UVOD U AKUSTIKU PROSTORIJA
By Nenad Patkovic - NLP

UVOD U AKUSTIKU PROSTORIJA ZA KRITIČKO SLUŠANJE

Nenad Patković, Slovenija

 

Što je namjena dobre akustike?

Akustika prostora za kritičko slušanje je krajnje značajan elemenat komunikacije sa slušaocem, koji bi morao da čuje čim neutralniji zvuk, kojeg onda može da pouzdanije analizira i naknadno manipulira sa njime.

Namjena takvog prostora je čim veča univerzalnost koja nekako mora da omogučava čim veču translaciju zvučnog produkta u drugačije domače prostorije, ambijente (... i na različite medije u različitim formatima).

Prostorije imaju same po sebi neke specifičke fizikalne osobine koje posledično utječu na zvuk i njegovo ponašanje u njemu. Prostori uzrokuju u zvučnoj slici ogromne frekventne i reverberacijske devijacije (i po 50dB razlika), koji sprečavaju analitično slušanje.

Prostor koji bi omogučavao analitički rad je namjenjen profesionalcima koji se bave sa zvučnom produkcijom. To im je glavni i poglavitni alat za uspješniji rad. Zato je treba zvuk u prostoru nekako kontrolisati. Ima raznih principa, više  i manje uspješnih.

Iako je to logično u stvarnosti nije uvijek tako. Premnogo audio profesionalaca ulažu prevelike svote u elektroničku studijsku opremu i nikad se ne pobrine, da bi si akustički sredili radni prostor/ambijent.

Kako bi recimo biolog bez primernog laboratorija mogao raditi ili slabovidan taksist pouzdano voziti bez odgovarajucih naocara...

Ovdje ne dolaze u obzir sprave i »svemoguči« korekcijski ekvilajzeri sa »inteligentnim algoritmima«, ta ideja i nije nova nego se vuče več kroz cijelu historiju akustike...

Taj način dozvoljava samo fini tuning za par decibela pa i onda je pitanje, da je čovjekov mozak najbolji »algoritam«. Ali treba mu svejedno pomoči jer nije svemoguč.

Svako omijenjeno područje o kojem se ovdje priča može da bude cjela znanost za sebe. To su stvarno samo osnove koje bi nekako morao znati svaki profesionalan zvučni inženjer.

Šta je uopšte u biti zvuk?

Zvuk je mahaničko valovanje koje se širi kroz dani medij (plin, tekučina, čvrsto telo). Zvuk se širi kroz medij kao promjena tlaka zbog titranja molekula medija. Kroz plin i tekučinu se širi longitudinalno, to si možete predstavljati kao kretanje crva, koji se pomiče pomoču skupljanja i rastezanja tijela.

 

 Izvor: http://blog.modernmechanix.com/2007/07/24/neon-lamp-traces-sound-waves-picture/

 

Zvuk možemo opisati/definisati pomoču frekvencije i amplitude zvučnog tlaka. Frekvencija je povezana sa visinom tona a amplituda sa glasnoćom.

Amplituda je prikazana kao y a frekvencija je broj titraja u nekom vremenskom intervalu/sekundi.

Izvor: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/Wave-i18n.png


Nas ovdje zanima zvučno valovanje frekvencija koje može čovjek fizički da percepira a to je negdje između 20Hz i do 20.000Hz.

Ali sa godinama ljudsko uvo slabi tako da taj podatak je relevantan za malu djecu, za starije je realan podatak do možda negdje 16.000Hz.

Zvuk i sa njim povezane fizikalne pojave proučuje akustika a subjektivno doživljavanje zvuka psihoakustika.

 

 

Što je akustika?

To je fizikalna znanstvena grana koja se bavi sa fiziološkimi i fizikalnimi pojavama u zraku (pa i u tekučini i čvrstom tijelu). U širem značaju je ekperimentalna i teoretska znanost o zvuku i njegovom širenju, u užem značaju pa znanost koja se bavi sa zvukom u pojedinim prostorijama kao što su sobe, kazališta pa i otvoreni prostori (amfiteatri, pozornice za živi zvuk...).

Akustički inženjering se bavi načinima upravljanja sa zvukom u arhitekturi i gradilištu. Proučava savladanje odjeka zvuka, zvučnu izolaciju i smanjivanjem buke i vibracija.

Kako se ponaša zvuk u zatvorenim prostorijama?

Valovanje zvuka u zatvorenom prostoru rađa modalne frekvencije, koje su u biti rezonirajuče frekvencije dotičnog prostora.

Sa prostom Rayleighovom jednačinom mogu se izračunati osnovne aksialne modalne frekvencije:

f = c/2L

frekvencija je brzina zvuka (oko 343m/s) podijeljena sa dva puta visinom, širinom ili dužinom prostora.

Ne smiju se zanemariti ni harmonici osnovnih modalnih frekvencija.

Modalne frekvencije i refleksije

 Aksialne refleksije                        Tangencialne ili prečne                   Oblique ili posredne refleksije

Izvor: http://www.marktaw.com/recording/Acoustics/AcousticsCrashCourse1-Mod.html

 

Najmočniji i najznačajniji su aksialni modovi koji nastaju uzmeđu suprotnih paralelnih površina. Za polovinu slabiji su tangencialni modovi a još za pola slabije su posredne refleksije (ili četvrtina moči aksialnih). Tangencialni modovi uključuju kombinaciju četiri površina a posredne su kompliciranije za opisati i uključuje svih šest površina prostora.

To ne znači da se tangencialni i posredni modovi ne uzimaju u obzir kod projektiranja prostorija iako su manje dominantne od aksialnih!

Jedan solidan kalkulator za izračun modova prostora:

http://www.marktaw.com/recording/Acoustics/RoomModeStandingWaveCalcu.html

 

  

 

Preporučene ili prihvatljive proporcije dužina prostora

Znanstvenici se več mnogo desetlječa bave, da bi izračunali idealne proporcije stranica prostorija. Dakako tih nema ali imaju neke više optimalne ili još bolje rečeno preporučene  ili prihvatljivije. Pioniri su bili Volkmann i Boner a najznačajni Sepmeyer, Louden i Bolt a u današnja vremena Dr. Trevor Cox i Dr. Peter D'Antonio, koji su i vodilni teoretički akustici.

Ima više principa i teorija kako su dolazili do izračuna proporcija, a najosnovnija poanta je u tome, da se dobiju proporcije koje omogučavaju da su modalne frekvencije i harmonici jednakomerno međusobno raspoređeni i udaljeni na frekventnoj skali te da se modovi ne udvostručuju (dve dužine prostora jednake) ili još gore i prava anatema u akustici je kocka u kojoj se modovi čak potroje.

 

Izvor: Alton F. Everest Master Handbook of Acoustics - Boltonovo područje.

 

Ako je veči prostor, manje je to značajno ali na žalost kao što znamo skoro uvijek se sobe za kritičko slušanje prave u malim prostorima.

Ovdje su napisane samo najpopularnije:

L. W. Sepmeyer: 1965 - 1:1.14:1.39.

M. M. Louden: 1971: Best ratio as per Louden - 1:1.4:1.9

Novije kalkulacije i istraživanja Dr. Trevor Coxa i Dr. Peter D'Antonia su pokazala još druge rezultate i dakako svodi se da je značajan i volumen prostora.

Izvor: http://www.acoustics.salford.ac.uk/acoustics_info/room_sizing/?content=best

 

Na toj stranici može se i skinuti excelova tabela sa rezultatima za različite kubikaže prostora između 50 - 200 m3.

... ali na žalost to valja samo za prostorije koje če se namjenski graditi ili prerađivati a ne za one koje su več sagrađene i ne smiju ili ne mogu se  predimenzionirati.

Napomenuo bih i to, da je na račun boljih proporcija postoječih prostorija sa preuređivanjem žrtvovati kubikažu prostora vrlo trivijalno...

Te proporcije važe samo za pravougaone prostore ako su prostorije drugačijih oblika još uvijek če imati specifičke modove ali če ih biti težko predvidjeti ili izračunati.

Zato su i priporučljivi pravougaoni prostori zbog svoje predvidljivosti. Nekako se nizke frekvencije vrlo rado nabiru u svim možnim kutovima.

Izvor: Alton F. Everest Master Handbook of Acoustics

 

Još detajlnije grafički si možete prikazati kako se nabiru niske frekvencije koristeči ovu stranicu:

http://www.hunecke.de/en/calculators/room-eigenmodes.html

 

 

 

Koje se anomalije pojavljuju u zatvorenim prostorijama?

Akustičke anomalije su pouzročene zbog zvučnih odboja ili refleksija od svih površina prostora. Iznad 300Hz su razpoznavne kao eho ili odjek, naprave neki specifičan ambijent dotičnog prostora. Izpod 300Hz se zvučni valovi isto odbijaju po prostoriji i sasvim iznakažu frekvenčnu zvučnu sliku u nizkim regijama, koju je dosta težko kontrolisati i treba znanje i iskustva.

Dakako u obzir sad ne uzimamo drugih smetnji iz okoline (buka, vibracije).

Modalno zvonjenje: je rezonanca i prirodna posledica osnovnih modalnih frekvencija, koje su definisane dimenzijama prostora. Kad se pojavi zvučna energija blizu tih rezonancijskih modova, prostor se uzbudi i tendira da uztrajno rezonuje na tim frekvencijama. Kao neke vrste reverb na nizkim frekvencijama.

Flutter echo: ili "Slap echo" vrlo brzi ponavljajuči eho-odjek (asocijacija ping pong efekat), koji nastane među dvema paralelnim ravnim površinama. Uglavnom je to brzi odjek u višim frekvencijama (test: pljesak u pravouganom prostoru sa rukama).

Comb filter: je akustička interferenca, kada se nešto zakasnjeni zvučni signal sretne u prostoru sa svojim jednakim odbijenim signalom. Pojavljuje se uz reflektivne površine prostora gdje se mogu refleksije sa zamikom sudarati sa originalnim zvukom. Dolazi do ojačenja i izničenja/nultiranja signala i dakako do svih stanja/opcija između (fazni zamaki). Te devijacije se pojavljuju u jednakomernim intervalima. Na frekvencijskoj slici izgleda kao češalj odande i poimenovanje.

 

Izvor: www.realtraps.com - različiti fazni zamaki.

Izvor: www.realtraps.com - comb filter prikazan na frekventnoj na slici.

 

Za dodatnu informaciju: do anuliranja dolazi kad je udaljenost izvora zvuka od stene na Ľ valne dužine frekvencije odnosno kod neparnih sadržaoca (višekratnika). Do pojačanja dolazi kod parnih sadržaoca (višekratnika).

Stoječi talasi: su valovi koji doslovno stoje u prostoru. Nastanu tako da se dva jednaka i nasuprotna valova sretnu odnosno interferiraju, tako nastane stojni val.

Za odličan grafički prikaz savjetujem ovu spletnu vezu: http://www.walter-fendt.de/ph14yu/stwaverefl_yu.htm  i ovu: http://id.mind.net/~zona/mstm/physics/waves/interference/waveInterference3/WaveInterference3.html

 

 

Primjer akustički netretiranog i tretiranog prostora:

modalno zvonjenje kad je prostor poptuno akustički netretiran i kad je dodano nekoliko apsorbera...

 

Izvor: http://www.ethanwiner.com/acoustics.html

 

Još jasniji primjer - prije akustičkog tretmana:

 

 

Posle akustičkog tretmana:

 

Izvor: http://www.gikacoustics.com/education_case.html

 

 

 

Što u osnovi napraviti?

- Spriječiti stoječim talasima i akustičkim interferencijama, da utiču na frekventni odziv prostora.

- Izminimalizirati modalno zvonjenje u malim prostorijama i sniziti odjek u velikima.

- Apsorbirati i/ili difuzirati zvuk u prostoru, da se izbjegne modalno zvonjenje i flutter eho te tako poboljšati zvučnu sliku.

- Zvučno se izolirati od okoline, da ne utječe na naše slušanje i da istodobno ne afektiramo okolinu.

 

Akustičke distorzije u prostoru i predlagani principi njihovog rješavanja

FREKVENCIJA

AKUSTIČKE DISTORZIJE

 

PROBLEM

PREDLAGANO RJEŠENJE

Izpod 200 Hz

 

 

 

Modalne rezonance

1. Dimenzija prostora

2. Lokacija slušatelja i izvora zvuka

3. Apsorpcija

 

Speaker-Boundary

Interference

1. Lokacija slušatelja i izvora zvuka

2. Apsorpcija

Iznad 200 Hz

 

 

 

Comb Filtering

1. Apsorpcija

2. Difuzija

3. Lokacija refleksivnih površina

 

Slaba difuzija

1. Difuzija

2. Refleksija

3. Lokacija akustičnih elemenata

Izvor: www.rpginc.com 

 

Kako se razprostiru nizke frekvencije u prostoru?

Nizke frekvencije se veoma težko lokaliziraju u prostoru, ne može se pouzdano ustanoviti od kuda realno potiču jer su previše omnidirekcionalne.

Na slici izpod se može vidjeti kako obično zrače frekvencije iz klasičnog zvučnika.

Izvor: http://www.realtraps.com/art_front-wall.htm  

 

 

 

Zašto prostori za kritičko slušanje tako čudno izgledaju?

Jedna vrsta takvih prostora su u studijima kontrolne sobe. Drugačije su od uobičajenih prostora jer je treba iskrivljenu zvučnu sliku uravnotežiti. Za te nemjere se upotrebljavaju akustički elementi koji i vizualno utječu na prostor. Elementi se mogu i zakriti...

Treba je u glavnom dostiči :

- čim veču frekventnu linearnost (i faznu...)

