Волновая теория звука

Воздух, находящийся в замкнутом объеме, обладает некоторой распределенной массой. Поскольку плотность воздуха невелика и между его молекулами существует достаточное расстояние для их перемещения под воздействием внешних сил (под действием источника звука), постольку распределенная колебательная система объема воздуха может совершать вынужденные колебания с частотами воздействующих сил, а также с собственными частотами. После снятия действия вынуждающих сил (отключение источника звука) колебательный процесс не прекращается мгновенно, но изменяется его характер: продолжают совершаться только собственные колебания распределенной воздушной массы, которые постепенно затухают. Это явление называют отзвуком (реверберацией).

При включенном источнике звука звуковые волны распространяются в различных направлениях: осевом, касательном и наклонном, отражаются от ограничивающих помещение поверхностей и, складываясь с прямыми волнами, создают стоячие волны. Частоты собственных колебаний fn распределенной массы воздуха зависят от абсолютных размеров помещения, а также соотношений его размеров Частоты собственных колебаний воздуха в помещении располагаются между собой теснее, а звуковое поле более равномерно, если L, B и H не равны и не кратны друг другу. Для примера на рис. показан спектр собственных частот помещения с размерами L=6м, B=4м, H=3м. В области низких частот собственные частоты помещения располагаются достаточно далеко друг от друга, а выше частоты 70 Гц их число увеличивается и далее спектр собственных колебаний воздуха становится практически сплошным. Этот физический факт имеет также существенное значение для семантической и эстетической составляющих при восприятии музыки.

Спектр сложного звукового (музыкального) сигнала может содержать частоты, которые отсутствуют или которых мало в спектре собственных колебаний воздуха в помещении. При этом вынуждающее действие источника сигнала вызовет ответное (в резонанс) колебание воздушной среды на частотах, совпадающих с частотами источника. Именно эти частоты в звуковом сигнале получат добавочную энергию, а потому и затухание собственных колебаний воздуха будет продолжаться дольше. Те спектральные составляющие сигнала, частоты которых не совпадут с собственными частотами помещения, не получат дополнительной энергии отзвука помещения и будут маскироваться теми спектральными составляющими, которые удачно попали в резонанс с собственными частотами помещения: Это явление может (но не обязательно, как будет показано далее) вызвать изменение тембра и четкости восприятия музыки, особенно в области низких частот. для помещения 6 х 4 х 3,2 м: 28; 42; 51; 57; 69; 71; 76 Гц; 74; 87; 93 Гц. Резонансные частоты даже небольших помещений достаточно низкие, чтобы не ограничивать себя малогабаритными АС, если абстрагироваться от коммерческих рекламных тестов.

Волновая теория показывает, что плотность спектра п, т.е. количество собственных частот уменьшается при уменьшении объема помещения   зависимость количества собственных частот n от частоты сигнала fn при  fn = 10 Гц для помещений объемом 26, 135 и 400 м3  видно, что только для очень маленьких помещений плотность спектра собственных частот мала, причем на самых низких частотах, что действительно свидетельствует о неравномерности звукового поля в них. Однако влияние этого явления на слуховые ощущения будет разным при вариациях положения источников звука и слушателя в помещении, а тем более изменении акустической обработки поверхностей. Существенную роль играет также тип излучателей АС.

Не следует пренебрегать влиянием ближнего поля на низких частотах, т.к. именно низкочастотные компоненты сигнала приводят к особенно сильному изменению в восприятии звуков музыки при вариациях расстояния до источника звука. Поскольку слуховой орган человека в некоторой степени реагирует на колебательную скорость частиц воздуха, то при этом возникает ощущение расстояния до КИЗ, т.е. ощущение глубины трехмерного пространства саундстейджа. В аудиосистемах, неспособных передавать низкий и четкий бас, саундстейдж может находиться близко или в удалении, но обычно плоский, хотя отдельные КИЗ в нем могут быть достаточно четко очерчены в плоскости за счет средних и высоких частот, что дает ясное и в меру прозрачное звучание, но лишает слушателя естественного пространственного ощущения, т.е. музыканты и их инструменты как бы висят в неопределенном свободном пространстве без стен и пола, что, вероятно, редко встречается в жизни.

Прозрачность, ясность - различимость звуков отдельных инструментов или групп инструментов даже в присутствии отзвука помещения, т.е. реверберации.

Пространственное впечатление - осознанное ощущение соотношения между интенсивностью звука источника (КИЗ) и приходящих со всех направлений звуковых отражений от ограничивающих помещение поверхностей, т.е. снова отзвука помещения.

Реверберация - процесс затухания звука на месте прослушивания, отображающий. размеры, форму, гулкость помещения. Процесс реверберации характеризуется временем стандартной реверберации Тео, определяемым как время после отключения звукового сигнала, за которое средняя плотность звуковой энергии Е в помещении уменьшается в миллион раз (уровень энергии уменьшается на 60 дБ) относительно своего установившегося значения.

Для небольших помещений и для частот ниже 4000 Гц время стандартной реверберации определяется формулой Эйринга  Коэффициент звукопоглощения показывает, какая часть звуковой энергии, переносимой звуковой волной, поглощается при падении этой волны на поверхность:

Формула Эйринга относится уже к статистической теории акустики помещений и выведена в предположении, что звукопоглощающие материалы распределены по поверхности равномерно и имеют одинаковый коэффициент И, что обеспечивает достаточную диффузность звукового поля в помещении. Диффузным называют такое звуковое поле, в котором выполняются условия однородности и изотропности: усредненная во времени плотность звуковой энергии во всех точках одинакова; все направления прихода звуковой энергии в любую точку помещения равновероятны, и по любому направлению усредненный поток звуковой энергии одинаков.