Показатели, характеризующие распространение звука в древесине
Как известно, звук представляет собой колебания, волнообразно распространяющиеся в упругих средах. Особенности распространения звуковых колебаний зависят от физических свойств среды и характеризуются рядом показателей.
 |
| В воздухе такое поведение ярко выражено |
 |
| С наибольшей скоростью звук распространяется вдоль волокон, значительно медленнее в радиальном и еще медленнее в тангенциальном направлениях. |
Скорость распространения звука по разным направлениям в древесине некоторых пород приведена в таблице
 |
| Для перфекционистов - значения усреднённые, ясен пень! |
На основании данных этой таблицы можно принять, что звукопроводность вдоль волокон относится к звукопроводности в радиальном и тангенциальном направлениях в среднем, как 4:1. Однако абсолютные значения скоростей распространения звука для некоторых пород существенно отличались от данных, приведенных в таблице. Так, скорость распространения колебаний в березе (вдоль волокон) оказалась равной 5190 м/с. С возрастанием влажности и температуры скорость распространения звука в древесине значительно падает. Скорость распространения звука в других материалах такова: в железе 5000, меди 3710, пробке 430—530 м/с. Как видим, скорость распространения звука в древесине вдоль волокон примерно такая же, как в металлах.
Акустическое сопротивление материалов
Важной акустической характеристикой материала при оценке его способности отражать и проводить звук является удельное волновое сопротивление, определяемое произведением плотности на скорость звука, математически описываемое выражением
Данные об этом показателе приведены в таблице ниже.
 |
| Акустическое сопротивление некоторых материалов |
По мере распространения звуковых волн в материале вследствие потерь энергии на внутреннее трение происходит затухание колебаний. При этом величина амплитуды уменьшается по экспоненциальному закону. То есть если мы хотим обеспечить лучшую пассивную звукоизоляцию, нам нужен материал с наибольшим акустическим сопротивлением и определённой минимальной толщины.
Для характеристики скорости затухания колебаний и одновременно величины внутреннего трения материала используют безразмерный показатель — логарифмический декремент затухания, численно равный натуральному логарифму отношения двух амплитуд, отделенных друг от друга интервалом в один период. Логарифмический декремент у хвойных пород в 1.3—1.7 раза меньше, чем у лиственных. То есть звукоизолирующая способность древесины характеризуется ослаблением давления прошедшего через неё звука.
Поскольку эта величина может изменяться в очень широких пределах, то как и везде, в акустике применяют логарифмическую шкалу, в которой за начало отсчета принято давление на пороге слышимости.
 |
| Колебания распространяются! |
Поскольку звукоизоляция больше используется в строительстве, и в меньшей мере для проектирования колонок, то величина звукоизоляционной способности древесины может быть оценена по разнице уровней звукового давления перед и за перегородкой из древесины. Оценка звукоизоляционной способности материала часто также производится по относительному уменьшению силы звука, называемому коэффициентом звукопроницаемости. Так, при толщине 3 см звукоизоляция сосновой древесины составила 12dB, для дубовой древесины при толщине 4.5 см — соответственно 27dB. С точки зрения использования древесины в чашках наушников это означает, в силу малой толщины стенок, что они ослабляют «выход» звука наружу и наоборот «приход» звука снаружи очень незначительно. То есть ожидать высоких звукоизолирующих свойств от деревянных наушников не стоит. Степень изоляции зависит от толщины стенок, а значит такие наушники больше весят и потенциально они менее пригодны для долгого ношения. Так что продажа простеньких деревянных наушников для улицы с приставками Travel, Noise Canceling опять является надувательством чистой воды.
Резонансная способность древесины
Способность древесины резонировать, т. е. усиливать звук без искажения, имеет очень важное значение в музыкальной промышленности при изготовлении дек музыкальных инструментов. Энергия, передаваемая деке струной, отчасти расходуется на трение внутри деки и по краям ее закрепления, отчасти излучается в виде звуковой энергии в окружающее пространство; эта последняя является полезной частью энергии. Для наибольшей отдачи энергии воздуху потери на внутреннее трение должны быть наименьшими, а излучение наибольшим. Комплекс акустических свойств древесины, определяющих возможность ее использования в качестве материала для изготовления дек музыкальных инструментов, характеризуется показателем: |
| где K обычно называют константой излучения, или акустической константой. |
 |
| Таблица для некоторых сортов древесины |
Для определения этой константы устанавливают величину динамического модуля упругости (или статического модуля, который меньше примерно на 4%) и плотность древесины. В таблице выше приведены значения акустической константы для древесины некоторых пород.
 |
| Классическая гитара |
Но с математической точки зрения наилучшими материалами являются упругие, но не плотные.
