Общие принципы акустического проектирования залов

Акустическое решение проектируемого или реконструируемого зала прежде всего зависит от его функционального назначения и вместимости. Однако при акустическом проектировании используются и другие принципы, которые являются общими для залов различного назначения. К ним относятся:

- соблюдение основных пропорций зала;

- расчеты времени реверберации;

- расчеты геометрических отражений звука;

- моделирование акустики зала;

- разработка мероприятий по улучшению диффузности звукового поля в зале.

Из перечисленных методов наиболее оптимальным является метод моделирования.

Независимо от назначения зала в них должны быть обеспечены достаточно низкий уровень шума, отсутствие эха, порхающего эха и тембровые искажения.

Размеры зала, зависящие от его вместимости и назначения, должны удовлетворять определенным нормам. Основные размеры и пропорции зала должны выбираться из следующих условий:

≤ ; 1< <2; 1< <2,

где - длина зала по его центральной оси, м;

- предельно допустимая длина зала, м;

и - соответственно средние ширина и высота зала, м;

По акустическим соображениям отношение длины зала к его средней ширине следует принимать более 1 и не более 2. В тех же пределах рекомендуется принимать и отношение средней ширины зала к его средней высоте.

При проектировании акустики зрительных помещений большое значение имеет форма помещения в плане и разрезе, а также пластическая отделка интерьера. Прямоугольная форма в плане с плоским горизонтальным потолком допустима только для небольших лекционных залов вместимостью до 200 человек. Во всех других случаях зрительных залов оптимальной формой плана является трапециевидная с углом раскрытия 10-12^о. Наличие параллельных плоских поверхностей несет опасность появления «порхающего эха», криволинейных вогнутых – фокусирования звука.

Наибольшую опасность с точки зрения образования эха, представляют вогнутые поверхности, которые концентрируют отраженный звук в небольшой области зала.

Наиболее неблагоприятный вариант зала, когда центр кривизны находится вблизи источника звука (рис. 4.31, а). В этом случае значительное запаздывание отраженного звука приводит к образованию слышимого эха. Ситуация улучшается при увеличении расстояния между центром кривизны и источником звука (рис. 4.31, б). Опасность образования эха ослабевает, если расстояние от поверхности до источника не менее чем в 2 раза меньше радиуса кривизны (рис. 4.31, в).

Рис.4.31. Отражение звука от вогнутой поверхности при различном взаимном положении источника и центра кривизны: Q - источник звука; O - центр кривизны; Ф - фокус; r - радиус кривизны.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что позволяет сократить длину зала и повысить диффузность звукового поля на низких частотах. При проектировании балконов необходимо стремится, чтобы отношение выноса балкона а ₁ к средней высоте подбалконной пазухи h ₁ не превышало 1,5 (рис. 4.32).

Для пазухи над балконом (если нет вышележащего балкона) отношение а ₂/ h ₂ может быть увеличено до 2. При соблюдении этих требований наблюдаются благоприятные акустические условия на местах, расположенных на балконе и под ним.

Рис. 4.32. Оптимальные соотношения пазух над балконом и под ним: 1 – вариант наклонного потолка

Пол партера и балкона должен иметь профиль, обеспечивающий хорошую видимость сцены и уменьшающий поглощение прямого звука при его распространении над сидящими слушателями и экранирование слушателями друг друга. Для этой же цели высота сцены должна возвышаться над уровнем пола прилегающего к сцене партера не менее 1 м.

В зрительных залах допустимое отклонение времени реверберации от оптимальных значений не должно превышать ± 10%. При большем отклонении величин необходимо внести изменения в конструктивное решение зала.

Время реверберации является необходимым, но иногда недостаточным критериям оценки акустических качеств зала. В больших зрительных залов на качество звучания значительное влияние оказывает не только реверберация звука, но и структура ранних отражений.

Необходимая структура ранних отражений в зрительных залах обеспечивается пластической отделкой интерьера и специальными звукоотражательными экранами, располагаемыми на пути распространения звуковых волн, которые через некоторые интервалы времени после одного или нескольких отражений доходят до зрителя.

