Критерій оцінки розбірливості шарів

 

Оцінка розбірливості мови	% складовій артикуляції	% артикуляції слів
Хороша Задовільна Погана	85 75 65	97  94 90

 

Складова артикуляція залежить: від рівня гучності мови; часу реверберації; рівня шуму в навколишньому просторі (шумовий фон); форми приміщення. В результаті досліджень була встановлена наступна закономірність якості артикуляції: відсоток артикуляції мови збільшується з підвищенням рівня гучності звуку до 70дБ і значно зменшується при наростанні часу реверберації.

Великі зали прийнято характеризувати полем артикуляції, що графічно зображується у вигляді кривих рівної артикуляції. За відсутності реверберації на відкритому повітрі в умовах тиші при нормальному рівні звуку мови на відстані 1м від оратора артикуляція рівна 96%. На підставі результатів досліджень запропонована формула:

,

де k ₁ – коефіцієнт, що враховує вплив рівня гучності на розбірливість мови; k ₂ – коефіцієнт, що враховує вплив часу реверберації; k ₃ – коефіцієнт, що враховує перешкоди внаслідок шумового фону; k ₄ – коефіцієнт, що враховує вплив на розбірливість форми приміщення.

При забезпеченні дифузності звукового поля значення k ₄ стає рівним одиниці; у великих приміщеннях за наявності увігнутих стін і стелі k ₄ набуває значення 0,9, а в малих приміщеннях при їх звуковідбивальній обробці – 1,06.

Якщо прийняти за початкові дані рівень гучності мови 50 дБ, а рівень шумового фону 35·дБ, то для приміщень з різним часом реверберації при забезпеченні дифузного звукового поля значення коефіцієнтів k ₁, k ₂, k ₃, а також РА будуть близькими до приведених у табл. 9.2.

 

Таблиця 9.2

Значення k ₁, k ₂, k ₃ і РА, %

Час реверберації	Значення коефіцієнтів			Відсоток складової артикуляції
				при	при =1,06
1 1,5 2 2,5	0,95 0,85 0,95 0,95	0,96 0,94 0,9 0,86	0,83 0,83 0,83 0,83	72,5 71 68 65	77 75 72 69

 

Лекція № 10. Акустичне проектування

Навчальна мета: ознайомитися із звукопоглинальними матеріалами; акустичним проектуванням залів та відкритих просторів.

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

10.1. Звукопоглинальні матеріали і конструкції.

10.2. Акустичне проектування залів.

10.3. Акустика відкритих театрів.

 

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.

10.1. Звукопоглинальні матеріали і конструкції

Звукопоглинальні матеріали і конструкції – важливий чинник у формуванні звукового середовища в приміщеннях: вони чинять великий вплив на якість звучання в залах для глядачів і є ефективним засобом боротьби з шумом.

Основними показниками, що характеризують звукопоглинальний матеріал, є коефіцієнт звукопоглинання та опір продуванню потоком повітря. Коефіцієнт звукопоглинання (КЗП) дозволяє визначити ефективність звукопоглинальних властивостей матеріалу або конструкцій; опір продуванню потоком повітря дозволяє побічно оцінити структуру матеріалу і його пористість.

Величина КЗП залежить від кута, під яким звукова енергія падає на зразок. Залежно від цього розрізняють КЗП для нормального і похилого падіння звукових хвиль на зразок – дифузний або ревербераційний коефіцієнт; він обумовлюється падінням звукових хвиль на зразок під будь-якими рівноймовірними кутами. При звукопоглинальній обробці приміщень використовується зазвичай дифузний КЗП, усереднений за різноманітними кутами падіння звукових хвиль. Цей КЗП вимірюється ревербераційним методом і є типовим паспортним КЗП цього матеріалу або конструкції.

 

Ревербераційна камера є приміщенням об'ємом понад 180·м³ (частіше всього 200·м³) з непаралельними поверхнями огороджувань, довжина, ширина і висота якого не кратні один одному. Поверхні огороджувань камери мають бути гладкими, максимально відбиваючими для того, щоб забезпечити високий мінімум часу реверберації порожньої камери. Звукове поле, що збуджується в камері, має бути досить дифузним; це досягається введенням в об'єм камери спеціальних розсіювальних елементів (розсіювачів).

Опір потоку повітря з достатньою точністю вимірюється методом постійного потоку. Суть методу полягає в наступному. Через зразок матеріалу довільної форми і товщини продувається потік повітря з постійною швидкістю. При цьому вимірюються перепад тиску на зразку  і лінійна швидкість потоку повітря v перепаду тиску, що проходить через зразок. Величина  є опір постійному потоку. Окрім цієї величини знаходять також питомий опір постійному потоку , де l – товщина зразка. Критерієм звукопоглинальних властивостей матеріалів і конструкцій служить частотна характеристика звукопоглинання, визначальна залежність коефіцієнта звукопоглинання від частоти звукових коливань.

Коефіцієнт звукопоглинання пористих матеріалів залежить від характеру їх пористості. Падаючи на пористі поверхні, звукова енергія частково перетворюється на інші види енергії і кінець кінцем у теплову. Міра поглинання звуку в пористих матеріалах залежить від опору проходженню постійного потоку повітря через матеріали. При збільшенні товщини пористі матеріали можуть поглинати до 90% енергії, що падає на нього при високочастотних звукових коливаннях. Поглинання звукової енергії пористими матеріалами в основному обумовлене внутрішнім тертям при деформації скелета матеріалу, який може бути жорстким і пружним, а також в'язким тертям при русі повітря в капілярах.

До пористих поглиначів відносяться:

· мати, що виготовляються із скляного і мінерального волокна, обвернуті з двох сторін спеціальним папером і прошиті нитками; щільність матів 50 - 100 кг/м³;

· м'які плити з мінерального волокна на синтетичних основах; їх щільність 200…300 кг/м³;

· синтетичні пористі плити (поролон та ін.) відрізняються малою щільністю і високим звукопоглинанням при крізних капілярах.

Другим різновидом звукопоглинальних конструкцій є резонуючі панелі, що коливаються під впливом звукових хвиль. Конструкції таких панелей складаються із щільного гнучкого листа (фанерного та ін.), шарнірно закріпленого на дерев'яному або металевому каркасі з повітряним прошарком між листом і стіною (чи стелею). Гнучкий лист із щільного матеріалу в цій конструкції діє як маса, а повітряний прошарок за нею – як пружина.

Максимальне звукопоглинання таких конструкцій спостерігається на резонансній частоті , яка зміщується в область досить низьких частот (до 300·Гц). У діапазоні частот, що перевищують резонансну частоту , звукопоглинання конструкцією значно зменшується внаслідок підвищення опору листа. Значення резонансної частоти панелей залежить від власної жорсткості панелі, яка значною мірою визначається способом сполучення панелей із стіною (чи перекриттям), та від маси панелі. Залежність власної частоти коливань резонуючих панелей від їх поверхневої щільності ρ і розмірів дає можливість при різних співвідношеннях і розмірах отримати панелі з досить високими коефіцієнтами звукопоглинання на середніх і навіть високих частотах. Для підвищення коефіцієнта звукопоглинання повітряний прошарок заповнюють матом з мінерального волокна, обвернутого в мішковину, або вводять пружні прокладення за периметром сполучення листа з каркасом. На рис. 10.3, 10.4 приведені частотні характеристики таких резонуючих панелей при звичайному повітряному прошарку, заповненому матом з мінерального волокна.

Рисунок 10.3 – Залежність власної частоти коливань дерев'яних та інших панелей, від їх ваги і розмірів

Рисунок 10.4 – Частотні характеристики звукопоглинання дерев’яних панелей

а - конструктивне рішення: 1 - шарнірні сполучення листа з каркасом; 2 - шайба; 3 – обв’язка (25X10 мм); 4 - фанера завтовшки не більше 10 мм; 5 - звукопоглинальний мат завтовшки 50 мм,;,- би - частотна характеристика звукопоглинання дерев'яних резонуючих панелей; 1 - щити розташовані безпосередньо на підлозі камери;. 2 - щити розташовані при віднесенні від йолу камери - на відстань 35 мм

 

Звукопоглинальні конструкції з перфорованим облицювальним шаром зазвичай складаються з наступних елементів:

· перфорованого листа із щільного облицювального матеріалу (сталевого, алюмінієвого, пластмасового та ін.);

· захисного (фрикційного) шару, розташованого з внутрішньої сторони перфорованого листа (склотканина, ситець, бязь та ін.); його призначення полягає в збільшенні втрати звукової енергії в конструкції;

· пористого поглинача звуку; він розташовується в повітряному прошарку між листом і стіною (чи покриттям);

· каркаса, на якому кріпляться виготовлені панелі або касети.

Перфоровані листи в таких конструкціях повинні мати певну міру перфорації. Змінюючи діаметр отворів, відстань між ними, матеріал поглинача і товщину повітряного прошарку, можна проектувати конструкції із заданою частотною характеристикою звукового поглинання.

Дослідження резонаторів показали, що якщо в горловині посудини розташувати шар пористого поглинача (наприклад, декілька шарів серп’янки, бязі та ін.), то вони перетворюються на активні поглиначі звукової енергії. Звукова енергія, що поглинається таким резонатором в діапазоні частоти, визначається за формулою:

 

Тут с – швидкість поширення звуку в повітрі; s – площа поперечного перерізу горловини резонатора;  – об'єм порожнини резонатора;  – еквівалентна довжина горловини  ( – радіус перерізу горловини).

Створюване резонатором звукове поглинання є збиральним, і досягає максимуму при його резонансній частоті. Еквівалентне звукове поглинання резонатора наближено визначається за формулою:

 

 

 

Рисунок 10.5.  Архітектурні типи звукопоглинальних дерев'яних панелей (розміри а і h вибираються відповідно до акустичних вимог і резонансної частоти коливання) а - дерев'яна резонуюча панель звукорозсіювального профілю; б - напівциліндрична дерев'яна резонуюча панель звукорозсіювального профілю; у - плоска дерев'яна резонуюча панель; 1 - фанера завтовшки 10 мм; 2- дерев'яний каркас; 3 - пружне демпфуюче прокладення; 4 - фанера товщиною 4 мм; 5 - дерев'яне обв'язування, приклеєне до листа фанери

 

Рисунок 10.6. – Частотна характеристика звукопоглинання багатошарових конструкцій з перфорованими листами

а - конструктивна схема: 1 - наклеєна на лист рідкісна тканина (серп’ янка, мішковина та ін.); 2 - перфорований лист оцинкованого заліза; 3 - каркас; б - частотна характеристика багатошарових конструкцій з перфорованим шаром: 1 - розрахункова характеристика звукопоглинання; 2 - характеристика звукопоглинання, виміряна в лабораторії

 

На основі використання звукопоглинальних властивостей резонаторів вчені розробили резонансні поглиначі панельного типу у вигляді багатошарової конструкції з облицювальним шаром з перфорованих (з великим числом отворів малого діаметра) металевих листів, затягнутих з внутрішньої сторони декількома шарами серп’янки, бязі, ситцю та ін. Такі листи кріпляться по каркасу до стіни чи стелі або виготовляються у вигляді касет. Для отримання широкосмугового поглинача застосовуються багатошарові резонансні поглиначі, що складаються з декількох шарів з отворами різного діаметра.

Різновидом резонансних поглиначів є підвісні об'ємні поглиначі конусоподібної, кубоподібної та інших форм. Поглиначі цього виду називаються дифракційними. Вони складаються з перфорованого кожуха, виготовленого з тонких листів фольги, жерсті, латуні та ін. З внутрішньої сторони кожуха розташовується легкий поглинач звуку завтовшки 10…25·мм. Частотна характеристика таких поглиначів та еквівалентне звукопоглинання приведені на рис. 10.7. Завдяки дифракції звукових хвиль, що оточують кожух, такі поглиначі мають досить високе звукопоглинання. Еквівалентне звукопоглинання поглиначів, розміри яких великі в порівнянні з довжиною хвилі, визначається за формулою:

,

де α – коефіцієнт звукового поглинання поверхні поглинача; S – площа поверхні об'ємного поглинача.

Рисунок 10.7. – Підвісний поглинач дифракційного типу (кут нахилу α вибирається з архітектурних міркувань): а - загальний вигляд поглинача; б - розріз і план поглинача: 1 - кожух з перфорованої фольги завтовшки від 15 до 0,4 мм (діаметр перфорації 1 мм, крок перфорації 3 мм); 2 - мат з мінерального волокна щільністю.450 - 230 кг/м³ в обгортці з грубої тканини або мішковини; 3 - кріпильна пружина; 4 – ковпачок

 

Поглиначі дифракційного типу зручні в тих випадках, коли вимагається поглинати шум у місцях його утворення.

