Лекція № 9 Акустика закритих приміщень

 

Навчальна мета: ознайомитися з розрахунками реверберації та основами геометричної акустики.

Час: 70 хвилин.

Метод: лекція.

Місце: навчальна аудиторія.

Навчальні питання:

1. 20 хв.

2. 20 хв.

3. 20 хв.

6. Заключна частина – 10 хв. (підсумок лекції, відповіді на запитання).

Матеріально-технічне забезпечення: схеми, рисунки, збірники задач та матеріалів.

Джерела та література: 2, 3, 6.

План

9.1. Час реверберації та його розрахунки.

9.2. Основи геометричної акустики закритих приміщень.

9.3. Розбірливість мови в залах.

 

Мета лекції – повідомити студентам знання з архітектурної акустики і звукоізоляції, які дозволять освоїти методи використання акустичних процесів у практиці архітектурного проектування сучасних міст і будівель.

9.1. Час реверберації та його розрахунки

Область акустики, присвячена вивченню звукового поля в приміщенні та методам дії на його якість архітектурно-будівельними заходами, називається архітектурною акустикою.

Основи теорії архітектурної акустики були вперше розроблені У.Себіним. Ця теорія заснована на статистичному принципі розгляду процесів, що відбуваються в приміщеннях різного призначення. Разом з цією емпіричного характеру теорією існує хвилева теорія, що дозволяє розуміти фізичні процеси, з якими доводиться зустрічатися при акустичному проектуванні зальних приміщень.

Основні допущення, прийняті в статистичній теорії:

· при розгляді звукових хвиль, що поширюються, не враховуються інтерференційні явища, і тому правомірна оцінка звукового поля методом енергетичного підсумовування;

· звукове поле, що утворюється в приміщенні, приймається дифузним; це означає, що об'ємна щільність звукової енергії r у будь-якій точці звукового поля приймається однаковою.

Ці допущення, а також поправки, внесені в результаті проведених досліджень, дозволили розробити теоретичні основи акустичних розрахунків і методів, які адаптовані до практичної роботи архітекторів.

Основною характеристикою акустики при проектуванні залів для глядачів є ревербераційний процес; кількісною оцінкою його служить час реверберації.

Після припинення звучання джерела в приміщенні звук зникає немиттєво; звукові хвилі, багаторазово відбиваючись від поверхонь стін, стелі, підлоги і предметів, що знаходяться в приміщенні, приходять до слухача. При кожному віддзеркаленні втрачається частина енергії звуку; це супроводжується спадом у приміщенні рівня звукового тиску. Процес поступового завмирання звуку в приміщенні після припинення дії джерела звучання називають реверберацією.

На рис. 9.2 приведена ідеальна картина наростання і загасання енергії звуку в закритому приміщенні. Дійсна крива є складнішою внаслідок так званих флуктуацій.

 

Кількісною оцінкою реверберації служить швидкість спаду рівня сили звуку v_s, вимірювана в дБ/с. При достатній дифузності звукового поля швидкість спадання рівня сили при цій частоті можна вважати постійною і однаковою в усіх точках приміщення, незалежною від положення джерела звуку і від часу. Проте швидкість спаду рівня сили звуку різна для звуків різної частоти.

Середній рівень звукового тиску в залах складає близько 60 дБ. Тому виявилося зручним увести поняття стандартного часу реверберації, під яким розуміють час, необхідний для того, щоб щільність звукової енергії стандартного тону частотою 500 Гц зменшилася в процесі її вільного загасання до однієї мільйонної долі початкового значення. Але при зміні звукової енергії (при якій на об'єм 1 м³ доводиться звукова енергія 1 Дж) в 1млн. разів рівень звукового тиску збільшується на 60 дБ (). Відповідно, часстандартноїреверберації можна визначати як час, протягом якого рівень звукового тиску стандартного тону (f =500 Гц) зменшиться на 60дБ. Отримане У. Себіним емпіричним шляхом рівняння реверберації має вигляд:

,

тобто при дифузному звуковому полі час реверберації пропорційний об'єму приміщення V, м³, і обернено пропорційний до його сумарного звукопоглинання Σ α _n S_n.

