Акустическая безэховая камера — что это и зачем нужна

Представьте себе комнату, в которой стоит не просто тишина, а тишина абсолютная — жуткая и потусторонняя. Некоторые люди, находясь в ней, слышат биение своего сердца, скрип суставов и даже ток крови. Это и есть акустическая безэховая камера.

Изготавливаются они мелкосерийно промышленным способом или штучно — в лабораториях. Ценой ошеломляют (от полумиллиона долларов и до бесконечности) и востребованы в основном производителями акустических систем, динамиков, микрофонов и транспортных средств, военными, а также учеными-акустиками.

Считается, что первую акустическую безэховую камеру построил в Гарвардском университете (США) во время Второй мировой войны некий Лео Беранек. Это был потрясающе упорный в своей тяге к образованию человек, родившийся в семье бедного фермера и школьной учительницы.

Когда Беранеку было 12 лет, внезапно умерла его мать, отец оказался в огромных долгах и вынужден был продать ферму. Будучи школьником, Лео торговал шелковыми чулками и тканями, чтобы осиротевшая семья могла выжить. Но в это же время он сильно интересовался технологией радио и электротехникой, связанной со звуком.

Чуть позже мальчик стал учеником ремонтника радио, начал играть на барабанах в провинциальном танцевальном оркестре, сам смог прокормить себя и оплатить дальнейшее образование — хоть и с большими сложностями.

Впоследствии этот выходец из американских низов стал профессором Массачусетского технологического института, основателем и президентом исследовательской компании BBN, признанным экспертом по акустике и автором классического учебника, который в последний раз переиздавался в 2012 году под названием «Акустика: звуковые поля и преобразователи»…

В годы Второй мировой Лео Беранек руководил лабораторией электроакустики Гарварда. В ней, кроме прочего, создавались технологии связи и шумоподавления для самолетов. Как раз в этот период Лео и создал первую известную безэховую камеру, которая требовалась для изучения шумов.

Конструкция места, где стоит могильная тишь

Если упростить, то к настоящему времени обычная акустическая безэховая камера представляет собой тщательно изолированную «комнату» со стенами из стали и бетона толщиной около 12 дюймов (30,4 см), внутри которой все оклеено специальными звукопоглощающими панелями.

Но на самом деле конструкция безэховой камеры довольно сложна. Как правило, это комната в комнате, и между ними есть воздушный зазор примерно в 50 см. Пол в камере — решетчатый и «плавающий»: он подвешен в воздухе и поддерживается в состоянии покоя специальными амортизаторами. Все это требуется, чтобы изолировать безэховую камеру от любых внешних шумов.

Внутри она выглядит совершенно сюрреалистично. Стены, потолок и пол под «полом» оборудованы странными конструкциями из вспененных материалов. Это могут быть многочисленные клинья разного размера и расположенные под разными углами.

Это могут быть несимметричные четырехугольные ячейки; большие неровные и глубокие складки, напоминающие кожу какого-то фантастического инопланетного динозавра; разномастные усеченные «пирамидки» и так далее.

Задача всех этих поверхностей — максимально поглотить и рассеять звуковые волны, чтобы они не отражались от стен, потолка и пола комнаты. Удивительные геометрические формы поглощающих панелей заставляют звуковую волну как бы «застревать», многократно отражаясь внутри углублений, куда она «залетела» от источника звука.

Это «подпрыгивание» или звуковое «застревание» на некоторое время создает так называемую «стоячую волну», энергия которой рассеивается благодаря молекулярной вязкости воздуха.

То, что для обшивки безэховой камеры используются вспененные материалы, тоже играет свою роль. Чаще всего поглощающие панели сделаны из гибкого полиуретана или меламинового пенопласта. Иногда применяют и стекловолокно.

Их поверхность пористая, и эти поры ослабляют амплитуду звуковой волны, частично рассеивая ее энергию в виде тепла. Вспененные материалы хорошо поглощают отражения высоких и средних частот.

Насколько тихо в безэховой камере?

Для человеческого уха — невероятно тихо, просто абсолютно. В физике громкость звука измеряется в относительных единицах — децибелах (дБ). За ноль децибел традиционно принимают границу слышимости звука человеком.

Конечно, когда в природной обстановке нам кажется, что мы не слышим вообще ничего, очень тихие звуки вокруг на самом деле присутствуют, просто ухо не может их уловить из-за ограничений его биологической конструкции. На этой отметке ученые и «поставили» человеческий «0 дБ».

Так вот, в условно недорогой и даже типичной безэховой камере слышны отзвуки громкостью 10-20 децибел («A-взвешенных dB SPL, dBA) что в природе соответствует еле заметному шелесту листьев. Но производители звукового оборудования для тестов хотят иметь еще более тихие комнаты. Не говоря уж об ученых.

Например, компания Audio-Technica владеет множеством камер, где «показатель тишины» составляет -1 dBA (да, это отрицательное число – мы ведь помним, что «ноль децибел» является относительным?). То есть, в этих комнатах человеку не слышно совсем никаких звуков.

В 2005 году акустическая лаборатория Орфилда в Миннесоте (США) добилась еще более впечатляющей тишины. При выключенном свете ее «показатель» составил -9,4 дБA. А в 2015 году безэховая камера в кампусе Microsoft установила мировой рекорд. Она поглощала звуковые волны до уровня -20,6 дБА. Это для человека что-то совсем уже запредельное. Мертвейшая тишина.

