Тема акустического дизайна, вообще говоря, очень широка, почти бесконечна. Однако если говорить о задачах, которые решаются с его помощью, то на первое место выходит одна, основная: позволить человеку услышать то, что звучит на самом деле.

На первый взгляд такая формулировка может показаться странной, ведь мы обычно считаем истинным то, что слышим. Но в этом и заключается суть вопроса. Между источником звука и нашими ушами обычно находится промежуточная среда, которая способна воздействовать на проходящий звук. Например, если вы крикнете на опушке леса «ау», то наверняка услышите собственное эхо, возможно даже два-три раза. Но вы-то знаете, что крикнули только один раз. И что теперь считать истиной?

Истина в том, что источник, то есть вы, произвел только один звук, а все остальное добавило акустическое окружение. Оно сопровождает нас везде, изменяясь в соответствии с местными физическими условиями. А поскольку современный человек большую часть жизни проводит в помещениях, то именно условия распространения звука в помещениях интересуют нас в первую очередь.

Звуковые волны, как и всякие другие, распространяясь от источника, натыкаются на различные препятствия и взаимодействуют с ними тем или иным способом: поглощаются, преломляются, отражаются. Кроме того, некоторые препятствия звук огибает или проходит насквозь. Сумма всех указанных взаимодействий и формирует то самое акустическое окружение, которое определяет конечные характеристика звука, достигшего ваших ушей.

В этом смысле очень уместно провести наглядное сравнение с поведением световых волн. Представьте, что вы находитесь в комнате с прозрачными стеклянными стенами. Для определенности будем считать, что источник света находится внутри. Свет проходит их насквозь, не задерживаясь, и вам может показаться, что никаких стен вообще нет. Наверное, это некомфортно, да и освещения будет недостаточно. Если все стены сделать изнутри зеркальными, то источник света, вы сами и все, что рядом, отразится столько раз, что этого будет достаточно для полной пространственной дезориентации. Особо чувствительные могут даже упасть в обморок. Если покрасить стены в черный цвет, то вы будете видеть только наиболее светлые окружающие предметы, и к тому же практически не сможете оценить масштабы комнаты, поскольку свет будет поглощаться черным покрытием. Если сделать стены белыми, то из-за сильного рассеянного отражения будет видно все, но чересчур ярко, и глаза быстро устанут. Зато в случае использования покрытий умеренно ярких цветов, а также картин на стенах и различных драпировок, вашим глазам будет обеспечен наибольший комфорт.

Так же обстоит и со звуком. При направленном его отражении от стен вы услышите гораздо больше источников звука, чем есть в действительности, и они все перепутаются в силу того, что отражения будут запаздывать по времени относительно реального источника. При чрезмерном поглощении будет затруднена оценка масштаба окружающего пространства, и даже обычный человеческий голос будет казаться искусственным в силу неестественности звуковой среды. При сильном рассеянии звука точность восприятия пострадает в меньшей степени, но ваш слуховой аппарат довольно быстро утомится.

И только при некоторой оптимальной комбинации процессов отражения, поглощения и рассеивания в данном акустическом окружении ваш слух сможет наиболее полно, точно и с комфортом воспринимать звуковой сигнал, передаваемый источником. Для различных применений акустическое окружение может быть различным. Например, контрольная комната звукозаписывающей студии, музыкальный салон или зал кинотеатра предъявляют различные требования к акустике, однако все эти задачи решаются применением схожих методов расчета и проверенных на практике технических решений.

Нахождение этой «оптимальной комбинации» акустических свойств среды – и есть задача акустического дизайна.

Фундаментальные принципы акустического дизайна

Jorge Castro: Что же такое акустическая подготовка?

Джордж Кастро родился в Португалии, окончил Политехнический Институт по специальности «Звукоинженерия», продолжил образование в Солфордском Университете (Манчестер) по специальности «Звуковая акустика», соучредитель компании Vicoustic, где в настоящее время он занимается вопросами ассортиментной политики.

Йорг рассказал нам о некоторых фундаментальных принципах акустической подготовки и проблемах, с которыми сталкиваются студии при подборе материалов для комнат прослушивания, а также о некоторых способах решения этих проблем, позволяющих создать высококачественное акустическое окружение.

Зачем вообще покупать звукопоглощающие материалы?

