать нормы, установленной на уровне около 20 фон.

Различают два вида проникающих внешних шумов: воздушный, передаваемый от источника по воздуху, и структурный (корпусной), передаваемый от источника по корпусу здания. Для защиты от воздушного шума, создаваемого инженерным оборудованием, на пути распространения шума ставятся звукопоглощающие конструкции, например, облицовываются поглотителем воздуховоды камеры кондиционирования и т.д. Защитой от внешнего воздушного шума является, в первую очередь, правильная планировка: удаление студии от шумных магистралей, увеличение толщины стен, т.е. улучшение звукоизоляции. Структурный шум, как внешний, так и внутри здания, представляет более серьёзную опасность для студии.

Основным способом, применяемым для улучшения звукоизоляции студии от вибраций здания и ударного шума, является использование "плавающей" конструкции собственной коробки студии, отделенной ("отвязанной") от стен помещения. В такой конструкции коробка студии устанавливается на металлические рессоры, и располагается внутри основного объёма помещения (коробка в коробке). Между стенами обоих помещений оставляется зазор в 10…20 см. Применение раздельной конструкции даёт выигрыш по звукоизоляции от воздушного шума на 6 дБ, что равносильно увеличению веса стен почти в два раза. Выигрыш по виброизоляции ещё больше. Тщательное выполнение конструктивных и планировочных мероприятий обычно обеспечивает достаточную помехозащищённость студии.