Что такое акустический комфорт? Какова природа звука? Как наслаждаться музыкой и не мешать при этом соседям? Ответы на все эти вопросы вы найдёте в нашей серии статей «Звук и шум», в которой мы постараемся рассказать об возникающих акустических проблемах простым и доступным языком.
Давайте представим самую типичную ситуацию. Вы приобрели домашний кинотеатр. С трудом всё привезли, распаковали, установили и подсоединили, угробив на это кучу времени и нервов. И даже попкорном запаслись. Наконец поудобнее уселись, включили и… Как бы это повежливее? Не то что не получили обещанного «кайфа»… Просто расстройство заработали: звук какой-то невнятный, плюс разные посторонние шумы, да ещё и какое-то механическое «дребезжание».
И в довершение ко всему сосед начал не то что в стену, а в дверь барабанить, требуя прекратить «издевательство» и угрожая полицией. Но почему так получилось? Давайте попробуем разобраться.
Чтобы понять, почему в нашей самой типичной и простенькой ситуации всё вышло именно так, давайте разбираться начнём, как говорится, «от печки». Точнее, с выяснения природы звука, законов его распространения и некоторых особенностей его восприятия человеческим ухом.
Звук в широком смысле – это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой среде. А в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Проще говоря, вы хлопнули в ладоши, ударили мячом об пол или сказали слово, то есть издали всего лишь один звук, и вот в помещении, где вы находитесь, родилась звуковая волна, обладающая энергией. Волна распространяется по помещению (падающая энергия), находит преграду (стену или перекрытие) и частично отражается от нее (отраженная энергия). Другая часть энергии волны рассеивается по преграде (рассеянная или поглощенная энергия), превращаясь в тепловую энергию. А оставшаяся часть все-таки «прорывается» сквозь преграду и выходит с другой ее стороны (прошедшая энергия).
В соответствии с этой схемой, мы и разделим нашу серию публикаций на части. В первой из них (в той, которую Вы сейчас читаете) речь пойдет о восприятии человеческим ухом падающей и отраженной волны, а рассеянные и прошедшие волны будут оставлены соответственно для второй и третьей частей. Итак, начинаем ...
Часть I - Звук.
Что и как воспринимает наше ухо?
С помощью органов слуха человек воспринимает колебательные движения воздуха, различая их по частоте и силе. Принято считать, что мы слышим только звуковые волны с частотой от 16 до 20000 Гц. Но и в этом диапазоне разные частоты воспринимаются человеческим ухом неравнозначно. Наиболее хорошо оно слышит так называемые средние частоты (от 500 до 2000 Гц)- это разговор и бытовые шумы. Как более низкие (16-500 Гц), так и более высокие (2000-20000 Гц) частоты ухом воспринимаются несколько хуже. Медики утверждают, что звук с частотой 20000 Гц способны слышать в основном младенцы. В среднем возрасте максимальная воспринимаемая частота для большинства людей ограничена 17000-18000 Гц, а к старости дело доходит и до 15000 Гц.
Для оценки звука принят показатель уровня его интенсивности L и особые единицы измерения - децибелы (дБ). Порог слышимости человека соответствует звуковому давлению 0 дБ (210-5 Па). Для определения воздействия шума на слуховой аппарат человека разработаны специальная методика и шкала А, позволяющая оценивать шумы различных спектров одной цифрой в единицах дБА.
Теперь о прямых и отраженных звуковых волнах. В русском языке явление отражения звука принято называть эхом, в английском - реверберацией.
Реверберация (позднелат. Reverberatio - отражение от лат. Reverbero - отбрасываю) - процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Длительность такого затухания характеризуется временем реверберации, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 106 раз, а его уровень - на 60 дБ. Время реверберации тем больше, чем больше объем помещения и чем меньше поглощение звука на ограждающих его поверхностях. Этот показатель является едва ли не важнейшим фактором, определяющим акустические качества помещения. Именно время реверберации оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении, поскольку слушатели воспринимают прямой звук на фоне отраженного. Явление реверберации в быту заметно, например, в новой квартире, еще не заполненной мебелью. В этом случае вы слышите как прямой, так и отраженный от ограждающей конструкции звук, приходящий к вам с некоторым запаздыванием.
