Artikler / Filosoferende Hi-Fi / Akustik

Akustik

 
 
 
 
 Af Arne Rodahl
                              
 
Hi-fi-gengivelse i boligens lytterum opnåes ved en kombinationation af en række elementer, der indgår i et puslespil, hvor hver enkelt brik har sin indflydelse på gengiverkvaliteten.
Især de to brikker akustik og højttalere gør sig bemærkede, idet deres indflydelse oftest er den mest markante. Investeringer både i kroner og tid på disse to brikker
giver oftest det største løft af lydkvaliteten.  
 
Bemærkelsesvis er det, at CD`ens lydkvalitet med 16 Bit opløsning ikke iflg. flere test overtrumfes af 24 Bit opløsning.
 
 
                               
       
  
Akustik i boligens lytterum
  
Videnskaben omhandlende akustik er mangfoldig. Her blot et enkelt udsnit omhandlende akustiske problemer i boligens lytterum ved musikgengivelse.
 
Lytterummet i boligen optræder som en væsentlig med- eller modspiller til højttalerne ved lydgengivelse. Tages lytterumsakustikken ikke i ed, når højttalere udvælges, placeres og når lyttepositionen bestemmes, så kan det gå grueligt galt med lydgengivelsen.
 
Frekvenser under ca. 125 Hz er lange bølgelængder, der breder sig som ringe i vandet. De lange lydbølger optræder som stående bølger mellem parallelle vægflader og loft/gulv, hvilket skaber resonanser ved forskellige frekvenser affødt af afstanden mellem vægflader og gulv/loft. Tillige kan hele lytterummet optræde som et stort resonanskammer. Disse fænomener resulterer i store udsving i frekvensresponsen. Problematikken kan stort set kun bekæmpes med kompromisser, f.eks. med forsøgsvise placeringer af højttalere og lyttepositioner. Tillige kan resonanser dæmpes men en DSP (digital signal processor), der automatisk måler frekvensresponsen i lyttepositionen og equalizer subforstærkerne. Metoden er relativ effektiv, men fungere selvfølgelig kun i lyttepositinen.
Reflektionsforstærkning under ca 125 Hz opstår som følge højttalernes placerings tæt ved vægflader, loft og gulv. En tommelfingerregel siger forstærkningen starter ved ca. 100 Hz og ned. Forstærkningen udgør ca. 3 dB pr. oktav. Teoretisk betyder det en forstærkning op til 6 dB ved 50 Hz og 9 dB ved 25 Hz. Disse tal kan ganges med antal reflekterende flader.
 
Frekvenser over ca. 125 Hz er frekvenser med bølgelængder, der er faldende med stigende frekvenser og udsendes som stråler i lige linier, hvor strålens bredde aftager med stigende frekvens. Således bør lydbølger bestående af høje frekvenser have uhindret passage mellem højttaler og lytter.
 
Lytterummets akustiske beskaffenhed
kan i korte træk beskrives som konditionerne i frekvensområderne: Under 125 Hz og over 125 Hz. Lytterum med parallelle vægfalder, gulv/loft vil altid give grobund for resonanser i frekvensområdet under ca. 125 Hz. Løsningsmodeller til undgåelse af dette uvæsen kan findes i rumarkitektur uden parallelle vægge og f.eks. loft til kip. Traditionel arkitektur af boliger har stor set altid parallelle vægflader, dog ses loft til kip til tider anvendt, - ergo må de fleste leve med udfordringer vedrørende resonans-problematikken.
 
Lytterum med hårde vægflader, gulv og loft vil resultere i en mængde refleksioner af frekvenser over ca. 125 Hz. Tidsforsinkelser på under ét millisekund fra refleksioner fra højttaler til lytter vil blive opfattet af øret, som om det er en del af den oprindelige lyd. Refleksioner med tidsforsinkelser på mellem 1-5 millisekunder vil sløre lydbilledet problematisk bl.a. med forringelse af lydgengivelsens dybdeperspektiv. Efter mere 10 millisekund forsinkelse er øret er i stand til at skelne refleksionerne fra den direkte lyd.
 
