Ustroje akustyczne: teoria i praktyka

Rodzaje i funkcje ustrojów akustycznych

Bez względu na to, czy mamy osobny pokój odsłuchowy, salon współdzielony z kuchnią czy mały pokoik na poddaszu – warto uruchomić poważne podejście do słuchania muzyki i zacząć od wybrania kilku paneli akustycznych. Celowo piszę o „kilku", bo w akustyce „domowej” nie zawsze chodzi o to, że ma być doskonała. Zwykle dążymy do tego, żeby sprzęt grał lepiej, na miarę możliwości, jakie daje nam samo pomieszczenie oraz – co też nie bez znaczenia – jego przeznaczenie.

Do podjęcia wyzwania potrzebna jest wiedza podstawowa – w tym wypadku to, jakie panele wybrać i co one powodują. I właśnie ten temat spróbuję pokrótce przybliżyć. Uogólniając, panele akustyczne możemy podzielić na dwie grupy/rodzaje:

• ustroje pochłaniające (absorbery), czyli takie, które zamienią energię akustyczną na inną (docelowo – cieplną);
• rozpraszające (dyfuzory), czyli takie, które pozwalają na „rozbicie” padającej fali akustycznej na wiele mniejszych fal rozchodzących się w różnych kierunkach (tzw. odbić rozproszonych).

Absorbery akustyczne są najczęściej wykonane z materiałów miękkich (porowatych i włóknistych) lub odpowiednio wycinanych płyt twardych z materiałem miękkim umieszczonym za twardą płytą (ustroje membranowe, ustroje perforowane). Ich zadaniem jest maksymalne wytracenie energii akustycznej przy przejściu fali przez pory materiału otwartokomórkowego (np. pianka akustyczna) lub włóknistego (wełna mineralna, filc, wełna poliestrowa PET).

Z kolei dyfuzory mają za zadanie przekierować energię akustyczną, tworząc wiele słabych odbić z jednej fali dźwiękowej – są więc rodzajem paneli odbijających. W związku z powyższym, powinny być wykonane z materiału silnie odbijającego, takiego jak drewno, MDF, ewentualnie twardy styropian (EPS) lub styrodur (XPS).

Istnieje również trzecia, dość popularna klasa ustrojów akustycznych łączących zalety absorberów i dyfuzorów, czyli panele rozpraszająco-pochłaniające. Są one realizowane w dwóch koncepcjach – „zatrzymania” pochłaniania od pewnej, zazwyczaj wysokiej częstotliwości, aby uniknąć przetłumienia pomieszczenia, o co w górze pasma nietrudno. Te panele skonstruowane są zazwyczaj tak, że w zakresie „utraty” pochłaniania zaczynają delikatnie rozpraszać dźwięk, stąd ich nazwa, chociaż ja wolę nazwę „panele hybrydowe”. Drugą koncepcję realizują pełnoprawne panele pochłaniająco-rozpraszające, które w pewnym paśmie częstotliwości mocno rozpraszają dźwięk, a w innym – pochłaniają. Są one generalnie trudniejsze do wykonania.

Absorbery akustyczne

To zazwyczaj najprostszy, najtańszy i najskuteczniejszy sposób na zmianę akustyki pomieszczenia. Dużo tych „naj”, ale też celowo napisałem o zmianie, bo akurat z pochłaniaczami należy uważać, aby finalnie nie przetłumić pomieszczenia. Niemniej jednak, jeśli mamy puste lub żywe akustycznie pomieszczenie ze zdecydowaną przewagą twardych powierzchni, małą liczbą mebli, dywanów i wykładzin – szczególnie takie, w którym występuje zjawisko trzepoczącego echa – to należy zacząć właśnie od absorpcji, czyli pochłaniania.

Przykłady typowych ustrojów pochłaniających – z lewej na bazie wełny, z prawej – wykonany z pianki akustycznej.

Cenne wskazówki:

• Umieścić dwa pochłaniacze za kolumnami i ewentualnie jeden za plecami słuchacza lub w miejscach pierwszych odbić fali dźwiękowej z głośników – to najprostszy sposób szybkiej poprawy akustyki pomieszczenia, w dodatku można od razu zmniejszyć pogłos.
• Dobre 10-cm absorbery z wełny mineralnej o wymiarze 120x60 cm oznaczają wydatek około 150 zł, więc niedrogo, a jak ktoś ma dwie prawe ręce, to da radę zrobić je sam za ok. 50 zł. Efekt, który zapewnią w nieprzygotowanym pomieszczeniu będzie większy niż da jakikolwiek, kabel, kondycjoner, audiofilski stolik, a nawet wzmacniacz!
• Pochłaniacze o grubości ok. 10 cm pokrywają działaniem 90% pasma akustycznego (zakres np. od 120 Hz w górę), więc takie panele uzupełnione pułapkami basowymi najczęściej pozwalają na uzyskanie „kontroli” nad pomieszczeniem.

Wydawałoby się więc, że absorbery to najlepsza droga. Należy jednak pamiętać o dwóch rzeczach – przede wszystkim o tym, że pochłaniając energię akustyczną odbić bardzo mocno zwiększamy rozdzielczość i przejrzystość przekazu dźwiękowego, ale też ryzykujemy zmniejszenie przestrzenności dźwięku. Druga sprawa to nadmierne zmniejszenie energii akustycznej w danym (najczęściej wysokim) paśmie częstotliwości, czyli tzw. przetłumienie. Wszystko musi polegać na umiarze, tj. pochłaniacze tak – ale nie za dużo, a najlepiej w połączeniu z rozpraszaczami.

Bardzo ważne jest stosowanie absorberów o odpowiedniej grubości, ponieważ to ona w głównej mierze determinuje ich skuteczność. Przykładowe wartości współczynnika pochłaniania dźwięku dla typowego absorbera z wełny mineralnej pokazano na wykresie. Ogólną zasadą powinno być montowanie choćby mniejszej liczby, ale skuteczniejszych paneli akustycznych, a nie na odwrót. Cienkie absorbery pochłaniają fale dźwiękowe jedynie w ograniczonym zakresie częstotliwości (działają skutecznie tylko w paśmie wysokotonowym) i dopóki ewidentnie nie ma takiej potrzeby w pomieszczeniu – radzę unikać ich stosowania. O czym konkretnie mówimy? Choćby o kilkucentymetrowej warstwie pianki perforowanej. Stłumi ona górę i wyższy środek, ale pozostała część pasma pozostanie nietknięta. Tymczasem w dobrej adaptacji akustycznej chodzi o to, by zapewnić w miarę dobrą jednorodność tłumienia i rozpraszania w możliwie szerokim zakresie częstotliwości.

Wymagana grubość materiału pochłaniającego została bardzo dobrze opisana w najróżniejszych publikacjach naukowych. Znacznie więcej kontrowersji i dyskusji wywołują rozważania na temat tego, z czego dany absorber wykonać, a przede wszystkim: wełna czy pianka akustyczna? Tak naprawdę, dobra pianka akustyczna i wełna mineralna charakteryzują się bardzo podobną skutecznością w pochłanianiu dźwięku, o ile tylko rozpatrzymy panele o tym samym kształcie i grubości. Jeśli weźmiemy dwa pełne bloki o identycznych wymiarach i identycznej grubości – różnica pomiędzy obydwoma typami paneli będzie minimalna. Nieco światła na tę kwestię rzuci wykres porównujący działanie absorbera o grubości 5 cm wykonanego z trzech różnych materiałów o tej samej grubości.

Parametrem definiującym właściwości pochłaniające absorbera jest także tzw. oporność przepływu. Typowa pianka tapicerska ma bardzo słabe parametry oporności przepływu, tak więc absorbery z niej wykonane będą miały ograniczone działanie. Porównanie pianki akustycznej i wełny okazuje się już o wiele ciekawsze. Mimo znacznej różnicy w wartości parametru, wyniki są zbliżone, a więc odpowiedź na postawione pytanie – pianka czy wełna – brzmi: wszystko jedno, o ile nasze rozważania ograniczamy do samych właściwości akustycznych. W oczywisty sposób materiały te różnią się bowiem fizycznie – pianka jest droższa i jest materiałem palnym, ale jej zaletą jest to, że nie pyli – w przeciwieństwie do wełny, która jest tańsza i niepalna, ale właśnie z uwagi na pylenie wymaga obicia materiałem. I właśnie te kwestie powinny determinować wybór materiału, jeśli ustroje chcemy wykonać we własnym zakresie.

Dyfuzory – uniwersalny lek na całe zło?

Analogicznie jak absorbery, dyfuzory można z powodzeniem stosować w punktach pierwszych odbić, ale aby stosować je poprawnie, należy mieć na uwadze specyficzne właściwości ustrojów tego typu. Przede wszystkim, wyższością dyfuzora nad absorberem jest to, że nie odbiera on energii akustycznej, tak więc ryzyko przetłumienia pomieszczenia jest zdecydowanie mniejsze. Dodatkowo, dostarcza on wielu odbić rozproszonych, które w pozytywny sposób wpływają na przestrzenność dźwięku w pomieszczeniu. To wniosek bardzo ogólny, ponieważ zdarza się tak, że źle dobranym dyfuzorem też można pomieszczenie przetłumić i ogólnie w projektowaniu/produkcji dyfuzora można znacznie więcej rzeczy popsuć, przez co nie będzie on działać tak dobrze, jak powinien.