Разумеется, должны быть причины, заставляющие вкладывать деньги в акустическую обработку помещений, да это и просто необходимо, для того чтобы обеспечить наилучшую работу звуковых систем, которыми мы пользуемся повседневно. Однако на самом деле важнейший вопрос, который перед нами стоит, лишь один: а зачем вообще как-то влиять на звук? Прежде чем на него ответить, давайте сначала разберемся в основных характеристиках звука и его поведении в замкнутом пространстве – будь то студия, домашний кинотеатр или оперный театр.

Несмотря на то, что редко кто задумывается о звуке с научной точки зрения, многие из нас наверняка хотя бы раз в жизни бывали в таком помещении, при входе в которое возникала мысль: «Какой же ужасный тут звук». И мы сейчас говорим не о каких-то там музыкальных стилях, нет, речь идет о внутреннем ощущении, что здесь вообще со звуком что-то не так: слишком длинное эхо, звук путаный или просто сбивающий с толку.

Причина этого в том, что звук ведет себя почти так же, как свет, попадающий в комнату через окно. Он распространяется не только по прямой линии, освещая пол или стену напротив окна, как можно было ожидать. Вместо этого он полностью освещает помещение и даже проникает в другие комнаты. Так же и со звуком. Где бы ни находился источник, звук заполняет всю комнату целиком, распространяясь во всех направлениях. Он даже пробирается в другие комнаты сквозь стены, пол и потолок, потому что звуковые волны способны проходить сквозь любые твердые, жидкие и газообразные вещества. Таким образом, акустическая подготовка – это всего лишь способ воздействовать на звук с помощью физических свойств того помещения, где он был порожден. Поэтому клиенты и покупают продукцию для акустической подготовки помещений. Для этого компании-производители разрабатывают материалы, изменяющие физические свойства этих помещений таким образом, чтобы в итоге получались комнаты с правильным распространением звука, обеспечивающие ясность речи и целостность звучания музыки.

Улучшая свойства помещения, мы в действительности пытаемся устранить такие акустические изъяны, как сильные отражения, пульсирующее эхо, излишняя реверберация и стоячие волны.

Низкие частоты – стоячие волны

Волновой резонанс, обычно возникающий на низких частотах, – это известное акустическое явление, проявляющееся тогда, когда длина звуковой волны точно соответствует длине помещения, или половине его длины. В этом случае волны, отражаясь в обратную сторону от поверхностей, совпадают по фазе с приходящими волнами. Отраженные звуковые колебания располагаются параллельно первичным, поэтому они легко суммируются, чем, собственно, и порождают резонанс. Резонирующие волны всегда громче, чем породившие их колебания, им требуется больше времени для затухания, отчего в звуке создается полная путаница (особенно, если мы говорим о прямоугольном помещении, то есть таком, в котором имеется, по крайней мере, 6 отражающих поверхностей).  

Можно с уверенностью сказать, что 90% проблем в звучании комнат связано с неуправляемыми низкими частотами. Типичная домашняя студия обычно небольшого размера, а чем меньше комната, тем выше расположен ее низкочастотный предел, или граничная частота (то есть, самая низкая частота, на которой возможно самовозбуждение). Например, для комнаты длиной 6 м граничная частота составляет 28 Гц.

Это значение легко вычислить самостоятельно, вспомнив, что частота прямо пропорциональна скорости звука и обратно пропорциональна длине волны, или удвоенному линейному размеру помещения, если речь идет о расчете граничной частоты. Двойной размер комнаты в расчетах используется потому, что резонансное возбуждение происходит даже в том случае, когда длине комнаты соответствует только один полупериод колебания. Или, иными словами, когда длина волны ровно в два раза превосходит размер помещения. Если же помещение будет иметь размер меньше полупериода колебания, то на данной частоте возникновение резонанса невозможно, поскольку в комнате формируется так называемая зона давления. Иными словами, отсутствуют уравновешивающие друг друга зоны положительного и отрицательного давления, которые и создают стоячие волны.

Граничная частота:

Такие помещения обычно имеют:

-     значительные модальные резонансы;

-     слишком большие промежутки между модальными частотами.

Самое время прояснить, о чем идет речь, и что же такое «модальный резонанс». Обычные помещения, как правило, имеют не менее шести отражающих поверхностей. Реальный звук состоит из множества частот, которые, вдобавок, распространяются в самых разных направлениях. Вследствие этих причин резонансы могут возникать на разных частотах и по разным направлениям. Кроме того, они могут возникать вследствие последовательного отражения волн от нескольких поверхностей. Если звуковая волна будет возвращаться к своему источнику в той же фазе, какую она имела первоначально, то резонанс проявится обязательно. Это, если хотите, – необходимое условие его возникновения. Практически невозможно даже представить, сколь много различных простых и комбинированных отражений звука в обычном помещении будут удовлетворять этому условию. Каждой такой отражательной комбинации соответствует определенная частота, на которой будет возбуждаться резонанс.

