Прикладная теория звука #1 Звучит?!

Звуковые свойства древесины

Пусть хоть название чересчур официально, но знакомясь с обзорами и словесными баталиями любителей слушать музыку в наушниках, и даже местами поучаствовав, понял: на деревне без нагана тяжело. Пулемёт и огнемёт тоже ненадолго. Снова дураки набегают. Я не призываю покупать аппаратуру и наушники за тысячи (или сотни) "салатных тугриков", но замызганные ушной серой наушники за пол доллара с краденым сотовым за 10 долларов качественного звука не дадут. Поэтому засел за теорию и практику. Что-то осмыслилось, и даже проверилось. Поэтому предлагаю как есть. Специально не лезу публиковать на специализированные сайты. Там тем кто разбирается - нового не скажу. А тролли с прямыми извилинами и без слуха могут продолжать прыгать под хип-хоп. Итак...

Упрощённая версия распространения волн в приложении к акустике

Сразу честно сообщу, что глубокое рассмотрение, а тем более «обсасывание» нюансов построения акустических систем я перед собой не ставлю. Но вот рассмотреть основы основ, то бишь физику волн и немного материаловедение, которые как раз определяют распространение волн, акустических в нашем случае – надо. Тем более что основаны они на законах физики и объективных, то есть измеримых свойствах материалов.
Первое что надо помнить – это то, что волны распространяются с конечной скоростью и эта скорость зависит от материала. В большинстве случаев для нас речь идёт о воздухе.

Камертоны лабораторные

При этом неважно, большая дистанция или нет, чтобы дойти до преграды, волне всегда требуется некоторое время. В силу малых линейных размеров чашек наушников это время мало по сравнению с любой колонкой, особенно полноразмерной. Тем не менее это время существует. Если волна отражается от жёстко закреплённой неупругой поверхности, то она вернётся в исходную точку через удвоенное время, складываясь с другой волной. При идеальном отражении отражённая волна имеет ту же энергию (то есть амплитуду) что и исходная волна.
В связи с этим нам надо произвести простые вычисления, чтобы понять, как именно отражённая волна может сказаться на исходной волне последующих за ней. Поскольку местами я предпочитаю пользоваться не обобщёнными, а конкретными данными, то воспользуюсь результатами эксперимента на себе: мой диапазон слышимых без усилий и осознанной концентрации звуков располагается в пределе от ниже 10Гц до выше 21КГц точно. Для любой среды распространения длина и частоты волны связаны со скоростью распространения звука в этой среде

Здесь f это частота в Герцах, а λ соответственно длина волны.

Скорость звука определяется экспериментально и приводится в специальных таблицах. В воздухе температурой 20ºС моему диапазону слышимости будут соответствовать длины волн от примерно 49.029 м до 0.015963 м. Но нас в первую очередь интересует иное – какое расстояние «пробежит» волна соответствующей частоты за 1 период. Вспоминая, что период T обратно пропорционален частоте, а Дистанция = Скорость * Время, подстановка первой формулы во вторую как раз даст уже приведённую выше формулу длинны волны. Человеку с базовым научно-техническим образованием это можно было не объяснять, но не все любители музыки сильны в физике и математике. Фактически нужно запомнить раз и навсегда: меньшая частота – большая длительность звука и соответственно тем дальше представляющая его волна «успеет убежать». Работа с малыми числами для многих неудобна, поэтому переведём метры в миллиметры: 0.015963 м = 15.963 мм., или почти 16 миллиметров.

«Переводя» это расстояние в практическую плоскость легко увидеть, что за исключением единиц специальных звукоизолирующих или аудиофильских наушников больших линейных размеров звуковая волна по любому успеет «добежать» до стенки и отразиться в пределах одного периода. Так что отражённая волна наложится (это в науке называют суперпозицией) на исходную волну со смещением (фазовый сдвиг), изменив форму исходного сигнала (волны).

Наложение/суперпозиция волн

Причём чем выше будет амплитуда отражённой волны, тем сильнее будет искажена форма исходной волны. В зависимости от характеристик излучателя и акустического окружения это может быть как полезным, так и вредным. Но самое главное это прямое последствие в критичности учёта свойств акустического окружения для наушников: отражённые волны игнорировать нельзя! Причём чем выше частота звука, тем большим изменениям он подвергается из-за отражений. И по закону подлости они скорее загрязнят звучание на высоких частотах и даже в верхах средних частот.

