Связи между акустическим сопротивлением и константой излучения
 |
| Акустические панели |
Снова вернёмся к связи между акустической константой и «акустической проводимостью», но теперь сменим угол зрения. С математической точки зрения мы говорим о соотношении двух пар выражений:
 |
| Скорость звука или модуль упругости? |
Определённых или через скорость звука в материале или через модуль упругости Юнга. При этом акустическая константа (вторые выражения) не должна быть низкой, так как именно отражение волн приводят к возникновению гармоник и обогащает звучание до натурального, музыкального, как мы его привыкли воспринимать. С другой стороны, для этих целей нам необходимы только вторая и третья гармоники, то есть материал, в тоже самое время, должен обладать более высоким акустическим сопротивлением чтобы эффективно гасить звуковые колебания, препятствуя тем самым появлению гармоник более высоких порядков и тем самым «загрязнению» звука.
 |
| Гармоники [Научно-технический энциклопедический словарь] |
Две цели, которые могут даже показаться противоположными поначалу. Тем не менее математический характер зависимости по скорости подсказывает, то рост обеих характеристик требует большего значения c (соответственно E) c одной стороны, и небольшой плотности с другой. То есть на самом деле нет никаких противоречий в силу того, что в жизни плотность не является абстрактной, сколь угодно малой или наоборот большой величиной. На практике плотность используемых материалов (особенно если не сравнивать их различные классы) редко различается более чем в 5 раз, ну может на порядок максимум. Дело в том, что несмотря на все чудеса матушки природы, лёгкий, то есть неплотный материал не будет слишком прочным материалом с высоким модулем упругости (как мерилом способности вернуться в исходное состояние после внешнего воздействия, то есть сопротивляемость деформации). Кроме того, имеются и другие факторы, оказывающие влияние на собственно характер звучания в нашем восприятии.
В первую очередь характер звучания различается для разных видов акустических систем и немало зависит от их размеров. Так что ориентируясь на общеизвестные виды использования, особенно в акустических гитарах, не следует ожидать полного повторения того же почерка в чашках наушников. Эффект может и сохраниться, но или на грани восприятия (знаменитый эффект плацебо или самовнушение), или проявляться на очень высокой громкости, что не полезно для здоровья и бессмысленно практически.
Поскольку снижение акустической константы делает звук более глубоким, не таким звонким и улучшает воспроизведение низких частот, лакирование можно считать «дешёвым способом» акустической подгонки. Кроме того, мелкодисперсная лакировка уменьшит «грубость» поверхности, что окажет дополнительное влияние на характер звучания, от этом смотрите далее.
Снова вспомним, что акустическое сопротивление (attenuation) является мерой того, насколько звуковая волна теряет свою энергию распространяясь внутри материала. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что дополнительным параметром, влияющим на ослабление сигнала особенно на высоких частотах, является «грубость» поверхности. Этот эффект объясняется в общем-то просто, так как волна распространяется внутри материала после контакта с поверхностью, так что её «горизонтальные» свойства фактически предшествуют влиянию «вертикальных». То есть вполне ожидаемо что эффект акустического сопротивления является комплексным. В случае с древесиной это является крайне важным, так как её поверхность обладает естественной пористостью, что тоже определяет шероховатость поверхности наряду с результатами механической обработки. Все пробы показывают нелинейность зависимости, но в приложении к нашим интересам важно только одно – акустическое сопротивление растёт с увеличением шероховатости поверхности.
Для тех, кто не работал собственными руками ещё одним откровением окажется факт, что тонкая обработка и полировка уменьшает шероховатость и повышает твёрдость поверхности. Поскольку данные параметры оказались линейно зависимы, верен и обратный результат, кстати, вполне ожидаемый с житейской точки зрения: твёрдые поверхности более гладкие и, соответственно, отражают звуковые волны лучше. Причём линейность зависимости между шероховатостью и твёрдостью поверхности обнаружена для самых разных материалов внутри определённого класса. Для нас это значит, что хоть и основной интерес сконцентрирован на свойствах древесины, приведённая закономерность относится и к пластмассе, и к материалам амбушюр, характеризуя непосредственные (неупругие) отражения. То есть велюр (ткань) с кожей или мехом сравнивать нельзя, но разные виды гладких кож между собой (не важно, натуральных или искусственных) можно.
В случае лакирования это означает, что чем глаже будет отлакированная поверхность, тем меньше будут потери сигнала внутри материала, или, другими словами — тем сильнее будет прямой отражённый сигнал. Повторимся, что в случае акустики, особенно наушников, и в отличие от живых музыкальных инструментов это может приводить к крайне нежелательным эффектам. Поэтому если и покрывать равномерным слоем лака внутреннюю поверхность чашек для снижения акустической константы — то ни в коем случае не полировать потом.
Итак, чем твёрже поверхность, тем лучше отражается звук, порождая то, что по жизни мы называем словом эхо (и даже многократное эхо). При простом отражении основная несущая частота не меняется и наложение отражённой волны на исходную исказит форму исходного сигнала из-за изменения амплитуды (это таки не идеальное отражение) и фазового сдвига (пока волна бежала туда-обратно).
Этот тип отражения присутствует и в живой акустике, но то, что мы называем натуральным звучанием (или гармониками), возникает только при упругих отражениях, которые изменяют амплитуду волны (очевидно), дают чуть больший фазовый сдвиг (тоже очевидно), но самое главное – изменяют частоту отражённой волны. То есть не просто высокая упругость материала, а именно значение акустической константы определяет способность порождать естественное звучание. То есть подбирая материал, размер и форму чаши в идеале можно придать звуку наушников более богатое и желаемое звучание.
Помня о многократных отражениях, реальная акустика основана на комбинациях обоих типов отражений: непосредственном (прямом) и упругом. Без этого просто невозможно появление второй и более высоких гармоник. Поэтому нельзя тупо минимизировать прямые отражения, не используя твёрдые материалы, материалы с повышенной шершавостью/пористостью и/или дополнительные акустические поглотители внутри чашек наушников.
К сожалению, в силу геометрических и конструкционных ограничений «положительную» часть изменений обычно можно достичь только на части диапазона или нескольких поддиапазонах. В идеале – не меняя или хоть не сильно ухудшая звучание в неохваченных частях звукового спектра. Тем не менее обычно на практике чаще встречаются неудачные экземпляры, загрязняющие звучание во всём воспринимаемом диапазоне частот. Часто подобные изменения приводят к тому, что на некоторых частотах возникает сигнал в (или почти) противофазе и достаточно высокой интенсивности в сравнении с исходным. Как результат суперпозиции волн — провал амплитуды или её сильное ослабление. Чем выше частота сигнала, тем менее предсказуемым и контролируемым становится эффект. В силу этого закрытые и полузакрытые наушники и имеют столько проблем с провалами и изрезанностью АЧХ для описания которых понапридумывали множество терминов и эпитетов.
Повторимся, что мы говорим о непрерывном звучании, поэтому отражённые волны «приходят» с запозданием. И чем медленней драйв, тем больше эффект «загрязнения» звука из-за многократных отражений. В рамках этой темы разговор о способах звуковоспроизведения не является определяющим, важно только знать, что классические магнитодинамические излучатели имеют разную скорость на разных частотах. Поскольку мы наиболее чувствительны к средним частотам, то многие драйвы, даже и для дорогих наушников имеют высокую скорость именно там. Для высоких и низких частот это уже порождает заметные огрехи звучания. И если многочисленность любителей басов заставляет-таки инженеров думать о скорости воспроизведения низких частот, то чтобы не портить звучание на высоких частотах производители обычно предпочитают их глушить/заваливать, делая огрехи менее заметными. Но добавьте громкости и обман раскроется.
Дополнительная обработка поверхности
Лакирование поверхности приводит к уменьшению акустической константы, причём наложение 1-го или 2-х слоёв приводит к наибольшим уменьшениям, нанесение 3-го слоя даёт меньшее уменьшение. Так же эти изменения зависят от плотности древесины. Чем она плотнее, тем меньше эффект лакирования. Кроме того, чем меньше площадь резонирующей поверхности, тем меньше снижение. Более того, для действительно малых площадей (как для наушников) 1 слой лака даёт уменьшение на приблизительно одну единицу (менее единицы для более плотной древесины), примерно пол-единицы для второго слоя, а вот нанесение 3-го слоя наоборот увеличит константу, вернув её почти до уровня с одним слоем лака. |
| Вот так поступать при обработке наушников не стоит: купать в лаке |
Ещё раз об акустическом сопротивлении и его взаимосвязи с другими характеристиками материалов
 |
| Соответствующий англоязычной термин - это surface asperities или шероховатость поверхности, измеряемая согласно своим линейным размерам в микронах (Ry на графике соответствует средней шероховатости) |
Снова вспомним, что акустическое сопротивление (attenuation) является мерой того, насколько звуковая волна теряет свою энергию распространяясь внутри материала. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что дополнительным параметром, влияющим на ослабление сигнала особенно на высоких частотах, является «грубость» поверхности. Этот эффект объясняется в общем-то просто, так как волна распространяется внутри материала после контакта с поверхностью, так что её «горизонтальные» свойства фактически предшествуют влиянию «вертикальных». То есть вполне ожидаемо что эффект акустического сопротивления является комплексным. В случае с древесиной это является крайне важным, так как её поверхность обладает естественной пористостью, что тоже определяет шероховатость поверхности наряду с результатами механической обработки. Все пробы показывают нелинейность зависимости, но в приложении к нашим интересам важно только одно – акустическое сопротивление растёт с увеличением шероховатости поверхности.
Для тех, кто не работал собственными руками ещё одним откровением окажется факт, что тонкая обработка и полировка уменьшает шероховатость и повышает твёрдость поверхности. Поскольку данные параметры оказались линейно зависимы, верен и обратный результат, кстати, вполне ожидаемый с житейской точки зрения: твёрдые поверхности более гладкие и, соответственно, отражают звуковые волны лучше. Причём линейность зависимости между шероховатостью и твёрдостью поверхности обнаружена для самых разных материалов внутри определённого класса. Для нас это значит, что хоть и основной интерес сконцентрирован на свойствах древесины, приведённая закономерность относится и к пластмассе, и к материалам амбушюр, характеризуя непосредственные (неупругие) отражения. То есть велюр (ткань) с кожей или мехом сравнивать нельзя, но разные виды гладких кож между собой (не важно, натуральных или искусственных) можно.
В случае лакирования это означает, что чем глаже будет отлакированная поверхность, тем меньше будут потери сигнала внутри материала, или, другими словами — тем сильнее будет прямой отражённый сигнал. Повторимся, что в случае акустики, особенно наушников, и в отличие от живых музыкальных инструментов это может приводить к крайне нежелательным эффектам. Поэтому если и покрывать равномерным слоем лака внутреннюю поверхность чашек для снижения акустической константы — то ни в коем случае не полировать потом.
Влияние отражённых волн
Честно хочу обратить внимание на то, что написанное далее более предупреждает о возможности возникновения определённых проблем с окрасом звучания или его «чистотой». Тем не менее если это случится, по крайней мере следует знать причину возникновения проблемы.
Итак, чем твёрже поверхность, тем лучше отражается звук, порождая то, что по жизни мы называем словом эхо (и даже многократное эхо). При простом отражении основная несущая частота не меняется и наложение отражённой волны на исходную исказит форму исходного сигнала из-за изменения амплитуды (это таки не идеальное отражение) и фазового сдвига (пока волна бежала туда-обратно).
Этот тип отражения присутствует и в живой акустике, но то, что мы называем натуральным звучанием (или гармониками), возникает только при упругих отражениях, которые изменяют амплитуду волны (очевидно), дают чуть больший фазовый сдвиг (тоже очевидно), но самое главное – изменяют частоту отражённой волны. То есть не просто высокая упругость материала, а именно значение акустической константы определяет способность порождать естественное звучание. То есть подбирая материал, размер и форму чаши в идеале можно придать звуку наушников более богатое и желаемое звучание.
Помня о многократных отражениях, реальная акустика основана на комбинациях обоих типов отражений: непосредственном (прямом) и упругом. Без этого просто невозможно появление второй и более высоких гармоник. Поэтому нельзя тупо минимизировать прямые отражения, не используя твёрдые материалы, материалы с повышенной шершавостью/пористостью и/или дополнительные акустические поглотители внутри чашек наушников.
К сожалению, в силу геометрических и конструкционных ограничений «положительную» часть изменений обычно можно достичь только на части диапазона или нескольких поддиапазонах. В идеале – не меняя или хоть не сильно ухудшая звучание в неохваченных частях звукового спектра. Тем не менее обычно на практике чаще встречаются неудачные экземпляры, загрязняющие звучание во всём воспринимаемом диапазоне частот. Часто подобные изменения приводят к тому, что на некоторых частотах возникает сигнал в (или почти) противофазе и достаточно высокой интенсивности в сравнении с исходным. Как результат суперпозиции волн — провал амплитуды или её сильное ослабление. Чем выше частота сигнала, тем менее предсказуемым и контролируемым становится эффект. В силу этого закрытые и полузакрытые наушники и имеют столько проблем с провалами и изрезанностью АЧХ для описания которых понапридумывали множество терминов и эпитетов.
Повторимся, что мы говорим о непрерывном звучании, поэтому отражённые волны «приходят» с запозданием. И чем медленней драйв, тем больше эффект «загрязнения» звука из-за многократных отражений. В рамках этой темы разговор о способах звуковоспроизведения не является определяющим, важно только знать, что классические магнитодинамические излучатели имеют разную скорость на разных частотах. Поскольку мы наиболее чувствительны к средним частотам, то многие драйвы, даже и для дорогих наушников имеют высокую скорость именно там. Для высоких и низких частот это уже порождает заметные огрехи звучания. И если многочисленность любителей басов заставляет-таки инженеров думать о скорости воспроизведения низких частот, то чтобы не портить звучание на высоких частотах производители обычно предпочитают их глушить/заваливать, делая огрехи менее заметными. Но добавьте громкости и обман раскроется.
 |
| Shure SRH144. Недорогие качественные (по частотному диапазону и АЧХ) наушники, но с мееее...едленным драйвом (конструкцией и исполнением) мембраны. Поэтому музыка чуть быстрей некоторого предела - и здравствуй мутный звук |
В общем предыдущий абзац важен для нас, так как многие слушатели музыки не способны оценить скорость драйва и валят всю вину на амбушюры и материал чашек наушников, порождая самые дурацкие поверья, даже мифы.
Комментарии
Отправить комментарий