Автор Тема: Три взгляда на акустику помещений Часть 3  (Прочитано 2369 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

tehnadzor

  • Администратор
  • Инженер
  • *****
  • Сообщений: 1676
  • Рейтинг: +33/-0
    • Просмотр профиля
Три взгляда на акустику помещений Часть 3
« Ответ #1 : Ноябрь 14, 2012, 12:42:51 pm »
Реверберация с позиций слушателя и исполнителя. Рассмотрим, насколько правомерно при проектировании залов требование диффузности звукового поля, положенное в основу статистической теории.

При акустическом проектировании концертных и театральных залов выполнение требования диффузности поля и вытекающего из него требования равномерного распределения звукопоглощающих материалов по всем преградам приведет к тому, что значительная часть звуковой энергии будет бесцельно теряться. Тем самым пренебрегают интересами и слушателей, и исполнителя. Последний должен хорошо слышать себя и своих товарищей по ансамблю. Для этого необходимо, чтобы достаточно большое количество отраженной звуковой энергии возвращалось к исполнителю. Это тем более важно потому, что тесно расположенные в группе исполнители сами по себе поглощают значительную долю энергии, а значит в зоне их расположения дополнительное звукопоглощение должно быть сравнительно небольшим.

Оценить комфортность условий исполнения для певца можно на основании данных, приведенных в таблице.
Время реверберации, T, с    Условия исполнения (фонации)
T < 0,5             Исполнение затруднено, певец (чтец, актер, оркестрант) форсирует звучность, чтобы "услышать себя", и быстро утомляется
0,5 < T < 1             Исполнение затруднено, но опытный певец может приспособиться к неблагоприятным условиям
1 < T < 2             Ощущается некоторое неудобство при исполнении
2 < T < 4             Исполнитель поет непринужденно, без напряжения, хорошо чувствует собственный голос

Несколько меньшие значения времени реверберации являются комфортными для чтеца. Однако с позиций слушателя более приемлемо время реверберации от 1 до 1,7 с в зависимости от характера исполняемого произведения. Чтобы разрешить это противоречие, необходимо создать достаточно большую местную реверберацию в зоне расположения исполнителей. Эффективные звукопоглощающие материалы надо размещать на тех поверхностях, которые могут дать интенсивные отражения с большой разностью хода по отношению к прямому звуку. Остальные преграды покрывают звукопоглощающими материалами лишь в той мере, чтобы обеспечить нужную реверберацию в зале и не допустить неравномерного затухания разных частотных составляющих спектра звука.

Даже при проектировании студий следует относиться осмотрительно к рекомендации равномерно размещать звукопоглощающие материалы. В зоне расположения исполнителей желательно обеспечить большую реверберацию, чем в остальной части студии. Правда, при этом руководитель записи или передачи несколько скован в возможностях иного размещения ансамбля, например, выигрышного со зрелищных позиций, что имеет место при телевизионном вещании.

Слуховое ощущение реверберации. Не вся длительность процесса реверберации ощущается нашим слухом. Постоянная времени слуха t, характеризующая инерционные свойства слуха и соответствующая спаду слухового ощущения в е раз (уменьшению уровня громкости на 8,7 дБ), составляет по разным данным 0,125–0,15 с (по некоторым сведениям даже 0,165 с). Это соответствует спаду уровня интенсивности на 60 дБ, т.е. времени стандартной реверберации 0,86–1,05 с. Следовательно, процесс реверберации при Т < 0,86 с мало заметен на слух ввиду его маскировки собственным процессом спада слухового ощущения. Еще более он маскируется акустическими помехами (шумами) помещения. Поэтому длительность слышимой части отзвука составляет менее половины времени реверберации и реверберация при Т < 0,86 с мало ощущается нашим сознанием. Для ощущения полноты музыки время реверберации должно быть существенно больше 0,86 с. Как известно, этот оптимум составляет для различных музыкальных звучаний от 1 до 1,7 с.

Ограничения теории по диапазону частот и объему помещения. Рассмотрим ограничения на использование расчетов, основанных на статистической теории, по диапазону частот и объемам помещений.

Частотный диапазон слышимых звуков простирается от 20 до 20 000 Гц. Между тем акустические расчеты проводятся для интервала, ограниченного частотами 100–4000 Гц. Причина ограничения по верхним частотам очевидна из предыдущего. На частотах более 4 кГц в помещениях большого объема трудно разделить составляющие поглощения, обусловленные материалами и воздухом. Поэтому достоверные данные о коэффициентах поглощения материалов на более высоких частотах отсутствуют. Так же трудно, если не невозможно вовсе, получить достоверные данные о коэффициентах поглощения на частотах ниже 100 Гц. Линейные размеры образцов материалов должны быть, по крайней мере, соизмеримы с длиной волны. Для частоты 100 Гц это 3,4 м. Очевидно, что образцы столь значительных размеров нельзя разместить в звукомерных камерах, и об их свойствах на нижних частотах можно судить лишь приблизительно.