В небольшой таблице внизу приведём несколько примеров (в одинаковом масштабе) ради иллюстрации некоторых фактов (некоторых — вполне занятных) с точки зрения акустики:
 |
| Акустическая константа типичных материалов |
Миф о металлических чашках и других изысках
Титановые чашки наушников — полный отстой. Дюралюминий чуть лучше алюминия, но они оба близки к льду!!, как ни смешно это выглядит. Отлитые из серебра чашки наушников — вообще полный идиотизм. И даже такой писк моды как стальные чашки наушников являются полным отстоем с точки зрения акустики. Равно как и желание приляпать к ушам мраморные чаши (особенно с учётом их веса). А теперь нечто, что для профессионалов в акустике особенным секретом на является: найдите как можно более плотный и твёрдый пенопласт — и творите! Причём пенопластовые чаши наушников потенциально не хуже, а то и формально получше многих пород дерева.
Забавно, но дюралюминий идентичен древнему жёсткому пластику текстолиту и умозрительно лучше многих других сортов пластика. Но на самом деле все эти материалы одинаково плохи, если нас интересует сбалансированное натуральное звучание. И уж ничем не хуже желания сделать дизайн чашек самостоятельно дома на простеньком PLA 3D принтере. Такое домашнее творчество всё равно лучше, чем мечты о дорогом титане, который дома и не обработаешь. С пластиком ABS нужно быть осторожнее: качество этих пластиков достаточно сильно разнится при практически одинаковой плотности и температуре размягчения, что приводит к разбросу акустического коэффициента в пределах 1.212 — 1.591.Пластик и очумелые ручки
Почти дерево
Если использование MDF для Вас допустимо с культурно-артистической точки зрения, то даже оно лучше металла и многих пластмасс. А вот формально элитное HDF с точки зрения акустики использовать не стоит. Хотя разговор о ДСП бессмысленен в приложении к наушникам, ведь этот материал производится конечной толщины, достаточной только для создания чашек с минимальным внутренним объёмом, что в купе с низкой акустической константой делает это откровенным идиотизмом.
Использование древесины
Обратившись назад легко увидеть, что акустически хвойная древесина куда как лучше всех этих изысков, даже если это простая сосновая доска. Самое смешное, что такое твёрдое дерево как граб (один вид из семейства, по-английски именуемый ironwood) со своим коэффициентом 2.5236 оказывается, пожалуй, одним из наихудших вариантов выбора древесины — немногим лучше банального MDF. Из других забавных замечаний надо отметить, что орех и вишня очень близки акустически, но вишня чуть лучше и легче, так что если не стоит вопрос о внешнем виде (древесина грецкого ореха смотрится благородней), то лучше выбрать вишню. А вот столь часто встречающийся в Европе клён хуже ореха и вишни, но конечно несравнимо лучше пластмассы. Тем не менее, есть другие виды клёна, например большелистный, лучше двух упомянутых кандидатов. Конкретнее о нюансах акустики древесины поговорим далее, но ЛЮБАЯ древесина или её производная лучше пластмассы. В то же время, КАЧЕСТВЕННАЯ пластмасса лучше металлов.
Связь акустической константы и акустического сопротивления
Математически в обе формулы модуль упругости Юнга входит как множитель. Но если в акустическом сопротивлении мы умножаем на плотность, то в акустической константе – делим на неё. Иными словами, при выборе древесины с близкой упругостью по Юнгу та, что имеет наименьшую плотность обещает лучшее звучание с наихудшей шумоизоляцией. С этой точки зрения «звонкая» хвойная древесина для наушников уже не так и хороша, так как, во-первых, слишком многим излишне звонкое, яркое звучание наушников не нравится и утомляет слух; во-вторых, шумоизоляционные характеристики древесины хвойных пород действительно не впечатляют.
Так что использование для наушников пород древесины с меньшими акустическими константами, но минимум в полтора раза более плотных оправдано и с чисто научной точки зрения. О дополнительных акустических недостатках применения слишком плотных пород древесины мы поговорим чуть позже, но в контексте нашего разговора житейская рекомендация – избегать крайностей целиком соответствует известным физическим закономерностям.
Комментарии
Отправить комментарий