» AKUSTIKA
Prostorová akustika na statku i v chaloupce - I

 

Prostorová akustika na statku i v chaloupce I.

O tom, že vlastnosti poslechového prostoru mají velmi podstatný vliv na kvalitu poslechu jste se už jistě mnohdy a mnohde dočetli či doslechli. Hlavně v časopisech určených pro hudebníky se vyskytují zmínky o tom, jak to chodí v nahrávacích studiích či koncertních síních, a možná by se našel i nějaký náznak na téma, co podniknout doma, aby nám ruku v ruce s hifi zařízením „hifoval" i obývák či jiný prostor k poslechu využívaný. A my se na téma „Domácí poslechový prostor a co s ním" podíváme trochu podrobněji.


Základní pojmy

Akustika je odvětví fyziky, které se zabývá zvukem a vším co s ním souvisí, především pak šířením zvukových vln (a vším s ním spojeným). Zvukové vlny jsou zjednodušeně řečeno vlny, které jsou přenášeny pružnou deformací prostředí, ve kterém se šíří. Tady stojí za to podotknout, že vlny na vodě, které se dosti často používají jako názorná analogie pro výklad šíření zvuku, jsou něco naprosto jiného - při šíření vln na vodě totiž k žádné pružné deformaci prostředí (tedy vody) nedochází. Deformace mohou být různého druhu. Nejsložitější je to v pevném (tuhém) prostředí, to však má pro nás naštěstí význam pouze okrajový. Nás bude zajímat především šíření zvuku ve vzduchu, což je prostředí plynné. Z hlediska šíření zvuku i jiných fyzikálních hledisek jsou si velmi podobné prostředí plynné a kapalné (plyny a kapaliny se z tohoto důvodu zahrnují pod společný pojem tekutiny, takže můžeme hovořit obecně o prostředí tekutém). Pro tekuté prostředí je charakteristické to, že v prvním přiblížení (speciálně při zanedbání viskozity) v něm nemohou existovat ohybové a smykové (střihové) deformace, tekuté prostředí a tedy i vzduch se může deformovat pouze objemově (akustiku kapalin čili hydroakustiku prozatím ponecháme stranou).

Nejjednodušším příkladem objemové deformace vzduchu je jeho stlačování (např. pístem) v uzavřené nádobě (např. válci). Schématicky je to znázorněno na obr. 1:

Vzduch stejně jakýkoli jiný plyn se skládá z molekul. Pokud by molekuly plynu zůstávaly stále na stejném místě, pak by se při pohybu pístu ve válci molekuly v blízkosti pístu „shrnuly" do části prostoru poblíže pístu podobně jako třebas zrnka písku a dál by se nic nedělo. Molekuly jsou však v neustálém pohybu, poletují sem tam, srážejí se, odrážejí se od sebe a předávají si energii a hybnost. Jejich celková energie v nějakém konkrétním objemu se nazývá vnitřní energie a navenek se projevuje tím, že plyn má určitou teplotu. Molekuly plynu uzavřeného v nádobě narážejí také na stěny nádoby a odrážejí se od nich, což se projevuje jako tlak plynu na stěny nádoby.

Tlak plynu je tím větší, čím rychleji se molekuly pohybují, neboli čím vyšší teplotu plyn má. Je také tím větší, čím více molekul je obsaženo v daném objemu , neboli čím vyšší je hustota plynu. Avšak pozor! Touto hustotou se rozumí počet molekul na jednotku objemu plynu a nemá to nic společného s hustotou ve smyslu hmotnosti na jednotku objemu, která se udává např. u pevných látek. Kupříkladu molekula kyslíku je šestnáctkrát těžší než molekula vodíku, jestliže však do objemu jednoho litru napustíme jeden trilion molekul kyslíku (1018, 1 000 000 000 000 000 000 molekul), což je mimochodem poměrně málo, pak v tomto objemu bude stejný tlak, jako kdybychom do něj napustili jeden trilion molekul vodíku, i když celková hmotnost v případě vodíku bude šestnáctkrát menší (ten tlak bude přibližně 0,000037 atmosféry).

Vzájemný pohyb molekul a jejich srážení způsobí, že když v nějaké části objemu plynu dojde ke změně hustoty, např. pohybem pístu, tato změna se velmi rychle rozšíří do celého prostoru, který plyn zaujímá, a vytvoří se nový rovnovážný stav, ve kterém jsou molekuly opět rozptýleny víceméně rovnoměrně, jen jejich průměrná vzdálenost je jiná. Při zmenšení objemu stlačením pístu se plyn zhustí a jeho tlak v důsledku toho stoupne. Kromě toho obvykle také stoupne jeho teplota. To se stane tehdy, jestliže plyn je v uzavřeném objemu tepelně izolován. Na stlačení plynu totiž musíme vynaložit určitou energii (pro pohnutí pístem musíme působit nějakou silou po nějaké dráze a konáme tudíž práci) a tato energie se v konečném výsledku přenese na plyn, kterému stoupne vnitřní energie a tím pádem i teplota. Souvislost mezi objemem, tlakem a teplotou plynu popisuje tzv. stavová rovnice plynu, ale tou už se zabývat nebudeme, ono té fyziky už i tak bylo dost.

Představme si nyní, že máme píst ve volném prostoru, tedy v neomezeném objemu. Co se může stát, bude nám ilustrovat obr. 2.

Píst je obklopen plynným prostředím, složeným z molekul, a toto prostředí má v klidovém stavu jistý rovnovážný tlak. Jestliže se píst pohne z místa v směru kolmém na jeho plochu, dojde v blízkosti jedné strany ke krátkodobému nárůstu hustoty (zhuštění) a na opačné straně k poklesu (zředění) prostředí obklopujícího píst. U části molekul také dojde ke změně rychlosti ve směru pohybu pístu. Tuto změnu molekuly předávají prostřednictvím nárazů dalším a dalším molekulám a oblasti zředění a zhuštění se budou pohybovat směrem od pístu. Takto vznikne pohybem pístu vybuzená zvuková vlna (vlastně dvě zvukové vlny). V oblastech zředění a zhuštění dojde ke změně tlaku plynu oproti rovnovážnému stavu. Velikost této odchylky se nazývá akustický tlak. Nejnižší velikost akustického tlaku, kterou je lidský sluch schopen zaregistrovat jako zvuk, je přibližně 2.10-5 Pa (atmosférický tlak je přibližně 100 000 Pa).

Trochu složitější je to s rychlostí pohybu molekul. Každá molekula se pohybuje jistou rychlostí, u plynu v klidovém stavu jsou však všechny směry pohybu stejně pravděpodobné a výsledná rychlost pohybu plynu jako celku je nulová. Pokud plynem prochází zvuková vlna, vzniká v oblasti vlny odchylka rychlosti jednotlivých molekul od rovnovážného stavu, takže průměrná hodnota vektorů rychlosti molekul již není nulová, nýbrž udává akustickou rychlost. Rychlost pohybu zvukové vlny jako celku prostředím pak je pro dané prostředí rychlost zvuku, která obecně závisí na vlastnostech prostředí a ve vzduchu za běžných podmínek činí přibližně 343 m/s.

Vektor je veličina, která je charakterizována velikostí a směrem. Takovou veličinou je např. právě rychlost. Popisujeme-li rychlosti pohybu jednotlivých molekul jako vektory, pak u plynu v klidu je jejich průměrná rychlost, daná jako aritmetický průměr vektorů rychlostí všech molekul, rovna nule - tedy nulovému vektoru. Veličina, která je určena pouze velikostí, se nazývá skalár. Typický skalár je např. teplota. S teplotou souvisí vnitřní energie plynu. Souvisí také s rychlostí molekul, není však dána sčítáním vektorových hodnot, nýbrž druhých mocnin velikostí vektorů rychlosti jednotlivých molekul bez ohledu na směr a není to tedy vektor, nýbrž také skalár. Průměrná velikost rychlosti tepelného pohybu molekul vzduchu za pokojových podmínek je přibližně 470 m/s.

Zvukovou vlnu je samozřejmě možné vybudit i jinými způsoby než pohybem nějakého konkrétního pístu. Jako píst může například fungovat část rezonanční desky hudebního nástroje. Zvuková vlna se vybudí také když se někde v plynném prostředí prudce změní teplota - například při elektrickém výboji. Anebo se může stát, že z nějakého důvodu dojde k lokálnímu zvýšení množství molekul plynu - třebas při explozi, výstřelu apod. Nejjednodušším a v jistém smyslu mezním případem je situace, kdy oblast vzniku zvukové vlny je bodová a zvuková vlna se od ní šíří všemi směry. Pokud prostředí, v němž se vlna šíří, je homogenní, pak místa, do kterých vlna dospěje za určitý čas, tvoří kulové plochy (vlnoplochy) a můžeme hovořit o zvukových paprscích, což jsou polopřímky s počátkem v bodě zdroje, kolmé k vlnoplochám.

Zvukové události, kterými jsme si zatím demonstrovali základní akustické jevy, byly jednorázové - třeskne výstřel, prostorem kromě kulky proletí zvuková vlna a dál se nic neděje (tedy téměř). Zvuky však bývají zpravidla trvalejšího charakteru a zvláštní postavení mají ty, které se pravidelně opakují. Fyzikálně se to vyjádří tak, že si zvuk popíšeme jeho časovým průběhem, tedy funkcí, která udává závislost akustického tlaku na čase v nějakém bodě prostoru, kterým zvuk prochází. Úplný popis zvukového dění bychom dostali, kdybychom dokázali zkonstruovat funkci, která by časový průběh akustického tlaku popisovala v celém prostoru. Nezávislými proměnnými takové funkce by byly tři prostorové souřadnice a čas, závisle proměnnou pak akustický tlak. Prozatím však vystačíme jen s akustickým tlakem a časem. Jestliže lze najít nějaký časový úsek (interval), po jehož uplynutí se časový průběh přesně opakuje, po zopakování tohoto intervalu se opět opakuje ... a tak dále znovu a znovu, nazýváme takový časový průběh periodickým, „opakovací" interval je perioda a počet period za jednotku času je frekvence. A ještě jedna důležitá veličina; vzdálenost, kterou zvuková vlna urazí za dobu jedné periody, se nazývá vlnová délka. Délka periody má rozměr času, takže nejčastěji ji měříme v sekundách (případně v metrických zlomcích - milisekunda, mikrosekunda...). Frekvence má rozměr převrácené hodnoty času a její jednotkou je hertz [Hz], což je frekvence odpovídající jedné periodě za sekundu; samozřejmě se používají i násobky - kilohertz [kHz], megahertz [MHz] atd. Lidský sluch je schopen vnímat zvuky o frekvencích v rozmezí přibližně 20 Hz až 20 kHz (s postupujícím věkem se horní hranice snižuje, např. autor tohoto článku slyší zvuky o frekvenci nejvýše přibližně 14,5 kHz). Pro obvyklé hodnoty rychlosti zvuku ve vzduchu tomu odpovídá rozpětí vlnových délek zhruba 17 m až 17 mm.