                                 
 
Lydabsorbtion over ca. 125Hz
Hvis rummet næsten ingen lydabsorberende overflader (vægge, loft og gulv) har, reflekteres lyden mellem overfladerne og det tager lang tid før lyden uddør. Lytteren i denne type rum får problemer med, at opfattelse af tale og gengivelse af musik, da han/hun hører både den direkte lyd og de gentagne reflekterede lydbølger. Hvis overfladerne i stedet dækkes med lydabsorberende materiale ebber den reflekterede lyd hurtigere ud, og lytteren hører kun den direkte lyd. Det reducerer også det overordnede lydniveau i rummet. Et materiales lydabsorberende egenskaber udtrykkes med lydabsorptionskoefficient, α (alfa), som en funktion af frekvensen. Alfa (α) strækker sig fra 0 til 1,00 (fra total reflektion til total absorption). Lydabsorbenter kan inddeles i tre hovedkategorier:
• Porøse absorbenter
• Resonansabsorbenter
• Enkelte absorbenter
 
Porøse absorbenter
Stenuld er et godt eksempel på en porøs lydabsorbent. Når lydbølgen gennemtrænger mineralulden overgår lydenergien til varme ved friktion. Materialets tykkelse har stor indvirkning på materialets lydabsorberende egenskaber. Høje frekvenser (over 500 Hz) er lettere at håndtere med 30-50 mm tyk stenuld. Lyde med frekvenser under 500 Hz giver større udfordringer. Her kræves tykkere stenuldsplader for at skabe bedre lydabsorption. Der kan kompenseres for materialetykkelsen ved hjælp af en luftspalte bagom et akustisk loft eller et vægpanel for at forbedre ydeevnen af lavfrekvent lyd. Ved anvendelse af disse lydabsorbenter er det meget vigtigt, at der ikke lægges et lufttæt lag direkte på overflader, såsom dampspær eller maling, som forringer de lydabsorberende egenskaber betydeligt. Virkningen af et lufttæt lag vises på billedet nedenfor (den stiplede linje):
 
                             
 
Nedenfor angives praktiske absorptionskoefficienter for flere materialer: Oktavbånd (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000
Beton 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,04 - Gipsplade på regler 0,2 0,15 0,1 0,08 0,05 0,05 Vindue 0,35 0,25 0,18 0,12 0,07 0,04 - 50-mm mineraluldsplade* 0,2 0,65 1,0 1,0 1,0 1,0 - 100-mm mineraluldsplade* 0,45 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0       *) med fast underlag
 
Resonansabsorbenter
Resonansabsorbenter består af et mekanisk eller akustisk oscilleringssystem. Et eksempel på dette er membranabsorbenter, dvs. en solid plade med en lille luftspalte bagved. Absorptionen når sit højeste værdi ved resonansfrekvensen. Hvis hulrummet fyldes med et porøst materiale, som stenuld, bredes lydabsorptionen over frekvensområdet.
 
Enkelte absorbenter
I denne kategori ser vi genstande som borde, stole, mennesker osv. Absorptionskapaciteten for disse angives normalt som m2 pr. genstand ifølge Sabines formel. Efterklangstiden i et rum kendetegner varigheden af akustisk energi tilbage i det. Efterklangstiden angiver, hvor lang tid det tager for den akustiske intensitet at mindske med en faktor på en million (60 dB). Da en nogenlunde høj klappen ligger på ca. 100 dB (SPL) og en hvisken på ca. 40 dB, er det nemt at anslå efterklangstiden for et rum ved at klappe og høre, hvor længe lyden fra klappen kan høres. Dette forudsætter, at rummet ikke er specielt usædvanligt i sine dimensioner, og at det er rimeligt stille.
 
                              
 
I et lille rum eller en entre (volumen < 1.000 m3), hvor lydfeltet spredes og den gennemsnitlige lydabsorption ligger under 0,3, kan en empirisk formel, der kaldes Sabines formel anvendes til at beregne efterklangstiden: RT = 0.16 x V / A T = efterklangstid, s V = volumen på rummet, m3 A = (Σ overflade (S) x α) = absorptionsområde i rummet, m2 Absorptionsområdet i rum A er summen af hver overflade (S) ganget med den respektive absorptionskoefficient α. Eksempel: Hvis den ønskede efterklangstid i et klasseværelse er 0,8 sekunder og størrelsen på klasseværelset er 6 x 10 x 3 m og man agter at anvende 45 m2 absorberende loftmateriale, hvilken absorptionskoefficient kræves for produktet? Svar: A = 0,16 • V/T = 0,16 • 180/0,8 = 36 m2. α = 36/45 = 0,8 Den optimale efterklangstid for et rum afhænger af størrelse, materiale og rummets type. Genstande, der placeres inden for rummets grænser kan også påvirke efterklangstiden, herunder personer og deres ejendele. Rum, der skal anvendes til samtaler kræver en kortere efterklangstid end et, der skal anvendes til musik. En længere efterklangstid kan gøre det svært at opfatte tale. Men hvis efterklangstiden er for kort kan den tonale balance og lydniveauet lide.
 