- zagotoviti ako nam volumen dozvoljava neki zdrav odjek kroz čujni spektar 0,2-0,4sekunde.

- još bi se našlo...

 

 

 
 
 
 
 

 

 

 

 

Osnovni akustički elementi:

Apsorberi:

služe da upijaju zvuk. Mogu biti targetirani na specifična problematična frekvencijska područja - uzkopojasni ili da utiču na čim širu frekvencijsko područje - širokopojasni.

Šta apsorber zapravo radi:

pretvara zvučnu kinetičku energiju u toplotnu tako da se vlakna ili otvorene čelije apsorpcijskog materiala muđusobno trljaju. U teoriji najbolje apsorbuju materijali koji imaju vlakna ili čelije dosta elastične, kao staklena vlakna, poliesterska vuna, akustička pjena (ali je premala gustoča...) ... jer uspješnije pretvaraju kinetičku zvučnu energiju u toplotnu.

Kao materijal za apsorpciju koristi se i pamučna vuna, vuna životinja, drvena vuna... sve što može da postane vlakno i otvorenocelična pjena.

I membrana (metal, drvo, plastika...) apsorbuje zvuk ali na principu da sa vlastitom rezonancijom rezonuje na dotičnoj frekvenciji...

 

   



Difuzori:

u biti je to svaka geometrijska nepravilnost koja uzrokuje da se zvuk u prostoru rasprši, rastjera, refleksije se raspršuju i oslabljuju. Difuzor i nekako psihoakustički poveča prostor, više nego što je stvarno fizički velik.

Struktura difuzora bi trebala da omogući da se čim više zvučne energije razbije u čim više smjerova po prostoru i vremenu.

Difuzora ima mnogo vrsta od običnih jednostavnih geometrijskih oblika pa sve do vrlo komplikovanih struktura temelječi se na doređenim matematičko fizikalnim proračunima, modelima i testiranjima... hibridnih pa do posve nelogičkih koje samo »sami konstruktori znaju« kako funkcionišu... (barem samo njima)...

Difuzori zvuka su teoretički dosta komplikovano područje.

  

 

  

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Psihoakustika

Znači kako čovjek subjektivno doživljava zvuk. To što čujemo nije samo mehansko djelovanje uva nego i to što naknadno procesira mozak.

Znači kombinacija obojega plus još kakve asocijacije, preferencije, iskustva individuuma, vežbanje/učenje i slično.

Pa i to, ne čujemo samo sa ušima, nega sa cijelim tijelom od glave do pete na nogi.

Jedan intresantan video: http://www.ted.com/talks/evelyn_glennie_shows_how_to_listen.html

 

Izvor: http://www.kfs.oeaw.ac.at/content/blogsection/15/377/lang,8859-1/

 

Zadnjih nekoliko godina se govori i o sposobnostima, da čovjek čuje i frekvencije mnogo iznad 20.000Hz:

http://www.cco.caltech.edu/~boyk/spectra/spectra.htm

http://www.kraske.ch/bilder_produkte/townshend/the_why_and_how_supertweeters.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/Hypersonic_effect

http://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_hearing

... ali to je več preduboko područje i znanstvenici ne nađu nek zajednički jezik.

 

Kako čovjek realno čuje zvuk?

Zvuk kojeg čuje čovjek nije nikako frekvnetno linearan. Ovdje je podana Fletcher-Munsonova krivulja. Čovjek je specializiran, da najbolje čuje oko 500-6000Hz a to je područje gdje se nalazi i večina frekvencija ljudskog govora.

 

Izvor: http://www-ti.informatik.uni-tuebingen.de/~tiw3/mmtp/aufgabe4/flmun.gif

 

Izvor: http://en.wikipedia.org/wiki/Psychoacoustics

 

Problem ili izazov!?

Kako sad neki prostor srediti, da može čovjek čuti nekoloriran zvuk sa strane sobe i čim više neutralno predvajan zvuk iz zvučnika?

Zvuk je sproduciran u specijalnima prostorima, koji su sasvim drugačiji od domačih prostorija gdje slušamo glasbu ili u autu ili u supermarketu kad nakupujemo...

Kako sada dostiči čim bolju translaciju zvuka iz jednog prostora u drugi?

Pa baš sa tim se bavi akustika i psihoakustikaJ

 

P.S.: možda jednog dana kada potpuno preskočimo u digitalan svijet i izmaknemo zakonima fizike neče potrebno toliko komplikacija. Ali zajedanput do tada...

 

Iskreno se zahvaljujem Bogic Petroviću na pomoči oko stručnog prijevoda.



Discuss this article in the Forum!