close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1katunin g p akustika pomeshcheniy

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное
образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)
Г.П. Катунин
АКУСТИКА ПОМЕЩЕНИЙ
Учебное пособие
Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных
технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
210700 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи
квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации (степени) «магистр»
Новосибирск
2013
ББК.32.871
В22
УДК 534.8
профессор Г.П. Катунин. Акустика помещений: Учебное пособие. – Новосибирск: ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2013. – 192 с.
Рассмотрены основы физиологической акустики, изложены как акустические, так и звукотехнические проблемы, возникающие при проектировании и
технической эксплуатации залов, особенности расчёта систем звукоусиления и
озвучения, методы настройки частотной характеристики залов. Описана методика проведения акустических измерений помещений, микрофонов и громкоговорителей. Приводится большой объем справочных данных по современным
электроакустическим преобразователям и звукопоглощающим конструкциям.
Для студентов старших курсов, обучающихся по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Рисунков – 52, библиография –8
Кафедра радиовещания и телевидения
Рецензенты: А.М. Абдуллаев, В.И. Серых
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ФГОБУ
«СибГУТИ» в качестве учебного пособия.
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2013 г.
© Катунин Г.П., 2013 г.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКУСТИКИ……………….
1.1. Устройство слухового органа человека………………………………
1.2. Восприятие по частоте………………………………………………..
1.3. Порог слышимости и болевой порог………………………………...
1.4. Дифференциальный порог восприятия интенсивности звука………
1.5. Уровень громкости и громкость звука……………………………….
1.6. Эффект маскировки…………………………………………………...
1.7. Временные характеристики слухового восприятия………………..
1.8. Нелинейные свойства слуха………………………………………….
1.9. Бинауральный эффект………………………………………………..
Контрольные вопросы………………………………………….................
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ………………….
2.1. Краткий исторический очерк развития……………………………....
2.2. Статистическая теория акустики помещения…………………….....
2.2.1. Общие сведения……………………………………………………
2.2.2. Среднее время и длина свободного пробега волны……………..
2.2.3. Поглощение звуковой энергии и средний коэффициент
поглощения звука…………………………………………………………….
2.2.4. Нарастание и спад звуковой энергии в помещении…………….
2.2.5. Структура и слуховое восприятие реверберационного
процесса………………………………………………………………………
2.2.6. Время стандартной реверберации………………………………..
2.2.7. Акустическое отношение и эквивалентная реверберация……...
2.2.8. Чёткость реверберирующего сигнала……………………………
2.2.9. Реверберация в связанных помещениях…………………………
2.3. Основы геометрической (лучевой) акустики……………………......
2.4. Элементы волновой теории…………………………………………...
Контрольные вопросы……………………………………………………….
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ АКУСТИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ПОМЕЩЕНИЙ……………………………………………
3.1. Выбор размеров и формы помещения……………………………….
3.1.1. Радиовещательные и телевизионные студии……………………
3.1.2. Аудитории, театры, концертные залы, кинотеатры………….…
3.2. Выбор оптимального времени реверберации……………………….
3.2.1. Речевые студии…………………………………………………...
3.2.2. Музыкальные студии……………………………………………...
3.2.3. Телевизионные студии для драматических передач…………....
3.2.4. Залы с системами звукоусиления……………………………...
3.3. Расчет звукоизоляции помещений……………………………………
3.3.1. Методика расчета ожидаемых уровней шума…………………...
3
5
6
6
11
14
16
19
25
26
29
30
32
33
33
36
36
40
43
44
49
51
53
57
58
60
70
75
76
76
77
81
85
85
86
88
90
93
94
3.3.2. Методика определения требуемой звукоизоляции…………..…
3.4. Рекомендуемый порядок акустического расчета……..…….……...
3.4.1. Выбор размеров и формы помещения……………………………
3.4.2. Расчет реверберационных характеристик помещения……...…..
3.4.3. Расчет звукоизоляции помещения…………………..……………
3.5. Расчет систем озвучения и звукоусиления………………………….
3.5.1. Требования к системам звукоусиления и озвучения…...………
3.5.2 Классификация систем озвучения и звукоусиления………..…...
3.5.3. Порядок расчета системы звукоусиления………………..……...
3.6. Звукопоглощающие материалы и конструкции………..…………...
3.6.1. Пористые материалы………………………………..…………….
3.6.2. Резонансные поглотители………………………………………...
3.7. Звукоизолирующие материалы и конструкции……..………………
3.8. Некоторые рекомендации по настройке залов……...……………….
3.8.1. Оптимальное размещение излучателей………………………….
3.8.2. Коррекция АЧХ помещения………………………………………
3.8.3. Использование линий задержки……………………………..……
3.9. Основные параметры электроакустической аппаратуры…..……….
3.9.1. Основные характеристики микрофонов……………………..…..
3.9.2. Технические характеристики громкоговорителей………………
Контрольные вопросы………………………………………………..……...
ГЛАВА 4. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ …………………………….
4.1. Измерение времени реверберации……………………………..…….
4.2. Измерение параметров микрофонов и громкоговорителей…..…….
4.2.1. Условия проведения измерений………………………………..…
4.2.2. Измерение параметров микрофонов…………………………..….
4.2.3. Измерение параметров громкоговорителей…………………..….
4.3. Измерение акустических шумов……………………………………..
Контрольные вопросы…………………………………………………….....
БИБЛИОГРАФИЯ …………………………………………………………..
4
96
97
97
99
102
106
106
109
114
122
122
123
139
148
148
153
155
160
160
162
176
177
177
179
179
181
183
190
191
191
ВВЕДЕНИЕ
Имеющиеся в настоящее время учебные пособия по акустике помещений
в значительной мере устарели и не соответствуют современной программе ни
по содержанию, ни по объёму.
Пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области
звукового вещания и радиообслуживания.
В пособие вошли разделы по физиологической акустике, рассмотрены
основы архитектурной акустики. Изложены как акустические, так и звукотехнические проблемы, возникающие при проектировании и технической эксплуатации залов, особенности расчёта систем звукоусиления и озвучения, методы
настройки частотной характеристики зала, а также проблемы формирования
ранних отражений. Описана методика проведения акустических измерений помещений, микрофонов и громкоговорителей. Приводится большой объем справочных данных по современным электроакустическим преобразователям и звукопоглощающим и звукоизолирующим конструкциям.
Автор надеется, что пособие будет полезно не только студентам, но и работникам предприятий, занимающимся проектированием и эксплуатацией систем звукоусиления и озвучения.
Автор благодарен бакалавру Е.С. Андрес за помощь в подготовке справочных материалов и оформлении учебного пособия.
5
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКУСТИКИ
1.1. Устройство слухового органа человека
Свойствами слухового восприятия человека в основном определяются
требования к широкому классу электроакустических аппаратов: телефонам,
микрофонам, громкоговорителям, к аппаратуре записи и воспроизведения звука. Естественно, что и аппаратура трактов звукоусиления, радиовещания и звукового сопровождения телевизионных программ также проектируется на основе изучения свойств слуха человека. Исследования этих свойств, наряду с исследованием анатомического строения слухового органа, имеют значительную
историю (более 100 лет) и в совокупности с исследованиями свойств других органов чувств человека (в первую очередь зрения) составляют предмет науки,
часто называемой «экспериментальная психология» или «психофизиология
восприятия» (слухового, зрительного и т. п.).
По существу, цель этих исследований – получить количественное выражение реакций человека на звуковые, световые и другие раздражители. Только
на основе количественных характеристик слуха можно сформулировать такие
технические требования, как диапазон частот громкоговорителей, необходимый
для передачи музыки и речи, диапазон интенсивности звука, который соответствовал бы звучанию естественных источников (голоса, музыкальных инструментов), допустимые уровни интенсивности мешающих звуков при прослушивании концертных программ и речевых сообщений.
Знание свойств слуха необходимо и для понимания того, какие составляющие звуков речи являются информативными, какие искажения сигнала, передаваемого электроакустическими трактами, заметны на слух и как это связывается с разборчивостью или с художественностью передачи. Наконец, слуховой аппарат человека в целом с его механизмом передачи акустических колебаний к нервным окончаниям слухового нерва, функциональной схемой слухового нерва и слуховых центров мозга представляет собой весьма совершенную,
биологическую распознающую систему. Элементы этой системы могут оказаться полезным прототипом при создании искусственных акустических и электронноакустических распознающих систем.
Слуховой аппарат является своеобразным приемником информации и
состоит из периферической части и высших отделов слуховой системы. Наиболее изучены процессы преобразования звуковых сигналов в периферической
части слухового аппарата. Строение периферической слуховой системы показано на рис.1.1, а её схематичное представление на рис. 1.2.
Обычно периферическую слуховую систему делят на три части: внешнее,
среднее и внутреннее ухо. Внешнее ухо состоит из ушной раковины и слухового канала, заканчивающегося тонкой мембраной, называемой барабанной перепонкой. Некоторые авторы к внешнему уху относят также плечевой пояс и
грудь. Может быть, это и верно в некоторых ситуациях, но к нижеописанному
механизму восприятия звука эти органы если и имеют какое-либо отношение,
то весьма далёкое.
6
Рис.1.1. Строение периферической слуховой системы
Внешние уши и голова – это компоненты внешней акустической антенны, которая соединяет (согласовывает) барабанную перепонку с внешним звуковым полем. Основные функции внешних ушей – бинауральное (пространственное) восприятие, локализация звукового источника и усиление звуковой
энергии, особенно в области средних и высоких частот. Слуховой канал представляет собой изогнутую цилиндрическую трубку длиной 22,5 мм, которая
имеет первую резонансную частоту порядка 2,6 кГц, поэтому в этой области
частот он существенно усиливает звуковой сигнал, и именно здесь находится
область максимальной чувствительности слуха. Считается, что за счет резонансных свойств слухового канала происходит усиление звука на 5...10 дБ в
диапазоне от 2000 до 5000 Гц. Барабанная перепонка – тонкая плёнка толщиной
74 мкм, имеет вид конуса, обращённого остриём в сторону среднего уха. На
низких частотах она движется как поршень, на более высоких – на ней образуется сложная система узловых линий, что также имеет значение для усиления звука.
Среднее ухо выполняет следующие функции: согласование сопротивление воздушной среды среднего уха с жидкостной средой улитки внутреннего
уха; защита от громких звуков и усиление.
В среднем ухе находятся три маленькие слуховые косточки: молоточек,
наковальня и стремя. Молоточек 4 (рис. 1.2) прикреплён к барабанной перепонке 3 одним концом, вторым он соприкасается с наковальней 5, которая соединена со стременем 6. Основание стремени соединено овальным окном 10 с
внутренним ухом.
7
Для выравнивания атмосферного давления среднее ухо соединено с носоглоткой евстахиевой трубой. При изменении атмосферного давления воздух
может входить или выходить из среднего уха, поэтому барабанная перепонка
не реагирует на медленные изменения статического давления – спуск-подъём и
т.п. Обычно евстахиева труба закрыта. Она открывается лишь при внезапном
изменении давления. Если у человека евстахиева труба блокирована, например,
в результате простуды, то выравнивания давлений не происходит, и человек
ощущает боль в ушах.
А
5
4
1
6
Б
К полукруж11
10ным кана-
13
0 17
14
Улитка
11 1212
19
А
2
14
13
7
3
8
Наружное
ухо
9
Среднее
ухо
18
Б
10
13
16
15
Внутреннее ухо
Рис.1.2. Схематичное представление слухового аппарата человека:
1 – ушная раковина; 2 – слуховой проход; 3 – барабанная перепонка; 4 – молоточек; 5 – наковальня; 6 – стремя; 7 – мышцы; 8 – евстахиева труба; 9 – круглое
окно; 10 – овальное окно; 11 – перегородка улитки; 12 – основная (базилярная)
мембрана; 13 – кортиев орган; 14 – геликотрема
Барабанная перепонка и косточки среднего уха действуют наподобие
трансформатора (коэффициент трансформации равен примерно 50...60), превращая воздушные колебания с большой амплитудой и сравнительно малым
давлением в колебания жидкости внутреннего уха с большим давлением и малой амплитудой. Трансформация происходит, во-первых, вследствие того, что
8
площадь овального окна в 20 раз меньше площади барабанной перепонки, и,
во-вторых, вследствие рычажной системы передачи косточек, которые увеличивают силу, передаваемую в полость внутреннего уха, ещё в несколько раз.
Напомним, что при равной энергии звук в воздухе имеет в 58 раз большую амплитуду частиц, чем в воде; давление воздушной волны, наоборот, в 58 раз
меньшую.
Для защиты слухового аппарата от повреждений существуют специальные мышцы 7. При сильном шуме под действием этих мышц ось вращения
стремени смещается, уменьшая силу давления на овальное окно. При дальнейшем возрастании шума вступают в дело другие мышцы, одна из которых туго
натягивает барабанную перепонку, а другая частично смещает стремя.
Внутреннее ухо находится в височной кости, и включает в себя вестибулярный аппарат (на рис.1.2 и 1.3 не показан) и улитку.
Улитка играет основную роль в слуховом восприятии. Она представляет
собой трубку переменного сечения, свёрнутую в 2,5 раза подобно улитке (на
рис.1.2 она изображена в виде усечённого конуса). В развёрнутом состоянии
она имеет длину 3,5 см. Внутри улитка имеет чрезвычайно сложную структуру.
Её полость разделена на верхнюю и нижнюю части перегородкой 11, представляющей собой тонкую костяную пластинку. Перегородка оканчивается непосредственно у верхушки улитки, где верхняя и нижняя части её полости связаны отверстием – геликотремой 14. Перегородка примыкает только к одной
стенке улитки. Вдоль внешней стенки на всём её протяжении остаётся щель,
перекрытая подвижной основной (базилярной) мембраной 12. Базилярная мембрана состоит из нескольких тысяч поперечных волокон: длина 32 мм, ширина
у стремени – 0,05 мм (этот конец узкий, легкий и жесткий), у геликотремы –
ширина 0,5 мм (этот конец толще и мягче). На мембране вдоль всей её длины от
овального окна до геликотремы располагается своего рода валик – кортиев
орган 13.
На рис.1.3 показан поперечный разрез внутреннего уха. Между левой
стенкой и кромкой перегородки улитки видна основная мембрана с кортиевым
органом.
Б–Б
Рис.1.3. Схематичный разрез внутреннего уха
2
1
1 – мембрана Рейснера;
2 – покровная мембрана;
3 – кортиев орган;
4 – основная мембрана;
5 – перегородка улитки;
6 – слуховой нерв.
6
3
4
9
5
Орган Корти содержит специализированные слуховые рецепторы – «волосковые» клетки. Каждая из таких клеток имеет до ста волосковых окончаний.
С наружной стороны мембраны располагается три-пять слоев таких клеток, а
под ними находится внутренний ряд, так что общее число волосковых клеток,
взаимодействующих между собой послойно при деформациях мембраны, составляет около 25 тыс.
От свободной кромки перегородки улитки вверх под углом натянута
очень тонкая мембрана Рейснера 1 (рис.1.3), ниже которой расположена покровная (текториальная) мембрана 2. Мембрана Рейснера отгораживает жидкую среду вестибулярного аппарата от слухового.
Заметим, что кроме овальной мембраны в улитке имеется мембрана круглого окна 9. Большинство авторов при описании роли мембраны круглого окна ограничиваются туманной фразой, что эта мембрана «выполняет вспомогательную функцию согласования среднего и внутреннего уха». Полагаю, что если бы не было этой мембраны, то не было бы и движения жидкости в улитке,
так как лимфа практически не сжимаема. При воздействии звукового давления
мембрана круглого окна перемещается в сторону, противоположную движению
мембраны овального окна, тем самым, давая возможность лимфе перемещаться,
и воздействовать на волосковые клетки.
Общий механизм передачи звука упрощенно может быть представлен
следующим образом: звуковые волны проходят слуховой канал и возбуждают
колебания барабанной перепонки. Эти колебания через систему косточек среднего уха передаются овальному окну, которое толкает жидкость в верхнем отделе улитки. Возникает импульс давления, который заставляет жидкость переливаться из верхней половины в нижнюю. Жидкость при этом оказывает давление на мембрану круглого окна, вызывая при этом его смещение в сторону,
противоположную движению стремени. Движение жидкости вызывает колебания основной мембраны в виде бегущей волны (рис.1.4).
Рис.1.4. Бегущая волна, образующаяся на основной мембране
Преобразование механических колебаний мембраны в дискретные электрические импульсы нервных волокон происходят в органе Корти. Когда основная мембрана вибрирует, реснички на волосковых клетках изгибаются и
контактируют с покровной мембраной.
Результатом этого сложного процесса является преобразование входного
сигнала в электрическую форму, и после этого с помощью слуховых нервов
выполняется его передача к слуховым областям мозга, где и формируется окончательная реакция на звуковое воздействие.
10
1.2. Восприятие по частоте
Как было описано ранее, при воздействии звуковых колебаниях стремя
приводит в движение мембрану овального окна, которая вызывает движение
лимфы. Лимфа колеблется касательно к поверхности основной мембраны, поперек её волокон. На колебания лимфы отзываются (резонируют) в зависимости от частоты колебаний только вполне определенные волокна. Около
геликотремы расположены наиболее длинные волокна, резонирующие на низких частотах, а в основании улитки расположены наиболее короткие волокна,
которые резонируют на высоких частотах. Сложный звук, состоящий из нескольких составляющих, возбуждает несколько групп волокон (в соответствии
с частотами составляющих). Таким образом, основная мембрана служит частотным анализатором. Резонансная частота каждого из волокон определяется
не только параметрами волокна как натянутой струны, но и массой лимфы, соколеблющейся с волокном. Эта масса определяется расстоянием резонирующего волокна от овального окна. Поэтому на низких частотах в колебаниях участвует большая масса лимфы, а на высоких – меньшая. На рис. 1.5 приведена эквивалентная электрическая модель слухового анализатора.
Рис. 1.5. Эквивалентная электрическая схема улитки
Как видно из рис.1.5, эквивалентная схема улитки представляет собой полосовой фильтр, при этом границы воспринимаемого слухом частотного диапазона довольно широки (16…20000 Гц).
Представляет значительный интерес частотная избирательность слухового анализатора, так как от этого параметра зависят требования к электроакустической аппаратуре. Для количественной оценки избирательных свойств слуха
удобно воспользоваться понятием высоты звука. Возможность определения
высоты звука является важнейшим свойством слуховой системы. Это свойство
имеет огромное значение для идентификации и классификации звуков в окружающем звуковом пространстве, эта же способность слуховой системы лежит в
основе восприятия интонационного аспекта музыки, то есть мелодии и гармонии.
В соответствии с международным стандартом ANSI-994 «Высота (Pitch)
– это атрибут слухового ощущения в терминах, в которых звуки можно
расположить по шкале от низких к высоким. Высота зависит главным об11
разом от частоты звукового стимула, но она также зависит от звукового
давления и от формы волны». Таким образом, высота – это линейная классификация звуковых сигналов, в отличие от громкости, о которой можно сказать
больше-меньше, т.е. это – относительная классификация.
Прежде всего, необходимо отметить, что слуховая система способна различать высоту звука только у периодических сигналов, поэтому определяющим
параметром для различения высоты тона является частота сигнала. Если это
сложный звук, то высоту слуховая система может присвоить по его основному
тону, но только если он имеет периодическую структуру, т.е. его спектр состоит из гармоник (обертонов, частоты которых находятся в целочисленных отношениях). Если это условие не выполняется, то определить высоту тона слуховая
система не может. Например, звуки таких инструментов как тарелки, гонги и
др. не имеют определенной высоты.
Изучение связи частоты звука и воспринимаемой высоты предпринималось еще Пифагором, а также многими известными физиками: Галилеем,
Гельмгольцем, Омом и др. В настоящее время на основе тщательных экспериментов, в процессе которых слушателю предъявлялись два звука разной частоты с просьбой расположить их по высоте, установлена зависимость высоты тона от частоты сигнала, показанная на рис.1.6.
Высота тона,
мелы
300
200
100
2
4
10
20
40
100
200
400 1000 2000
Частота,
Рис.1.6. Связь частоты и высоты тона
Высота тона измеряется в специальных единицах – мелах. Один мел равен ощущаемой высоте звука частотой 1000 Гц при уровне 40 дБ. Как видно из
рисунка, эта связь не линейна – при увеличении частоты, например, в три раза
(от 1000 до 3000 Гц), высота повышается только в два раза (от 1000 до 2000
мел). Нелинейная зависимость особенно выражена на низких и высоких часто12
тах. В средней части диапазона частот изменение высоты тона в мелах пропорционально логарифму частоты.
Многочисленные исследования были посвящены определению порога
различимости по высоте двух разных тонов, отличающихся по частоте. Ухо
очень чувствительно к небольшим изменениям частоты и может различать синусоидальные тоны, отличающиеся по частоте всего на 0,2%, на частотах от
500 до 4000 Гц. На более низких, а также на более высоких частотах едва различимое на слух изменение частоты растёт. В диапазоне ниже частоты 500 Гц
можно выделить примерно 140 градаций высоты тона, в диапазоне от 500 Гц до
16 кГц – примерно 480 градаций высоты тона. Заметим, что в европейской музыке инструменты с равномерно темперированной шкалой используют порядка
100 градаций высоты. Так как возможности слуховой системы гораздо больше
– 620 градаций высоты, то это является основой для развития современной
микротоновой и спектральной музыки, особенно в связи с появлением компьютерных технологий.
На слух расстояния по высоте тона называются интервалами или музыкальными интервалами. Простейшие для слуха интервалы следующие:
 унисон – 1:1 (два звука одинаковой частоты);
 октава – 1:2;
 квинта – 2:3;
 кварта – 3:4;
 большая терция – 4:5;
 малая терция – 5:6 или 6:7;
 большая секунда (или тон) – 7:8 или 8:9;
 малая секунда (или полутон) – 15:16.
Музыкальные свойства интервалов составляют основу, на которой строится
теория музыки. В технике используются понятия октавы 1:2, полуоктавы 1: 2 ,
третьоктавы 1: 3 2 .
Ощущение высоты чистого тона связано не только с частотой, но и с интенсивностью звука и его длительностью. Как показали различные исследования, при повышении интенсивности звука громкие низкие звуки кажутся еще
ниже, а высокие звуки с повышением громкости кажутся слегка выше (только
для средних частот 1...2 кГц влияние интенсивности незаметно). Следует отметить, что эта зависимость весьма незначительна, а для сложных музыкальных
звуков почти незаметна. Это великое счастье для музыки, так как иначе при переходе от самых слабых звуков к самым громким мелодия и гармония были бы
нарушены.
Ощущение высоты тона зависит и от его длительности: короткие звуки
воспринимаются как сухой щелчок, но при удлинении звука щелчок начинает
давать ощущение высоты тона. Время, требуемое для перехода от щелчка к тону, зависит от частоты: для низких частот для распознания высоты тона длительность импульса должна быть примерно 60 мс; для частот от 1 до 2 кГц – 15
13
мс. Для сложных звуков это время увеличивается, для звуков речи оно может
составлять 20…30 мс.
Заметим, что приведенные данные о высокой частотной избирательности
слуха получены для случая восприятия чистых тонов. Реально чистые тоны
встречаются крайне редко. Поэтому при воздействии сложных звуков человек
определяет во всём диапазоне частот не более 250 градаций частоты, причём
число этих градаций сокращается с уменьшением интенсивности звука, и в
среднем составляет около 150. Таким образом, соседние градации в среднем
отличаются друг от друга по частоте не менее чем на 4%. Поэтому фильмы,
снятые для кино со скоростью 24 кадров в секунду, можно демонстрировать на
телевидении со скоростью 25 кадров в секунду и наоборот. При этом самые
лучшие музыканты с абсолютным слухом не замечают разницы в звучании, так
как расхождение в частотах колебаний не превосходит 4%. При расхождении
на два кадра в секунду эту разницу уже можно обнаружить.
Большая точность слуха по частоте предъявляет довольно жёсткие требования к точности хода лентопротяжных механизмов магнитофонов и к точности скорости и стабильности вращения дисков с записью звука.
1.3. Порог слышимости и болевой порог
Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достает до
ближайшей волосковой клетки, то человек не воспринимает звук. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближайшей клетки, произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук будет услышан.
Для того чтобы в полной тишине звук с частотой 1000 Гц был услышан,
амплитуда давления вблизи человеческого уха должна достигать всего лишь
2,8410 -5 Н/м2 (эффективное значение – 210 -5 Н/м2), что составляет всего лишь
210 -10 атмосферного давления. Интенсивность соответствующей плоской волны
в воздухе при этом составит 10 -12 Вт/м2. Интересно заметить, что амплитуда
смещения частиц воздуха при этом меньше десятой доли радиуса молекулы.
Величина случайных флуктуаций силы давления на барабанную перепонку,
связанная с тепловым молекулярным движением, всего в 5...10 раз меньше силы давления звука, заметного в полной тишине.
Величина звукового давления, которая едва заметна на слух при отсутствии всяких других мешающих шумов и звуков, называется пороговой величиной звукового давления, или, сокращенно, порогом слышимости. Определение порога слышимости предпринимались исследователями неоднократно. Было выяснено, что пороги слышимости, определенные у ряда людей, могут сильно различаться. Эти различия имеют случайный характер для группы людей
одинакового возраста, имеющих нормальный здоровый слуховой орган. Порог
слышимости изменяться у одного и того же человека в зависимости от состояния организма в данный момент: возбуждения, утомления и т. п. Поэтому надежные сведения о пороге слышимости можно получить только статистическим путем, измерив его в определенных условиях у большого числа людей.
14
Такие статистические исследования проводились в США (1938...1939гг.),
в Англии (1956...1957 гг.), СССР (1958 г.). На основании международного соглашения в качестве стандарта принята кривая зависимости порога слышимости от частоты для чистого синусоидального звука, приведенная на рис.1.7. При
этом в качестве испытуемых привлекались лица в возрасте от 18 до 23 лет с заведомо здоровыми органами слуха.
P, Па
200
20
Болевой порог
2
0,2
2
210-
3
210-
4
210-
Порог слышимости
5
210-
6
210-
F, Гц
2 0 5 0 100 2 0 0 5 0 0
10
3
3
5  10
10
4 20000
Рис.1.7. Кривая порога слышимости и болевого порога
Как видно из рис. 1.7, порог слышимости сильно зависит от частоты.
Звуки в области частот от 2000 до 4000 Гц замечаются при звуковом давлении
даже меньшем 210 -5 Па. В то же время на нижних и верхних звуковых частотах
порог слышимости существенно возрастает. Как бы мы ни увеличивали интенсивность звука на частотах выше 20000 Гц, ощущение звука не возникает, т.е.
звуки с частотой выше 20000 Гц лежат за пределами частот слышимых звуков
большинства людей. Точно так же дело обстоит со звуками с частотой ниже
16...20 Гц. Частоты ниже 16 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20000 Гц
– ультразвуковыми.
Если амплитуду давления слышимой частоты постепенно увеличивать, то
на слух будет казаться, что громкость звука увеличивается. При некотором достаточно большом звуковом давлении наступает ощущение боли в ушах. Звуковое давление, при котором наступает болевое ощущение, называется порогом
болевого ощущения. Кривая частотной зависимости порога болевого ощущения более линейна, чем кривая порога слышимости.
Пусть вас не удивляет, что в ряде учебных пособий и справочников даются различные абсолютные значения и частотные зависимости порога слышимости. Эта разница обусловлена различием в методах измерения порога слыши15
мости. Так, измерения могут быть проведены для одноухого или двуухого
слушания. Кроме того, существуют пороги, измеренные по давлению около
ушной раковины (при слушании телефона) или измеренные для фронтального
падения звуковой волны (в свободном звуковом поле) и при многократном отражении от ограждающих поверхностей (при слушании в помещении).
1.4. Дифференциальный порог восприятия интенсивности звука
При увеличении интенсивности звука выше пороговой, пока амплитуда
колебаний волокон не увеличится настолько, чтобы коснуться еще одной клетки, слуховое ощущение остается постоянным. Как только одно из волокон прикоснется к следующей клетке, слуховое ощущение повысится скачком. По мере
увеличения интенсивности звука расширяется зона возбуждения основной
мембраны – начинают колебаться и соседние волокна, также возбуждающие
нервные клетки одну за другой. Каждая из них будет посылать свои импульсы в
слуховой центр. Слуховое ощущение при этом будет нарастать скачками по
мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называют порогом
различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250, причем на низких и высоких частотах их количество уменьшается и в
среднем по частотному диапазону составляет около 150. Таким образом, не
только по частоте, но и по амплитуде имеет место дискретное восприятие звука. Учитывая дискретность по частоте и по амплитуде, насчитывают во всей
области слухового восприятия около 22000 элементарных градаций, что примерно соответствует числу нервных окончаний.
Минимальная различимая на слух разность интенсивности двух звуков
одной и той же частоты определяет так называемый дифференциальный порог слышимости по интенсивности звука.
Однако, сила звука, выраженная в виде звукового давления или потока
звуковой энергии, не является мерой величины ощущения или субъективной
силы звука, которую принято называть ощущением громкости.
Каким же образом можно оценить громкость как меру субъективной силы звука? Базой для этого может служить психофизический закон, установленный Вебером в 1846 году и заключающийся в том, что отношение минимального воспринимаемого прироста некоторого стимула к первоначальной его величине является постоянным. Обозначая силу звука (звукового
стимула) через J, напишем закон Вебера в такой форме:
J
 const ,
J
(1.1)
где ΔJ – прирост интенсивности, который следует дать звуку интенсивности J,
чтобы стала заметна разница в громкости между звуками J и J + ΔJ. Величина
J
составляет примерно 10%. Подчеркнем еще раз, что это соотношение свяJ
зано со свойствами нервной системы и наблюдается не только при звуковых
16
раздражителях, но и при зрительных, осязательных и др., почему оно и носит
название всеобщего физиологического закона. Дальнейший шаг в развитии теории Вебера был сделан в 1860 году Фехнером, который подверг соотношение
(1.1) некоторой математической обработке. Фехнер принял, что прирост J есть
бесконечно малая величина dJ, а правую часть счёл пропорциональной бесконечно малому приросту ощущения dE (в данном случае – ощущение громкости). Получается соотношение
(1.2)
dJ
А  dE ,
J
где dJ – (принятая за бесконечно малую) величина прироста интенсивности;
dE – соответственно «бесконечно малый прирост величины нашего ощущения»;
A – совершенно произвольная постоянная, зависящая от выбора единиц
ощущения.
После того, как закон Вебера написан в таком математическом виде, он
представляет собой простейшее дифференциальное уравнение, которое можно
интегрировать. Интегрируя выражение (1.2), получим:
(1.3)
E  Aln J  C ,
где С – постоянная интегрирования.
Считая, что на пороге слышимости E =0 и J =J0, мы определим
C   А ln J 0 ,
(1.4)
и получим известный логарифмический закон, носящий название закона Вебера-Фехнера, согласно которому ощущение (Е) пропорционально логарифму раздражения
E  A ln
J
.
J0
(1.5)
Переходя к десятичным логарифмам, получим
E  2,3A lg
J
.
J0
(1.6)
Константу А можно принять равной некоторой удобной для вычисления
величине, так как она определяет масштаб ощущения и потому может быть выбрана произвольно. Принимая, например, условно 2,3А = 10, получим
E  10lg
J
.
J0
(1.7)
Эта формула даёт величину, которую называют уровнем ощущения. Применение шкалы децибел удобно для оценки величины слухового ощущения ещё
и потому, что минимально ощутимые приросты имеют величину порядка 0,5 дБ.
Вследствие логарифмического закона восприятия и широкого диапазона
интенсивностей слышимых звуков для объективной оценки введено понятие
уровня интенсивности
17
L I  10lg
I
.
I0
(1.8)
За нулевой уровень условились принимать интенсивность I 0 , близкую к
пороговой интенсивности для нормального слуха на частоте 1000 Гц. Эта интенсивность, как уже отмечалось, приблизительно равна 10-12 Вт/м2. Следовательно, болевой порог интенсивности находится около 120 дБ.
В соответствии с квадратичным соотношением между интенсивностью
звука и звуковым давлением уровень звукового давления
p
,

20lg
Lp
p0
где
(1.9)
p 0 – звуковое давление на нулевом уровне, равное 210 -5 Па.
Взяв p0 = 210 -5 Н/м2, что соответствует стандартному порогу слышимости уха человека на частоте 1000 Гц, получим:
(1.10)
Lp  20lgp  94,дБ.
Определенный по (1.9 или 1.10) уровень носит название уровня звукового давления, выраженного в децибелах. Численно такое же значение будет иметь, и уровень интенсивности звука, определенный по формуле:
L  10lg I  120, дБ. , где за I0 принята величина пороговой интенсивности
10 -12 Вт/м2.
Уровень звукового давления совпадает по величине с уровнем ощущения
только для чистого тона 1000 Гц, так как при этом значение I0 совпадает с порогом слышимости на 1000 Гц.
Плотность энергии прямо пропорциональна интенсивности, поэтому ее
уровень
L   10lg
где

0
,
(1.11)
 0 – плотность энергии, равная 3 10-15 Дж/м3.

Понятие уровня используется не только в акустике, но и электротехнике и
связи. Так, под электрическим уровнем понимается величина
N  20lg
U
U0
.
(1.12)
Нулевые уровни электрических величин выбираются при этом так, чтобы
мощность, выделяемая при напряжении U0 на сопротивлении R = 600 Ом, составляла 1 мВт. Отсюда легко найти, что U0 = 0,775 В.
В телефонии и технике дальней связи многие годы использовалась другая логарифмическая шкала – шкала неперов. Один непер соответствует отношению напряжений, равному 2,718, т. е. основанию натуральных логарифмов.
18
Таким образом, если U/U0 = e, то L Нп  ln
U
 1Нп . Из определения непера
U0
следует, что 1 Нп = 8,68 дБ, а 1 дБ = 0,115 Нп.
1.5. Уровень громкости и громкость звука
Впервые величину ощущения громкости ввёл Г. Баркгаузен. Позднее его
предложение было принято в международном масштабе. Согласно этому предложению введена величина уровня громкости.
За эталон уровня громкости принимают уровень интенсивности чистого
тона с частотой 1000 Гц. Единица уровня громкости называется фоном. Уровень громкости в фонах на частоте 1000 Гц равен уровню его интенсивности в
децибелах. Чтобы определить уровень громкости какого-либо звука, достаточно взять тон с частотой 1000 Гц и изменять его уровень до тех пор, пока его
громкость не будет одинаковой с громкостью определяемого звука. Уровень
интенсивности эталонного тона при этом численно будет равен уровню громкости определяемого звука.
Исследованиями на больших группах лиц были найдены кривые зависимости
интенсивности от частоты для равногромких чистых тонов. Это так называемые
кривые равной громкости (рис.1.8).
Lp, дБ
Уровень
громкости, фон
Болевой порог
p, Па
120
2х10
100
2
80
2х10-1
60
2х10-2
40
2х10-3
20
2х10-4
0
2х10-5
20
100
500
1000
5000
Рис. 1.8. Кривые равной громкости
19
10000
f, Гц
Как видно из рисунка, по мере повышения уровня громкости кривые равной громкости немного спрямляются. Например, для нулевого уровня громкости (на пороге слышимости) уровень интенсивности тона с частотой 100 Гц равен 38, а тона с частотой 500 Гц – 7 дБ. Для получения уровня громкости, равного 80 фон (см. рис. 1.9, кривая 80), уровень интенсивности тех же тонов должен быть взят равным соответственно 83 и 80 дБ, т. е. оба тона будут практически одинаково громки, если они будут иметь одинаковые уровни интенсивности. Следовательно, на высоких уровнях громкости слух имеет частотную характеристику чувствительности, близкую к равномерной, поэтому физическая и
субъективная характеристики будут близки друг к другу. Это обстоятельство
привело к двум практическим рекомендациям.
Допустим, что слушание происходит на уровне 80 фон, при этом регулятором тембра вы установили оптимальное для себя звучание. Теперь уменьшим
усиление на 30 дБ, тем самым уровень интенсивности звучания снизится на 30
дБ. Вследствие этого частотные составляющие, находящиеся около частоты
1000 Гц, будут иметь уровень громкости 50 фон, а составляющие, находящиеся
около частоты 100 Гц, снизятся по уровню громкости до значения, равного 22
фон, т.е. они будут звучать менее громко, чем средние частоты. Чтобы звучание
низких частот осталось таким же, как и звучание средних, необходимо скорректировать частотную характеристику тракта звукопередачи путем подъема его
чувствительности на низких частотах (на 17...20 дБ на частоте 100 Гц). В хороших радиоприемниках при уменьшении коэффициента усиления автоматически корректируется величина усиления на низких частотах (происходит увеличение коэффициента усиления).
При измерении высоких уровней громкости шумов чувствительность
измерителей (шумомеров) должна быть почти не зависящей от частоты, что соответствует субъективному восприятию звука по громкости. При измерении
низких уровней громкости показания шумомера будут близкими к субъективным, только если при этом будет учтено то обстоятельство, что слух имеет более низкую чувствительность на нижних звуковых частотах по сравнению со
средними. Поэтому в шумомерах при измерении низких уровней громкости
вводится коррекция путем снижения коэффициента усиления на низких частотах. Так, если измеряют уровни громкости около 30 фон, то на частоте 100 Гц
по сравнению с частотой 1000 Гц должно быть снижение примерно на 30 дБ
(рис. 1.8, кривая 30). Вследствие этого в шумомерах обычно есть три коррекции
низких частот: A, B и C – для уровней громкости 40, 70 и выше 85 фон, соответственно. При этом измеренные уровни громкости более точно соответствуют субъективной оценке громкости.
Уровень громкости, хотя и характеризует субъективное восприятие звука
по уровню, не соответствует действительному субъективному масштабу восприятия. Например, увеличение уровня громкости на 10 фон в диапазоне уровней выше 40 фон соответствует субъективному ощущению увеличения громкости в два раза. Фон как единица громкости неудобен ещё тем, что, зная уровень громкости для двух, например, синусоидальных сигналов разной частоты,
20
Громкость (S), соны
нельзя простым их сложением найти громкость двухтонального сигнала. В связи с этим введена величина громкости S, измеряемая в сонах. За звук единичной громкости (S = 1 сон) принят тон 1000 Гц, имеющий уровень звукового
давления, равный 40 дБ.
На рис. 1.9 приведена кривая зависимости громкости чистых тонов от
уровня громкости, полученная на основании сравнения результатов ряда групповых экспериментов.
100
30
10
3
1
0,3
0,1
0,03
0,01
0,003
0,001
0
20
40
60
80
100
Уровень громкости (L), фоны
Рис. 1.9. Зависимость громкости от уровня громкости
Приближенная эмпирическая формула, связывающая уровень громкости
с громкостью, имеет вид:
L  40
( L (фон )  40) /10
(1.13)
, сон или lgS 
.
S2
33
Формула даёт хорошее приближение только в диапазоне L=40...120 дБ.
Критические полосы слуха. Важным для практики является вопрос о
восприятии шума и сложных звуков. Прежде всего, рассмотрим, каков порог
слышимости для сложных звуков и шумов. Было установлено, что порог слышимости для близко расположенных по частоте групп чистых тонов одинаковой интенсивности зависит от числа этих тонов, если они расположены в пределах некоторой определенной полосы частот. Зависимость эта такова, что порог для такой группы соответствует порогу одиночного чистого тона суммарной интенсивности с некоторой средней частотой в полосе смеси тонов. Дело
обстоит так, как если бы ухо суммировало интенсивности компонент смеси.
21
Однако если компоненты смеси выходят за пределы определенной ширины полосы, то правило суммирования интенсивностей уже не действует. Полоса частот, в пределах которой еще проявляется свойство суммирования, носит название критической полосы слуха. На рис. 1.10 приведена зависимость ширины
критической полосы fкр от средней частоты в полосе. При частотах сигнала до
500 Гц ширина критической полосы почти постоянна и составляет около 100
Гц, выше 1 кГц она приблизительно равна 20% средней частоты или около 1/3
октавы. Слух может образовывать частотные группы на любом участке диапазона слышимых частот. Если их совместить в один ряд, то в полосе частот от 20
Гц до 16 кГц разместятся 24 частотные группы.
fкр, Гц
2000
1000
500
200
100
50
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10
F, кГц
Рис.1.10. Зависимость ширины частотной группы слуха
(ширины критической полосы) от частоты сигнала
Важно отметить, что группа чистых тонов, о которой идет речь, не должна создавать отчетливых периодических биений, которые можно было бы сосчитать на слух. По своим свойствам смесь тонов в группе должна соответствовать шумовому колебанию. Порог слышимости для шумов следует определять именно в критических полосах слуха. Естественно предположить, что и
уровень громкости для шума следует определять относительно порога слышимости в критических полосах.
Используя однозначную зависимость между частотой синусоидального
колебания и высотой тона (рис.1.6), можно ввести понятие тональных групп
слуха. Ширина тональной группы не зависит от высоты тона и составляет 100
мел. В честь немецкого физика Г. Баркгаузена она носит название барк, 1 Барк
= 100 мел.
Громкость сложных звуков. Возникает вопрос, как же определить
уровень громкости (или громкость) сложного звука или шума, если его состав22
ляющие выходят за пределы критической полосы или создают медленные биения, т. е., наоборот, очень близко расположены по частоте.
Ухо воспринимает медленные биения (когда чистые тоны, составляющие
сложный звук, разнятся менее чем на 7...10 Гц), как звук, периодически меняющийся по громкости. Если, например, интенсивность обоих звуков одинакова, то в момент противофазного сложения интенсивность суммарного тона
падает до нуля и ухо перестает слышать звук, а в моменты синфазного – интенсивность учетверяется, уровень интенсивности возрастает на 6дБ. Используя
кривые равной громкости, можно найти, насколько увеличивается в эти моменты уровень громкости по сравнению с уровнем громкости одного из составляющих тонов. На частоте 1 кГц, например, уровень громкости в приведенном
примере будет возрастать также на 6 дБ. На частоте ниже 300...500 Гц кривые
равной громкости расположены теснее, чем на частоте 1 кГц, и уровень громкости будет возрастать даже больше чем на 6 дБ.
При разности частот больше 10 Гц, но меньше ширины критической полосы ухо реагирует на уровень суммарной интенсивности составляющих. В
приведённом примере с двумя одинаковыми по интенсивности чистыми тонами
это соответствует уровню интенсивности, на 3 дБ превышающему уровень интенсивности каждого из составляющих тонов.
Исследования показывают, что в случае, когда звуки разнятся по частоте
более чем на одну критическую полосу, ухо также суммирует громкости этих
звуков. Таким образом, для определения суммарного уровня громкости сложного звука в этом случае следует с помощью кривой S(L) (рис.1.9) определить громкости каждого из звуков S1(L1) и S2 (L 2 ) , сложив их, найти уровень
громкости S , соответствующий громкости
S   S1  S 2 , по формуле:
L   33 lg(S1  S2)  40 .
Точно также следует поступать и при определении уровня громкости широкополосного шума, захватывающего две или более критические полосы слуха. Весь спектральный состав шума следует разбить на частотные полосы, соответствующие критическим, и определить уровни громкости L1, L2, …,
Li,…, Lk в этих полосах, по ним найти S1, S2, …, Si,…, Sk, суммировать
громкости полос шума, после чего искать уровень громкости по суммарной
громкости. С помощью приближенной ф-лы (1.13) эта процедура запишется
так:
Si  2
(Li 40)/10
k
;
S   Si ,
1
(1.13)
L   33 lg S  40 .
В таблице 1.1 приведены уровни громкости и громкость для наиболее типовых звучаний.
23
Таблица 1.1. Средний уровень громкости наиболее часто встречающихся
звуков и шумов
Уровень громко- Громкость,
Источник шума и место его измерения
сти, фон
сон
Шумы вне помещений
Авиационный мотор на расстоянии 5 м
116...120
346...556
Громкий автомобильный гудок
95... 100
57...88
на расстоянии 8 м
Электропоезд на эстакаде на расстоянии 6 м
90
38
Шум в поезде метро во время движения
85...90
25...38
Автобус (полный ход) на расстоянии 5 м
85...88
25...32,2
Трамвай на расстоянии 10...20 м
80...85
17,1...25
Грузовой автомобиль в городе
60...75
4,35...11,4
на расстоянии 5...20 м
Легковой автомобиль в городе
50...65
2,2...5,87
на расстоянии 5...20 м
Свисток милиционера на расстоянии 20 м
70
7,95
Шумная улица без трамвайного движения
60...75
4,35...11, 4
Обычный средний шум на улице
55...60
3,08...4,35
То же, в момент затишья днем
40
1,0
Тихая улица (без движения транспорта)
30...35
0,36...0,62
Тихий сад
20
0,097
Производственные шумы
Удары молота по стали, клепальная машина
215...288
110...113
на расстоянии 2...4 м
Котельные цехи
100...103
88...116
Общий шум в ткацком цехе
96...100
62...88
Деревообрабатывающая фабрика
96...98
62...74
Театры, школы, больницы
Симфонический оркестр
80...100
Аплодисменты
60...75
Громкая музыка по радио
17,1...88
4,4...11, 4
80
17,1
40–50
1...2,2
Библиотеки
Больницы
Шумное собрание
55...62
25...30
20...30
65...70
3,1...4,7
0,2...0,36
0,1...0,36
5,87...7,95
Громкий разговор на расстоянии 1 м
65...70
5,87...7,95
Радиоцентр (студия) во время исполнения
соло)
Актовые залы в школах во время перерыва
24
Источник шума и место его измерения
Обычный на расстоянии 1 м
Уровень громкости, фон
55...60
Жилые помещения
Разговор трех человек в обычной комнате
45...50
Шёпот средней громкости на расстоянии 1м
Громкость,
сон
3,08...4,35
1,5...2,2
20
Степени музыкальной громкости
0,1
100
90
88
38
80
70
17,1
7,95
60
4,35
50
2,2
40
1,0
30
0,36
Форте-фортиссимо
Фортиссимо
Форте
Меццо-форте
Меццо-пиано
Пиано
Пианиссимо
Пиано-пианиссимо
1.6. Эффект маскировки
Известно, что в тишине можно слышать писк комара и жужжание мухи,
тиканье часов и т. п., а в шуме и при помехах можно не услышать даже громкий
звонок, т. е. при наличии шума и помех порог слышимости для слабого звука
увеличивается. Это повышение порога слышимости называют маскировкой.
Количественно это повышение порога слышимости полезного сигнала в присутствии мешающего выражают уровнем маскировки.
Величина маскировки определяется по формуле
 L м  L а.ш  L а ,
где L а.ш и L а – уровни порогов слышимости в присутствии шума и в тишине. При существенном превышении мешающего звука над полезным, последний может оказаться неслышимым.
Влияние уровня узкополосного шума на маскировку тона показано на
рис.1.11. Ширина полосы маскирующего шума составляет 160 Гц, а его уровень
L а.ш соответственно равен 100, 80, 60, 40 и 20 дБ. Все пять зависимостей имеют чёткий максимум на средней частоте полосы шума 1000 Гц, равной частоте
тона. Все изображённые на рис.1.11 зависимости имеют крутой спад к нижним
частотам и пологий в сторону, обращённую к высшим частотам.
Возрастание порога объясняется тем, что при действии помехи, имеющей
частотные составляющие в той же области, что и принимаемый звук, а по уровню интенсивности значительно превышающей уровень принимаемого звука,
нервные окончания уже возбуждены и посылают импульсы в слуховой центр,
соответствующие помехе. Из-за дискретности восприятия слабый принимае25
мый звук ничего не может добавить к этому восприятию, и поэтому мы его не
слышим.
Экспериментальным путём установлено, что низкочастотные тоны сильнее маскируют высокочастотные. Объясняется это тем, что волокна улитки, резонирующие на низких частотах, находятся далеко от овального окна (см. рис.
1.2), поэтому лимфа, колеблющаяся в каналах улитки в той или иной степени,
возбуждает все волокна, находящиеся ближе к овальному окну, в том числе и
высокочастотные волокна. На высоких частотах резонирующие волокна находятся близко от овального окна, и колебание лимфы прекращается, не доходя
до более удаленных низкочастотных волокон.
Заметим, что если в какой-либо частотной группе мощность полезного
сигнала достигнет определенного значения от приходящейся на эту полосу
мощности маскирующего шума, то полезный сигнал будет услышан. Именно
этим объясняется тот факт, что, если помеха широкополосная, то даже при
большом превышении общего ее уровня над уровнем принимаемого тона последний может быть услышан, поскольку уровень помех, находящихся в пределах критической полоски (в которой находится и принимаемый тон), может
быть довольно малым. Для равномерной помехи в диапазоне частот 100...5000
Гц это превышение достигает 15 дБ.
L, дБ
N а.ш=100 дБ
80
60
80
40
60
20
0
20
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
40
1
2
5
8
f, кГц
Рис. 1.11. Зависимости порога слышимости тона при его маскировке
шумом с разными значениями уровней
1.7. Временные характеристики слухового восприятия
По данным Гельмгольца и Флетчера, в случае сложных колебаний, состоящих из нескольких частотных составляющих, попадающих в разные критические полосы слуха, слух не реагирует на взаимные фазовые сдвиги между составляющими, т. е. фактически не реагирует на форму кривой. Так, например,
26
звучание сложных звуков, представленных на рис. 1.12, различается на слух
только из-за нелинейности слуха, появляющейся при уровнях громкости выше
60 фон.
При исчезновении раздражающей силы слуховое ощущение исчезает не
сразу, а постепенно уменьшается до нуля. Этот эффект называют слуховым
впечатлением. Время, в течение которого ощущение по уровню громкости падает на 8,7 фон, считается постоянной времени слуха. Величина этой постоянной времени зависит от ряда обстоятельств и даже от параметров воспринимаемого звука. В среднем она считается равной 150...200 мс.
Если к слушателю приходят два звука, но один из них запаздывает на
время не более 50 мс (зона 0 на рис. 1.13), то оба звука всегда воспринимаются
слитно. Правда, при запаздывании более 30 мс будет прослушиваться некоторое качественное изменение звучания. При запаздывании на время более 50 мс
эти звуки могут восприниматься раздельно. Но если второй звук будет иметь
уровень ниже первого, то он может не восприниматься (зона I) или восприниматься раздельно в зависимости от того, насколько уровень второго звука ниже
уровня первого. На рис. 1.13 приведена зависимость между временем запаздывания и разностью уровней обоих звуков, при которых они уже воспринимаются раздельно (см. кривую 1). Если звуки исходят из одного источника
звука, но один из них проходит большой путь, например, из-за отражения от
какого-либо препятствия, то возможность раздельного восприятия этих звуков
называют эхом.
Рис.1.12. Звуковые колебания, одинаково воспринимаемые слухом
Если разность уровней прямого и отраженного звука не превышает предела обозначенного кривой 2, то запаздывающий звук можно услышать (зона
II), при превышении этого предела запаздывающий звук заметен в виде эха, но
еще не снижает разборчивость речи (зона III). При разности уровней, превышающих кривую 3 (зона IV), наблюдается снижение разборчивости речи изза эха.

Более подробно мы рассмотрим так называемое «правило 30 мс» в разделе, посвящённом
системам звукоусиления (глава 3).
27
Пользоваться этими кривыми удобно только при ручном расчете, а при
использовании вычислительных машин надо иметь их аналитическое представление в виде аппроксимации. Предлагается достаточно точная аппроксимация
(точность около 1 дБ) следующего вида:
100
 для кривой 1:  L1 
lg t(мс)  45, дБ , где t – время запазды3
вания;
 для кривой 2: L2  35lg t(мс)  54, дБ ;
 для кривой
3:  L1 
80
3
lg t(мс)  51, дБ .
L, дБ
10
0
IV
-10
3
III
-20
2
II
-30
I
0
1
-40
-50
-60
0
50
100
200
300
400
t, мс
Рис. 1.13. Зависимость между требуемой разностью уровней прямого и запаздывающего (отраженного) звуков и временем запаздывания отраженного звука:
кривые: 1– граница слышимости эха, 2 – граница заметности эха; 3 – граница
мешающего действия эха; зоны: 0 – слитное восприятие звуков; I – эхо неслышимо; II – эхо прослушивается; III–эхо заметно, но не мешает восприятию речи; IV – эхо снижает разборчивость речи
Пример. Слушатель находится между источником звука и отражающей
стеной на расстоянии 17 м от них. Если коэффициент отражения звука от стены
близок к единице, то интенсивность прямого звука будет в 9 раз (512:172)
больше интенсивности отраженного звука. По уровню эта разница будет составлять 10 lg 9 = 9,5 дБ. Разность хода отраженного звука и прямого составит
34 м, поэтому отраженный звук будет запаздывать по отношению к прямому на
28
(34x1000)/340 = 100 мс. Из рис. 1.13 следует, что это будет заметно. А если источник звука будет находиться на расстоянии 3 м от слушателя, то разность
уровней будет составить 10 lg x (3+ 2х17)2/32 = 21,8 дБ. В этом случае это будет
уже за пределами заметности (зона I).
К одной из временных характеристик слуха относится явление послемаскировки: слабые звуки, идущие сразу после громких, оказываются полностью или частично замаскированными из-за последействия предыдущего звука.
Послемаскировка сигнала, вызываемая слуховым впечатлением, тем длительнее, чем выше уровень предшествующего сигнала. Послемаскировку звуков речи часто называют самомаскировкой.
Следует еще упомянуть об интегрирующей способности слуха при восприятии короткого импульса. В пределах 50 мс интегрируется интенсивность
импульса, из-за этого более длительный импульс (в пределах до 50 мс), но с
меньшей амплитудой воспринимается так же громко, как и короткий импульс с
большей амплитудой, если произведение интенсивности импульсов на их длительность будет одинаковым.
К временным характеристикам слуха относится и время установления тональности звука, точнее, его высоты. Необходимо два-три периода колебаний,
чтобы слух мог определить высоту звука, т. е. приближенно частоту колебаний.
На низких частотах это время составляет около 30 мс, на высоких – несколько
меньше.
Поскольку слуховое ощущение исчезает не сразу, то при сравнении двух
тонов, следующих сразу один за другим и имеющих небольшую разницу по
частоте, прослушиваются биения этих тонов, что помогает обнаруживать очень
малые разности частот и медленные изменения частоты в небольших пределах.
1.8. Нелинейные свойства слуха
При воздействии звука, имеющего одну частотную составляющую (чистый тон) с уровнем 100 дБ, человек из-за нелинейных свойств слухового аппарата слышит тон второй гармоники, имеющий уровень 88 дБ, третьей – с уровнем 74 дБ и т. д. Наличие этих гармоник в ощущении легко определить экспериментальным путём с помощью так называемого «ищущего» тона. При этом к
уху, кроме основного тона, дополнительно подается другой тон – «ищущий»,
частота которого плавно изменяется в диапазоне выше частоты основного тона. На каждой кратной частоте этого тона прослушиваются биения, как если бы
в действительности к уху подводились гармоники этого типа. Именно поэтому
наблюдается маскировка звука на частотах, кратных частоте маскирующего тона.
При слушании двух чистых тонов с частотами, не попадающими в одну и
ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения. С меньшими уровнями он слышит тон суммарной частоты и других комбинационных частот типа
f  m f 1  n f 2 , где m и n – целые числа.
29
При воздействии на слух сложного звука, состоящего из тонов с некратными составляющими, происходит «засорение» спектра многочисленными
комбинационными частотами.
Интересно отметить, что при срезании частотного диапазона ниже 1000
Гц при высокой громкости передачи человек все же слышит низкие частоты
вследствие нелинейности слуха. Поэтому при плохой передаче низких частот
слушатели интуитивно стремятся прослушивать передачи на высоких уровнях
громкости, так как при этом создается впечатление более громкого звучания
низких частот. Понятно, что при этом искажается звучание на высоких частотах. Правда, при этом искажение происходит и на высоких частотах, но оно менее значительно и менее заметно. Причины нелинейности слуха можно, повидимому, объяснить нелинейностью характеристик среднего уха и, что более
существенно, вихревыми явлениями в улитке.
1.9. Бинауральный эффект
Бинауральным эффектом называют эффект слушания двумя ушами. Он
выражается в виде стереоакустического (стереофонического) эффекта, аналогичного стереоскопическому эффекту зрения, а также заключается в том, что
вследствие такого слушания повышается точность определения направления
прихода звуковых волн.
В обычных условиях слушания человек определяет направление прихода
звуковых волн в горизонтальной плоскости с точностью 3...4°. Если же к ушам
приставить раструбы (рупоры) с большим расстоянием (базой) между отверстиями раструбов, то точность определения направления прихода звуковых
волн повышается пропорционально увеличению расстояния между отверстиями раструбов до тех пор, пока это расстояние не будет близко к половине длины принимаемой звуковой волны. Точность определения направления прихода
звуковых волн в вертикальной плоскости головы не превышает 20° (примерно
такая же точность получается при слушании одним ухом).
Стереоакустический эффект слушания заключается в том, что человек
«ощущает» поперечные размеры источника звука, а также его «глубину», т. е.
размеры источника звука по линии прихода звуковых волн к слушателю. Слушатель на слух легко определяет местонахождение того или иного инструмента
в оркестре, его координаты, т. е. слушание двумя ушами создает акустическую
перспективу.
Если человек слушает одну и ту же передачу от двух одинаковых источников звука, расположенных на равных расстояниях от него, и расстояние между источниками звука значительно меньше расстояния от слушателя (по крайней мере, в 3...5 раз), то при одинаковом уровне звучания источников звука
виртуальный (кажущийся) источник звука находится между источниками звука.
При неодинаковых уровнях звучания виртуальный источник звука смещается в сторону источника звука с более высоким уровнем звучания. Местонахождение виртуального источника звука можно определить по отношению
30
интенсивностей, создаваемых источниками звука (отношение интенсивностей
примерно равно отношению расстояния виртуального источника звука от действительных источников).
Если человек слушает одну и ту же передачу от источников звука, находящихся на разных расстояниях от него, то даже при равном уровне основного
и задержанного сигналов, виртуальный источник звука ощущается на месте
источника звука, излучающего опережающий сигнал. Аналогичные результаты
будут получены, если источники звука находятся на одинаковом расстоянии от
слушателя, но при этом один из них воспроизводит сигнал с некоторой временной задержкой по отношению к другому источнику. Иначе говоря, источник звука, излучающий задержанный сигнал, как бы не существует, хотя его
добавление и ощущается в виде повышения гулкости звучания передачи.
Ранее было отмечено, что при временных задержках свыше 50 мс наличие
запаздывающего сигнала ощущается как появление помехи в виде эха, хотя местонахождение виртуального источника звука остается на прежнем месте. Следовательно, опережающий сигнал при одинаковом уровне с задержанным полностью подавляет последний. Если же повысить уровень запаздывающего сигнала, то можно добиться того, что оба источника звука будут восприниматься
раздельно даже при запаздывании менее 50 мс.
На рис. 1.14 показано необходимое повышение уровня запаздывающего
сигнала в зависимости от временной задержки. По оси ординат дана разность
уровней задержанного и основного сигналов. При задержке 15...20 мс задержанный сигнал должен быть повышен по уровню на 11 дБ, чтобы оба источника звука воспринимались раздельно. При временной задержке 50 мс достаточна
разница между ними в 6 дБ; при задержке свыше 50 мс запаздывающий сигнал
ощущается как эхо; при задержке менее 5 мс наблюдается неустойчивый режим: виртуальный источник звука совпадает то с основным источником, то с
источником задержанного сигнала.
Эти зависимости изучались несколькими учеными, но наиболее глубоко
он был исследован Хаасом. Поэтому приведённый на рис.1.14 график по праву
называется кривой Хааса.
Если источники звука имеют резко различающийся тембр, то они могут
легче различаться слушателем, при этом возможен их раздельный прием даже
при равных уровнях интенсивности сигналов, приходящих от них к слушателю.
Эти свойства используют для создания стереоакустического эффекта и акустической перспективы при воспроизведении передач с помощью электроакустических устройств, т. е. для стереофонических передач.
31
L, дБ
10
8
6
4
2
0
10
20
30
40
50
, мс
Рис.1.14. Влияние запаздывающего повторения
сигнала на локализацию виртуального источника сигнала
Контрольные вопросы
1. Назовите основные составляющие слухового аппарата.
2. Какие функции выполняет наружное ухо, среднее и внутреннее?
3. Назовите основные величины, характеризующие слух.
4. Сформулируйте закон восприятия изменения частоты.
5. Поясните понятия порога слышимости и болевого порога.
6. Поясните ход кривых равной громкости.
7. Выведите формулу, поясняющую закон Вебера-Фехнера.
8. Какова связь между уровнем громкости и громкостью сигнала?
9. Каким образом формируется ощущение громкости сложных звуков?
10. Что такое частотная группа слуха? Какова ее эффективная ширина, как
ширина частотной группы связана с частотой сигнала?
11. В чем состоит явление маскировки?
12. Каковы временные характеристики слухового аппарата?
13. Как проявляется нелинейность слуха?
14. Что такое пространственная локализация звукового образа? Каковы возможности слуха в определении пространственного положения кажущихся источников звука? В чем состоят достоинства стереофонических систем, и с какими свойствами бинаурального слуха они связаны?
15. Поясните ход кривой Хааса.
16. Приведите примеры практического использования знаний особенностей
слухового аппарата человека при выборе параметров электроакустической аппаратуры.
32
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ
2.1. Краткий исторический очерк развития
Современному инженеру в практической деятельности приходится иметь
дело с проектированием и эксплуатацией студий звукозаписи, звукового и телевизионного вещания, систем и устройств звукоусиления в производственных
помещениях, аудиториях, театральных и концертных задах. В связи с этим,
ему необходимо знать и понимать основные положения акустики помещений
и применять эти положения при решении возникающих задач.
Истоки архитектурной (строительной) акустики восходят к глубокой
древности. Акустические задачи в те времена ставились и решались в связи со
строительством гигантских, сначала культовых, а позже и других общественных сооружений – залов для собраний и зрелищ.
Зодчие Ассирии, Вавилона, Древнего Египта в V-II тысячелетиях до н. э.
строили храмы, обладавшие выразительной архитектурой и впечатляющим художественным убранством. И мощные строительные конструкции, и скульптура, и живопись – все было направлено на то, чтобы поразить и подавить психику молящихся, создать у них ощущение своего ничтожества, мистического
страха перед божественными силами. Зодчим, по-видимому, уже были известны законы распространения и отражения звуковых волн. Пользуясь ими,
они достигали акустических эффектов, поражавших воображение молящихся.
Иные, хотя и столь же сильные чувства возбуждало искусство Древней
Греции (VII-IV вв. до н. э.) – одной из вершин мировой цивилизации. В отличие
от искусства Древнего Египта, в основе древнегреческого лежало представление о силе и красоте человека, его неразрывной связи с окружающей природой
и общественной средой. Искусство Древней Греции отличалось гармоничностью и светлыми чувствами. Древним греческим храмам и другим общественным сооружениям свойственна соразмерность частей, она определила их высокие акустические свойства. Рациональность принятых древними греками акустических решений была впоследствии подтверждена наукой нашего времени.
Наряду с храмовыми зданиями уделялось большое внимание и другим
сооружениям общественного назначения. Зрелищные сооружения Древней
Греции разделялись на два вида: одейоны и театры. Первые представляли собой
сравнительно небольшие крытые здания для репетиций и представлений с малым количеством исполнителей (без хора) и зрителей, вторые являлись зрелищными сооружениями открытого типа и большой вместимости (тысячи и десятки тысяч человек). Каменные скамьи зрительских мест располагались на
склонах возвышенностей.
Традиции греческих архитекторов были продолжены их римскими последователями. Римские театры на открытом воздухе были сходны с греческими,
хотя в отличие от них строились не только на естественных склонах, но и на
горизонтальных участках. Типичным примером такого театра служит амфитеатр Флавия – Колизей на 56 тыс. зрителей, построенный в 80-90 гг. н. э.
33
В наше время требуется установка систем звукоусиления даже в залах
вместимостью 200...300 человек. Поэтому кажутся фантастическими свидетельства историков о вместимости древних греческих и римских театров, в которых
использовалась естественная звучность голосов актеров. Так, театр Помпея
вмещал 17800 человек, театр Марцелла в Риме – 20 тыс. человек. Если даже эти
данные сильно преувеличены (по современным оценкам, названные театры
вмещали соответственно 5 и 7 тыс. человек), то кажется чудом, что в этих гигантских театрах достигали удовлетворительной громкости на местах слушателей. Остается предположить: либо уши тогдашних посетителей зрелищ были в
несколько раз чувствительнее современных, либо древние строители знали неведомые нам секреты, позволявшие получить достаточную громкость и разборчивость. Известно, что в маски актеров, изображающие различные эмоции действующих лиц, были встроены рупоры, направлявшие звук в сторону зрителей.
Римский поэт, философ, ученый Лукреций Кар (99-55 гг. до н. э.) в трактате «О природе вещей» выразил тогдашние представления об акустике, в том
числе и об акустике помещений. Витрувий в «Десяти книгах об архитектуре»
обобщил опыт античных архитекторов и сформулировал ряд положений, которые являются гениальным предвидением и используются при строительстве современных театров. Наши далекие предки имели ясное представление о роли
прямого звука, опасности поздних отражений, способных вызвать эхо, и о «нарушении строения звуковых волн», вызванных отражениями звуков от преград.
Знание акустических явлений в помещениях находило подчас самое необычное применение. До наших дней дошли так называемые «шепчущие галереи» Древнего Рима и Китая. В них, благодаря умело расставленным и особым
образом ориентированным отражающим поверхностям стен, тихие звуки распространялись на большие расстояния, и люди, удаленные друг от друга на десятки метров, могли общаться, не напрягая голоса. Вблизи г. Сиракузы сохранились древние каменоломни. По преданию, в одну из галерей, названную
«ухом Диониса», помещали пленных. Наверху благодаря естественным каналам-щелям было слышно все, что пленные говорили между собой. Так выведывались их секреты.
Особые звуковые каналы позволяли правителям в своих дворцах подслушивать откровенные высказывания сановников, полагавших, что их не слышат,
и на основании этого оценивалась их преданность.
В конце дохристианской эры развитие акустики как экспериментальной
части физики приостановилось. Считалось, что немалую роль в этом сыграл авторитет греческого ученого Аристотеля (384-322 г. до н. э.), который утверждал, что эксперимент недостоин внимания естествоиспытателя. Даже во времена Леонардо да Винчи (около 1500 г. н. э.) пользовались представлениями об
акустике помещений, заимствованными из античного мира.
Античные знания об акустике помещений нашли практическое применение при сооружении культовых зданий раннего и позднего средневековья. В католических храмах создавалось впечатление музыки, льющейся с небес. Это не
случайная находка строителей, а сознательное использование особых архитек34
турных форм и продуманное расположение органа и хора. Своеобразными акустическими эффектами отличались и православные храмы. Голоса священника
и певчих отражались от купольной части сооружения вниз, к молящимся, и у
них возникало ощущение общения с небом. Для создания желаемой акустической среды строители закладывали в стены и своды храмов глиняные кувшины
разных размеров, так называемые «голосники». Это были своеобразные акустические резонаторы, которые мы сейчас называем резонаторами Гельмгольца.
В 18 и начале 19 века стали уделять внимание сооружению концертных и
театральных залов. Разумным выбором геометрической формы, размеров, продуманным размещением звукопоглощающих материалов в этих залах создавались хорошие условия для слушателей и исполнителей – певцов, музыкантов.
В 19 веке из не вполне четких представлений античного мира стали выкристаллизовываться точные знания. Эйлер, Лагранж, Фурье, Стокс, Юнг,
Гельмгольц, Дж. Стретт (последний более известен под именем лорда Рэлея,
точнее Рейли) создали акустику как науку. В конце 19 и начале 20 века У. Сэбин выполнил эксперименты, положившие начало теории архитектурной акустики, выявил количественные связи между геометрическими параметрами помещений и их акустическими характеристиками.
Эйринг, Хант, Беранек, МаДа-ю, Кнудсен, Майер, Ватсон создали солидный теоретический фундамент современной акустики помещений. Заметный
вклад в архитектурную акустику внесли отечественные ученые: И.И. Андреев,
И.Г. Дрейзен, А.Н. Качерович, С.Я. Лифшищ, А.В. Рабинович, С.Н. Ржевкин,
М.А. Сапожков, В.В. Фурдуев и другие.
До начала 20 в., т. е. до работ У. Сэбина, главное внимание в акустике
помещений уделяли анализу направлений путей распространения потоков звуковой энергии в помещении – прямого и отраженного от преград, т. е. рассмотрению геометрической (лучевой) картины. Геометрическая теория – самая
древняя. Она успешно применяется и в наше время, особенно при проектировании залов большой вместимости. Геометрическая теория получила развитие в
работах И.Г. Дрейзена, А.Н. Качеровича, Л. Контюри, С.Я. Лифшица, Е. Скучика и других.
Сэбин предложил статистическую теорию, согласно которой акустические процессы в помещении после выключения источника звука являются результатом запаздывания многократно отраженных волн и их постепенного ослабление в результате поглощения энергии волн преградами. Исходной причиной этого процесса является энергия, сообщенная помещению источником звука.
Теория У. Сэбина, несмотря на большие практические успехи, вызвала
серьезную критику. В 1929 г. Шустер и Ветцманне признали статистическую
теорию, так как они полагали, что после прекращения действия источника звука процесс затухания происходит не под воздействием вынужденных колебаний, а как результат затухания собственных (резонансных) колебаний, возбужденных источником звука, с частотами, определяемыми формой и размерами
помещения. Такая теория, названная волновой, была фундаментально развита
Болтом, Морзом, Дрейзеном, Фурдуевым и другими. Следует отметить, что уже
35
Дж. Стретт, ссылаясь на математическое решение, данное Дюамелем, считал
возможным анализировать акустику помещений с позиций волновой теории.
В настоящее время не существует единой теории, объясняющей все акустические процессы в помещениях и позволяющей с единых позиций решать
конкретные задачи оптимизации в помещениях разного назначения. К тому же
эти задачи связаны с психофизиологией и эстетической оценкой звучания слушателями, со вкусами музыкантов и актеров. Такие задачи носят особый характер, и мы не будем их касаться. В данном пособии будут рассмотрены лишь основные положения трех существующих теорий – статистической, геометрической и волновой.
2.2. Статистическая теория акустики помещения
2.2.1. Общие сведения
Проблемы акустики больших закрытых помещений, связанные с определением условий хорошей слышимости, принадлежат к числу задач, поставленных ещё во времена классической древности. Однако первые успехи архитектурной акустики датируются только началом текущего столетия, когда Уоллес
Сэбин экспериментально установил один из важнейших факторов, определяющих акустическое качество аудиторий. Первые практические успехи надолго
предопределили пути последующего развития акустики закрытых помещений;
вплоть до сравнительно недавнего времени научно-технические работы в этой
области не выходили за пределы горизонта, очерченного этими работами. Поэтому представляется целесообразным изложить предварительно некоторые соображения, определяющие задачи и метод архитектурной акустики в период её
первых практических успехов.
Когда в закрытой аудитории звучит речь, то каждый её слог, представляющий собой короткий звуковой импульс, доходит до слушателя не только по
прямой линии, но и по путям, многократно изломанным благодаря отражениям
звука от стен, потолка и пола помещения. При каждом отражении звукового
импульса от ограничивающих помещение поверхностей некоторая часть звуковой энергии поглощается; поэтому при каждом произнесённом слоге ухо слушателя воспринимает последовательный ряд импульсов с постепенно убывающей интенсивностью. Интервалы времени, отделяющие друг от друга элементы такого ряда, достаточно малы по сравнению с длительностью импульса, в
связи с чем явление не носит характера эхо. Не различая отдельных членов серии затихающих импульсов, слушатель воспринимает каждый новый слог речи
на слитном фоне ряда предшествующих слогов, ещё не успевших отзвучать к
моменту произнесения очередного слога. Нетрудно понять, что, если поглощение звука невелико, то затухание происходит очень медленно, причём наличие
ещё не отзвучавших импульсов сильно мешает восприятию очередных слогов
речи. В этом случае помещение оказывается чрезмерно гулким, иногда в такой
степени, что речь становится совершенно неразборчивой.
36
Всё сказанное сохраняет своё значение и в применении к помещениям,
предназначенным для слушания музыки. Каждый такт музыкального произведения, каждая музыкальная фраза представляют собой последовательности звуковых импульсов, подвергающихся в аудитории процессу постепенного отзвука. Понятно, что при затянутом отзвуке фон, получающийся при суперпозиции
ряда медленно затухающих импульсов, нарушает нормальное восприятие музыки тем сильнее, чем быстрее темп музыкального произведения. На примере
музыки легко уяснить себе и другую сторону дела: акустическим дефектом помещения может явиться не только чрезмерная длительность отзвука, но также и
недостаточная его продолжительность. Действительно, при очень быстром затухании (т. е. при значительном поглощении звука) музыка звучит сухо, утрачивая ту связность звучания, к которой мы привыкли при слушании концертной
музыки в качестве одного из факторов её эстетического воздействия. В известной мере это относится и к слушанию речи; хотя при коротком отзвуке разборчивость речи вполне удовлетворительна, зато своеобразная безжизненность её
звучания в заглушённом помещении ощущается (особенно при восприятии художественной речи) как неприятный дефект.
Из этих соображений следует, что основным фактором, определяющим
акустическое качество помещений, является длительность процессов отзвука
или, как иначе говорят, продолжительность реверберации. Термин «реверберация» был предложен У. Сэбином, что в переводе означает «послезвучание»,
«отражение», «отзвук». В Германии для обозначения этого процесса используется слово Nachhall, в переводе на русский – «отзвук», «отголосок», «отклик».
Под этим термином подразумевается остаточное звучание в помещении
после прекращения действия источника звука. Как показывает опыт, продолжительность реверберации должна лежать в некоторой области оптимальных значений, за пределами которой помещение оказывается акустически неполноценным или дефектным.
Значение, которое приписывается длительности реверберации как критерию акустической оценки аудиторий, объясняет то обстоятельство, что теоретические интересы архитектурной акустики направлены в первую очередь на
исследование нестационарных акустических процессов, к числу которых относится отзвук. Проблема же стационарного режима имеет в акустике помещений
второстепенное значение.
Если теперь мы попытаемся представить себе характер задачи, встающей
перед нами при исследовании звукового поля в закрытом помещении – и притом независимо от того, идёт ли речь о стационарном или о нестационарном
режиме,– то с очевидностью выясняется и тот метод исследования, следуя которому мы можем рассчитывать на получение практически пригодных результатов. В самом деле, через каждую точку в объёме помещения (если поглощение звука не слишком велико) одновременно проходит очень большое количество отражённых волн, движущихся по всевозможным направлениям. Звуковое
давление и вектор колебательной скорости в каждой отдельной точке определяются результатом интерференции всех этих волн. Если представить себе, что
37
этот результат должен быть вычислен для любой точки в объёме помещения и
для любой частоты в пределах основной части диапазона слышимости, то уже
сама постановка задачи достаточно наглядно свидетельствует о затруднительности её динамического исследования. Однако именно очень большое число
интерферирующих волн наводит на мысль о том, что по крайней мере в некоторых случаях задача поддаётся статистической трактовке с использованием основных приёмов математической теории вероятностей; достаточно вспомнить о
значении статистического метода в молекулярной физике, где в связи с огромным числом участвующих в исследуемых процессах молекул приходится отказаться от рассмотрения их индивидуальных траекторий и скоростей, что вовсе не препятствует аналитическому предопределению многих важных
закономерностей.
Архитектурно-акустическая теория со времени Сэбина встала на путь
статистического описания звуковых полей, оперируя со средними значениями
плотности звуковой энергии в помещении и не претендуя на определение давлений и колебательных скоростей в отдельных его точках. Предполагая, что
амплитуды и фазы волн, налагающихся друг на друга, распределены более или
менее хаотично, мы можем рассматривать эти волны как некогерентные и считать, что плотность энергии в каждой точке помещения есть сумма плотностей
энергии, связанной с каждой из этих волн. Если волновое движение в помещении действительно имеет такой неупорядоченный (или, как говорят, эргодический) характер без наличия преобладающих направлений колебательного движения и симметрии в распределении амплитуд, то статистические методы исследования совершенно законны и приводят к важным практическим результатам.
Итак, из предыдущего следует, что, используя статистическую теорию,
мы делаем три допущения, иначе говоря, принимаем три условия.
Первое условие заключается в применении метода энергетического суммирования. Рассматривая часть пространства, ограниченного со всех сторон
поверхностями, способными отражать звук, статистическая теория предполагает величину звуковой энергии в любой точке пространства как результат суммирования средних значений энергии, принесенных в данную точку всеми отражениями.
Второе условие заключается в предположении равномерного распределения объемной плотности звуковой энергии внутри объема помещения. Для
удовлетворения этому условию рассматривается помещение, называемое иногда идеальным. Такое помещение имеет достаточно большие размеры по сравнению с длиной волны. Все ограничивающие помещение поверхности обладают способностью хорошо отражать энергию; это значит, что, падая на любую
поверхность, звуковая волна отразится в помещении с незначительными потерями, т. е. интенсивность отраженной волны будет немногим отличаться от интенсивности падающей волны.
Третье условие заключается в равновероятности углов падения звуковой
энергии, т. е. предполагается, что равномерное распределение плотности звуковой энергии обусловливается приходом звуковых волн из любого направления.
38
Несмотря на внешнее сходство этого условия с предыдущим, его следует выделить, так как в практических условиях могут встретиться случаи, когда равномерность распределения плотности энергии достигается за счет прихода звука
преимущественно из одного направления.
При использовании статистической теории реверберации пользуются
следующими понятиями и величинами:
 диффузное поле;
 средняя длина свободного пробега;
 среднее время свободного пробега;
 средний коэффициент поглощения;
 время реверберации;
 время запаздывания первых (ранних) отражений;
 четкость и прозрачность;
 акустическое отношение;
 радиус гулкости.
Рассмотрим вначале понятие диффузного поля. Остальные понятия статистической теории будем описывать по мере вывода основных формул.
Диффузное поле – это поле, в котором энергия отраженных звуковых
волн преобладает над энергией прямого звука. Отраженные звуковые волны
движутся в помещении в различных направлениях. Если отзвук затухает не
слишком быстро, то в любой точке помещения число налагающихся друг на
друга волн с различными направлениями волнового вектора может быть достаточно большим. При этом средние значения потока звуковой энергии по различным направлениям будут мало отличаться друг от друга. Это свойство поля
– равенство средних потоков энергии по различным направлениям – называется
изотропией. Изотропия поля способствует равномерному распределению звуковой энергии по объему помещения, т. е. равенству средних значений плотности энергии в различных точках помещения. Это свойство носит название однородности поля. Таким образом, диффузное поле – это однородное и изотропное поле волн, движущихся в результате многократных отражений по всем направлениям.
Количественной мерой оценки диффузности звукового поля в помещении
является индекс диффузности i д  1 
m
, где
m0
I
1 n
1 n
m  ; I    I i; I ср   I i .
n i1
n i1
I ср
Здесь Iср –средняя интенсивность звука в пределах полного телесного угла; I i – интенсивность звука для i-го направления;  Ii  Ii  Iср – отклонение
интенсивности звука от среднего значения; m – относительное отклонение интенсивности звука, усреднённое по всем направлениям; m0 – относительное отклонение интенсивности звука, измеренное в заглушенной камере. При m  m 0
39
(полностью заглушенное помещение), индекс диффузности равен нулю. Если
m  0 , то поле абсолютно диффузно.
Для большого числа залов среднее значение индекса диффузности составляет около 0,65...0,75. С увеличением объёма помещения (V> 10 000 м3) индекс
диффузности уменьшается. Его увеличивают применением в помещении разнообразных по форме звукорассеивающих объёмных конструкций.
2.2.2. Среднее время и длина свободного пробега волны
Статистическое исследование звуковых полей в закрытых помещениях
требует предварительного определения среднего времени между двумя последовательными отражениями звука от ограничивающих помещение поверхностей, равно как и среднего числа отражений, претерпеваемых звуковыми волнами в единицу времени.
Представим себе элемент dS поверхности,
ограничивающей объём V помещения и звуковую волну, движущуюся под углом  к нормали
элемента dS (рис.2.1). Какова вероятность того,
что за время от t до t+dt эта волна упадёт на
площадку dS . Заметим, что за время dt на площадку dS может упасть под углом  только та
звуковая энергия, которая содержится в объёме
цилиндра с основанием dS и высотой cdt (c –
скорость звука).

cdt
dS
Рис.2.1. Элемент
объёма помещения
Объём этого цилиндра dV  cdt cos dS. Искомая вероятность
W1определяется отношением объёма dVко всему объёму V помещения:
W1 
причём множитель
1
1 dV 1 cdt cos dS

,
2 V 2
V
(2.1)
объясняется тем, что движение волны под углом  мо-
2
жет с равной вероятностью происходить как по направлению к площадке dS,
так и в противоположном направлении (очевидно, что интересующему нас событию благоприятствует только движение к площадке, но не от неё).
40
2r2sind

d
r
dS
Рис.2.2. К определению среднего времени и средней длины
свободного пробега волны
Необходимо далее учесть, какова вероятность того, что некоторая наудачу выбранная волна движется именно под углом  к dS. Для определения этой
вероятности окружим площадку dS полусферой произвольного радиуса r
(рис.2.2) и выделим на полусфере поясок с площадью 2 r sin   rd, на котором
радиус-вектор r образует с нормалью к dS угол . Вероятность падения волны
под углом, лежащим между и  + d, есть отношение площади пояска к по2
верхности полусферы 2r :
W2 
2rsin  rd
 sin d.
(2.2)
2
2r
Теперь можно определить, какова вероятность падения звука на площадку dS за время dt под углом, лежащим между и  + d.Так как вероятности
W1и W2взаимно независимы, то искомая результирующая вероятность определится произведениемW1и W2:
1 cdtdS
W 3  W1W 2  
2
V
cos  sin d.
Вероятность же падения звука на dS под любым углом в пределах от 0 до

, отнесённая к тому же интервалу времени dt, получится, согласно правилу
2
сложения вероятностей, путём интегрирования этого результата по :

cdtdS
1 cdtdS 2
cos  sin d 
.
W4  

2
V 0
4V
41
(2.3)
Наконец, вероятность падения звука за время dt под любым углом и на
любой элемент поверхности S, ограничивающей объём помещения V, есть
W 
cdt
cS
dS

dt.

4V S
4V
(2.4)
Понятно, что найденная нами вероятность пропорциональна интервалу
времени dt. Увеличивая этот интервал, мы, в конце концов, получим такой
промежуток времени , в пределах которого падение звука на какую-либо точку
поверхности S должно произойти обязательно. Так как вероятность достоверного события равна единице, то искомый интервал , т. е. среднее время между
двумя последовательными отражениями звука, определится из условия
cS
  1, откуда
4V

4V
.
cS
(2.5)
Среднее число отражений в единицу времени
1 cS
n 
,
 4V
(2.6)
а средняя длина свободного пробега звуковой волны
lср  с 
4V
.
S
(2.7)
Последняя формула уже поддаётся экспериментальной проверке. Чаще всего это делают на оптических моделях. В трёхмерных оптических моделях помещений разнообразной формы можно измерять отрезки траектории
узкого пучка света, посланного в некотором произвольном направлении и последовательно отражаемого маленькими зеркалами, помещаемыми на стенках
модели в точках падения света; измерив достаточно большое число таких отрезков, нетрудно вычислить их среднюю длину. Результаты таких измерений
хорошо согласуются с (2.7). Следует, конечно, иметь в виду, что в моделях правильной формы (например, в форме прямоугольного параллелепипеда) начальное направление светового пучка не должно быть параллельным какой-либо из
ограничивающих поверхностей; если это условие не выполнено, то ориентации
отражённых пучков не будут иметь статистически беспорядочного распределения, вне которого расчёт вероятностей лишён смысла. Измерения с пучком света, параллельным ребру или грани параллелепипеда, совершенно явно не имели
бы никакого отношения к архитектурно-акустической статистике. Это тривиальное соображение имеет, однако, характер серьёзного указания на то обстоятельство, что для помещений с правильной геометрической формой статистический метод может иногда привести к ошибочным результатам.
42
2.2.3. Поглощение звуковой энергии и
средний коэффициент поглощения звука
Падая на поверхность, звуковая волна частично отражается от нее, частично поглощается материалом поверхности, переходя в тепловую энергию,
частично может уйти за пределы помещения.
Процессы преломления и отражения звуковой волны подчиняются законам геометрической акустики. При этом энергия, оставшаяся в помещении после отражения звуковой волны, характеризуется коэффициентам отражения  ,
энергия, теряемая в помещении после отражения, – коэффициентом звукопоглощения α, энергия звуковой волны, прошедшая сквозь поверхность, – коэффициентом звукопроводности :
E
E
  E погл ;   отр ;   пр ,
E пад
E пад
E пад
где E пад
– энергия звука, падающая на поверхность;
раженного от поверхности;
(2.8)
E отр – энергия звука, от-
E пр – энергия звуковой волны, прошедшей сквозь
поверхность в соседнее помещение; E погл – энергия звуковой волны, теряемая в
помещении при отражении. Значения коэффициентов , ,  зависят от материала и конструктивных особенностей поверхности, частоты и угла падения
звуковой волны на преграду.
Значения коэффициентов звукопоглощения α, приводимые в справочниках, получены в диффузном звуковом поле. Диффузное же поле, как указывалось ранее, характеризуется равновероятным распространением звуковых волн
в каждом направлении, равенством значений звуковой энергии, распространяющейся в каждом направлении, одинаковым значением суммарной звуковой
энергии в каждой точке объема помещения. В этом случае коэффициент звукопоглощения является средним значением совокупности всех его возможных значений
 ср 
1
n
n
  i (i ),
(2.9)
1
i(i) – коэффициент звукопоглощения при угле падения звуковой волны i .
Поверхности преград пустого помещения, обработанные разными материалами с коэффициентами звукопоглощения α1, α2,..., αn при площади поверхности каждого из них соответственно равной S1, S2,..., Sn образуют общий
фонд звукопоглощения
n
A 0  1S1   2S2     nSn    iSi .
(2.10)
i 1
Дополнительный фонд звукопоглощения помещения образуют люди,
предметы обстановки (в отношении которых трудно оценить занимаемую ими
площадь). Если известны общее число единиц звукопоглощения для каждого
43
такого объекта (А1, А2,..., Аk) и их количество в помещении 1,  2,...,  k , то
дополнительный фонд звукопоглощения равен  A k  k .
Экспериментальные оценки акустических параметров студий и залов
многоцелевого назначения показали, что, кроме основного и дополнительного
фондов звукопоглощения, необходимо учитывать еще и так называемый добавочный фонд звукопоглощения A доб   добS . В этой формуле  доб – коэффициент звукопоглощения, учитывающий проникновение звуковых волн в различные щели и отверстия помещения; колебания разнообразных гибких элементов; поглощение звука осветительной арматурой и т.п.
Значения  доб зависят от частоты и типа помещения (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Значение  доб , на частотах, Гц
Наименование студии
125
250
500...2000
Средняя музыкальная,
малая музыкальная, камерная
Большая
Большая музыкальная
музыкальная
0,075
0,09
Общее звукопоглощение в помещении
0,06
0,03
0,075
0,04
A    iSi   A k  k   добS,
(2.11)
где A, iSi, Akk, добS выражены в единицах звукопоглощения. Под
единицей звукопоглощения понимается поглощательная способность 1 м2 условного материала, имеющего   1 , т.е. полностью поглощающего падающую
на эту поверхность звуковую энергию.
Среднее значение коэффициента звукопоглощения для помещения
 ср 
A
.
S
(2.12)
соответствует условному материалу, которым можно было бы обработать поверхности помещения, обеспечив поглощение звуковой энергии, свойственное
данному конкретному помещению, поверхности которого обработаны разнородными материалами. Иными словами, среднее значение коэффициента звукопоглощения представляет собой величину, учитывающую разнообразие углов падения звуковых волн на отражающую поверхность, различие поглощающих свойств материалов, которыми обработаны поверхности помещения, наличие в последнем звукопоглощающих предметов.
2.2.4. Нарастание и спад звуковой энергии в помещении
Соображения, развитые выше, дают нам возможность использования
средних значений
ср,  и lср , что позволит достаточно просто получить вы44
ражения, описывающие процессы нарастания и спада звуковой энергии в помещении, после включения источника звука и её постепенного уменьшения после выключения источника.
Пусть в момент времени t = 0 в помещении начинает действовать источник звука с акустической мощностью P. За время , равное среднему времени
свободного пробега звуковой волны, источник звука отдаёт в помещение энергию P . В результате первого отражения, т. е. к моменту времени 2, от этой
энергии останется доля P(1   ср), как это следует из определения среднего
коэффициента поглощения по формуле (2.12). Но в интервал времени от  до
2 источник звука снова отдаёт в помещение энергию P ; таким образом, к моменту t  2 в помещении будет накоплена энергия
P  P(1   ср )  P 1  (1   ср ) .
Рассуждая таким же образом дальше, мы устанавливаем, что к моменту
времени t  3 энергия в помещении будет равна


2
P  P 1  (1   ср )  (1   ср )  P 1  (1   ср )  (1  ср )  .
К моменту t  n  (где n–достаточно большое целое число) запас энергии
в помещении будет
2
n 1
E  P 1  (1   ср )  (1  ср)     (1  ср )  
n
1  (1  ср)
P
1  (1  ср) n 



1  (1   ср )  ср 
(по известной формуле о сумме членов геометрической прогрессии). Полагая
n
t
и подставляя значение из (2.5), имеем:

cS t
4PV 
.
4V
E
1

(1


ср )

c срS 
Воспользовавшись очевидным тождеством
x
(1 ср )  exp  x ln(1   ср )
и заменяя, согласно (2.12) S на A, получим формулу нарастания звуковой
энергии в помещении после включения источника звука:
E(t) 
cSln(1  ср) 
4P 
V 1  exp
t.
cA 
4V

(2.13)
Для нарастания средней плотности звуковой энергии имеем:
(t) 
E(t) 4P 
cSln(1  ) 

1

exp
t.
V
cA 
4V

(2.14)
Так как коэффициент звукопоглощения α < 1, то ln(1- α) α < 0, показатель степени имеет отрицательный знак и при t   стремится к нулю.
45
cSln(1   ср ) 

t   0.
lim   exp
t 
4V


Поэтому дли стационарного режима, когда потери энергии благодаря поглощению полностью компенсируют энергию, доставляемую источником звука, из (2.13 и 2.14) можно записать следующие формулы
E0 
4P
4P
V,  0 
.
cA
cA
(2.15)
Величина 0 называется установившейся плотностью звуковой энергии в помещении.
Заметим, что если αср< 0,2, то справедливо соотношение - ln(1- αср) = αср,
и тогда (2.14) можно упростить
(t) 
4P 
 cA  
1

exp
t  .

cA 
 4V  
(2.16)
Из (2.14) следует, что в диффузном звуковом поле процесс нарастания
плотности звуковой энергии в помещении происходит по экспоненциальному
закону (кривая 1 на рис.2.3, а). Очевидно, что установившаяся в помещении
плотность звуковой энергии растёт с увеличением мощности источника звука и
падает с увеличением общего фонда поглощения. В реальных условиях звуковое поле в помещении не может считаться абсолютно диффузным, поэтому
процессу нарастания звуковой энергии в помещении свойственны флуктуации.

