Helilaine pikkus

     ja heli levimine

Helilaine pikkus tuleneb sagedusest ja heli leviku kiirusest. Heli leviku kiirus on küll eri õhutemperatuuride korral erinev, kuid arvutusteks võib võtta toatemperatuuri ja heli kiiruse 343 m/s. Helilaine pikkust (λ) saab arvutada järgmise valemiga: λ = v / f. Kus: λ - helilaine pikkus (meetrites), v - heli kiirus keskkonnas (meetrit sekundis), f - heli sagedus (hertsid).

Näiteks sagedusel 440 Hz (A4 noodi sagedus) on λ = 345 m/s / 440 Hz ≈ 0.78 meetrit

Helilaine pikkus vastavalt sagedusele:

Sagedus (Hz) Helilaine pikkus (m)

• 20 17.15
• 40 8.58
• 80 4.29
• 160 2.14
• 320 1.07
• 640 0.53
• 1280 0.27
• 2560 0.13
• 5120 0.07
• 10240 0.03
• 20480 0.01

Igapäevaselt on lihtsam opereerida millimeetrite ja millisekunditega. Ühe millisekundiga (1/1000 sekundit) läbib heli 345 mm. Seega on 1000 Hz lainepikkus 345 mm kahetuhandel poole vähem jne.

Lainepikkusega on seotud viis olulist nähtust. Esimene neist resonants, on nähtus kus helilaine ei taha vaibuda sest langeb kokku süsteemi enda võnkumise sagedusega. Resonantsi sagedus sõltub tahkete objektide puhul massist ja jäikusest, ruumi puhul on oluline ruumi ja lainepikkuse suhe. Nagu me kõik elukogemusest teame on igal asjal võnkumise sagedus, majal, põrandal, akendel, aga ka kõlari külgpaneelil või valjuhääldaja membraanil.

Suletud ruumi resonantsi sagedus on ükskõik millise mõõdu pool lainepikkust ja selle kordajad. Nii on mul ühes toas kõlari bass täiesti kõlatu ja teises ei suuda kuidagi tüminast lahti saada. Resonants on muusika (taas)esitamise seisukohalt väga kiuslik nähtus ja reaalses ruumis on kõlari heligraafik nagu ameerika mäed, eelkõige just resonantsist tulenevalt. Kõlari siseruumi, külgede ja valjuhääldaja resonants tekitab omakorda häireid kõlari helipilti nii otseselt kui harmooniliste sagedustega. Ruumides on resonantse keeruline vaigistada. Saab ka kasutada Helmoltz piluresonaatorit, näiteks ripplae või garderoobi ukse või mõne muu sarnase lahendusega koos. 

Teine oluline nähtus on helilaine peegeldumine. Kui helilaine kohtab objekti, võib sellel objektil tekkida helipeegeldus. Helipeegelduse korral põrkab helilaine objektilt tagasi võrdväärse nurga all objekti pinna suhtes (sarnaselt nagu valgus peegeldub peeglist). Helilainete peegeldumine on ruumi ja kõlarikasti resonantsi üks allikaid, tekib nn seisev laine.

Objektilt helilaine peegeldumist mõjutab objekti suurus võrreldes helilainega. Helilaine peegeldub kõige tõhusamalt, kui objekti suurus on võrreldav või suurem helilaine lainepikkusest ja muutub sujuvalt tühiseks kui objekt on 10 korda väiksem helilaine pikkusest. Õnneks on inimese kuulmine võimeline oskuslikult eraldama otse varem kohale jõudnud helilaine, peegeldunud ja hiljem kohale jõudnud helilainest. Taju muudab selle teiseseks ja ebaoluliseks, kuid siiski võivad peegeldused kõlapilti oluliselt muuta. Kui heli teekond otse ja peegeldunult erineb poole, pooleteise, kahe poole jne lainepikkuse võrra, tekib selle koha peale vaikus, sest helid neelavad teineteist. Kui heli kaugus erineb lainepikkuse või selle kordaja võrra tekib selle koha peal võimendatud heli, sest objekti suunas liikunud heli liitub otse liikunud heliga. Üldjuhul on peegeldused mureks, kui peegelduskoht on kõlarile lähedal ja otse ning peegeldunud heli tugevused ja ajaline nihe erinevad vähe. Tavaliselt on suurim probleem põranda peegeldus, sest selle suhtes on kõlarit keeruline nihutada, enamasti on ta lähemal kui lagi, ja selline peegeldus ruumilisust ei lisa.

Samasugune helide vastastikune summutamine ja võimendamine tekib, kui kõlari valjuhääldajad on kuulaja suhtes nurga all. Näiteks tõustes istuvast asendist püsti kõlarikasti ülemine kõlar kuulajale lähemal ja alumine kaugemal. Valjuhääldajate üleminekusagedusel tekib kattuva spektri osas lainete interferents, nii et osa sagedusi võimendub ja osa kustub. Selle nähtuse vähendamiseks pannakse kõrgema sageduse ja lühema lainepikkusega valjuhääldajad üksteisele võimelikult lähedale või kõrgsagedus kahe kesksageduse vahele. Bassi puhul on see vähem oluline, sest lainepikkus on suhtelise kauguse muutusest märksa suurem.

Ruumi peegeldusi vähendab palju mööblit ja palju pehmet mööblit. Samuti aitab mööbel heli peegeldusi summutada ja hajutada, nii nagu kontsertsaali seinad on tehtud nurga all asetatud erineva suurusega paneelidest võivad mõjuda ka raamaturiiulid, kapid, akna ja ukseorvad. Heli küll peegeldub, kuid ebaühtlaselt ja selle tõttu peegeldus hajub.

Kuna lõpuks kõik helid vaibuvad, tuleb ka rääkida heli neeldumisest. Energia jäävus kehtib ka helilainete kohta ja ainus viis helilainetest lahti saada, on muuta nad muuks energiaks (soojuseks). Heli neeldumist tuleb eristada heli läbikostvuse vähendamisest, sest ka täiuslikult heli peegeldav objekt võib vähe läbi kosta kuid heli ei neela. Heli neeldumiseks peavad olema täidetud kolm tingimust, esiteks materjal saab võimalikult palju koos helilainega kaasa võnkuda. Teisiti öeldes tungib helilaine materjali sisse selle asemel, et tagasi peegelduda. Teiseks peab reaalne olulise massiga võnkumine võimalik olema. Kolmandaks peab materjali paksus helilaine pikkuse suhtes olema märgatav, sageli loetakse et vähemalt 1/4 - 1/3 lainepikkusest. Näiteks kõlarite sees kasutatakse helilaine summutamiseks peenekiulist massi, enamasti polüestrit. 

Järgmine oluline teema on heli varjestamine ja difraktsioon. Varjestamine toimub kui heli lainepikkus on objekti suurusest väiksem, sest siis peegeldub enamus heli objektilt tagasi või neeldub ja objekti taha ei jõua (nagu valguse vari). Difraktsioon on heli laine murdumine objekti serval või nurgas. Esimene koht kus me seda kohtame on kõlar ise. Kuna heli peaks levima ruumiliselt igas suunas, siis kõlari esipind on esimene koht kus heli ei saa taha suunas levida kuni kõlari servani, kus toimub helilaine murdumine ja serv muutub ise uueks heliallikaks. Kuna servani on teatud maa, siis võib selle uue heliallika poolt loodud heli olla faasinihkes ja nii võimendada kui ka summutada valjuhääldajast tulnud otseheli.

Selle nähtuse vähendamiseks ei ole parimad kõlarid ühtlaste servade kastid vaid näiteks ebaühtlase laiusega, olulisel määral ümardatud servadega, eraldi asetatud kõrgsageduskõlariga või muul moel seda nähtust akustiliselt käsitlevad. Muidugi saab ka heli jaotusfiltris antud nähtust korrigeerida, kuid alati on parem kui probleem elimineerida, selle asemel et seda korrigeerida. Sama nähtus leiab aset ka muude objektide juures mida heli tabab, ja millel on helilaine pikkuse suhtes piisavalt teravad servad. 

Kui objekt on lainepikkusest oluliselt väiksem, siis muutub ta helilaine jaoks mitteoluliseks. Nii on 20 Hz heli ja 17 meetrise laine jaoks kõik toas leiduvad objektid mitteolulised ja heli levikut ei takista. Sellepärast lubavad ka tootja panna subwooferi voodi alla, laua taha või kuhugi mujale ilma otsenähtavuseta kohta. Nii on näiteks ka kõlar ise bassisagedustele nähtamatu ja need levivad sama vabalt kõlari taha kui ette. Kuna sagedusvahemiku lainepikkus mingilt hetkel muutub võrdseks valjuhääldaja läbimõõduga, hakkab heli kiirguma otsesuunas rohkem. Ülemineku kompenseerimiseks on sageli kõrgsageduskõlari esiplaat kujundatud lainejuhina nii, et üleminek oleks ühtlane. Lainejuhil on alati ülemineku pehmendamise roll, kuid lisaks püüab ta tõmmata ka kõige kõrgemaid sagedusi veidi laiali, et kõlapilt oleks laiem ja ühtlasem.

Lainete hajutamisest peegelduste juures me põgusalt rääkisime ja eelkõige on see oluline ruumiakustika seisukohalt.

Tähelepanekuid kõlari ostjale on siin mitmeid:

Kõlari paneelide resonantside tuvastamiseks kuula üks lugu nii, et kõrv on surutud õhutihedalt vastu kõlari paneeli. Kui sealt kostab vaikselt sumbunud heli ühtlaselt helisageduste madalamas otsas, võib loota et resonantsid kõlaripaneelidega on kontrolli all. Täielikku vaikust kuuleb ainult väga erilisest ja väga raskest materjalist kõlarite korral.

Kõlari siseresonantside vähendamiseks on kõlari kast tehtud igas suunas eri mõõduga, nii et mõõt ei oleks teise kordaja. Parematel ja kallimatel kõlaritel on küljed ka nurga all ja heli peegeldused jäävad kõlari sees ringi liikudes sumbuma ning ei tungi valjuhääldaja membraani mõjutades uuesti kuuldava heli hulka. Eelkõige on see tähtis bassile ja kesksagedustele. Kõrgsageduskõlar on tavapäraselt omaette suletud korpuses ja kui tegemist on usaldusväärse tootjaga, on kõrgsageduse resonantsid ka kontrolli all.

Kõlari difraktsiooni probleemide tuvastamine on lihtsam. Kui kõlar on suur kandiline kast on probleem olemas. Veidi ebasümmeetriat ja ümardusi viitavad et probleemiga on tegeletud. Kõige lihtsam seda tuvastada on kuulata kõlarit eri nurkade all. Kõrgsagedused peavad nurga all vähenema, kuid ühtlaselt. Nii ei muutu otsevaates justnagu heade andmetega kõlar tegelikus kuulamisolukorras tüminamasinaks, mida saab ainult väga kindlas kohas kuulata. Hea kõlar on kuulatav ka suure nurga all, lihtsalt helide teravus ja detailsus väheneb.

Tähelepanekutest saab ka konkreetsed juhised:

Ostke ebatavalise kujuga kõlar, sest kandiline kast viitab odavale tootmisele ja sealt väga kvaliteetset tulemust saada on pigem vedamine.

Kontrollige, et kõrgsageduse valjuhääldaja juures on plaat erikujuline ja kaugus servadeni ebaühtlane või on kõrgsagedus eraldatud väiksemas hoidjas. Vaadake et kõrgsageduse ja kesksageduse kõlar oleks lähestikku või üks teiste vahel.