Как действуют балконы ложи и скошенные стены на диффузность поля на низких частотах

Обновлено: 17.05.2024

Елена Шабалина: Основы акустики помещений и техники звукоусиления. Часть 1. Акустика зрительных залов

Не ручаюсь за точность цитаты, но примерно так мне ответили на первом курсе на просьбу показать чудо-программу EASE, которая, по слухам, имелась на кафедре акустики физфака. Я очень расстроилась и засела в библиотеке, но через некоторое время поняла, что это правда, поэтому вторая статья из серии посвящена акустическому проектированию зрительных залов «вручную», с помощью карандаша и бумаги. Речь не идет о создании акустического шедевра — целью мы ставим проектирование приемлемого зала, с которым не придется впоследствии бороться электроакустикам и звукорежиссерам. Для создания такого зала достаточно выполнить ряд нехитрых требований и избежать нескольких грубых ошибок.
Первое и самое главное требование: думать об акустике нужно с самого начала, на этапе проектирования. Причем не отдавать готовый проект акустику для «расчета» и «подбора материалов», а продумывать геометрию зала с учетом требований к его акустическим характеристикам. Что нужно знать, чтобы не допустить грубых ошибок?
Во-первых, представлять себе, что происходит со звуком в помещении. На эту тему есть замечательные статьи профессора А.П. Ефимова «Три взгляда на акустику помещений». Для проектирования «на бумаге» используется приближение геометрической акустики: когда длина волны намного меньше размеров препятствий, распространение звука можно представить в виде лучей, как в школьном курсе оптики (рис.1).


">
Рис. 1. Распространение звука в помещении в виде лучей (Источник: [3])






средний коэффициент поглощения –

N – число поверхностей, V – объем помещения, S – суммарная площадь поверхности помещения.

A = α ср S – общий фонд звукопоглощения. Измеряется он в «открытых окнах», т.е. в квадратных метрах материала с коэффициентом поглощения, равным 1.

Рис. 2. Пример распределения уровня звукового давления в помещении на частоте 24 Гц


Рис. 2. Пример распределения уровня звукового давления в помещении на частоте 24 Гц


Для прямоугольного помещения собственные частоты рассчитываются по формуле:



1. Выбор габаритов и формы помещения

Объем и форма помещения определяются его назначением.



2. Проверка достоверности глобальной оценки акустики зала по статистической теории




Выше этой частоты для оценки времени реверберации можно использовать формулы Эйринга и Сэбина. Для большинства зрительных залов критическая частота лежит ниже 125 Гц.

3. Расчет частотной характеристики времени реверберации зала для выявления соответствия его оптимуму

Рис. 3. Оптимальное время реверберации на средних частотах для залов различных назначений. 1 – залы для ораторий и органной музыки; 2 – залы для симфонической музыки; 3 – залы для камерной музыки, залы оперных театров: 4 – залы многоцелевого назначения, залы музыкально-драматических театров, спортивные залы; 5 – лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы, пассажирские залы (Источник: [1])


Рис. 3. Оптимальное время реверберации на средних частотах для залов различных назначений. 1 – залы для ораторий и органной музыки; 2 – залы для симфонической музыки; 3 – залы для камерной музыки, залы оперных театров: 4 – залы многоцелевого назначения, залы музыкально-драматических театров, спортивные залы; 5 – лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы, пассажирские залы (Источник: [1])


Если время реверберации в одной из частотных полос превышает оптимальное, необходимо внести дополнительный фонд звукопоглощения. Нужное количество звукопоглощающего материала можно приблизительно оценить следующим образом:







4. Графический анализ чертежей зала с необходимой коррекцией проекта в части формы и очертаний его ограждений

Рис. 4. Отражения от козырька над сценой


Рис. 4. Отражения от козырька над сценой



Рис.5. Отражения от портальных стен


Рис.5. Отражения от портальных стен


">
Рис. 6. Образование «театрального эха»

Рис. 7. Наклоны потолка и задней стены, при которых «театральное эхо» отсутствует


Рис. 7. Наклоны потолка и задней стены, при которых «театральное эхо» отсутствует

5. Разработка мероприятий по улучшению диффузности звукового поля в зале

Разработка мероприятий по улучшению диффузности звукового поля сводится к разбиванию оставшихся поверхностей с помощью балконов, ниш, пилястр и пр. За исключением описанных в п.4, больших отражающих поверхностей следует избегать, создавая неровности. При этом неровности хорошо рассеивают те волны, длина которых близка к размерам неровностей, т.е. балконы эффективны для низких частот, мелкие детали, такие, как лепнина, – для высоких. Строгая периодическая структура неровностей нежелательна, так как дифракция на таких неровностях создает окраску звука. Диффузоры стоит располагать нерегулярно, меняя расстояние между элементами, их размеры и пр.

6. Расчет локальных акустических критериев на предмет соответствия их зонам оптимумов с дополнительной в случае необходимости коррекцией проекта

К локальным акустическим критериям относятся характеристики разборчивости, такие как С50, STI и AlCons. Для их расчета требуется вычисление импульсного отклика помещения в каждой точке с помощью компьютерного моделирования акустики помещений. К этому вопросу мы вернемся в одной из следующих статей.

7. Оценка шумового режима зала с разработкой необходимых мероприятий по его улучшению

Сюда входит оценка расположения зала (рядом с ним не должны находиться источники сильного шума), оценка звукоизоляции стен, окон и дверей, разработка мер по снижению шума вентиляции.

8. Оценка электроакустического режима зала с разработкой необходимых мероприятий

Проектирование и расчет системы звукоусиления должны производиться на самом раннем этапе проектирования и обязательно совместно с проектированием естественной акустики зала. Точки подвеса и места расположения акустических систем должны быть предусмотрены заранее, система звукоусиления и естественная акустика зала должны составлять одно целое и ни в коем случае не «противостоять» друг другу. Однако это тоже тема для отдельной статьи.

Диффузное звуковое поле и его основные характеристики

Условие применимости методов статистической акустики может быть записано в виде:

или, что то же самое

Если помещение не содержит фокусирующих сводов, его размеры значительно больше, чем средняя длина звуковой волны, а поверхности помещения обладают небольшими коэффициентами звукопоглощения, то через произвольный элемент объема помещения при непрерывной работе источника звука в каждый момент времени будет проходить большое количество прямых и отраженных звуковых волн. В результате этого средняя плотность звуковой энергии по всему помещению будет одинакова (поле однородное), а все направления потоков энергии этих волн равновероятны (поле изотропное). Однородное и изотропное звуковое поле называется диффузным. Следует отметить, что в диффузном поле все собственные колебания некогерентны, поэтому в нем отсутствуют явления интерференции.

где Ii – интенсивность, измеренная по данному направлению, n – число отдельных измерений. Абсолютное отклонение от среднего значения:

а среднее абсолютное отклонение:

Относительное отклонение интенсивности, усредненное по всем направлениям, равно:

Индекс диффузности звукового поля в помещении равен

где m0 – относительное отклонение интенсивности от среднего, измеренное в заглушенной камере, то есть в помещении с поверхностями, полностью поглощающими звук. При полной заглушенности помещения (m = m0) индекс диффузности равен нулю. Наоборот, если m = 0, то индекс диффузности равен единице и поле абсолютно диффузное.

Проведенные измерения дают для большего числа помещений среднее значение индекса диффузности примерно 0,6-0,7. С увеличением объема помещения (V>10000 м 3 ) id уменьшается. Степень диффузности поля можно повысить с помощью установки звукорассеивающих экранов, колонн и других элементов.

Формирование диффузного звукового поля

Идеально диффузное звуковое поле характеризуется тем, что во всех его точках усредненные во времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии одинаковы. Эти условия не выполняются полностью в реальных помещениях, но для создания хорошей акустики следует, по возможности, приблизиться к ним. Значительные отступления от этих условий приводят к существенным акустическим дефектам залов.

При выборе формы ограждений следует избегать вогнутых поверхностей, способных концентрировать отражаемый звук. Концентрация отражений при малом запаздывании относительно прямого звука приводит к снижению разборчивости речи, а при большом запаздывании – к появлению ощутимого эха.

Для предотвращения концентрации звука радиус кривизны отражающей поверхности (стен и потолка) должен по крайней мере в два раза превышать расстояние от отражающей поверхности до источника.

По той же причине залы, имеющие в плане круглую, овальную, подковооборазную или другую форму с вогнутыми стенами допустимы лишь при специальном расчленении вогнутых поверхностей, предотвращающем концентрацию отраженного звука (рис. 6.3).

Выпуклые поверхности (рис. 6.4), наоборот, создают рассеянное отражение звука и повышают диффузность звукового поля.

Для обеспечения достаточной диффузности звукового поля необходимо, чтобы значительная часть внутренних поверхностей зала создавала рассеянное ненаправленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, секциями и другого типа членениями.

Гладкие большие поверхности не способствуют повышению диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (например боковые стены), так как в результате многократного отражения звука между ними может возникнуть «порхающее эхо». Расчленение таких поверхностей ослабляет этот эффект. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (на 2,5-6º).


а – распределение звуковых отражений: 1,2 – зоны концентрации соответственно первых и вторых отражений; б – эффективное членение стен

Рисунок 6.3 – Зал с круглой формой плана


Рисунок 6.4 – Формы членения стены секциями

Для исключения возможности «театрального эха» необходимо предотвратить прямые интенсивные отражения от задней стены зала в сторону сцены путем придания потолку или стене наклона для направления отражений к слушателям (рис. 6.6), членения стены для рассеивания отражений, или облицовки стены эффективными звукопоглотителями.

При назначении членений потолка или стен не следует использовать поперечные прямоугольные пилястры или ребра (рис. 6.5). Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, при этом возникают зоны, лишенные полезных отражений.


Рисунок 6.5 – Отражения от поперечных пилястр или ребер

Сильно рассеивающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных к слушателям. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Наиболее эффективны элементы, имеющие криволинейное выпуклое (рис. 6.7) или треугольное сечение, так как они рассеивают также и более короткие волны.

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от их шага. Заштрихованная область на рис. 6.8 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в соответствующих областях частот.


а – наклон задней стены; б – наклонный участок потока; в – наклон участка потолка и задней стены; г – острый угол между потолком и задней стеной

Рисунок 6.6 – Рациональные типы примыкания потолка к задней стене


Рисунок 6.7 – Образование диффузных отражений от поверхности

с рельефом полукруглого сечения


а - ширина и глубина элементов; б – шаг членения; в – частотные границы, в пределах которых отраженный звук будет рассеянным

Рисунок 6.8 – Профили элементов членения диффузно отражающей поверхности

Пилястры выпуклого и треугольного сечения, как изложено выше, рассеивают также и более высокие частоты по сравнению с указанными на рисунке. Мелкие элементы размеров 10-20 см рассеивают частоты выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание в области частот 200–600 Гц дают пилястры размерами 1–2 м по ширине и 0,5–1 м по глубине при шаге членения 2–4 м. Если поверхности таких пилястр подвергнуть дальнейшему членению мелкими деталями выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений усиливается, если их шаг нерегулярен. Членение с мелким регулярным шагом 5–20 см (например, отделка поверхностей рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические высокочастотные отражения коротких звуковых импульсов (хлопков, ударов), в результате чего возникает искажение звука.




Балконы, ложи и непараллельные стены повышают диффузность звукового поля зала на таких низких частотах, на которых пилястры не дают достаточного рассеивания.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что снижает объем зала, уменьшает его длину и увеличивает диффузность поля.

Отношение выноса балкона a1 к средней высоте подбалконного пространства h1 должно быть не более 1,5 (рис. 6.9). Такое же отношение должно соблюдаться и в ложах. Если над балконом нет выше расположенного балкона, то отношение a2/h2 может быть увеличено до 2 (см. рис. 6.9). При соблюдении указанного условия достигаются хорошая слышимость и разборчивость в глубине пазух над балконом и под ним. Наклон потолка пазух также улучшает слышимость.


Рисунок 6.9 – Целесообразные пропорции балконного пространства

Для улучшения распределения отраженного звука передней частью потолка предусматривают устройство над эстрадой или авансценой отражателя выпуклой формы (рис. 6.11), что к тому же обеспечивает хорошее распределение отраженного звука при различных положениях источника. Отражатель должен иметь массу не менее 20 кг/м 2 и может быть выполнен из железобетона, штукатурки по сетке или другого материала с коэффициентом отражения порядка 0,1. Линейные размеры отражателя связаны с нижней частотной границей регулируемого отражения. Например, для усиления речи размеры отражателя должны быть не менее 110 см, для музыки – 6 м. При построении точка геометрического отражения берется на расстоянии 0,5 м от края отражателя.


Q1 и Q2 – положения источника звука

Рисунок 6.10 – Формирование отражений от плоского горизонтального потолка

Формирование диффузного звукового поля

При акустическом проектировании следует сочетать противоречащие друг другу требования: направленность первых звуковых отражений и достаточная диффузность звукового поля.

Для обеспечения достаточной диффузности звукового поля необходимо, чтобы значительная часть внутренних поверхностей зала создавала рассеянное ненаправленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, описанными выше секциями и другого типа членениями.

Гладкие большие поверхности не способствуют хорошей диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (например боковые стены), т.к. в результате многократного отражения звука между ними может возникнуть “порхающее эхо”. Расчленение таких поверхностей ослабляет этот эффект. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (на 2,5–6 о )

На поверхностях, создающих направленные малозапаздывающие по отношению к прямому звуку отражения членение обычно отсутствует. Если же оно имеется, то не должно создавать сильного рассеивания звука. Таковы секции потолка, показанные на рис. 10 б и в. Эти секции дают направленные отражения и несколько рассеивают отраженный звук.

На поверхностях, дающих малозапаздывающие отражения, недопустимо устройство поперечных прямоугольных пилястр или ребер (рис. 14).Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, при этом возникают зоны, лишенные геометрических отражений.


Рис. 14. Отражения от поперечных пилястр или ребер.

Сильно рассевающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных к слушателям. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Наиболее эффективны элементы, имеющие криволинейное выпуклое (рис. 15) или треугольное сечение, т.к. они рассеивают также и более короткие волны.

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от их шага. Заштрихованная область на рис. 16 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в соответствующих областях частот.


Рис. 15. Образование диффузных отражений от поверхности

с рельефом полукруглого сечения.


Рис. 16. Профили элементов членения диффузно отражающей поверхности:

а – ширина и глубина элементов; б – шаг членения; в – частотные границы,

в пределах которых отраженный звук будет рассеянным

Пилястры выпуклого и треугольного сечения, как было сказано выше, рассеивают также и более высокие частоты по сравнению с указанными на рисунке. Мелкие элементы размером 10–20 см рассеивают частоты выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание в области частот 200–600 Гц дают пилястры размерами 1–2 м по ширине и 0,5–1 м по глубине при шаге членения 2–4 м. Если поверхности таких пилястр подвергнуть дальнейшему членению мелкими деталями выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений улучшается, если их шаг нерегулярен. Членение с мелким регулярным шагом 5–20 см (например, отделка поверхностей рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические отражения коротких звуковых импульсов (хлопков, ударов), в результате чего возникает искажение звука.

Балконы, ложи и непараллельные стены повышают диффузность звукового поля зала на таких низких частотах, на которых пилястры не дают достаточного рассеивания.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что снижает объем зала, уменьшает его длину и увеличивает диффузность поля.


Рис. 17. Целесообразные пропорции балконного пространства:

Отношение выноса балкона a1 к средней высоте подбалконного пространства h1 должно быть не более 1,5 (рис.17). Такое же отношение должно соблюдаться и в ложах. Если над балконом нет выше расположенного, то отношение a2/h2 может быть увеличено до 2 (см. рис. 17). При соблюдении указанного условия достигаются хорошая слышимость и разборчивость в глубине пазух над балконом и под ним. Наклон потолка пазух также улучшает слышимость.




Итак, основными условиями, обеспечивающими диффузность звукового поля, являются

– отсутствие резких различий в основных размерах зала,

– не параллельность стен,

– членение значительной части внутренних поверхностей.


Рис. 18. Зависимость оптимальных значений времени реверберации

от объема помещения для частоты 500 Гц:

1 – хоровая и органная музыка; 2 – среднее значение для музыки;

3 – легкая музыка; 4 – среднее значение для речи; 5 – звуковые фильмы.

Расчет времени реверберации зала

Процесс затухания звука в помещении при выключении действующего стационарного источника называется реверберацией. Для акустических оценок помещения используют стандартное время реверберации, которое является основной количественной характеристикой, и представляет собой время, в течение которого уровень звукового давления снижается на 60 дБ.

Рекомендуемое время реверберации проектируемого помещения принимается по графикам, предложенным в литературе, в зависимости от объема и назначения зала и обеспечивается путем соответствующей корректировки объема помещения и его внутренней отделки. В качестве примера на рис. 18 приведены рекомендуемые пределы времени реверберации для залов различного назначения для частоты 500 Гц.

Допускается отличие расчетного времени реверберации от рекомендуемого не более чем на 10 % на средних и высоких частотах, на частотах менее 500 Гц возможно некоторое увеличение времени реверберации с тем, чтобы на частоте 125 Гц расхождение не превышало 40 %.

Расчетные зависимости для определения времени реверберации справедливы для диффузного звукового поля. Следовательно, в проектируемых помещениях необходимо обеспечить достаточную степень диффузности звукового поля и сформировать правильное распределение отраженного звука, направляя большую его часть на удаленные от источника зрительные места.

Профессор Гарвардского университета В.Сэбин в начале 20 века экспериментально показал, что время реверберации прямо пропорционально воздушному объему помещения V и обратно пропорционально среднему коэффициенту звукопоглощения и суммарной площади ограждающих поверхностей S, и вывел формулу, удобную для вычисления времени реверберации:

здесь k – коэффициент, зависящий от формы зала, значения которого приведены в табл. 4.

Средний коэффициент звукопоглощения для зала на данной частоте определяется как:

где S – общая площадь внутренних поверхностей, м 2 ; A – общая эквивалентная площадь звукопоглощения зала, м 2 , рассчитываемая по формуле

где – сумма произведений площадей отдельных поверхностей , м 2 на их коэффициенты звукопоглощения для данной частоты; – сумма эквивалентных площадей звукопоглощения, м 2 слушателей и кресел; – добавочное звукопоглощение осветительной арматурой и другим оборудованием и звукопоглощение, вызываемое проникновением звуковых волн в различные щели и отверстия.

Таким образом, средний коэффициент звукопоглощения соответствует единому материалу, которым могли быть обработаны все внутренние поверхности зала, при котором обеспечивается общее звукопоглощение .

Формула Себина (5) позволяет достаточно точно определять время реверберации «живых» помещений, т.е. при небольших значениях среднего коэффициента звукопоглощения . В случае «мертвых» помещений ( ) более точной оказывается формула Эйринга (США, 1930)

здесь обозначения соответствуют принятым в формуле (5).

На частотах выше 1000 Гц существенное значение имеет поглощение звука в воздушном объеме зала и время реверберации рекомендуется определять по формуле

где m – коэффициент, м –1 , учитывающий поглощение звука в воздухе и зависящий от температуры и относительной влажности воздуха; остальные обозначения те же, что в формуле (5).

Расчет времени реверберации проводится для пустого зала и для зала, заполненного на 70 % зрителями.

Чтобы время реверберации менее зависело от процента заполнения мест, целесообразно оборудовать зал мягкими или полумягкими обитыми воздухопроницаемой тканью. В залах с жесткими креслами, обладающими незначительным звукопоглощением, время реверберации пустого или малозаполненного зала сильно возрастет по сравнению с заполненным.

При расчете времени реверберации в залах со сценической коробкой, оборудованной декорациями, кулисами и т.п. и отделенной от зала порталом, объем и площади внутренних поверхностей сцены не учитываются, а вводится площадь проема сцены (в плоскости портала) с соответствующими коэффициентами звукопоглощения.

Время реверберации зала, как правило, рассчитывают для частот 125, 500 и 2000 Гц, округляя до 0,05 с.

Если время реверберации оказывается меньше рекомендуемого, следует увеличить объем зала, если больше – убавить, по возможности объем и увеличить звукопоглощение.

Формирование диффузного звукового поля

При акустическом проектировании следует сочетать противоречащие друг другу требования: направленность первых звуковых отражений и достаточная диффузность звукового поля.

Для обеспечения достаточной диффузности звукового поля необходимо, чтобы значительная часть внутренних поверхностей зала создавала рассеянное ненаправленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, описанными выше секциями и другого типа членениями.

Гладкие большие поверхности не способствуют хорошей диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (например боковые стены), т.к. в результате многократного отражения звука между ними может возникнуть “порхающее эхо”. Расчленение таких поверхностей ослабляет этот эффект. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (на 2,5–6 о )

На поверхностях, создающих направленные малозапаздывающие по отношению к прямому звуку отражения членение обычно отсутствует. Если же оно имеется, то не должно создавать сильного рассеивания звука. Таковы секции потолка, показанные на рис. 10 б и в. Эти секции дают направленные отражения и несколько рассеивают отраженный звук.

На поверхностях, дающих малозапаздывающие отражения, недопустимо устройство поперечных прямоугольных пилястр или ребер (рис. 14).Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, при этом возникают зоны, лишенные геометрических отражений.


Рис. 14. Отражения от поперечных пилястр или ребер.

Сильно рассевающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных к слушателям. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Наиболее эффективны элементы, имеющие криволинейное выпуклое (рис. 15) или треугольное сечение, т.к. они рассеивают также и более короткие волны.

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от их шага. Заштрихованная область на рис. 16 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в соответствующих областях частот.


Рис. 15. Образование диффузных отражений от поверхности

с рельефом полукруглого сечения.


Рис. 16. Профили элементов членения диффузно отражающей поверхности:

а – ширина и глубина элементов; б – шаг членения; в – частотные границы,

в пределах которых отраженный звук будет рассеянным

Пилястры выпуклого и треугольного сечения, как было сказано выше, рассеивают также и более высокие частоты по сравнению с указанными на рисунке. Мелкие элементы размером 10–20 см рассеивают частоты выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание в области частот 200–600 Гц дают пилястры размерами 1–2 м по ширине и 0,5–1 м по глубине при шаге членения 2–4 м. Если поверхности таких пилястр подвергнуть дальнейшему членению мелкими деталями выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений улучшается, если их шаг нерегулярен. Членение с мелким регулярным шагом 5–20 см (например, отделка поверхностей рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические отражения коротких звуковых импульсов (хлопков, ударов), в результате чего возникает искажение звука.

Балконы, ложи и непараллельные стены повышают диффузность звукового поля зала на таких низких частотах, на которых пилястры не дают достаточного рассеивания.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что снижает объем зала, уменьшает его длину и увеличивает диффузность поля.


Рис. 17. Целесообразные пропорции балконного пространства:

Отношение выноса балкона a 1 к средней высоте подбалконного пространства h 1 должно быть не более 1,5 (рис.17). Такое же отношение должно соблюдаться и в ложах. Если над балконом нет выше расположенного, то отношение a2/h2 может быть увеличено до 2 (см. рис. 17). При соблюдении указанного условия достигаются хорошая слышимость и разборчивость в глубине пазух над балконом и под ним. Наклон потолка пазух также улучшает слышимость.

Итак, основными условиями, обеспечивающими диффузность звукового поля, являются

– отсутствие резких различий в основных размерах зала,

– не параллельность стен,

– членение значительной части внутренних поверхностей.


Рис. 18. Зависимость оптимальных значений времени реверберации

от объема помещения для частоты 500 Гц:

1 – хоровая и органная музыка; 2 – среднее значение для музыки;

3 – легкая музыка; 4 – среднее значение для речи; 5 – звуковые фильмы.

Расчет времени реверберации зала

Процесс затухания звука в помещении при выключении действующего стационарного источника называется реверберацией. Для акустических оценок помещения используют стандартное время реверберации, которое является основной количественной характеристикой, и представляет собой время, в течение которого уровень звукового давления снижается на 60 дБ.

Рекомендуемое время реверберации проектируемого помещения принимается по графикам, предложенным в литературе, в зависимости от объема и назначения зала и обеспечивается путем соответствующей корректировки объема помещения и его внутренней отделки. В качестве примера на рис. 18 приведены рекомендуемые пределы времени реверберации для залов различного назначения для частоты 500 Гц.

Допускается отличие расчетного времени реверберации от рекомендуемого не более чем на 10 % на средних и высоких частотах, на частотах менее 500 Гц возможно некоторое увеличение времени реверберации с тем, чтобы на частоте 125 Гц расхождение не превышало 40 %.

Расчетные зависимости для определения времени реверберации справедливы для диффузного звукового поля. Следовательно, в проектируемых помещениях необходимо обеспечить достаточную степень диффузности звукового поля и сформировать правильное распределение отраженного звука, направляя большую его часть на удаленные от источника зрительные места.

Профессор Гарвардского университета В.Сэбин в начале 20 века экспериментально показал, что время реверберации прямо пропорционально воздушному объему помещения V и обратно пропорционально среднему коэффициенту звукопоглощения и суммарной площади ограждающих поверхностей S, и вывел формулу, удобную для вычисления времени реверберации:

здесь k – коэффициент, зависящий от формы зала, значения которого приведены в табл. 4.

Средний коэффициент звукопоглощения для зала на данной частоте определяется как:

где S – общая площадь внутренних поверхностей, м 2 ; A – общая эквивалентная площадь звукопоглощения зала, м 2 , рассчитываемая по формуле

где – сумма произведений площадей отдельных поверхностей , м 2 на их коэффициенты звукопоглощения для данной частоты; – сумма эквивалентных площадей звукопоглощения, м 2 слушателей и кресел; – добавочное звукопоглощение осветительной арматурой и другим оборудованием и звукопоглощение, вызываемое проникновением звуковых волн в различные щели и отверстия.

Таким образом, средний коэффициент звукопоглощения соответствует единому материалу, которым могли быть обработаны все внутренние поверхности зала, при котором обеспечивается общее звукопоглощение .

Формула Себина (5) позволяет достаточно точно определять время реверберации «живых» помещений, т.е. при небольших значениях среднего коэффициента звукопоглощения . В случае «мертвых» помещений ( ) более точной оказывается формула Эйринга (США, 1930)

здесь обозначения соответствуют принятым в формуле (5).

На частотах выше 1000 Гц существенное значение имеет поглощение звука в воздушном объеме зала и время реверберации рекомендуется определять по формуле

где m – коэффициент, м –1 , учитывающий поглощение звука в воздухе и зависящий от температуры и относительной влажности воздуха; остальные обозначения те же, что в формуле (5).

Расчет времени реверберации проводится для пустого зала и для зала, заполненного на 70 % зрителями.

Чтобы время реверберации менее зависело от процента заполнения мест, целесообразно оборудовать зал мягкими или полумягкими обитыми воздухопроницаемой тканью. В залах с жесткими креслами, обладающими незначительным звукопоглощением, время реверберации пустого или малозаполненного зала сильно возрастет по сравнению с заполненным.

При расчете времени реверберации в залах со сценической коробкой, оборудованной декорациями, кулисами и т.п. и отделенной от зала порталом, объем и площади внутренних поверхностей сцены не учитываются, а вводится площадь проема сцены (в плоскости портала) с соответствующими коэффициентами звукопоглощения.

Время реверберации зала, как правило, рассчитывают для частот 125, 500 и 2000 Гц, округляя до 0,05 с.

Если время реверберации оказывается меньше рекомендуемого, следует увеличить объем зала, если больше – убавить, по возможности объем и увеличить звукопоглощение.

Предотвращение концентрации отраженного звука

В залах не должно быть вогнутых поверхностей, обладающих свойством концентрировать отражаемый ими звук. Концентрация звука при малом запаздывании приводит к ухудшению разборчивости речи, а при большом запаздывании к появлению сильного эха.

Для предотвращения концентрации звука радиус кривизны отражающей поверхности (стены или потолка) должен по крайней мере в два раза превышать расстояние от отражающей поверхности до источника.

По той же причине залы, имеющие в плане круглую, овальную, подковообразную или другую форму с вогнутыми стенами допустимы лишь при специальном расчленении вогнутых поверхностей, предотвращающем концентрацию отраженного звука (рис. 12).

Выпуклые поверхности (рис. 13), наоборот, создают рассеянное отражение звука и повышают диффузность звукового поля.


Рис. 9. Рациональные типы примыкания потолка к задней стенке

а – наклон задней стены; б – наклонный участок потолка; в – наклон участка потолка и задней стены; г – острый угол между потолком и задней стеной


Рис. 10. Расчленение потолка секциями

а – неудовлетворительные очертания секций;

б, в – удовлетворительные очертания секций


Рис. 11. Звукоотражатели в передней части боковых стен.


Рис. 12. Зал с круглой формой плана

а – распределение звуковых отражений;

1, 2 – концентрация соответственно первых и вторых отражений;

б – эффективное членение стен.


Рис. 13. Формы членения стены секциями.

Формирование диффузного звукового поля

При акустическом проектировании следует сочетать противоречащие друг другу требования: направленность первых звуковых отражений и достаточная диффузность звукового поля.

Для обеспечения достаточной диффузности звукового поля необходимо, чтобы значительная часть внутренних поверхностей зала создавала рассеянное ненаправленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, описанными выше секциями и другого типа членениями.

Гладкие большие поверхности не способствуют хорошей диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (например боковые стены), т.к. в результате многократного отражения звука между ними может возникнуть “порхающее эхо”. Расчленение таких поверхностей ослабляет этот эффект. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (на 2,5–6 о )

На поверхностях, создающих направленные малозапаздывающие по отношению к прямому звуку отражения членение обычно отсутствует. Если же оно имеется, то не должно создавать сильного рассеивания звука. Таковы секции потолка, показанные на рис. 10 бив. Эти секции дают направленные отражения и несколько рассеивают отраженный звук.

На поверхностях, дающих малозапаздывающие отражения, недопустимо устройство поперечных прямоугольных пилястр или ребер (рис. 14).Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, при этом возникают зоны, лишенные геометрических отражений.


Рис. 14. Отражения от поперечных пилястр или ребер.

Сильно рассевающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных к слушателям. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Наиболее эффективны элементы, имеющие криволинейное выпуклое (рис. 15) или треугольное сечение, т.к. они рассеивают также и более короткие волны.

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от их шага. Заштрихованная область на рис. 16 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в соответствующих областях частот.


Рис. 15. Образование диффузных отражений от поверхности

с рельефом полукруглого сечения.


Рис. 16. Профили элементов членения диффузно отражающей поверхности:

а – ширина и глубина элементов; б – шаг членения; в – частотные границы,

в пределах которых отраженный звук будет рассеянным

Пилястры выпуклого и треугольного сечения, как было сказано выше, рассеивают также и более высокие частоты по сравнению с указанными на рисунке. Мелкие элементы размером 10–20 см рассеивают частоты выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание в области частот 200–600 Гц дают пилястры размерами 1–2 м по ширине и 0,5–1 м по глубине при шаге членения 2–4 м. Если поверхности таких пилястр подвергнуть дальнейшему членению мелкими деталями выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений улучшается, если их шаг нерегулярен. Членение с мелким регулярным шагом 5–20 см (например, отделка поверхностей рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические отражения коротких звуковых импульсов (хлопков, ударов), в результате чего возникает искажение звука.

Балконы, ложи и непараллельные стены повышают диффузность звукового поля зала на таких низких частотах, на которых пилястры не дают достаточного рассеивания.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что снижает объем зала, уменьшает его длину и увеличивает диффузность поля.


Рис. 17. Целесообразные пропорции балконного пространства:

Отношение выноса балкона a1к средней высоте подбалконного пространстваh1должно быть не более 1,5 (рис.17). Такое же отношение должно соблюдаться и в ложах. Если над балконом нет выше расположенного, то отношениеa2/h2может быть увеличено до 2 (см. рис. 17). При соблюдении указанного условия достигаются хорошая слышимость и разборчивость в глубине пазух над балконом и под ним. Наклон потолка пазух также улучшает слышимость.

Итак, основными условиями, обеспечивающими диффузность звукового поля, являются

– отсутствие резких различий в основных размерах зала,

– не параллельность стен,

– членение значительной части внутренних поверхностей.


Рис. 18. Зависимость оптимальных значений времени реверберации

от объема помещения для частоты 500 Гц:

1 – хоровая и органная музыка; 2 – среднее значение для музыки;

3 – легкая музыка; 4 – среднее значение для речи; 5 – звуковые фильмы.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Читайте также: