Adaptacja
akustyczna w praktyce
Część 3 - pułapki basowe
Tomasz
Wróblewski
W
poprzednim miesiącu poruszyłem temat tzw. pułapek basowych,
których zadaniem jest pochłonięcie energii fal o określonych
częstotliwościach w niskim paśmie akustycznym. Pora przyjrzeć
się bliżej tej tematyce.
Wiemy
już, że o występowaniu rezonansów własnych pomieszczenia
decydują głównie jego wymiary fizyczne, których najczęściej
nie jesteśmy w stanie zmienić. Ale nie oznacza to, że jesteśmy
w tej sytuacji całkowicie bezradni. Istnieją bowiem niezbyt
skomplikowane konstrukcje mechaniczne, które pozwalają w
istotny sposób wpływać na pochłanianie energii fal o
określonych częstotliwościach, a tym samym umożliwiają
wyrównanie charakterystyki przenoszenia w danym pomieszczeniu
odsłuchowym.
Zacznijmy od... zasłony
Punktem
wyjścia do naszych rozważań na temat tzw. pułapek basowych
będzie sytuacja, w której przed betonową lub ceglaną ścianą
powiesimy materiałową zasłonę, która pełni funkcję
porowatego materiału dźwiękochłonnego. Pominąwszy oczywisty
fakt pochłaniania dźwięku przez samą zasłonę, różnego dla
różnych materiałów z jakich jest ona wykonana i stopnia
udrapowania zasłony, przyjrzymy się pochłanianiu wynikającemu
z określonej odległości zasłony od ściany. Z rozważań
teoretycznych, których nie ma sensu tutaj przytaczać, oraz z
pomiarów praktycznych wynika, że taki układ zasłona-ściana
charakteryzuje się pochłanianiem częstotliwości, których
długość fali pozostaje w ścisłej zależności w odległości
zasłony od ściany. Dokładniej rzecz ujmując wartość
maksymalna pochłaniania występuje przy odstępie od ściany
równym nieparzystej wielokrotności jednej czwartej długości
fali, a minimalna przy parzystej wielokrotności jednej czwartej
długości fali. Brzmi to dość skomplikowanie, więc przełóżmy
owo stwierdzenie na praktykę. Jeśli odległość zasłony od
ściany będzie wynosiła 20 centymetrów (co odpowiada długości
fali o częstotliwości 1720Hz), największe pochłanianie będzie
występowało dla częstotliwości 430Hz i jej nieparzystych
wielokrotności, a najmniejsze dla 860Hz i jej parzystych
wielokrotności.
Zasłona
powieszona w odległości (d) od ściany tworzy jednej z
najprostszych ustrojów akustycznych pozwalających na
pochłanianie częstotliwości, których długość fali jest
czterokrotnie większa od odległości (d). Układ ten działa
dość sprawnie w odniesieniu do częstotliwości z zakresu
środka pasma.
Skuteczność
układu zasłona-ściana dla najniższych częstotliwości jest
niewielka i odnosi się głównie do częstotliwości z
przedziału 250Hz-1kHz (warto o tym pamiętać pracując nad
wyrównaniem akustyki pomieszczenia w tym właśnie zakresie).
Sama zasada jednak ma zastosowanie przy konstruowaniu tzw.
pułapek basowych (bass trap), o których wspomniałem w
poprzednim odcinku naszego cyklu. Fala dźwiękowa wpadająca do
pułapki basowej odbija się od jej dna. Jeśli głębokość
pułapki basowej jest równa jednej czwartej długości fali
wówczas przy jej dnie fala uzyskuje największe ciśnienie
(prędkość cząsteczek jest tam zerowa), a ciśnienie przy
wlocie pułapki basowej jest bliskie zeru (cząsteczki uzyskują
tam największą szybkość). Od głębokości pułapki zależy
częstotliwość do jakiej jest ona dostrojona. Jeśli chcemy
dostroić pułapkę np. do 120Hz (długość fali 2,87m), wówczas
powinna ona mieć głębokość 72 centymetry.
Ćwierćfalowe
pułapki basowe są bardzo skuteczne w odniesieniu do
częstotliwości do jakiej są dostrojone i jeśli tylko mamy
możliwość ich zastosowania w naszym studiu nagrań namawiam do
ich wykonania, zwłaszcza gdy nasze pomieszczenie charakteryzuje
się jedną, mocno dominującą częstotliwością rezonansową.
Wykonanie pułapki skrzynkowej jest dość proste, ale trzeba
pamiętać o solidnym połączeniu tworzących ją elementów
wykonanych z grubej sklejki i zabezpieczeniu przed występowaniem
rezonansów mechanicznych.
