Главная > Разное > Акустика (М. А. Сапожков)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

РАЗДЕЛ 7. АКУСТИКА СТУДИЙ И ДРУГИХ ПОМЕЩЕНИЙ

7.1. АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОМЕЩЕНИЙ

В системах связи и вещания помещения делят на два типа: такие, из которых ведется передача речи и художественных программ (передающее помещение), и такие, в которых ведется прием этих передач (приемное помещение). Из передающих помещений для вещания основным видом помещений являются студии, хотя в общем случае ими могут быть любые помещения, если, например, надо передавать актуальные программы. К приемным помещениям относятся все помещения, в которых могут находиться слушатели, как то: жилые комнаты, аудитории, концертные залы и театры, кинотеатры, вокзалы, заводские цехи и т.п. В ряде случаев, например при звукоусилении, приемное помещение совмещено с передающим. Для связи используют практически любые помещения, в которых может находиться человек.

Студия — это помещение, специально предназначенное для исполнения речевых и музыкальных программ. Радиовещательной или телевизионной называется студия, которая используется для создания программ радио или телевидения. На киностудиях эти помещения называются тонателье, в кинокомплексах телецентров — студиями озвучивания фильмов.

Для получения требуемых акустических характеристик помещений проводят их специальную акустическую обработку.

Рассмотрим сначала звуковые процессы, происходящие в помещениях, и их влияние на звуковые особенности воспринимаемой слушателями программы. Для помещений простой формы (например, прямоугольной) применяется волновая теория анализа характеристик. Но в инженерной практике пользуются более простыми, хотя и менее строгими, методами расчета, основанными на статистической теории рассмотрения процессов отзвука.

Согласно волновой теории собственные частоты помещения с длиной шириной и высотой определяются из выражения

где с — скорость звука воздухе; целые числа от нуля до бесконечности. Каждому из соотношений чисел соответствует одна из собственных частот помещения.

В качестве примера на рис. 7.1, а представлен спектр собственных частот воздушного объема помещения с размерами На рисунке показаны лишь частоты, лежащие в интервале Гц. В области низких частот, соответствующих малым значениям чисел собственна частоты отделены друг от друга сравнительно большими интервалами. Спектр собственных частот имеет здесь существенно дискретную структуру. В области более высоких частот спектр заметно уплотняется, интервалы между смежными собственными частотами сокращаются и число собственных колебаний в заданном участке спектра быстро увеличивается. В отдельных случаях различные формы собственных колебаний, т. е. формы, соответствующие различным комбинациям чисел могут совпадать по частоте. Такие формы отмечены на рис. 7.1, а удлиненными линиями. Стоящие над ними цифры указывают число форм с совпадающими частотами.

При выключении источника звука процесс затухания колебаний в нем происходит на всех собственных частотах помещения, причем на каждой из них он имеет вид

где показатель затухания, определяемый из условия отражения воли на границах помещения для собственной частоты; начальная амплитуда колебаний, например, звукового давления, определяемая из условия распределения амплитуд колебаний в помещении для собственной частоты.

Процесс затухания колебаний в помещении носит название реверберации. Кривая затухания звука не имеет монотонной формы из-за биения между Собственными частотами. На рис. 7.1, б изображена примерная временная структура реверберирующего сигнала в предположении экспоненциального затухания, когда уровень отраженных сигналов убывает с течением времени по линейному закону. В начальной стадии процесса отзвука структура отраженных сигналов (эхосигналов)

Рис. 7.1. Спектр собственных частот помещения (а) и временная структура реверберирующего сигнала в нем (б)

существенно дискретна. По мере возрастания времени запаздывания эхосигналы сближаются и затем образуют настолько плотную последовательность, что их можно считать сливающимися друг с другом.

В случае использования статистической теории реверберации пользуются следующими понятиями и величинами: диффузное поле, средняя длина свободного пробега среднее время свободного пробега средний коэффициент поглощения время реверберации время запаздывания первых (ранних) отражений четкость и прозрачнбсть, акустическое отношение радиус гулкости .

