Сайт посвящен исследованию эха в помещениях и, особенно, в пещерах. Решаются задачи определения по отраженному акустическому сигналу размеров помещения и поиска "скрытых объемов" в пещерах, которые недоступны для непосредственного исследования (находятся за непроходимой щелью, меандром).
Рассмотрим кратко особенности акустических процессов в ограниченных объемах. На эту тему есть некоторая литература, она приведена в конце страницы. Поэтому остановимся на основных моментах, приближенных к практике.
Прежде всего, в помещениях имеет место процесс реверберации. Звуковая волна от источника распространяется во все стороны и, встречая препятствие, размеры которого больше длины волны, отражается. Приблизительно можно считать, что угол падения волны равен углу отражения. Отражается не вся энергия звука - часть ее поглощается, преобразуясь в материале поверхности в тепло. Коэффициент поглощения различен для разных материалов (лучше всего отражают звук полированный камень и вода, глина и кирпич хуже, ковры и акустическая плитка сильно поглощают). Таким образом, в точку приема первым придет прямой сигнал, затем первые отражения от ограничивающих поверхностей. Именно эти первые импульсы несут информацию о размерах и геометрии помещения. Затем приходят многочисленные импульсы, претерпевшие многократные (два и более) отражения, их количество с течением времени становится все больше, а амплитуда все меньше (при каждом отражении амплитуда уменьшается). Образуется затухающий звуковой "хвост", длительность которого зависит от объема и формы помещения и от материала стен. Процесс описывается формулой Сэбина:
Тр=0.161*V/(S*a),
где Тр - время реверберации (время уменьшения энергии звука на 60 дБ - амплитуда уменьшается в 1000 раз), V - объем помещения, S - площадь всех поверхностей (стены, пол потолок, предметы), а - средний коэффициент поглощения помещения. Например, для жилой комнаты с мягкой мебелью, коврами и для концертных залов а=0.2. Коэффициент 0,161 - это среднее значение, оно изменяется для помещений разной формы от 0,152 до 0,177.
Время реверберации бывает от 0,1-0,2 с в небольшой комнате со стенами, выложенными акустической плиткой, хорошо поглощающей звук (тем не менее звуковой луч успевает пройти расстояние 0,2 * 340 = 70 м), до 1,5 - 2 сек в просторных залах и до 12 сек в особых случаях (огромные храмы)! Время реверберации 12 сек имеет знаменитый Пизанский баптистерий (звуковой луч, прежде чем перестать быть слышимым, проходит более 4 км!).
Кроме собственно реверберации, обусловленной затухающими отражениями, в помещениях, особенно простой параллелепипедной формы (с параллельными стенами) наблюдаются резонансные явления в области низких частот. Когда длина звуковой волны кратна какому-либо размеру (F=340/2L, где F - частота резонанса, L - один из размеров помещения), устанавливается стоячая волна, и эта частота затухает медленнее других - звук приобретает окраску. Различают наиболее сильные осевые резонансы (между параллельными стенами), диагональные (по диагонали в одной плоскости) и косые (по диагонали в пространстве - например, от нижнего угла к противоположному верхнему). Количество резонансов очень велико, но наиболее заметны они именно в области низких частот (менее 100 Гц), т.к. с повышением частоты интервал между резонансами и их интенсивность уменьшаются. В помещениях сложной формы (пещеры) подобный вид резонансов выражен значительно меньше. Как и любой замкнутый воздушный объем, пещера или пещерный зал имеет собственную резонансную частоту, как это наблюдается в сосудах Гельмгольца (шарообразный сосуд с горлышком). Однако, даже для помещений скромных размеров, резонансная частота будет инфразвуковой (единицы и доли Герца) - такой звук не слышен, но при значительной интенсивности может ощущаться всем телом. Инфразвук опасен, так как, воздействуя на мозг и внутренние органы, может вызвать ухудшение самочувствия, чувство подавленности и страха.
Интересно наблюдать звуковую картину в различных помещениях. Для начала можно провести несколько экспериментов в своей жилой комнате, в ванной, коридоре, хорошо бы в большом зале. Хлопните в ладоши или коротко свистните. Вы обязательно услышите хвост реверберации, который может звучать звонче, чем исходный хлопок. Окраска звука в данном случае объясняется неодинаковым поглощением звука разных частот и резонансом конструкции стен. Например, характерный металлический призвук дают стены, оштукатуренные по металлической сетке. В большом зале звук живет намного дольше и ощущается, что эхо как-бы убегает по залу вперед, затухая в наиболее удаленной точке зала. В огромных залах эхо после нескольких быстрых и ощущаемых по направлению отражений как-бы парит в воздухе.
Если сделать записи эха и затем проанализировать в звуковом редакторе, то можно наблюдать следующую качественную картину:
Определив задержку между первым импульсом и каким-либо отраженным (это легко сделать в звуковом редакторе, выделив мышью участок записи между этими импульсам и считав длительность выделенного фрагмента) и разделив это значение на 170 (половина скорости звука - половина, потому что звук должен дойти до стены и обратно) получим расстояние до одной из стен.
Бывают заметны участки записи, где отраженные импульсы идут своеобразной затухающей гребенкой. Измерив период этой гребенки получим размер той части помещения, где устанавливается собственный реверберационный процесс. Это может быть соседнее помещение, соединенной с нашим залом открытым проемом, наличие каких-либо перегородок и т.п. Расстояние до этого места можно определить по задержке между первым импульсом и начальным импульсом гребенки.
Акустические измерения в обычных помещениях имеют важное прикладное значение в том случае, если ставить перед собой задачи студийного дизайна. Обычное помещение имеет простую геометрию, его видно, наконец, оно может быть измерено рулеткой.
Другое дело - естественные пещерные полости. Хотя основные крупные залы уже, вероятно, найдены и гигантские колодцы-отвесы пройдены, остается задача исследования пещер в плане поиска продолжений. Есть ли объем за щелью, что будет за поворотом трудно проходимого меандра? Хотелось бы иметь метод экспресс-анализа, позволяющий непосредственно на месте проведения работ определить их перспективность. Один из таких методов, позволяющих "заглянуть за угол" - эхотестирование.
Под словом эхотестирование мы будем понимать комплекс мер, направленных на получение необходимой информации из отзвука (эха).
Какие параметры дают нам информацию о наличии объема? Это, во-первых, длительность реверберации. В первом приближении можно сказать - чем дольше затухает эхо, тем объем больше, и это в целом справедливо. Характер затухания - хорошо определяется на слух и виден в звуковом редакторе - чем сложнее картина, тем помещение сложнее и, вероятно, больше. После некоторой тренировки Вы легко будете отличать звучание малого объема от большого. Что еще влияет на длительность отзвука? Наиболее сильно - материал стен. В пещерах это может быть камень разной степени неровности, глина и вода. Камень отражает звук хорошо и тем лучше, чем он более гладкий. Самая длительная реверберация получается в залах, облицованных полированным мрамором. Вода очень хорошо отражает звук, звучит звонко. Глина, наоборот, обладает б'ольшим поглощением, звучит глуше. Поэтому даже в большом помещении, стены которого сильно поглощают звук, картина отзвука будет состоять из нескольких сильных импульсов однократных отражений и короткого хвоста слабых вторичных отражений - звук будет жидкий, свистеть в таком помещении трудно - плохо слышно самих себя. Наоборот, где отражение сильное, свистеть очень приятно - звук получается мощным и сочным.
Итак, признаки помещений разного объема:
Наиболее удобным способом порождения звука в пещере - ударить по стенке молотком. Если же достаточно шумно, более заметно будет эхо от свиста (возмите с собой свисток).
Кстати о "борке": американские спелеологи часто используют следующий прием. Громким значительным голосом произносится слово "BORK!" и слушается возникающий отзвук. Принципы его анализа совпадают с приведенными выше, но есть еще одно достоинство. Средняя частота борка составляет у мужчин около 500 Гц, что соответствует так называемой "ориентационной точке". Слух человека имеет две такие точки: 500 Гц и 2000 Гц. Вторую из них использовать труднее - звук с частотой выше 1500 Гц сильнее поглощается в воздухе. Суть "ориентационной точки" в том, что сигналы этой частоты дают особенно четкое ощущение направления, в том числе в вертикальной плоскости. То есть Вы сможете не только определять характер отзвука, но и ощущать его направление.
Пока что мы рассматривали "органолептические" способы эхотестирования. Естественно вознивает желание поручить численный анализ ЭВМ. Что для этого нужно? Во-первых, запись эха. Проще всего это сделать посредством цифрового диктофона. Источник звука (свисток, молоток) должен быть не ближе 1 м от микрофона. Для получения более простых в смысле анализа результатов нужно встать к какой-либо стене, в угол, либо у самой щели, за которой хочется определить объем. Направьте микрофон вперед в сторону исследуемого пространства. Стукните молотком или коротко свистните. Дождитесь, пока эхо полностью затихнет.
Запись полезна еще и в том смысле, что позволяет прослушивать эхо многократно, заостряя свое внимание на различных нюансах, ускользающих при одократном прослушивании.
Очень ценными являются стереозаписи, так как они позволяют анализировать пространственную картину отражений. Как сделать стереозапись? К сожалению, мне пока не известны модели цифровых диктофонов, позволяющие записывать стерео. Выход простой - использовать одновременно два диктофона, расположив их рядом на расстоянии 20 см. Затем в звуковом редакторе две монофонические записи можно объединить в одну стереофоническую.
Полученную запись можно будет проанализировать с помощью компьютера. В этом Вам поможет специализированная программа Эхографии, которая в скором будущем будет закончена автором и выложена для скачивания. Что она делает? Вам будет показан спектр звука, огибающая процесса реверберации, будут вычислены задержки первичных отражений (а значит и расстояния до основных поверхностей), средний коэффициент поглощения, что позволит сделать вывод о материале стен. Будет показан характерный размер полости. Наверное, этого будет достаточно для вывода о целесообразности поиска продолжения в данном месте пещеры.
Один из интересных примеров приводился в спелеорассылке CML. В одной из пещер есть участок меандра, представляющий собой клиновидную щель, уходящую куда-то далеко вверх. Его особенностью является ярко выраженное басовое звучание, т.е. любой звук возбуждает низкочастотный гул. В чем же дело? В данном случае имеет место резонанс между наклонными стенами щели. Что будет со звуковой волной, упавшей на одну из стен? Правильно, она отразится, но не прямо к противоположной стене, а под некоторым наклоном (стенка наклонная, угол падения равен углу отражения). Отраженный звук дойдет до второй наклонный стены и картина повторится. Таким образом, звуковой луч будет смещаться от исходной точки. Пусть за одно отражение луч сместится на некоторую величину (она зависит от наклона стен и расстояния между ними в данном месте). Если величина смещения будет больше длины волны, звук быстро уйдет по щели вниз или вверх и затухнет. Если же длина волны больше смещения (а это будет выполняться для низких частот, например, для 100 Гц даже очень наклонные стены не кажутся таковыми - длина волны 3,4 м) - звук смещаться не будет, а "зависнет" между стенами. Получается своего рода фильтр низких частот - высокие частоты уходят из точки наблюдения и затухают, низкие остаются и устанавливается резонансная стоячая волна. При расстоянии между стенами 3 м основной резонанс будет на частоте F=C/2L=340/6=57 Гц - сильный низкочастотный гул!
Другой пример. При посещении гигантских пещер Фразасси под Анконой (Италия), я был поражен тем, что мне очень трудно свистеть и хлопать в ладоши для получения эха. Помимо того, что окружающие экскурсанты недоуменно оборачивались, сам звук получался жидким, хилым и слышным только в высокочастотной части спектра. Объяснение достаточно простое. Во-первых, было шумно - экскурсанты имеют свойство сильно галдеть. Поэтому я просто не слышал отзвуков. Во-вторых, из-за поистине гигантских размеров (зал "Бездна Анконы" имеет характерный размер 270 м, в нем легко разместился бы Миланский собор) эхо приходило с большой задержкой и ослабленное. То есть зал как бы не успевал наполниться энергией звука, я не ощущал эффекта от моих действий. Когда же мне удалось, отстав от группы, остаться в зале одному, я наблюдал потрясающую картину эха - хлопок в ладоши породил метающийся от стены к стене звук (направления определялись на слух очень четко), постепенно перешедший в "парящий" или "плывущий" затихающий шумовой звон (этакое пространственное "х-х-а-а-а..."). Звук не является сочным, но его характер ни с чем нельзя спутать. Прослушать.
Теория и проектирование студий
Подборка статей об акустике студий (много полезных материалов)
можно по e-mail kw-soft@mail.ru Кудрявцев Александр.