К чему все эти почти научные подробности? А к тому, что без них было бы трудно понять некоторые особенности восприятия звуков человеческим ухом.
Начнем с того, что в результате эволюции слух человека сделался таким, что наиболее комфортно воспринимает шумовую обстановку, характерную для леса, но не для полностью открытого (поле) или же полностью закрытого пространства (звукоизолированная комната). Людям генетически привычно постоянно находиться в среде, где присутствуют различные шумы малой интенсивности (в лесу абсолютной тишины не бывает), но в то же время отсутствуют громкие звуки (таких шумов, действующих постоянно, в природе просто нет, а есть лишь действующие непродолжительное время - гром, шум водопада, дождь, рев животных и т.д., да и те гасятся деревьями).
Естественным для человеческого слуха является наличие сопровождающей все звуки реверберации (отраженный от деревьев сигнал) с запаздыванием в несколько десятых долей секунды. И этот отраженный сигнал как бы усиливает первичный звук и делает его "сочным". Одновременно меняется и тембровая окраска - поверхность деревьев по-разному отражает разные частоты.
В поле же отраженного звука практически нет (разве что от земли, да и тот гасится ее неровностями и травяным покровом). И человек, воспринимая только прямой сигнал, теряет ощущение комфортности - звук становится «сухим».
Какое время запаздывания отраженного сигнала ощущается как наиболее комфортное? Специалисты-акустики считают, что это около 0,02 с (время запаздывания отраженного звука от преграды на расстоянии 3,5 м). Сигнал с меньшим временем запаздывания (например, отраженный от преграды на расстоянии 1 м - запаздывание в этом случае составляет всего 0,006 с) человеческим ухом просто не воспринимается ("сухой" звук). Ну, а сигнал, запаздывающий более чем на 1,5 с, наложившись на прямой звук, делает его неразборчивым - вроде бы все слышишь, а вот понять не можешь (вспомните типичную вокзальную ситуацию, когда даже при большом усилии не удается разобрать, что же все-таки объявил диктор, потому как срабатывающие с некоторым запаздыванием друг относительно друга мощные динамики просто «забивают» друг друга).
Влияние уровня шума на слух.
Уровень шума в 20-30 дБА считается практически безвредным для человека - это, можно сказать, естественный шумовой фон. Постоянный звук (его скорее следует считать шумом) в 35-50 дБА человек в принципе воспринимает нормально (правда, здесь все индивидуально - кому-то звук в 50 дБА уже сильно мешает). Для громких звуков допустимой границей является 80 дБА. Шумы уровня 80-90 дБА вызывают неприятные ощущения, уровня 120-130 дБА - болевые, при 150 дБ наступает необратимая потеря слуха, при 180 дБ - смерть (для примера: со звуком 190 дБ взрывается атомная бомба).
Любой шум достаточной интенсивности при длительном воздействии на человека может привести к различной степени снижения слуховой активности (при высоких уровнях шума слух начинает ухудшаться уже через 1-2 года, при средних это обнаруживается несколько позже - через 10-15 лет). Кроме того, шум оказывает вредное влияние на органы зрения и вестибулярный аппарат, снижает рефлекторную деятельность и даже вызывает заболевания нервной системы.
Но и в абсолютной тишине (то есть без звуковых сигналов извне) никто из нас долго находиться не сможет. Например, человек, помещенный в специальную полностью звукоизолированную камеру, максимум через 10 минут начинает испытывать сильное беспокойство ("Что-то случилось! Отсутствует привычная звуковая информация!"), а через 15 минут у него возникает звон в ушах (срабатывает защитная реакция организма на полную тишину), он может впасть в панику и даже получить сильнейший стресс. Шумовой фон в 25 дБА для людей наиболее комфортен - они его практически не слышат, зато и «звенящая» тишина их не угнетает.
Таким образом, чтобы комфортно воспринимать речь и музыку, человек должен находиться в оговоренных благоприятных для него условиях - в помещении, где нет ни сильных длительных шумов, ни полной тишины, но при этом имеется небольшое (комфортное для слушателя) время запаздывания звука и, конечно, отсутствуют посторонние, поступающие извне шумы.