В свое время владелец лаборатории Орфилда любил поспорить с посетителями, сколько они смогут продержаться в спокойном состоянии внутри безэховой камеры. Большинство через 20 минут начинало испытывать сильное беспокойство и дезориентацию в пространстве, которая связана с отсутствием привычных звуковых ориентиров. Сам владелец был способен сохранять присутствие духа, находясь в камере 30 минут.

Каковы недостатки безэховых камер. Низкочастотный гул

Большинство звукопоглощающих комнат плоховато справляются с низкими частотами. Связано это с тем, что по сравнению с длиной волны басовых звуков клинья, пирамидки и прочие 3D «поглотители» слишком маленькие. Например, волна звука частотой 100 Герц имеет длину примерно 3,35 метра. А ультра бас в 20 Герц — аж 18,2 метра.

Чтобы заставить эти звуковые волны «застревать» в углублениях между пирамидками, те должны быть соответствующего размера. Такое, в принципе, реально воплотить, но это обойдется так дорого, что не окупится никогда.

Как ни странно на свете есть несколько огромных безэховых камер, которые неплохо гасят низкочастотный гул. Но принадлежат они, как правило, государственным научным организациям или, скажем, разработчикам военных самолетов, и их весьма непросто арендовать — если это вообще возможно.

Поэтому когда производители аудио оборудования тестируют свои продукты, то они обычно делают два «безэховых» измерения — для высоких и средних частот в небольшой камере, а для низких —… на улице.

Пустынная, безлюдная местность в погожий безветренный день фактически представляет собой самую большую безэховую камеру на планете. Большинству звуковых волн, вылетевших из источника звука здесь просто не от чего отражаться. Другое дело, что попробуй предскажи, когда именно в такой-то ровной, как стол, степи настанет погожий безветренный день…

Это ограничение производители звукового оборудования обходят при помощи акустических сканеров ближнего поля. Они позволяют очень точно замерять именно низкочастотные характеристики, скажем, динамиков.

Обычно сканеры представляют собой роботизированные системы со сложным программным обеспечением и дорогими микрофонами, которые замеряют уровень и частотный спектр сигнала на расстоянии 10-15 см от динамика и под разными углами — создавая диаграмму распространения звука на все 360 градусов.

Такие системы дороги (в районе 100 000 долларов США), но обходятся значительно дешевле, чем постройка даже маленькой безэховой камеры.

Зачем производителям оборудования и ученым измерения в мертвой тишине

Как мы уже знаем, измерения требуются для любых типов динамиков и колонок, в том числе (и особенно) для профессиональных аудио мониторов. Также безэховые камеры применяются для выяснения правдивых характеристик микрофонов — обычных и бинауральных.

Дело в том, что в бытовой и профессиональной жизни мы слышим и записываем работу аудиоустройств чаще всего в помещениях, где много отражений от стен, потолка, пола и других поверхностей.

Наш слух и так-то субъективен, а отражения вносят в картину работы колонок или микрофонов множество «дополнений» и искажений. Причем в каждом помещении они свои, уникальные.

Качественный производитель не только профессионального, но и бытового аудио оборудования не может себе позволить тестировать свои продукты в таких условиях. В этом случае он получит необъективную картину амплитудно-частотных характеристик и того, какие искажения вносят в звук сами устройства.

Поэтому крупные разработчики аудио оборудования имеют собственные безэховые камеры, а мелкие — арендуют. Среда измерения в них и методы измерения к настоящему времени хорошо изучены. И для поддержания высокого качества процесса уже существуют международные стандарты. Например, для акустических камер — ISO 3741, ISO 3744, ISO 3745 (ГОСТы тоже есть).

Ну и конечно без камер с мертвой тишиной не могут жить физики-акустики. В этих жутковато-таинственных помещениях они ставят таинственно-жутковатые эксперименты. Потому что у дизайна исследований тоже есть строжайшие стандарты — построже производственных. И без их соблюдения исследование просто не будет считаться состоявшимся или получит заслуженную репутацию «мусорного исследования».

Запись музыки в безэховой камере — это безумие. Но некоторые записывают

Музыкантам, играющим на акустических инструментах, особенно таких, как тромбон, трудно поддерживать чистое исполнение в безэховой камере. Потому что в реальной жизни они, оказывается, очень сильно ориентируются на отраженный звук. У некоторых духовых и струнных инструментов довольно большие размеры, и источник звука в них значительно удален от ушей музыканта, что компенсируется ранним эхом помещений.

Это выяснилось в частности, когда в 2010-е годы один из профессоров Университета Бригама Янга (США) Тимоти Лейшман взялся изучать свойства музыкальных инструментов, записывая их в комнате без акустических отражений.

Музыканты, которые были задействованы в исследованиях, поначалу измучились, потому что их мозг протестовал против неестественного, неполного звучания, идущего не оттуда, откуда ожидалось. Но со временем кое-как приспособились, ведь им за эти сумасшедшие занятия все-таки платили.

Теперь мы знаем, что идея сделать некую «идеальную» музыкальную запись в безэховой камере, которая иногда приходила в горячие головы — это хорошая мысль для науки, но совсем плохая для музыки…

Владимир Лакодин