Архитектурная акустика помещений и ее задачи. Диффузное и зеркально отражения звука, условия, определяющие их, построение мнимых источников. Критический интервал запаздывание звуков.

Анализ временной структуры ранних отражений, которые особенно важны в процессе восприятия как речи, так и музыки, не может быть сделан методами статистической теории, опери­рующей с энергиями огромного количества отражений, а требует подхода, основанного на применении методов геометрической акустики. В его основе лежит расчет геометрических отражений, который является основным способом контроля правильности выбора формы помещения и очертаний его внутренних поверхно­стей, опасности образования эха и порхающего эха, а также для определения акустического качества помещения.

Главной задачей архитектурной акустики является создание таких архитектурно-планировочных и конструктивных решений, которые обеспечили бы наиболее полное выполнение основных характеристик звукового поля, определяющих оптимальные ус­ловия слухового восприятия при сохранении возможно лучших условий видимости.

Существуют два вида отражений от поверхностей помеще­ния: зеркальное и диффузное. Поэтому надо знать достаточно оп­ределенно, когда будет тот или иной вид отражений. Последнее условие зависит от соотношения между размерами отдельных элементов расчленений, имеющихся на поверхности, и длиной звуковой волны. Если эти размеры того же порядка, что и длина звуковой волны, то отражение приобретает диффузный характер. В том же случае, когда размеры неровностей заметно меньше ли­бо, наоборот, в несколько раз больше длины волны, то звуковые волны отражаются зеркально (рис. 3). На обычных поверхностях зала, имеющих членения, звуки одних частот могут

рис3

отражаться зеркально, а других - диффузно.

Суть геометрического метода состоит в том, что при опреде­ленных условиях вместо звуковых волн можно рассматривать звуковые лучи, в направлении которых распространяются эти волны. При этом построение этих отраженных лучей осуществля­ется по правилам закона геометрических отражений, известного в оптике. Для зеркального отражения справедливы два закона:

1)Луч падающий и луч отражённый лежат в одной плоско­сти с нормалью в точке падения.

2)Угол падения равен углу отражения.

Применение этих законов позволяет построить мнимый ис­точник звука при однократном отражении звуковых волн от по­верхности.

- Используется (рис. 4) мнимый источник S', симметричный с дей­ствительным точечным источником S по отношению к отражающей плоскости и находящийся по дру­гую ее сторону. Для построения мнимого источника необходимо опустить из точки S перпендикуляр SO на отражающую плоскость АВ и на продолжении его отложить от­резок OS', равный отрезку SO. Прямые, проведенные из мнимого источника S, после пересечения ими отражающей плоскости удовлетворяют условию равенства углов падения и отражения, т.е. являются искомыми отраженны­ми лучами, создаваемыми действительным источником S. Дан­ная поверхность создает однократные отражения от всех точек поверхности АВ, лежащих между точками О и В.

Метод мнимых источников применим и при построении от­ражений от криволинейных поверхностей: если требуется найти отражение от какой-либо точки О кривой поверхности С (рис. 5) при заданном положении источника Q, то следует в точке О по­строить плоскость Т_к, касательную к поверхности С. Мнимый источник в этом случае - точка Q₁, расположенная симметрично действительному источнику от­носительно касательной к плос­кости; продолжение ОМ прямой O₁O после пересечения ее с по­верхностью. С является искомым отраженным лучом. Для каждой точки отражающей поверхности приходится находить свой мни­мый источник Q₁, в отличие от плоскости, у которой для отражения от любой ее точки мнимый источник один и тот же (при заданном положении источника Q). Иногда возникает необходимость в построении мнимого ис­точника при вторых отраже­ниях. В этом случае первый мнимый источник становится как бы истинным, а дальше построение ведется так как описано ранее (рис. 6).

Рассмотренные приемы построения геометрических отражений относятся к случа­ям, когда лучевая плоскость параллельна одной из плоскостей проекций (вертикальной или горизонтальной). Не пред­ставляет затруднений построение отраженного луча в тех случа­ях, когда лучевая плоскость не параллельна плоскости проекции, но ей параллельна нормаль к отражающей поверхности в точке отражения. Это равносильно тому, что касательная плоскость к отражающей поверхности (в той же точке) перпендикулярна плоскости проекции.