Przekrój
skrzynkowej pułapki basowej. Fala dźwiękowa wpada od góry
poprzez materiał dźwiękochłonny. Różnica ciśnień u wlotu
pułapki i u jej dna sprawia, że układ ten pochłania energię
fal, do których został dostrojony. We wnętrzu pułapki należy
umieścić materiał dźwiękochłonny, który poszerza zakres
działania ustroju.
Ratunek
w butelce
Skrzynkowa pułapka basowa to nie jedyny element
spełniający rolę ustroju akustycznego pochłaniającego
energię nadmiernie wyeksponowanych częstotliwości
rezonansowych pomieszczenia. Równie chętnie stosowany jest
ustrój bazujący na znanym od dawna rezonatorze Helmholtza. Aby
przekonać się jak działa rezonator Helmholtza wystarczy
dmuchnąć w krawędź pustej butelki. Wtłoczenie powietrza
przez szyjkę butelki wywoła drganie powietrza znajdującego się
w jej głębi, a częstotliwość tych drgań będzie zależeć
od jej objętości - czym będzie ona większa, tym częstotliwość
będzie niższa.
Zbudowany
na zasadzie butelki rezonator Helmholtza pochłania w
pomieszczeniu energię tej częstotliwości, do której jest
dostrojony. Dobroć rezonatora, czyli szerokość pasma na jakie
on oddziałuje, pozostaje w ścisłej zależności od tarcia
cząsteczek powietrza w układzie drgającym. Szklana butelka
charakteryzuje się bardzo dużą dobrocią, czyli wycinane przez
nią pasmo częstotliwości jest bardzo wąskie. Jeśli jednak
przysłonimy wlot butelki albo do jej wnętrza włożymy np.
kilka skrawków materiału, wówczas dobroć się zmniejsza,
czyli szerokość pochłanianego pasma częstotliwości ulega
poszerzeniu.
Jedna
z form ustroju akustycznego z perforowaną płytą czołową. W
tym wypadku ustrój ma postać skrzynki zamkniętej od przodu
płytą o grubości (g) z nawierconymi otworami. Wnętrze
skrzynki w połowie wypełnione jest warstwą mineralnej wełny
dźwiękochłonnej. O częstotliwości, do jakiej dostrojony jest
ustrój decydują: głębokość ustroju (d), procentowy udział
otworów w powierzchni płyty czołowej (gęstość ich
rozmieszczenia oraz średnica otworów) oraz grubość płyty
czołowej (g). Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, by
ustrój miał formę płyty perforowanej mocowanej w pewnej
odległości od ściany pomieszczenia.
Warto
zadać sobie pytanie co się dzieje z dźwiękiem o innej
częstotliwości niż częstotliwość rezonansowa rezonatora
Helmholtza, który w końcu też dostaje się do jego wnętrza.
Mówiąc najprościej - zostaje on odbity i rozchodzi się
półkoliście. Uzyskujemy zatem efekt podwójnie korzystny z
akustycznego punktu widzenia: pochłonięcie energii
częstotliwości rezonansowej oraz rozproszenie energii innych
częstotliwości.
Jak
w praktyce realizowany jest rezonator Helmholtza? Na dobrą
sprawę idea jego konstrukcji niewiele różni się od
konstrukcji butelki, a w zasadzie wielu butelek. Zazwyczaj jest
to pudło prostokątne, którego łączna objętość równa jest
sumie objętości naszych wyimaginowanych butelek, zamknięte
pokrywą z wywierconymi otworami. W ten sposób uzyskujemy
rezonator o perforowanej powierzchni. Umieszczone w pewnej
odległości od ściany, wykonane ze sklejki płyty z
wywierconymi otworami, stanowią właśnie praktyczną realizację
zespołu rezonatorów Helmholtza. Owe otwory lub szczeliny to nic
innego jak szyjki tychże rezonatorów, a pustka powietrzna za
płytą to ich wnętrze.
Wzorów
na wyliczenie częstotliwości ustroju akustycznego z otworami
okrągłymi jest kilka, ale najczęściej stosowany przedstawia
się następująco:
gdzie:
f0
- częstotliwość rezonansowa
p - procentowy udział
perforacji w powierzchni czołowej
d - głębokość pustki
powietrznej [cm]
g - grubość płyty czołowej [cm]
s
- średnica pojedynczego otworu [cm]
Nieco
kłopotliwe może okazać się wyliczenie procentowego udziału
perforacji w powierzchni czołowej ustroju, ale tutaj pomocne
będą wzory umieszczone obok.
Wyliczając
wymiary ustroju akustycznego z otworami na płycie czołowej
potrzebna nam będzie wartość procentowego udziału perforacji
w powierzchni czołowej. Można ją pracowicie wyliczyć "na
piechotę", ale można też skorzystać z wzorów
opublikowanych w "Podręczniku Akustyki" F. A.
Everesta. W jednym przypadku mamy do czynienia z otworami
rozmieszczonymi po kwadracie, a w drugim z otworami umieszczonymi
po trójkącie równobocznym.
Już
choćby z pobieżnych wyliczeń wynika, że dostępne w handlu
pilśniowe płyty perforowane (w których procentowy udział
perforacji jest względnie duży), pozwalają uzyskać rezonans w
zakresie częstotliwości środkowych. Jeśli zależy nam na
rezonansie w zakresie niskich częstotliwości, wówczas musimy
korzystać z grubszych płyt sklejkowych i wiercić w nich
większe otwory, rozstawione w większych odległościach.
Przykładowo płyta o grubości 6mm z otworami o średnicy 3mm
oddalonymi od siebie o ok. 6cm (co daje procentowość perforacji
rzędu 0,25%), ustawiona w odległości ok. 15cm od ściany
pozwala uzyskać częstotliwość rezonansu rzędu 75Hz.
Zbudowany
na bazie rezonatora Helmholtza ustrój akustyczny charakteryzuje
się największą skutecznością wtedy, gdy fale dźwiękowe
padają nań prostopadle. Wówczas to wszystkie drobne
rezonatory, z których składa się cały ustrój, pozostają ze
sobą w fazie. Jeśli fale dźwiękowe padają pod pewnym kątem
wówczas skuteczność spada, ale można sobie z tym poradzić
poprzez wewnętrzne oddzielenie poszczególnych rezonatorów np.
kratką zamontowaną w pustce powietrznej.
Jak
już wiemy z opisanego wyżej przypadku butelki sama pustka
powietrzna wewnątrz rezonatora sprawi, że tak skonstruowany
ustrój akustyczny będzie posiadał ostrą charakterystykę, co
z wielu względów nie zawsze jest korzystne. Ma to rację bytu
gdy walczymy z jedną, ściśle określoną częstotliwością,
ale zazwyczaj częstotliwości rezonansowe pomieszczenia nie
pokrywają się ze sobą, skupiając się w pewnym zakresie
częstotliwości. Dlatego też wewnątrz ustroju należy umieścić
elementy dźwiękochłonne, które swoim oporem akustycznym
poszerzą pasmo działania ustroju. Jako wypełnienie najczęściej
stosowana jest wełna minera. Praktyka podpowiada, że powinna
ona zajmować połowę obszaru pustki powietrznej. Jeśli płyta
oddalona jest od ściany o 20cm, wówczas wełna przymocowana do
tejże ściany powinna mieć grubość 10cm.
Uproszczony
schemat szczelinowego ustroju akustycznego. Nabite pionowo listwy
stanowią rodzaj "szyjki butelki" w rezonatorze
Helmholtza tworzonym przez ustrój. Na częstotliwość
rezonansową mają wpływ szerokość tych listew (g), odległość
płyty czołowej od ściany lub dna ustroju (d) oraz procentowy
udział szczelin w powierzchni czołowej ustroju.
Ustrój
listwowy
Innym ustrojem akustycznym, także bazującym na
zasadzie pracy rezonatora Helmholtza, jest ustrój listwowy.
Tutaj rolę "szyjki od butelki" pełni przestrzeń
między dwoma listwami tworzącymi szczelinę wlotową. Masa
powietrza znajdująca się w szczelinie ma zdolność poruszania
powietrza znajdującego się wewnątrz ustroju, co razem tworzy
rezonansowy układ akustyczny.
Wzór do wyliczania
częstotliwości rezonansowej ustroju listwowego jest
następujący:
gdzie:
f0
- częstotliwość rezonansowa [Hz]
p - procentowy udział
szczelin w powierzchni czołowej ustroju
g - grubość
listwy [cm]
d - głębokość pustki powietrznej [cm]
Listwy
w ustroju listwowym mogą być montowane pionowo, poziomo, jak i
pod kątem - wszystko zależy od efektu wizualnego, jaki chcemy
osiągnąć (nie zapominajmy bowiem, że ustroje akustyczne muszą
siłą rzeczy pełnią także rolę elementów wystroju
pomieszczenia). Tutaj także wskazane jest użycie materiałów
dźwiękochłonnych, które wnosząc opór akustyczny powodują
rozszerzenie zakresu częstotliwości pochłanianych przez
ustrój. W większości realizacji materiałem dźwiękochłonnym
są płyty z włókna szklanego umieszczane tuż za szczelinami.
A
już za miesiąc...
W kolejnym odcinku cyklu przyjrzymy się
bliżej bardzo popularnym i stosunkowo łatwym do wykonania we
własnym zakresie przeponowym ustrojom dźwiękochłonnym oraz
zastanowimy się gdzie najlepiej rozmieścić ustroje akustyczne
służące do kontroli niskich częstotliwości w naszym
pomieszczeniu.
|