Если энергия звуковых волн в помещении поглощается достаточно слабо, то короткий звуковой импульс от источника первоначально будет распространяться по всем направлениям (в геометрическом смысле). Из всех направлений распространения волн будут усиливаться лишь те, которые соответствуют резонансным частотам. Прочие направления будут быстро затухать. Через некоторое время, когда «нерезонансные» направления угаснут, в помещении останется звуковое поле, представляющее собой сумму возбужденных резонансов. Такие резонансные направления называются естественными модами помещения, а резонансные частоты – естественными частотами помещения. Все они обусловлены геометрией помещения.

Если говорить о реальном звуке, то резонансные моды также возникнут и будут поддерживаться в устойчивом состоянии за счет энергии источника. Истинный звуковой сигнал всегда будет смешиваться с резонансными частотами, в результате чего слушатель будет воспринимать измененный звук. Причем сам характер этого слышимого изменения будет зависеть от пространственного расположения слушателя внутри помещения.

Таким образом, мы пришли к пониманию того, что объем, форма и размеры студии очень важны, они напрямую определяют качество воспроизведения низких частот. Для того чтобы обеспечить равномерное распределение комнатных мод, целесообразно использовать помещения, в которых линейные размеры соотносятся между собой в соответствии с пропорциями «золотого сечения».

Основные проблемы возникают с низкими частотами, именно с ними труднее всего справиться. К сожалению, обычные поглощающие материалы, размещенные по углам, тут не помогут.

Каждый образец материала имеет собственные сильные и слабые стороны, поэтому очень важно в первую очередь анализировать поведение звука, как он рассеивается на данном материале, как взаимодействует изменение давления с установившимся акустическим режимом, то есть, с комнатными модами. Ведь звуковые волны распространяются посредством частиц воздуха – каждая молекула подвергается давлению и получает ускорение. Это приводит к возникновению чередующихся областей сжатия и разрежения, и это именно тот фактор, на котором мы должны сосредоточиться при поиске решения.

В самом деле, одни материалы ведут себя лучше при работе в зоне сжатия, а другие – в области разрежения, когда частицы воздуха имеют высокую скорость. Вот почему особенно важно понять разницу между различными способами поглощения, которые будут более или менее эффективны в том или ином случае. Мы знаем, что мембраны и резонаторы Гельмгольца лучше работают в зонах давления, а пористо-волокнистые материалы имеют больший эффект в тех зонах, где частицы воздуха достигают наивысшей скорости перемещения.

Поэтому Vicoustic и создает гибридные многофункциональные поглощающие материалы, которые размещаются в одном и том же месте, но работают одновременно в различных режимах.

Например, Super Bass Extreme – это акустическая панель «3 в 1»: одна мембрана и два слоя пены высокой плотности с микроперфорацией. При правильном применении результат может быть впечатляющим.

Для лучшего контроля частотного баланса в студиях, технологические решения, относящиеся к управлению низкими частотами, были усовершенствованы так, чтобы воздействовать только на низкие частоты, не влияя на остальной спектр. Для этого мы используем совместно с Super bass Extreme нашу систему Wavewood.

Отражение

Отражение звука – это акустический феномен, который возникает в любом помещении независимо от его формы и размера, когда звуковая волна сталкивается с любой поверхностью.

Как уже было отмечено ранее, звуковая волна не перемещается от источника к слушателю по прямой. Волны распространяются в различных направлениях и, сталкиваясь с препятствием (например, со стеной), отражаются, создавая «встречные волны», как если бы это был звук, исходящий из другого источника.

Результат этого явления несложно представить. Вместо чистого звука слушатель будет воспринимать жуткую смесь, исходящую теперь не только из его стереосистемы, но и от всей комнаты целиком.

Самое очевидное последствие этого явления – эхо, при котором отраженный звук явно отличается от звука, распространяемого в это же время основным источником. Чтобы найти решение, ученые задались простым вопросом: «Если проблемы начинаются в момент соприкосновения звуковых волн с ровными поверхностями, и это невозможно изменить, то, что если мы их «поймаем» и остановим, или хотя бы ослабим?»

Ответ нашелся достаточно быстро – размещение на определенных участках стен и потолков конструкций на основе пены или других специальных материалов, работающих на ПОГЛОЩЕНИЕ энергии звука. Изделия, изготовленные из специальной пены, выступают в роли энергетических конвертеров. Они ловят волны от звукового источника и за счет высокого акустического сопротивления преобразуют их в тепловую энергию, уменьшая силу отражений. За счет этого звук в данном помещении становится значительно более ясным.

Другой способ устранить отраженные волны – РАССЕИВАНИЕ. Наши рассеиватели отражают звуковые волны особенным образом, разбивая их на более мелкие. Меньшая звуковая волна продолжает свое движение в пространстве, но не смешивается с основной волной, уменьшая тем самым акустические искажения.

При правильном применении в помещении акустических рассеивателей, вы сразу почувствуете полновесность и объемность звука. А поскольку идеальное озвучивание относится к эстетическим категориям, наши инженеры совместно с дизайнерами разработали широкий ассортимент рассеивающих панелей на любой вкус. Дизайн может быть любым – функциональность от этого не изменится.

Важно отметить, что комплексные решения для акустической обработки помещений – это всегда комбинация из поглощающих и рассеивающих компонентов.

Одна из распространенных ошибок – полное поглощение всех отраженных волн, что ведет к созданию комнаты с «сухим» звуком. В действительности же важно добиться эффекта присутствия, естественного звука, правильно распределив звуковые потоки. Слушатель должен быть окружен звуком. Для этого нужно конструировать помещения с контролируемым по всему частотному диапазону временем реверберации.

Помещения, где время реверберации менее 0,2 секунды, в большинстве случаев некомфортны – они передают нереалистичные звуковые образы. Помещения со временем реверберации более 0,4 секунды передают звук, близкий к реальности. При проектировании студии мы стараемся сбалансировать показатели времени реверберации, вместо того чтобы пытаться ее полностью контролировать.

Очень важно контролировать отражения между монитором и слушателем, а также рассеивание отражений от любых поверхностей в помещении.

Коэффициент поглощения на боковых стенах между монитором и слушателем должен быть максимально линейным, чтобы не взаимодействовать со звуковым спектром, исходящим от динамика. В частности, отражение средних частот увеличивает энергию звука, исходящего прямо от динамика, и приводит к искажению среднечастотного диапазона. Кроме того, поскольку отраженные волны проходят большее расстояние, чем волны, исходящие непосредственно от динамика, они достигают ушей слушателя в разных фазах, провоцируя фазовые искажения.

Диффузия, или рассеивание – один из основных способов уменьшения отражений от потолка. Поскольку «измельченные» отражения обладают меньшей энергией, у слушателя создается впечатление, что они исходят от удаленного источника. Таким образом создается эффект «пространственности». С целью увеличения эффекта, рассеивание может применяться также на задней стене. Практика показывает эффективность такой техники для студийного применения, в особенности для домашних студий, которые обычно имеют небольшую площадь.

Баланс между поглощением и отражением, очевидно, является ключевым параметром. Правильное расположение соответствующих компонентов способно сделать из домашней студии помещение с непревзойденным качеством звука.

Сегодня, благодаря разработкам новых материалов и исследованиям, направленным на оптимизацию уже существующих, мы можем разрабатывать высокотехнологичные продукты для акустической отделки помещений, соответствующие требованиям профессиональных студий и в то же время доступные для применения в домашних условиях.

Самый большой вызов для нас – это, конечно, контроль низких частот. Около 70% бюджета на акустическую подготовку профессиональной студии уходит на решение именно этой проблемы.

Тщательно подобранные решения для низких частот, линейные поглотители и эффективные рассеиватели позволяют значительно улучшить акустику любых помещений. После того как мы в процессе работы окончательно выясняем поведение звуковых полей, в особенности, в низкочастотном диапазоне, мы точечно размещаем в помещении басовые ловушки, превращая их в чрезвычайно эффективные компоненты системы.

Психоакустические исследования позволяют нам разрабатывать и постоянно улучшать акустические решения для применения в повседневной жизни, создавать естественно звучащие помещения с хорошей акустикой, проектировать комнаты для прослушивания, контрольные и мастеринговые комнаты для студийных нужд. Мы не заглушаем помещения, мы управляем параметрами акустического окружения.