Akustika a prostor

Prostorovou akustikou se rozumí ta část akustiky, která se zabývá zvukovým děním uvnitř prostoru, přičemž zpravidla neřeší problémy související s tím, kde se zvuk v prostoru vzal. Zvuk se může vytvořit uvnitř zkoumaného prostoru např. hrou na hudební nástroj (s tím související jevy patří do oboru hudební akustiky) nebo činností nějakého ozvučovacího zařízení (to je doména elektroakustiky), případně do něj může proniknout z vnějšího světa, čímž se zabývá především stavební akustika. Pro prostorovou akustiku je však podstatné to, co se v prostoru děje, když už v něm zvuk je. Základní problém prostorové akustiky se vlastně dá vyjádřit mírně modifikovaným zněním klasického přísloví - jak se z prostoru (anebo v prostoru) ozývá, když se do něj volá.

Prostorová akustika tedy zkoumá osud zvukového signálu v prostoru, ohraničeném (případně přímo uzavřeném) překážkami, jakými jsou například stěny. Zajímá se o to, kudy se zvukový signál pohybuje a co se s ním přitom děje. Při popisu tohoto dění se vychází z představy zvukového paprsku. Zvuk je sice ve své podstatě vlnění, jak jsme si však již řekli, zvukový signál se v homogenním prostředí od svého zdroje šíří víceméně přímočaře, takže využití analogie s paprskem třeba světelným je docela namístě. A pokud je zapotřebí pracovat s vlnovou představou, používá se pojmu vlnoplochy. Zvukové vlny, paprsky a vlnoplochy si tedy poletují v prostoru a prostorová akustika v první řadě potřebuje vědět, co se s nimi stane, když do něčeho narazí. Tedy, co to vlastně znamená - narazí. Zatím jsme si popisovali, co se děje, když se zvuková vlna šíří vzduchem. Při takovém šíření narážejí do sebe navzájem molekuly plynů tvořících vzduch . Něco jiného se bude dít, když na předpokládané dráze vlny najednou přestane být vzduch a začne tam být něco jiného, třeba zeď, obecně tedy pevná překážka. Molekuly plynu začnou narážet do molekul materiálu tvořícího překážku a co se v takovém případě stane, je velice složité a na přesný popis velice náročné dění, jehož konkrétní podoba závisí především na tom, jaké vlastnosti překážka má. Pro potřeby prostorové akustiky není třeba znát, co se děje s jednotlivými molekulami, postačí, když toto dění popíšeme s pomocí paprsků nebo vlnoploch.

Schématicky je toto dění naznačeno na obr. 3.

Schéma naznačuje tyto základní jevy:

1. Při dopadu paprsku na rozhraní se část energie odrazí, zbytek vnikne do překážky

2. Zbývající energie se šíří materiálem překážky v podobě zvukových vln v pevném prostředí a při tomto šíření se část zvukové energie mění na teplo, takže zvukové vlny se tlumí

3. Část zvukové energie šířící se překážkou vystoupí na druhé straně překážky (resp. přepážky), část se prostřednictvím odrazů uvnitř překážky vrátí – samozřejmě dále utlumená – zpět do té části vzduchového prostředí, odkud přišel primární paprsek.

Takto detailní rozbor zpravidla pro prostorovou akustiku není nutný, obvykle vystačíme s tím, že při dopadu paprsku na materiálové rozhraní se prostě odrazí jen jistá část energie. Poměr množství odražené energie k dopadající je popsán činitelem odrazivosti, v prostorové akustice však zpravidla pracujeme s činitelem pohltivosti, který je označován řeckým písmenem ? a rovná se doplňku činitele odrazivosti do jedné (jedna mínus činitel odrazivosti). Jak vyplývá ze schématu na obr. 3, udává sice činitel pohltivosti ztráty energie při odrazu, ve skutečnosti ale nemusí jít nutně o pohlcování v pravém slova smyslu, poněvadž část energie, která se neodrazila, může být např. vyzářena někam jinam. Používání termínu „činitel pohltivosti“ je však natolik vžité, že nemá smysl vymýšlet si pro popis „energetické bilance“ odrazu něco jiného.

Při dopadu zvukové vlny (nebo paprsku, je-li libo) na materiálové rozhraní se odrazí tím větší poměrná část energie, čím více se mechanické vlastnosti odrážejícího materiálu liší od vlastností vzduchu. Jde hlavně o hustotu resp. hutnost a tuhost (hustotou v tomto případě rozumíme to, co se dříve nazývalo specifická váha nebo specifická hmotnost). V běžném jazyce to lze vyjádřit tak, že čím je materiál tvrdší, těžší a kompaktnější, tím lépe odráží zvuk. Ta kompaktnost je velmi podstatná, existují totiž materiály, které jsou sice tvrdé a těžké, avšak pórovité a díky pórovitosti podstatně více zvuku pohltí nežli odrazí. K tomu se vrátíme později. A je tady ještě jedna důležitá okolnost – překážka zvuk odráží pouze v případě, že její rozměry jsou srovnatelné s vlnovou délkou dopadajícího zvuku anebo jsou větší. Dá se říci, že vlna o dlouhé vlnové délce „nevidí“ malou překážku a při svém šíření ji jaksi „ze všech stran obejde či obteče“. Hranice mezi tím, co je akusticky malé a co velké, přitom není ostrá – je to spíše jakési pásmo někde mezi čtvrtinou vlnové délky a vlnovou délkou. Fyzikálně se to popisuje velmi složitě, takže se raději spolehnu na představivost a intuici čtenářů.

Něco podobného funguje i v případě samotného odrazu ve vztahu k hladkosti či nerovnosti povrchu. Pokud je odrazná plocha rovná a hladká, je odraz zrcadlový; pokud je zakřivená nebo nerovná, dochází k rozptylu zvuku, přičemž o míře zakřivenosti či hrbolatosti v souvislosti s rozměry nerovností platí opět to, co se táhne jako červená nit celou akustikou - co je menší než zhruba čtvrtina vlnové délky, to zvuková vlna „nevidí“, takže stěna je pro ni hladká, jestliže nerovnosti na ní jsou menší než ona čtvrtvlna.

Představme si nyní, že máme nějaký uzavřený prostor a začneme do něj „napouštět zvuk“, třebas tak, že uvedeme do provozu ozvučovací zařízení, začneme zpívat nebo pracovat se sbíječkou. Do prostoru přichází zvuková energie, vlnoplochy a paprsky poletují sem tam, rozkmitávají molekuly vzduchu a odrážejí se od stěn či jiných překážek v prostoru se vyskytujících. Celkové množství energie zvukového pole postupně narůstá, při každém odrazu od překážky však dojde ke ztrátě energie, která je tím větší, čím větší je energie na překážku dopadající. Po jisté době se tak ustálí rovnovážný stav, při kterém množství energie do prostoru přiváděné je stejné jako množství energie unikající z prostoru v důsledku ztrát. Akustické pole tvořené odraženým zvukem, tedy soustavou vlnoploch nebo paprsků, které na své pouti absolvovaly alespoň jeden odraz, se nazývá pole odražených vln. Někdy se ne zcela přesně používá také název „difúzní pole“ Ten vychází z idealizované představy, že v ustáleném stavu je hustota energie v prostoru rozdělena rovnoměrně (pole je homogenní) a tok energie v kterémkoli bodě a kterémkoli směru je stále stejný (pole je izotropní). Tato představa nikdy nemůže přesně odpovídat realitě, je však užitečná pro některé teoretické úvahy. Pro doplnění, pole tvořené přiváděným zvukem, který ještě žádným odrazem neutrpěl, se nazývá přímé pole.

Z hlediska prostorové akustiky je důležité, co se stane, když se množství zvukové energie do prostoru přiváděné změní (jevy tohoto druhu jsou vlastně v prostorové akustice prvořadým předmětem zkoumání). Krajním případem takové změny je úplné přerušení přívodu energie. Je jasné, že v tomto případě z prostoru velmi rychle zmizí přímé pole. Pole odražených vln však ještě nějakou dobu přetrvává, a to proto, že z prostoru může vymizet jedině ztrátami při odrazech od překážek, které prostor obklopují popř. vyplňují. A k těmto překážkám se nejdříve musí nějak dostat, což vzhledem ke konečnosti rychlosti šíření trvá nějakou dobu. Důsledkem je, že množství energie v prostoru po přerušení přívodu energie bude klesat, a to víceméně pozvolna (tj. nezmizí ihned). Prostorová akustika zkoumá, jak konkrétně tento pokles bude vypadat a jak bude jeho charakter záviset na takových vlastnostech prostoru, jakými jsou jeho rozměry, vlastnosti materiálů odrazných ploch a jejich geometrické uspořádání. Jev spočívající v pozvolném poklesu množství zvukové energie po přerušení jejího přívodu do prostoru se nazývá dozvuk. Tímto názvem se obvykle označuje také samotný zvuk vytrácejícího se akustického pole, neboli to, co slyšíme poté, co zmizel zdroj zvuku. Pojem „dozvuk“ je asi známý každému, kdo k akustice nebo elektroakustice aspoň přičichl, a i ten, kdo nezná přesnou definici, ví, co to v praxi znamená.

Jedním z hlavních praktických úkolů prostorové akustiky je optimalizace dozvuku tak, aby jeho charakter byl v souladu s tím, k čemu má být prostor používán. Je přitom důležité si uvědomit, že dozvukové pole se začne vytvářet ihned poté, co do prostoru začneme zvukový signál přivádět. Přímý (primární) zvuk se na intenzitě sluchového vjemu podílí zpravidla výrazně větší měrou než dozvuk. Přítomnost dozvuku souběžně s přímým zvukem však přesto má na kvalitu sluchového vjemu významný vliv, například mění barvu vnímaného zvuku a díky schopnostem sluchového orgánu ovlivňuje do jisté míry orientaci v prostoru. Podle charakteru doznívání dokážeme na základě zkušenosti alespoň přibližně odhadnout, v jakém prostoru se právě nacházíme. Rozlišíme jeskyni od koupelny, kostel od ložnice a poznáme, kdy jsme na volném prostranství, kde vcelku žádný dozvuk není.
Optimalizace dozvuku znamená „ani moc, ani málo“. Například pobyt v uzavřeném prostoru bez dozvuku (suchém, mrtvém) působí nepříjemně až depresivně. Na druhé straně pokud má poslechový prostor dozvuku příliš mnoho, dochází např. při poslechu hudby k deformaci sluchového vjemu oproti tvůrčímu záměru, při poslechu mluveného slova k ztrátě srozumitelnosti a tak dále. Dozvuk může ovlivnit (v krajním případě i znemožnit) lokalizaci zdroje primárního zvuku v prostoru (tedy odhadu polohy zdroje zvuku prostřednictvím sluchu) a ještě větší vliv může mít na lokalizaci zdánlivého zdroje zvuku při stereofonní reprodukci – v takovém případě jde zpravidla o změnu přesnosti lokalizaci, nikoli přímo o změnu polohy. Dozvuk je tedy věc velmi důležitá a jeho podrobnější zkoumání nezbytné.

Zpracováno na základě textu publikovaného autorem v magazínu Stereo & Video

Prostorová akustika na statku i v chaloupce - II

Prostorová akustika na statku i v chaloupce II

Bohumil Sýkora | 18.07.2008 | Přetištěno z magazínu Hi-Fi Voice se souhlasem autora

Zvuk a dozvuk

 

 

 

Nyní se podíváme trochu podrobněji, co se děje v uzavřeném prostoru, ve kterém se pohybuje zvuková vlna. Nejprve malé opakování a shrnutí.

