Разного назначения для средних частот

Оптимальное время реверберации Топт, с, помещений

Таблица3

Значения коэффициента n для учета поглощения звука

Таблица 2

Таблица 1

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

αср
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8	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.

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

Относительная влажность воздуха, %	Частота колебания звука, Гц
	0,0119 0,0104 0,096 0,009 0,0085 0,0081 0,008	0,0379 0,0287 0,0244 0,0224 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.

Помещения	Объем помещения, м3
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

Время реверберации можно определять опытным путем по записи процесса спадания уровня звукового давления в помещении с помощью логарифмического самописца. Запись спадания звукового давления сопровождается флюктуациями (см рис1.в). Кривая спрямляется, находится по построению угол β и уровень 60дБА, тогда

Т = 60 / tg β (на рисунке 1.в – 30 дБа).

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.

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).

Фронт движущейся в пространстве волны представляет поверхность, все точки которой в даный момент времени имеют одинаковую фазу колебаний. Направление распространения волны перпендикулярно фронту волны во всех его точках.

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.

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.

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 поверхности с малым звукопоглощением 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.

Большой интерес представляет поведение звуковых лучей в помещениях круглой формы. 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 радикальных 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

Наше ухо может четко различать импульсы прямого и отраженного звуков только при определенном (критическом) интервале во времени их прихода к слушателю.

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.

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.

Особый вид эха – «порхающее» эхо – такой эффект возникает при многократном отражении между параллельными гладкими плоскостями (обычно между боковыми стенами помещения), усиливается, если напротив одной из плоскостей размещается вогнутая поверхность. На практике встречается в залах со сводчатым или куполообразным потолком и плоским горизонтальным полом. Еще более интенсивное бывает эхо при расположении двух вогнутых поверхностей друг против друга. Ослабление «порхающего» эха можно добиться 1) путем применения звукопоглощающей отделки (если она требуется также для снижения времени реверберации) или 2) путем расчленения хотя бы одной из противоположных поверхностей.

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.

Опыт эксплуатации залов показывает следующее:

1) минимальная высота залов, при которой создается хорошее звучание оркестра – 9м;

2) оптимальное отношение длины зала к его ширине от одного до двух l / b = 1 ÷ 2 (при l / b > 2 ухудшается диффузность зала, а при l / b > 2 – плохая слышимость на боковых местах);

3) оптимальное отношение средней ширины зала к его средней высоте также должно быть от одного до двух b_ср / h_ср = 1 ÷ 2;

4) длина зала от задней стенки до передней или занавеса должна быть не более 30м;

5) удельный объем зала на одного слушателя должен быть в пределах 4 ÷ 8 м³;

6) в залах более 600 зрителей необходимо устраивать балкон; отношение выноса балкона а₁ к средней высоте подбалконной пазухи h₁ не должно превышать 1,5; для пазухи над балконом отношение a₂ / h₂ может быть увеличено до 2;

Рисунок 12 Пазухи над балконом и по ним

1 – вариант наклонного потолка

7) недопустимо устройство прямоугольных поперечных ребер на потолке и пилястр в нижней части боковых стен (см. рис. 3);

8) для улучшения слышимости желательно устраивать наклон в сторону зала или задней стены зала, или участка потолка возле задней стены (возможны варианты) – см. рис.13;

Рисунок 13 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

9) для создания диффузного поля рекомендуется устройство звукопоглощающих материалов в следующих зонах зала: а) на боковых стенах; б) на потолке; в) на задней стене (рис.14);

10) для лучшего использования первых отражений целесообразно по бокам зала возле сцены применять скошенные стены, а над сценой устраивать или скошенный потолок или отражающий экран (рис.10, 11).

Рисунок 14 Участки потолка и стен зала, пригодных для размещения звукопоглотителя

1 – прямой звук; 2 – отраженный звук; 3 – зоны размещения звукопоглотителя

Для залов с электроакустическими системами применяются те же самые признаки проектирования. Только из-за того, что звук усиливается:

1) можно увеличить длину залов до 50 ÷ 60 м;

2) балконы применяются для залов вместимость более 1200 человек;

3) звукопоглотителями дополнительно обрабатываются потолок и боковые стены вокруг предэкранной части зала.

Вопросы к лекции:

1. Для чего необходима статистическая теория рассмотрения процессов, происходящих в помещениях различного назначения. Ее основные допущения.

2. Чем оценивается качество звучания в больших помещениях.

3. Какие бывают звуки.

4. Какие бывают отраженные звуки и что происходит при каждом отражении.

5. Как происходит процесс формирования звука в помещении.

6. Что такое реверберационный процесс.

7. Что является количественной оценкой реверберации.

8. От чего зависит скорость спадания уровня силы звука.

9. Что характеризует скорость спадания уровня силы звука.

10. Что такое время реверберации.

11. От каких параметров зависит время реверберации.

12. В каком случае можно пользовать формулой У.Сэбина для расчета времени реверберации.

13. Что существенно влияет в больших помещениях на время реверберации и как это учитывается в расчетах.

14. Для каких частот производится расчет времени реверберации.

15. Как опытным путем можно определить время реверберации.

16. Чем определяется структура ранних отражении.

17. Как происходит формирование структуры ранних отражений.

18. На что влияет структура ранних отражений и как осуществляется ее анализ (какими способами).

19. Понятие фронта звуковой волны.

20. Какие бывают звуковые отражения, от чего зависит и примеры.

21. Чему подобен метод звукового луча, что при этом принимается во внимание.

22. Что позволяет делать метод геометрических отражений.

23. Какие виды сложных поверхностей обеспечивают равномерное распределение звуковой энергии вдоль зала.

24. В каких видах сложных поверхностях могут возникать зоны, лишенные геометрических отражений.

25. Основной акустический показатель в залах для речевых программ. Чего необходимо добиваться в таких залах.

26. Основные положительные и отрицательные свойства веерообразной формы зала.

27. Основные положительные и отрицательные свойства «лежащих» залов.

28. Какие поверхности способствуют концентрации звуковой энергии, что при этом происходит.

29. Чем определяется место определения фокуса в залах. Как зависит расстояние до фокуса от радиуса кривизны поверхности и расстояния до источника звука (рис.5).

30. Как зависит образование фокуса от высоты помещения и радиуса кривизны поверхности (рис.6).

31. Какое явление может наблюдаться в метро и почему.

32. Как ведут себя звуковые лучи в зданиях круглой формы в плане, что при этом наблюдается.

33. Способы устранения «ползающих» звуков в круглых помещениях.

34. Когда наше ухо может различать импульсы прямого и отраженного звука.

35. Какое условие необходимо соблюдать для устранения возможности образования эха.

36. Какие мероприятия предусматриваются для устранения возможности образования эха (рис.10,11).

37. На что направлено в первую очередь устройство отражающих экранов и поверхностей в передней части зала.

38. Когда возникает «порхающее» эхо, приемы его устранения.

39. Какие залы различают по акустическим требованиям.

40. основные требования к залам.

41. Основные способы проектирования залов: высота, ширина, длина.

42. Основные способы проектирования залов: объем зала на одного слушателя.

43. Основные способы проектирования залов: устройство балкона, основные параметры.

44. Основные способы проектирования залов: членение потолка, стен.

45. Основные способы проектирования залов: примыкание потолка к задней стене.

46. Основные способы проектирования залов: создание диффузного звукового поля.

47. Основные способы проектирования залов: лучшее использование первых отражений.

48. Основные способы проектирования залов с электроакустическими системами.