Мешающие факторы, влияющие на качество восприятия слуховой информации: нарушение локализации источника звука, искажение тембра, несовершенное исполнение, мешающие шумы.

Нарушение локализации источника звука. Правильная локализация источника звука (совпадение зрительного образа со слуховым) особенно важна в речевых помещениях. В концертных залах требование правильной локализации не столь жесткое, не­которое „рассеяние" звукового образа даже иногда желательно.

Прежде всего к нарушению локализации источника звука может привести эхо, которое приходит по направлению, отли­чающемуся от направления прихода прямого звука. Слушатель воспринимает звук из двух направлений. Первое совпадает с на­правлением прихода прямого звука, а второе обычно соответству­ет направлению прихода эха. При значительной интенсивности эха (и концентрации звуковых отражений) прямой звук может вообще не восприниматься слушателем. Однако для этого энер­гия отражений должна быть много больше энергии прямого зву­ка. Так, например, при запаздывании порядка 20 мс энергия от­ражений должна превосходить энергию прямого звука в 100 раз.

В помещениях, не имеющих эха или сильной концентрации отражений, нарушения локализации обычно не наблюдается. Здесь следует упомянуть так называемый „закон первой волны", в силу которого направление прихода звука определяется звуко­вым сигналом, первым поступившим к слушателю, т.е. прямым звуком источника. Правильная локализация источника звука со­храняется даже в том случае, когда энергия отражений в 10 раз превышает энергию прямого звука. Однако запаздывание этих отражений должно быть не более 30 мс.

Искажения тембра. Искажение первоначального звукового сигнала является недопустимым акустическим дефектом. Иска­жение тембра сигнала может, например, возникнуть при упомя­нутом дефекте порхающего эха, если период последовательности отражений меньше 20 мс (частота более 50 Гц), В этом случае звуковой сигнал получает выраженную тональную окраску, свя­занную с эффектом гребенчатой фильтрации. В частотной харак­теристике передачи помещения появляются периодические про­валы, частота которых соответствует частоте последовательности запаздывающих отражений. Слушатель помимо основного сиг­нала воспринимает тон, частота которого равна частоте последо­вательности. Аналогичный эффект частот наблюдается при на­личии в помещении членений с мелким регулярным шагом (например, отделке поверхностей деревянной рейкой, волнистой асбофанерой и т.п.). Такая отделка помещений вызывает перио­дические отражения звуковых импульсов, воспринимаемых на слух как неприятное посвистывание.

К искажению тембра излучаемого в зал звукового сигнала приводит также отделка поверхностей звукопоглотителем с резко выраженным максимумом коэффициента звукопоглощения. При больших количествах такого звукопоглотителя может образовать­ся провал в частотной характеристике реверберации или частот­ной характеристике передачи помещения.

Несовершенное исполнение. К существенному ухудшению качества восприятия речи и особенно музыки может привести не­совершенство исполнения, связанное с отсутствием в исполни­тельской зоне необходимых акустических условий. Трудность за­ключаются в том, что нет четкого определения этих условий. Не­смотря на очевидную важность, вопрос акустики сценической зо­ны изучен очень слабо.

Субъективная оценка акустических условий в сценической зоне зависит от возможности слышать собственное исполнение и исполнение партнеров, а также от реверберации (гулкости) по­мещения и наличия перечисленных мешающих факторов. Слы­шимость собственного исполнения и взаимная слышимость в на­стоящее время связываются в основном со структурой ранних от­ражений. Однако недостаточно ясно, какой должна быть эта структура в смысле запаздывания и уровня отражений - требу­ются ли интенсивные малозапаздываюшие отражения, обеспечи­вающие достаточно жесткое нарастание звука, или же возможно рассеяние отражений, приводящее к более мягкому нарастанию; каким должен быть частотный состав ранних отражений и так ли важны для исполнителей боковые отражения. Все эти вопросы ждут своего решения. В качестве объективной меры - гулкости в исполнительской зоне (как и в слушательской) предлагается ис­пользовать стандартное или начальное время реверберации. Од­нако отсутствуют сведения о том, какие значения и какая частот­ная характеристика времени реверберации предпочтительны для исполнителей. Неясно также, в какой мере существующие крите­рии объективной оценки мешающих факторов соответствуют требованиям исполнителей.

Мешающие шумы. В условиях эксплуатации помещений шумовой режим определяется шумом, создаваемым публикой и проникающими шумами. Шум, создаваемый людьми находящи­мися внутри помещения, не нормируется, так как в основном за­висит от их дисциплинированности и физического состояния (например, большое число простуженных в зале) или может быть связан с жестким полом помещения (шорох от подошв), с нали­чием жестких старых кресел (скрип), а также с плохой акустикой, вызывающей нервозность слушателей. Обычно уровень шума публики в паузах составляет 40-50 дБА.

Когда говорят о мешающих шумах, то, как правило, имеют в j виду шумы, проникающие в зал из соседних помещений или с улицы, а также создаваемые различным инженерным оборудова­нием здания. Уровни этих шумов зависят от эффективности шумозащитных мероприятий (звукоизоляция ограждений помещений, виброизоляция инженерного оборудования, наличие глуши­телей шума в системах вентиляции и кондиционирования возду­ха). Измерение шумовых характеристик помещений проводится в соответствии с ГОСТом. Измеренные уровни шума в октавных полосах частот в диапазоне 63-8000 Гц не должны превышать значений, указанных в СНиП П-12-77. Уровень проникающего шума в концертных залах должен быть не более 35 дБ А, а в ос­тальных залах - не более 40 дБА. Существенное превышение до­пустимых уровней свидетельствует о серьезных ошибках в проек­тировании мероприятий по защите помещения от шума и является грубым акустическим дефектом. Особенно неприятны тональ­ные шумы, так как ухо человека особенно.

 

8. Лучевой метод анализа распространения звука в помещении. Особенности применения метода для выявления поверхностей, создающих благоприятные и неблагоприятные отражения. Критерий допустимости метода геометрических отражений и условия допустимости его применения.

 

Существуют 2 вида отражений от поверхностей помеще­ния: зеркальное, диффузное. Поэтому нужно 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, в несколько раз больше длины волны, то звуковые волны отражаются зеркально (рис. 3). На обычных поверхностях зала, имеющих членения, звуки одних частот могут отражаться зеркально, а других - диффузно.

Суть геометрического метода - 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.

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 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.

Если для рассматриваемой точки помещения построены гео­метрические отражения от поверхностей зала, то нетрудно опре­делить и запаздывания этих отражений. Так, для приведенного выше примера ∆t=(l _отр- l _пр)/c (9) где С - скорость звука, м/с.

Необходимо однако учесть, что метод геометрических отра­жений имеет ограничения. Допустимость применения методов геометрической акустики зависит от длины звуковой волны, раз­меров отражающей поверхности, ее расположения по отношению к источнику звука и точке приёма. При этом отражающая по­верхность должна быть достаточно жесткой и иметь поверхност­ную массу не менее 20 кг/м² в залах с музыкальными програм­мами и не менее 10 кг/м² в залах с речевыми программами. Ко­эффициент поглощения поверхности не должен превышать 0,1. Можно считать, что звуковые волны отражаются направленно, если наименьший размер поверхности отражения не менее чем в 1.5 раза превышает длину звуковой волны. Если это условие не выполняется, то волны рассеиваются и построение теряет смысл.

Для оценки допустимости метода геометрических отражений введен некоторый критерий допустимости его применения. Оцен­ка осуществляется через два безразмерных параметра U и V, которые зависят от размеров поверхности, длины волны и распо­ложения поверхности по отношению к источнику и приемнику звука. На рис.8 изображен плоский отражатель прямоугольной формы, одна из сторон которого равна 2а, а вторая 2b. Центр прямоугольника О совпадает с точкой падения луча от источника Q. Две стороны прямоугольника параллельны плоскости паде­ния, то есть плоскости, содержащей луч падения QO, луч отра­жения и нормаль ON.

Абсолютное отклонение уровня звукового давления (у.з.д.), найденное с применением приближенного метода геометрических отражений для точки М от у.з.д., получающегося при строго гео­метрическом отражении находится по формулам: ∆L=4,4(1/u +1/v) (10); u = a cos 2/λ*(1/R₀ +1/R) (11); v = b 2/λ*(1/R₀ +1/R) (12)

Если AL < 5 дБ, а наименьшая сторона отражате­ля (2d) больше (либо равна)1,5 λ, то метод геометрических отражений приме­ним. Длина вол­ны, принимаемая при расчётах, мо­жет быть взята порядка одного метра, так как рассчитана на частотный диапазон 300-400 Гц, который и соответствует средней длине волны в I м, наиболее важный для лучшей разборчивости речи. Если площадь отраже­ний представляет собой многоугольник, отличный от прямо­угольного, то критерий допустимости можно осуществить, произ­ведя расчеты по тем же формулам для прямоугольника, вписан­ного в контур отражателя и удовлетворяющего рисунку.

Поверхности, дающие направленные отражения, следует проектировать таким образом, чтобы приведенные выше условия применимости геометрических отражений выполнялись, по крайней мере, для частот, превышающих 300-400 Гц, (т.е. для звуковых волн длиной примерно 1 м и менее). Если условия при­менимости геометрических отражений выполнены, то их по­строение допустимо не только от центра отражателя, но и от дру­гих точек его поверхности, удаленных от краев отражателя не ме­нее чем на половину длины волны. При заданном требовании X = 1 м это означает, что точки геометрического отражения должны браться не ближе 0,5 м от краев отражающей поверхно­сти. Формулы применимы и для отражателя обладающего кри­визной, если наименьший размер радиуса кривизны не менее, чем в 2 раза превышает длину звуковой волны, т.е. более 2 м.В этом случае относительный уровень геометрического отра­жения в случае направленного источника звука определяется по формуле ΔL = 10 lg (r²_d Ф²₁ β k / (r ' + r '')² Ф²_d). (13).

где r_d - расстояние от источника звука до точки приема по прямому направлению, м; г' расстояние от источника звука до точки отражения, м; f" - расстояние от точки отражения до точки приема, м; - коэффициент направленности источника звука для угла между его акустической осью и направлением на точку приема; Ф_d - коэффициент направленности источника звука для угла между его акустической осью и прямой Г’; (β — коэффици­ент звукоотражения поверхности; к - коэффициент концентра­ции (рассеяния) отраженного звука.

В случае ненаправленного источника звука формула (13) приобретает вид: ΔL = 10 lg (r²_d β k / (r' + r'')²). (14).

При отражении от выпуклой поверхности к< 1, при отраже­нии от вогнутой к>1, а при отражении от плоской к=1. Для расчета коэффициента k в случае выпуклой или вогнутой отра­жающей поверхности может быть использован довольно простой прием. Путем графических построений (рис. 9; 1,2 – выпуклый и плоский отражатель) выделяется (в зо­не слушательских мест) площадь S, которую рассмат­риваемая криволи­нейная поверх­ность обеспечивает первыми отраже­ниями и на кото­рой находится на­ша расчетная точка (точка приема). За­тем определяется

площадь S_o из ус­ловия, что рас­сматриваемая отражающая поверхность является при тех же ее размерах плоской. Отношение S₀/S и дает нам коэффицициент к. Для цилиндрического звукоотражателя, изображенного на рис. 9, коэффициент k—l_o/l.