Rezonatory akustyczne
(część 1 )

 

Sporo nieporozumień budzą akustyczne akcesoria, które przez swoje niewielkie rozmiary wywołują u wielu powątpiewanie w ich skuteczne działanie w przestrzeni akustycznej. Nie wiedzą jednak, że rezonatory (bo o nich będzie mowa), mają naukową historię bardzo długą- około 150 lat, a nawet dużo więcej.

Akustyka jako dział fizyki i techniki obejmuje zjawiska związane z powstawaniem, propagacją i oddziaływaniem fal akustycznych i dotyczy wielu działów, które zajmują się tymi zagadnieniami. Wśród nich jest akustyka foniczna, obejmująca zakres częstotliwości słyszalnych przez człowieka, akustykę ultradźwięków oraz akustykę infradźwięków, a więc akustyka foniczna zajmuje się problemami związanymi z akustyką mowy, muzyczną, akustykę wnętrz (dzielącą się z kolei na akustykę architektoniczną i budowlaną, akustykę urbanistyczną oraz akustykę środowiska) i na koniec elektroakustyką. Prześledźmy krótko historię (*) tej dziedziny naukowej:

  • W starożytnym Rzymie wiedza o oddziaływaniu fal dźwiękowych była wykorzystywana np. w modelowaniu akustyki pomieszczeń. Rzymski architekt i inżynier Witruwiusz napisał w 20 r. p.n.e. dzieło „De architectura”, zawierające m.in. opisy wpływu pogłosu, echa i interferencji fal akustycznych. Antyczni architekci umieszczali w ścianach amfiteatrów rzędy waz dla poprawienia właściwości akustycznych. Pełniły one rolę rezonatorów i służyły prawdopodobnie wprowadzeniu pewnego pogłosu w tak bezechowych warunkach jakie występują pod gołym niebem (Rezonatory z wypalanej gliny, znaleziono w ruinach pod stopniami punicko-rzymskiego amfiteatru w Nora na Sardynii). Podobne rezonatory umieszczano również w średniowieczu w ścianach kościołów, gdzie miały za zadanie tłumienie pogłosu w niskim zakresie częstotliwości.

  • 570-497 r.p.n.e Pitagoras odkrył matematyczne zależności pomiędzy częstotliwościami harmonijnie brzmiących zestawień dźwięków – oktawy, kwinty i kwarty. Doświadczalnie wykazał, że powietrze pobudzone przez strunę drgającą z określoną częstotliwością również drga, z tą samą częstotliwością, a także, że wysokość dźwięku struny zależy odwrotnie proporcjonalnie od jej długości.
  • Severinus Boethius (480-524) opisywał dźwięk w traktacie- „De institutione musica”, porównując go do fal kolistych rozchodzących się po wodzie po wrzuceniu do niej kamienia.
  • Francuski filozof i teoretyk muzyki Marin Mersenne (1588-1648), ustalił związek pomiędzy wysokością dźwięku i częstotliwością drgań i przyporządkował konkretne wartości częstotliwości poszczególnym wysokościom dźwięku. Zaobserwował też zaginanie fali dźwiękowej na przeszkodach.
  • Odkrycia Galileusza (1564-1642) potwierdzają teorie Marsenne’a.
  • Robert Boyle w 1640 r. wraz z Robertem Hooke’iem umieścili tykający zegarek pod szklaną kopułą i wypompowali spod kopuły część powietrza. Osłabienie odgłosu tykania było dowodem na to, że obecność powietrza gra ważną rolę w transmisji dźwięku. Hooke w 1678 roku ogłosił swoje prawo odnoszące się do siły deformacji, które stało się podstawą do teorii wibracji i elastyczności.
  • Isaac Newton w swoim dziele „Principia” z 1686 r. matematyczne zinterpretował sposób rozprzestrzeniania się dźwięku jako pulsowanie ciśnienia przenoszone przez sąsiadujące cząsteczki ośrodka. Przedstawił również wzór na prędkość dźwięku, niestety obarczony błędem. Wzór Newtona poprawił w 1826 r. Laplace.
  • W 1787 roku Ernst F.F.Chlandi (1756-1827) zaobserwował, że piasek rozsypany na talerzu perkusyjnym tworzy na powierzchni talerza określone wzory podczas pobudzenia talerza do drgań za pomocą smyczka. Piasek gromadził się w miejscach, gdzie fala stojąca na powierzchni talerza tworzyła węzły.
  • W XVIII w. prace Eulera i Lagrange’a pozwoliły przewidzieć przybliżone częstotliwości składowych harmonicznych dla rur otwartych i zamkniętych.
  • W 1808 J.B. Biot zmierzył prędkość dźwięku w ciele stałym (w żelaznych rurach kanalizacyjnych Paryża), później zmierzono prędkość dźwięku w wodzie jeziora Geneva w Szwajcarii (D. Colladon i Ch. Sturm)
  • W 1843 roku Georg Simon Ohm (1789-1854) ustanowił prawo akustyki, które mówi, że wszystkie tony muzyczne są funkcjami okresowymi czasu, przy czym ucho jest zdolne rozkładać dźwięki na składowe sinusoidalne.
  • Herman L.F. von Helmholtz… O tym wielkim naukowcu napiszę odrębnie niżej.
  • Lord Rayleigh (właśc. John W. Strutt) skonstruował urządzenie do pomiaru intensywności dźwięku.
  • Podsumowaniem prac powstałych do tamtych czasów zajął się Lord Rayleigh w opracowaniu- „Theory of Sound”. Dzieło to było na tyle kompletne, że można by stwierdzić, iż w momencie jego publikacji akustyka stała się zamkniętą dziedziną fizyki.
  • Początek XX wieku przyniósł ogromną liczbę technicznych zastosowań opracowanych fundamentów naukowych z dziedziny akustyki: Wallace C. Sabine (1868-1919) pracując nad redukcją pogłosu w auli na Uniwersytecie Harvarda podał wzór na czas pogłosu pomieszczenia, Alexander Graham Bell (1847-1922) pracował nad „harmonicznym telegrafem” – urządzeniem które umożliwiało przesyłanie co najmniej dwu sygnałów przy użyciu jednego przewodu, wynaazł mikrofon, a następnie połączył go z głośnikiem i w ten sposób skonstruował pierwszy telefon, Thomas Alva Edison (1847 – 1931) skonstruował m.in. fonograf, czyli urządzenie służące do zapisu dźwięku i mikrofon węglowy, Lee De Forest (1873 – 1961)…

 Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz–
niemiecki lekarz, fizyk i filozof. Sformułował zasadę zachowania energii. Zajmował się mechaniką, termodynamiką, światłem, elektrycznością, magnetyzmem, a jego ogromny wkład w akustykę był jednym z jego licznych osiągnięć- skonstruował rezonator akustyczny (nazywany później rezonatorem Helmholtza). Rezonatory te stanowiły kompletny zestaw dziewiętnastu mosiężnych kulek ze zwężającymi się otworami na przeciwległych końcach. Jeden z otworów miał kształt lejka, aby umożliwić włożenie go do ucha. Skonstruowane przez Hermana von Helmholtza przyrządy te zostały wykorzystane do analizy składu dźwięków muzycznych i dźwiękowych za pomocą „rezonansów G”. Później udoskonalone przez Rudolfa Koeniga były niezbędnym narzędziem dla akustyka z XIX wieku.