Диффузное поле — это поле, в котором энергия отраженных звуковых волн преобладает над энергией прямого звука. Отраженные звуковые волны движутся в помещении в различных направлениях. Если отзвук затухает не слишком быстро, то в любой точке помещения число налагающихся друг на друга волн с различными направлениями волнового вектора может быть достаточно большим для того, чтобы средние значения потока звуковой энергии по различным направлениям мало отличались друг от друга. Это свойство поля — равенство средних потоков энергии по различным направлениям — называется изотропией. Изотропия поля способствует равномерному распределению звуковой энергии по объему помещения, т. е. равенству средних значений плотности энергии в различных точках помещения. Это свойство носит название однородности поля. Таким образом, диффузное поле — это однородное и изотропное поле волн, движущихся в результате многократных отражений по всем направлениям.

Средняя длина свободного пробега определяется как среднеарифметическое значение длин отрезков между отражающими поверхностями, которые проходят звуковые волны:

Экспериментально установили, что для помещений прямоугольной формы средняя длина свободного пробега может быть определена исходя из его геометрических размеров следующим образом:

где площадь помещения, V — его объем.

Среднее время свободного пробега определяется как отношение средней длины свободного пробега к скорости звука

Средний коэффициент поглощения. При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энергии сигнала В зависимости от свойств отдельных участков отражающих поверхностей относительная убыль энергии при каждом отдельном отражении будет различной. При достаточно большом числе отражений можно говорить о среднем значении коэффициента поглощения

Если помещение состоит из участков площадью с различными коэффициентами поглощения то средний коэффициент поглощения

Величина имеющая размерность площади, называется общим поглощением помещения.

Реверберация. Представление о диффузном звуковом поле в помещениях и связанное с ним представление о возможности использования статистических величин дают возможность построить простую теорию нестационарных акустических процессов в помещениях — быстрого нарастания звуковой энергии после включения источника звука и постепенного ее снижения после выключения источника. Последний процесс (уменьшение энергии за счет ее поглощения) и представляет собой явление реверберации.

Можно получить, что в процессе нарастания плотность звуковой энергии в помещении увеличивается по закону:

Пусть в помещении достигнуто стационарное значение плотности энергии после чего источник звука выключается в момент Считая, что акты поглощения энергии происходят через равные промежутки времени причем после каждого акта поглощения в помещении остается доля начальной энергии, получаем последовательность убывающих во времени значений энергии:

После преобразования можно получить следующее выражение для определения уменьшения плотности энергии:

На рис. 7.2 представлены кривые, отображающие ход изменения вовремени плотности звуковой энергии и ее уровня в процессах нарастания звука и его уменьшения. Из них видно, что процесс реверберации (снижения уровня сигнала) играет при восприятии сигнала в помещении значительно большую

Рис. 7.2. Кривые процесса нарастания и снижения звуковых сигналов в линейном (а) и логарифмическом (б) масштабах

роль, чем процесс нарастания звука, так как он более растянут во времени.

Кривые на рис. 7.2 — идеализированные. В реальных условиях они получаются не такими плавными и монотонными, а несколько нестационарными.

Время реверберации (или стандартное время реверберации) — это такой интервал времени, в течение которого уровень звукового давления уменьшается на Это соответствует уменьшению звукового давления в раз, а плотности звуковой энергии в раз.

Время реверберации можно определить из последней приведенной формулы, подставив в нее и заменив на Т:

Отсюда находим

Сделав некоторые преобразования, получим самую распространенную формулу для определения времени реверберации, называемую формулой Эйринга:

где V — объем помещения; площадь внутренних ограничивающих поверхностей помещений; реверберационный коэффициент поглощения.

Переход от среднего коэффициента поглощения к реверберационному коэффициенту поглощения а и обратно можно осуществлять по таблицам или по рис. 7.3, а.

