www.avmentor.gr - KnowHow: Small Room Acoustics

Ακουστική Μικρών Χώρων

Εισαγωγή – Περί Ακουστικής Μικρών Χώρων
Τα Βασικά Χαρακτηριστικά – Χρόνος Αντήχησης και Ηχοαπορρόφηση
Χαμηλές συχνότητες και Στάσιμα Κύματα
Υψηλές συχνότητες και Ανακλάσεις
Στην Πράξη...

ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΗ

ΕΠΟΜΕΝΗ...

ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ...►

Τί είναι η ανάκλαση;

Στην πραγματικότητα, η ανάκλαση είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει κάθε φορά που ένα ηχητικό κύμα προσπίπτει σε ένα ακίνητο εμπόδιο. Ανακλάσεις είναι η αιτία και των στάσιμων κυμάτων, αλλά στο παρόν, ως ανακλάσεις θεωρούμε φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα στην περιοχή συχνοτήτων “D”, εκεί δηλαδή όπου τα μήκη κύματος είναι αρκετά μικρά ώστε να εφαρμόζουμε τις αρχές της γεωμετρικής ακουστικής. Κάτω από το πρίσμα αυτό, μια ανάκλαση ηχητικού κύματος δεν είναι διαφορετική από την ανάκλαση μιας οπτικής ακτίνας: Θεωρούμε ότι ο ήχος διαδίδεται ευθύγραμμα και ότι όταν συναντήσει ένα ακλόνητο εμπόδιο υπό μια γωνία, αλλάζει κατεύθυνση, δηλαδή ανακλάται και επιστρέφει στον χώρο. Η γωνία ανάκλασης δηλαδή η γωνία που σχηματίζει η ηχητική ακτίνα που ανακλάται με την κάθετο στην επιφάνεια του εμποδίου είναι ίση με την γωνία πρόσπτωσης, δηλαδή με την γωνία που σχηματίζει η ηχητική ακτίνα που φθάνει στο εμπόδιο με την κάθετο στην επιφάνειά του.
Με βάση την περιγραφή αυτή, οι ηχητικές ανακλάσεις έχουν δύο σημαντικά χαρακτηριστικά: Πρώτον, έπονται, σε κάθε περίπτωση, της αρχικής ακτινοβολίας από το ηχείο (επειδή ακολουθούν οδό διαφορετική της ευθείας), κατά έναν χρόνο ο οποίος μπορεί να είναι ελάχιστος, μικρός ή και μεγάλος, ανάλογα με την διαδρομή που θα ακολουθηθεί και, δεύτερον, έχουν ένα συγκεκριμένο φάσμα (δηλαδή ένα περιεχόμενο σε συχνότητες) το οποίο μπορεί να είναι όμοιο ή και διαφορετικό σε σχέση με την αρχική εκπομπή. Έτσι, σε κάθε ανάκλαση που μελετάμε μπορούμε να αναγνωρίσουμε δύο στοιχεία: Την χρονική της καθυστέρηση σε σχέση με την αρχική εκπομπή και το αν περιλαμβάνει ή όχι όλες τις αρχικές συχνότητες. Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά είναι, όπως θα δούμε, σημαντικά.

Ο τρόπος με τον οποίο εξελίσσεται η ηχητική πίεση σε συνάρτηση με τον χρόνο σε ένα διάγραμμα κρουστικής απόκρισης ενός χώρου. Προηγείται μια σιγή (περίπου 12mS) η οποία αντιστοιχεί στον χρόνο που απαιτείται προκειμένου να φτάσει στο μικρόφωνο (ή τον ακροατή) η πρώτη εκπομπή. Από εδώ μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση της πηγής η οποία βρίσκεται στα 4m, περίπου. Αμέσως μετά την πρώτη άφιξη ακολουθούν οι ανακλάσεις, με την πρώτη να είναι πολύ ισχυρή και πολύ κοντά στην πρώτη άφιξη. Το διάγραμμα συνοδεύεται και από το αντίστοιχο διάγραμμα αντήχησης.

Σε τί μας χρειάζονται οι ανακλάσεις

Ίσως, η αρχική εντύπωση να είναι ότι οι ανακλάσεις είναι ανεπιθύμητες γενικώς. Ωστόσο, η έρευνα έχει δείξει ότι αυτό δεν ισχύει. Κατ' αρχήν οι ανακλάσεις που έχουν μικρούς χρόνους άφιξης δεν εμποδίζουν το ανθρώπινο αυτί να διακρίνει την πηγή του ήχου, επειδή λειτουργεί το φαινόμενο Haas (Precedence Effect). Αυτό συμβαίνει επειδή για ένα μικρό χρονικό διάστημα (50mS περίπου) από την αρχική εκπομπή, δεν είμαστε σε θέση να αντιληφθούμε κάθε ανάκλαση ως ξεχωριστή πηγή, με αποτέλεσμα η θέση της αρχικής πηγής να επιβάλλεται στο ακουστικό ερέθισμα. Στην συνέχεια, αρκετοί ερευνητές έχουν φέρει στην επιφάνεια δεδομένα με βάση τα οποία μπορεί να υποστηριχθεί ότι οι πρώιμες ανακλάσεις δημιουργούν μια αίσθηση αύξησης του μεγέθους της στερεοφωνικής εικόνας. Το αν αυτό είναι καλό, είναι φυσικά θέμα προτίμησης, αλλά -κατά πάσα πιθανότητα- είναι οι πρώιμες ανακλάσεις που δημιουργούν μια εικόνα που εκτείνεται έξω από την περιοχή που ορίζουν τα δύο ηχεία καθώς επίσης και κατά μήκος του κάθετου άξονα δημιουργώντας την αίσθηση του “ύψους”. Ένα ακόμη σημείο στο οποίο φαίνεται ότι οι ανακλάσεις παίζουν τον ρόλο τους είναι και η ψευδαίσθηση του χώρου. Η ύπαρξη ανακλάσεων μπορεί να δημιουργήσει εύκολα την εντύπωση ότι ο ακροατής βρίσκεται κάπου “αλλού” και αυτό το εκμεταλλεύονται σχεδόν πάντοτε τα διάφορα συστήματα εικονικού surround. Δώστε εδώ σημασία στο εξής: Ο χρόνος αντήχησης ενός χώρου είναι ένα μέτρο με βάση το οποίο αποφασίζουμε για το μέγεθος του, το είδος, το πλήθος και τα χαρακτηριστικά των ανακλάσεων καθορίζουν εν πολλοίς την ψευδαίσθηση του χώρου που προσπαθεί να δημιουργήσει μια ηχογράφηση. Η αντήχηση οφείλεται, βεβαίως, στις ανακλάσεις, αλλά, ένας δεδομένος χρόνος αντήχησης μπορεί να οφείλεται σε τελείως διαφορετικό είδος ανακλάσεων κι έτσι δύο χώροι με το ίδιο “φαινόμενο” μέγεθος να έχουν άλλες επιδόσεις σε στερεοφωνική εικόνα! Τέλος, η ύπαρξη ανακλάσεων, όσο και αν αυτό ακούγεται περίεργο, βοηθά στην αντίληψη μικρολεπτομερειών που κάτω από ανηχοϊκές συνθήκες δεν θα ακούγαμε: Έρευνες έχουν δείξει ότι η επανάληψη ενός ήχου (και η ανάκλαση είναι αυτό ακριβώς: μια επανάληψη) επιτρέπει στο ανθρώπινο αυτί να ακούσει συντονισμούς με χαμηλό Q που περιλαμβάνονται στον ήχο αυτό, βελτιώνοντας έτσι την ακρίβεια στην αντίληψη κάποιων ηχοχρωμάτων. Ίσως το χειρότερο πρόβλημα των ανακλάσεων να είναι τα διάφορα προβλήματα συμβολής που είναι δυνατόν να οφείλονται σε αυτές. Αν μια ανάκλαση είναι πολύ ισχυρή και η κατεύθυνσή της προσεγγίζει την κατεύθυνση της άμεσης ακτινοβολίας, τότε είναι δυνατόν να έχουμε φαινόμενα συμβολής. Τα φαινόμενα συμβολής μπορεί να έχουν την μορφή φίλτρου κτένας (combing) όπου η απόκριση συχνότητας αποκτά έντονους λοβούς, επομένως προκαλεί, συνήθως ανεπιθύμητους, χρωματισμούς.