Zvuková vlna naráží na stěny, odráží se od nich, při odrazech ztrácí část energie, a pokud se do prostoru žádná další akustická energie nedodává, vlna po čase zanikne. To, co se mezitím v prostoru děje a co můžeme případně i slyšet nebo sledovat měřením, je doznívání nebo dozvuk. Proces útlumu doznívající vlny se řídí poměrně přesnými pravidly. Základním pravidlem je to, že při každém dopadu (a odrazu) vlna ztratí jistou poměrnou část energie, jinými slovy, v jistém poměru se zeslabí. Poměr zeslabení závisí na vlastnostech materiálu překážky, s níž se zvuková vlna střetla. Dá se také říci, že překážka z dopadající vlny odčerpá jistou poměrnou část energie. Jak jsme si řekli v první části, tato odčerpaná energie se převážně mění v teplo, může však také zčásti uniknout mimo prostor, v němž se námi sledovaná zvuková vlna pohybuje. Vlastnosti materiálu z hlediska energetických ztrát udává činitel pohltivosti. Je to bezrozměrné číslo, které udává poměrnou ztrátu energie při kolmém dopadu (a odrazu). Označuje se obvykle řeckým písmem malé alfa - ???Činitel pohltivosti obecně závisí na frekvenci a vlastnosti materiálů se popisují tabulkami nebo grafy, v nichž jsou uvedeny hodnoty činitele pohltivosti pro normalizované zlomkooktávové frekvence (oktávy, třetiny oktávy), zpravidla v rozmezí 100 Hz až 10 kHz, často však i v rozsahu menším.


Dokonale odrazivý materiál má činitel pohltivosti rovný nule, dokonale pohltivý materiál pak jedné. Dobrým představitelem téměř dokonale odrazivého materiálu je např. leštěný kámen. Materiál, který by byl dokonale pohltivý nezávisle na frekvenci, bychom těžko hledali. Existují však materiály, které jsou prakticky dokonale pohltivé alespoň v jistém frekvenčním pásmu, zpravidla na středních a vyšších frekvencích. V technických tabulkách můžeme dokonce objevit i materiály, jejichž činitel pohltivosti je pro některou frekvenci větší než jedna. To může vypadat jako fyzikální paradox, ve skutečnosti to však signalizuje, že teorie, na jejímž základě jsou odvozeny metody pro měření činitele pohltivosti, není zcela přesná. Následující dva obrázky ukazují, jak může vypadat frekvenční závislost činitele pohltivosti.

Graf s označením CARPT HVY odpovídá těžkému koberci, POLYSON pak je tvarovaný „molitan“ (takové ty známé šedočerné jehlánky, které se hojně používají pro akustické úpravy). Z grafu pro Polyson je patrné, že pro frekvence od 2 kHz výše pohlcuje prakticky dokonale, zatímco u nízkých frekvencí je jeho pohltivost nevalná. To je dosti všeobecný jev – vyšší frekvence jsou pohlcovány snáze než nižší a dokonce i při šíření zvuku samotným vzduchem dochází k jistému útlumu, který směrem k vyšším frekvencím dosti rychle vzrůstá.Pro další výklad bude užitečné zavést si akustickou veličinu zvanou akustická hustota. Tou se rozumí množství energie zvukového pole v jednotkovém objemu (rozměr by byl joule na krychlový metr – [J/m3]). Je to skalární veličina úzce související s akustickým tlakem – akustická hustota v daném bodě je přímo úměrná druhé mocnině akustického tlaku. Její význam při zkoumání dozvuku spočívá v tom, že dozvukové dění (doznívání) se fyzikálně odehrává v doméně energie, pokud ovšem chceme toto dění sledovat měřením, musíme se spokojit s měřením akustického tlaku, poněvadž přímou metodikou nic jiného vlastně měřit neumíme (až na některé velmi exotické výjimky, kterými se nebudeme zabývat).

Představme si nyní, že máme nějaký uzavřený prostor, jehož stěny mají jistý činitel pohltivosti ???Objem prostoru označíme V a celkovou plochu ohraničujících stěn S. Součin S.? někdy nazývá pohltivá plocha, popř. efektivní pohltivá plocha. Do prostoru přivedeme množství energie E, takže v něm vybudíme akustické pole o hustotě E/V. Tedy – vlastně nevybudíme. To bychom udělali, kdybychom do prostoru přivedli příslušné množství energie a neexistovaly by žádné energetické ztráty. Jenže díky ztrátám energie z prostoru neustále uniká a množství energie, které z prostoru unikne za jednotku času, se rovná součinu hustoty energie a efektivní pohltivé plochy. Pokud tedy chceme v prostoru, ve kterém existují energetické ztráty, udržet nějakou stálou hustotu energie, musíme energii neustále doplňovat. Pak vznikne rovnovážný stav, při kterém se množství energie do prostoru přiváděné rovná množství energie z prostoru unikající. Pozor – nejde o to, že by se prostor přiváděnou energií nějak „nasytil“ nebo „zahltil“. Čím více energie do prostoru přivádíme, tím vyšší bude rovnovážná hustota – platí zde přímá úměrnost. Zahltit se může nanejvýš sluch, pokud hustota energie (a tudíž akustický tlak) bude příliš vysoká.

Představme si dále, že akustické pole, které se v rovnovážném stavu vytvořilo, je dokonale difúzní. To v prvním přiblížení znamená, že hustota energie je všude stejná – pole je homogenní. A nyní přerušme přívod energie do prostoru. V důsledku ztrát všeho druhu začne celkové množství zvukové energie a tedy také hustota energie v prostoru klesat. Charakter poklesu bude takový, že za jednotku času se energie sníží v jistém poměru. Názorně řečeno – jestliže se za první sekundu sníží energie na polovinu, pak za další sekundu poklesne na polovinu poloviny čili na čtvrtinu, za další sekundu na polovinu poloviny poloviny čili na osminu atd. Matematicky je takový časový průběh popsán klesající exponenciální funkcí. Na základě exponenciální zákonitosti poklesu energie v prostoru při doznívání je definována základní veličina popisující dozvuk, totiž doba dozvuku, td. Je to doba, za kterou celková energie poklesne na jednu milióntinu výchozí hodnoty (10-6). Vzhledem k tomu, že se stále jedná o jevy poměrného charakteru, nezávisí doba dozvuku na výchozí energii. Poněvadž však souvisí s vlastnostmi stěn prostoru, může být závislá na frekvenci.Na základě představy o plynulém rovnoměrném úniku energie z prostoru, jehož všechny stěny mají stejný činitel pohltivosti ???je možné odvodit vzorec udávající nebo lépe řečeno předpovídající dobu dozvuku v závislosti na vlastnostech prostoru. To je tzv. Sabineův vzorec, který má tvar

td = 0,164 V / S.?

Vzorec je to vskutku jednoduchý, při bližší prohlídce však shledáme, že má jednu zásadní vadu. Jestliže činitel pohltivosti je nulový, čili v prostoru nevznikají při odrazech žádné ztráty, je výsledná doba dozvuku nekonečná. To je celkem logické. Stejně tak logicky by se dalo očekávat, že při činiteli pohltivosti rovném jedné žádný dozvuk nevznikne, poněvadž veškerá energie se pohltí hned při prvním odrazu, a doba dozvuku bude tudíž nulová. Tento požadavek však již Sabineův vzorec nesplňuje. Chyba je v tom, že při odvození Sabineova vzorce se nebere v úvahu konečná rychlost šíření zvuku. Pokud s konečností rychlosti zvuku počítáme, dostaneme poněkud složitějším odvozením vzorec Eyringův ve tvaru

td = 0,164 V / S. – ln(1– ?)?

Tento vzorec už je po stránce hraničních hodnot činitele pohltivosti zcela v pořádku. Za zmínku stojí, že existuje ještě jeden vzorec, který je velmi málo známý, a to vzorec Kynclův (podle svého českého objevitele). Jeho malá popularita je patrně dána tím, že ačkoli je velmi jednoduchý, je výsledkem velmi složité analýzy. Jeho tvar je

td = 0,164 V. (1– ???/ S.?)

Všechny uvedené vzorce jsou odvozeny za předpokladu, že všechny stěny prostoru, v němž se dozvuk odehrává, mají stejný činitel pohltivosti. Pokud tomu tak není, situace se mimořádně komplikuje a v podstatě neexistuje žádný jednoduchý způsob, jak v takovém případě dobu dozvuku vypočítat. Jediná možnost, jak dojít k výsledku alespoň přibližnému, je nahrazení činitele pohltivosti váhovaným průměrem činitelů pohltivosti dílčích stěn.? Postup je takovýto: Předpokládejme, že prostor je ohraničen n stěnami o dílčích plochách Sn, jejichž součet je celková ohraničující plocha S, a každá stěna má svůj činitel pohltivosti ?n. Výsledný průměrný činitel pohltivosti ?s dostaneme výpočtem

?s = (?1.S1 + ?2.S2 + … + ?n.Sn) / Sa
tento průměrný činitel pohltivosti pak dosadíme do příslušného vzorce. Výsledek je vcelku přijatelný, pokud se dílčí činitele pohltivosti od sebe příliš neliší a pokud jsou víceméně „rovnoměrně rozloženy“. V extrémních případech, například je-li strop místnosti odrazivý a stěny pohltivé nebo naopak, strop je pohltivý a stěny odrazivé, už takové zjednodušení průměrováním nefunguje a můžeme dojít ke zcela chybným předpovědím. To souvisí mimo jiné také s tím, že v prostoru, kde je činitel pohltivosti po stěnách rozložen velmi nerovnoměrně, není pokles energie během doznívání exponenciální.Předpovídání doby dozvuku na základě výpočtu má význam hlavně tehdy, jestliže potřebujeme navrhnout konstrukční resp. stavební řešení nějakého prostoru pro danou cílovou dobu dozvuku. Ta se stanoví podle účelu, pro který je daný prostor určen. Jaká má být v jakém prostoru doba dozvuku, to je stanoveno různými normami a doporučeními. Nejvhodnější velikost doby dozvuku pro určitý druh použití prostoru je známá ze zkušenosti, což příslušné normy respektují a vlastně jsou na tomto základě formulovány. Např. při mluveném slově nebo reprodukci řeči je na závadu nadměrná doba dozvuku, která zhoršuje srozumitelnost. Pro sály využívané k poslechu živě produkované hudby je zase nutný jistý přiměřený dozvuk, jinak by hudba zněla nehezky a nepřirozeně. Extrém představuje hudba varhanní, která nejlépe zní v kostele. Přitom platí jedna všeobecná zásada, a sice čím větší objem prostor má, tím delší v něm vychází optimální doba dozvuku. Neplatí však zde žádná jednoduchá závislost, jen velmi zhruba se dá říci, že optimální doba dozvuku roste přibližně lineárně s logaritmem objemu prostoru. Krajní mezí jsou na jedné straně malé prostory jako např. obytné místnosti nebo poslechová kontrolní či předváděcí studia o objemu do 100 m3, u kterých je doporučená doba dozvuku přibližně 0,3 sekundy. Na opačném konci jsou pak velké koncertní sály (třebas i s varhanami), u kterých může být objem 20 000 m3 a doba dozvuku 2 sekundy i více. Mimo tento rámec leží prostory typu sportovních hal, prostory pro náboženské obřady a podobně. Patrně absolutním extrémem je proslulý Tádž Mahal, kde je údajně v oblasti středních frekvencí doba dozvuku kolem 25 sekund. (Mimochodem pražská Betlémská kaple měla před rekonstrukcí na aulu ČVUT v prázdném stavu dobu dozvuku až 12 sekund.)