Как видно из рисунка, при небольших значениях среднего коэффициента поглощения оказывается, что При этом знаменатель формулы упрощается: формула для определения времени реверберации также упрощается и под названием «формула Сэбина» принимает вид

На высоких частотах (обычно свыше 2 кГц) нужно считаться с тем, что звуковая энергия поглощается не только при отражениях, но и на пути свободного пробега вследствие вязкости и теплопроводности воздуха. С учетом этого фактора формула Эйринга принимает вид

где - показатель затухания, равный обратной величине того пути, на котором плотность энергии уменьшается в раз. Величина зависит от влажности и от частоты. Зависимости от относительной влажности на различных частотах при комнатной температуре приведены на рис. 7.3, б.

Рис. 7.3. Кривые коэффициента поглощения

Эквивалентное время реверберации. Кроме стандартного времени реверберации, введено понятие эквивалентного времени реверберации, под которым подразумевают ощущаемое на слух вреля реверберации. Оно зависит от акустического отношения На рис. 7.4, а приведен график, иллюстрирующий эквивалентную реверберацию. Приближенно время эквивалентной реверберации можно найти по формуле

Результирующее время реверберации относится к понятию связанных помещений. Связанными помещениями называют помещения, в одном из которых находится первичный источник звука (это помещение называют первичным), в другом — слушатели (это помещение называют вторичным) — рис. 7.4, б. Связанные помещения могут иметь обратную связь, когда звуковые колебания из вторичного помещения могут переходить в первичное (обычно по акустическому каналу, например, через отверстия в смежной стене), без обратной связи, когда звуковые колебания передаются только в одном направлений из первичного помещения во вторичное, например, по электрическому каналу.

Рис. 7.4. Кривые эквивалентной и результирующей реверберации

На рис. 7.4, в приведены идеализированные кривые затухания уровня звукового давления в первичном и во вторичном (2) помещениях при условии их независимости и результирующая кривая (3) затухания уровня во вторичном помещении при передаче в него сигналов из первичного помещения. Кривая 3 результирующего сигнала затухания связанных помещений всегда выше 1 или 2, так как результирующее затухание происходит медленнее.

Результирующее время стандартной реверберации во вторичном помещении приближенно определяется по формуле Грез а эквивалентное время (график 4 на Рис. 7.4, в) — по формуле где стандартное время реверберации в первичном и вторичном помещениях. При наличии акустической обратной связи расчёт времени реверберации может быть выполнен, как и для обычных связанных систем с обратной связью.

Акустическое отношение и радиус гулкости также являются важнейшими характеристиками помещения.

Акустическое отношение — отношение плотности энергии отраженных звуковых волн (диффузной составляющей звукового поля) к плотности энергии прямого звука, или, что то же самое, отношение квадратов звуковых давлений диффузного поля и поля прямого звука

Акустическое отношение в децибелах где соответственно уровни поля отраженных звуков и прямого звука.

Акустическое отношение определяют для характерных точек помещения, в которых находятся слушатели (наиболее удаленных от источников звука, наиболее близких к ним, для точек с минимальным уровнем прямого звука и максимальным уровнем диффузного поля). Акустическое отношение для одиночного источника звука в заданной точке помещения для сферической волны

где - расстояние рассматриваемой точки от центра источника звука; средний коэффициент поглощения; общая площадь ограничивающих поверхностей помещения, коэффициент осевой концентрации источника звука; коэффициент его направленности под углом к акустической, оси по отношению к направленности в рассматриваемую точку.

Значения акустического отношения и уровня прямого звука для ряда конкретных

Случаев расположения громкоговорителей и их расчет см. в разд. 8.

Оптимальное значение акустического отношения для передачи речи находятся в пределах а для музыкальных передач Если акустическое отношение ниже этого предела, то передача звучит отрывисто, сухо. Если оно больше верхнего предела, то речь становится плохо разборчивой, а музыкальная передача — «загрязненной».

Радиусом гулкости называют расстояние от центра источника звука, для которого акустическое отношение равно единице, т. е. в этих точках уровни прямого и диффузного звуков равны друг другу. Для одиночного источника звука радиус гулкости

Кроме акустического отношения, введено понятие четкости реверберации, под которой подразумевают отношение суммы плотностей энергии (или квадрата звукового давления) прямого звука и отраженных звуковых волн, приходящих к слушателю через время менее по сравнению с приходом прямого звука, к общей плотности энергии (или квадрату звукового давления): Это отношение ближе к субъективному ощущению, чем акустическое отношение.

