Акустические явления в помещениях

Чтобы правильно понимать акустические явления в помещении, необходимо применять разные модели для описания распространения звука на высоких и низких частотах. Существует предельная частота, которая определяет переход от одной модели к другой. Эта частота зависит от объема помещения и его измерений. В автомобиле она составляет около 450 Гц, в средней комнате - около 150 Гц, а в концертном зале - около 30 Гц. Четкой разделительной линии между диапазоном низких частот и диапазоном высоких частот нет.

На частотах, намного превышающих предельную, длина звуковой волны существенно меньше, чем размеры помещения. Иными словами размеры помещения несопоставимы с длиной звуковой волны. Для описания акустики в этом случае применяется геометрическая модель, то есть звук исходит от источника и затем отражается от стен комнаты. Количество энергии, которое звуковой луч теряет при каждом отражении, зависит от природы стен. С помощью этой модели может быть получен ряд акустических параметров помещения. Самый известный параметр — это время реверберации.

На частотах, явно ниже предельной частоты, простая модель геометрической акустики не применяется. Явления, происходящие на низких частотах, могут быть проиллюстрированы только теорией акустических волн. Звуковое поле здесь характеризуется собственными комнатными модами. Это трехмерные стоячие волны определенных частот внутри комнаты, определяемые ее геометрическими размерами. Перемещаясь по комнате, где возбуждены собственные моды, можно почувствовать сильные колебания интенсивности звука.

Время реверберации

Наиболее важной физической величиной, используемой для описания акустических свойств помещения, является время его реверберации. Это величина, которая определяется как время, необходимое для снижения уровня звука в комнате на 60 дБ. Продолжительность времени реверберации в основном зависит от звукопоглощающих свойств ее стен, полов и потолков, от обстановки и от объема комнаты. Время реверберации зависит от частоты звуковых волн, поскольку различные материалы по-разному поглощают звук на разных частотах.

Время реверберации, которое лучше всего подходит для определенной комнаты, в основном зависит от ее объема и назначения. Существуют стандарты, устанавливающие оптимальное время реверберации и диапазоны допусков для разных типов помещений.

Собственные моды

Распространение звука на частотах ниже предельной частоты помещения определяется собственными модами комнаты. Это трехмерные стоячие волны – колебания, которые возникают при наложении на прямую волну отраженной волны, распространяющейся в обратном направлении. Стоячие волны создают в помещении серию «пиков» и «провалов», при этом в определенных зонах уровни громкости могут быть как выше, так и ниже воспроизводимых источником. Звуковое давление, создаваемое модами, имеет более высокие уровни возле стен, еще более оно высоко в зонах двугранных угловых (стыки стена/потолок, стена/пол, стена/стена), а самые высокие уровни наблюдаются в зонах трехгранных угловых (стыки стена/стена/потолок или стена/стена/пол).

Пропорции комнаты, то есть соотношения длины, ширины и высоты, задают расположение комнатных мод в частотном спектре, а также плотность их распределения. Размеры, как таковые, определяют частоты, на которых имеют место резонансы, то есть то, будут ли отдельные частоты усиливаться или же подавляться. Частоты, на которых возникают эти комнатные резонансы, а также распределение звукового давления, зависят, помимо прочего, от геометрии и размеров комнаты. Для прямоугольных помещений собственные частоты могут быть рассчитаны с помощью простой формулы. Однако для помещений с другими формами необходимо использовать трудоемкие численные методы.

Различают три типа резонансных мод – аксиальные, тангенциальные и наклонные (косые). Самыми интенсивными и наиболее сильно влияющими на акустику помещения являются аксиальные моды.

Для достижения хорошей акустики желательно, чтобы собственные частоты были равномерно распределены, и чтобы скопления вблизи определенной частоты не происходили. Выбор «правильных» комнатных пропорций позволяет значительно снизить влияние комнатных резонансов и ослабить слышимое воздействие мод.