Для примера на рис.7 дано построение геометрического отражения от отражателя в виде цилиндрической поверхности с
произвольной криволинейной направляющей и с образующими, перпендикулярными к вертикальной плоскости проекции. Отражатель помещен над верхним порталом зала. Точечный источник звука задан его проекциями (читать q - ку) q и q'. Требуется найти геометрическое отражение от
некоторой точки отражателя, имеющей проекции а и а'.

В данном случае касательная плоскость к поверхности отра­жателя в этой точке перпендикулярна вертикальной плоскости проекции; вертикальная проекция этой касательной плоскости есть прямая t' и t'. Прямые q 'а и qа являются вертикальной и горизонтальной проекциями луча, исходящего из источника и достигающего точки отражения.

Вертикальную проекцию мнимого источника q₁' находим, опустив из точки перпендикуляр q'O' на прямую t't' и отло­жив на его продолжении отрезок Oq₁', равный отрезку q'O'.
Сносим точку q₁' на горизонтальную прямую, проходящую через
точку q, находим горизонтальную проекцию мнимого источника
q ₁. Продолжения прямых q₁а и q₁'а', лежащие вправо от точек а' и а, являются соответственно вертикальной и горизон­тальной проекциями отраженного луча.

Вертикальная проекция отраженного луча пересекает в точке е' поверхность слушательских мест, проходящую на 1,2 м выше пола зала. Снося точку е' на горизонтальную проекцию отра­женного луча, находим горизонтальную проекцию е точки пере­сечения отраженного луча с поверхностью мест. Длина ломаной линии, имеющей проекции qe и q'e', равна полному пути от­раженного звука от источника до точки приема с проекциями е и е'. Эта длина равна расстоянию от мнимого источника до точки приема. Прямая с проекциями qe и q'e' дает путь прямого зву­ка. Как видна из рис.7, длина пути отраженного звука (от источ­ника до точки приема) равна: l _отр= (q₁ е)²+(ƒ ’ q₁') (7)

где f’ - точка пересечения горизонтальной прямой, прове­денной через точку е', с вертикальной прямой q₁'q₁. Длина прямого звука: l _пр= (qе)²+(е ’ е₁) (8)

где e₁ — точка пересечения горизонтальной прямой, прове­денной через точку q',с вертикальной прямой e'e.

Критический интервал запаздывания звуков Для обеспечения распознавания двух разнородных сигналов необходимо, чтобы запаздывание отраженных звуков должно быть меньше половины промежутка времени между отдельными сигналами. Это связано с тем, что барабанная перепонка к мо­менту прихода последующего сигнала должна быть подготовле­на, т. е. она должна иметь как можно меньше впечатлений от предыдущего сигнала (во всяком случае это справедливо для ре­чи). Потому для наиболее четкого восприятия звукового сигнала очень важен промежуток времени между моментами прихода прямого и первого отраженного звуков. Предельное значение это­го промежутка времени, не ухудшающего восприятие речи, назы­вается критическим интервалом запаздывания.

Численное значение критического интервала зависит от не­которых факторов:

1. Специфичности прослушиваемого материала (число сло­гов или нот за одну секунду) - чем быстрее следуют друг за дру­гом эти слуховые раздражения, тем меньше должен быть крити­ческий интервал.

2.Интенсивности отраженного звука по сравнению с пря­мым - чем меньше уровень интенсивности отраженного сигнала по сравнению с прямым, тем больше может быть величина ин­тервала.

3.Направления прихода отраженного сигнала по сравнению с прямым: отдельные исследования показали, что если отражен­ный сигнал приходит к слушателю сзади, то численное значение критического интервала меньше, чем когда оба звуковых сигнала приходят спереди.

4.Частотного состава (тембра): если заглушаются низкие частоты, то критический интервал возрастает незначительно, в то время как приглушение высоких частот может значительно его увеличить.

Быстрота нормальной речи может меняться от 5 до 10 слогов в секунду. Эксперименты показали, что для хорошей разборчиво­сти речи желательно, чтобы это опоздание составляло величину не больше 30 мс (оптимально 20 мс).

Музыкальные сигналы более длительны, чем речевые, и при восприятии музыкальных сигналов не очень оправданным будет требование полного затухания барабанной перепонки к моменту прихода следующей ноты, ибо при плавной мелодии это создаст превратный музыкальный образ - ноты будут отрывисты.

Исходя из значения критического интервала можно оценить, насколько может быть больше путь, проходимый отра­женным лучом по сравнению с прямым, до момента образования эха, т. е. за время равное Δt кр .

Дня речи это составит величину критического интервала Δ1кр = с * Δt кр = 340 * 0,02 = 7 м; для залов многоцелевого назна­чения – 10 м; для музыкальных - 17 м.

Для выяснения критического интервала запаздывания звука для разных точек зрительного зала надо знать истинную длину звукового луча которую, имея план и разрез зала, можно опреде­лить простым измерением лишь для прямых и отраженных от элементов потолка лучей, лежащих в плоскости, перпендикуляр­ной задней стене и сцене. Для всех остальных случаев (и прямых и отраженных лучей) их величины могут быть определены только через длины проекций луча на плане и разрезе зала как это было отмечено ранее.

Если Δl = loтp – lпр ≤ Δ1кр то критический интервал за­паздывания для данной точки выполняется. Если Δ1 > Δ1кр, то необходимо приблизить поверхность отражения к источнику зву­ка.

Методика определения истинной длины прямого луча и от­раженного от боковой поверхности та же, только необходимо на­чинать с плана.

Какие же точки необходимо проверять в зале для выяснения вопроса выполнимости критического интервала? Это связано, по существу, с анализом отражающего действия всех поверхностей зала, но при этом можно ограничиваться проверкой отраженных лучей от точек поверхностей, лежащих ближе к источнику звука, именно они создадут отраженные лучи, которые могут привести к невыполнению критического интервала запаздывания.

 

6. Отражение звука от плоских, выпуклых вогнутых поверхностей и их влияние на акустику зала. Эхо. Фокусирование звуковой энергии. Некоторые приемы устранения эха и фокусирования.

Эхо. Поздние звуковые отражения при определенных услови­ях могут вызвать эхо - заметное на слух повторение прямого зву­ка. Заметность эха и его мешающее действие зависят от целого ряда объективных параметров. Наиболее важными из них явля­ются время запаздывания и интенсивность отражения по отно­шению к прямому звуку, а также тип звукового сигнала. Взаимо­связь этих трех параметров характеризуют пороги заметности эха. Наиболее низкий порог - для речи, а наиболее высокий - для медленных скрипичных и органных пассажей. Эхо, заметное при речевом сигнале, может совсем не мешать восприятию при ис­полнении музыкальных произведений.

На субъективную оценку эха влияют и другие физические параметры звукового поля. К ослаблению эха приводят достаточ­но интенсивные промежуточные отражения, расположенные (по времени запаздывания) между эхом и прямым звуком. Немаловажным условием для возникновения эха является и абсолютный уровень прямого звука, при увеличении которого порог заметности (мешающего действия) эха уменьша­ется. Существенное значение для формирования эха имеет также спектр запаздывающего отражения. Так же, немаловажным фактором, влияющим на порог эха, является направление прихода позднего звукового отражения. Было установлено, что время появления слышимого эха за­висит от частоты импульса. Для частоты 500 Гц оно составляет 45 мс, для частоты 1000 Гц - 35 мс и для частоты 2000 Гц - 25 с.

Порхающее эхо в косоуголь­ном помещении

Рис. 2

Звучное эхо. Когда к слушателю приходит группа эхосигналов, образованных одним и тем же первичным звуком, но разде­ленных столь короткими промежутками времени, что они уже не воспринимаются слухом как отдельные звуки, то получается так называемое звучное эхо, причем длина волны основного тона соответствует расстоянию между двумя эхосигналами.

фортиссимо по Отношению к некоторой ожидаемой громкости на месте прослу­шивания.

Порхающее эхо. Многократное или порхающее эхо пред­ставляет собой периодическую последовательность эха. Порхаю­щим обычно считается, по крайней мере, трехкратное эхо. Пор­хающее эхо возникает прежде всего при отражении звука между двумя параллельными поверхностями, скажем в вестибюлях и длинных коридорах, пол которых как правило, покрыт плитками, но может быть и между вертикаль­ными поверхностями. Например, звук выстрела во дворе замка Симонетта в Италии, недалеко от Милана, имеющего здание в плане в виде буквы П, повторяется 40 - 50 раз. Вероятность его появления можно предугадать между большими остекленными параллельными поверхностями.