Время запаздывания первых (ранних) отражений и их структура, наряду с временем реверберации, имеет первостепенное значение для оценки зала. Отсутствие первых отражений в партере театра является одним из частых и типичных недостатков зала. Беранек разработал методику оценки акустики зала, по которой отмечает, что этот фактор в 3 раза весомее для акустики по сравнению с остальными. Время запаздывания первого отражения обусловливает впечатление «присутствия», «близости», «камерности» слушателя.

Впечатление слушателя о размерах зала определяется именно временем запаздывания первого отражения относительно прямого звука. Зал обладает акустической близостью, если исполняемая в нем музыка звучит так же, как и при исполнении в малом зале — «камерно». Время запаздывания первых отражений в таких залах не превышает

Субъективная оценка акустика зала — это вопрос весьма проблематичный. Трудности оценки определяются, во-первых, отсутствием необходимых понятий, которые могут характеризовать все свойства звучания и описания этих свойств; во-вторых, отсутствием до настоящего времени четких физических объективных критериев, с которыми можно было бы сопоставить данные субъективной оценки. Существует обширный словарь, которым пользуются музыканты для описания своего впечатления при слушании музыки. Этот словарь существенно отличается от того, которым пользуются акустики и вряд ли может быть связан с определенными физическими свойствами зала. Такие слова, как «воздушно», «превосходно», «восхитительно» невозможно перевести на язык конкретных понятий акустики. Более того, даже такой известный и наиболее простой физический критерий, как реверберация, далеко не всегда увязывается в представлении музыкантов с определенными акустическими свойствами.

Изучением субъективных характеристик зала много занимался Баранек. Он различает 18 субъективных оценок музыкально-акустического качества. Важнейшие из них следующие:

Полнота тона (звучность). В студии или концертном зале звук продолжает существовать в течение примерно двух секунд после того, как звук самого инструмента уже прекратился. Полнота тона зависит от совместного действия собственно времени реверберации и отношения громкости реверберирующего и прямого звука.

Чем больше отношение громкости реверберирующего звука к прямому, тем больше полнота тона. Для каждого жанра музыки характерно определенное соотношение. Так, старинные псалмы и органная музыка написаны для церквей — помещений с большей реверберацией и большим соотношением реверберирующего и прямого звука. В помещении с малой реверберацией таким произведениям не хватает полноты тона и они теряют свое обаяние. Громкость прямого звука определяется не только им самим, но и первыми отражениями, которые создаются ближайшими к инструменту поверхностями. Отношение громкости прямого и реверберирующего звукрв определяется таким образом временем реверберации и формой околосценического пространства (портальная часть зала).

Отчетливость звучания определяется как музыкальными факторами, так и акустикой помещения. Различают два вида четкости музыкального звучания — горизонтальную, т. е. отчетливость звучания последовательных тонов в мелодии, и вертикальную — отчетливость одновременно звучащих тонов в гармонии.

Акустические факторы, влияющие на горизонтальную четкость времени реверберации, и отношение громкости прямого и реверберирующего звука определяют полноту тона, но в обратном отношении. Из музыкальных факторов на горизонтальную четкость влияют темп исполнения и мастерство исполнителя. Вертикальная четкость определяется особенностями музыки, подбором одновременно звучащих тонов, исполнением, способностями слушателя. Акустические факторы, влияющие на вертикальную четкость, включают в себя баланс между различными инструментами, степень смешиваемости звуков различных инструментов, реверберацию, отношение громкости прямого и реверберирующего звуков.

Интимность (буквальный перевод с нем. и англ.), — присутствие, камерность, близость — помогает слушателю составить представление о размерах помещения, в котором исполняется произведение. Музыка звучит

Рис. 7.5. Спектральные уровни шумов в помещениях

так, как если бы она исполнялась в помещении малого размера. Интимность определяется временем запаздывания первого отражения.