Ten wielki naukowiec rozpoczął swoją pracę nad akustyką w 1856 roku, której kulminacją była przełomowa publikacja „O uczuciu brzmienia” jako fizjologicznej podstawie dla teorii muzyki w 1863 roku. Helmholtz wykorzystał matematyczne idee François Fouriera (1772-1837) dla odpowiedzi do pytań o akustykę,. jakość tonalną lub barwę. G. Fourier wymyślił rodzaj analizy matematycznej, która wykazała, że dowolna okresowa fala dźwiękowa może być przedstawiona jako suma fal sinusoidalnych o odpowiedniej amplitudzie, częstotliwości i fazie. Niemieckiego badacza to naprowadziło do rozstrzygnięcia, że wszystkie złożone dźwięki składają się z prostych tonów i zastosował te pomysły do ludzkiego postrzegania dźwięku, argumentując, że nasze uszy analizują dźwięki w podobny sposób jak jego rezonatory, z wibracjami różnych częstotliwości wydobywanych z dźwięku i przesyłanych do różnych zakończeń nerwowych. Rezonans G można zaobserwować na przykład wtedy gdy dwie sąsiednie struny gitarowe są dostrojone do tej samej nuty i jedna z nich jest zrywana, drgania powietrza wywołane przez pierwszą strunę sprawią, że druga struna wibruje, a jeśli zatrzymasz pierwszy naciąg, drugi będzie dalej wybrzmiewał. Rezonans G może być również użyty do wzmocnienia wibracji. Rezonans Helmholtza pojawia się zawsze tam gdzie objętość powietrza we wnęce powoduje drgania z jego naturalną częstotliwością G, podobnie jak przy wytwarzaniu melodii przez dmuchanie przez usta butelki po winie- masa powietrza w szyjce butelki zostaje wypchnięta ze stanu równowagi, ściskając powietrze wewnątrz korpusu butelki, które działa niczym sprężyna. Wtłaczane powietrze przez wylot butelki ma tendencję do wzmacniania oscylacji powietrza z jego naturalną częstotliwością G, określanej na podstawie wymiarów butelki i lokalnego ciśnienia atmosferycznego. Helmholtz uważał, że dźwięki głosu ludzkiego składają się z wielu różnych częstotliwości G, określanych jako harmoniczne. Używając wzmacniającego efektu w rezonatorach identyfikował i oszacowywał względną moc harmonicznych dźwięków. Rezonatory zostały zaprojektowane tak, aby ustawiając ucho przy wylocie rezonatora można było wykryć, kiedy są obecne dźwięki o określonej częstotliwości G. Takie było założenie Hermanna von Helmholtza gdy projektował swoje przyrządy. Rezonatory były używane w wielu różnych aparatach, w tym w przyrządzie Koeniga do analizy dźwięku (na fotografii niżej).

W dzisiejszych czasach wykorzystuje się ideę Holmholza do wzmacniania fal o różniej częstotliwości (w tym basowych w obudowach głośnikowych) lub ich regulowania w przestrzeni akustycznej.

A więc co to jest rezonator akustyczny? Łatwiej teraz odpowiedzieć na to pytanie:

  • rezonator akustyczny (**)– układ akustyczny, w którym następuje wzmocnienie drgań przy odpowiedniej częstotliwości pobudzenia; wykorzystywany do wzmacniania bądź tłumienia dźwięku oraz w przetwornikach elektroakustycznych.
  • rezonator akustyczny (***) to wnęka, wewnątrz której następuje wzmocnienie drgań akustycznych przy odpowiedniej dla danej wnęki częstości drgań źródła pobudzającego. W rezonatorze następuje zamiana drgań o dużej amplitudzie emitowanych przez źródło o małych rozmiarach na drgania o znacznie mniejszej amplitudzie, lecz emitowanych przez rezonator o dużych rozmiarach (z wykorzystaniem zjawiska rezonansu). Ponieważ fale o dużej amplitudzie są bardziej tłumione przez powietrze, użycie rezonatora powoduje zmniejszenie strat energii, a więc subiektywne wzmocnienie fali; rezonatory akustyczne dzielą się na rezonatory Helmholtza (ich rozmiary są znacznie mniejsze od dł. fali odpowiadającej częstości rezonansowej rezonatora) oraz rezonatory fal (których co najmniej jeden wymiar jest rzędu dł. fali), działające na zasadzie interferencji fal akustycznych; rezonatory mogą być także użyte do tłumienia drgań akustycznych- przez odpowiedni dobór kształtu i rozmiarów rezonatora w wyniku interferencji fali akustycznej padającej (pobudzającej) i fali wypromieniowanej przez r.a. możemy osiągnąć wygaszanie fali akustycznej.

W systemach audio, rozumianych jako komplet sprzętu aktywnego i pasywnego w pomieszczeniu przewidzianym do odtwarzania muzyki, można zaadaptować rezonatory o różnych kształtach- od czar po misy, wykonane z różnych materiałów i strojone dla różnych częstotliwości. Systemy wibracyjne są projektowane w celu zagwarantowania bogatszej reprodukcji dźwięków i muzyki. Wielu audiofilów szuka możliwości podbarwiania przekazu muzycznego, który wydawał im się przed zastosowaniem rezonatorów nieco zbyt „bezduszny”, albo wyjałowiony. Wszystkie sposoby subiektywnego poprawiania obrazu dźwiękowego są godne pochwały jeśli dają słuchaczowi większy komfort słuchania swoich ulubionych pozycji płytowych. Użycie rezonatorów dla osiągania efektu przed momentem wspomnianego omówię na przykładzie trzech produktów: PMR firmy HighEnd-Novum, rezonatorów francuskiej firmy Acoustic System i Acoustic ART firmy Synergistic Research.

Opis pierwszego z nich- HighEnd-Novum PMR Premium, wraz z relacją z testów, zamieściłem w części drugiej tego artykułu.

Komponenty Acoustic System są małe, ledwo się je zauważa i można je łatwo ustawiać i przemieszczać. Kładzie się je na podłodze lub przyczepia do ścian lub jakichś obiektów klejem wielokrotnego użytku np. BluTack. System jest całkowicie mobilny. Rezonatory przypominają miniaturowe misy tybetańskie.

Każdy ma cztery trójkątne „skrzydła”. Intencją producenta jest by ich działanie polegało na tworzeniu harmonicznej odpowiedzi na falę dźwiękową, przez co w pewnym stopniu mogą kontrolować błądzące rezonanse, redukować turbulencje i pomagać barwom mocniej się ujawniać. Rezonatory umieszczone są na srebrnych statywach, które są zamocowane do drewnianych postumentów o powierzchni około 25 cm kwadratowych i ponad centymetrowej grubości. Podstawowy zestaw rezonatorów zawiera parę rezonatorów, jeden podstawowy i inny opcjonalnie srebrny, złoty lub platynowy.

Projektant Ted Denney z Synergistic Research opowiadał, że inspiracją dla produktów serii Acoustic ART była podróż na południowym Pacyfiku, w czasie której odwiedzał świątynie buddyjskie Zaobserwował wtedy, że tybetańskie misy zmieniały akustykę świątyń. Te misy rezonujące wpływały na zmianę akustyki, gdy tylko zostawały wprawiane w rezonans, a kiedy włączano dodatkowe misy o różnym odcieniu barwowym, akustyka się zmieniała mocniej. Denney uznał, że można opracować system rezonujących czasz, aby dyskretnie usprawniać akustykę pomieszczenia bez potrzeby stosowania dużych nieestetycznych urządzeń strojących. Firma rozpoczęła projektowanie od zbadania rezonatorów Helmholtza, które były używane od ponad wieku do dostrajania niskich częstotliwości w środowisku akustycznym. Synergistic Research pracował nad modyfikacją zasad rezonatora Helmholtza w celu włączenia pełnego spektrum dźwięku, a nie tylko niskich częstotliwości. Stwierdzono, że można dostroić muzykę za pomocą systemu rezonatorów, pracujących w harmonii w kluczowych punktach akustycznych.

Acoustic ART (Analogue Room Treatment) to zestaw składający się z jednego elementu podstawowego umieszczanego na ścianie przedniej pomieszczenia odsłuchowego (o nazwie Vibratron), trzech satelickich (nazwane- Gravatrony i Magnetrony) rozmieszczanych na ścianach bocznych i tylnej oraz jednego basowego, umieszczanego poniżej Vibratronu.

Kolejno- dzięki Vibratronowi powinno się usłyszeć wzrost płynności średnicy z zakresu częstotliwości i ciepła w brzmieniu, satelity magnetronowe są używane do kontrolowania punktów pierwszego odbicia wzdłuż ściany bocznej w celu poprawy ostrości obrazu, poszerzenia sceny dźwiękowej i dla poprawy płynności wysokich częstotliwości. Stacja basowa, która może być umieszczona na podłodze za regałem lub meblem. Przysłaniające meble nie przeszkadzają działaniu stacji basowej, której zadaniem jest poprawa kontroli w zakresie niskich częstotliwości.

 

*)    na podstawie publikacji-  „The Science and Applications of Acoustics” Daniela Raichela.

**)  źródło-   

***) źródło-


Przejdź do części drugiej artykułu: „Rezonatory akustyczne, test HighEnd-Novum MR

Dodaj komentarz