Egy otthoni sztereó audio-rendszer hangsugárzóinak beállításakor a végső cél a hangszerek és énekesek pontos lokalizálása, a tágas hangtér megteremtése, az átmenetek nélküli pásztázás mindkét csatornán és a háromdimenziós képalkotás. Az említettek létrejöttéhez több feltételnek kell egyszere megvalósulni.
Ha ügyelünk a megfelelő elhelyezésre, akkor egészen biztosan a két hangsugárzó és a hallgató egyenlő oldalú háromszöget képez. A hallgatási pozíciót a hangszórók tengelyvonalának (középponttól-középpontig) távolsága és a hallgatótól való távolsága határozza meg. Fontos megemlíteni, hogy ez a módszer nem utal a helyiség méretére. A szimmetrikus hangsugárzó-elhelyezés, a sztereó hangminőség optimalizálása szempontjából, különösen a kis és közepes méretű helyiségekben rendkívül fontos. Miután a hangszórókat és a fő hallgatási pozíciót a lehető legmegfelelőbben állítottuk be a tökéletesen egyenlő oldalú háromszöghöz, a hangszórókat kissé a hallgatási pozíció felé kell elfordítani. Amennyiben helyesen jártunk el, akkor tisztán érzékelhetjük a középre fókuszált hangot.
A sztereó audio-rendszer hallgatásának ideális esete, amikor a két hangsugárzó között virtuális színpadtér keletkezik, a hangok mintegy leválnak a hangsugárzóról. Fülünk jóvoltából és agyunk képességei által a hangszórók „eltűnnek”, így a hangok nagy részét nem a hangsugárzókból halljuk. Jó-jó, de mitől(?) – kérdezhetik a zenehallgató olvasók. Ezért témánk a frontpanel szélein képződő diffrakció – avagy, a hangszórók vízszintes dimenziójának érzékelése. Számtalan tanulmányt létezik az akusztikus diffúzorok alakjának és méretének hatásáról. Cikkünk a szóban forgó jelenséggel kapcsolatos problémákat kívánja kezelni a lehetséges észlelésük perspektívájának megfelelően, egy különösen egyszerű, didaktikus és ellenőrizhető megközelítéssel, amely mind a könnyebb megértést szolgálja.
Mindenekelőtt két olyan jelenséget célszerű tisztázni, amelyeket – bár teljesen eltérőek – gyakran összekevernek egymással. Egyik a diffrakció, amely akkor következik be, amikor a hullámok folytonossági hiányokkal/eltérésekkel találkoznak a térben, a haladást gátoló közegben, és a nyomásváltozás következtében megváltoztatják terjedési irányukat anélkül, hogy változtatnának terjedési sebességükön. A másik a refrakció, amely akkor lép fel, amikor a hullámok sebességük változása következtében változtatják meg terjedési irányukat.
Vegyük példának egy merev panelre szerelt kis hangszórót, amely tiszta szinuszhullámot bocsát ki olyan diszperzióval, amely ciklikus ingadozást generál a légnyomásban! Ha, az általunk említett hullám frekvenciája 10 000 Hz, akkor a hullámhossza 344 / 10 000 = 3,44 cm és egy teljes periódus (pozitív félhullámból és negatívból) 0,1 ideig tart. Megfigyeljük az akusztikus hullámot, amely a forrásunktól, például egy kis dóm magassugárzótól indul a 27,52 cm széles panel egyik széle felé. Ez egy nyomáshullám, amely gáz-halmazállapotú közegben (levegőben) terjed a panel mentén. Követve a hullámot, ahogyan az a forrástól eltávolodik, minden fél hullámhosszon találunk olyan területeket, ahol a nyomás maximális lesz, ezt követi a többi, ahol minimális lesz (az átlagosnál nagyobb és kisebb értékeket vesz fel, amelyek megegyeznek a panel elhelyezési helyének légköri nyomásával).
