Автор Тема: Три взгляда на акустику помещений (Часть 4)  (Прочитано 2025 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 4)
« Ответ #1 : Ноябрь 14, 2012, 12:47:44 pm »
Иное положение складывается в помещениях небольшого объема, например в речевых (дикторских) студиях и жилых комнатах. Известны жалобы дикторов, что их голос в речевых студиях звучит совершенно необычно, неприятно, ощущается "бубнение". Объясняется это тем, что в помещениях небольшого объема основная резонансная частота попадает в область хорошо слышимых звуков. Для борьбы с этим неприятным явлением приходится либо значительно уменьшать время реверберации путем использования в студии эффективно поглощающих материалов, либо ограничивать полосу пропускания электрического тракта ниже 250–300 Гц. "Бубнение" свойственно и многим жилым комнатам. Устранить этот недостаток почти невозможно, так как нет дешевых материалов, эффективно поглощающих звуковую энергию в области 100 Гц и ниже.

Особенно выражены резонансы в помещениях с совпадающими линейными размерами. В этом случае совпадают резонансные частоты, обусловленные стоячими волнами в разных плоскостях. Наихудшим в акустическом отношении является помещение кубической формы, наилучшим – помещение, пропорции которого приближаются к "золотому сечению". Заключение, сделанное акустиками древности, нашло подтверждение в выводах волновой теории.

Дж. В. Стретт в "Теории звука" отметил наблюдавшееся им вырождение спектра собственных частот в помещении с преобладанием одного из линейных размеров и, следовательно, с преобладанием одного из видов собственных колебаний: "В моем доме есть подземный коридор, в котором можно, пропев надлежащую ноту, возбудить свободные колебания, продолжающиеся много секунд, и часто случается, что звучащая нота сопровождается отчетливыми биениями." Эти биения порождаются одновременным возбуждением двух близких собственных частот.

Каждый человек обнаружит резонансные частоты помещения, пропев несколько звуков разной частоты. Помещение отзовется на некоторые из них усилением колебаний.

Убедиться, что помещение небольшого объема с совпадающими линейными размерами обладает обедненным спектром собственных частот, можно, проделав простой опыт. В слабо заглушенном помещении (например, ванной комнате), стены которого покрыты кафельными плитками, ударьте в ладоши. Вместо ожидаемого шумового отклика вы услышите звенящий звук с заметно выраженной высотой тона. Это объясняется бедностью спектра собственных частот такого помещения.

Стретт заметил, что люди с особо развитым слухом, например слепые, обладают способностью решить обратную задачу: анализируя каким-то неведомым способом спектр отзвука, они определяют линейные размеры помещения и их пропорции.

Коэффициент поглощения с позиций волновой теории. Волновая теория дала ответ на вопрос, имеющий практическое значение при сооружении различных залов и аудиторий: почему звукопоглощающие материалы, коэффициенты поглощения которых определены в звукомерной камере, ведут себя в помещении иным образом, как будто их коэффициенты поглощения отличаются от измеренных и указанных в справочниках.

В звукомерной камере материал, как правило, исследуют в диффузном поле. Коэффициент поглощения определяется усреднением по всем углам падения звуковых волн, интегрально. Но коэффициент поглощения многих материалов зависит от угла падения волны. Поэтому поглощение материала в зале даже на близких частотах будет зависеть от типа волны – осевого, касательного, косого. А от образующегося типа волны зависят углы, под которыми волны падают на преграду. Для большинства пористых материалов коэффициент поглощения растет с увеличением угла падения по закону a(q) = a(0)/cos(q), где a(0) – коэффициент поглощения при нормальном (перпендикулярном) падении, а q – угол между нормалью и направлением падающей на преграду волны. Но при приближении q к 90° a резко уменьшается в результате скольжения волны вдоль преграды (рис. 6). Поэтому в помещении материал ведет себя иначе, чем в звукомерной камере.
   
Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения a пористого материала от угла падения звуковой волны

Кроме того, из-за нестационарности звукового поля a зависит не только от свойств материала преграды, но и от общего поглощения помещения A = aсрS. Поэтому коэффициент поглощения одного и того же материала в разных помещениях может отличаться в 1,5–2 раза. Правда, учитывая, что оптимум времени реверберации – понятие несколько неопределенное и что расчеты времени реверберации в силу высказанных ранее причин носят приближенный характер, с такими тонкостями поведения звукопоглощающих материалов чаще всего не считаются.

Противоположность и единство теорий. При всей разнице в подходах к объяснению акустических процессов в помещениях статистическая и волновая теории дополняют друг друга и потому в известной мере работают на практику совместно.

В заключение настоящего раздела заметим следующее. Многие люди, попав в помещение с большой реверберацией, произносят: "Какой здесь резонанс!" Известный акустик В. Кнудсен высказался по этому поводу: "Те, кто смешивают процесс реверберации с резонансом, видимо, не так уж далеки от истины." Кнудсен этим высказыванием подчеркнул физическое единство акустических процессов, описываемых с разных точек зрения статистической и волновой теориями.

Принципиальное различие подходов к объяснению акустических процессов заключается в том, что в одном случае процесс отзвука рассматривается с помощью теории вероятностей усредненно, а в другом с волновых позиций определяются отклонения фактического хода процесса от "среднего".

Из оптики известно, что при уменьшении длины волны волновые законы приближаются к законам геометрической оптики. Точно так же в помещениях, размеры которых весьма велики по сравнению с длиной волны, можно пользоваться законами геометрической оптики, строить пути звуковых лучей, находить точки фокусов, определять запаздывание начальных отражений, т.е. использовать весь арсенал геометрической теории.
Геометрическая (лучевая) теория

Основные положения. Геометрическая (лучевая) теория акустических процессов в помещениях основана на законах геометрической оптики. Движение звуковых волн рассматривают подобно движению световых лучей. В соответствии с законами геометрической оптики при отражении от зеркальных поверхностей угол отражения b равен углу падения a, и падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Это справедливо, если размеры отражающих поверхностей много больше длины волны, а размеры неровностей поверхностей много меньше длины волны.

Характер отражения зависит от формы отражающей поверхности. При отражении от плоской поверхности (рис.7, а) возникает мнимый источник И', место которого ощущается на слух подобно тому, как глаз видит мнимый источник света в зеркале. Отражение от вогнутой поверхности (рис.7, б) приводит к фокусировке лучей в точке И'. Выпуклые поверхности (колонны, пилястры, крупные лепные украшения, люстры) рассеивают звук (рис.7, в).

Рис. 7

Роль начальных отражений. Немаловажным для слухового восприятия является запаздывание отраженных звуковых волн. Звук, излученный источником, доходит до преграды (например, стены) и отражается от нее. Процесс многократно повторяется с потерей при каждом отражении части энергии. На места слушателей (или в точку расположения микрофона) первые запаздывающее импульсы, как правило, приходят после отражения от потолка и стен зала (студии).

Вследствие инерционности слуха человек обладает способностью сохранять (интегрировать) слуховые ощущения, объединять их в общее впечатление, если они длятся не более 50 мс (точнее 48 мс). Поэтому к полезному звуку, подкрепляющему исходный, относятся все волны, которые достигают уха в течение 50 мс после исходного звука. Запаздыванию на 50 мс соответствует разница в пути 17 м. Концентрированные звуки, приходящие позднее, воспринимаются как эхо. Отражения от преград, укладывающиеся в указанный промежуток времени, являются полезными, желательными, так как они увеличивают ощущение громкости на значения, доходящие до 5 - 6 дБ, улучшают качество звучания, придавая звуку "живость", "пластичность", "объемность". Таковы эстетические оценки музыкантов.

Исследования начальных отражений методом акустического моделирования были проведены в Научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ) под руководством А. И. Качеровича. Изучалось влияние на качество звучания речи и музыки формы, объема, линейных размеров, размещения звукопоглощающих материалов. Получены интересные результаты.

Существенную роль играет направление прихода начальных отражений. Если запаздывающие сигналы, т.е. все ранние отражения, поступают к слушателю с того же направления, что и прямой сигнал, слух почти не различает разницы в качестве звучания по сравнению со звучанием только прямого звука. Возникает впечатление "плоского" звука, лишенного объемности. Между тем даже приход только трех запаздывающих сигналов по разным направлениям, несмотря на отсутствие реверберационного процесса, создает эффект пространственного звучания. Качество звучания зависит от того, с каких направлений и в какой последовательности приходят запаздывающие звуки. Если первое отражение поступает с фронтальной стороны, звучание ухудшается, а если с тыльной стороны, то резко ухудшается.