В связи с последним замечанием надо немного углубиться в рассмотрение природы волновых отражений. Прежде чем разобрать специфические характеристики материалов в приложении к акустике, рассмотрим реальные свойства материалов: Все они в той или иной степени упругие. То есть для нас акустическая волна в воздухе в материальном плане — это поступательное движение молекул, обладающих в следствие этого дополнительной кинетической энергией. В случае наушников объём и соответственно масса молекул будет очень мала, поэтому даже на большой громкости запас энергии, которым они обладают очень мал по сравнению с обычной акустикой или живым инструментом, соответственно сталкиваясь с поверхностью они её деформируют чисто символически. Это так для массивных поверхностей с большой массой покоя, но для пластиковых наушников даже приемлемая громкость вызовет ощутимые даже пальцем вибрации.

Говоря о законах физики это означает, что столкновения молекул воздуха с преградой «вминают» поверхность, теряя на этом часть энергии. И только часть энергии уходит в отражённую волну, то есть амплитуда отражённой волны будет меньше. Ну и кроме этого, так как «вминание» поверхности увеличит дистанцию до исходной точки, то волна вернётся чуть позже, увеличивая сдвиг по фазе и вкупе с меньшей интенсивностью изменяя форму исходной волны в гораздо меньшей степени. И опять это будет наиболее заметно для высоких частот.

Ну а поскольку в реальных материалах (за исключением экстремально твёрдых или упругих) в различной пропорции работают оба типа отражения, то исходная волна заменяется (то, что услышим мы) суперпозицией трёх волн (всё куда сложней, но суперпозиция именно этих трёх первых волн имеет наибольшее влияние на то, что мы услышим). Повторюсь, на самом деле их куда больше чем три, но повторные отражения будут иметь каждый раз всё меньшую амплитуду и будут оказывать влияние на последующие звуки. Если смотреть на это со стороны амплитуды (энергии/громкости) и уровней восприятия человеческого звука, то в большинстве случаев влияние этих отражённых волн мы если и «расслышим», то только на большой громкости что нехорошо с точки зрения здоровья. Тем не менее реально продаваемые наушники (иногда и не особо дешёвые) показывают, что неправильное построение акустического окружения (выбор материала и/или формы внутренней поверхности чашки) не гасят в достаточной степени амплитуду отражённых сигналов и итоговое звучание мы описываем одним словом: грязное.

Как круги по воде - дополнительные эффекты будут!
http://fotobg.ru/

Поговорив более подробно об акустических свойствах материалов, мы ещё вернёмся к этой теме, но в первом приближении можно сказать уже сейчас: материал чашки наушников окажет влияние на акустику, когда площади «отверстий», через которые внутренняя часть наушников сообщается с наружной достаточно велики (их принято называть портами), но и самое главное – имеет место быть «утечка» звука с обратной стороны звукового излучателя внутрь чашки через специальные порты с обратной стороны излучателя. Мне удобно называть этот процесс «дыханием». Если излучатель (drive) не дышит, то выбор материала чашек определяется целиком и полностью конструкционно-эстетическими нуждами и никак не связан с акустикой.

Открытые, точнее в различной степени полузакрытые наушники

Если первая часть этого раздела говорила об отражении волн, то теперь пришло время несколько приземлить наши изыскания. Всё дело в том, что реальное влияние звуковое окружение окажет, когда объём, в котором распространяются волны, «имеет место быть», но самое главное — форма внутренней поверхности позволяет звуковым волнам после нескольких отражений от задних и боковых поверхностей выходить наружу через порт/ы расположенные вокруг излучателя. В этом смысле примитивная конструкция многих деревянных наушников из Китая с примитивной цилиндрической выемкой уже не позволяет ожидать особого эффекта на звучание, но самое главное — это мизерные расстояния как между нижней частью излучателя и дном чашек (3 мм от силы), так и крошечное расстояние по бокам (хорошо если 5мм есть, портов зачастую нет вообще). По сути это полностью убивает смысл от использования продвинутых материалов, ведь в этом случае характер звучания определяется только излучателем и амбушюрами.

Из собственного опыта могу ещё сказать, что без применения специальных многокамерных решений наушники с плоскоцилиндрической (как и сильно вытянутый конус) формой чашек звучат хуже, чем наушники со скруглёнными формами чашек. Все натуральные носимые акустические инструменты имеют хоть одну выгнутую скруглённую поверхность, иной раз — весьма сложной формы. Просто примите как горькую данность, что примитивные деревянные наушники будут звучать прилично только при использовании качественных излучателей, и в немалой степени — правильном подборе формы, размера и материала амбушюр. А остальное - это маркетинг для обмана наивных. Просто сравните два фото, где слева показаны те самые плоско примитивные китайские наушники без внутреннего объёма и дополнительных портов

(контрактный производитель, продаются под разными торговыми марками типа Tribeca, Zagg и пр.) Сразу скажу на правах пользователя, а не рекламы - есть и удачные модели, звучат богаче пластиковых

или

Элитно аудиофильские Fischer Audio FA-002W

Ну и под ними — фото более демократичных по цене серии наушников в деревянном исполнении от Audio Technica.

audio-technica Wooden Series

Продолжение