акустика лекция 3

Лекция 3.

Основы акустики залов и методы обеспечения высокого качества звучания залов различного назначения.

Допущение, принятые в статистической теории:

-образующееся в помещении звуковое поле принимается диффузным; это значит, что объемная плотность звуковой энергии в любой точке звукового поля принимается одинаковой.

Качество звучания в залах оценивается:

I) Временем реверберации

II) Структурой ранних отражений звука

I) Основной характеристикой акустики при проектировании зрительных залов является реверберационный процесс; количественной оценкой его служит время реверберации.- время затухания звука в зале

Звуки бывают прямые и отраженные (от поверхности стен, потолка, пола, находящихся в помещении предметов). Отражение может быть многократным. При каждом отражении теряется часть энергии звука, это сопровождается спадом в помещении уровня звукового давления.

Рисунок 1 Нарастание звука и реверберации в закрытом помещении

а) изменение плотности звуковой энергии;

б) изменение уровня плотности звуковой энергии;

в) пример записи спада уровня звукового давления в процессе реверберации: 1 – процесс нарастания; 2 – стационарное состояние; 3 - реверберация

Вообще, процесс формирования звука можно разделить на три этапа (см.рис.1.а,б):

I этап (1) – относительно быстрое нарастание звуковой энергии вследствие многократных отражений звука.

II этап (2)– это период так называемого динамического равновесия, которое устанавливается между акустической мощность, т.е. звуковой энергией, излучаемой в течение 1с, и звуковой энергией, ежесекундно теряемой вследствие звукопоглощения внутренними поверхностями помещения и воздухом;

III этап (3) – процесс затухания звуковой энергии, или уровня звукового давления, после прекращения звучания источника – этот процесс называется реверберационным.

Количественная оценка реверберации – скорость спадания уровня силы звука v_s, измеряемая в дБА/с. При достаточной диффузности звукового поля скорость спадания уровня силы звука при данной частоте можно считать постоянной и одинаковой во всех точках помещения, не зависящей от положения источника звука и от времени. Однако скорость спадания уровня силы звука различна для звуков разной частоты.

Скорость спадания уровня силы звука характеризует гулкость помещения. Она бывает большой в помещениях, отделанных материалами, обладающими высоким звукопоглощением (заглушенные помещения), и малой – в помещениях, ограниченных поверхностями, обладающими низкими коэффициентами звукопоглощение.

Время реверберации Т- время, в течение которого уровень звукового давления спадает на 60 дБа. Это условная величина, равная среднему уровню звукового давления в залах.

Поэтому оказалось удобным ввести понятие стандартного времени реверберации, под которым понимают время, в течение которого уровень звукового давления стандартного тона (f = 500 Гц ) уменьшается на 60 дБа.

Суммарное звукопоглощение – это сумма произведений коэффициентов звукопоглощения на соответствующую площадь отделочных материалов (или конструкций):

∑(α_n · S_n)= α₁ · S ₁ + α₂ · S₂ + … + α_n · S_n .

Пользование этой формулой дает достаточно точные результаты только в случаях, когда средний коэффициент звукопоглощения α _ср в помещении не превышает 0,25 и звукопоглощающие материалы равномерно распределяются по поверхностям помещения:

α _ср = ∑(α_n ·S_n) / ∑S_n .

В общем случае расчет времени реверберации помещения Т на данной частоте проводится по формуле Эйринга:

Т = 0,163 V / S_{общ ·} φ (α_ср) ,

где V – объем помещения, м³;

S_общ - общая площадь внутренних поверхностей помещения, м²;

φ (α_ср) = - ln (1- α_ср) – функция среднего коэффициента звукопоглощения, значения которых сведены в таблицу1.

Таблица 1

Значения функции φ (α_ср) = - ln (1- α_ср) для расчета времени реверберации

αср	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8	0 0,1 0,22 0,36 0,51 0,69 0,92 1,2 1,62	0,01 0,12 0,24 0,37 0,53 0,71 0,94 1,24 1,66	0,02 0,13 0,25 0,39 0,54 0,73 0,97 1,27 1,72	0,03 0,14 0,26 0,4 0,56 0,76 0,99 1,31 1,77	0.04 0,15 0,27 0,42 0,58 0,78 1,02 1,35 1,83	0,04 0,16 0,29 0,43 0,6 0,8 1,05 1,39 1,9	0.06 0,17 0,3 0,45 0,62 0,82 1,08 1,43 1,97	0,07 0,19 0,32 0,46 0,64 0,84 1,11 1,47 2,04	0,08 0,2 0,33 0,48 0,65 0,87 1,14 1,51 2,12	0,09 0,21 0,34 0,49 0,67 0,89 1,17 1,56 2,21

В больших помещениях существенное влияние на время реверберации оказывает звуковое поглощение увлажненного воздуха. Это влияние особенно значительно в диапазоне звуков высокой частоты ( ≥ 1000 Гц). Поэтому в музыкальных помещениях для расчета времени реверберации применяется формула :

Т = 0,163 V / [S_{общ ·} φ (α_ср) + n ·V],

где n – коэффициент, учитывающий поглощение звука воздухом, измеряется в м^-1. значения этого коэффициента приводятся в таблице 2.

Средний коэффициент звукового поглощения зависит от локальных коэффициентов поглощения материалов и конструкций, отделки интерьера, которые обладают способностью различно поглощать звуки различной частоты. Поэтому время реверберации также зависит от частоты звуковых колебаний.

Таблица 2

Значения коэффициента n для учета поглощения звука

в воздухе при температуре 20^оС (по данным С.М. Харриса)

Относительная влажность воздуха, %	Частота колебания звука, Гц
	2000	4000
30 40 50 60 70 80 90	0,0119 0,0104 0,096 0,009 0,0085 0,0081 0,008	0,0379 0,0287 0,0244 0,0224 00213 0,0204 0,02

Расчет времени реверберации проводится для трех частот : 125; 500 и 2000 Гц. При расчетах исходят из 70%-ного заполнения общего числа мест в залах. Эквивалентная площадь звукопоглощения остальных мест учитывается для пустых кресел.

Таблица3

Оптимальное время реверберации Т_опт, с, помещений

разного назначения для средних частот

Помещения	Объем помещения, м3
	1000	2000	3000	4000	5000	6000	8000	10000	12000	14000	15000
Концертные залы, оперные театры Драматические театры, Кинотеатры Конференцзалы аудиторий	1,21 1,08 0,86 0,83	1,33 1,2 0,96 0,86	1,41 1,27 1,01 0,88	1,45 1,31 1,05 0,9	1,49 1,35 1,08 0,92	1,53 1,38 1,1 0,94	1,59 1,42 1,14 0,97	1,64 1,46 1,18 0,99	1,68 1,5 1,2 1.01	1,72 1,53 1,22 1,03	1,74 1,54 1,23 1,04

У.Сэбин доказал также, что для каждого помещения в зависимости от его назначения и объема, а также от частоты колебаний звука, существует оптимальная средняя скорость затухания звуковых волн, соответствующая оптимальному для данных уровней времени реверберации.

Например, в Мариинском театре второй сцены при отделке концертного зала приглашался оркестр и с помощью коррекции звукопглащения материалов и их площадей было получено оптимальное время реверберации для зала.

Для определения оптимального времени реверберации на частоте 500 Гц для помещений разного назначения удобно пользоваться таблицей 3.

II) Структура ранних отражений определяется уровнями и запаздыванием отражений по отношению к прямому звуку, формой помещения (зала) и пластической отделкой интерьера.

Рисунок 2 Формирование структуры звуковых отражений в зале

ИЗ – источник звука; 1 – прямой звук; 2-5 – отражение от: 2- передней стены, 3- козырька, 4-потолка, 3- боковой стены

Формирование структуры звуковых отражений показано на рис.2. К расположенному в зале слушателю сначала приходит прямой звук от источника (оратора, артиста, инструмента). Путь этого звука самый короткий. Затем поступают однократные и многократные отражения от отдельных внутренних поверхностей зала. Время их запаздывания по отношению к прямому звуку определяется разностью путей, пройденных соответствующим отраженным и прямым звуком. Структура ранних отражений оказывает существенное влияние на качество музыки и разборчивость речи в залах.

Анализ ранних отражений основан на применении способов геометрической акустики. Сущность их связана с понятием фронта звуковой волны (1) и метода звукового луча (2).

Звуковые отражения бывают направленные и рассеянные. Характер отражения зависит от размеров и фактуры отражающих поверхностей.

Рассеянные отражения наблюдаются при:

1) большой глубине фактуры отделки;

2) малых размерах членения поверхностей;

3) чередовании поверхностей, обладающих различной способностью поглощать звуки разных частот.

Направленные отражения наблюдаются при: 1) малой глубине фактуры отделки – гладкие поверхности; 2) больших размерах членения поверхностей.

Звуковые лучи

Метод звукового луча или метод отражения звуковых лучей подобен отражению света от зеркальной поверхности, согласно которому:

а) угол падения равен углу отражения;

б) падающий и отраженный звуковые лучи лежат в одной плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности.

Допустимость применения лучевых отражений зависит от длины звуковой волны, размеров отражающей поверхности и ее расположения к источнику звука и слушателю.

Этот метод позволяет геометрическими построениями анализировать отражения звука в помещениях. Например, отражение звука от сложного профиля поверхности стен или потолка (рис.3).

Рисунок 3 Отражение от разных форм потолка или боковых стен

1-3- криволинейного очертания, 4,5 - с пилястрами: А - зона, лишенная геометрических отражений

Пример 1.2,3 – обеспечивается равномерное распределение звуковой энергии вдоль зала. Пример 4,5 – наличие ребер и пилястр с прямыми углами со стороны источника звука приводит к образованию зон, лишенных геометрических отражений.

Широкие залы

В залах для речевых программ основным показателем акустического качества является разборчивость речи. Для этого необходимо добиться в помещении небольшого времени реверберации и обеспечить места слушателей интенсивным прямым звуком и интенсивными малозапаздывающими отражениями. При этом приходится учитывать влияние нескольких факторов:

1) интенсивность прямого звука уменьшается по мере удаления точки приема от источника звука;

2) прямой звук при распространении над сидящими слушателями претерпевает дополнительное ослабление за счет скользящего звукопоглощения и вследствие экранирования голов слушателей (на высоких частота);

3) большую роль направленность голоса оратора (артиста).

Рисунок 4 Залы с зонами ослабления прямого звука (1)

а) веерообразной формы в плане; б) большой ширины при небольшой длине

С точки зрения максимального приближения слушателей к источнику звука наиболее целесообразна веерообразная форма зала. Однако при такой форме зала на боковых местах интенсивность прямого звука резко падает вследствие направленности человеческого голоса. Кроме того, при веерообразной форме зала слушатели лишаются боковых отражений, а задняя стена может вызвать эхо (рис. 4,а).

Ослабление прямого звука также наблюдается в «лежащих» залах (залы большой ширины при относительно небольшой длине). В таких залах также возникает запаздывание звуковых отражений от боковых стен (рис. 4,б).

Вогнутые или сводчатые стены и потолок зала

Сводчатая поверхность способствуют концентрации звуковой энергии, т.е. фокусируют звук, образуя фокус F. Устранение этого грубого акустического недостатка при проектировании залов обеспечивается выбором надлежащего радиуса кривизны r, при котором фокус не образуется в зоне расположения мест зрителей. Место положения фокуса определяется построением отраженных звуковых лучей (рис.5).

Рисунок 5 Определение места нахождения фокусов при отражениях с разными радиусами кривизны

при расположении источника звука: а - вблизи отражающей поверхности; б - на расстоянии, меньшем половины радиуса (левая часть рисунка) и равном половине радиуса (правая часть); в – вблизи центра кривизны

Если источник звука находится по оси вогнутой поверхности, расстояние фокуса (Х) от вогнутой поверхности можно определить по формуле

Х = d · r / (2 d – r ), м, где

d - расстояние от источника звука до вогнутой поверхности;

r - радиус кривизны поверхности.

При d = r/2 X = d · r / 0 → ∞? т.е. фокус отсутствует.

При Х < 0 фокус находится по другую сторону выпуклости (наблюдается на сцене).

Рисунок 6 Примеры концентрации звука в залах различной кривизны

На рисунке 6 представлены схемы залов при различном отношении радиусов кривизны цилиндрического потолка и высоты зала.

Как видим при одинаковой площади отражения So наибольшая концентрация звука имеет место, когда h=r и она близко расположена к поверхности пола (рис.6.б). Поэтому радиус кривизны должен быть значительно больше (рис.6.а) или меньше (рис.6.в) высоты помещения.

Рисунок 7 Пример концентрации звука на станциях метро

В практике встречаются случаи двойного фокусирования. Например (см. рис.7) , человек говорящий тихим голосом в т.А, расположенной недалеко от стены, не слышен в т.В, но хорошо воспринимается слушателем в т.Б. такой эффект можно наблюдать в метро.

Круглые помещения

В таких помещениях (рис.8.а) наряду с образованием фокусов ( F ) возникают «ползающие звуки». При гладкой облицовке стен эти звуки могут передаваться по всему периметру, сохраняя большую интенсивность. Один из способов их устранения – устройство вогнутых ниш по периметру зала (рис.8. б). Ниши могут также служить средством рассеяния звуковых лучей. Этот вид отделки широко используется при создании диффузного звукового поля. Целесообразно использовать крупные выпуклые членения с нерегулярным шагом (рис.8.в).

Рисунок 8 Поведение отраженных звуковых лучей в помещениях круглой формы

а – образование фокусов и «ползущих» звуков по периметру гладких стен; б – один из радикальных способов устранения при помощи членения; в – нерегулярное членение: 1 – «ползущие» звуки

Образование эха

При превышении критического интервала времени, отраженный звук воспринимается ухом как эхо, в этом случае между ощущением прямого и отраженного звука образуется пауза.

Рисунок 9 Графический способ определения и устранения возможности образования эха

При разнице во времени прихода прямого и отраженного звука более 0,05 секунд человек уже различает эти звуки.

За 0,05 с звук проходит расстояние ≈ 17м = 340 · 0,05 (340 м/с – скорость распространения звука при t =18^оС). Знание этого дает возможность определять возможность образования эха в зале путем геометрических построений (рис.9).

На плане и разрезе наносятся пути прямого ИА и отраженного звуков ИО + ОА.

Для устранения возможности образования эха необходимо соблюдать неравенство:

[ ИО + ОА ] – ИА ≤ Д или Д + ИА ≥ ИО + ОА, где

Д – путь проходимый звуком за критический интервал времени (≈ 17м).

При определении значений ИА, ИО и ОА надо брать истинные длины указанных отрезков, а не их проекции. При таком построении принимается : высота источника звука над полом сцены ≈ 1,5 м, а высота точки приема звука над полом партера (амфитеатра, балкона) ≈ 1,2 м – средняя высота сидящего зрителя.

Чем ближе зритель находиться к источнику звука, тем больше вероятность образования эха.

Приемы устраняющие образование эха

При проектировании, для устранения возможности образования эха предусматриваются следующие мероприятия:

Рисунок 10 Звукоотражающие поверхности в передней части зала

а - разрез; б – план

Рисунок 11 Встроенные звукоотражающие экраны в передней части зала

а – план; б - разрез

1. устройство скошенных потолков и стен в части зала, примыкающей к эстраде или сцене (рис.10);

2. применение подвесных звукоотражающих экранов, расположенных над сценой или вблизи ее (рис.11);

3. устройство круто поднимающихся партеров и амфитеатра.

Первая и вторая мера приводит к устранению эха вблизи сцены, когда первые отражения этими мерами направляем в среднию и задние зоны помещения. Третья мера приводит к устранению эха у задней стороны зала.

Современные залы по акустическому требованию делятся на:

1. залы с естественным звучанием речи музыки;

2. залы с электроакустическим усилением звука;

3. залы, где присутствует и естественное звучание и электроакустическое усиление.

Залы, в которых качество звучания в основном определяется архитектурным решением интерьера, делятся на:

1. залы музыкального характера – концертные, оперные, музыкально-драматические, эстрадные – в них возникают особенно большие трудности при проектировании для создания хорошей акустики;

2. залы театральные, предназначенные для представлений разного жанра;

3. залы речевые рассчитанные на проведение лекций и конференций;

4. особая группа – универсальные залы, оборудованные электроаппаратурой не только для просмотра фильмов, но и для воспроизведения всякого рода звуковых эффектов и усиления звука.

Основные требования к залам:

1. обеспечение всех зрителей достаточной звуковой энергией;

2. создание диффузного звукового поля, исключающих образование эха и фокусов;

3. обеспечение оптимального времени реверберации.