Почему определенные помещения/сосуды реагируют на определенные частоты?

С самого детства мне всегда было интересно, почему, когда я пою в маленькой комнате (то есть в ванной!), всякий раз, когда я касаюсь определенной частоты, вся комната сочувственно вибрирует.

Какие параметры заставляют акустическое тело (будь то комната, камера или что-то еще) резонировать с определенной нотой?

Есть ли способ воспроизвести резонанс в других акустических телах? Мне интересно, можем ли мы поместить инструмент в коробку, которая меняет свой размер в соответствии с воспроизводимой высотой звука, чтобы усилить его и заставить его резонировать таким диким образом.

Как забавно, я как раз делал это несколько дней назад в ванной на моей работе: гудел низкочастотный, который сильно резонировал. Я тоже с детства замечал, что

Ответы (4)

Из-за динамики, называемой комнатными модами .

Комнатные моды — это совокупность резонансов, которые существуют в комнате, когда комната возбуждается акустическим источником, например громкоговорителем. (...) каждая частота связана с одним или несколькими измерениями комнаты или их делителем.

Для простоты предположим, что в комнате 6 параллельных стен (правильная призма или куб), и сосредоточимся на одном типе мод помещения: осевом (потому что он самый простой и преобладает над другими модами). Расчеты комнатных режимов более сложных форм могут стать очень сложными и очень быстрыми.

Важными параметрами являются размеры и форма помещения, а также длина волны звука. При совпадении длины волны звука и размеров помещения будет резонанс. Подобно тому, как струна будет резонировать с определенными частотами в зависимости от ее длины (и натяжения, материалов и т. д.).

Чтобы сделать комнату резонирующей:

  1. Измерьте одно измерение комнаты: высоту, длину или ширину. Для формулы, которую мы используем, мы будем измерять ее в метрах.

  2. Найдите частоту, длина волны которой в два раза превышает длину одного из трех измерений вашей комнаты. Это проще, чем кажется, просто используйте эту формулу:

    Частота = 1/2 x 343 м/с / размер комнаты, которую вы только что измерили.

    Где 343 м/с — скорость звука в метрах в секунду (приблизительно, поскольку она непостоянна и зависит от многих факторов). Если вы хотите использовать другую единицу измерения длины, вы можете преобразовать скорость звука в выбранную вами единицу измерения. , и используйте эту единицу измерения для измерения комнаты и расчетов.

  3. Воспроизведите (или спойте, если это в пределах вашего вокального диапазона) эту частоту в этой комнате.

Например, предположим, что расстояние между стенами вашей спальни составляет 4 метра. Нам нужна частота 1/2 x 343 м/с / 4 м = 42 Гц (между E и F).

Меньшие комнаты резонируют с более высокими частотами. Вот почему вы заметили это в ванной, используя свой голос, поскольку в маленькой комнате может быть мода комнаты в диапазоне частот человеческого голоса. С одним метром между стенами: 1/2 x 343 м/с / 1 м = 171,5 Гц (очень близко к F).

Данная комната также имеет более высокие резонирующие частоты. Если 42 Гц — это резонирующая частота вашей спальни: тогда 42 Гц * 2 = 84 Гц, 42 Гц * 3 = 126 Гц и т. д. также являются резонирующими частотами комнаты. 1 Поскольку нижние резонирующие частоты комнаты обычно очень низкие, их легче заставить резонировать.


  1. На самом деле волны, которые «отскакивают» от перпендикулярных стен, тоже могут резонировать, но соответствующая им формула несколько сложнее. Если l , w и h - длина, ширина и высота комнаты (в метрах) и для любых целых чисел (целых чисел) n, p и q , частота F , определяемая следующей формулой, резонирует:

F = 1/2 * 343 м/с * квадратный_корень ( n ^ 2 / l ^ 2 + p ^ 2 / w ^ 2 + q ^ 2 / h ^ 2 ).

Я прав, что разные позиции в комнате будут резонировать по-разному?
@BobBroadley нет, но когда вы стоите в углу, вы получаете кучу эха с очень небольшой задержкой, что создает впечатление резонанса.
Еще хотел добавить, что спеть самую низкую резонирующую частоту комнаты нереально кроме самых маленьких комнат. 42 Гц почти на одну октаву ниже того, что обычно требуется от баса в хоре.
@ Эдуард Это очень важное замечание. Это адресовано в конце ответа, но мне, возможно, нужно было уточнить это. Добавлю больше об этом к ответу.
@JCPedroza - Какое измерение даст лучший ответ - длина, ширина, высота, самая длинная диагональ или, возможно, самая длинная диагональ от нижнего угла до вершины противоположного угла? В некоторых комнатах размеры могли сильно отличаться (ванные не очень, а собор..).
@CarlWitthoft - имеет ли значение, смотрю ли я в угол или в сторону?
Все это может повлиять на эффективность установки, скажем, группы на сцене или размещения определенных инструментов в большом зале/аудитории. Барабаны, я не уверен. Это также может усилить или ослабить определенные частоты обратной связи. Интересно.
@Tim Это зависит от того, что вы подразумеваете под лучшим ответом. Большое влияние оказывает форма комнаты. Для простоты ответ предполагает простую форму прямой призмы или куба (6 параллельных стенок). Ответ также ограничен осевыми модами (которые преобладают над другими модами, такими как наклонная и тангенциальная), а размерами, относящимися к осевым модам, являются: высота, длина и ширина помещения. Поиск мод сложной формы может стать очень сложным и очень быстрым. Сложный за гранью моего понимания, на самом деле. Может быть, Эдуард сможет пролить свет на это.
Я скорее надеялся, что смогу приехать на концерт, сделать несколько измерений и точно разместить усилители и т.д. в «лучшем» месте для каждого. Неправильный!!
@ Тим Ты можешь! Но вам может понадобиться больше, чем несколько измерений. Книга Боба Маккарти «Проектирование и оптимизация звуковой системы» — хорошее место для начала: amzn.com/B00BMS2QLA .
@JCPedroza, спасибо за отличный ответ. Любая ссылка на мою третью фразу: " Есть ли способ воспроизвести... Мне интересно, сможем ли мы... "?

