Podstawy elektroakustyki

Dźwięk i elektroakustyka

Fala akustyczna to rozchodzące się w ośrodku zaburzenie gęstości (ciśnienia), któremu towarzyszą drgania cząsteczek tegoż ośrodka (ciała stałego, wody, gazu, powietrza). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki, bez zmiany ich średniego położenia. Zjawisku towarzyszą wrażenia słuchowe. Fala akustyczna wywołana jest periodyczną pracą źródła dźwięku – na przykład urządzenia głośnikowego.


Poziom ciśnienia akustycznego

Poziom ciśnienia akustycznego (ang. Sound Pressure Level – SPL), to bezwymiarowa wielkość, opisująca stosunek średniego kwadratu ciśnienia akustycznego do tzw. ciśnienia odniesienia. Jednostka ta przedstawiona jest w skali logarytmicznej, co pozwala na łatwe i przejrzyste uszeregowanie różnego rodzaju sygnałów elektroakustycznych, o znacznie odmiennej skali, ze względu na ich natężenie. Dzięki zastosowaniu skali logarytmicznej cały zakres dynamiki ludzkiego słuchu opisany może być liczbami z zakresu od 0 do 120 dB.


Częstotliwość

Częstotliwość to mierzona w Hertzach [Hz] jednostka opisująca ilość oscylacji na sekundę. Determinuje ona wysokość dźwięku. Przyjmuje się, iż zakres częstotliwości słyszalnych człowieka mieści się wewnątrz pasma od 20 Hz do 20 kHz.


Akustyka pomieszczenia

Dobra akustyka pomieszczenia wyróżnia się odpowiednią izolacyjnością akustyczną od dźwięków dochodzących z zewnątrz, a także zapewnieniem odpowiednich pod kątem przeznaczenia obiektu: czasu pogłosu oraz walorów brzmieniowych. Te ostatnie wynikają bezpośrednio z geometrii pomieszczenia, kubatury, charakterystyki pochłaniania obecnych w jego architekturze materiałów wykończeniowych, a co za tym idzie rozkładu przestrzennego odbić dźwięku oraz rozkładu częstotliwościowego czasu pogłosu.


Rozchodzenie się dźwięku

W dużym uogólnieniu dźwięk promieniuje radialnie ze źródła (np. głośnika), częściowo trafiając bezpośrednio do słuchacza, a częściowo ulegając zjawiskom: przenikania do innych ośrodków, odbicia, dyfrakcji i interferencji, w momencie napotykania różnego rodzaju przeszkód – ścian, podłogi, sufitu, ale też wszelakich elementów wystroju np. umeblowania.


Dźwięk bezpośredni oraz odbity, tło akustyczne

Jak zwrócono uwagę powyżej, dźwięk bezpośredni wprowadzony do pomieszczenia podczas rozchodzenia się ulega odbiciom. W ich skutek w pomieszczeniu pojawia się dźwięk odbity. Suma tych dwóch zjawisk to dźwięk całkowity, który odbierany jest przez człowieka. Na podstawie składowej bezpośredniej organizm jest w stanie określić kierunek, z którego nadchodzi fala akustyczna (odbywa się to dwutorowo – na podstawie odbieranej przez każde z uszu amplitudy dźwięku oraz przesunięcia w fazie dźwięku docierającego do każdego ucha). Składowa odbita pozwala człowiekowi ocenić wielkość pomieszczenia oraz jego charakterystykę. Pod pojęciem tła akustycznego, kryje się całość zjawisk, które mają negatywny wpływ na zrozumiałość informacji dźwiękowej dostarczanej do ucha ludzkiego. W największym uogólnieniu jest to więc hałas, który poprzez zjawiska fazowe oraz bioakustyczne degraduje możliwość poprawnego słyszenia.


Czas pogłosu i zrozumiałość mowy

Cechą dźwięku bezpośredniego jest jego całkowite zanikanie po zaprzestaniu pobudzenia – wyłączeniu źródła. Jak wiadomo dźwięk całkowity, ze względu na składową odbitą, ulega natomiast stopniowemu wyciszeniu. Parametrem pomieszczenia, który opisuje jak szybko po zaniknięciu źródła dźwięku bezpośredniego poziom ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu spadnie o 60 dB, jest czas pogłosu (Reverberation Time – RT60). Czas pogłosu jest ściśle powiązany z możliwością uzyskania w danym pomieszczeniu zrozumiałości mowy. Długie ‘wybrzmiewanie’ pomieszczenia (a więc długi czas pogłosu) może być postrzegane pozytywnie w kontekście różnych rodzajów muzyki, jednakże ze względu na zrozumiałość mowy istotne jest, aby czas pogłosu był krótki. W sytuacji, gdy w pomieszczeniu stosunek dźwięku bezpośredniego do odbitego jest niekorzystny, należy zadbać, aby ograniczyć pobudzanie pogłosu oraz zwiększyć maksymalnie obszar nagłośnienia, w jakim dźwięk bezpośredni dominować będzie nad odbitym. Co za tym idzie należy odpowiednio zagęścić ilość urządzeń głośnikowych, przy jednoczesnym ograniczeniu poziomu ich wysterowania.

Jednocześnie ze względu na zjawisko maskowania akustycznego (opisujące słyszenie w hałasie) istotne jest, aby zapewnić odpowiednio wysoki poziom dźwięku odtwarzanego komunikatu przez system DSO w relacji do oczekiwanego poziomu hałasu. Przyjęło się, iż odstęp ten powinien wynosić co najmniej 10 dB.

Najczęściej spotykanym sposobem opisu jakości mowy jest użycie współczynnika zrozumiałości mowy STI ( ang. Speach Transmission Index). Jest to jeden z tzw. obiektywnych parametrów jakości dźwięku – wyznaczany w oparciu o unormowane metody pomiarowe oraz specjalne sygnały testowe. Współczynnik STI unormowany jest w skali od 0 do 1. W odróżnieniu od skali parametru opisanej w jego definicji, wartość graniczna determinująca akceptowalny poziom zrozumiałości w Dźwiękowych Systemach Ostrzegawczych DSO wynosi 0,5.

Parametry STI
0.00 – 0.30 niezadowalający
0.30 – 0.45 słaby
0.45 – 0.60 wystarczający
0.60 – 0.75 dobry
0.75 – 1.00 bardzo dobry