Zależność współczynnika rozpraszania fali dźwiękowej dla dyfuzora studzienkowego. Kąt 0º odpowiada fali padającej prostopadle do płaszczyzny montażowej dyfuzora.

Głównym problemem, wynikającym z fizycznej podstawy działania dyfuzora, jest jego ograniczone pasmo efektywnego działania. Przykładową charakterystykę skuteczności dyfuzora 7-studzienkowego o szerokości studzienki 8 cm i głębokości maksymalnej 10 cm przedstawiono na wykresie poniżej. Jak widać, skutecznie działa on w zakresie 700-4000 Hz. Absorber o tej samej grubości działałby skutecznie już od 120 Hz aż do nieskończoności.

Przykładowa charakterystyka skuteczności dyfuzora 7-studzienkowego o szerokości studzienki 8 cm i głębokości maksymalnej 10 cm.

Różnice te wynikają z fizycznych ograniczeń zjawiska rozpraszania i wymiarów geometrycznych struktury rozpraszającej. Wykonanie dyfuzorów „szerokopasmowych” jest teoretycznie możliwe poprzez zastosowanie np. dyfuzorów fraktalnych, ale to temat na osobny artykuł. O ile rozszerzenie zakresu częstotliwości „w górę” jest do zrobienia, to w dół już nie ma takiej możliwości i absolutna granica dolnego zakresu rozpraszania użytecznego w małym pomieszczeniu wynosi ok. 400-500 Hz.

Z dyfuzorami jest związana jeszcze jedna ważna kwestia, a mianowicie wpływ ich rozmieszczenia w pomieszczeniu na uzyskiwane efekty końcowe. Pod tym względem są one znacznie bardziej „wymagające" niż absorbery. Im większy jest kąt padania fali akustycznej na dyfuzor, tym działa on mniej skutecznie (zakładamy, że kąt 0° odnosi się do fali padającej prostopadle do płaszczyzny montażowej dyfuzora). Wynika z tego, że dyfuzory umieszczone pomiędzy kolumnami – szczególnie gdy stoją one blisko ściany – będą działać niezbyt efektywnie. Tym bardziej, że w tym punkcie pomieszczenia niewiele jest energii powyżej 1 kHz (co wynika z kierunkowości działania tradycyjnych zestawów głośnikowych). Najlepsze efekty uzyskamy stosując dyfuzory na ścianie za słuchaczem, jak również na ścianach bocznych. Obficie wyłożona rozpraszaczami ściana tylna oraz ściany boczne zapewnią pożądaną „dyfuzję” dźwięku w pomieszczeniu. Dla spragnionych wiedzy teoretycznej zamieszczamy na wykresie powyżej zależność rozpraszania fali dźwiękowej w funkcji kąta fali padającej.

Na podstawie powyższych rozważań można by pomyśleć, że z dyfuzorami są same problemy, co oczywiście nie oznacza, że nie warto ich stosować. Wręcz przeciwnie! Nic nie daje takiego „kopa” przestrzenności dźwięku jak ustroje rozpraszające zamontowane za plecami słuchacza. Poza tym, jest mnóstwo sytuacji, w których po prostu nie można już dołożyć pochłaniania, więc zostają dyfuzory. Należy jednak pamiętać, że jak każdy ustrój akustyczny, wymagają one stosowania zgodnie z przeznaczeniem i zasadą działania.

Panele hybrydowe

Jeżeli dyfuzory próbowaliśmy nazwać lekiem na całe zło (mimo że w tekście wyszło, że jednak nie do końca), to może będą nim panele hybrydowe, a więc pochłaniająco-rozpraszające? A więc… teoretycznie tak, jeśli mowa o tych pełnoprawnych ustrojach, które w pewnym zakresie częstotliwości rozpraszają, a w innym – pochłaniają dźwięk. Praktycznie zresztą też, bo z punktu widzenia małych pomieszczeń panele hybrydowe pochłaniające niskie częstotliwości, a rozpraszające wysokie to uniwersalne rozwiązanie do niemal każdego pomieszczenia. Stłumią to, co trzeba, bo zazwyczaj dudni i ciężko to kontrolować (np. wyższy bas), a zostawią to, czego tłumić zazwyczaj nie można. W dodatku ładnie rozproszą wysokie częstotliwości i poprawią przestrzenność dźwięku.

Przykład dobrego ustroju hybrydowego (pochłaniająco-rozpraszającego) – OptiDi firmy Architected Sound.

Bardzo dobrym przykładem ustroju hybrydowego jest polski produkt OptiDi, panel marki Architected Sound. Został on zbudowany na bazie konstrukcji z wełny mineralnej, na którą nakłada się modułowe rozpraszacze OptiDi – optymalizowane dyfuzory wykonane z aluminium o całkowitej wysokości 4 cm. Moduły rozpraszaczy umieszcza się zachowując szczelinę, 1, 2 lub 5 mm w zależności od oczekiwanej częstotliwości rezonansowej ustroju szczelinowego. W ten sposób otrzymujemy pochłanianie na dole pasma oraz rozpraszanie – na górze. Problem w stosowaniu ustrojów hybrydowych leży w konstrukcji i rzadkości produktów tego typu, a także w tym, że jak dotąd nikt nie skonstruował ustroju tego typu, pozwalającego na pełne pokrycie wymaganego pasma częstotliwości. Sprawę utrudnia też sporo „marketingu” w sieci. Producenci w swoich materiałach rzadko rozróżniają prawdziwe panele pochłaniająco-rozpraszające będące kombinacją rozpraszacza z pochłaniaczem od tych hybrydowych, tj. zatrzymujących pochłanianie na pewnym etapie.

Tak czy inaczej, jesteśmy skazani na kombinacje różnych ustrojów hybrydowych lub klasyczne mieszanie pochłaniaczy z rozpraszaczami. Przy zakupie ustrojów pochłaniająco-rozpraszających należy uważać na to, co podają wytwórcy – przede wszystkim żaden panel nie może jednocześnie, w tym samym paśmie częstotliwości, rozpraszać i pochłaniać dźwięku. Jest to po prostu fizycznie niemożliwe. Należy więc omijać szerokim łukiem ustroje, które np. w paśmie 1 kHz mają współczynnik pochłaniania 0,8 i rozpraszania 0,9. Właściwe parametry to np. duże pochłanianie w zakresie 80-150 Hz i rozpraszanie od 1000 Hz w górę (np. OptiDi w wersji szczelinowej 1 mm).

Podsumowanie

Tematyka ustrojów akustycznych jest tak obszerna, że zdecydowanie wykracza poza ramy jednego, w miarę przystępnego artykułu. Wiele nie zostało jeszcze powiedziane, np. o ustrojach rezonansowych, pułapkach basowych, rodzajach dyfuzorów itd. Są to na tyle rozległe tematy, że warto je przedstawić w kolejnych artykułach. Również kwestia optymalnego rozmieszczenia ustrojów wymaga znacznie szerszego omówienia, jednak pokrótce wypunktujmy założenia ogólne przedstawione powyżej i dodajmy kilka zdań, celem krótkiego podsumowania:

• Dopóki jest to wskazane, najlepiej stosować pochłaniacze w miejscach pierwszych odbić na ścianach bocznych i przednich, przy okazji regulując kwestie pogłosowe. To właśnie absorbery pozwalają „zapanować” nad niesforną akustyką pomieszczenia najskuteczniej i najniższym kosztem.
  Stosować grube pochłaniacze (grubość 8-10 cm, ewentualnie większa), unikając w miarę możliwości tych cienkich.
  Nie polegać tylko i wyłącznie na dyfuzorach ze względu na ich ograniczone pasmo działania, a jeśli już je stosować, to w odpowiednich miejscach – na ścianie tylnej, bocznych, ewentualnie na suficie. Ustawione pomiędzy kolumnami zdziałają najmniej dobrego.

I jeszcze jedno. Tematu akustyki wnętrz nie da się uogólnić. Nawet podstawowa konsultacja, za którą niektórzy akustycy zrzeszeni w firmach produkujących panele (włączając w to autora) nie pobierają opłat, pozwoli na uniknięcie poważniejszych błędów w amatorskiej aranżacji akustycznej pomieszczenia. Pewność w zakresie: co gdzie i jak stosować zapewniają dopiero pomiary i pełne analizy akustyczne, co oczywiście wiąże się z wyższym kosztem. Ten jednak w zestawieniu z cenami współczesnych akcesoriów audiofilskich czy kabli wcale nie wydaje się zaporowy, o czym warto pamiętać.

Kontakt z autorem: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Zapraszamy do składania propozycji na kolejne tematy i zadawania pytań. Uwagi i pozostałe komentarze do artykułu: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Artykuł został pierwotnie opublikowany w Audio-Video 06/2020, które można w całości kupić TUTAJ.