Ответ JCPedroza верен для квадратной комнаты, но я думаю, стоит отметить, что форма комнаты - это не только ее размеры. Например, квадратная комната с открытым окном будет вести себя иначе, чем если бы окно было закрыто. В акустике мы часто моделируем реакцию комнаты как цепь. Если разбить пространство на части, каждую часть можно представить как элемент схемы. Можно провести множество аналогий, но, например, трубка с воздухом действует как акустический индуктор, а ящик с воздухом действует как акустический конденсатор. Если вы нарисуете эквивалентную репрезентативную схему для интересующей вас геометрии и проведете анализ схемы, вы сможете точно понять, что произойдет.

Так как же происходит резонанс? Ну, большая пустая комната будет иметь большую акустическую емкость, но также маленькую акустическую индуктивность. Когда конденсатор и катушка индуктивности соединены друг с другом, они начинают перебрасывать энергию друг к другу. Есть одна частота, на которой выплескивание достигает максимума, и это резонансная частота. Вот почему вы будете слышать резонансную частоту комнаты громче, чем обычно (при омега = 1/sqrt(LC)). Существуют уравнения, которые можно использовать для измерения акустической индуктивности и емкости помещения, но это довольно трудоемкий процесс.

Две комнаты могут иметь одинаковую резонансную частоту, но одна может звучать дольше, чем другая. При анализе цепей мы называем это добротностью резонатора, и она зависит от сопротивления в цепи. Вы можете увеличить сопротивление, разместив в комнате кучу мебели, ковров или звуковых панелей, что приведет к прекращению звона намного раньше, поскольку они будут рассеивать энергию и предотвращать ее попадание обратно в конденсатор или катушку индуктивности. В электрической цепи это рассеивается в виде тепла, а в комнате со звуковой волной это также рассеивается в виде тепла!

Это очень интересный ответ. Я не понимаю этого, но это все еще очень интересный ответ. Я должен буду изучить это некоторое время.
Я думаю, мы должны изобрести расширяемую акустическую коробку, которая настраивает свой размер/форму в соответствии с воспроизводимой частотой. Я уверен, что это даст очень теплый звук. Вопрос в том, должен ли размер быть комнатой, или мы можем обмануть его с помощью различных средств, таких как трубки и т. Д. LOL.
Шимми, ты только что описал динамик! Конечно, коробка не меняет форму в зависимости от частоты, а вместо этого мы просто делаем пару разных «комнат», которые хороши в определенных частотных диапазонах.

Одна из форм явления называется « стоячая волна ». Применительно к комнатам или акустическим пространствам его иногда называют « резонансным комнатным режимом ».

Вот ссылка на статью в журнале Audioholics Magazine , в которой обсуждается, как эти явления влияют на акустику помещения.

Мне интересно, сможем ли мы сделать инструмент, который меняет свой размер в зависимости от сыгранного тона, чтобы усиливать его и резонировать таким диким образом.

Так работает большинство духовых инструментов. Есть довольно немного, таких как фанфары, которые в основном неопределенны в отношении своих резонансов.

И у натуральных труб тоже нет ни клапанов, ни отверстий, но тем не менее резонансы.

Тромбон приходит на ум как инструмент, который, очевидно, изменяется в размерах, вызывая изменение резонансных частот.
Конечно, с клапанами из латуни, клапаны выбирают длину используемой трубки. У простых деревянных духовых инструментов (например, блокфлейты, флейты, гобои, кларнеты и фаготы) открытие отверстий в канале ствола приблизительно соответствует эффекту сокращения длины трубки.
Нет. В духовых инструментах изменение размера сосуда влияет на частоту и, следовательно, на высоту тона. Я говорю об инструменте, который должен сочувственно вибрировать в соответствии с текущей частотой. Попробуйте пойти в маленькую ванную комнату и напевать хроматический диапазон с самого низкого тона, который вы можете. Если этот тон находится в вашем вокальном диапазоне, вы внезапно обнаружите один тон (иногда его нужно уточнять микротонально), который заставляет всю комнату полностью резонировать.