Особенно силь­ное порхающее эхо наблюдается при отражении звука между вогнутой и плоской поверхно­стью или между двумя вогнутыми поверхностями. На практике это можно наблюдать в помещениях со сводчатым или куполообразным покрытием и плоским горизонтальным полом, например, как это наблюдалось в одном из танцевальных залов, где каждое шестое отражение возвраща­лось в исходную точку (рис. 1). Порхающее эхо связано не просто с отражением звуков, но и с взаимодействием отраженных волн друг с другом, т.е. с интерференцией звука (приход в точку волн в одной фазе приводит к их усилению, а в противоположных фа­зах - к ослаблению).

Можно отметить также, что порхающее эхо возникает не только между двумя поверхностя­ми, но и большим количеством непараллельных поверхностей, как, например, это имело место в одной из студий Датского Дома радио (рис. 2).

Связи субъективной оценки порхающего эха и объективных характеристик звукового поля ис­следованы довольно слабо, прак­тически отсутствуют объективные критерии оценки. Минимальный временной интервал (период), при котором возникает порхающее эхо, зависит от разницы в уровнях предыдущего и последующего отражений, а также от типа звуко­вого сигнала. Для речи этот интервал близок к 50 мс, а для музы­ки к 100 мс. Мешающее действие порхающего эха (как и одно­кратного) уменьшается при наличии промежуточных отражений.

Устранение мешающих акустических эффектов (стр.27-36)

Метод геометрических отражений позволяет на стадии про­ектирования определять наличие целого ряда неблагоприятных акустических эффектов, наиболее крупными из которых являются простое эхо, порхающее и звучное эхо, высокий уровень прони­кающих шумов. Они могут ухудшить или даже сделать невоз­можным восприятие полезного сигнала. Кроме того, эхо является причиной нарушения правильной локализации источника звука. Порхающее эхо может стать причиной искажения тембра сигна­ла. Меры по устранению мешающих факторов должны прово­диться на стадии проектирования, в готовом зале исправлять их затруднительно, а иногда и невозможно. Наибольшую опасность с точки зрения образования эха могут представлять вогнутые по­верхности и весьма важно знать, как расположены источник зву­ка и приемник относительно фокуса вогнутой поверхности.

Если источник звука рас­положен в фокусах сферы, по­верхностей, образованных вращением параболы, цилинд­рической поверхности, то 'от­раженные волны пойдут парал­лельным пучком. Отражения такого рода создаются, например, в рупорных устройствах, использующихся в мегафонах, громкоговорителях, музыкальных раковинах эстрад (рис. 10).

Естественно, что обратный ход звуковых волн (из бесконеч­ности параллельным пучком) даст действительную концентра­цию их в фокусе криволинейной поверхности. Ответим только, что лучи должны идти параллельно главной оптической оси.

Интересен случай возможной концентрации в зале эллипти­ческой формы: если источник звука будет находиться в 0днОМ из фокусов эллипса, то звуковые волны, отражаясь от Поверхностей, собираются в другом фокусе.Если источник находится за фокусом, но не слишком далеко, не в бесконечности, то звуковые волны, отражаясь от поверхности, соберутся в одной точке, положение которой определяется из уравнения: 1/а+1/b = 2/R. (15) где а - расстояние от источника звука до сферической по­верхности;

Ь - расстояние от сферической поверхности до точки, в которой сходятся отраженны.

Если источник, звука находится на расстоянии меньшем R / 2 (R - радиус сферической или ци­линдрически по­верхности)

(a≤R/ п,п>2). (рис 11)от вогнутой поверхности то Звуковые лучи никогда не фокусируются а

пределах помещения и энергия распределяется по всей отраженной поверхности, скажем, поверхности пола.

Если центр кривизны расположен вблизи от ис­точника звука, то концентрация звука получается особенно силь­ной, а точки концентрации перемещаются вместе с пе­ремещением источника зву­ка.

Концентрация отражен­ного звука и его большое запаздывание приводит к сильному эхо, но и при меньшем запаздывании по­лучается неприятная мест­ная неравномерность звуко­вого поля. Средствами борьбы с концентрацией энергии является изменение геометрии вогнутой поверхности, ее звукопоглощающая отделка или члене­ние.

