Акустические поверхности рассеивания

Опыт совершенствования собственной аудиосистемы неизбежно приводит пытливого меломана к пониманию того, как сложно получить звучание подобное естественному и что между понятиями «эффектно» и «натурально» существует большая разница. Мозг человека, имея повседневный тренинг в восприятии окружающих звуков, приобретает навык безошибочно определять их природу. Искусственность в музыке, подавая повод к недоверию, приводит к отчужденности, в то время, как натуральный звук, содействуя исполнительскому мастерству, усиливает эстетические впечатления. Чем естественней воспринимается фонограмма, тем легче сознанию откликнутся эмоциями на ее содержание, тем выше оказывается степень вовлеченности и тем более продолжительное время сохраняется концентрация внимания, а значит – продлевается удовольствие. В поисках лучшего звука, меломан иногда даже не подозревает, что одним из препятствий на этом пути оказывается недружелюбность акустической обстановки.

Поверхности, ограничивающие собой пространство комнаты, распределяют в ней звуковую энергию неравномерно, создавая аномалии, приводящие к искажениям различного рода. Из-за неупорядоченности во взаимодействии, отдельные компоненты сигнала выделяются или ослабляются по уровню, рядом частот возбуждаются резонансы, также и реверберационный отклик вносит свою искажающую лепту. В результате, изменяется не только тональный состав звука, но и маскируется часть полезной информации, страдают временные характеристики, послезвучия теряют естественность, обращаясь в гул. Так что взаимное расположение базовых поверхностей, их размеры и даже материал, из которого они сделаны, несут ответственность за общую звуковую картину не меньше, чем любой компонент аудиосистемы.

Почему в домашних условиях не просто достичь истинно натурального звучания музыкальных инструментов и голоса? Очевидно, что условия записи и воспроизведения – совершенно различны. Конечно, так и должно быть, ведь постановка задач у этих процессов тоже разная: при записи – обеспечить звучание, соответствующее художественному замыслу автора и исполнителя, при воспроизведении – создать условия, способствующие этим замыслам дойти до слушателя. Поэтому, проектируя студии звукозаписи или концертные залы, стремятся к такому отклику помещения, которое, гармонируя с исполняемым материалом, наполняло бы его дополнительным содержанием – богатством тембров и отголосков. Для помещения прослушивания важно иное – иметь нейтральный отклик, не искажая и не дополняя исходную музыкальную информацию. Создание таких условий практически недостижимо, т.к. любое реальное помещение обязательно будет как-то влиять на звук, а значит, задача заключена в минимизации влияния помещения на исходный звук в местах прослушивания и обеспечении благозвучности той части отклика, которую не удалось нейтрализовать.

Наука, архитектурная акустика, описывает процессы взаимодействия звуковых волн и предлагает методы управления звуковыми полями. Ее догмы полезны для проектирования  помещений любого акустического назначения, так что по-настоящему хорошее, в звуковом смысле, помещение является плодом серьезной инженерной работы. Постройка концертного зала или студии без такой работы является абсурдной. К сожалению, акустические условия обычных, неприспособленных помещений, где устраиваются музыкальные комнаты или домашние кинотеатры, зачастую обесценивают труды музыкантов, звукорежиссеров и архитекторов, так как не являются гармонически спланированными.

В теории, существуют различные методы коррекции акустических свойств помещения: поглощение, рассеивание, отражение. Все они находят применение в профессиональном решении акустических задач, поскольку только осознанное их комбинирование приводит к удовлетворительному результату. В быту, наличие дополнительных факторов практического, эстетического и экономического характера, не позволяет задействовать весь спектр мер и необходимость выявления оптимальных средств особенно остра. Но даже те, кто осознал неизбежность специальных акустических преобразований, обычно, стремятся удовлетвориться применением самого доступного средства – поглотителей из пористых материалов. Увы, такие однобокие меры не позволяют рассчитывать на координальное улучшение ситуации. С их помощью удается подавить лишь некоторые комнатные резонансы и снизить общий уровень отражений, а идея естественного звучания так и остается нереализованной. Для ее осуществления необходимо средство, обладающее способностью отражать звуковую энергию не направленно, как это делают плоские поверхности (стены, пол, потолок), а распределять ее в пространстве равномерно, диффузным облаком, в каждой точке которого содержится набор частот, не имеющих преимуществ, друг над другом. Такими свойствами обладают акустические диффузоры или диффузеры (diffuser – рассеиватель). Их поверхности имеют сложный, математически рассчитанный рельеф, обеспечивающий разнонаправленное отражение звука в некотором частотном диапазоне. Производимый ими эффект, можно проиллюстрировать на примере мяча, который, будучи брошен под некоторым углом к стене, не отскочил от нее, в соответствии с известным законом равенства углов падения и отражения, а взорвался, по частицам разлетаясь в разные стороны.

В мире архитектурной акустики наибольшее распространение получили диффузеры двух видов – QRD и PRD. В их названиях отражены примененные для расчета математические числовые последовательности:

  1. QRD  – Quadratic Residue Diffuser (Диффузер Квадратичных Вычетов);
  2. PRD  – Primitive Root Diffuser (Диффузер Примитивных Корней).

Народное название рассеивателя QRD-типа – диффузор Шрёдера, по имени его изобретателя, Манфреда Шрёдера, немецкого физика-естествоиспытателя. Его ячеистая структура с тонкими перегородками и различными глубинами дна, подчиняющимися закону квадратичных вычетов, каждым участком своей жесткой и твердой поверхности, сохраняя энергию волны, ориентирует ее в различные стороны. Распространение звука вглубь ячейки сопровождается многократными локальными переотражениями, благодаря чему пути прохождения сигнала имеют разную длину, по-разному задерживая момент выхода наружу. Временные различия обеспечивают разнообразие фазовых сдвигов. В результате таких преобразований, общий фронт волны приобретает куполообразную форму, осуществляется равномерное рассеивание энергии с сохранением ее общей интенсивности. Рабочий частотный диапазон диффузора зависит от перепада глубин ячеек и их интервала. Чем мельче эти параметры, тем на более высоких частотах он выполняет свою рассеивающую функцию.

Этот вид рессеивателей очень хорошо подходит для помещений, где исполняют и записывают музыку. Он способствует подчеркиванию благозвучности музыкальных инструментов. В аудиосистемах его применение обусловлено необходимостью придать ясность и сочность воспроизводимым фонограммам. До некоторой степени способствует он и формированию пространственной стереокартины.

Главным недостатком конструкций типовых QRD-диффузеров от некоторых производителей является применение либо слишком тонких, хлипких и нежестких листовых материалов, поглощающих часть энергии, вместо того чтобы ее честно отражать, либо наоборот – перегородок из толстого ДСП или МДФ, торцы которых, находясь в одной плоскости, направленно отражают звук. Идеальный диффузор Шредера должен быть тяжелым и жестким, с жесткими, но тонкими переборками, желательно из нерезонансного материала.

Создание осязаемой пространственной картины звука наиболее полно достигается с помощью диффузера PRD-типа, называемого еще skyline диффузором. Функционально, QRD и PRD диффузеры схожи, но для последнего, технологически доступнее обеспечить более мелкий размер ячейки при значительной глубине, а значит и разнообразие вариантов отражений, приходящихся на единицу площади, у него большее. Этот вид отличается сложностью конструкции и требовательностью к  параметрам составных элементов. Составной элемент – брусок прямоугольного сечения уникальной длины, не повторяющейся в некоторых (желательно больших) пределах. В грамотно выполненных изделиях, повторения отсутствуют на площади 1/4 м2 и более, а  количество вариантов высот превышает сотню. Максимальный перепад высот определяет нижнюю граничную частоту эффективного диапазона, площадь сечения – верхнюю. Благодаря 3D-конфигурации и возможности обеспечения достаточно мелкого шага ячеек-столбцов такой диффузор способен рассеивать звук в достаточно широком частотном диапазоне с очень высокой эффективностью, создавая сферический волновой фронт с многочисленными фазовыми сдвигами. Поэтому, он по достоинству может считаться лучшим средством для акустической коррекции среднестатистического помещения.

Сравнение частотных характеристик при разных условиях отражения представлено на графике. Источником служил обычный громкоговоритель с собственной, неидеальной АЧХ. Из иллюстрации видно, что отражение от плоскости несет большую частотную избирательность, тогда как диффузор стремиться выровнять перепады.

К сожалению, многие из образцов таких диффузеров содержат в себе ряд принципиальных упрощений. Зачастую, ради удобства сборки, деревянные изделия компонуются из брусков, длины которых округлены до 4-х, 5-и типоразмеров, в то время как исходная идея требует соблюдения максимального разнообразия высот в пределах одного модуля. Также и увеличение площади сечения ячейки является еще одним нежелательным упрощением. В итоге, все это приводит к заметному снижению эффективности.

Существуют, хорошо зарекомендовавшие себя, гипсовые диффузеры, отлитые в геометрически выверенную форму. Один из крупных производителей, давший, закрепившееся за PRD-диффузорами, имя skyline формует их из гранулированного пенопласта высокой плотности, точно соблюдая требования исходной математической выкладки. Деревянная конструкция тоже могла бы быть вполне уместной, но при уже высказанных условиях подхода к точности.

Чем большая площадь в помещении занята диффузионными поверхностями, тем ощутимее их роль в звуковых процессах. Массивы PRD-диффузеров набираются из отдельных модулей и, будучи размещены в местах первичных отражений, они, без преувеличений, способны «раздвинуть стены», создавая иллюзию пространства наполненного звуками. Воспроизводя исходную акустическую среду, диффузор посылает информацию из каждой точки пространства, делая его осязаемой. Возникает масштаб и объем, наполненный звуковыми подробностями. Реверберационный отклик, сохраняя атмосферу концертного зала, передается с тонкой детальностью.

Именно сохранение мелких деталей  – одна из основных черт данного типа рассеивателей.  Благодаря высокой диффузионной способности отражающей поверхности, тихие звуки не уничтожаются противофазными их клонам и не маскируются другими звуками, усиленными в результате некорректного распределения. Геометрические очертания сцены определены и вширь, и вглубь. Каждый инструмент содержателен, статичен, полон звука. Нейтральность и прозрачность – еще одна характеристика, продиктованная свойствами PRD-диффузера.

Поглощающие поверхности (абсорберы) по сравнению с рассеивающими поверхностями выглядят подобием «зияющих дыр», образуя пустоты там, где требуется буйство красок. Эффект поглощения основан на физическом явлении преобразования звуковых колебаний воздуха в тепловую энергию, в результате чего происходит частичное уничтожение некоторой доли энергетического всплеска. Таким образом, поглощающие материалы «всасывают» в себя звуковую информацию, препятствуя отражениям и предоставляя приоритет прямому излучению, идущему от источника звука. В результате, субъективно,  исчезает живость и объем, как следствие – возникает ощущение вакуума, теряется вовлеченность в музыкальный процесс. По этой причине, следует с осторожностью применять поглощающие поверхности и не размещать их во фронтальной области, т.е. перед слушателями. Также, с осмотрительностью стоит относиться и к их размещению сзади. Чаще всего интенсивного поглощения заслуживаю угловые зоны комнат и потолок.

Автор: Антон Мельников

CleverAudio

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *