آکوستیک چیست و در فضا به چه صورت عمل می کند؟
از آمفی تئاترهای روباز، تا سالن‌های کنسرت سرپوشیده، تا استودیوهای ضبط صدا، درک آکوستیک لازم است تا این فضاها طراحی شوند و اطمینان حاصل شود که وقتی پر از موسیقی زنده هستند بهترین صدا را دارند. اگر به دنبال تبدیل شدن به یک مهندس صدا یا ضبط بهتر هستید، آکوستیک قطعا چیزی است که باید راجع به آن بدانید. در اینجا چند ایده اساسی در زمینه آکوستیک برای شروع مطالعات شما وجود دارد که می تواند قبل از فرو رفتن در مفاهیم پیشرفته ریاضی مفید باشد.
آکوستیک چیست؟
آکوستیک شاخه ای از فیزیک است که به مطالعه صوت می پردازد، که به سادگی هر چیزی است که انسان یا سایر حیوانات می توانند بشنوند. نوازندگان در درجه اول به محدوده صدایی که برای انسان قابل شنیدن است توجه دارند و تمرکز این مقاله بر آن خواهد بود.
تفاوت بین آکوستیک و صدا چیست؟
مهم است که بین آکوستیک و صدا تمایز قائل شویم. آکوستیک مطالعه صدا در برخی از اشکال مکانیکی است - خواه در هوا یا در رسانه های دیگر باشد. در صنعت ضبط، اصطلاح "صوتی" به طور کلی به نمایش الکتریکی یک سیگنال آکوستیکی اشاره دارد. صدا روشی مناسب برای انتقال، دستکاری و ذخیره صدا است. با این حال، تا زمانی که سیگنال‌های صوتی به سیگنال‌های آکوستیکی تبدیل نشده باشند، نمی‌توانیم بشنویم. تجربه ما از صدا همیشه آکوستیک است، صرف نظر از اینکه آیا الکترونیک در مسیر منبع تا گوش ما دخیل بوده است یا خیر.
متخصصان آکوستیک می‌خواهند بفهمند صدا چگونه بر شنونده تأثیر می‌گذارد، ما به مسیری که صدا در مسیر خود به سمت شنونده از منبع طی کرده است نگاه می‌کنیم. ارزیابی یا دستکاری هر صدا را می توان به چیزی که اغلب تحلیل منبع-مسیر-گیرنده می گویند ساده کرد. صدا توسط یک منبع تولید می شود، مسیری را از منبعی به گیرنده دیگر دنبال می کند و توسط گیرنده (معمولاً شنونده انسانی) تجربه می شود. اگر بخواهیم کیفیت یا کمیت صدا را در گیرنده تغییر دهیم، باید یک یا چند مورد از این سه عنصر را تغییر دهیم: منبع، مسیر یا خود گیرنده.
ما می خواهیم رابطه منبع-مسیر-گیرنده را در سه بخش بررسی کنیم:
- آکوستیک در فضای باز، یا آنچه ما آن را محیط میدان آزاد می نامیم، جایی که تنها چیزی که بر مسیر تأثیر می گذارد فاصله است.
- آکوستیک داخلی، جایی که ما منبع و گیرنده را در یک اتاق کنار هم قرار می دهیم و سعی می کنیم تأثیر اتاق را درک کنیم.
- آکوستیک ایزوله که در آن منبع و گیرنده را در اتاق‌های جداگانه قرار می‌دهیم و به چگونگی تأثیر دیوارهای میانی و سایر عناصر ساختمانی بر میزان ورود صدا به اتاق یا خارج شدن از اتاق نگاه می‌کنیم.
آکوستیک در فضای باز
بدون شک متوجه شده اید که با دور شدن از منبع صدا، به خصوص در فضای باز، ساکت تر می شود. همین امر در مورد لامپ، دکل تلفن همراه، اتصال Wi-Fi و غیره نیز صادق است. شدت هر نوع انرژی نزدیک به منبع است. زمانی که در خارج از منزل هستیم، فاصله مهمترین عامل در محاسبه مسیر است. با این حال، مگر اینکه در یک میدان بزرگ یا خارج از دریا باشیم، صدا پتانسیل برخورد با چیزها را دارد.
انعکاس
هنگامی که صدا بر اکثر اجسام تأثیر می گذارد، حداقل برخی از آنها منعکس می شوند. صدا در این زمینه بسیار شبیه به نور عمل می کند. زاویه تابش برابر با زاویه بازتاب است. یک سطح بزرگ و صاف مانند آینه ای برای صدا است.
جذب
اکثر مواد مقداری صدا را جذب می کنند. هر صدایی که منعکس نشده باشد به نوعی جذب شده است. ممکن است به گرما یا شکل دیگری از انرژی تبدیل شده باشد، یا ممکن است فقط از مواد عبور کرده باشد. جذب بسیار وابسته به فرکانس است، بنابراین برای یک ماده معین، تعادل بین مقادیر جذب شده و صدای منعکس شده معمولاً از فرکانس پایین تا فرکانس بالا کمی متفاوت است.
انتشار یا بازتاب
هنگامی که سطح بازتابش صاف نباشد، صدا ممکن است در جهات مختلف به طور همزمان منعکس شود. سطح ناهموار چندین سطح کوچکتر را فراهم می کند که زوایای تابش متفاوتی دارند و در نتیجه زوایای انعکاس متفاوتی ایجاد می شود. سطوح پراکنده اغلب در آکوستیک معماری برای حذف یا کاهش حضور پژواک های منحرف کننده استفاده می شود.
انکسار
انکسار خم شدن امواج صوتی به دور اجسام است. زمانی اتفاق می افتد که طول موج صوتی از بزرگترین بعد جسم تجاوز کند. به جای انعکاس، مقداری از صدا راه خود را در اطراف جسم پیدا می کند. هر چه فرکانس صدا کمتر باشد، پراش آن آسانتر است.
اگر دوستی داشته باشید که پشت درخت بایستد و صحبت کند، احتمالاً همچنان می‌توانید حرف‌های او را بشنوید و بفهمید. این یک مثال ساده از پراش است. هیچ مسیر بازتابی وجود ندارد که سخنرانی را به شما برساند. اگرچه مقداری از صدا منعکس می شود، اما بیشتر آن پراش می شود زیرا قطر درخت نسبت به طول موج صداهای گفتاری کوچک است.
انکسار خمش است امواج صوتی زمانی که با تغییر در سرعت صوت مواجه می شوند. این ممکن است به این دلیل باشد که آنها از هوا به برخی رسانه های دیگر (مانند آب) حرکت می کنند یا ممکن است کاملاً در هوا اتفاق بیفتد که سرعت صوت هنگام مواجهه با هوای تغییر دما تغییر می کند.
موانع صوتی
یکی از ابزارهای اصلی کنترل نویز در محیط های بیرونی استفاده از موانع صوتی است. موانع صوتی به سادگی دیوارهایی هستند که بین منبع و گیرنده ساخته می شوند تا مسیر مستقیم انتشار بین این دو را مسدود کنند. صدا تمایل دارد در یک خط مستقیم حرکت کند، درست مانند نور. مانند نور، اگر آن خط دید را مسدود کنیم، یک سایه خواهیم داشت.
کارایی یک مانع به ارتفاع و فاصله آن از منبع بستگی دارد. موانع در فرکانس‌های بالا بسیار بهتر از فرکانس‌های پایین کار می‌کنند، زیرا صدا از بالای مانع پخش می‌شود. پراش به طول موج وابسته است و فرکانس های پایین دارای طول موج بلندتری هستند. کنترل نویز فرکانس پایین می تواند به یک مانع بسیار بلند نیاز داشته باشد.
آکوستیک داخلی
صدا در یک اتاق میلیون ها انعکاس ایجاد می کند که در مجموع به آنها طنین می گویند. میزان طنین در یک اتاق می تواند بر موفقیت اتاق برای هدف مورد نظر تأثیر بگذارد - چه مثبت یا منفی.
ویژگی های جذب سطوح و اشیاء در یک اتاق، عوامل اصلی در تعیین صدای اتاق هستند. صدایی که هنگام برخورد با سطح جذب می شود به داخل اتاق منعکس نمی شود. ممکن است به شکل دیگری از انرژی مانند گرما یا لرزش فیزیکی تبدیل شود، یا ممکن است به سادگی از اتاق فرار کند.
یکی از بزرگترین تصورات غلط در آکوستیک داخلی این است که موادی که در جذب صدا خوب هستند به جلوگیری از انتقال صدا از فضایی به فضای دیگر کمک می کنند. این مورد نیست. موادی که جاذب خوب صدا هستند تقریباً همیشه در جلوگیری از انتقال صدا از یک طرف به طرف دیگر بسیار ضعیف هستند. در واقع یکی از بهترین جاذب ها پنجره باز است. واضح است که صدایی که به دهانه می زند به داخل اتاق منعکس نمی شود. با این حال، آن صدا هنوز وجود دارد - فقط بیرون است.
هنگامی که ما در حال مطالعه صدا در یک اتاق هستیم، "جذب" در واقع به معنای "بازتاب نشده" است.
جاذب های صدا
سه نوع اصلی جاذب صدا وجود دارد: جاذب متخلخل، جاذب پانل و جاذب رزونانس. این سه نوع هم در مکانیسم جذب صدا و هم در رابطه بین ضریب جذب و فرکانس متفاوت هستند. طرح های متعددی از هرکدام وجود دارد که اینها نمونه هایی هستند.
جذب کننده های متخلخل
جاذب های متخلخل شامل مواد نرم و متخلخل مانند فایبرگلاس، پارچه های سنگین یا فرش هستند و با به دام انداختن و کند کردن حرکت مولکول ها انرژی صوتی را به گرما تبدیل می کنند. گاهی اوقات به آنها جاذب های اصطکاکی می گویند، زیرا انتقال از حرکت به گرما به دلیل اصطکاک بین ماده و مولکول های هوا است.
کارایی یک جاذب متخلخل اساساً به ضخامت آن بستگی دارد. جذب کننده های ضخیم تر جذب فرکانس پایین بهتری را فراهم می کنند.
جاذب های پانل
جاذب های پانل - همچنین به عنوان جاذب های خمشی یا دیافراگمی شناخته می شوند - از پانل های غیر متخلخل تشکیل شده اند که عموماً توسط یک حفره هوا از یک سطح صلب فراتر از آن جدا می شوند. این پانل ها در فرکانس های تشدید خود خم می شوند و انرژی صوتی را به گرما تبدیل می کنند.
این جاذب ها برای پهنای باند حدود یک اکتاو بسیار موثر هستند و می توانند برای فرکانس های مختلف تشدید و جذب حداکثری طراحی شوند.
اگرچه جاذب های پانل را می توان عمداً برای جذب صدا برای تنظیم آکوستیک اتاق طراحی کرد، اما این اثر در اکثر سازه های دیوار خشک نیز دیده می شود. دیوارهای ساده ساخته شده از گل میخ های چوبی یا فلزی با دیوار خشک چسبانده شده به آنها تمایل دارند به عنوان جاذب دیافراگمی عمل کنند. با این حال، مقداری از انرژی جذب شده معمولاً از طریق این پارتیشن های سبک وزن به اتاق بعدی راه می یابد. این یک نمونه عالی از موادی است که در جذب صدا خوب است اما صدا را به خوبی جدا نمی کند. یک گل میخ دیواری که توسط پانل های دیواری در دو طرف آن مشترک است در واقع به انتقال صدا از طریق دیوار کمک می کند.
جذب کننده های تشدید کننده
یک جاذب تشدید کننده به رزونانس یک حفره هوا بستگی دارد که عموماً به عنوان تشدید کننده هلمهولتز شناخته می شود. یک بطری یک نمونه ساده از تشدید کننده هلمهولتز است. اگر بالای یک بطری خالی باد کنید، صدای خاصی را خواهید شنید. اگر مقداری آب در بطری بریزید و آزمایش را تکرار کنید، فرکانس تن بیشتر خواهد شد. این به این دلیل است که حجم رزوناتور تغییر کرده است. اگر بخواهید از این بطری ها دیواری بسازید، به عنوان یک جاذب بسیار موثر در فرکانس رزونانس خاص عمل می کند.
پهنای باند جذب مؤثر یک جاذب رزونانسی به اصطکاکی که هوا در مسیر ورود و خروج از حفره با آن مواجه می شود، بستگی دارد. یک بطری نوشابه ممکن است پهنای باند کمتر از 1 هرتز داشته باشد، اما با درجه جذب بسیار بالا اثربخشی جذب را می توان به نفع پهنای باند بزرگتر قربانی کرد. افزودن جذب متخلخل به داخل حفره تشدید راه خوبی برای رسیدن به این هدف است.
با ساختن یک دیوار از بلوک های مختلف طراحی شده برای فرکانس های مختلف، می توان به جذب پهنای باند دست یافت. مزایای این جاذب ها نسبت به انواع دیگر مقاومت در برابر ضربه و آب و هوا می باشد. آنها اغلب در سالن های ورزشی و اتاق های استخر استفاده می شوند.
طنین
طنین، از آنجایی که اساساً نویز تصادفی است، اگر نسبت به مسیر مستقیم بیش از حد بلند باشد، درک گفتار را مختل می کند. در فضاهایی که ارتباط گفتاری مهمترین هدف است، زمان‌های طنین معمولاً کوتاه نگه داشته می‌شوند - کمتر از 0.5 ثانیه یا بیشتر.
با این حال، موسیقی اغلب از مقادیر مختلفی از طنین سود می برد. در واقع، هنگامی که موسیقی در اتاق‌های کوچک با طنین بسیار کم ضبط می‌شود، اغلب به صورت الکترونیکی شبیه‌سازی می‌شود تا صدایی شبیه آن در فضایی بزرگتر و پر طنین‌تر ضبط شود. میزان طنین مورد نظر با ژانر موسیقی متفاوت است. موسیقی مجلسی در یک فضای پر طنین بزرگ به نظر می رسد، اما همان اتاق برای موسیقی راک فاجعه بار خواهد بود.
آکوستیک ایزوله
وقتی مردم از آکوستیک یک اتاق صحبت می کنند، معمولاً به رفتار صدا در داخل اتاق اشاره می کنند. با این حال، انتقال صدا از یک اتاق به اتاق دیگر به همان اندازه مهم است. در اتاق هایی که برای اجرای موسیقی و ضبط طراحی شده اند، جلوگیری از تداخل صدای مزاحم ناشی از ترافیک، هواپیما، استودیوهای دیگر و غیره بسیار مهم است. در ساختمان‌های آپارتمانی، ایجاد عایق صوتی بین آپارتمان‌ها حتی مهم‌تر از آکوستیک اتاق است.
جداسازی صدا در درجه اول به دو عامل اساسی بستگی دارد: جرم و جداسازی. برای دستیابی به سطح بالایی از انزوا، به جرم زیادی نیاز داریم و باید از هرگونه اتصال سفت و سخت بین یک طرف دیوار و طرف دیگر جلوگیری کنیم. این را می توان از راه های مختلفی به دست آورد.
اگر بخواهیم کاهش سطح فشار صوت را از یک طرف دیوار به سمت دیگر در یک ساختمان واقعی اندازه گیری کنیم، ممکن است متوجه شویم که سطوح با سطوح اندازه گیری شده در آزمایشگاه کاملاً متفاوت است. عوامل متعددی ممکن است این تفاوت را توضیح دهد، از جمله اندازه دیوار، کیفیت جذب اتاق ها و مسیرهای کناری. مسیرهای کناری مسیرهایی هستند که صدا می تواند بدون عبور از دیوار مورد نظر از اتاقی به اتاق دیگر ببرد.
مسیرهای کناری
جدای از اصلاحات قابل پیش بینی برای اندازه و جذب دیوار که مسیرهای کناری می توانند جداسازی بین اتاق ها را به شدت کاهش دهند. تصویر زیر چندین راه مختلف را نشان می دهد که صدا ممکن است از یک اتاق به اتاق دیگر برسد، به غیر از طی کردن مسیر از طریق دیوار.
اگرچه تصویر این مسیرها را به "مسیرهای نویز جانبی" و "نشت های نویز" جدا می کند، همه انواع مسیرهای کناری هستند. نشتی مواردی را نشان می دهد که صدا مستقیماً از سوراخ های دیوار به اتاق بعدی می رود.
اگرچه فقط یک یا دو تا از این مسیرها ممکن است بین یک جفت اتاق در یک ساختمان واقعی وجود داشته باشد، تنها به یکی نیاز است تا انزوای موثر دیوار را کاهش دهد.
نشتی‌های کوچک معمولاً به صدای فرکانس بالا اجازه عبور می‌دهند. این به این دلیل است که طول موج صدا باید کوتاه باشد تا در یک شکاف کوچک جا بیفتد. مهم است که مراقب باشید هر نشتی، هر چند کوچک، در طول ساخت و ساز بسته شود. هوابندی همه چیز کمک زیادی به جلوگیری از این نفوذ فرکانس بالا می کند.
مسیرهای موجود در لیست "مسیرهای نویز جانبی" مسیرهای غیر مستقیمی هستند که صدا ممکن است بین یک اتاق و اتاق دیگر طی کند. اینها تمایل به تهاجم مجموعه ای از فرکانس های پایین تر از نشت مستقیم را دارند.
عایق صدا بین اتاق ها جزء مهمی از آکوستیک است. دو معیار اساسی برای جداسازی وجود دارد - تلفات انتقال و کاهش نویز - که در دوره ۱۲ هفته‌ای برکلی آنلاین به طور عمیق به آنها می‌پردازیم. مسیرهای کناری می توانند تأثیر قابل توجهی بر این رابطه داشته باشند، اما به طور کلی می توان افت انتقال یک دیوار را در باندهای مختلف پیش بینی کرد.