10.2. Акустичне проектування залів

Сучасні зали для глядачів за акустичними вимогами диференціюються на наступні групи [5]:

1. Зали з природним (натуральним) звучанням музики, співу, мови; у цих залах глядач сприймає звуки, що йдуть безпосередньо від виконавців та інструментів. Якість звучання в таких залах визначається в основному акустичними властивостями зали;

    2. Зали, в яких музику, спів і мову глядач “чує" тільки за допомогою звуковідтворюючої електроакустичної: апаратура (кінотеатри та ін.);

    3. Зали, в яких разом з природним звучанням передбачаються засоби для посилення звуку.

Зали, в яких якість звучання в основному визначається архітектурним рішенням інтер'єру, в свою чергу діляться на наступні підгрупи:

· зали музичного характеру: концертні зали, оперні театри, музично-драматичні театри, естрадні театри і тому подібне. Слід відмітити, що при проектуванні цих залів створюються найбільші труднощі у формуванні в них хорошої акустики;

· зали театральні, призначені для представлень різного жанру;

· зали мовні, розраховані на проведення лекцій і конференцій.

Особливу групу утворюють зали універсального призначення, обладнані електроакустичною апаратурою не лише для демонстрації кінофільмів, але також для відтворення всякого роду звукових ефектів і посилення звуку.

Основна відмінність цієї групи глядацьких залів у акустичному плані полягає в тому, що якість звучання в них визначається не лише архітектурним рішенням зали, але і якістю використовуваної електроакустичної апаратури, яка може нормально працювати при малому часі реверберації.

Концертні зали. Сучасна архітектура інтер'єрів у залах для глядачів характеризується різноманітністю просторових форм, великими розмірами, малим числом ярусів і застосуванням обробки з нових будівельних матеріалів. Ці особливості архітектури інтер'єрів внесли багато нового в архітектурну акустику.

Акустичну якість зали для глядачів не можна оцінювати тільки фізичними показниками; кінцева оцінка представляє результат суб'єктивного естетичного сприйняття. Встановлення зв'язку між естетичною якістю сприйняття звучання в приміщеннях, призначених для передачі музики, їх фізичними і архітектурними характеристиками представляє складне завдання. Успішне рішення її може бути досягнуто тільки на основі акустичного проектування; чималу роль при цьому відіграють досвід і інтуїція архітектора. Концертні зали діляться на два типи. Зали першого типу призначаються для виконання камерної музики, ці зали характеризуються невеликими розмірами і невисоким діапазоном рівня сили звуку. Зали другого типу призначаються для виступів солістів і симфонічних оркестрів з хором. У цих залах діапазон рівня сили звуку коливається у великих межах – від піаніссімо соліста до фортіссімо оркестру і хору. Якість звучання в концертних залах оцінюється наступними показниками, що розглядаються в їх взаємодії:

· природністю (повнотою) звуку, яка помітно відчувається при порівнянні якості звучань музики в приміщенні та у відкритих концертних амфітеатрах;

· ясністю звучання, під якою розуміється виразна послідовність чергування звуків, а також виразність і постійність їх тембру; ясність звуку знаходить своє відображення у виразному уловлюванні слухачами звучання окремої групи інструментів у оркестрі без будь-яких втрат у сприйнятті звучання всього оркестру;

· рівновагою звучання усіх груп інструментів, яке повинне відчуватися на усіх місцях зали для глядачів.

Забезпечення цих вимог великою мірою залежить від архітектурного рішення зали; його розмірів, форми та обробних матеріалів і конструкцій. Важлива роль у формуванні якості звучання належить структурі перших віддзеркалень; це означає, що існують певні відстані між джерелом звуку і віддзеркалювальними поверхнями, які забезпечують цю структуру. Досвід експлуатації концертних залів показує наступне:

· мінімальна висота залів, при якій створюється хороше звучання симфонічного оркестру, складає 9м;

· рекомендоване співвідношення довжини зали до його висоти від 3: 1 до 2,5: 1.

· мінімальні розміри зали (без естради) від 27 до 23·м;

· мінімальні розміри естради: глибина 10·м; ширина 16·м.

Разом з цими передумовами, хороша акустика зали для глядачів оперних театрів і концертних залів великою мірою залежить від вибраних розмірів, форми зали, від обробних матеріалів і конструкцій та їх розташування. Об'єм концертних залів коливається в межах від 5 до 7,8 м³/людину. Різке перевищення об'єму на одну людину в концертній залі – одна з причин невисокої якості акустики зали.

Можна вважати досить аргументованим твердження, що структура перших звукових віддзеркалень істотно впливає на об'ємність (стереофонічність) звучання, а завершальна ділянка ревербераційного процесу визначає час реверберації зали.

В архітектурному відношенні простір зали ділиться на два акустично пов'язані об'єми. Перший об'єм є гігантських розмірів рупор-естрадою. У цьому об'ємі формуються пластичні засоби, забезпечуються задані напрями прямих звукових сигналів та їх перші віддзеркалення. Послідовність і структура цих віддзеркалень у часі супроводжуються збереженням їх інтенсивності, що забезпечується високими відбивними властивостями поверхонь, які обмежують об'єм естради.

Надійна ізоляція зали від зовнішнього шуму забезпечується подвійною конструкцією стін, а також масивними дверима, що щільно закриваються. Вказані заходи знижують рівень шуму в залі для глядачів до 30 дБ. Виміряний час реверберації в порожній залі 1,5·с, а при 100%-му заповненні – 1,3·с. Різниця часу реверберації для високих і низьких частот складає 0,1·с.

10.3. Акустика відкритих театрів

При акустичному проектуванні відкритих театрів необхідно враховувати:

· особливості поширення звуку в різних атмосферних умовах;.

· акустичні характеристики навколишньої місцевості (шумовий, фон, епізодичні шуми та ін.);

· універсальність призначення відкритих театрів, використовуваних для концертних, оперно-драматичних, хореографічних, хорових виступів, а також для демонстрації кінофільмів і т.п.

При поширенні сферичних хвиль від точкового джерела звуку різниця в рівнях звукового тиску в точках, що знаходяться від джерела на відстані D ₁ і D ₂, визначається за формулою:

 

З цієї формули можна визначити, що рівень звукового тиску зменшується на 20 дБ при кожному подесятеренні відстані або на 6 дБ – при його подвоєнні.

На поширення звуку в атмосфері великий вплив чинять напрям і швидкість вітру, а також розподіл температури повітря в міру віддалення від поверхні землі. Вітер і розподіл температури повітря за висотою чинять значний вплив на швидкість поширення звуку.

При співпаданні напряму вітру і поширення звукових хвиль результуюча швидкість дорівнює сумі швидкостей звуку і вітру; при цьому спостерігається "притискання" звукових хвиль до землі. Навпаки, при протилежному напрямі поширення звуку і вітру сумарна швидкість поширення звукових хвиль дорівнює різниці швидкостей звуку і вітру; в цьому випадку спостерігається "відрив" звукових хвиль від землі. Схеми цих двох протилежних випадків приведені на рис. 10.8. Таким чином, при виборі варіантів розташування відкритого театру відносно пануючих за літній період вітрів (сезонна роза вітрів) слід віддавати перевагу розташуванню подовжньої осі театру так, щоб напрям пануючих вітрів співпадав з напрямом від сцени (чи естради) до амфітеатру, а не навпаки. Вектор, проведений з точки, де розташовується точкове джерело звуку, характеризує амплітуду звукової хвилі в цьому напрямі при постійній заданій відстані від джерела звуку.

Великий вплив на поширення звуку у відкритому театрі робить розподіл температури повітря за висотою. У випадках, які найчастіше зустрічаються, коли температура повітря в міру віддалення від землі знижується, випромінювані джерелом верхні звукові хвилі поширюються уповільнено в порівнянні з нижніми, що призводить до вигинання вверх фронту звукових хвиль.

Рис. 10.8 – Вплив вітру і температури на хід звукових хвиль а – напрям вітру співпадає з напрямом поширення звукових хвиль; вітер як би притискає їх до землі,; б – напрям вітру протилежний до поширення звукових хвиль; вітер як би відриває звукові хвилі від землі; в – схема викривлення ходу звукових променів від ненапрямленого джерела звуку при пониженні температури повітря в міру видалення від поверхні землі; г – те ж, при підвищенні температури в міру віддалення від поверхні землі (на певну висоту)

Рис. 10.9 – Вплив вітру на рівень звукового тиску в різних напрямах поширення звуку

 

Знаючи відносну вологість повітря влітку, можна визначити зниження рівня звукового тиску в амфітеатрі залежно від заданого віддалення глядача від джерела звуку. Великий вплив на якість акустики відкритих театрів чинять коливання повітря (флуктуації), які виникають внаслідок різного нагрівання сонцем поверхонь територій з неоднорідним підстилаючим шаром (пісок, трава, кущі, і т.п.) Ці флуктуації чинять істотний вплив на якість звучання.