С помощь графического анализа осуществляется проверка равномерности поступления в зоны слушательских мест первых отражений от стен и потолка с допустимыми запаздываниями , которые для речи составляют 20-25 мс, а для музыки - 30-35 мс. Построения проводятся по законам лучевой (геометрической) оптики. Запаздывание первых отражений , мс, определяют по формуле

= , (4.32)

где l _отр- длина пути отраженного звука, м;

l_пр - длина пути прямого звука, м;

с - скорость звука в воздухе (с = 340 м/с).

Радиус прямого действия звука r _прсоставляет для речи 8-9 м, для музыки - 10-12 м. Для зрительских местах, расположенных в пределах прямого действия звука, усиление с помощью отражений не требуется. Начиная с r _пр интенсивные первые отражения должны перекрывать всю зону зрительских мест. Данные расчета позволяют проанализировать как структуру первых отражений в отдельных точках (зонах) зала, так и распределение этих отражений по всей площади слушательских мест.

Анализ ранних отражений основан на применении способов геометрической акустики. Расчет геометрических отражений звуковых волн (главным образом первых) является основным способом контроля правильности выбора формы зала и очертаний его внутренних поверхностей. Данные расчета позволяют проанализировать структуру первых отражений в отдельных точках зала и распределение их по всей площади слушательских мест. С помощью расчета геометрических отражений производится оценка опасности возникновения эха.

Сущность расчета геометрических отражений основана на понятии фронта звуковой волны и метода звукового луча, в направлении которого распространяются эти волны. Распределение звуковых лучей принимается аналогично распределению световых лучей в геометрической оптике, базирующихся на двух законах геометрического отражения:

1) падающей и отраженной от какой-либо точки поверхности лучи образуют равные углы (угол падения и угол отражения) с нормалью к отражающей поверхности в этой точке;

2) падающий и отраженный лучи лежат совместно с нормалью в одной плоскости (лучевая плоскость).

Построение отраженных звуковых лучей от плоскости и криволинейной поверхности приведены на рис. 4.33.

При построении геометрических отражений от плоскости (рис. 4.33, а) используется мнимый источник звука Q₁, симметричный с действительным источником Q по отношению к отражающей поверхности и находящийся по другую ее сторону. Для построения мнимого источника необходимо из точки точечного источника Q опустить перпендикуляр QA и на его продолжении отложить отрезок Q₁A, равный отрезку QA. Прямая, проведенная из мнимого источника Q₁, после пересечения или отражения плоскости позволяет получить равенство углов падения и отражения.

При построении отражений от криволинейной поверхности (рис. 4.33, б) при заданном положении точечного источника Q необходимо в точке 0 построить плоскость T_к, касательную к криволинейной С. Мнимый источник Q₁строится аналогично, как это показано в предыдущем примере. Продолжение ОМ прямой Q₁O после пересечения с криволинейной поверхностью C является искомым отраженным лучем.

В случае с криволинейной поверхностью для каждой точки отражающей поверхности необходимо строить свой мнимый источник Q₁, в отличие от плоскости, у которой для отражения от любой ее точки мнимый источник один и тот же при постоянном положении точечного источника Q.

Рис. 4.33. Построение геометрических отражений от плоскости(а) и криволинейной поверхности (б)

Построение отраженных звуковых лучей от выпуклых криволинейных поверхностей свидетельствуют о звукорассеивающихся свойствах этого вида пластической отделки стен и потолка, поэтому в практике этот вид пластической отделки широко используется для создания дуффузионного звукового поля.

Диффузность звукового поля может быть достигнута двумя средствами: за счет расположения на стенах помещения звукопоглощающих материалов в виде равномерных участков или за счет создания рельефа на поверхностях стен и потолка. Однако, применение звукопоглотителей может оказаться нежелательным, если оно приводит к уменьшению времени реверберации помещения по сравнению с оптимальным. Применение рельефа является более рациональным и особенно эффективным, когда длина звуковых волн близка к размерам рельефных деталей. Особенно пригодны для этой цели элементы с криволинейным выпуклым сечением, которые рассеивают также и более короткие волны.

Участки рельефа должны быть достаточно большими (не менее 1,5 – 2 м). Отдельные мелкие неровности поверхностей стен и потолка не обеспечивают надлежащего рассеяния звуковой энергии. Хорошо рассеивают звуки в диапазоне средних и высоких частот членения в виде цилиндрических и призматических форм, а в диапазоне звуковых волн низкой частоты – прямоугольной формы членения (рис. 4.34).

Ориентировочные размеры периодических членений, обеспечивающие рассеяние отраженного звука в зависимости от разных частот приведены на рис. 4.35.

Заштрихованная область на рис. 4.35 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в указанных на этом рисунке областях частот.

Мелкие элементы членения размером 10 – 20 см рассеивают отраженный звук на частотах выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание отраженного звука в области частот 200 – 600 Гц дают пилястры размером 1 – 2 м по ширине и 0,5 – 1 м по глубине при шаге членения 2 – 4 м. Пилообразные членения глубиной 15 -20 см и шагом 1,2 -1,5 м эффективны начиная с 600 Гц.

Рис.4.34. Формы и размеры пластических архитектурных членений, обеспечивающих

рассеивание отражений

Рис.4.35. Ориентировочные размеры периодических членений, обеспечивающие рассеяние отраженного звука разных частот: b – ширина элемента; d – глубина профилировки; g – период членения

Рассеивающий эффект членения улучшается, если их шаг нерегулярен, т.е. расстояние между смежными членениями неодинаковы по всей поверхности.

При примыкании задней стены зала к потолку под углом 90⁰ или меньше отраженный звук от потолка и задней стены, имея значительное запаздывание, может вызвать эхо на сцене и в первых рядах зрителей, так как эти зоны лишены интенсивных промежуточных отражений (рис. 4.36).

Для ослабления такого эха следует выполнить наклонной часть потолка у задней стены или наклонной заднюю стену зала (рис. 4.37).

Рис. 4.36. Распределение звуковых отражений в залах с горизонтальным (а) и наклонным (б) потолком

Рис.4.37. Рациональные типы примыкания потолка к задней стене: а – наклон задней стены; б – наклон примыкающего к стене участка потолка; в – наклон участка потолка и задней стены; г – острый угол

между потолком и задней стеной

При проектировании зрительных залов необходимо предусмотреть ряд шумозащитных мероприятий с целью ослабления проникающих в зальные помещения уличных шумов. С точки зрения шумозащиты особое значение имеют расположение здания и его внутренняя планировка. Желательно, чтобы здание располагалось как можно дальше от шумной магистрали, а если это невозможно, оно должно отступать от красной линии. Зрительный зал необходимо размещать в центральной части здания, размещая вокруг него вспомогательные помещения (фойе, буфет, вестибюли, коридоры и т.п.), которые защищают зал от непосредственного проникновения уличного шума. Окна зала не должны быть обращены в сторону шумных проездов и их следует проектировать с учетом шумопонижения. Инженерное оборудование здания (вентиляторы, насосные, холодильные установки, шахты лифтов, трансформаторные и т.п.) не должны примыкать к залу. Для повышения звукоизоляции между залом и фойе входы должны иметь плотно закрывающие двери или тамбуры с двумя дверями.

4.11. Специфические особенности акустического проектирования залов

различного функционального назначения

В зависимости от требований к акустическим качествам зрительные залы подразделяются на следующие группы:

- залы для речевых программ (лекционные залы и залы драматических театров);

- залы для музыкальных программ (концертные залы и залы оперных театров);

- залы с совмещением речевых и музыкальных программ (залы многоцелевого назначения, залы кинотеатров).

Основным показателем акустического качества залов речевых программ является разборчивость речи, под которой понимается обеспечение слушательских мест интенсивным прямым звуком и интенсивным малозапаздывающим отражением при небольшом времени реверберации.

Рекомендуемое время реверберации для залов речевых программ на средних частотах (500 – 1000 Гц) в зависимости от объема зала показано на рис. 2.18. Необходимо отметить, что указанное на рис. 2.18, время реверберации обеспечивается без применения специальных звукопоглотителей, если объем, приходящийся на одно место, составляет 4 – 5 м³. Чтобы время реверберации меньше зависело от степени заполнения слушателями, рекомендуется оборудовать залы мягкими или полумягкими креслами.

Критерием разборчивости речи является слоговая артикуляция, для определения которой применяются так называемые артикуляционные испытания, позволяющие получить процент разборчивости речи. В ходе испытаний в помещениях с помощью диктофона или фонограммы передается специальный текст, состоящий из слогов, а слушатели, находящиеся в помещении, записывают количество воспринятых слогов. Отношение правильно записанных слогов к общему количеству переданных и определяет процент разборчивости речи. Разборчивость считается отличной при 96% правильно воспринимаемых слогов, хорошей - при 95-85%, удовлетворительной - при 84-75%, трудно разборчивой - при 74-65% и неудовлетворительной - при 65% и ниже.

Слоговая артикуляция зависти от уровня громкости речи, времени реверберации, уровня шума в окружающем пространстве (шумовой фон) и формы помещения.

Для определения речевой артикуляции ()используют следующую формулу

=0,96 (4.33)

где – коэффициент учитывающий влияние уровня громкости на разборчивость речи;

– коэффициент, учитывающий влияние времени реверберации;

– коэффициент, учитывающий помехи вследствие шумового фона;

– коэффициент, учитывающий влияние на разборчивость речи формы помещения.

При оптимальной диффузности звукового поля в лекционном зале значение =1.

В больших залах при наличии вогнутых стен и потолка значение =0,9, а в малых помещениях при звукоотражающей их отделке =1,06.

Если в лекционных залах уровень громкости речи составляет 50 дБ, а уровень шумового фона 35 дБ и в залах обеспечена оптимальная диффузность звукового поля, то в зависимости от времени реверберации можно принимать значения коэффициентов , ,, а также процент речевой артикуляции, приведенные в табл. 4.20.

Таблица 4.20

Значения , ,и ,%

Время реверберации	Значения коэффициентов	Процент речевой артикуляции (, %)
				При =1	При =1,06
1,0	0,95	0,96	0,83	72,5
1,5	0,85	0,94	0,83	71,0
2,0	0,95	0,90	0,83	68,0
2,5	0,95	0,86	0,83	65,0

Установлено, что процент артикуляции речи увеличивается с повышением уровня громкости звука до 70дБ и значительно уменьшается при нарастании времени реверберации.

При проектировании небольших лекционных залов (до 200 мест) хорошая разборчивость речи обеспечивается прямоугольной формой плана и плоским горизонтальным потолком.

В более крупных лекционных залах устройство плоского горизонтального потолка нецелесообразно, так как отражения от передней части такого потолка попадают в первые ряды слушателей, для которых достаточная разборчивость речи обеспечивается прямым звуком. Кроме того, в больших лекционных залах ряды мест круто подымаются к задней стене, в результате чего при горизонтальном потолке высота в передней части зала, а следовательно и отражение звука от потолка доходят до слушателей передних рядов с запаздыванием. Существенным недостатком таких залов является то, что задняя часть горизонтального потолка вместе с вертикальной задней стеной служат причиной неблагоприятного запаздывающего обратного отражения звука к источнику (рис. 4.38).

Рис.4.38. Отражение звука в зале с горизонтальным потолком и вертикальной задней стене.

Распределение звука, отраженного передней частью горизонтального потолка, можно улучшить путем устройства скоса или специального звукоотражателя, подвешенного под потолком, а отраженного от задней части потолка – путем наклона участка задней стены (рис. 4.39, а.).

С целью улучшения разборчивости речи в лекционных залах большой вместимостью рекомендуется участки боковых стен в передней зоне скашивать, как это показано на рис 4.39, б, чтобы отражения от каждого из них в противоположный дальний угол зала. Оставшимся участкам боковых стен также целесообразно придавать небольшой скос в пределах 10 - 12⁰, что позволяет увеличить долю отраженного звука на удаленные от источника места и ослабить эффект «порхающего эха».

Рис.4.39. Рекомендуемая форма лекционного зала большой вместимости: а – продольный разрез; б – план

Практикой установлено, что вместимость лекционных залов не должна превышать 400 мест, а его длина - 20 м. При максимальном объеме на одно место 5 м³ общий объем зала должен составлять 2000 м³^.

Для драматических театров источники звука, как правило, располагаются в пространстве колосниковой сцены, оборудованной мягкими декорациями, что способствует потери большей доли излучаемой актерами звуковой энергии в сценической коробке. Когда актер в процессе действия отворачивается от зрительного зала, доля звуковой энергии становится еще меньше. Однако актеры обладают по сравнению с лекторами гораздо более сильным и хорошо поставленным голосом и, что особенно важно, во время спектакля уровень шума в зале обычно ниже, чем в лекционном помещении, что позволяет компенсировать неблагоприятные условия излучения звука со сцены и проектировать залы драматических театров значительно больших размеров, чем лекционные.

Установлено, что максимальная вместимость зала драматического театра не должна превышать 1200 слушателей, а наибольшее расстояние от плоскости портала до последнего ряда – 27 м. Максимальный объем драматического театра, соответствующий предельной вместимости, составляет 6000 м³.

В залах, предназначенных для исполнения музыкальных программ, необходимо обеспечить большее время реверберации по сравнению с залами для речевых программ с целью усиления пространственного впечатления при восприятии музыки. Кроме того, если для разборчивости речи увеличение интенсивности прямого звука и малозапаздывающих отражений является положительным фактором, то для восприятия музыки это является нежелательным, так как снижается пространственное впечатление. Все это делает акустическое проектирование залов для музыкальных программ довольно сложной задачей.

Для концертных залов оптимальное время реверберации зависит от его объема и вида исполняемой музыки. Самое большое время реверберации требуется для исполнения органной музыки, несколько меньше – для симфонической и сравнительно небольшое – для камерной. Частотная характеристика времени реверберации во всех случаях должна иметь некоторое повышение в сторону низких частот. Рекомендуется, чтобы время реверберации на частоте 125 Гц было на 20% выше по сравнению со временем реверберации на частоте 500 Гц.

Время реверберации старых концертных залов, как правило, значительно выше, чем новых (примерно на 0,3 с). Они обладают более высокой степенью диффузности звукового поля за счет использования разнообразного членения стен и потолка (от нескольких сантиметров до 2 – 3 м), которое обеспечивает диффузное отражение звука в широком диапазоне частот. Кроме того, старые оперные театры характеризуются малой шириной залов (не более 20 м), значительной высотой (в средне 17 м), меньшим объемом зала на одно место (около 5 м³) и сильным расчленением поверхностей боковых стен и потолка, а также широким применением при строительстве и отделке конструкций из дерева. При строительстве и отделке этих залов применялись конструкции из дерева, которые обладают малым звукопоглощением.

В современных концертных залах, на смену прямоугольному плану пришла веерообразная форма и вместо сильно расчлененных поверхностей – большие и гладкие поверхности. Разрез залов принял рупорообразную форму с крутым подъемом рядов и глубоких балконов. Увеличилась ширина залов (до 30 – 40 м) и уменьшилась высота (в среднем до 15 м). Для достижения оптимального времени реверберации в залах стали устраивать дополнительное звукопоглощение в виде специальных звукопоглощающих материалов и конструкций, а также использовать очень мягкие кресла и сплошное ковровое покрытие пола.

Значительная ширина современных концертных залов является источником больших запаздываний боковых отражений и их ослабления за счет скользящего звукопоглощения. Несоответствие пропорций над- и подбалконного пространства также снижают качество восприятия звука (рис. 4.40).

Рис.4.40. Типичная форма современного концертного зала (продольный разрез и план)

Имеется несколько способов, позволяющих увеличить количество боковой энергии за счет дополнительных боковых отражений. Увеличение боковой энергии можно добиться:

- путем разбивки боковых стен на секции, размеры которых позволяют получать направленные отражения;

- за счет устройства боковых балконов и системы продольных членений потолка.

Такие членения позволяют направить более значительную часть отраженного от потолка на боковые стены, а от них - на места для зрителей.

В концертных залах, предназначенных в основном для органной музыки, объем на одно место должен оставаться 10-12 м³; для симфонической музыки – 8-10 м³; для камерной музыки – 6-8 м³. Длина концертных залов для симфонической музыки не должна превышать 45 м, а для камерной музыки – 22 м.

В отличие от концертных залов в залах оперных театров помимо хорошего звучания музыки необходимо обеспечить четкую разборчивость пения и речитатива. В связи с этим время реверберации в залах оперных театров должно быть меньше, чем в залах, предназначенных для симфонических концертов. В то же время рекомендуется такой же подъем частотной характеристики времени реверберации, как и в концертных залах.

Для обеспечения этих требований объем зала, приходящийся на одно место в оперных театрах, должен составлять 6 - 8 м³. Максимальная вместимость современных оперных театров составляет обычно 1500 – 1700 мест при объеме залов от 10000 до 12000 м³.

В связи с тем, что оперные певцы обладают более сильным голосом, чем драматические актеры, в залах оперных театров рекомендуется большее удаление последнего ряда от портала (до 35 м).

Проектирование акустики для залов с совмещением речевых и музыкальных программ представляет собой весьма сложную задачу, так как акустические условия, необходимые для этих программ, не только различны, но и во многом противоположны. К таким залам относятся залы многоцелевого назначения или, как их часто называют, универсальные залы, а также залы музыкально – драматических театров, кинотеатров, спортивных сооружений.

При проектировании акустических свойств залов многоцелевого назначения принимается компромиссное решение, благодаря которому в зале обеспечивается сравнительно небольшое время реверберации для восприятия речевых программ, а для восприятия музыкальных программ внутренние поверхности залов формируются таким образом, чтобы часть из них направляла к слушателям интенсивные малозапаздывающие отражения, увеличивающие ясность звучания, в то время как другая – создавала ненаправленное, рассеянное отражение звука, повышающее диффузность звукового поля. Эта задача решается путем различной степени расчленения отдельных поверхностей зала (рис. 4.41).

Рис. 4.41. Пример членения поверхностей зала, обеспечивающих направленное отражение звука (продольный разрез и план)

Помимо компромиссного варианта в настоящее время применяются еще два варианта акустического решения крупных многоцелевых залов.

Первый из них основан на использовании средств электроакустики, в результате чего обеспечивается необходимое время реверберации для проведения речевых мероприятий и кинопоказа. Увеличение времени реверберации, необходимое для исполнения концертных программ, обеспечивается с помощью систем искусственной реверберации (амбиофонии).

Обеспечение слушателей малозапаздывающими отражениями реализуется с помощью высококачественных громкоговорителей, которые устанавливаются в местах, откуда естественные звуковые отражения приходят слишком поздно.

Амбиофоническими системами оборудованы залы Кремлевского Дворца съездов, театра им. Вахтангова, училища им. Гнесиных и др.

Второй подход акустического решения крупных многоцелевых залов основан на использовании изменении объема или трансформации звукоотражающей поверхности зала. Эта задача решается путем устройства подъемно – опускного участка потолка над авансценой (рис. 4.42) или путем отгораживания дальней части зала разборной перегородкой. Иногда для уменьшения объема зала отделяется верхний балкон с помощью опускающейся части потолка.

Рис. 4.42. Трансформация потолка в передней части зала: а) – вариант кинозала; б) – вариант концертного зала; 1 – опускаемая часть потолка.

Для обеспечения достаточно большой разницы в реверберации (0,6 – 0,7 с) возможно использовать поворачивающиеся на 180⁰ звукопоглощающие панели, располагающиеся в верхних частях боковых стен. Поворот панели закрывает или открывает поверхность звукопоглотителя, изменяя время реверберации (рис. 4.43).

Рис. 4.43. Поворачивающие панели со звукопоглощающей отделкой: 1- звукопоглотитель

Более удачным решением изменения времени реверберации является применение механических систем (раздвижных, подъемно – опускных или наматываемых на катушку штор), масса ткани которых должна быть не менее 1 кг/м²(рис. 4.44).