Розрахунок часу реверберації проводиться для трьох частот: 125; 500 і 2000·Гц. При розрахунках виходять із 70% -ного заповнення від загального числа місць у залі. Еквівалентна площа звукопоглинання інших місць враховується для порожніх крісел (чи стільців). Згідно з дослідними даними, при заповненні слухачами місць у залі понад 70%, еквівалентна площа звукопоглинання зростає несуттєво.

При рішенні практичних завдань зазвичай будують два графіки: перший – у вигляді кривої, що характеризує зміну часу реверберації (для тону частотою 500 Гц) при порожньому залі і заповненні його на 50, 70 і 100%. Отриману криву потім порівнюють з оптимальним часом реверберації , який на графіку показують у вигляді заштрихованої смуги, що охоплює допустиме відхилення від оптимального часу на ±10%; другий – у вигляді кривої, що характеризує зміну часу реверберації при 70% -му заповненні залу для низьких, середніх і верхніх частот. Отриману криву також порівнюють з оптимальною частотною реверберацією. Після того, як знайдене еквівалентне звукопоглинання поглиначів A _екв, визначається середній коефіцієнт звукового поглинання внутрішніми поверхнями залу на заданій частоті з відношення:

.

При проектуванні акустики залів рекомендується застосовувати м'які і напівм'які крісла (з тканинною оббивкою або з перфорацією). Це зменшує залежність часу реверберації в залі від відсотка заповнених слухачами місць.

9.2. Основи геометричної акустики закритих приміщень

Час реверберації є необхідним, але іноді недостатнім критерієм оцінки якості звучання. У великих приміщеннях якість звучання оцінюється не лише часом реверберації, але і структурою ранніх віддзеркалень. Остання великою мірою зумовлюється формою і пластичною обробкою інтер'єру.

Допустимість застосування променевих віддзеркалень залежить від довжини звукової хвилі, розмірів віддзеркалювальної поверхні та її розташування по відношенню до джерела звуку і слухача. При цьому повинні дотримуватися наступні вимоги:

· найменша сторона відбивача має бути принаймні в 1,5 разів більше довжини звукової хвилі з частотою 300…400 Гц;

· точки віддзеркалення поверхні мають бути віддалені від країв відбиваючого екрану не менше, ніж на половину хвилі з частотою 300…400Гц.

При побудові відбитих звукових променів від плоских, а також від увігнутих і опуклих криволінійних поверхонь усунення акустичного недоліку при проектуванні залів забезпечується вибором належного радіусу кривизни r, при якому фокус не утворюється в зоні розташування місць глядачів.

Місце знаходження фокусу (рис. 9.4), що утворюється відбитими звуковими променями від увігнутих криволінійних поверхонь, визначається за формулою:

,

де X – відстань фокусу від увігнутої поверхні,, м; d – відстань джерела звуку до увігнутої поверхні, м; r – радіус кривизни поверхні.

Увігнуті поверхні можуть служити засобом розсіяння звукових променів. Це спостерігається при розташуванні джерела звуку поблизу відбиваючої поверхні, а саме, на відстані, меншій половини радіусу кривизни, а також у випадках, коли відстань між віддзеркалювальною поверхнею і слухачем у багато разів перевищує радіус кривизни. Звукорозсіювальний ефект увігнутих поверхонь у вигляді куполів, зведень і ніш спостерігається у випадках, коли їх радіус кривизни менше половини висоти приміщення H.

 

 

Важливим критерієм архітектурної акустики є чіткість реверберуючого сигналу. Чисельне значення цього критерію залежить від вибору критичного інтервалу, що визначає тривалість корисної частини процесу загасання звуку в приміщенні. Критичний інтервал залежить від виду звучання, його можна приймати рівним: для аудиторій – 50 мілісекунд (1/20 с); для концертних залів і оперних театрів – 100 мілісекунд.

 

 

При проектуванні для усунення можливості утворення ехо-камери передбачають наступні заходи:

· пристрій обкошених стелі і стін у частині залу, прилеглій до естради або сцени;

· застосування підвісних звуковідбиваючих екранів, розташованих над естрадою або поблизу неї.

· усунення утворення ехо-камери від задньої стіни в залі для глядачів з партером, що круто піднімаються, і амфітеатром.

Особливий вид ехо-камери – "пурхаюча ехо-камера" – утворюється в приміщеннях з паралельними бічними стінами, обробленими щільними матеріалами (мармур та ін.). Різкий уривистий сигнал, що виникає в будь-якій точці приміщення, породжує послідовно серію відгомонів, що приходять у цю точку через певний інтервал часу.

При виборі форми зали та розташування в ній звуковідбиваючих поверхонь, необхідно уважно аналізувати порядок (структуру) перших і наступних віддзеркалень від поверхонь, що зустрічаються на шляху поширення звуку від джерела до глядачів.

Рівномірний розподіл перших віддзеркалень звукових хвиль спостерігається в залах прямокутної форми плану. При ширині зали до 20 м час запізнювання перших віддзеркалень зазвичай не перевищує 50 мілісекунд.

Вдало вибраний профіль стелі направляє первинні віддзеркалення в задню зону розташування місць. Проте це не забезпечує хорошої розбірливості мови в місцях, розташованих всередині партеру і в амфітеатрі.

Рисунок 9.7 – Схеми до акустичного проектування зали для глядачів а – рекомендований профіль подовжнього розрізу; б – вирішення плану музично-драматичної зали для глядачів місткістю до 1200 чоловік

На рис. 9.7 приведені схеми побудови профілю стелі, що характеризується хорошим використанням перших віддзеркалень в усіх зонах зали для глядачів. Для кращого розсіювання звуків, поверхні інтер'єру повинні відповідати вимозі, щоб до слухача приходило можливо більше число віддзеркалень, які швидко йдуть одне за одним, що досягається пластикою архітектурної обробки інтер'єру. Для цього застосовуються, архітектурні розчленовування стелі, розташовані так, щоб вони могли сприяти створенню в просторі зали дифузного звукового поля. На рис. 9.8 приводяться деякі прийоми використання відбитих звуків для поліпшення чутності в найбільш видалених місцях зали. У ряді випадків виявляється корисним нахил у бік зали його бічних стін, що сприяє кращому використанню енергії перших віддзеркалень.

 

 

Рисунок 9.8 – Приклад пластичної звукорозсіювальної обробки стелі із скошеною задньою стіною і дерев'яними панелями інтер'єру музично-драматичного театру

 

Для підвищення дифузності звукового поля в архітектурній практиці широко використовуються різні види пластичної обробки і розчленовувань. На рис. 9.8 приводяться деякі прийоми пластичної обробки стін і стелі, що задовольняють архітектурним і акустичним вимогам. Дуже ефективні для цієї мети розчленовування циліндричної та призматичної форм, добре розсіювальних звуків у діапазоні середніх і високих частот; прямокутна форма розчленовувань при відповідних співвідношеннях розмірів (періоду, ширини і глибини), що переважають при розсіюванні звукових хвиль низької частоти.

9.3. Розбірливість мови в залах

Критерієм акустичної якості мови (чутності, розбірливості) служить складова артикуляція. Цей спосіб, запозичений з телефонії, полягає у визначенні відсотка артикуляції РА, що отримується при випробуваннях. Процедура випробувань полягає в тому, що диктор читає таблицю односкладових складів, які не мають сенсу, а слухачі, що сидять в різних точках приміщення, записують склади так, як вони їх чують і розуміють. Такий спосіб виключає заповнення поганої чутності складів здогадкою слухачів. Відсоток правильно записаних слухачами складів визначає складову артикуляцію.

Відсоток складової артикуляції зручно визначати залежно від числа, які правильно зрозуміли голосні G і приголосні М звуки за номограмою.

Так, якщо G =0,97 і М=0,91, то GM²=0,8; за номограмою значенню GM² відповідає відсоток артикуляції РА=77%.

Дослідженнями встановлена наступна шкала оцінки артикуляції залежно від значень РА (табл. 9.1).

Таблиця 9.1