В залах, имеющих интимную акустику, ограждающие поверхности устроены таким образом, что отражение от них приходит с запаздыванием в пределах Камерная музыка предназначается для исполнения в помещениях сравнительно малого размера с большой отчетливостью и относительно малой полнотой звучания.

Теплота (полнота басового тона) определяется как звучность басов по сравнению с звучностью средних тонов. Теплота обеспечивается в случае, когда время реверберации для низких частот равно или несколько больше реверберации на средних частотах.

Громкость прямого звука уменьшается с удалением от сцены. Наиболее благоприятным расстоянием при прослушивании прямого звука от оркестра является расстояние для отдельных инструментов и для солистов.

Баланс обеспечивается совместным действием многих факторов музыкального и акустического характера. Баланс должен иметь место как между разными группами инструментов оркестра, так и между оркестром, с одной стороны, и солирующим инструментом, с другой стороны. Баланс зависит от особенностей околосценического пространства, размещения оркестрантов и способностей дирижера и исполнителей.

Ансамбль. Ритмическая точность исполнения отдельных партий определяется тем, насколько хорошо музыканты слышат друг друга. Таким образом, чувство ансамбля зависит с акустической стороны от конструкции сцены или отражающих поверхностей вблизи оркестра.

Помимо этих качеств, характеризующих акустику зала, следует упомянуть такие, как яркость (наличие высоких частот), быстрота отзвука помещения, диффузность. Вне всякого сомнения, что в зале не должно образовываться эха и прослушиваться шум.

Акустические шумы являются одной из характеристик помещения. Эти шумы складываются из шумов от источников шума, находящихся в данном помещении, и из шумов, проникающих из других помещенийи с улицы. Шумы первого типа создаются людьми и аппаратурой, находящимися в данном помещении. На рис. 7.5 приведены спектральные уровни шумов, создаваемых людьми — так называемый речевой шум (кривая 1 соответствует речевому шуму в большом помещении, кривые 2 — в жилой комнате), а также нормы на шумы для предприятий связи: 3 — для цеха сортировки посылок; 4 — для стативного зала АТС, 5 - для цеха обработки периодической печати, 6 — для операционного зала.

В табл. 7.1 приведены уровни звукового давления в октавных полосах, создаваемых в


Таблица 7.1. (см. скан) Уровни шумов в производственных помещениях

Таблица 7.2. Расчетные уровни шумов в цехе сортировки


производственных помещениях связи. Некоторые из этих данных пересчитаны в спектральные уровни и также приведены на рис. 7.5 (кривые 3—6).

Если эти шумы превышают допустимые санитарные нормы, то стремятся снизить их. Одним из методов снижения уровня шумов является увеличение общего поглощения в помещении путем покрытия стен, потолка и пола материалами, эффективно поглощающими звук.

Пример. В цехе сортировки писем и посылок (уровни шумов см. в табл. 7.1) необходимо снизить шумы. Посмотрим, насколько можно снизить их путем обработки поверхностей помещения. До обработки средний коэффициент поглощения на всех частотах составлял 0,03 (типовая облицовка поверхностей помещений). Применяя специальные материалы, можно повысить средний коэффициент поглощения на всех частотах до 0,3.

Уровень звукового давления в установившемся режиме До обработки он был после обработки Вычитая из первого второе, получаем Таким образом, уровень шумов снизится на

Следовательно, уровни шумов будут около предельного спектра а именно будут иметь значения, приведенные в табл. 7.2.

Сравнение фактических уровней и уровней предельного спектра показывает, что на частоте 63 Гц уровень получился на 3 дБ ниже предельного, на частотах Гц — равный предельному и на частоте 8000 Гц — на выше его. Поэтому вполне можно взять такой поглощающий материал, который будет иметь на частоте 63 Гц коэффициент поглощения в 2 раза меньше (т. е. около 0,15), а на частотах выше 1000 Гц — в 1,25 раза больше (т. е. около 0,36). В этом случае фактические уровни совпадут с нормируемыми уровнями по кривой ПС-65.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление