Моделирование акустических свойств зрительных залов

Изучение акустики зрительных залов можно осуществлять с помощью водяных и оптических моделей, которые однако не позволяют получать объективную картину распространения звука в зале. Водяные ванны дают только двухмерную картину распространения звука, которая в силу дисперсии волн на поверхности воды получается размытой, а оптическое моделирование возможно применять только для изучения стационарных звуковых процессов на очень высоких частотах, в то время как в акустике зрительных залов основное значение имеет весь спектр звуковых частот.

В настоящее время для изучения акустики зрительных залов интенсивно применяются методы масштабного и электроакустического моделирования звуковых процессов в заглушенных камерах, а также моделирования акустики залов на ЭВМ.

Основу акустической оценки качеств залов при масштабном моделировании составляют импульсные измерения, в связи с этим такие измерения осуществляют на блок-схемах, которые практически не отличаются от блок- схемы натурных импульсных измерений, приведенной на рис. 4.26. Разница заключается только в типах источника и приемника звука. При масштабном моделировании используют специальный искровой разрядник и измерительный микрофон малого диаметра (1/4 или 1/8 дюйма).

При масштабном моделировании необходимо соблюсти условия подобия звуковых колебаний в зале и его модели. Обеспечение подобия при масштабном моделировании связано с двумя трудностями, обусловленными граничными условиями и поглощением звука в воздухе. Первое условие достигается путем равенства реверберационных коэффициентов звукопоглощения поверхностей модели и зала на соответствующих частотах. Второе условие выполняется в том случае, когда показатель затухания звука в воздухе был пропорционален частоте в зале.

При использовании масштабного моделирования необходимо правильно выбрать масштаб модели и материал для ее изготовления. В практике обычно применяются масштабы моделей от 1/8 до 1/40. Масштаб моделирования зависит от задач исследования и размеров моделируемого зала. Так, масштабы 1/8 - 1/10 используются в случаях детального исследования звуковых процессов в широком диапазоне частот, а также при изучении субъективной оценки акустики залов. Для выполнения вышеприведенных исследований с моделями масштаба 1/8 - 1/10 требуется уникальная акустическая аппаратура, а сам процесс является сложным и дорогостоящим.

Масштабы моделей 1/30 - 1/40 используются в случаях, когда необходимо получить качественное представление о структуре звуковых отражений в ограниченном диапазоне частот.

Как показала практика, наиболее приемлемым и часто применяемым является масштаб модели 1/20, который позволяет проводить на основе импульсных измерений количественную оценку акустических качеств залов и исключить влияние поглощения звука в воздухе. Модель зала в линейном масштабе 1/20 получается сравнительно небольшой и на такой модели будут охвачены частоты от 5 до 100 кГц.

В качестве материалов для изготовления модели используют не натуральные материалы внутренних поверхностей залов, а их заменители. Так, вместо звукоотражающих поверхностей типа оштукатуренных по твердому основанию, массивного дерева, бетона или естественного камня в моделях используют лакированный гипс, оргстекло или обычное стекло. В качестве замены натуральных поверхностей со звукопоглощающей облицовкой в моделях используют материалы, коэффициенты звукопоглощения которых не отличаются от натурных более чем на 10%. К ним относятся: войлок, вата поролон и т.п. Из этих материалов на основе измерения коэффициентов звукопоглощения выбирают те, которые обеспечивают требуемые значения и частотную зависимость. Для имитации поверхности слушательских мест в моделях обычно используют слой ваты толщиной около 10 мм.

При масштабном моделировании удается выяснить, какие поверхности дают сильно запаздывающие отражения, вызывают концентрацию отраженного звука или иные дефекты структуры отражений. С этой целью на исследуемой модели, закрывая те или иные отражающие поверхности модели, изменяя их очертания или заменяя их на новые отражающие поверхности, с помощью анализа импульсных осциллограмм, можно оперативно оценить достигаемый эффект.

Электроакустическое моделирование является основным методом субъективных акустических исследований залов. Такие исследования проводят на специальной многоканальной акустической установке, разработанной в НИИСФ (рис.4.45).

С помощью установки имитируют акустические условия закрытого помещения, имитируя прямой звук, звуковые отражения и реверберацию. При этом появляется возможность изменения уровня, спектра и направления прихода прямого и отраженного звуков, а также изменения уровня, продолжительности и частотной характеристики реверберации звука. В период поведения исследований испытуемый располагается в заглушенной камере на месте прослушивания и оценивает поступающие к нему различные звуковые сигналы. Звуковые сигналы в виде записи речи или музыки поступают на коммутационный щит непосредственно или через линию задержки. Время задержки может быть установлено от 1,6 до 300 мс. Далее сигналы поступают на пульт усиления и частотной коррекции.

Рис.4.45. Блок-схема установки электроакустического моделирования

М- магнитофон; ЦЛЗ- цифровая линия задержки; ГШ- генератор шума; МКШ- матричный коммутационный щит; ЛР- листовой ревербератор; ПУЧК- пульт усиления и частотной коррекции; Г- громкоговоритель; ПУ- переговорное устройство; ИМ- измерительный микрофон; МУ- микрофон ный усилитель; ПФ- полосовой фильтр; ЗО- запоминающий осциллограф

Сигнал, имитирующий реверберацию, проходит через листовой ревербератор, где обеспечивается изменение времени реверберации на частоте 500 Гц от 1 до 4 с. С коммуникационного пульта сигналы подаются на громкоговорители, расположенные в заглушенной камере вокруг испытуемого. При этом в установке громкоговоритель Г₁ имитирует прямой звук, Г₂ и Г₈ - отражения от боковых стен, Г₅ - отражения от задней стены, а громкоговоритель Г₉ - отражение от потолка. Громкоговорители Г₃, Г₄, Г₆ и Г₇ воссоздают реверберационный звук. В электроакустической установке предусмотрена возможность подмешивания и подачи шумового сигнала с генератора шума, а также возможность переговоров испытуемого с оператором. Контроль сигналов осуществляется с помощью контрольно-измерительного тракта.

Необходимо отметить, что электроакустическое моделирование в совокупности с масштабным позволяют проводить субъективную оценку акустических качеств проектируемого зала. На моделях зала определяются уровни, запаздывание и направления прихода наиболее интенсивных отражений звука, а также время реверберации. С помощью электроакустической установки для каждой точки импульсных измерений формируется звуковая картина, соответствующая значениям указанных в проекте параметров звуковых сигналов.

В основу моделирования акустики залов на ЭВМ положены принципы геометрической оптики, в соответствии с которыми распространение звука рассматривается как движение звуковых лучей. Существует два основных метода моделирования: прослеживание звуковых лучей и мнимых источников. Программа ЭВМ включает математическое описание зала, источника звука и приемной поверхности, расчет движения звуковых лучей и расчет акустических характеристик зала.

При акустических расчетах в память ЭВМ вводятся размеры, расположение и коэффициенты звукоотражения поверхностей зала. Источник звука принимается точечным в пространстве и импульсным во времени. Непрерывный фронт излучения звука заменяется четным числом звуковых лучей, которые равномерно распределены по сферической поверхности, окружающей источник звука. Сферическая поверхность разбивается на на одинаковые участки, число которых соответствует общему количеству звуковых лучей. Каждому лучу присваивается доля энергии излучения, пропорциональная площади участка. Путь каждого луча прослеживается до его пересечения с приемной поверхностью (поверхностью слушательских мест).

В случае пересечения звукового луча с приемной поверхностью определяются координаты точки пересечения, направление и время прихода луча, его энергетический вес, длина пройденного пути, число отражений, а также начальное направление луча источника. В результате обработки введенных данных могут быть рассчитаны ход и время реверберации, а также упрощенные картины импульсных откликов и критерии акустического качества зала.

Метод мнимых источников звука применяется для исследования залов прямоугольной формы с плоскими и гладкими внутренними поверхностями. Источник звука в этом методе применяется точечным в пространстве и импульсным во времени. При этом методе не нужно заменять непрерывный фронт излучения отдельными лучами, так как строится пространственная решетка мнимых источников звука. Процесс моделирования движения звуковых лучей сводится к соединению прямыми линиями приемника звука и мнимых источников, что позволяет достаточно просто определить плотность звуковой энергии и запаздывание звука, соответствующие каждому лучу, соединяющему мнимый источник и точку приема. По этим данным строится импульсный отклик зала и рассчитываются его акустические параметры.