Нижний предел применения статистических методов по объему помещения обусловлен тем, что при размерах преград, соизмеримых с длиной волн, невозможно пользоваться понятием отражения волн.

Для оценки нижней границы по объему пользуются соотношением

Обоснование причины ограничения применимости статистических методов в помещениях большого объема требует более подробного объяснения. Предпосылки статистической теории тем ближе к действительности, чем большее количество отражений претерпевает звуковая энергия по мере затухания. Отсюда следует, что положения статистической теории не применимы к крупным помещениям и к помещениям с большим средним коэффициентом поглощения. В обоих случаях количество отражений оказывается слишком малым. Рассмотрим некоторые конкретные случаи.

    В помещении объемом 12 х 9 х 6 м3 и площадью преград 468 м2 средняя длина свободного пробега lср = 4V/S = 5,6 м. Пусть время реверберации помещения Т = 1 с. За это время звуковая волна, отражаясь от преград, пройдет путь 340 х 1 = 340 м, а количество отражений составит 340/5,6 = 60, что достаточно велико. Но если учесть, что слышимая часть отзвука составляет примерно одну треть от времени реверберации, то количество отражений будет равно всего 20.
    Для зала с линейными размерами 40, 30, 15 м, т.е. объемом 18000 м3, и площадью преград 4500 м2 имеем lср = 18000/4500 = 16 м, число отражений при T = 1 с составит 340/16 = 21, что совсем немного. За слышимую часть процесса реверберации количество отражений будет менее 10. Заметим, что даже при небольших размерах помещения положения статистической теории не всегда применимы.
    Пусть комната имеет размеры 6, 4 и 3 м. Ее объем 72 м3, площадь преград 69 м2. Тогда lср = 4 х 72/60 = 4,8 м. При времени реверберации комнаты 0,5 с и полезной части этого времени 0,2 с длина пути звуковой энергии составит 340 х 0,2 = 68 м, а количество отражений 68/4,8 = 14. Ясно, что при таких количествах отражений серьезная статистическая оценка процесса реверберации невозможна.

Из этих примеров видно, насколько формулы, по которым определяют время реверберации, основываются в некоторых случаях на спорных положениях.

В статистической теории не рассматриваются соотношение между энергией прямого и диффузного звука, энергия начальных, сравнительно редких отражений, направленные потоки энергии, фокусировка звука. Сфера ее рассмотрения – достаточно плотный временной ряд отражений, создающий слитную последовательность запаздывающих звуков. Ее выводы тем точнее, чем дальше находится точка наблюдения от точки расположения источника звука.

Статистическая теория имеет ряд уязвимых мест. Некоторые ее положения не находят подтверждения в повседневной практике, расходятся с ней. Она не объясняет акустических процессов на очень низких и очень высоких звуковых частотах, в небольших и очень больших помещениях, в помещениях с резким преобладанием какого-то линейного размера, с неравномерным распределением звукопоглощающих материалов.

Несмотря на это, она является мощным и действенным инструментом исследования и проектирования помещений, поскольку дает числовые значения параметров, характеризующих акустику помещений. Важно знать ее сильные и слабые стороны, с пониманием и осторожностью применять расчетные формулы и на этой основе сознательно пользоваться ее достижениями.
Волновая теория

Основные положения. В статистической теории отзвук рассматривается как затухание последовательного ряда отраженных звуковых импульсов, излученных источником звука. Подразумевается, что форма импульсов, следовательно, и их спектр, заданные источником звука, при отражениях остаются неизменными. Такое представление вызвало сомнения принципиального характера: ведь замкнутый воздушный объем помещения, если его размеры соизмеримы с длиной волны или больше ее, следует рассматривать как колебательную систему с распределенными параметрами, которая обладает спектром собственных (резонансных) частот. После прекращения действия источника звука, поддерживающего вынужденные колебания воздуха в помещении, в системе совершаются только собственные колебания, они затухают по мере поглощения энергии. В явлении реверберации нет места остаточному колебательному процессу, навязанному ранее действием вынуждающей внешней силы; отзвук есть собственное затухающее колебание воздушного объема с частотами, зависящими от размеров и формы помещения.

Следовательно, сутью реверберации являются не многократные отражения, а постепенно затухающие собственные колебания объемного резонатора, не зависящие от внешних влияний.

Такой взгляд положен в основу волновой теории акустических процессов в помещении.

Акустику помещений с позиции волновых, колебательных процессов анализировали Дж. В. Стретт, Бейль, Курант, Шустер и Ветцман, Кнудсен, Морз и Болт и другие. Среди разработчиков волновой теории в нашей стране следует в первую очередь назвать И.Г. Дрейзена и В.В. Фурдуева.

