Акустика приміщень
Акустичні дифузори Шредера: погляд зсерединиВ останні роки спостерігається інтенсивний розвиток нових напрямків аудіотехніки, з'являються нові системи просторового звучання (DSP, Surround Sound, бінарна стереофонія тощо), активно розробляються цифрові технології накопичення та обробки звуку. Відповідно до акустичних властивостей приміщень для запису та прослуховування музичного матеріалу пред'являються більш високі вимоги. Йдеться про студії звукозапису, концертні зали, домашні театри, спеціалізовані музичні кімнати. Вимоги до акустичних характеристик студій і музичних кімнат різного призначення, а також технології їх проектування докладно викладені у міжнародних та вітчизняних стандартах, наприклад, European Broadcasting Union Technical Recommendation R22-1998, International Telecommunication Union Recommendation ITU-R1-6. 01-93.
Для розробки акустичного дизайну спеціальних приміщень інженери-акустики мають у своєму розпорядженні всього 3 інструменти: поглинання, відбиття та розсіювання (дифузія) звукової енергії. Звукопоглинаючі панелі та звуковідбивні поверхні (плоські або криволінійні) отримали на сьогоднішній день досить широке поширення. Але застосування одних лише методів поглинання та відбиття звуку не в змозі вирішити деякі акустичні проблеми, що виникають у студійних приміщеннях малого об'єму або у непропорційно широких концертних залах.
На відміну від звуковідбивних та поглинаючих матеріалів, які тільки перенаправляють звукові хвилі або знижують інтенсивність відображень, акустичні дифузори створюють просторову та тимчасову дисперсію звукової енергії. Зсовуючи в просторі і затримуючи в часі ранні відбиття від поверхонь, що захищаються, дифузори можуть змусити маленьку звукозаписну студію звучати, як велике повноцінне приміщення, а слухач, що знаходиться в музичній кімнаті невеликого об'єму, може пережити відчуття, аналогічні відвідуванню старовинного концерту.
До кінця минулого століття у всьому світі різко зріс інтерес до застосування в концертних залах звукорозсіювальних поверхонь. Безумовно, це стимулювало їх застосування у кімнатах для критичного прослуховування та у студійних контрольних кімнатах.
Каталізатором процесу широкого застосування акустичних дифузорів послужили ідеї та розробки професора фізики Геттінгенського університету (Німеччина) Манфреда Шредера (Manfred Schroeder), що опублікував у 1975 році свою фундаментальну роботу на тему розсіяних відображень від поверхонь.
Німецький фізик та математик, професор фізики Геттінгенського університету. З середини 50-х років працює в США в лабораторії Bell Telephone. На початку 60-х років на запрошення уряду СРСР був консультантом з акустики Кремлівського Палацу з'їздів. З сімдесятих — член національного комітету зі стереофонічного мовлення США, член об'єднаного комітету Збройних сил США. Шредер записав через штучну голову звучання 20 концертних залів Європи. У 1991 р. нагороджений Золотою Медаллю Акустичного Товариства Америки. Автор трьох книг та 45 винаходів. Захоплюється мовами, комп'ютерною графікою, катанням на лижах та велосипеді. У 1970-х роках Манфред Шредер зі своїми колегами вивчив понад 20 відомих європейських концертних залів. З'ясувалося, що слухачі сприймають звук у витягнутих в довжину залах краще, ніж у широких. Шрьодер пов'язав це з іншим своїм спостереженням, що глядачеві приємніше слухати сигнали, що злегка відрізняються один від одного, що надходять у ліве і праве вухо, ніж абсолютно ідентичні.
В широких залах ранні відбиття надходять до слухача від стелі. Ці відбиття формують дуже схожі для лівого та правого вуха сигнали. У більш вузьких і довгих залах перші відбиті сигнали надходять до слухача від бічних стін і досить відрізняються один від одного.
Можливо тому багато сучасних концертних залів мають незадовільні акустичні характеристики. Зали воліють робити більш широкими, щоб розмістити більше посадочних місць, а для сучасних систем кондиціювання краще низькі стелі. Для поліпшення акустики таких залів, відбиття від стелі мають бути перенаправлені до стін.
Після проведення цілого ряду досліджень Манфред Шредер запропонував для вирішення даної проблеми оригінальну звукорозсіювальну конструкцію, названу згодом дифузором Шредера.
Фактично, дифузор Шредера являє собою фазову дифракційну решітку, яка розсіює звукову енергію, що падає на неї, в широкому діапазоні частот, навіть при великій величині кута падіння.
Дифузор Шредера складається із серії пазів різної глибини, але однакової ширини, виконаних у корпусі з дерева, MDF або інших листових матеріалів. Розріз типової конструкції дифузора (p=7) зображено рисинку ліворуч. Перегородки, що розділяють сусідні пази, виконуються з жорсткого матеріалу і мають значно меншу товщину в порівнянні з шириною пазів.
Конструкція дифузора заснована на математичній послідовності квадратичних відрахувань (QRD) з теорії чисел, дослідженої А. М. Лежандром та K. Ф. Гауссом. Послідовність визначається наступним співвідношенням:
sn = n2 *modulo(p) (1)
де
sn – послідовність значень відносної глибини пазів дифузора,
n – невід'ємне ціле {0, 1, 2, 3 ...}, яке визначає номер відповідного пазу,
p – просте число {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17...}, яке визначає кількість пазів в дифузорі
(просте число, це відмінне від 0 і 1 число, яке ділиться без залишку тільки на 1 і на самого себе).