Ένας χώρος με καλύτερα χαρακτηριστικά έχει μια περισσότερο καθαρή κρουστική απόκριση.

Near Field, Free Field, Far Field και λοιπές παρεξηγήσεις.

Όλα τα παραπάνω, είναι αρκετά θεωρητικά: Αντιμετωπίζουν μια ανάκλαση η οποία συμβαίνει σε διακριτό χρόνο (θεωρούμε ότι κάποια στιγμή ο ήχος διακόπτεται) και επάνω σε μια πεπερασμένη διαδρομή ευθύγραμμης διάδοσης. Ωστόσο, στη μουσική και στους πραγματικούς χώρους αυτό δεν υπάρχει: Τα ηχητικά κύματα εξελίσσονται διαρκώς, και ο ακροατής γίνεται αποδέκτης άπειρων ανακλάσεων οι οποίες μπορεί να προέρχονται μέσα από εξαιρετικά σύνθετες διαδρομές μέσα στο χώρο. Είναι επομένως λογικό να μιλάμε για πεδίο ανακλάσεων και όχι για ανακλάσεις “σκέτο”. Πώς ακριβώς σχηματίζεται ένα τέτοιο πεδίο; Στην πραγματικότητα, με δεδομένη μια πηγή στον χώρο μας, το ηχητικό πεδίο μέσα στο οποίο βρίσκεται ο ακροατής μεταβάλλεται ανάλογα με την απόστασή του από την συγκεκριμένη πηγή και με τρόπο που εμμέσως καθορίζεται από τον χώρο. Σε πολύ μικρή απόσταση από το ηχείο, βρίσκεται το “εγγύς πεδίο” (near field). Πρόκειται για μια περιοχή η οποία καθορίζεται από το ίδιο το ηχείο (η ακτίνα της είναι περίπου ίση με την μεγαλύτερη διάσταση της πηγής) και δεν ισχύει η παραδοχή μας ότι ο ήχος διαδίδεται ομοιότροπα και με σφαιρικά κύματα. Επειδή, ακριβώς, η ακτίνα του εγγύς πεδίου σχετίζεται με τις φυσικές διαστάσεις της πηγής και ένα ηχείο έχει συνήθως δύο ή περισσότερα μεγάφωνα, δεν είναι καθόλου καλή ιδέα να ακούμε κάτω από συνθήκες near field. Φυσικά, η ύπαρξη near field monitors θέτει ένα ερώτημα... Στην πραγματικότητα, αυτό που οι επαγγελματίες και οι audiophiles ονομάζουν near field είναι το “ελεύθερο πεδίο” (free field ή direct field). Το πεδίο αυτό εκτείνεται μετά το “εγγύς” και για μια απόσταση η οποία συμβατικά καθορίζεται με βάση τον όγκο του χώρου και το RT60:

με το V να μετράται σε m3 και το RT60 σε sec. Το r ονομάζεται και κρίσιμη απόσταση (critical distance, room distance). Σε αποστάσεις μικρότερες του r, ισχύουν τα γνωστά περί του ηχητικού πεδίου: Η διάδοση γίνεται σε σφαιρικά κύματα και ισχύει ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου, δηλαδή η στάθμη μειώνεται κατά 6dB ανά διπλασιασμό της απόστασής μας από την πηγή. Επίσης εδώ δεν υπάρχουν ανακλάσεις ή για να είμαστε ακριβείς, η στάθμη των ανακλάσεων είναι πολύ μικρότερη από την στάθμη του άμεσου ήχου (ή λόγος του εξ ανακλάσεων πεδίου προς το άμεσο πεδίο είναι πολύ μικρός) και μπορούμε να τις αγνοήσουμε στην πράξη. Η κρίσιμη απόσταση, καθορίζει μια περιοχή του χώρου όπου το άμεσο πεδίο και το εξ ανακλάσεων πεδίο είναι ίσα (ως προς την στάθμη). Σε αποστάσεις μεγαλύτερες της κρίσιμης βρίσκεται το πεδίο αντήχησης (reverberant field ή far field). Εδώ επικρατούν οι ανακλάσεις του χώρου, δεν ισχύει ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου και ο χαρακτήρας του ήχου καθορίζεται από το είδος και την μορφή των ανακλάσεων αυτών.
Τι σημαίνουν όλα αυτά στην πράξη; Ότι σε κάθε χώρο, με δεδομένα τα ηχεία τα οποία βρίσκονται τοποθετημένα, σε συγκεκριμένες θέσεις οι επιλογές μας ως προς το τί θα ακούσουμε είναι καθορισμένες: Το μέγεθος των ηχείων, οι δρόμοι τους και η θέση των μεγαφώνων τους καθορίζουν το -απαγορευτικό- near field του οποίου το πέρας σε συνδυασμό με την κρίσιμη απόσταση καθορίζουν μια περιοχή όπου ο ακροατής δεν θα δεχτεί έντονες ανακλάσεις και ο ήχος καθορίζεται κυρίως από την ανηχοϊκή απόκριση του ηχείου. Ωστόσο, μη φανταστείτε ότι το free field είναι κάτι ιδιαίτερα ρεαλιστικό: Για ένα δωμάτιο IEC 60268-13, με αντήχηση 500mS η κρίσιμη απόσταση δηλαδή το σημείο όπου το ελεύθερο πεδίο “τελειώνει” είναι μόλις 80 εκατοστά του μέτρου! Αν ο χώρος γίνει οριακά νεκρός κατά EBU (δηλαδή το RT60 πέσει στα 200mS) η απόσταση αυτή γίνεται 1.3 μέτρα. Μιλάμε, δηλαδή για πραγματικά “κοντινές” ακροάσεις!
Σε ένα κλασικό στήσιμο όπου τα ηχεία απέχουν 2 μέτρα μεταξύ τους και από τον ακροατή και θέλουμε ο χρόνος αντήχησης να παραμείνει στα 500mS, οι διαστάσεις του χώρου που χρειαζόμαστε για να επιτύχουμε ακροάσεις free field είναι (περίπου) 12.0x19.0x2.7m...


Σχηματική αναπαράσταση του είδους των ηχητικών πεδίων που επικρατούν σε έναν χώρο (η πραγματικότητα δεν είναι τόσο σαφής...).

