Egy jelenség, ami a hangsugárzók kabinetjének szélein alakul ki és befolyásolja a hangzást. A hangsugárzók alakjának és méreteinek a hang-emisszióra gyakorolt hatását eddig sokféle módon, nagyon kifinomultan magyarázták. Cikkünk célja a kérdéses jelenséggel kapcsolatos problémák felfedése – lehetőleg az észlelés szempontjából egy különösen egyszerű, didaktikus és ellenőrizhető megközelítéssel – amely elősegíti a bekövetkező fizikai helyzet megértését.
Először is tisztázni kell két jelenség mikéntjét, amelyeket, bár abszolút különböznek egymástól, gyakran összekevernek. A diffrakció, a hullámok térbeli folytonossága a közegben, amikor nyomásváltozás következtében megváltoztatják terjedési irányukat, terjedési sebességük megváltoztatása nélkül. A refrakció, ami egy beavatkozás, ekkor a hullámok sebességük változása következtében megváltoztatják terjedési irányukat. Tehát megpróbáljuk megoldani az egyenleteket, és a modellezéssel nyerhető eredmények minél kevesebb felhasználásával megértsük, mi az, és mi okozza a diffrakciót!
Tegyük fel, hogy adott egy merev panelre szerelt hangszóró, amely tiszta szinusz-hullámot bocsát ki a légnyomás ciklikus változását idézi elő. Ha a hivatkozott hullám frekvenciája 10 000 Hz, akkor a hullámhossza 344/10 000 = 3,44 cm. Egy teljes periódus (ami a pozitív fél-hullámból és egy negatívból áll) tartama 0,1 ms.
Vizsgáljuk meg azt az akusztikus hullámot, amely a forrástól, például egy kis kupola-alakú membrántól halad a panel széle felé, amely 27,52 cm széles! Mivel ez egy nyomáshullám, amely a levegőben (mint gáznemű közeg) terjed a panel mentén – a forrástól követve a hullámot, minden fél-hullámhosszon olyan területeket találunk, ahol a nyomás maximális lesz, ezt követik olyan helyek, ahol az minimális lesz. Az 1. ábra a hullám „fényképe”, azokat a zónákat mutatja, amelyekben a hullám (amely négy periódussal kezdte el terjedését, azaz pontosan 0,4 milliszekundumot) elérte a panel széleit. A pozitív nyomásváltozásokat + jelek, a negatív jeleket pedig – jelölik.
1. ábra – A 27,52 cm széles panel közepére szerelt kupola-alakú membrán mérésének vázlatos rajza. A kibocsátott hullámok esetében mindkettő éppen elérte a panel jobb és bal oldalát.
Azokon a területeken, ahol a nyomás magasabb a levegőmolekulák jobban feltorlódnak, természetesen hajlamosak elmozdulni egymástól, olyan területeket foglalnak el, ahol a nyomás alacsonyabb – és fordítva. Amikor az akusztikus hullám eléri a panel szélét, valami egyszerű történik, de az rendkívül összetett következményekkel jár.
Könnyen belátható, hogy a hullám intenzitása a hangszóró membránjától kezdve, egészen a panel pereméig tartó mozgása során fokozatosan csökken. A „tömörülésben” részt vevő levegő-molekulák egymást mozgatják, egymásnak újabb lökést adva, a panel felületére támaszkodva (valójában a félgömb hullám terjedésének frontját képezik, amely hajlamos fokozatosan kiszélesedni és elmozdulni a paneltől a hallgató felé) miközben a panel oldalán ez már nem lehetséges. Amikor viszont ugyanaz a félhullám (még akkor is, ha csökkent az energiájának egy része a hallgató felé történő elmozdulással) eléri a panel szélét, hirtelen szabadon terjeszkedni kezd. Ebből az következik, hogy a nyomás ezen a ponton azonnal csökken, és olyan másodlagos hangforrás születését okozza, amely minden irányban ugyanazt a hangjelet bocsátja ki, mint a hangszóró.
2. ábra – Harry F. Olson 1950/51-ben elért eredményei a frekvenciaválasz vonatkozásában, a hangszórót különféle hangerővel alkalmazva.
Mint látjuk, valójában csökkent a pozitív fél-hullámhoz kapcsolódó légköri túlnyomás, míg a negatív félhullám szélére érkezéskor a nyomás növekedni fog. Ez egy lehetséges intuitív magyarázat arra, ami fizikailag alapvető, de mivel az érintett jelenségek egy kicsit összetettebbek, megpróbálhatunk más kifejezéseket is használni, amelyek intuitív szempontból kevésbé leírhatók.
Például: a panel szélén született másodlagos forrás hajlamos olyan hullámokat kibocsátani, amelyek a hullám frontját a panelen, fázisban összegezve vagy ellen-fázisban kioltva fordulnak elő, a fő sugárzáshoz hozzáadódnak. A jelenség nagysága attól is függ, hogy milyen távolság van a hangszóró és a fül vagy a hangszóró és a panel széle között. Mindez nemcsak azt jelenti, hogy a panel mentén kibocsátott akusztikus hullámok „megfordulnak” (a lehetőség, amelyet egyre inkább kifejezünk, amikor a szóban forgó hang hullámhossza növekszik), és ellentétes irányba haladnak, mint a hallgatás helye, de azt is, hogy frontális emisszióval folytatott interakciók sorozata, amit össze lehet foglalni a közvetlen tér frekvencia-válaszának lényeges variációiban.
Tekintettel arra, hogy a határdiffrakció kialakulása nagymértékben függ a fokozatosságtól, ami a panel végén véget ér, magával hozza a feltételezés, hogy a szélek kerekítésével vagy lecsapásával a diffrakció és a születésével kapcsolatos néhány negatív tényező csökkenthető. Egy másik módszer, amelyet különböző mérnökök alkalmaznak, egy abszorbens anyag megfelelő rétegeinek az útvonalon történő elhelyezése, a panel mentén (filcet gyakran használtak) annak érdekében, hogy tompítsa azt a hullám komponenst, amely képes elérni a panel szélét és diffrakciót eredményez.
A szélek diffrakciója azonban nem csak a közvetlen mező irányába befolyásol, ráadásul függ az érzékelési iránytól, hanem függ azon képességünktől, miként érzékeljük ugyanazon hangszóró vízszintes méretét. Ez a hatás abból adódik, hogy halló-rendszerünk képes felismerni a különféle akusztikai források által, a térben elfoglalt eltérő helyzetet. Ezt a képességet számos kutató a legkülönfélébb módszerek és jelek felhasználásával kipróbálta, mind álló, mind mozgó hangforrások esetén. A binaurális hallgatáshoz a gyakran észlelt felbontóképesség mindössze 3°-ot ér el. Ami viszont azt jelenti, hogy alacsonyabb szögek esetén a különböző források (különösen, ha nagyon hasonló jeleket bocsátanak ki) egybeesnek. Nézzük meg néhány meglehetősen egyszerű trigonometrikus művelettel, hogy mekkora a panel szélessége úgy, hogy a jobb szélen és a bal szélen a diffrakció által okozott másodlagos források olyan távolságban legyenek elválasztva, hogy a d pozíciótól látható legyen! A hallgatás 3°-nál kisebb szögben történik és így akusztikailag téveszthető.
3. ábra – A hangszóró-előlap maximális szélességének meghatározásához használt geometriai konfiguráció, annak érdekében, hogy ne lehessen észlelni annak méreteit.
Tegyük fel az „S” valós forrás, a két oldalsó szekunder forrás egyike B1 (bal szél), B2 a másik forrás (jobb szél) és „A” a hallgató által elfoglalt helyzet, és a B1B2 szög megegyezik!
Amennyiben B1B2 = β = (B1S/AS) = 3°. Ha az AS = 3 m és B1B2 = 3° így a hallgatási távolságot zavaró (mivel nagyon kis szöge van, csak 1,5°), az AB1 AS-el, tehát: B1S = 3 x SEN (3°) = 0,7853 m = 7 853 cm. Ezen feltevés szerint a hangszóróink jelenléte nem hallható, az előlap maximális szélessége kiszámítható: B1B2 = 7 853 x 2 = 15,7 cm.
A hallgatási pont távolodásával természetesen növekszik a panel határértéke ugyanahhoz a látószöghöz. Például egy 4 méteres hallgatási táv esetén, ha ugyanazokat a hipotéziseket tartjuk fenn, mint a már látottak, dobozunk paneljét nem szabad 20,94 cm szélesebbre venni. Miközben megközelítjük a 2,5 métert, a határméret csupán 13 cm-re csökkenne. Vitatható azonban, hogy a valóságban a várt hallgatási helyzetben a panel szélein található két virtuális forrás mellett az „S” központi forrás, amely idő és szint szempontjából egyaránt uralja az oldalakat, továbbra is fennáll.
Ennek eredményeként tehát feltételezhető, hogy a két élt legfeljebb 3°-os szögben kell látni, de mindegyiküknek (B1 és B2 sarkok) az „S” központi forráshoz viszonyítva, legalább 3°-kal egyenlőnek vagy annál kisebbnek kell lennie. Ezen hipotézis alapján a panel minimális mérete akár kétszer is elérheti, ha csak 2 m, 21 cm hallgatási távolságot ér el. Ha olyan egyértelmű meghatározást akarunk elérni, amely nagy valószínűséggel képes hatékonyan működni a kezdeti hipotézisektől függetlenül, akkor meditálhatunk a két látott feltétel között, és hivatkozva a leggyakoribbnak tartott 2,5 m hallgatási távolságra ( az akusztikus hangszórók teljesítményének nagy része a környezetben), a panel maximális szélességére a következőket mérjük: (13 + 26) / 2 = 19,5 cm.
Ez megmagyarázza sok mini-diffúzor (valamint a kb. 20 cm-nél kisebb panelekkel ellátott hangdobozok) „eltűnését” a hallgatásból, és feladatának tartja a sztereó effektus és a rendelkezésre álló jelben található hely-információk reprodukálását. Leválik a hang a hangsugárzókról.
Létrejön a felvételen rögzített hangszerek helyzetének és méretének helyes felfogása, mivel ezek kizárólag a hallgatott felvételben szereplő akusztikus információkkal vannak összefüggésben, és ezt a hatást nem változtatják meg a hangszórók front-paneljének szélein történő diffrakció által generált virtuális források születése.
Akusztikai alapkutatások és Renato Giussani cikke nyomán – a szerk.