Весьма существенно время запаздывания начальных отражений по отношению к моменту прихода прямого звука и относительно друг друга. Длительности запаздывания должны быть различными для наилучшего звучания речи и музыки. Хорошая разборчивость речи достигается, если первый запаздывающий сигнал поступает не позже 10 - 15 мс после прямого, а все три должны занимать интервал времени 25 - 35 мс. При звучании музыки наилучшее ощущение пространственности и "прозрачности" достигается, если первое отражение приходит к слушателю не ранее 20 мс и не позже 30 мс после прямого сигнала. Все три запаздывающих сигнала должны располагаться в промежутке времени 45 - 70 мс. Наилучший пространственный эффект достигается, если уровни запаздывающих начальных сигналов незначительно отличаются друг от друга и от уровня прямого сигнала.

При подключении к структуре начальных отражений (первого, второго, третьего) остальной части отзвука наиболее благоприятное звучание получается в том случае, когда вторая часть процесса начинается после всех дискретных отражений. Подключение же процесса реверберации (отзвука) сразу же за прямым сигналом ухудшает качество звучания.

При обеспечении оптимальной структуры начальных (ранних) отражений звучание музыки остается хорошим даже при значительном (на 10 - 15%) отклонении времени реверберации от рекомендуемого. Достижение оптимального запаздывания отраженных сигналов по отношению к прямому звуку выдвигает требование к минимальному объему помещения, которое не рекомендуется нарушать. Между тем при проектировании помещения выбирают его размеры, исходя из заданной вместимости, т.е. решают задачу чисто экономически, что неправильно. Даже в небольшом концертном зале оптимальную структуру ранних отражений можно получить лишь при заданных высоте и ширине зала перед эстрадой, меньше которых спускаться нельзя. Известно, например, что звучание симфонического оркестра в зале с низким потолком существенно хуже, чем в зале с высоким потолком.

Полученные результаты дали возможность выработать рекомендации в отношении времени запаздывания и размеров зала. Учитывалось, что первый запаздывающий сигнал, как правило, приходит от потолка, второй - от боковых стен, третий - от задней стены зала. Разные требования по времени задержки начальных отражений объясняются особенностями речи и музыкальных звуков и различием решаемых акустических задач.
Вид звучания    Dt1, мс    Dt2, мс    Dt3, мс
Речь            10 - 15    15 - 22    25 - 45
Музыка     20 - 30    35 - 50    50 - 70

Чтобы добиться хорошей разборчивости речи, запаздывания должны быть сравнительно небольшими. При звучании музыки нужно подчеркнуть мелодическое начало, для обеспечения слитности звуков необходимо большее время запаздывания начальных отражений. Отсюда вытекают рекомендуемые размеры концертных залов: высота и ширина не менее 9 и 18,5 м соответственно и не более (у портала) 9 и 25 м.

Увеличивать высоту и ширину зала в некоторой мере можно лишь на расстоянии от портала сцены (эстрады), превышающем примерно 1/4 - 1/3 общей длины зала: высоту до 10,5 м, ширину до 30 м. Длину зала выбирают, учитывая необходимость получать на самых удаленных слушательских местах достаточную энергию прямого звука. Исходя из этого обстоятельства, рекомендуют выбирать длину зала по партеру не более 40 м, а по балкону - 46 м.

В таблице приводим сведения о геометрии некоторых залов, акустические качества которых считаются хорошими (n - вместимость зала, lп - наибольшее удаление слушателя от эстрады в партере, lб - то же на балконе, Dt1 - время запаздывания первого отражения).
Зал                                  n, чел    lп, м    lб, м    Dt1, мс
Колонный зал Дома союзов, Москва    -    -    -    24 - 28
Большой зал московской консерватории    1900    29    47    21 - 26
Малый зал московской консерватории    400    21    25    21 - 26
Зал Академической капеллы, С-Петербург    -    -    -    25 - 30
Концертный зал, Бостон             2630    40    45    -
Концертный зал, Нью-Йорк            2700    34    45    -
Концертный зал, Зальцбург            2700    34    45    -
Концертный зал, Каракас            2000    28    35    30

Таким образом, минимальные размеры помещения для воспроизведения музыки (высота и ширина) не связаны с его вместимостью, а определяются необходимой структурой начальных отражений. Даже если помещение предназначено для исполнения музыки в отсутствии слушателей (студия звукозаписи, звукового вещания, ателье записи музыки, зал прослушивания киностудии), его размеры должны определяться только качеством звучания музыки. "Экономить" на этих размерах - значительно ухудшать качество звучания.
« Последнее редактирование: Ноябрь 14, 2012, 12:54:17 pm от tehnadzor »