Έχουν οι ανακλάσεις απόκριση συχνότητας; το Χαλί και η Πολική Απόκριση

Με βάση τα παραπάνω, είναι προφανές ότι η συντριπτική πλειοψηφία των ακροάσεων γίνεται λίγο ή περισσότερο μέσα στο πεδίο αντήχησης του χώρου. Αυτό σημαίνει πώς ό,τι αποκομίζει ο ακροατής είναι ένας συνδυασμός άμεσου και ανακλώμενου ήχου, οπότε τίθεται το θέμα: Πόσο ρόλο παίζει το φάσμα των ανακλάσεων στο τελικό αποτέλεσμα. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα θετικά στοιχεία που προσφέρουν οι -ειδικά οι πρώιμες- ανακλάσεις και αναφέρθηκαν στην αρχή αυτής της ενότητας, διατηρούνται μόνο όταν ο ανακλώμενος ήχος έχει το ίδιο φάσμα με τον αρχικό. Σε αντίθετη περίπτωση, υπάρχει κίνδυνος οι ανακλάσεις να εκλαμβάνονται ως διαφορετικά γεγονότα οπότε -για παράδειγμα- το φαινόμενο Haas δεν λειτουργεί.
Αυτό, φέρνει στην επιφάνεια ένα σύνηθες πρόβλημα: Αν αποφασίσουμε να “ρυθμίσουμε” την ηχητική συμπεριφορά του χώρου με κάποια υλικά, θα πρέπει να εξασφαλίσουμε ότι η απορρόφηση ή η διάχυση που εισάγουν είναι η ίδια για όλες τις συχνότητες, η τουλάχιστον για τις συχνότητες που μας ενδιαφέρουν στην περιοχή “D”. Αν αυτό δεν συμβαίνει, η συμπεριφορά τους θα είναι συμπεριφορά φίλτρου και οι ανακλάσεις θα αποκτήσουν διαφορετικό φάσμα από τον αρχικό ήχο. Αυτός είναι και ο λόγος που η τοποθέτηση ενός οποιουδήποτε, τυχαίου, χαλιού δεν “φτιάχνει” πάντοτε τον ήχο σε έναν χώρο: Το δάπεδο μπροστά από τα ηχεία είναι η αιτία μιας πολύ πρώιμης ανάκλασης (ίσως και της πρώτης) και αν το φάσμα της δεν είναι πλήρες δημιουργεί περισσότερα προβλήματα από όσα λύνει. Το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί εκεί, θα πρέπει να δημιουργεί -κυριολεκτικά- μια ακουστική οπή, να απορροφά δηλαδή πλήρως το κύμα ή έναν άψογο διαχυτή, να το διαχέει δηλαδή προς όλες τις κατευθύνσεις.
Τέλος, το γεγονός ότι οι ανακλάσεις δημιουργούνται και από την εκπομπή του ηχείου εκτός άξονα βάζουν στην εξίσωση και την πολική απόκριση του ηχείου αυτού. Η πολική απόκριση ενός ηχείου είναι μια μέτρηση που δείχνει τον τρόπο με τον οποίο μεταβάλλεται η απόκριση συχνότητάς του σε συνάρτηση με την γωνία μέτρησης (ως προς τον ακουστικό άξονα). Ηχεία με καλή πολική απόκριση είναι ηχεία τα οποία εκπέμπουν με τον ίδιο τρόπο προς ένα μεγάλο εύρος κατευθύνσεων και τηρουμένων όσων ειπώθηκαν για τα υλικά ρύθμισης της ακουστικής, δημιουργούν ένα πεδίο ανακλάσεων με φάσμα παρόμοιο της αρχικής, επί του άξονα, εκπομπής. Αυτό, με την σειρά του, σημαίνει ότι ο ακροατής μπορεί να κάτσει μακρυά τους, δηλαδή πέρα από την κρίσιμη απόσταση και μέσα στο πεδίο αντήχησης και να αναμένει τα θετικά στοιχεία που οι ανακλάσεις προσφέρουν. Αντιθέτως, ένα κατευθυντικό ηχείο, δηλαδή ένα ηχείο του οποίου η απόκριση συχνότητας διαφοροποιήται αισθητά με την γωνία, δεν δημιουργεί ένα καλό πεδίο ανακλάσεων και θα πρέπει να ακούγεται στην περιοχή του ελεύθερου πεδίου ή όσο πιο “ρηχά” στην περιοχή του πεδίου αντήχησης (δηλαδή κοντά στην κρίσιμη απόσταση).

Συνοψίζοντας, οι ανακλάσεις δεν είναι ένα αρνητικό στοιχείο του χώρου ακρόασης αφού το ακουστικό μας σύστημα είναι προσαρμοσμένο στην ύπαρξή τους και μπορεί να εξάγει σημαντικές πληροφορίες από την παρουσία τους. Στην πράξη, δεν μιλάμε για ανακλάσεις αλλά για πεδίο ανακλάσεων το οποίο μεταβάλλεται ανάλογα με την απόσταση από την πηγή και με τα χαρακτηριστικά του χώρου. Η θέση μας σε σχέση με τα ηχεία υπαγορεύεται από το πόσο θέλουμε οι ανακλάσεις να συμμετέχουν στο ακουστικό ερέθισμα, αλλά και από τις ιδιότητες του ηχείου. Τούτων λεχθέντων, απομένει μια ακόμη και τελευταία σημαντική ερώτηση: Πώς (διάβολο) επιλέγουμε τελικώς έναν χώρο, πώς τοποθετούμε τα ηχεία μέσα σε αυτόν και πώς κάνουμε τις τελικές μικρορυθμίσεις;