Введение

Комнатные резонансы — это набор резонансов, возникающих в помещении при воздействии на него акустического источника, например, громкоговорителя. Большинство помещений имеют основные резонансы в диапазоне от 20 до 200 Гц, причем каждая частота связана с одной или несколькими из размерностей помещения или их делителями. Эти резонансы влияют на низкочастотный и низкосреднечастотный отклик звуковой системы в помещении и являются одним из основных препятствий для точного воспроизведения звука.

Механизм комнатных резонансов

Ввод акустической энергии в помещение на модальных частотах и кратных им частотах вызывает образование стоячих волн. Узлы и пучности этих стоячих волн приводят к тому, что воспринимаемая громкость конкретной резонансной частоты различается в разных точках комнаты. Эти стоячие волны можно рассматривать как временное накопление акустической энергии, поскольку для их формирования требуется определенное время, и также требуется время для затухания после прекращения действия источника звука.

Минимизирующий эффект комнатных резонансов

Комната с преимущественно твердыми поверхностями будет характеризоваться высоким Q-фактором и резко выраженными резонансами. Для подавления таких резонансов в помещение можно добавить звукопоглощающие материалы, которые работают за счет более быстрого рассеяния накопленной акустической энергии. Чтобы быть эффективными, поглощающие материалы с пористой структурой должны иметь толщину, равную примерно четверти длины волны, если они размещены на стене. На низких частотах, с их большой длиной волны, это требует очень толстых поглотителей. Поглощение происходит за счет трения движения воздуха о отдельные волокна, при этом кинетическая энергия преобразуется в тепло. Следовательно, материал должен иметь оптимальную "плотность" с точки зрения упаковки волокон. Если волокна слишком рыхлые, звук будет проходить сквозь материал, а если слишком плотные – произойдет отражение. С технической точки зрения, это вопрос согласования импедансов между движением воздуха и отдельными волокнами. Стекловолокно, используемое для теплоизоляции, очень эффективно, но должно быть достаточно толстым (возможно, от 10 до 15 см), чтобы избежать неестественно "глухого" звучания на высоких частотах и сохранить "гулкость" на низких, обеспечивая поглощение в широком диапазоне частот. Занавески и ковры эффективны только на высоких частотах (например, 5 кГц и выше). В качестве общего правила, звук распространяется со скоростью один фут в миллисекунду (344 м/с), поэтому длина волны ноты 1 кГц составляет около фута (344 мм), а 10 кГц – около дюйма (34 мм). Даже 15 см стекловолокна оказывает незначительное влияние на 100 Гц, где четверть длины волны превышает 60 см, поэтому добавление поглощающего материала практически не влияет на самый низкий басовый диапазон (20–50 Гц), хотя может значительно улучшить звучание в верхнем басовом диапазоне выше 100 Гц. Открытые апертуры, рассеивающие цилиндры (большого диаметра и обычно высотой со стену), тщательно подобранные и размещенные панели, а также неправильная форма помещения – это другие способы поглощения энергии или разрушения резонансных мод. В случае поглощения, как, например, в больших пенополиуретановых клиньях, используемых в безэховых камерах, потеря энергии происходит в конечном итоге из-за турбулентности, когда сталкивающиеся молекулы воздуха преобразуют часть своей кинетической энергии в тепло. Демпфированные панели, обычно состоящие из листов твердого материала между стекловолоконными баттами, используются для поглощения баса, позволяя поверхности панели двигаться и поглощать энергию за счет трения о батты. Если комната строится, можно выбрать ее размеры таким образом, чтобы ее резонансы были менее заметны. Это достигается путем обеспечения того, чтобы резонансы комнаты не совпадали по частоте. Например, в кубической комнате будут три резонанса на одной и той же частоте. Эквалайзер звуковой системы для компенсации неравномерной частотной характеристики, вызванной резонансами помещения, имеет ограниченную эффективность, поскольку эквализация работает только для одной конкретной позиции прослушивания и может ухудшить звучание в других позициях. Кроме того, сильное усиление баса с помощью эквалайзера может значительно уменьшить динамический диапазон звуковой системы. Некоторые производители в настоящее время предлагают сложное оборудование для настройки помещений, которое требует прецизионных микрофонов, сбора большого объема данных и использования компьютерной электронной фильтрации для реализации необходимой компенсации модальных характеристик помещения. Существуют споры относительно целесообразности улучшения звучания в обычных комнатах, учитывая высокую стоимость этих систем.

Концертные залы

Очень большие помещения, такие как концертные залы или крупные телевизионные студии, имеют основные резонансы, частота которых значительно ниже, чем в небольших помещениях. Это означает, что плотно расположенные гармонические резонансы, вероятно, будут находиться в низкочастотном диапазоне, и, следовательно, частотная характеристика, как правило, более равномерная.