Objem 20 000 m3 je pro symfonický orchestr tak trochu „magické“ číslo. Je to totiž – samozřejmě s jistou tolerancí – maximální objem, který je možné symfonickým orchestrem vybudit na přijatelnou intenzitu sluchového vjemu. To platí za předpokladu, že doba dozvuku je přiměřená objemu, v tomto případě přibližně 1,8 sekundy, přičemž u nízkých frekvencí je hranice poněkud vyšší. Smutně proslulé zkušenosti s pokusy provozovat symfonický orchestr ve velkém sále Kongresového centra v Praze jsou dány právě tím, že tento prostor je pro symfonický orchestr příliš velký. Nápravu lze zjednat speciální elektroakustickou technologií, která je v tomto sále k dispozici, z různých autorovi ne právě jasných důvodů se však nevyužívá.
Role dozvuku při poslechu reprodukované hudby v domácích podmínkách je poněkud jiná než v prostorech pro živé provozování hudby nebo záznam zvuku. Zvukové záznamy jsou již vybaveny vlastním dozvukem a poslechový prostor by jej už neměl dále přidávat. To platí i pro prostory, sloužící k předvádění nebo posuzování zařízení k domácímu použití (hifi studia) - zde by akustické podmínky měly odpovídat stavu obvyklému v obytných místnostech. Kolik a jaký

O dozvuku tedy platí - všeho s mírou. Dobu dozvuku ovšem nestačí jen předpovídat, je zapotřebí ji také měřit. V hotových prostorech kontrolujeme, zdali je všechno v pořádku, v prostorech určených k úpravě (popř. nápravě) potřebujeme vědět, jak se věci mají, aby bylo možné stanovit, co pro zlepšení udělat. Definice doby dozvuku je jasná a jednoduchá, uplatnit ji pro měření však už tak jednoduché není. Energie obsažená v prostoru sice při doznívání plynule klesá, to ovšem platí pouze pro veškerou energii v prostoru obsaženou. Pokud se pokusíme stanovit dílčí průběh poklesu na základě měření hustoty energie (akustického tlaku) v některém konkrétním bodě, máme šanci naměřit plynulý pokles pouze v případě, že pole je ideálně difúzní, a to není nikdy. Konkrétní průběh akustického tlaku proto obvykle vypadá nějak tak, jak to ukazuje následující obrázek.

Z takového obrázku se toho příliš mnoho nepozná. Pro zjišťování doby dozvuku se proto používají různé nepřímé grafické metody zpracování, jejichž výstupem je většinou časový průběh logaritmu nějaké veličiny, která charakterizuje okamžitou hustotu energie v měřícím bodě. Takový průběh je na následujícím obrázku.

Ani tady není jednoduché něco rozpoznat. Proto se zpravidla provádí víc měření a jejich výsledky se průměrují. Kromě toho jsou k dispozici jisté více či méně rafinované metody počítačového zpracování, které zrychlují práci a omezují vliv „lidského faktoru“ na výsledek.Na téma měření dozvuku by se dala napsat samostatná kniha; my si k tomu řekneme jen pár základních věcí. Především, měření doby dozvuku je zapotřebí provádět tak, abychom získali informaci o její frekvenční závislosti. To je trochu komplikované, poněvadž nějaká přímá metoda pro tento účel neexistuje. Prakticky jsou k dispozici dvě hlavní možnosti. Buďto při měření budíme prostor signálem, který je omezený pouze na požadované frekvenční pásmo, a pro každé měření vyhodnotíme výsledek odděleně. Anebo prostor budíme širokopásmově, tedy signálem, který pokrývá celý sledovaný frekvenční rozsah, přijímaný signál zpracujeme filtrem, který jej omezí pouze na požadované pásmo, a vyhodnocení provádíme následně. Je také možné oba tyto postupy kombinovat, tj. prostor budit frekvenčně omezeným signálem a vyhodnocovat jej v omezeném frekvenčním pásmu. Šířky pásma bývají zpravidla určeny tzv. zlomkooktávovými pásmy, tj. pásmy, které mají šířku buďto jedna oktáva (tj. poměr krajních frekvencí 1 : 2) anebo jedna třetina oktávy (poměr krajních frekvencí přibližně 1 : 1,26), přičemž střední frekvence pásem jsou dány standardními frekvencemi podle doporučení IEC. Rozsah, ve kterém se měří, je u oktávových pásem zpravidla 125 Hz až 8 kHz, u třetinooktávových pásem pak 100 Hz až 10 kHz. Může však být užitečné i měření mimo tyto hranice, např. pro kina s vícekanálovou reprodukcí zvuku je doba dozvuku nezávazně doporučena již od 31,5 Hz (standard THX, převzatý do ČSN). A dále, praktické měření doby dozvuku se téměř nikdy neprovádí v celém rozsahu poklesu, pro který je doba dozvuku definována, tedy v rozsahu 60 dB (poměr krajních akustických tlaků 1000 : 1). Rozsah poklesu je shora omezen maximálním akustickým tlakem, jaký v prostoru dokážeme vybudit, a zdola je omezen úrovní rušivých signálů, které jsou všudypřítomné. Obvyklý použitelný rozsah poklesu nebývá větší než 30 dB a doba dozvuku se stanoví lineární extrapolací, tedy např. známe-li dobu potřebnou pro pokles o 20 dB, můžeme s ohledem na exponenciální charakter poklesu předpokládat, že k poklesu o 60 dB by došlo za dobu trojnásobnou.Paprsky a vlnyVšechny doposud prováděné úvahy a odvození vycházely z předpokladu, že šíření zvukového signálu můžeme popisovat na základě představy zvukového paprsku. Platnost tohoto předpokladu má ale jistá zásadní omezení. Zvuk je především vlnění. Zvukový signál má nějakou frekvenci, vlny se pohybují určitou rychlostí a rychlosti a frekvenci odpovídá vlnová délka, která je daná jako rychlost šíření signálu dělená frekvencí. Představa zvuku jako paprsku v prostoru je přípustná, pokud prostorové objekty, v nichž jej studujeme, mají rozměry aspoň třikrát větší než je vlnová délka. Pokud se tedy pohybujeme v prostorech charakteru obytných místností (typicky je to omezeno stropem, jehož výška bývá alespoň 2,5 m), má představa paprsku opodstatnění pro frekvence asi tak od 400 Hz výše. Pro nižší frekvence je nutné zvuk vyšetřovat především jako vlnění. Vlnová teorie zvuku je velice náročná disciplína a zde nebudeme zabíhat do podrobností. Zmíníme se trochu podrobněji hlavně o tom, s čím se - aspoň podle názvu - setkal asi každý, kdo se trochu víc zajímal o hifi, a to jsou stojaté vlny. Vznik stojatých vln se obvykle vysvětluje na příkladu pohybu vlny pohybující se kolmo mezi dvěma rovnoběžnými dostatečně velkými stěnami. To si nejlépe znázorníme schématickým vyobrazením. Budeme přitom předpokládat, že vzdálenost stěn je rovná přesně trojnásobku vlnové délky a je jich odrazivost je dokonalá (??= 0).

Vlna symbolizovaná plnou vlnovkou se pohybuje zleva doprava. Odrazí se od pravé stěny a pohybuje se zpět (přerušovaná vlnovka, pro přehlednost trochu svisle posunutá).

Vlevo se opět odrazí … a tak dále až do nekonečna. Přitom se sčítáním postupně se odrážejících vln vytvoří soustava bodů, tzv. uzlů rychlosti, v nichž je nulová hodnota akustické rychlosti (průsečíky modré čáry s čerchovaně vyznačenou osou pohybu vlny), a kmiten rychlosti, v nichž je hodnota akustické rychlosti maximální (průsečíky červené čáry s osou). Uzlům rychlosti přitom odpovídají kmitny akustického tlaku a kmitnám rychlosti uzly akustického tlaku. Pokud se vzdálenost stěn rovná celočíselnému násobku poloviny vlnové délky, zůstává poloha kmiten a uzlů konstantní – kmitny a uzly jakoby stojí na místě a proto říkáme, že se vytvořila stojatá vlna. Název „stojatá“ samozřejmě neznamená, že pohyb ve vlně by se nějak zastavil. „Stojí“ právě jen ty kmitny a uzly, což jsou body, křivky nebo plochy (podle toho, jak je celý systém vln složitý), na kterých je nulová hodnota akustické rychlosti nebo tlaku. Jedním takovým uzlem je vždy odrazivý povrch sám o sobě. Na něm je totiž nulová hodnota akustické rychlosti, poněvadž částečky vzduchu se na rozhraní s dokonale tuhým povrchem nemohou pohybovat. Naproti tomu je na této ploše maximum (kmitna) akustického tlaku. A další taková místa vznikají samozřejmě i v prostoru mezi stěnami. Zásadně platí, že pro jakýkoliv geometrický útvar, ohraničený dokonale odrazivými plochami a vymezující tak nějaký prostor, se vždy dá najít nekonečně velký počet frekvencí, na kterých se v tomto prostoru vytvoří stojaté vlny. Pokud stěny tohoto prostoru zvuk částečně pohlcují, vytvoří se také soustava nepohyblivých kmiten a uzlů, rozdíl je jen v tom, že hodnota té které veličiny není v uzlu přesně nulová, ale vykazuje jen lokální minimum. Konkrétní tvar prostoru má vliv jen na konkrétní hodnoty frekvencí, pro které se stojaté vlny vytvoří, (v matematicko - fyzikální terminologii se jedná o tzv. vlastní módy a vlastní frekvence prostoru, které dostáváme jako součást řešení příslušných vlnových rovnic), a pokud je prostor uzavřený, není vůbec nutné, aby jeho stěny byly rovnoběžné, natož pak rovinné. Různé sešikmování nebo zakřivování tvarů či vkládání pyramidkových nebo jiných členitých struktur na vnitřní stěny prostoru vznik stojatých vln ani v nejmenším neohrozí, pokud tyto struktury současně nepohlcují zvuk. Velikost pohltivosti stěn má vliv na poměr mezi maximálním a minimálním akustickým tlakem (popř. rychlostí) v systému stojatých vln, který se v prostoru vytvoří. Čím je pohltivost větší (tj. bližší jedné), tím je tento poměr menší a případný vliv stojatých vln na akustické jevy v prostoru méně výrazný. Krajním případem pak je prostor s dokonale pohltivými stěnami, ve kterém se stojaté vlny nevytvoří vůbec.

Prostorová akustika na statku i v chaloupce - III

 

Prostorová akustika na statku i v chaloupce III

Dozvuk a prostor
Dá se říci, že dozvukové pole a pole stojatých vln jedno jsou. Energie, která se v prostoru akumuluje a která se po přerušení buzení prostoru projevuje jako dozvuk, je uložena ve stojatých vlnách. Frekvence, na kterých stojaté vlny vznikají, je možné celkem snadno vypočíst pro prostor tvaru kvádru. Jejich hustota ve frekvenční oblasti, tj. počet vlastních módů v jednotkovém frekvenčním intervalu, roste s druhou mocninou frekvence a je nepřímo úměrná lineárním rozměrům prostoru (přibližně třetí odmocnině z objemu prostoru). V prostoru tvaru kvádru (pravoúhlého rovnoběžnostěnu) je zvykem rozlišovat tři druhy módů: kolmé, které vznikají mezi dvěma protilehlými stěnami (popř. podlahou a stropem), dále diagonální, vznikající odrazy od dvou dvojic stěn, a konečně kosé, na jejichž vzniku se podílí všech šest stěn. Příklad rozložení vlastních módu ve frekvenční oblasti pro kvádr o rozměrech 2,5 x 3,5 x 6 m, což odpovídá průměrně velké obytné místnosti o podlahové ploše 21 m2 a objemu 52,5 m3) je na obrázku. Barevně jsou odlišeny módy kolmé červeně (z technických důvodů nejsou zobrazeny ty, které se překrývají s módy dalších typů), zeleně diagonální a modře kosé. Houstnutí směrem k vyšším frekvencím je z obrázku dobře patrné a je z něj patrné také to, že přes vzrůstající hustotu se i u vyšších frekvencích ve spektru módů tu a tam vyskytují mezery.