Большинство инженеров полагают, что волновая теория основана на анализе действия объемных электромагнитных резонаторов. Действительно, в обеих теориях есть много общего, включая расчетные соотношения. Но волновую теорию реверберации начали разрабатывать еще в середине прошлого века, значительно раньше статистической. Просто в ее разработке продвинулись меньше, чем в статистической.

Идеи, положенные в основу волновой теории, были впервые высказаны Дж. В. Стреттом (лордом Релеем). В “Основах акустики”, изданных впервые в 1877 г., приводится необходимый математический аппарат, причем со ссылкой на решение волнового уравнения для трехмерного пространства, данного Дюамелем (Duhamel) в математическом журнале “Liouville Journal Math.”, том XIY, 1849. Дюамель вывел выражение для собственного периода 1/fo объемного резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором длина волны

Отсюда

В приведенных выражениях l, b, h – линейные размеры, р, q, n – любые целые числа. В зависимости от значений коэффициентов р, q, n принята следующая классификация типов образующихся стоячих волн:

    осевые, когда два из трех коэффициентов равны нулю,
    касательные, когда один из коэффициентов равен нулю,
    косые, когда ни один из коэффициентов не равен нулю.

Осевые волны отражаются только от одной пары противоположных параллельных преград (стен), касательные – от двух пар (т.е. устанавливаются в плоскости, параллельной третьей паре преград), косые – от всех пар преград. Для многих материалов коэффициенты поглощения зависят от угла падения волны на преграду. В связи с этим волны разных типов затухают с разной скоростью. Затухание получается наибольшим для косых волн и наименьшим для осевых. Поэтому, когда источник звука возбуждает колебания разных типов, то различные собственные колебания, даже с близкими частотами, будут затухать с неодинаковой скоростью. В результате кривая спада интенсивности звука не будет иметь регулярного вида, который предписывается статистической теорией. Крутизна спада уровня на разных стадиях отзвука будет различной, и тогда теряется определенный смысл самого понятия времени реверберации. Процесс спада будет складываться из разных частных процессов и значит не будет изображаться экспоненциальной кривой (см. рис. 1а статьи, опубликованной в предыдущем номере), а будет следовать ей лишь в среднем. На него будут накладываться небольшие флуктуации, изображенные на рис. 2 (см. там же) штриховой линией. Практика показывает, что наличие малых флуктуаций благоприятно сказывается на оценке качества звучания. Поэтому значение статистической теории не только не снижается, а, наоборот, приобретает новую опору в выводах волновой теории. Итак, в статистической теории ход спада интенсивности рассчитывается методами теории вероятности, “в среднем”, а флуктуации фактического спада относительно усредненной формы определяются методами волновой теории.

Из волновой теории вытекает, что помещения простой правильной геометрической формы менее удовлетворяют условию диффузности поля, чем помещения сложной геометрической формы с непараллельными стенами, косо поставленными плоскостями или выпуклыми поверхностями, углублениями в виде кессонов. Разумеется, линейные размеры этих поверхностей должны быть соизмеримы с длиной волны или быть больше ее.

Спектр собственных частот. Приведем в качестве примеров результаты расчета длин волн и частот, соответствующих резонансным колебаниям в помещении в виде прямоугольного параллелепипеда с линейными размерами 10, 6, 4 м. Наибольшая длина волны будет в два раза больше максимального размера помещения, т.е. имеем 10х2 = 20 м. Результаты сведены в таблице, причем значения частот округлены до целых чисел.
Номера колебаний    Значения параметров    l, м    f, Гц
--------------------------------------------------------------                       
                        p       q    n
1                    1    0    0    20,0    17
2                    0    1    0    12,0    28
3                    1    1    0    10,3    33
4                    2    0    0    10,0    34
5                    0    0    1    8,0    42
6                    2    1    0    7,7    44
7                    1    0    1    7,4    46
8                    0    1    1    6,7    51
9                    1    1    1    6,3    54
10                    2    0    1    6,2    55
11                    0    2    0    6,0    57
12                    1    2    0    5,75    59
13                    0    0    2    4,0    85
14                    1    0    2    2,9    117

Из результатов расчета видно, что на нижних частотах резонансы следуют через значительные промежутки и должны привести к заметному изменению спектра отзвука по сравнению со спектром исходного звучания, следовательно, к изменению тембра отзвука. Между тем, повседневный опыт убеждает нас в обратном. Как объяснить это противоречие? Объяснение сводится к следующему. В той области частот, где резонансные частоты расположены редко, соответствующие частотные составляющие в спектре речевых и музыкальных сигналов почти не встречаются. Реальное значение могли бы иметь, например, 13 и 14 частоты, но интенсивность резонансных колебаний столь больших номеров невелика, поэтому заметного изменения тембра отзвука не произойдет. С увеличением частоты плотность резонансных частот быстро возрастает. Так, в области 500 Гц на 1 Гц полосы частот придется примерно 10 резонансных частот. В связи с этим в помещениях большого объема, какими являются концертные и театральные залы, ухудшения звучания не происходит.