Podstawy Akustyki.

Czym jest dźwięk?

Dźwięk jest drganiem powietrza, czyli szybkimi zmianami w jego ciśnieniu. Wibrująca struna powoduje te zmiany bezpośrednio: zarwij ją, a ona wróci do swojego pierwotnego położenia, wychyli się w drugą stronę itd., przez co powoduje ruchy molekuł powietrza. Głośnik wywołuje podobny efekt, z tym że ruchy membrany wywoływane są na drodze elektrycznej. W typowych warunkach fale dźwiękowe poruszają się w powietrzu z prędkością 340m/s (prędkość dźwięku). Słuch ludzki odbiera fale dźwiękowe z przedziału od 20 cykli na sekundę do 20.000 cykli (cykl na sekundę to nic innego jak Hz – Hertz). Zakres od 20Hz do 20kHz jest zakresem słyszalności, jednak z wiekiem i na skutek długiego obcowania z głośnymi dźwiękami często występuje spadek górnego zakresu słyszalności – nawet do 12kHz.

Oktawa i harmoniczne

Już starożytni Grecy zauważyli, że po delikatnym dotknięciu drgającej struny w jej środkowym punkcie otrzymuje się dźwięk wyższy (drgający z większą częstotliwością), a mimo to brzmiący podobnie jak oryginał. Dziś to podobieństwo nazywamy terminem oktawa. Połowa długości drgającej struny porusza się w rzeczywistości dwukrotnie szybciej niż cała struna. Struna o długości równej trzeciej części oryginału i takiej samej średnicy oraz sile naciągu – drga trzy razy szybciej niż oryginalna. Kiedy drga cała struna, nie jest to zwykłe drganie całości, wytwarzające falę dźwiękową o jednoznacznie określonej częstotliwości. W rzeczywistości na wibrację tej struny składają się wszystkie wibracje, których częstotliwości są matematyczną wielokrotnością częstotliwości wibracji podstawowej.
Podsumowując – cała struna wibruje: obie połowy, każda z trzech części itd. Wszystkie z tych wibracji, które mają miejsce w przypadku tej jednej struny w tym samym czasie, słyszalne są jako dźwięk tejże struny. Dźwięk, który słyszymy, jest kompilacją wszystkich dźwięków składowych. Częstotliwość produkowana przez całą długość struny nosi nazwę częstotliwości podstawowej. Wyższe częstotliwości, które również pojawiają się podczas drgania tej samej struny nazywane są harmonicznymi tonu podstawowego. Zależność harmonicznych od częstotliwości tonu podstawowego da się określić w sposób matematyczny: jeżeli ton podstawowy ma częstotliwość 100Hz jego harmoniczne będą miały częstotliwość 200Hz, 300Hz, 400Hz, 500Hz itd. Zazwyczaj wyższe harmoniczne mają niższy poziom głośności niż niższe harmoniczne. Różne źródła produkują różne dźwięki (skrzypce, organy piszczałkowe, głos ludzki), gdzie dźwięk podstawowy i harmoniczne mieszają się ze sobą w różnych proporcjach – jedne głośniej, drugie ciszej. Mieszanka tych tonów jest charakterystyczna dla każdego instrumentu lub głosu. Harmoniczne niektórych instrumentów akustycznych są jakby “poza strojem” co oznacza, że przyjmują częstotliwości inne niż wynikałoby to z rachunku matematycznego. Skrajnym przykładem takiego instrumentu jest dzwon kościelny, w którym częstotliwość podstawowa i pierwsza harmoniczna oddalone są od siebie o interwał w przybliżeniu dający się określić jako seksta.

Analiza Dźwięku

Francuzowi o nazwisku Fourier zawdzięczamy metodę matematycznej analizy dźwięku. W analizie Fouriera rozpatruje się złożony sygnał składający się z wielu fal sinusoidalnych, które wibrują z różnymi częstotliwościami (fala sinusoidalna jest formą dźwięku bez harmonicznych). Ponieważ niewiele dźwięków naturalnych jest statycznych, w analizie Fouriera każda fala sinusoidalna podlega zmianom amplitudy w pewnym odcinku czasu. Ten fakt ma zastosowanie w wielu miejscach muzyki elektronicznej. Dla przykładu, kiedy używasz korektora częstotliwości, podbijasz lub tłumisz pewien zakres częstotliwości – powiedzmy 2kHz. Da to słyszalne efekty tylko wtedy, jeżeli oryginalny dźwięk dochodzący do korektora zawiera harmoniczne z zakresu 2kHz. Jeżeli większość energii jest skupiona w harmonicznych o częstotliwości 1kHz lub np. 5kHz, podbijanie 2kHz nie da żadnych efektów. Kolejny przykład: pewne brzmienia syntezatorowe potrzebują drugiego generatora wstrojonego kilka oktaw powyżej pierwszego (i zwykle ustawionego na niższy poziom głośności), aby dodać specyficznych harmonicznych do barwy instrumentu.

źródło:  https://estradaistudio.pl

Wady Akustyczne

Echo

Dźwięk odbity przez powierzchnię, dochodzący do słuchacza po zaniku wrażenia słuchowego dźwięku bezpośredniego ze źródła, nazywany jest echem. Wrażenie echa pojawia się, jeśli opóźnienie pomiędzy falą bezpośrednią i odbitą jest większe niż 100 ms, przy krótszym opóźnieniu mamy do czynienia z pogłosem. Czas opóźnienia 100 ms jest związany ze stałą czasową ucha ludzkiego (50 ms) – dwukrotnie większa wartość umożliwia rozróżnienie obu dźwięków. Problem echa szczególnie często pojawia się w bliskości ścian (powierzchni odbijających).

Efekt echa może być redukowany poprzez wykorzystywanie materiałów pochłaniających oraz rozpraszających na powierzchniach odbijających lub poprzez projektowania nieregularnych powierzchni ścian. W salach audytoryjnych oraz dużych pomieszczeniach zaleca się unikać dużej ilości absorberów, które mogą obniżać poziom dźwięku i powodować niedostateczną jego słyszalność. Należy wtedy wykorzystywać rozwiązania mające na celu skierowanie dźwięku odbitego od publiczności.

Echo trzepoczące

Echo trzepoczące (ang. flutter echo), lub inaczej echo wielokrotne, polega na powtarzaniu się sekwencji odbić fali pomiędzy refleksyjnymi płaszczyznami. Najczęściej pojawia się w przypadku usytuowania źródła dźwięku pomiędzy równoległymi powierzchniami, ale można zaobserwować go również przy innym rozmieszczeniu ścian. Przykłady przypadków rozwiązań geometrycznych sprzyjających powstawaniu flutter echa trzepoczącego przedstawiają rysunki od 1 – 3 (źródło). Szczególnie często spotykane w małych pomieszczeniach, gdyż związane jest z krótkim impulsem, wielokrotnie odbijanym. Przez słuchacza postrzegane jako dźwięk podobny do trzepotania skrzydeł. Łatwo go zaobserwować np. klaszcząc w dłonie w wąskim korytarzu.

Efekt flutter echo jest łatwy do uniknięcia – wykorzystuje się własność zjawiska określającą jego powstawanie pomiędzy powierzchniami równoległymi do siebie – dlatego sale projektowane są tak, aby jedna ze ścian była odchylona. Zwykle 5° jest wielkością wystarczającą, aby flutter echo nie występowało. W pomieszczeniach już istniejących wykorzystuje się materiały pochłaniające. Aby pozbyć się efektu echa wielokrotnego wystarczy aby jedna ze powierzchni odbijających została wyłożona materiałem pochłaniającym lub absorbującym. W przypadku małych pomieszczeń, których to w większości dotyczy problem flutter echo, ryzyko, że spadek poziomu dźwięku będzie zbyt duży i zmniejszy klarowność dźwięku nie jest zbyt znaczący.

Tło akustyczne

Wysoki poziom tła akustycznego jest defektem szczególnie związanym z hałasem miejskim (drogowym, szynowym, lotniczym). Najłatwiejszym sposobem zwalczania hałasu/szumu tła jest lokalizacja sal audytoryjnych i koncertowych w spokojniejszych i cichszych częściach miast. Bardzo ważnym elementem jest izolacja, a szczególnie wibroizolacja chroniąca budynek przed drganiami pochodzącymi z zewnątrz. Kolejną przyczyną hałasu może być wyposażenie techniczne budynków, w szczególności system wentylacji. Kontrola emitowanego przez niego dźwięku obejmuje wytłumienie wywiewów wentylatorów oraz  sterowanie prędkością przepływu powietrza. Co ciekawe do poziomu tła aksutycznego zalicza się również dźwięk wydobywany przez publiczność np. oddychanie. Poziom hałasu generowany przez publiczność nie może być sterowany, natomiast należy o nim pamiętać i starać się maksymalnie wyciszyć inne, niepożądane źródła dźwięku. Warto również wspomnieć, że częścią magii koncertu live są momenty kiedy oczarowana i skoncentrowana publiczność jednomyślnie zamiera w ciszy i bezruchu.

Filtracja grzebieniowa

Zjawisko filtracji grzebieniowej występuje przede wszystkim w małych pomieszczeniach i związane jest z barierą i limitacją spektralną systemy słuchowego, których nie można się nauczyć, zmienić czy poszerzyć. Mówiąc prościej wszystko jest związane z ograniczeniami ludzkiego ucha, które uniemożliwiają rozróżnienie dźwięków zbyt zbliżonych do siebie jako innych, co uniemożliwia ich prawidłową interpretację.