Prostor se díky tvorbě stojatých vln chová jako soustava rezonátorů. Šířka pásma příslušná jednotlivým „jakoby-rezonátorům“ je tím větší, čím jsou tyto rezonátory více tlumeny, a souvisí tedy také s dobou dozvuku – je tím větší, čím je doba dozvuku kratší. To znamená, že „rezonátory“ mohou být vybuzeny i na jiné frekvenci než je jejich vlastní rezonanční frekvence. Dále to znamená, že může být vybuzeno více módů současně. A co je podstatné, jestliže hustota módů je taková, že jejich vzdálenost je menší než jejich šířka pásma, bude pravděpodobnost vybuzení alespoň jednoho módu celkem nezávislá na frekvenci. Z obrázku je patrné, že v oblasti pod 100 Hz je módů poměrně málo a jsou od sebe v kmitočtovém měřítku dosti vzdálené. A v tom tkví jejich nebezpečí. Výskyt vlastního módu (či stojaté vlny) v poslechovém prostoru znamená, že v některých místech je signál příslušného kmitočtu značně zesílen a jinde zase zeslaben. Kvalita poslechu v prostoru, ve kterém se takové jevy výrazněji projevují, je pak velmi silně závislá na poloze posluchače. Jediným lékem je zatlumení těchto módů, a to je většinou dost velký problém. Nedostatečné zatlumení prostoru v některé kmitočtové oblasti (kterékoli, ale prakticky se to týká hlavně nízkých kmitočtů) přináší ještě jednu nepříjemnost - v příslušné kmitočtové oblasti dochází k většímu „nahromadění“ energie difúzního pole, což vede k zdůraznění této oblasti ve výsledném vjemu (známé dunění prázdných místností apod.). Hranice, od které můžeme hustotu módů považovat za „dostatečnou“, tj. takovou, že nad ní již nevznikají významné mezery a z fyzikálního hlediska je možné bez námitek aplikovat statistické metody popisu dozvukového pole (sem patří i popis pomocí doby dozvuku), je dána dobou dozvuku a objemem prostoru podle vzorce

fk = 2000 ? ( td / V )

Fk je tzv. dolní kritická frekvence prostoru. Definiční vzoreček v sobě skrývá jednu záludnost – abychom mohli stanovit hodnotu kritické frekvence, musíme znát dobu dozvuku; ovšem abychom mohli posoudit, zdali je doba dozvuku v prostoru vůbec korektně definovatelná, musíme hodnotu kritické frekvence znát předem. Naštěstí prostorová akustika není věda natolik exaktní, aby uvedený rozpor vedl k jejímu zhroucení – cosi jako doba dozvuku se s trochou praxe dá měřit i pod kritickou frekvencí. Problém je jen v tom, že různé automatizované metody měření dozvuku mohou pod kritickou frekvencí snadno selhat a dávat nesmyslné výsledky. K vyhodnocování dozvuku v této oblasti je nutná přinejmenším ona trocha praxe a někdy i fantazie – zde se i měření může stát uměním patřícím mezi křivkopravecké disciplíny, bez nichž se praktická akustika a elektroakustika neobejde.

Abychom byli konkrétní – např. v průměrné obytné místnosti, pro kterou jsme počítali rozložení vlastních módů, by podle všeobecně uznávaných doporučení měla být doba dozvuku přibližně 0,3 s. Kritická frekvence takové místnosti bude přibližně 151 Hz. Pod touto frekvencí již bude frekvenční charakteristika přenosu zvuku od zdroje k posluchači výrazně zvlněná, a to tím více, čím nižší bude frekvence, s výjimkou případů, kdy vzdálenost posluchače od zdroje zvuku bude natolik malá, aby se ve výsledném vjemu uplatnil především přímý zvuk. Co to je malá vzdálenost, to nám říká další „globalizovaný“ parametr prostoru, zvaný poloměr doznívání. Ten udává vzdálenost, při které je hustota energie přímého pole stejná jako hustota energie pole odražených vln. Jeho velikost je dána přibližným vzorečkem

rd = 0,141 . ? (as.S)

kde as je střední činitel pohltivosti stěn a S je celková plocha stěn ohraničujících prostor. Opět konkrétně, v prostoru podle našeho příkladu bude pro daný objem a dobu dozvuku 0,3 s celková plocha stěn 89,5 m2 a střední činitel pohltivosti bude 0,27 (podle Eyringova vzorce), takže velikost poloměru doznívání bude 0,69 m. Bude-li poslechová vzdálenost menší, uslyšíme především přímý zvuk. Při poslechové vzdálenosti větší než je poloměr doznívání bude sluchový vjem tvořen především odraženým zvukem a bude tedy rozhodujícím způsobem ovlivněn nerovnoměrností rozložení energie v poli odražených vln, danou vlastními módy prostoru resp. stojatými vlnami.

Kritickou frekvenci i velikost poloměru doznívání je při použití vhodně upravených vzorečků možné odvodit z objemu místnosti a doby dozvuku; to jsou tedy dva hlavní parametry akusticky charakterizující poslechový prostor.

Na vliv vlnových efektů se můžeme dívat ještě z jiné stránky. Jestliže akustický zářič, jakým je např. reproduktor, umístíme v blízkosti odrazivé stěny, pak část vlny zářičem vyslané se od stěny odrazí, nejprve se vrátí k zářiči a pak okolo něj pokračuje dál do prostoru spolu s ostatními signály. To má dva důsledky. Především působením odražené vlny na zářič dochází ke změně jeho vlastností. A dále, všechny vlny, které se tohoto dění zúčastní, spolu interferují. Fyzikálně je to složitý proces, jehož výsledkem je velmi výrazné deformování frekvenční charakteristiky zářiče, které se kombinuje s efekty deformace frekvenční charakteristiky danými vlivem prostoru na poslech. Maximální zvlnění způsobené blízkostí stěn může přesáhnout 15 dB. Tento efekt je obecně nežádoucí a proto se nedoporučuje umísťovat reproduktory v blízkosti stěn, zejména pak ne v blízkosti koutů. Pokud je reproduktor umístěn v těsné blízkosti stěny nebo přímo v ní (tj. zapuštěn), nejsou tyto efekty zdaleka tak zlé. Nejhorší situace je při vzdálenostech v rozmezí 30 cm až 1 m. Je však zajímavé, že za určitých okolností se dá najít optimální umístění reproduktoru vůči stěně nebo stěnám, které ve výsledném efektu jakoby posune dolní mezní frekvenci reproduktoru směrem k nižším hodnotám, v optimálním případě až o jednu oktávu. Bohužel, nalezení takového optimálního umístění je nemožné bez velmi náročné měřící techniky.

Již jsme si naznačili, že dozvuk v poslechovém prostoru, např. obývacím pokoji, by neměl být příliš velký, poněvadž by pak docházelo k zkreslení reprodukovaného zvuku v barvě i v jeho prostorovém charakteru. Dozvuk ovšem nesmí být ani příliš malý, poněvadž pobyt v silně tlumeném prostoru je dost nepříjemný (v tzv. bezodrazových čili „mrtvých“ komorách, používaných pro měřicí účely, dostávají citlivější osoby závratě). Dále by se zde neměly vyskytovat výrazně „vyčnívající“ stojaté vlny (jinak řečeno vlastní módy). A poslech zvuku z reproduktorů by neměl být ovlivňován odrazy s velkou intenzitou a zpožděním větším než 30 ms. Všeobecně tudíž platí, že prostor by měl být zatlumen, a to tak, aby střední doba dozvuku co nejméně závisela na kmitočtu a nevybočila z jistých mezí. Takže se dostáváme k otázce, jak to zařídit, aby dozvuk v poslechovém prostoru splňoval příslušné požadavky.

V obytných místnostech s nábytkem a jiným běžným bytovým zařízením to dosti často vychází tak nějak samo. Hlavně uzavřené skříňky a čalouněný nábytek pohlcují zvuk poměrně dobře, takže na středních a vyšších frekvencích s dozvukem nebývají potíže a ani na nízkých frekvencích (nikoli nejnižších, ale řekněme od 80 Hz nahoru) nemusí být situace nijak katastrofální. Nepříjemně se může uplatňovat odraz od stropu, který interferuje s přímým zvukem a způsobuje při reprodukci zvuku zvlnění frekvenční charakteristiky u frekvencí pod 200 Hz. Horší je, pokud začínáme s prázdnou místností. Zde je vlastně nutné patřičnými úpravami nahradit funkci nábytku a nastupuje prostorová akustika jako umělecké řemeslo.

Jak si poradit s dozvukem

Poradit si s dozvukem znamená udržet dobu dozvuku pod kontrolou, to znamená nastavit rovnovážný stav mezi přívodem energie do prostoru a ztrátami tak, aby výsledná doba dozvuku odpovídala požadavkům. Ztráty energie ve zvukovém poli jsou dány přeměnou zvukové energie v tepelnou a jednou z mála prakticky použitelných metod, jak této přeměny dosáhnout, je využití viskozity vzduchu a ztrát vznikajících v důsledku viskozity při proudění vzduchu. Tak se dostáváme k pojmu akustického materiálu. Tenhle pojem je vlastně dost vágní, ale v praxi je jeho význam celkem jasný - rozumí se jím materiál, který má jisté specifické vlastnosti, pokud se týká odrážení zvuku. Zajímavé jsou většinou materiály, které zvuk odrážejí málo, potažmo co nejméně. Někdy ale může být i opak pravdou, neboť kupříkladu při výstavbě koncertních sálů jsou zapotřebí i akustické reflektory, takže pak se pídíme po materiálech, které zvuk odrážejí co nejdokonaleji. V mnoha případech je navíc nutné, aby materiál zvuk pokud možno nepohlcoval, ale ani zrcadlově neodrážel, což lze splnit, pokud se při odrazu zvuk rozptyluje. To si však necháme na později.

Existují dva základní způsoby, jak přimět vzduch, ve kterém se šíří zvuková vlna, k takovému způsoby pohybu, při kterém by vznikaly potřebné viskózní ztráty. První spočívá v tom, že zvukové vlně postavíme do cesty pórovitý materiál. Molekuly vzduchu se pohybují kanálky, které tvoří póry, narážejí na jejich stěny a předávají jim svoji energii. Přeměna energie je tím účinnější, čím menší jsou kanálky a čím větší je rychlost pohybu částic. Žádoucí přitom je, aby se hustota materiálu co nejméně lišila od hustoty vzduchu ve volném prostoru, jinak řečeno, aby poměrný objem, který póry zaujímají z celkového objemu materiálu, byl co největší.