Az 1. ábra egy 27,52 cm széles panel közepére szerelt dóm magassugárzó sematikus ábrázolása, szinte „lefényképezve” azt a területet mutatja, amelyen a hullám (ami négy periódusnak megfelelő ideig, azaz pontosan 0,4 ezredmásodpercig terjed), elérte a panel szélét. A pozitív nyomásváltozásokat (+) jelekkel, a negatívakat pedig (-) jelekkel jelöltük. A jobbra és balra lévő szinuszok azokat az akusztikus hullámokat jelzik, amelyeket a hangszóró bocsát ki és éppen most érik el a panel jobb és bal szélét.
Azokon a területeken, ahol a levegőmolekulák nagyobb tömegben vannak egymással szemben, és ahol a nyomás nagyobb, természetesen hajlamosak eltávolodni egymástól, olyan területeket foglalnak el, ahol a nyomás alacsonyabb, és fordítva. Amikor az akusztikus hullám eléri a panel szélét, fogalmilag egyszerű dolog történik, de rendkívül összetett következményekkel jár. Amikor egy pozitív félhullám eléri a panel szélét, a membrántól a szélig terjedő levegő-mozgás során az intenzitás fokozatosan csökken. A tömörödésben részt vevő molekulák a többit elmozdítják a panel szabad részétől, valójában egy félgömb alakú hullámterjedési frontot alkotnak, amely fokozatosan kiszélesedik és a paneltől a hallgató felé távolodik. Ha a panel oldalán ezt nem lehet előidézni, a jelenség nem folytatódik.
Másrészt, amikor ugyanaz a félhullám (bár csillapítva, mert energiájának egy részét már leadta, amely már a tér más, a paneltől távol eső területei felé halad) eléri a panel szélét, hirtelen szabadon szárnyal, hirtelen elveszíti a panel jelenlétét mindkét oldalon. Ez azt jelenti, hogy a hullám nyomása azon a ponton azonnal csökkenni fog, ami egy másodlagos forrás megszületését okozza, amely ugyanazt a hangot bocsátja ki, mint a magassugárzó minden irányban, beleértve a panelre merőleges irányt is. A mögötte lévő tér, a „depresszió variációjaként” a főhullámmal ellentétes fázissal keletkezik. A pozitív félhullámhoz kapcsolódó légköri nyomás csökkenése lokálisan megy végbe, míg a negatív félhullám nyomása a panel szélére érkezve spekulárisan megnövekszik.
A 2. ábra. Harry F. Olson 1950/51-ben elért eredménye a frontális frekvenciaválaszra vonatkozóan. A grafikon felett látható gömb alak a panel geometriája.
Ez egy lehetséges intuitív magyarázata annak, ami alapvetően fizikailag történik. De, mivel az érintett jelenség sokkal összetettebb, megpróbáljuk kifejezni más módon az érintett hullámhosszokhoz kapcsolódó, kevésbé könnyen leírható fogalmat.
A panel szélén felbukkanó másodlagos hangforrás hajlamos olyan hullámokat kibocsátani, amelyek „elhajlítják” a hullámfrontot, párhuzamosan a panellel, fázisban vagy ellenfázisban, a fülek magasságában, attól függően, hogy a fülek távolsága mekkora a magassugárzótól és a panel szélétől. Ugyanez megy végbe mindkét szélen, a két effektus összeadódik, viszont függ az élek távolságától, a hallgatási ponttól és a relatív fázisviszonyoktól.
Mindez tehát nemcsak azt a lehetőséget hozza, hogy a panel mentén kibocsátott akusztikus hullámok „körbejárják” a hangsugárzót, ami egyre jobban kifejeződik az érintett hang hullámhosszának növekedésével. A hallgatás, a frontális emisszióval való kölcsönhatások sorozata is, amelyek nagyrészt a közvetlen tér frekvenciaválaszának fontos változásaiban foglalhatók össze. Ez könnyen mérhető visszhangmentes kamrában vagy alternatív módszerekkel, amelyek képesek kizárni a visszavert hangokat. Mivel az él-diffrakció megszületése erősen függ attól, hogy a panel milyen folytonossággal végződik, a panel éleinek lekerekítésével, vagy fokozatos hajlításával, tehát egyszerű módszerekkel, a diffrakció születésével kapcsolatos néhány negatív hatás csökkenthető.
Egy másik, tervezők által alkalmazott módszer egy abszorbens anyag megfelelő rétegeinek elhelyezése a hullám pályáján, a panel mentén, hogy csillapítsák a hullám azon komponensét, amely elérte a panel szélét és diffrakciót eredményez. (gyakran nemezt, szivacsgyűrűt, vagy más anyagot használnak)
Az él-diffrakció azonban nem csak az érzékelt tér irányait befolyásolja. A tér nagyban függ attól is, hogy milyen irányból érzékeljük, de például attól is, hogy mennyire tudjuk érzékelni magának a hangszórónak a vízszintes dimenzióját. Ez a hatás abból fakad, hogy hallórendszerünk képes felismerni a térben a különböző akusztikus források által elfoglalt különböző pozíciókat. Ezt a képességet a számos kutató tesztelte a legkülönbözőbb módszerekkel és jelekkel, mind mozdulatlan, mind mozgó hangforrásokkal. A binaurális hallgatásnál a gyakran észlelt felbontóképesség mindössze 3°-ra áll be. Ez viszont azt jelenti, hogy alacsonyabb szögeknél a különböző források (főleg, ha rendkívül hasonló jeleket bocsátanak ki) egybeesnek.
Néhány meglehetősen egyszerű trigonometrikus művelettel ki tudjuk számolni, hogy mekkora legyen egy panel szélessége úgy, hogy a jobb és bal szélén fellépő, diffrakció által okozott másodlagos forrásokat egy bizonyos távolság válassza el egymástól úgy, hogy az a hallgatási helyzetből „észlelhető” legyen.
3. ábra. Geometriai konfiguráció, amelyet a hangszóró előlapjának maximális szélességének meghatározására használnak.
Ha „S” a forrás, „B1” a két oldalsó másodlagos forrás közül az egyik (bal szél), „B2” a másik forrás (jobb szél) és „A” a hallgató által elfoglalt pozíció, a 3. ábra alapján feltételezzük, hogy a B1, A, és B2 szög egyenlő : B1AB2 = β = arctang (B1S / AS) = 3 °.
Az AS = 3 m hallgatási távolság és a B1AB2 = 3° esetén összetéveszthető (a nagyon kis szög miatt, amely mindössze 1,5°) az AB1 és az AS, így a következőket kapjuk: B1S = 3 x SEN (3.) = 0,7853 m = 7,853 cm.
Ezen hipotézisek alapján, hogy a hangszóróink jelenléte ne legyen érzékelhető a hallgató számára, kiszámíthatjuk az előlapjuk maximális szélességét: B1B2 = 7,853 x 2 = 15,7 cm.
Természetesen a hallgatási ponttól távolodva, azonos „látószög” mellett, megnőhet a panel határmérete. Például 4 méterről történő hallgatáshoz, az eddigi feltevések mellett, hangszórónk panelje legyen 20,94 cm-nél kisebb, hogy ne érzékeljünk káros hatást. Ezt alapul véve, a 2,5 méter hallgatási helyhez közeledve, a határméret mindössze 13 cm-re csökkenne. A valóságban a tervezett hallgatási szituációban a panel szélein található két virtuális forrás mellett továbbra is fennáll a központi forrás is, amely dominál az érkezési idő tekintetében. Ennek következtében feltételezhető, hogy nem a két élt kell maximum 3°-os szög alatt látni, hanem mindegyiket a központi forráshoz viszonyítva 3°-os, vagy annál kisebb szögben. Azaz a két élnek egyenlőnek kell lennie. E hipotézis szerint a panel minimális mérete akár duplájára is nyúlhat, mindössze 2 m-es hallgatási távolság esetén bő 21 cm lehet.
Ez magyarázza számos állványos, monitor és mini/kisméretű hangsugárzó azon képességét, hogy „eltűnjön” hallgatás közben, így a sztereó effektus és a rendelkezésre álló jelben lévő hanginformációk a hangsugárzók közötti síkban külön-külön érzékelhetővé válnak. A felvételen lévő hangszerek valós helyzetére és vízszintes méreteire vonatkozó észlelések (mivel ezek kizárólag az általunk hallgatott felvétel akusztikus információihoz kapcsolódnak) nem változtatják meg a széleken lévő diffrakció által generált virtuális források születését.
Renato Giussani gondolatai nyomán