Наприклад, підставивши p = 17 і n = 7 у зазначене співвідношення, отримаємо s7 = 49 * modulo17. Modulo17 означає, що число 17 послідовно віднімається з 49 до появи суттєвого залишку. Тобто 17 віднімається з 49 двічі і залишок 15 є відповіддю.
Таким чином, для p =17 маємо наступну послідовність чисел: s17 = 0, 1, 4, 9, 16, 8, 2, 15, 13, 13, 15, 2, 8, 16, 9, 4, 1; 0, 1, 4... Для більших значень n послідовність повторюється періодом n=17.
Фактична глибина пазів конструкції дифузора залежить від значення його проектної частоти fo. Шредер запропонував наступну формулу для розрахунку глибини пазів залежно від обраних значень n і p:
dn = sn * с /(fo * 2 * p) (2) де
dn – глибина пазу з номером n,
fo – проектна частота дифузора,
с – швидкіть звуку в повітрі,
p – просте число (порядок дифузора), який відповідає кількості пазів.
Ширина пазів W постійна і має бути малою порівняно з проектною довжиною хвилі дифузора, тобто значення W<c/(2*fo). Шредер запропонував співвідношення W=0,137*с/fo (Schroeder 1979).
Необхідно відзначити, що встановлене співвідношенням (2) компонування пазів різної глибини забезпечує ширший діапазон частот розсіювання звукової енергії порівняно з дифузорами, що базуються на принципі послідовності максимальної довжини (MLS).
На проектній частоті дифузор має максимальну ефективність розсіювання звукової енергії.
Нижня межа робочого діапазону дифузора flow залежить від розміру найглибшого пазу і має значення приблизно на половину октави нижче за проектну частоту дифузора fo. Верхня межа робочого діапазону fhigh залежить від ширини пазів і не перевищує значення fhigh=c/(2*W). Перегородки, що розділяють сусідні пази, повинні бути виконані з тонкого і жорсткого матеріалу. Насправді товщина цих перегородок має кінцеву товщину t і у розрахунках необхідно замість ширини пазу W застосовувати суму значень (W + t). Діаграма розсіювання звукової енергії одномірного дифузора Шредера має форму напівциліндра. Ця діаграма залежить від кута падіння звукової енергії та підпорядковується закону дзеркального відбиття. На рисунку ліворуч зображені полярні характеристики розсіювання звукової енергії дифузором Шредера (ліворуч) і плоскою відбиваючою поверхнею при нормальному падінні звукової енергії.
Фундаментальні теоретичні роботи Манфреда Шредера дають можливість інженерам-акустикам проектувати та застосовувати на практиці ефективні звукорозсіювальні конструкції із заданими акустичними характеристиками.
У 2006 році фахівці компанії "Акустичні матеріали та технології" (Київ, Україна) розробили технічну документацію на акустичні дифузори QRD 7-го порядку (p=7). В даний час на виробничій базі компанії проводиться збірка двох моделей акустичних дифузорів DS6 і DS12, з розмірами 600х600х220мм і 1200х600х220мм відповідно. Конструкції збираються з високоякісного ДСП "Egger" (Австрія), ламінованого текстурною плівкою, що імітує цінні породи дерева. Крім того, за спеціальним замовленням можуть бути виготовлені дифузори довільних розмірів з заданими характеристиками.
Як ілюстрацію можна навести приклад єдиної в Європі розсувної конструкції дифузора Шредера, змонтованої в референсній кімнаті прослуховування салону з продажу Hi-End техніки "Мюзик Холл" (Київ), а також елементи акустичного оздоблення тон-залу студії звукозапису "Стар" (Київ).
В обох випадках застосування дифузорів дозволило акустично суб'єктивно "збільшити" розмір приміщень. Висновок. Протягом минулого століття акустичне проектування перейшло від старих методів до методів, за допомогою яких наукові дослідження та інженерна практика можна використовувати для збільшення можливостей будівництва акустично-успішних просторів. Історія створення дифузора Шредера відноситься до цього ж періоду часу. Сподіваюся, що вже в найближчому майбутньому нові наукові знання, що базуються на фундаментальних дослідженнях дифузії звуку, будуть впроваджені у практику архітектурно-будівельної акустики. Андрій Смирнов, 2009
Література:
“Diffuse Reflection by Maximum-Length Sequences”, Schroeder, M. R., 1975 "Binaural dissimilarity and optimum ceilings for concert halls: more lateral sound diffusion", M.R.Schroeder, 1979
"Acoustics Absorbers and Diffusers”, T. J. Cox and P. D’Antonio, 2004
“Acoustic residues”, Peterson I., Science News, 1986
|
Рекомендації і технічні статті Акустика офісів Акустика студій та контрольних кімнат Акустика спортивних залів Акустичні дифузори Шредера: погляд зсередини Розташування гучномовців у кімнаті прослуховування та кімнатні моди Корекція акустики музичної кімнати Методологія пошуку оптимального розташування гучномовців Загальні підходи до акустичної обробки КДП, ДК та контрольних кімнат Таємниця акустики яєчних лотків |