Kompaktní materiály, jakými jsou třebas kámen, dřevo nebo kov, mají hustotu nejméně několiksetkrát větší než je hustota vzduchu. Pokud jsou překážky z nich vytvořené dostatečně tuhé (prakticky tedy dostatečně tlusté), pak se zvuk od nich odráží téměř dokonale. I takové materiály je však možné použít jako součást akustické úpravy. Pokud mají tvar dostatečně tenké desky (plechy, dýhy, membrány), mohou se působením dopadající zvukové vlny samy rozkmitat. V takovém případě mohou zvuk zase vyzařovat, jejich chování je však značně složité a zpravidla se vyzáří jen část zvukové energie, která na ně dopadla, poněvadž ztráty vedoucí k přeměně energie vibrací na teplo mohou vznikat i při ohybových kmitech samotného materiálu. Pro akustické úpravy přímo využívající viskózních ztrát se však častěji používají materiály, jejichž hustota není příliš odlišná od hustoty vzduchu. To jsou materiály pěnového (molitan) nebo vláknitého (skelná vata) charakteru. Do těchto materiálů zvukové vlnění proniká poměrně snadno. Pokud jsou póry v těchto materiálech dostatečně malé (struktura materiálu je dostatečně jemná), pak při pohybu vzduchových částic, doprovázejícím postup zvukové vlny, dochází v důsledku viskozity vzduchu k tření a ztrátám energie. Ta se mění v teplo a zvuková vlna v pórovitém materiálu postupně zaniká. Trochu podobná situace nastane v případě, že jinak kompaktní materiál je opatřen otvory, kanálky a podobně (známé perforované plechy, překližky a jiné materiály). I zde dochází k průniku vlny do materiálu, případný útlum však většinou nenastane v důsledku tření o stěny kanálků či otvorů; na to jsou příliš velké. Pokud je však za překážkou tohoto druhu umístěna pórovitá hmota, zvuková vlna se utlumí v ní. Účinnost přeměny přitom může být zvýšena tím, že rychlost proudění v kanálcích je vyšší než ve volném prostoru. Tak může dojít k tak trochu paradoxnímu jevu – máme-li porézní materiál, který sám o sobě zvuk příliš dobře nepohlcuje (typickým případem je např. kobercovina JEKOR), pak když takový materiál překryjeme perforovaným plechem, jeho pohltivost se zvýší. Chování soustavy překážek, obsahující mimo jiné také perforované desky, přitom může být velmi podstatně ovlivněno tím, že vzduch v otvorech tvoří se „vzduchovým polštářem“ za perforovanou stěnou rezonanční systém. Absorbéry tohoto typu se budeme zabývat později.

Materiály pracující na principu viskozity se samostatně používají hlavně na středních a vyšších frekvencích. Jejich účinnost totiž silně závisí na způsobu, jakým jsou montovány na stěny, a jak si ukážeme, patřičný způsob umístění se s nimi realizuje tím snáze, čím vyšší je frekvence. Energetické ztráty v materiálu vznikající jsou tím větší, čím větší je rychlost pohybu vzduchových částic v pórech materiálu. Maximální účinnosti je tedy dosaženo, když je materiál umístěn v kmitně akustické rychlosti. Přímo na povrchu ohraničující stěny je akustická rychlost nulová (a je tam kmitna akustického tlaku, jak již bylo řečeno dříve). První kmitna akustické rychlosti stojaté vlny leží ve vzdálenosti jedné čtvrtiny vlnové délky od stěny. Následující obrázek ukazuje rozložení akustické rychlosti a tlaku v blízkosti stěny a umístění absorbéru v kmitně rychlosti. Činitel pohltivosti při takovém umístění bude vykazovat maximum pro frekvenci, jíž odpovídá čtvrtvlnná vzdálenost od stěny. Další maxima bude mít frekvenční závislost pohltivosti pro frekvence, jimž bude odpovídat lichý násobek vlnové délky. Například při vzdálenosti absorbéru 10 cm od stěny bude první maximum na 858 Hz, další na 2573 Hz atd. Pod prvním maximem bude pohltivost klesat směrem k nižším frekvencím až na nulu. Chování absorbéru na vyšších frekvencích bude záviset na vlastnostech příslušného pohltivého materiálu, hlavně pak na vlastnostech jeho povrchu.

Průběh frekvenční závislosti pohltivosti závisí i na tloušťce materiálu. Čím je tloušťka menší, tím ostřejší a hlubší jsou minima mezi jednotlivými maximy. Bude-li tloušťka pohltivého materiálu odpovídat čtvrtině šířky vzduchové mezery nebo bude větší, bude frekvenční závislost činitele pohltivosti počínaje prvním maximem téměř plochá a při volbě vhodného materiálu může být pohltivost prakticky stoprocentní – činitel pohltivosti bude rovný jedné.

Frekvenční závislost pohltivosti konkrétního materiálu vykazujícího uvedené chování ukazuje obrázek:

Z předchozího výkladu vyplývá jednoduchá směrnice pro používání pohltivých materiálů porézního typu:

Chceme-li s porézním materiálem dosáhnout vysoké pohltivosti u nižších frekvencí, musíme použít co nejtlustší materiál anebo materiál montovat se vzduchovou mezerou. Pohltivosti 0,5 materiál dosahuje na frekvenci, na které je vlnová délka rovna přibližně jedné desetině celkové tloušťky obkladu (tj. tloušťka materiálu plus šířka vzduchové mezery).

Je nutné podotknout, že charakter povrchu materiálu ovlivňuje vlastnosti výsledného akustického obkladu především u vyšších frekvencí. Tvarování povrchu, např. dobře známé pyramidky, může mít spíše negativní vliv – zmenšuje totiž efektivní tloušťku materiálu a případné zvýšení pohltivosti u vyšších frekvencí se nemůže uplatnit, poněvadž tam je činitel pohltivosti hladkého materiálu již prakticky rovný jedné. Vlastnosti obkladu lze zlepšit ucpáním části pórů při povrchu např. hrubozrnným nesouvislým nástřikem hustou barvou. Touto úpravou se oblast účinnosti materiálu posune směrem k nižším frekvencím. Příkladem materiálu s takovou úpravou je ILLSONIC WAFFEL. Materiál je možné upravit i improvizovaně – použijeme-li např. jako výchozí materiál polyuretanovou nebo melaminovou pěnu (MOLITAN, BASOTECT) o tloušťce 10 cm a nastříkáme ji hustou disperzní barvou tak, aby byla jen povrchově „pokropena“ či „poprskána“, dostaneme akustický obklad, který pohlcuje zvuk téměř dokonale již od 500 Hz výše. Avšak pozor, při nadměrném nebo úplném ucpání pórů pohltivost prudce klesne u vyšších kmitočtů (což ovšem v některých případech může být žádoucí). K obdobnému efektu dochází, když se materiál překryje fólií tloušťky několik setin až několik desetin milimetru.

V materiálech pórovitého charakteru se tedy uplatňuje mechanismus pohlcování prvního typu, spočívající ve vytvoření viskózních ztrát v proudícím vzduchu, a tento mechanismus se v jednoduché podobě uplatňuje především na středních a vyšších frekvencích.

V prostorové akustice je ovšem zapotřebí nějak ošetřit i nízké frekvence (oblast pod 200 Hz, přičemž nejnepříjemnější jsou vlastní módy v oblasti 50 až 100 Hz) a na to již pórovité materiály samy o sobě nestačí. Zde je možné zatlumení pouze technikou druhého typu, tedy rezonančními tlumiči, které je možné realizovat dvěma hlavními způsoby. Prvním z nich je provedení tlumičů (absorbérů) v podobě dutinových rezonátorů, o nichž jsme se již zmínili. Jak takový rezonátor vypadá je naznačeno na dalším obrázku.

Baňatá část nádoby uzavírá jistý objem vzduchu, v hrdle je víceméně volně pohyblivé jisté další množství vzduchu, které se chová jako hmotnost. Vzduch v objemu nádoby se chová jako pružné prostředí nebo přímo pružina, která spolu s hmotností v hrdle tvoří kmitavý systém, rezonující na jistém kmitočtu. Konkrétní kmitočet se dá nastavit volbou vhodného objemu nebo hmotnosti (tedy např. délky hrdla). Rezonance tohoto systému je vlastně přesně efekt hučení pivní láhve, přes jejíž hrdlo se ve vhodném úhlu fouká. Pokud do vnitřního objemu umístíme tlumící materiál, bude se rezonátor chovat jako selektivní absorbér zvuku - dopadne-li na jeho vstup (otvor hrdla) zvuková vlna o kmitočtu blízkém nebo rovném jeho rezonančnímu kmitočtu, bude rezonátor jakoby nasávat její energii a ta se pak v tlumícím materiálu bude měnit v teplo. Konkrétní provedení rezonátorů pro akustické úpravy vypadají poněkud jinak, většinou jsou to skříně nebo kazety mající v některé stěně jeden nebo více otvorů, popřípadě štěrbin. Tyto otvory mohou být případně ještě opatřeny nátrubkem. A samozřejmě vnitřek je zčásti vyplněn tlumícím materiálem, zpravidla vláknitého charakteru. Do této skupiny patří také akustické panely s jednou stěnou z více či méně hustě perforovaného materiálu (např. známý Akulit). Samotný perforovaný materiál nemá žádné zvlášť výhodné vlastnosti, pokud je ale použit jako součást rezonančního systému, může vzniknout velmi účinný absorbér. Rezonující hmotnost je v tomto případě tvořena vzduchem v prostoru otvorů a jejich bezprostřední blízkosti. Velikostí rezonující hmoty a objemu resp. velikostí plochy otvoru, výšky vzduchového sloupce (nátrubku) a objemu je možné rezonátory v dosti širokém rozsahu ladit. Typický rozsah je 50 až 200 Hz.

Vlastní mechanismus pohlcování je opět viskózní, zvuková energie se na tepelnou přeměňuje třením vzduchu o stěny pórů v tlumícím materiálu a někdy i o stěny vstupních otvorů, pokud jsou dostatečně malé. Funkce rezonátoru vlastně spočívá v tom, že zlepšuje podmínky pro pohlcování v jistém pásmu frekvencí určeném vlastnostmi rezonátoru, přičemž nejlepší podmínky – na rozdíl od volně umístěného pórovitého materiálu – nastávají, je-li vstup rezonátoru v kmitně akustického tlaku.

Druhou možností realizace rezonančního tlumiče je tzv. kmitající panel. Schématicky ukazuje uspořádání kmitajícího panelu obrázek.

Kmitající panel je tvořen dutinou uzavřenou z jedné strany pružně připevněnou deskou. Klasická teorie předpokládá, že při dopadu zvukové vlny se krycí deska rozkmitá jako píst. Deska tvoří kmitající hmotnost, objem vzduchu v dutině tvoří pružinu (přesněji poddajnost). Kmitání desky se tlumí nejčastěji polštářem z minerální vaty upevněným v dotyku s desku. Ve skutečnosti se uplatňuje ještě také průhyb krycí desky. Ladění určuje výška vzduchové mezery pod krycí deskou a její plošná hmotnost. Rezonanční frekvence bývá typicky v pásmu 80 až 150 Hz.