Изменение геометрии поверхности сводится к увеличении радиуса кривизны до значений, составляющих не менее, чем у военное расстояние от поверхности до источника звука. Однако двукратное превышение в ряде случаев может оказаться недостаточным. Так, например, если такой вогнутой поверхностью будет задняя стена или барьер балкона, то интенсивность отражённой волны при R=2a, будет убывать значительно медленнее, чем при сферическом распространении (рис. 14). Такое отражение, имея значительное запаздывание, вызовет эхо на сиене или
в первых рядах партера, которые обычно лишены интенсивных промежуточных отражений. Кроме того перемещение источника звука будет приводить и к перемещению точки концентрации. В рассмотренных случаях речь шла о первых отражениях от вогнутых поверхностей Во­гнутые поверхности в зале могут быть причиной концен­трации вторых отражений, имеющих, как правило, весьма значительное запаздывание. Такой эффект наблюдается в залах с вогнутой задней стеной (с круглой или овальной фор­мой зала) при горизонтальном или наклонном потолке (рис. 15).

Круглая или овальная форма плана зрительного зала, несмотря на свою привлекатель­ность с точки зрения восприятия, неудобна как с точки зрения возможности эхообразования, так и зон концентрации не только от первично отраженных волн, так и возможных случаев образо­вания зон вторичных отражений, как это изображено на рис 16.

Поздние отражения от уг­ла между вогнутой стеной и потолком концентриру­ются в передней зоне за­ла, вызывая сильное эхо. Цифрой 1 обозначена зо­на концентрации первич­ных отражений, цифрой 2 - зона концентрации вто­ричных отражений.

Достаточно простыми способами ослабления возможности образования эха на передних рядах при овальной задней поверхности является компоновка сопряжения задней стены и потолка так, чтобы от­раженные звуки попадали к слушателям последних рядов с воз­можно меньшим запаздыванием.

Рациональные типы примыкания потолка к задней стене(рис.17):

а) наклон задней стены;

б) наклон примыкающего к стене участка потолка;

в) наклон участка потолка, и задней стены;

г) острый угол между потолком и задней стеной.

Возможно эхо и при плоской задней стене, но оно не является

ощутимой помехой из-за слабой интенсивности отраженного сигнала и исправляется теми же приведенными приемами.

Ослабление концентрации отраженного звука можно достичь и путем звукопоглощающей отделки вогнутой поверхности, но это не всегда возможно, а иногда даже и нежелательно.

Третьим достаточно эффективным средством ослабления концентрации является членение вогнутой поверхности, но так, чтобы размеры их были близки к длине волны рассеиваемых зву­ков. Особенно выгодны в этом отношении элементы с криволи­нейной поверхностью (выпуклой) (рис. 18). '

Концентрация звука является причиной возникновения интенсив­ного порхающего эха Она усиливает­ся, если напротив плоскости размеща­ется вогнутая поверхность или же при расположении двух вогнутых поверх­ностей друг против друга.

Увеличение радиуса кривизны или отклонение противоположных стен от параллельности (в пределах 5°) не дает существенного ослабления поохающего эха. Большего успеха здесь можно добиться путем звукопо­глощающей отделки, особенно если v она требуется и для снижения времени реверберации или же путем расчлене­ния, по крайней мере, одной из проти­воположных стен.

Двойное фокусирование может встретиться в метро со сводчатым по­толком (рис. 19). Не исключен случай образования нескольких фокусов, на­пример, в круглом зале (рис. 20).

Условие, соответствующее рис. 20 может встретиться и в зрительном за­ле. Например, концертный зал Дома Брукнера в Линце (Австрия).

В помещениях, имеющих гладкие вогнутые поверхности (в плане эллиптической или круглой формы), может иметь место еще один акустический феномен. Если около поверхности, как можно ближе к ней, произнести шепотом слово, то отраженные многократно от поверхности звуковые волны могут проходить по хордам разного размера достаточно большое расстояние и после концентрации их уровень сигнала намного больше, чем по пря­мому направлению. Этот феномен иногда называют эффектом шепчущих сводов или шепчущих галерей.