Да, да! Все именно так. Именно по этой причине практически нет людей, которым бы не нравилось слушать органную, фортепьянную или симфоническую музыку в концертном зале, но ту же музыку, транслируемую по телевизору или воспроизводимую проигрывателем, любят далеко не все. Не хватает того самого отраженного и чуть запаздывающего звука. Да и посторонние шумы дома могут отвлекать. Но если смотреть концерт или воспроизводить его стереозапись в помещении, где, кроме звука из динамиков, появится отраженный сигнал со временем запаздывания, соответствующим концертному залу, музыка будет восприниматься точно так же, как в этом самом зале.
Однако сказанное относится только к записям, так скажем, старого образца, которые специалисты за отсутствие объемности звучания называют "плоскими". Современные методики позволяют придать звуку необходимую объемность. Он записывается в специально оборудованной студии, причем каждый инструмент отдельно. Из записи убираются все лишние шумы и хрипы. Затем инструменты накладываются друг на друга, поверх записывается голос певца. Но этим дело не ограничивается. Далее звукорежиссер создает звуковые спецэффекты и добавляет то, чего не было при записи в студии, - электронное эхо, а, проще говоря, самую реверберацию. И в результате на пластинке оказывается исправленный и уже «доведенный до ума» звук. Остается лишь воспроизвести его именно так, как он записан, и наслаждаться.
Когда возникают акустические проблемы?
После того как мы разобрались с понятиями и законами распространения звука, вернемся чуть назад - к вступлению. Честно говоря, нарисовав в начале материала столь печальную картину, мы, конечно же, несколько утрировали. Плачевный результат ожидает покупателя стереосистемы или домашнего кинотеатра далеко не во всех случаях. Например, многие из тех, кто, приобретя такую систему, устанавливает ее в «обычной» жилой комнате (чаще всего это гостиная), вполне могут сразу же получить вполне удовлетворительный результат.
Удовлетворительным он может оказаться по двум причинам. Во-первых, имеющиеся в гостиной ковры, мебель (особенно мягкая) и прочие атрибуты домашнего уюта несколько «погасят» отраженный сигнал. Во-вторых, в гостиной, являющейся одновременно и комнатой для прослушивания звукозаписей, и домашним кинотеатром, как правило, устанавливается не слишком дорогостоящая аппаратура. Так что если из-за недочетов помещения некоторые нюансы звучания утратятся, это не будет особенно заметно.
Но этот вроде бы положительный результат еще совсем не означает, что проблем нет и они в ваших условиях никогда не возникнут. Очень может быть, что, как только вы увеличите громкость, проблемы тут же выявятся. Что же может произойти? Например, могут начать дребезжать стекла. Как оконные, так и в серванте (не говоря уж о находящейся в нем посуде). Окна большого размера способны сработать как мембрана и начать отражать и даже усиливать звук, на определенных частотах входя в резонанс с падающей волной. Поэтому с точки зрения акустического комфорта лучше, если в окнах установлен двухкамерный стеклопакет. И не с одинаковыми четырехмиллиметровыми, а с более толстыми стеклами - в данном случае, чем их толщина больше, тем ниже звукопроницаемость конструкции и меньше вероятность того, что стекло начнет дребезжать. Например, неплохо использовать стеклопакет с формулой 6-4-5мм, а еще лучше - с формулой 4-6-8 (толщина стекол приведена от наружного к внутреннему).
Показатель звукопроницаемости можно дополнительно понизить, применив так называемый «несимметричный» стеклопакет, в котором среднее стекло приближено к одному из крайних. Такой стеклопакет не просто обеспечивает надежную защиту от уличного шума, но и меньше резонирует. Вероятность резонанса также снижают и путем применения окон, разделенных импостами (чтобы площадь отдельных использованных в них стеклопакетов была как можно меньше).
Ну, а как бороться с вибрацией стекол серванта и посуды, думаем, понятно - лучше всего просто удалить сервант из «кинозала».
Неприятности могут исходить даже от подоконника, поскольку с точки зрения акустики пластиковый подоконник гораздо хуже изготовленного из ДСП - внутри пластикового есть полости.
Понятно, что о конструкции окон и подоконников, естественно, надо задумываться еще до их непосредственной установки. А что же делать, если и то и другое уже есть и все вместе создает акустический дискомфорт? В некоторых (но, к сожалению, далеко не во всех) случаях способны помочь тяжелые бархатные шторы. Еще можно посоветовать установить массивные внутренние ставни, которые будут закрываться на время просмотра фильма или прослушивания музыки.
Акустических неприятностей можно ожидать также и от полов. Причем, особенно существенные неприятности способны доставить полы ламинированные и каменные (в том числе керамические). Эти покрытия имеют довольно твердую поверхность и потому отражают звук значительно сильнее деревянных (паркета, массивной доски).
Средством спасения (правда, не всегда) может стать постеленный на пол ковер или ковролин.
И, наконец, стены и перегородки. Особенно много неприятностей могут доставить легкие каркасные конструкции, обшитые одним слоем гипсокартона, с расположением стоек через каждые 60см. Такая перегородка способна начать вибрировать и даже резонировать, как большое стекло. Посоветовать тут можно следующее. Во-первых, слоев гипсокартона должно быть, как минимум, два, со смещением швов одного слоя относительно другого.
Во-вторых, при сборке надо тщательно затягивать саморезы, прикрепляющие гипсокартон к каркасу (не забудьте это проконтролировать!). И, конечно же, внутреннее пространство каркасной перегородки обязательно должно быть заполнено эффективным звукопоглощающим материалом. Лучше, если конструкции будут опираться на плиты перекрытия, ригели, несущие балки, но ни в коем случае не на лаги или чистовые полы.
Гораздо чаще с нежелательными акустическими явлениями сталкиваются те "счастливцы", которые ценой, можно сказать, титанических усилий выделили под домашний кинотеатр отдельное помещение. И этим людям, пожалуй, вдвойне обидно. Еще бы! Оформил специальное помещение, приобрел дорогостоящую аппаратуру - и на тебе! Звук такой, что уже через несколько минут ничего не хочется ни слушать, ни смотреть, а тянет лишь поскорее покинуть созданный с таким трудом «кинотеатр». Что же создает звуковой дискомфорт?
К причинам, перечисленным нами выше, стоит добавить еще две. Первая - количество отражений и их длительность существенно превышают рекомендованные значения, что создает так называемую "звуковую кашу". Вторая - плохая форма помещения. Например, в прямоугольных «пеналах» часто возникает "стоячая волна" - в некоторых местах звук усиливается, а в каких-то, наоборот, ослабевает. И все из-за того же - из-за наложения отраженного сигнала на первичный. Могут возникнуть и другие нежелательные звуковые эффекты. Например, явления «порхающего эха» (появляется между двумя параллельными стенами) и «звукового отскока» (отражения звука от двух или трех сходящихся в углу поверхностей).
Как с этим бороться? Первый способ борьбы - конструктивный. Например, для устранения "порхающего эха" можно с помощью гипсокартонных листов сделать стены "кинозала" не совсем параллельными (с отклонением на 3-5 градусов). Или создать в помещении множество выступов и углов, используя тот же гипсокартон или мебель. Еще помогает установка пилястр, размер которых зависит от размера зала (у специалистов имеются на этот счет особые рекомендации). И в том, и в другом, и в третьем случае будет происходить рассеивание звука - он начнет отражаться под углом, отличающимся от 90 градусов. В результате, как говорят профессионалы, увеличится диффузность звукового поля – повысится вероятность того, что в каждой точке помещения и в каждом направлении уровень звука и его частота окажутся одинаковыми. То есть все точки внутри пространства станут «звукоравнозначными».
С точки зрения геометрии всегда лучше, если помещение соответствует формуле золотого сечения: отношение длины к ширине и высоте- 1/0,68/0,32. Кроме того, помещение не должно быть очень низким (менее 220 см). Если оно именно таково (например, это подвал), не стоит и пытаться создавать в нём кинотеатр - низкие частоты все равно не будут гармоничными.
Продолжение следует
___________________________________
Номер этой статьи в рубрикаторе журнала WOODFOCUS - 14.03.01.
(в рубрикаторе собраны статьи, опубликованные журналом на трёх интернет-платформах: ЯRUS, ЯНДЕКС-ДЗЕН, PABLIKO).