Rezonanční akustické prvky jsou buzeny tím lépe, čím vyšší akustický tlak je u jejich vstupního otvoru (popř. otvorů) nebo – u kmitajících panelů – na jejich krycí desce (membráně). Je proto výhodné umísťovat je přímo na stěnách tam, kde je kmitna akustického tlaku toho vlastního módu, na který je rezonátor naladěn. Univerzální umístění je v koutech, což však neznamená, že stačí umístit akustickou úpravu pouze v koutech. Pokud je zapotřebí do prostoru umístit rezonátorů více, případně pro více kmitočtů, je vhodné měřením nebo počítačovou simulací zjistit, kde se takové kmitny nacházejí. Pokud by totiž byl rezonátor umístěn v uzlu, byl by velmi málo účinný. Absorpční účinnost rezonátorů s malým počtem otvorů není v jednoznačné souvislosti s jejich plochou, takže pro ně není možné definovat činitel pohltivosti v obvyklém smyslu a kromě uvedených všeobecných zásad je jejich instalace věcí experimentu, případně zkušenosti.

Akustické úpravy využívající dutinových rezonátorů se vyskytují i na velmi starých stavbách. Existuje například mešita, strop jejíž kupole je sestaven z velikého množství hliněných džbánků obrácených hrdlem dovnitř prostoru (tyto džbánky byly původně patrně vycpány senem). Také v některých sakrálních stavbách - hlavně barokních - byly objeveny skryté dutiny, ústící na povrch nenápadnými štěrbinami.

Boj s odrazy

Střední doba dozvuku podává kvantitativní popis, který charakterizuje prostor jako celek a byl by dostačujícím vystižením, pokud by sluchový orgán nebyl citlivý na směr přicházejícího zvuku. On ovšem směrově citlivý je, a tak pro subjektivní vnímání akustických vlastností prostoru hraje roli také prostorové rozložení zvukových vln (paprsků). Navíc ne nepodstatnou roli hraje i rozložení časové, což fyziologicky s prostorovým rozlišováním úzce souvisí.

Při poslechu reprodukovaného zvuku do našich uší přichází nejdříve zvuk, vyzářený reproduktory a šířící se nejkratší cestou k uchu, aniž by přitom prodělal nějaké odrazy. Pak následují zvuky, které se odrazily od některé ze stěn, zvuky, které se odrazily z jedné stěny na druhou a teprve pak si to namířily k nám, a tak dále. Zjednodušeně je to znázorněno na obrázku. Zde jsou ukázány prostorové trajektorie vybraných zvukových vln, odpovídajících nejvýše dvojnásobnému odrazu. Červené linie ukazují paprsky přicházející od pravého reproduktoru, modře pak paprsky z levého. I z tohoto zjednodušeného vyobrazení je možné nahlédnout, jaký vliv mohou mít odražené vlny na prostorový dojem. Vlivem odrazů dochází k směšování signálů levého a pravého kanálu.

Sluchový orgán si dokáže odražené signály „přebrat“ díky tomu, že vyhodnocuje také jejich zpoždění vůči přímému signálu. Zpožděné signály jsou ve vjemu potlačeny, takže směr lokalizace je určen směrem, ze kterého přichází přímý zvuk. Tak je tomu při poslechu reálných zdrojů zvuku. Při stereofonní reprodukci se však vytváří zdánlivý zdroj zvuku skládáním reprodukce a poslechu levého kanálu a mechanizmus jeho lokalizace je jiný než při lokalizaci reálného zdroje. Odrazy z nesprávných směrů mohou lokalizaci značně ovlivnit, což má v praxi za následek zhoršení ostrosti lokalizace ve stereofonním obraze, případně její úplnou ztrátu. Pokud by tento efekt měl být potlačen, bylo by nutné na bočních stěnách v těch místech, ve kterých se zvukové paprsky odrážejí, umístit silně pohltivý materiál. Takovéto úpravy se skutečně provádějí, samozřejmě především v prostorech, kde se vytváří zvukový záznam, tedy např. ve zvukových režiích. Další intenzívní odrazy přicházejí od stropu a od podlahy, ty však již na lokalizaci nemají tak nepříznivý vliv. Mohou ale mít nepříznivý vliv na barvu zvuku a vnímání prostoru zvukové scény. Proto se stropy v místnostech s vyššími nároky téměř vždy opatřují pohltivou úpravou (zvuk pohlcující podhled). S podlahou se toho moc dělat nedá, ale dává se na ni aspoň koberec.

Pokud jde o umísťování pohltivých prvků v koutech, je výhodné nejen u rezonátorů. Obecně je účinnost akustického pohltivého prvku při umístění v koutě vyšší než při umístění např. uprostřed jinak volné stěny. Střední části stěn by však z důvodu potlačení bočních odrazů neměly zůstat neošetřeny. Zde se obvykle umísťují absorbéry pro střední a vyšší kmitočty. Někdy se dává přednost rozptylně odrážejícím prvkům - v menších prostorech se totiž snadno může stát, že po umístění všech prvků, omezujících zrcadlové odrazy pohlcováním zvuku, se ukáže, že prostor bude v konečném výsledku přetlumen. To se stává nejběžněji na středních a vyšších kmitočtech, tlumení na nízkých kmitočtech bývá spíše nedostatečné. Nejčastěji se vyskytující chyby při provádění akustických úprav spočívají v tom, že stěny prostoru jsou pokryty různými zázračnými materiály většinou na bázi pěnového polyuretanu, strop zůstane holý a na nízkých kmitočtech je tlumení veškeré žádné. Takový prostor je zpravidla přetlumený v oblasti středních a vyšších frekvencí a na první poslech může působit dojmem slušné akustické pohody, poněvadž v řečovém pásmu, které si po vstupu do takového prostoru uvědomíme nejdříve, je zatlumen celkem přiměřeně a také šoupání nohou se v něm příliš nerozléhá. Při reprodukci hudby se však pravidelně objevuje dunění a výšky ztrácejí jiskru.

Zkušenost ukazuje, že klíčovou záležitostí je akustická úprava stropu a nemá velký význam podnikat nějaké radikální kroky k zlepšení akustiky, pokud do úprav nemá nebo nemůže být zahrnut strop. Pro úpravy stropů se v současné době používají různé typy zavěšených podhledů a dlužno říci, že touto cestou lze dosáhnout velmi příznivých výsledků při vcelku přijatelných cenách. (Např. Rockfon Polar bez montáže cca 500 Kč za čtvereční metr, s montáží dle náročnosti 700 až 1200 Kč za čtvereční metr.) Používané materiály jsou většinou různé desky ze zpevněných minerálních vláken s povrchovou úpravou spíše vzhledového efektu a cena akustických úprav z těchto desek realizovaných je asi nejnižší cenou, za jakou je možné fungující akustickou úpravu pořídit. Levnější jsou snad jen staré matrace, případně papírová plata na vajíčka, která však na rozdíl od starých matrací příliš nefungují (oba citované typy materiálů mají samozřejmě jisté specifické nevýhody zcela neakustického charakteru). Zde bych si dovolil podotknout, že nejsem principiálním nepřítelem plat na vajíčka. Místnost upravená s jejich použitím má akustické vlastnosti rozhodně lepší než místnost s úplně holými stěnami. Pokud by však někdo chtěl mermomocí tento materiál použít, doporučuji, aby jej nepřibíjel nebo nelepil přímo na stěnu, ale instaloval jej alespoň na minimální vzduchové mezeře řekněme 3 až 5 cm.

Pro úpravy stěn je nutné používat materiály, které jsou dostatečně pevné a tudíž odolné proti prokopnutí nebo prošťouchnutí. Většinou se jedná o panely na bázi dřevin nebo dřevovláknitých desek, které jsou poměrně drahé (konkrétní cena závisí velmi silně na požadované kvalitě povrchové úpravy a chamtivosti truhláře; výjimkou nejsou ceny na úrovni tisíců Kč za čtvereční metr). Nepříjemné je, že používané materiály navíc bývají i hořlavé. Jednou z mála přijatelných alternativ je materiál Sonit, vyráběný v České republice firmou Soning a.s. Jedná se o pórovité desky ze zpevněného písku, které mají velmi příznivé akustické, mechanické a klimatické vlastnosti (cena se pohybuje zhruba v rozmezí 1000 až 1500 Kč za čtvereční metr, což je srovnatelné s materiály na bázi pěnových plastů typu Molitan, Plamafon, Gumotex-Polyson nebo Ilsonic). Je možné využít i minerální popř. skelné vaty a jejích modifikací, pokud bude zformována do vyztužených panelů opatřených případně ještě průzvučnou povrchovou ochranou v podobě mříže, roštu apod.

Pokud potřebujeme akustické prvky, které zvuk nepohlcují, nýbrž rozptylují, budeme muset sáhnout do kapsy nejhlouběji. Pro tento účel se vyrábějí panely s různě složitě zborceným nebo členěným povrchem (například tzv. RPG difuzory), jejichž cena v přepočtu na čtvereční metr může činit i několik tisíc korun. Naštěstí v bytových podmínkách může tuto funkci plnit třeba knihovnička nebo jiný regál, samozřejmě nikoli se zasklenými dvířky. Také obrazy na stěnách působí příznivě, čalouněný nábytek funguje jako pórovitý tlumič a uzavřené skříňky mohou být perfektní dutinové rezonátory.

Řez RPG difuzorem:

Jestliže zamýšlíme provést akustickou úpravu v běžné obytné místnosti, je zpravidla vhodné uvážit některou ze tří následujících variant. Za prvé, tlumení na nízkých kmitočtech může být přece jen nedostatečné, takže může být žádoucí umístění rezonátorů v koutech a jejich blízkosti. Nejvhodnější je to za reproduktorovými soustavami, respektive v koutech soustavám nejbližších (přímo v koutě by soustavy stát neměly). Za druhé, pokud je v místnosti mnoho volné plochy stěn, budou se v ní vyskytovat izolované jednoduché odrazy a může vzniknout i tzv. třepetavá ozvěna. Ta se objevuje mezi rovnoběžnými tvrdými stěnami a způsobuje prodloužení dozvuku zpravidla v oblasti 1000 až 4000 Hz, doprovázené případně zdrsněním zvuku a zhoršením lokalizace. Příslušné plochy je vhodné obložit porézními materiály nebo opatřit zvuk rozptylujícími panely (zakřivené, šikmo umístěné nebo zalomené desky). A za třetí, výrazného zlepšení akustiky je možné dosáhnout instalací zavěšeného podhledu, který může být pohltivý, částečně odrazivý nebo rozptylně pohltivý. To už je ale značně radikální zásah do interiéru a v běžných obytných místnostech se dost těžko prosazuje, zvláště jde-li o místnosti panelákových dimenzí. Ještě kritičtější situace pak nastává, chceme-li vytvořit poslechovou místnost z prostoru speciálně pro tento účel vyčleněného. Neměli bychom se bránit umístění byť i malého množství nábytku, prázdná místnost je to nejhorší, co může hifistu potkat.

V každém případě by řešení akustické úpravy měla být věnována patřičná odborná péče, což se neobejde bez měření, počítání a nějaké té počítačové simulace. Potřebná zařízení jsou velice nákladná, takže je nejlépe svěřit se kvalifikované specializované firmě. Nákladná jsou i potřebná akustická opatření a jejich kvalifikované provedení nebo alespoň návrh je opět vhodné svěřit odborníkům anebo – v případě svépomocné realizace – pokud možno pracovat pod dohledem odborníka nebo přinejmenším po konzultaci s ním.

Zatlumení místnosti

Zatlumení místnosti

Autor textu: Bohumil Sýkora S&V (únor 1999)

Hluk od nás i knám, aneb jak zatlumit poslechovou místnost

Hluk je nežádoucí zvuk a je velmi relativní, co je nežádoucí. Hluk nás obklopuje a proniká, obtěžuje nás, ale často je také naším přičiněním produkován. Sledujeme-li se zájmem akční film v domácím kinu, nějaký ten decibel navíc nám nevadí. Posloucháme-li však svou oblíbenou jemnou hudbu nebo chceme-li spát, sousedovo domácí kino nás ruší. Při vyšší hladině hluku z okolí nastavujeme samozřejmě vyšší hladinu hlasitosti svého poslechu. Dodavatelé wattů z řad výrobců spotřební elektroniky zařízení si mnou ruce, hygienici si rvou vlasy. Sousedé tlučou do zdí, stropů či ústředních topení a my, pokud jsme aspoň trochu osvícení, začínáme přemýšlet, co by se s tím dalo udělat. No jistě, zvuková izolace. Ale jak ji vytvořit? Čtěte další řádky!
Hluk je z fyzikálního hlediska zvuk jako každý jiný, takže zákonitostmi jeho vzniku, šíření a zániku se zabývá akustika. Speciální problematice hluku a boje za jeho likvidaci se pak věnuje akustika životního prostředí (anglicky enviromental acoustics - pokud se jedná o hluk ve volném prostoru) a stavební akustika (building acoustics - pokud se jedná o hluk uvnitř budov). Nás bude samozřejmě zajímat především stavební akustika. Do její kompetence spadá přenos hluku z jednoho vnitřního prostoru budovy, tedy místnosti, do jiného prostoru (jiné místnosti). Předpokládá se přitom, že mezi místnostmi je alespoň jedna pevná přepážka, zpravidla stěna nebo strop, případně podlaha.
Ujasněme si nejprve, jaký je mechanismus přenosu hluku uvnitř budovy. Hluk vzniká v některé místnosti a šíří se vzduchem ke stěnám, podlaze a stropu. Při dopadu zvukové vlny na pevnou přepážku se materiál přepážky rozkmitá, čímž se v ní vybudí pružné vlnění. To se jako zvuk v pevném prostředí šíří dál. Přepážka se může rozkmitat i přímým mechanickým kontaktem, v případě podlahy například dopadem jehlového podpatku (tzv. kročejový hluk) nebo vibrací pračky, stěna se zase krásně rozechvěje při zatloukání hřebíku. Pokud se stěnou či jinou přepážkou šíří zvukové vlnění, její povrch kmitá a zpětně vyzařuje zvuk do veškerého okolního vzduchu, tedy do všech místností, které s touto přepážkou sousedí. Pevné prostředí ovšem dobře vede zvuk i na velkou vzdálenost, takže hluk se může stavební konstrukcí dostat i do místností, které jsou od původního zdroje hluku značně odlehlé a jsou od něj odděleny třeba i několika dalšími stěnami či stropy.
Nejzákladnějším protihlukovým opatřením je tedy konstruování stavby tak, aby se šíření hluku na velkou vzdálenost zabránilo. Šíření zvuku pevnými látkami je obecně tlumeno nehomogenitami v materiálu, takže přenos hluku stavební konstrukcí můžeme potlačit vytvářením umělých nehomogenit. Provádí se to např. vkládáním izolačních spár s pružnými vložkami. Lze také použít stavebních materiálů s vysokým vnitřním tlumením (pěnové silikáty - např. pórobeton, Siporex apod.). Moderní stavby z betonových panelů, popřípadě s monolitním železobetonovým skeletem jsou samozřejmě z hlediska šíření po konstrukci pro hluk pravým rájem; prostý člověk, který v nich musí pobývat, pak přichází k hotové věci a na popsané základní úrovni už nemůže udělat vůbec nic.
Co tedy dál?
Na dalším stupni jsou opatření, která mají zabránit vniknutí hluku do konstrukce. Pračku postavíme na gumové podložky, jehlové podpatky necháme chodit po koberci nebo pružném linoleu (pravda, chudák linoleum). Pokud je zdroj hluku v blízkosti některé stěny, můžeme mezi něj a stěnu vložit clonu v podobě tuhé a pokud možno těžké desky - něco jako těžkotonážní paraván z dřevotřísky, lignátu (desky Cetris) nebo něčeho podobného. V krajním případě je možné (někdy i nutné) takovými clonami opatřit celé plochy stěn, což se v současné době řeší nejčastěji předstěnami ze sádrokartonových desek, montovaných na samostatné nosné konstrukci. Tato konstrukce je od vlastní stěny oddělena mezerou, která se ještě vyplňuje tlumicím vláknitým materiálem (Orsil, Rockwool apod.). Stavební úpravy tohoto druhu provádějí "na klíč" firmy, které pracují s technologií Knauf nebo Rigips. Využívají přitom unifikovaných konstrukčních prvků v podobě speciálních plechových U-profilů. Jedno "účko" se připevní k podlaze v jisté vzdálenosti od stěny, druhé ke stropu, do vzniklých žlábků se zakotví svislé nosníky z podobného profilu, a na tyto stojiny se montuje sádrokarton. Dá se to samozřejmě udělat i ze dřeva, místo sádrokartonu může být dřevotříska, podstatné ale je, že vytvořená předstěna se nikde nesmí dotýkat stěny, kterou má izolovat.
Pomoci může i sestřička prostorová akustika. Pro množství zvukové energie proniknuvší z místnosti do stěn je totiž rozhodující hladina hluku uvnitř místnosti, a tu můžeme alespoň do jisté míry snížit tím, že patřičnou akustickou úpravou snížíme dobu dozvuku v místnosti, ve které je inkriminovaný zdroj zvuku.
Stop! Teď se musíme zastavit a něco si ujasnit. Zvuková izolace je věc zásadně jiná než tlumení za účelem snížení dozvuku. Chceme-li snížit dozvuk, pokrýváme stěny materiálem, od kterého se zvuk co nejméně odráží. Chceme-li zamezit šíření hluku, potřebujeme materiály, kterými zvuk co nejméně proniká. Obecně je tento požadavek splněn tím lépe, čím je použitý materiál těžší. Příklad opaku: lehké pěnové nebo vláknité materiály, které se používají v prostorové akustice, mají zvukově izolační vlastnosti nevalné a snížení hladiny hluku, kterého se jejich použitím dosáhne, je pouze nepřímé. Souvisí totiž jen se snížením intenzity pole odražených vln v důsledku snížení doby dozvuku, přičemž na intenzitu hluku, který se šíří od zdroje přímo ke stěnám, nemá žádný vliv. Protihlukový efekt opatření takového druhu je tudíž jen omezený.
Stop podruhé! Míra průniku hluku pevnou přepážkou silně závisí na kmitočtu. U sinusového signálu platí, že proniká tím lépe, čím je jeho kmitočet nižší. U obecného hluku pak nejlépe pronikají složky s nejnižšími kmitočty. Z tohoto pravidla existují výjimky, které se uplatňují u materiálů s malým vnitřním útlumem - např. u skla. Takové materiály "zvoní", což znamená, že na některých kmitočtech (a to i dosti vysokých) rezonují a v okolí těchto kmitočtů se jejich izolační vlastnosti prudce zhoršují.
Jestliže už jednou hluk ve stavební konstrukci máme, neexistuje žádná možnost, jak mu zabránit, aby se ze stěn zpětně nevyzářil. Pokud se vyzařovaného hluku chceme nějak zbavit, zbývá třetí stupeň - musíme mu do cesty postavit překážku. Nejvhodnějším řešením je opět přídavná stěna neboli předstěna, kterou jsme si již popsali. V jednoduchém provedení ze sádrokartonu 12,5 mm je možné dosáhnout útlumu kolem 11 dB, s dvojitým sádrokartonem 14 až 15 dB. Možná to vypadá jako málo, ale pokud se nejedná o extrémní hlukové situace a rušení hlukem nepřesahuje příliš hranici postřehnutelnosti, pak takové zlepšení může subjektivně znamenat úplné odstranění slyšitelného hluku. Nu a v extrémních situacích nezbývá, než se uchýlit k extrémním opatřením. Pokud to statika stavby snese, je možné použít předstěn z klasického zdiva, pokud nikoli, je nutné použít lehké předstěny v dvojitém nebo i vícenásobném provedení. V případě potřeby je možné obdobně ošetřit i strop (snížený podhled), takže do místnosti vlastně vestavíme ještě jednu místnost, zmenšenou o vzduchové mezery a tloušťku použitého materiálu. Ale pozor! V rámci sádrokartonových úprav interiérů se často instalují snížené podhledy z materiálů na bázi minerálních vláken (OWA, Thermatex, Rockfon apod.). Tyto materiály však mají zvukově izolační vlastnosti velmi špatné. Proti hluku pomáhají jen nepřímo tím, že snižují dobu dozvuku upravené místnosti. I zde totiž může trochu pomoci prostorová akustika - při menším dozvuku se proniklý hluk méně "rozléhá".
Pro průnik hluku do místnosti z vnějšího prostředí platí pravidlo nejslabšího článku, a nejslabším článkem v technice zvukových izolací jsou vždy okna a dveře. Pro jejich kvalitu platí všechna uvedená pravidla, především pak pravidlo hmotnosti - čím těžší, tím lepší. U oken to znamená co možná nejsilnější sklo, třebas 6 mm a více, případně zdvojené tabule. Vyšší požadavky na izolaci samozřejmě splní vícenásobná okna. U dveří je to podobné - mají-li skleněné výplně, platí totéž co o oknech. Jinak je nutné zavrhnout veškeré úsporné sendvičové konstrukce a přidržet se pokud možno klasiky, tedy dřevěného masivu nebo masivních komprimovaných materiálů (dřevotříska, desky MDF). Velkou roli u oken a dveří hraje jejich utěsnění. Hluk totiž velmi snadno proniká různými škvírami a spárami, jejichž případný výskyt může celkové izolační vlastnosti zcela znehodnotit. Proto se používají různé vložky zpravidla z pěnové gumy (molitan příliš dobře nefunguje), které se při zavření stlačí. U moderních konstrukcí je na to obvykle pamatováno, starší nebo mírně rozeschlé exempláře je nutné vybavit dodatečně. Čalounění dveří má rovněž jistý efekt, nejpodstatnější je ale to, že při klasickém potažení dveří například koženkou se obvykle výrazně zlepší utěsnění.
Tak si to shrneme. Pokud hodláme stavět či provádět stavební adaptace, pamatujeme na omezení možností šíření hluku konstrukcí stavby. Pokud jsme v hotové stavbě, sami produkujeme hluk a nechceme rušit své okolí, podnikneme opatření proti průniku hluku do konstrukce (pružné podložky, předstěny) a samozřejmě také do vnějšího prostoru (zesílená okna a dveře). A jsme-li hlukem rušeni, přičemž jeho zdroj je mimo dosah našich možností, nezbude nám, než se obehnat protihlukovými bariérami v podobě předstěn a snížených stropů. A ještě jednou - závěsy, čalounění a jiné lehké úpravy interiéru znamenají jen málo významný, pokud vůbec jaký přínos. Koberce (s výjimkou asfaltových a betonových) pouze trochu chrání proti kročejovému hluku. Všechny skutečně účinné zásahy se podobají stavbě, stojí nemalé peníze a ubírají z užitečného prostoru místností, zázraky se ale bohužel nedějí.
MjkzNjlkY