Tak naprawdę filtracja grzebieniowa pojawia się blisko powierzchni odbijających, gdyż jest związana z odbiciem fal oraz ich interferencją. W przypadku, gdy fala bezpośrednia i odbita są ze sobą w fazie nie obserwujemy filtracji grzebieniowej, jedynie wzmocnienie lub osłabienie poziomu dźwięku (por. interferencja fal). Jeśli jednak fala emitowana i odbita nie są w fazie pojawia się efekt filtracji grzebieniowej. Skutkuje to pojawieniem się wielu nagłych skoków w widmie częstotliwościowym (stąd nazwa „grzebieniowy”). Daje to efekt głuchego dźwięku podobnego do flanger efekt.

Zakolorowanie dźwięku

Zjawisko związane z nierównomiernym rozkładem fali w pomieszczeniu nazywane jest zakolorowaniem dźwięku. Jest to szczególny problem małych pomieszczeń, ze względu na mniejszą ilość pojawiających się rezonansów. Skutkuje to zmianą barwy dźwięku emitowanego w zakresie częstotliwości tych rezonansów. To może sprawiać, że różnej częstotliwości dźwięki basów o tej samej głośności mogą w danym pomieszczeniu zostać odebrane jako dźwięki o różnej głośności – jedne będą pięknie wybrzmiewać, podczas gdy inne szybko i głucho zanikać, a jeszcze inne dudnić wręcz zagłuszając pozostałe. Zakolorowanie dźwięku ma znaczenie tylko dla częstotliwości niskich, do 300 Hz, dla nich ilość rezonansów jest niewielka. Dla wyższych częstotliwości liczba modów wzrasta, a odległości między nimi maleją, co powoduje lepszy rozkład fal w pomieszczeniu – dla wyższych częstotliwości charakterystyka częstotliwościowa jest po prostu bardziej równomierna.

Sposobem na zredukowanie występowania tego problemu jest podobnie jak w przypadku flatter echo unikanie projektowania powierzchni odbijających równoległych do siebie, gdyż efekt ten dotyczy pomieszczeń o przekroju prostokątnym.

Pozorne przesunięcie obrazu dźwiękowego

Zjawisko pozornego przesunięcia obrazu dźwiękowego jest związane z ograniczeniami ludzkiego mózgu. Człowiek nie jest w stanie rozróżnić fali bezpośredniej od fali odbitej, jeśli opóźnienie pomiędzy nimi jest zbyt małe. Dla opóźnień z przedziału 1 ms do 5 ms pojawia wrażenie rozszerzenia postrzeganego źródła dźwięku, występuje wtedy również doznanie słyszenia źródła z punktu odbicia. Należy wspomnieć, że absolutny limit postrzegania dla odbić wynosi ok. -30 dB w odniesieniu do poziomu źródła. Odbicia z opóźnieniami dłuższymi niż 5 ms, ale krótszymi niż 30-80 ms wciąż pozwalają słuchaczowi na prawidłową lokalizację źródła dźwięku i miejsca jego odbicia. Zwiększają za to poczucie przestrzenności pomieszczenia.

Z tego wynika, że każdy układ zestawów głośnikowych (gdyż ich przede wszystkim dotyczy problem) powinien być optymalizowany pod kątem najlepszego odtworzenia źródeł pozornych. Liczba odbić poniżej 5 ms powinna być maksymalnie mała – różnica pomiędzy sygnałem dochodzącym z kolumn oraz jego odbiciem musi być jak największa.

Ogniskowanie dźwięku

Ogniskowanie dźwięku pojawia się w przypadku wklęsłego ukształtowania powierzchni odbijającej (np. kopuła sufitu, owalny kształt pomieszczenia). Nieprawidłowy projekt pomieszczenia powoduje, że fale odbite od tych powierzchni ogniskują się w jednym punkcie, tworząc miejsce, w którym poziom dźwięku jest bardzo wysoki. Kolejnym efektem ogniskowania się dźwięku w jednym punkcie są tzw. „dead spots” związane z niedoborem fal odbitych w pozostałych punktach pomieszczenia. Takie obszary o niskim natężeniu dźwięku powodują niedostateczną słyszalność.  Zasady odbicia promieni dźwiękowych są takie same jak w optyce.

źródło: https://brasil.cel.agh.edu.pl/

Jak wyeliminować wady akustyczne?

Stworzyliśmy formularz doboru akustycznego aby ułatwić Ci wybranie rozwiązań dostosowanych do dokładnie Twoich potrzeb. Nasi eksperci bezpłatnie dokonają analizy Twoich pomieszczeń odsłuchowych i zaproponują Ci gotowe rozwiązania.

Formularz znajdziesz na naszej stronie – dobór ustroju.