Физика резонирующих пространств

Перед тем как начать разбор физики резонансов я бы хотела поделить их на две группы, характеризующимся их местом нахождения (и, соотвественно, местом их рождения): природные и сконструированные человеком (natural & artificial). К сконструированным человеком местам относятся как помещения и отдельные комнаты, так и не (или менее) архитектурные пространства вроде цистерн и душевых кабинок.

У каждого пространства есть собственная частота вибраций и когда эта частота совпадает с частотой звука — ее амплитуда поднимается и слышится акустический резонанс. Часто резонансы не такие явные для обыкновенного слушателя как другие акустические эффекты, вроде эха и реверберации, но они заслуживают нашего внимания, ведь они могут быть как проблемой всей акустики места, так и его «благом».

В «пустых» местах резонансы слышатся намного ярче, чем в заполненных в силу своего звукового отражения. Этот эффект может применяться при создании музыкального инструмента: именно благодаря резонансам и акустическому строению гитары (деке) мы можем ясно слышать ее струны. Дека также трансформирует тембр, позволяя гитаре звучать более объемно.

Более подробно — колебания струн через резонаторное отверстие по воздуху следуют к гитарному корпусу. Эти колебания побуждают к движению деку и обечайку (боковую часть гитары) провоцируя новые вибрации воздуха. Поскольку частота колебаний одинаковая — происходит акустический резонанс, который заставляет звук наслаиваться (layering) на самого себя через голосник (резонаторное отверстие — круглую пропасть в корпусе инструмента).

Таким образом любое пространство с воздухом в нем имеет свои частоты свободных колебаний. Звукорежиссеры делят резонансы на поперечные, продольные и вертикальные, ориентируюсь на длину, ширину и высоту пространства. Благодаря созданным ими калькуляторам можно рассчитать приблизительный резонанс помещения даже без звукового теста.

Одна из самых захватывающих областей исследования акустических свойств пространств, археоакустика, изучает прошлое через его фантомные звуки. Не в силах в полной мере воссоздать акустическую картину древнего мира, ученые пытаются понять ее через археологические находки древних поселений и цивилизаций.

Например, неолитическая пещера (гипогей) Хал-Сафлиени на Мальте (сооруженная примерно 2400 г. до н. э.), напоминающая святилище, обладает удивительными акустическими свойствами.

В одной стене на уровне глаз существует большая полость, по форме напоминающая большой резонатор Гельмгольца (особый резонатор полостного типа) с частотой 90-110  герц. Медленный глубокий голос оратора идеально встает в концепцию места, которое может усилить его низкочастотную природу. Благодаря своеобразной акустике пещеры, мужской голос займет не только «оракульную» комнату («oracle chamber»), но и все прилегающие к ней помещения, заполняя их объемным благоговейным звуком. Однако обычный ребенок или женщина уже не смогут воспроизвести этот эффект — средняя высота их голосов будет слишком высока для активации резонатора.

Это исследование наталкивает ученых на мысль, что еще в древние времена люди пользовались и даже искусственно вызывали акустические резонансы для достижения своих целей. Гипогей — явный пример комнаты для общественных собраний и выступлений.

Археоакустики также обнаружили, что в некоторых породах камня заключаются свои акустические свойства. Их сильные резонансы лучше всего раскрываются, если эти камни имеют форму колонн (от природы или от человека). Даже при легком ударе камень может звучать со своей музыкальной подачей, в первую очередь усиливая «нотные» частоты. Такие «музыкальные колонны» часто находят в древних пещерах или строительных конструкциях, они — главный формирующий инструмент акустической среды этих пространств. Ученые верят, что пещеры с такими колоннами также могли использоваться древними людьми по их собственным назначениям, но каким именно — пока неизвестно.

Демонстрация «поющих колонн» комплекса Хампи.

Демонстрация «поющих колонн» храма Виттала.

В 2020 году ученые археоакустики вместе с теоретиком искусства и звукоинженером Тревором Коксом воссоздали модель Стоунхенджа в масштабе один к двенадцати. Выяснилось, что уникальная форма и расположение монументов усиливала звук из цента сооружения, не позволяя выйти ему за пределы конструкции. Модель Стоунхеджа пришлось приводить к оригиналу памятника, а не к его современному виду, в котором сохранилось лишь пять из двенадцати монолитов.

По мнению исследователей, Стоунхендж состоял из камней различных форм. Самые большие обрамляли конструкцию, камни поменьше — минимизировали звуковое поглощение и сильно резонировали со звуковым источником в центре сооружения. Интересно, что внутри модели отсутствовало эхо: внутренние каменные ряды поглощали отражающиеся от глыб звуки и разрушали их. Кокс считает, что люди тех времен меньше задумывались об акустике своих творений, нежели их сакральном и ритуальном значении. Но то, как удивительно резонируют эти «камни», заставляет задуматься о каких-то сторонних, пока неведомых человечеству, методах использования подобных сооружений.

Помимо исследований прошлого, резонансы акустических пространств серьезно изучают в градостроении и архитектуре, так как громкие откликающиеся на определенные частоты пространства — враг многих общественных и частных мест, а особенно концертных площадок. Однако они также могут использовать резонансы во благо, а именно через их искусственный подъем или избавление.

Искусственно их поднять можно при планировке пространства, изучая резонансные характеристики разных материалов и правильно располагая их между собой. Популярный запрос — поднятие низких частот, которые, во-первых, хуже нами воспринимаются  и, во-вторых, значительно упростили бы работу с созданием портативных акустических систем (обывательских наушников, динамиков в смартфонах и т. д.). Для решения этой проблемы ученые Цзяцзюнь Чжао, Ликун Чжан и Ин Ву изобрели конструкцию, увеличивающую мощность звука низкочастотного диапазона с помощью резонансов. Изготовленный из пластика круговой лабиринт диаметром десять сантиментов оказался способен поднять амплитуду громкость звуковых волн до двухсот раз.

Эта конструкция демонстрирует рупорное оформление звука, с помощью которого можно возбудить определенные резонансы при необходимости. Исследователи уже задаются вопросом как эту схему можно применить на практике. Например, внедрить уменьшенные адаптированные копии в производящие звук современные гаджеты.

Если же резонансы мешают и становятся нежеланным гостем акустического пространства, самым верным способом избавления от них будет его «переглушить»: если это комната — обклеить ее плотными обоями, повесить шторы, поставить мягкую мебель и книги. Но лучшим инструментом против резонансов считается специальный акустический поролон, используемый, например, в студиях для записи вокала или фолий.

Обзор на акустику комнаты для записи вокала и фолий.