                                         _________________ 
 
                 
                     Beregning af rumakustik
 
 
                             __________________
 
 
                  
                       Højttalernes placering
 
                      Gevinster ved sektionsdeling af højttalersystemer
 
 
                                        ________________
 
 
                        Højttalernes spredningskarakteristik
                         
 
 
                                             ________________
 
 
                                    Monopolar boks-højttaler
 
             
                       
 
De oftest anvendte boks-højttalere er monopolare med lydudstrålingen fra højttalerens front.
 
 
 
Refleksioner fra vægge relateret til mellemtone og diskant.
 
Refleksioner der ankommer mellem 1 - 5 millisekunder efter det direkte signal (svarende til en afstand til bagvæggen fra ca. 34 cm til ca. 1,7 meter), er de mest problematiske og vil sløre lydbilledet og forringe gengivelse af dybdeperspektiv.
 
                                            ill. Genelec
 
                 Grøn pil: Direkte signal            Rød pil: Forsinket reflekteret signal
 
Mindre forsinkelser af refleksioner under 0,5 millisekunds forsinkelse (svarende til en afstand til bagvæggen på mindre end ca. 15 cm, - jo mindre des bedre), vil blive opfattet af øret, som om det er en del af den oprindelige lyd. På grund af en kort afstand til væggen interfererer refleksioner ikke, væggen "forsvinder" akustisk, og man får en følelse af at lytte gennem væggen. Bedst er dog indbyggede højttalere helt plan med væggen.
 
Såfremt afstandene til andre reflekterende overflader er så store, at de vil vende tilbage så de først opfattes efter 6 millisekunder (svarende til en afstand til bagvæggen på mere end ca. 2 meter), er øret i stand til at skelne dem fra den direkte lyd.
 
Her kan tillige afstandsloven gribe ind, idet lydens amplitude halveres for hver gang afstanden fordobles, - svarende til 6 dB.
 
                                
 
 
Refleksioner relateret til  frekvenser under ca. 100 Hz fra væg og gulv.
 
Højttalere der placeres på gulvet lige op mod bagvæggen giver et løft i basområdet, hvilket kan afstemmes i højttalerens konstruerede frekvensgang. Hver flade tæt på højttalere adderer frekvenser under ca. 125 Hz med 3 dB pr. oktav.
 
          
 
Højttalere kan konstrueres til at udnytte reflektionsfortærkning. Ovenstående graf viser en højttalers konstruerede frekvensrespons under ca. 100 Hz (optrukken linie). De stiplede linier viser henholdsvis reflektionsforstærkningen under ca. 100 Hz samt det summerede resultat.
 
 
Udfasninger relateret til lave frekvenser
 
                              ill. Genelec
 
Rød kurve: Udfasning ved ca. 100 Hz med en baffelsfstand på 86 cm til bagvæg.
Grøn kurve: Samme højttaler i anechoic rum.
 
 
                                             ________________
 
                                        
 
                                     Væghøjttalere
 
 
Udfasninger 
Baffel plan med væg = Ingen udfasninger
Baffel afstand til væg på 8 cm = Udfasning ved ca. 380 Hz
Baffel afstand til væg på 15 cm = Udfasning ved ca. 500 Hz
 
Mindre forsinkelser af refleksioner under 0,5 millisekunds forsinkelse (svarende til en afstand til bagvæggen på mindre end ca. 15 cm, - jo mindre des bedre), vil blive opfattet af øret, som om det er en del af den oprindelige lyd. På grund af en kort afstand til væggen interfererer refleksioner ikke, væggen "forsvinder" akustisk, og man får en følelse af at lytte gennem væggen. Bedst er dog indbyggede højttalere helt plan med væggen.
 
 
Refleksionsforstærkning
Væghøjttaleres gengivelse af lave frekvenser fungerer som et "Boundary system", hvilket betyder at frekvenser under ca. 100 Hz, der er omnidirektionale 360 grader, vil afbøjes og refelkteres fra væggen. Reflektionen fra væggen adderes til det direkte signal resulterende i en forstærkning af frekvenser under ca. 100 Hz på 3 dB pr. oktav.
Eksempelvis vil en frekvens på 50 Hz forstærkes med 6 dB svarende til en fordobling.
 
                                           _________________ 
 
 
                                Dipolar åben baffel højttaler
 
 
                      
 
                                   __________________
 
                               Dipolar elektrostat højttaler
 
 
                         
 
 
                   
                                           __________________
 
 
                            Bipolar og dipolar boks-højttalere
 
 
Bipolar og dipolar boks-højttalere fungere med lydspredning fra front- og bagplacerede drivere, hvor de bagplacerede drivere har til opgave at tilføje en surrealitisk akustik ved hjælp af refleksioner fra lytterummets vægge.
Konstruktionen ses stort set ikke anvendt mere, idet konstruktionen ikke har de sammen gode egenskaber som åben baffel og elektrostat systemerne med hensyn til transient-gengivelse og lav egenlyd fra kabinettet. 
 
 
                                            Bipolar boks-højttalere
 
                       
                                     _______________
 
                                            
 
 
                                    Dipolar boks-højttalere                                  
 
                            
                               
 
                                            __________________  
 
 
                                                    
                         Højttalerens gengivelse af perspektiv
 
Ligesom vore øjne kan se i stereoperspektiv, d.v.s. at kunne se dybde og 3D-billeder, har vore to ører samme stereo-3D evne ... Vi kan høre, hvor lydene kommer fra, om de er fjerne, magtfulde eller tæt på og skarpsindige ... Dette er muligt fordi lyden er kompleks og varierende. Lydtryk, dynamikområde, fase- og frekvens-indhold er de væsentligste centrale elementer. For at opnå en naturlig klingende højttaler, skal disse fire elementer afbalanceres som lige væsentlige. Ingen er mere vigtigt eller har mere indflydelse end nogen anden ....!
 
 
 
                                            ____________________
 
 
                                       Højttalernes direktivitet
                                                  Lyttepositioner
 
 
                                                   Sweet spot
 
                                                    
Lyttepositionen for entusiaster, hvor optimal respons fra højttalerne kun findes i et punkt.
Sweet spot positionen er den mest enkle, at opnå et optimalt resultat med.
 
 
                                             
                                                  Sweet area
 
                                           
Lyttepositionen for flere lyttere, bl.a. i forbindelse med TV-lyd.
Sweet area positionen stiller væsentlig større krav til højttalernes homogene direktivitet, hvor off axis divergerer med op til 30 grader og måske endnu mere, - bør frekvensresponsen tilnærme sig frekvensresponsen on axis. Højttalerne kan ofte med fordel vinkles.
Ofte høres højttaleres akustisk lobing blive mere udtalte ved øgning af off axis lytning.
Højttalere med point source systemer f.eks. anvendelse af koaxialelementer, yder den mest
homogene lydspredning uden akustisk lobing.
 
                                                          _____________________
 
 
Eksempel hvor mellemtone-elementet 15 - 25 grader off axis ikke summerer med diskant-elementet. Resultatet ses som et markant dyk ved 2 - 3 KHz, lige netop der hvor øret er mest følsom.
 
 
 
                                   __________________________
 
               
           
                         Åben-baffel højttalere for entusiaster
 
 
Fordele: Ingen resonanser fra kabinet og problemer med basrefelksporte.
             Ingen indespærret luft i kabinetter hindrer optimal impulsrespons.
 
Ulemper: Kompliceret at integrere i lytterum.
              Optimal integrering opnås kun med måleudstyr og evt. DSP.
 
  
 
                        Akademi-medlemmers åben-baffel-højttalere
 
 
 
                               
 
                                            Poul-Erik Almsøe -  SAT X
 
 
 
                                             
                                                   Johannes Staberg               
                                                           ToneArt Etera 
 
                               
 
                                                Jørgen Gylding - SAT 3 / SUB 3
                             
 
                                                          ____________________
  
 
                                  Nærfelts-lytteposition
 
Afstandsloven
 
                             
Mindskes lyttepositionens afstand til højttalerne samtidig med afstanden til reflekterende vægflader øges, vil det indebære, at reflekterende signaler vil aftage i styrke som følge af afstandsloven. Denne teori kan resultere i en mere præcis lydgengivelse i lytterum med
kraftig reflekterende hårde vægflader. (se ovenstående afsnit "reflektioner fra vægge relateret til mellemtone og diskant").
 
Mindskes lyttepositionens afstand til højttalerne vil kravet til højttalernes evne til gengivelse af  "point source" øges. Her kan brugen af koxial-elementer indebære fordele relateret til systemer med diskrete elementer, ligesom brugen af systemer med diskrete elementer kan øge risikoen for en mere udtalt akustisk lobing.
 
 
  
Lydens hastighed er ca. 340 meter/sek.
Den relativ lave hastighed skaber problemer med reflekterende signaler, der bliver modtaget
forsinket i lyttepositionen relateret til det direkte signal. (se ovenstående afsnit "reflektioner fra
vægge relateret til mellemtone og diskant" ).
 
 
Afvigelser fra den obligatoriske trekant
 
                                                                
Se artikel                                 
 
                                                                  
                                            
 
                               automatisk rumkorrektion (DSP)