10lg/0, дБ
0
2
2
1
1
0
0
t
t=0
t
t=0
а
б
Рис. 2.3. Процессы нарастания (1) и спада (2) звука в помещении
(а – в линейном масштабе, б – в логарифмическом)
Рассмотрим теперь процесс спадания звуковой энергии в помещении.
Пусть в помещении установилась плотность звуковой энергии 0. Выключим
46
источник звука, и с этого момента будем отсчитывать текущее время t. Допустим, что акты поглощения звуковой энергии в помещении, как и ранее, происходят через интервалы времени  (2.5). После первого акта поглощения в момент t   плотность звуковой энергии в помещении ()  0(1  ср) . После второго акта поглощения в момент
t  2  плотность энергии
2
(2)  ()(1   ср)   0(1 ср) . Соответственно после n-го акта поглощения ее оставшаяся часть в момент t  n  составит
n
 ()  c(1  ср ) .
(2.17)
Выполняя те же преобразования, что и ранее (учитывая тождество
t

n
(1 ср)  exp  n ln(1   ср )  ) и тот факт, что n  
cS
t, окончательно
4V
найдем
 cSln(1   ср) 
(t)   0 exp 
t.
4V


(2.18)
Заметим, что при коэффициенте звукопоглощения α<0,2 можно воспользоваться равенством  ln(1   ср )   ср и упростить полученное выражение
 c срS 
(t)   0 exp  
t .
4V


(2.19)
Процесс спадания звуковой энергии в помещении [ (2.18) и (2.19)] также
отображается экспоненциальной зависимостью (кривая 2 на рис. 2.3) и зависит
от общего звукопоглощения А = αсрS и объема V помещения. Этот процесс
тем короче, чем больше А и чем меньше V. Процесс затухания звука в реальных помещениях носит также флуктуационный характер, т.е. имеются отклонения от линейной зависимости, как в ту, так и в другую сторону.
Совершенно иную и притом более характерную картину мы получим, откладывая по оси ординат не плотность звуковой энергии, а её логарифм. Выбор
логарифмической шкалы продиктован тем обстоятельством, что человеческий
орган слуха оценивает интенсивность внешнего раздражения в логарифмическом масштабе, одинаково реагируя на одинаковые относительные (а не абсолютные) изменения звукового давления. На рис. 2.3, б показан график тех же
процессов, как и на рис. 2.3, а, с той лишь разницей, что по оси ординат отложен уровень звуковой энергии. При этом получается картина, хорошо характеризующая слуховое восприятие. Бросается в глаза субъективная быстротечность процесса нарастания уровня, благодаря которой это явление не играет
сколько-нибудь существенной роли в оценке акустического качества помещения. Вместе с тем совершенно отчетливо видно значение процесса спадания
уровня, представленного на графике в виде отрезка нисходящей прямой.
Поглощение звука в воздушной среде помещения. Звуковая энергия
поглощается не только поверхностями преград помещения, но и средой. Эти
47
дополнительные потери обусловлены вязкостью и теплопроводностью воздуха,
а также молекулярным поглощением. Поглощение звука в воздухе определяется пробегом звуковой волны и достаточно точно может быть описано экспоненциальной функцией вида
   0 exp  l  ,
(2.20)
где l  c  t , a  – коэффициент затухания, равный обратному значению того пути l, на котором плотность звуковой энергии уменьшается в е раз. Значение 
0 и вязкости  воздуха, а также от температуры, влажности воздуха и частоты f(рис. 2.4):
2
f
  52,5
.
(2.21)
c0
зависит от плотности
, м-1
Рис.2.4. Зависимости коэффициента затухания звука в воздухе от относительной влажности и частоты (по данным
Э.Ивенса и Э.Безли)
Относительная влажность, %
С учётом поглощения звука в воздухе выражение (2.18), описывающее
процесс реверберации звука в закрытом помещении, можно представить в виде
 cSln(1   ср) 
(t)   0 exp(l)  exp 
t 
4V


 cSln(1   ср )  4V 
  0 exp 
t.
4V


(2.22)
Заметим, что при одной и той же акустической мощности длительность
процесса реверберации на низких и средних частотах почти не зависит от зву48
копоглощения воздушной среды, ибо значение коэффициента  мало. В области верхних частот длительность процесса реверберации уменьшается тем значительнее, чем выше частота. При значительных объёмах помещения увеличивается средняя длина свободного пробега звуковой волны, при этом поглощение звука в воздухе на нижних частотах уже необходимо учитывать.
2.2.5. Структура и слуховое восприятие реверберационного процесса
Аналитически реверберирующий сигнал s(t)можно представить в виде
s(t)   a ix(t  i),
(2.23)
где a i и i соответственно амплитуда и время запаздывания i-го отзвука (для
сигнала прямого звука i =0); x(t) – временная функция сигнала, излучаемого
источником звуковых колебаний.
Типичная картина реверберационного процесса для помещения любой
формы изображена на рис. 2.5, а. По оси ординат отложены уровни сигналов
прямого звука и отзвуков, по оси абсцисс – время их поступления в точку приёма звука. В начальной стадии временная структура реверберационного процесса дискретна. С увеличением времени запаздывания отраженных сигналов
их количество возрастает, а временные интервалы между ними уменьшаются.
Уровень отзвуков с течением времени постепенно уменьшается. Данный процесс имеет флуктуационный характер. Начальный участок реверберационного
процесса несет информацию о геометрических размерах помещения, его объеме, определяет такую важную особенность восприятия, как пространственность звучания, а также свойственную помещению специфическую окраску
звучания. Завершающий участок реверберационного процесса характеризуется
поступлением в каждый момент времени достаточно большого числа отраженных сигналов. Он определяет свойственную помещению гулкость звучания.
Заметим, что достаточно полного «перемешивания» отражений можно
ожидать не ранее как через 100 мс, а в больших помещениях – и через 200 мс.
Поэтому звуковое поле в помещении приближается к диффузному не раньше
указанного промежутка времени. Применительно же к реверберационному
процессу, можно говорить о динамической диффузности звукового поля в помещении, возрастающей к завершающей части реверберационного процесса.
Лишь после этого момента может наблюдаться подчиняющийся статистическим законам экспоненциальный спад энергии поля реверберирующего звука.
Между сигналом прямого звука и завершающим участком реверберационного
процесса располагаются ранние отражения. Их интенсивность, направления
прихода к слушателю, время запаздывания по отношению к сигналу прямого
звука определяют плохие и хорошие места в зале. Картина ранних отражений
индивидуальна для каждого слушательского места. Заметим (за исключением
крайних случаев), что слушатель концерта или оперы воспринимает лишь от 5
до 20 % общей энергии в виде прямого звука, 10 % энергии приходится на за49
вершающий участок реверберационного процесса. Остальное, примерно
70...80 %, – это энергия дискретных отражений. Многие авторы утверждают,
что начальная часть реверберационного процесса гораздо важнее для субъективного восприятия, чем завершающий его участок, когда процесс формирования структуры поля уже завершился и начинается спад энергии по экспоненциальному закону.
N, дБ
100
200
300
400
500
, мс
а
N, дБ

б
T1
N, дБ

N, дБ
в
T2

г
Ti
Рис.2.5. Временная структура реверберационного процесса в помещении (а) и
содержащиеся в нём группы периодически следующих отзвуков (б–г)
В дискретной части реверберационного процесса следует различать условно ранние и поздние отражения. Граница между ними лежит вблизи 50 мс
для речи и 80 мс для музыки. Многочисленными экспериментальными наблюдениями отмечена важная роль первых (ранних) дискретных отражений в создании эффекта пространственного восприятия звучаний речи и музыки. При
звучании музыки максимальный эффект пространственности и прозрачности
звучания достигается, если первое отражение запаздывает по отношению к сигналу прямого звука примерно на 20...30 мс, а первые три запаздывающих сигнала размещаются в интервале 45...75 мс. При звучании речи высокая разборчивость достигается, если первый запаздывающий сигнал приходит не позже
50
10...15 мс после сигнала прямого звука, а первые три отражения – в интервале
25...35 мс. Увеличение времени запаздывания первого отражения усиливает и
здесь эффект пространственности звучания, но при этом, как правило, снижается разборчивость. Отсутствие участка дискретных отражений приводит к ощутимому ухудшению качества звучания. Можно сказать, что самые ранние отражения повышают разборчивость и прозрачность, а более поздние – пространственное впечатление. Первый запаздывающий сигнал, как правило, приходит,
отразившись от потолка. Отражения от боковых стен, приходящие в интервале
времени от 25 до 80 мс, могут одновременно повышать как прозрачность, так и
пространственное впечатление. Пространственность прихода ранних отражений – очень важная особенность дискретного участка реверберационного процесса в помещении.
2.2.6. Время стандартной реверберации
Для количественной характеристики процесса реверберации в помещении
введена величина времени стандартной реверберации. Под временем стандартной реверберации Тр принято понимать время, в течение которого плотность звуковой энергии уменьшается в 106 раз, т.е. на 60 децибел.
Из этого определения следует, что при t  T р
 (Т р )
 Sln(1   ср )  4V

 10 6  exp 
cТ р 
4V
0


(2.24)
Отсюда находим
Тр 
6ln10  4V
сSln(1   ср)  4V
(2.25)
Сделав некоторые преобразования, получим самую распространённую
формулу для определения времени реверберации, называемую формулой Эйринга
Т р  0,161
V
Sln(1   ср )  4V
(2.26)
Итак, стандартное время реверберации (2.26) зависит от объема помещения V, площади S ограничивающих его поверхностей, коэффициента звукопоглощения  и поглощения звука в воздухе. Заметим, что в знаменателе
этой формулы первое слагаемое учитывает потери звуковой энергии при отражениях, второе – поглощение звука в воздухе.
Для небольших помещений, а также для помещений большого объема, но
на частотах ниже 1000 Гц, вторым слагаемым в знаменателе выражения (2.26)
можно пренебречь. В помещениях большого объема на частотах 1000...4000 Гц
оба слагаемых примерно равноценны. На частотах более 4000 Гц основную
роль начинает играть звукопоглощение в воздухе, и стандартное время реверберации становится малым.
51
При расчётах чаще всего пользуются так называемым реверберацион-
´   ln(1   ). В этом случае форму-
ным коэффициентом поглощения 
ла (2.26) приобретёт вид:
Т р  0,161
ср
V
´S  4V
.
(2.27)
Переход от среднего коэффициента поглощения к реверберационному и
обратно можно выполнить по таблице 2.2 или по рис. 2.6.

0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,13
ср
0,01
0,02
0,03
0,039
0,049
0,058
0,068
0,077
0,086
0,095
0,104
0,113
0,122

0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,20
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
Таблица 2.2 – Соотношение между и ср


ср
ср
ср
0,131
0,27
0,237
0,40
0,330
0,139
0,28
0,244
0,41
0,336
0,148
0,29
0,252
0,42
0,343
0,158
0,30
0,259
0,43
0,349
0,166
0,31
0,267
0,44
0,356
0,173
0,32
0,274
0,45
0,362
0,181
0,33
0,281
0,46
0,369
0,189
0,34
0,288
0,47
0,375
0,197
0,35
0,295
0,48
0,381
0,205
0,36
0,302
0,49
0,387
0,215
0,37
0,309
0,50
0,393
0,221
0,38
0,316
0,229
0,39
0,323
с
с
0,
8

0,
6
0,
4
0,
2
0
0,
0,
0,
0,
1,
1,

4
6
8и реверберационным
0
2
Рис.2.6.2 Связь между
средним
коэффициентами поглощения
52
Следует, однако, отметить, что формула Миллингтона-Сетте базируется
на сомнительных предпосылках. В частности, она даёт парадоксальный результат: время реверберации рано нулю, если в помещении имеется хотя бы 1 см2
поверхности, коэффициент поглощения которого равен единице. Впрочем, такого результата легко избежать, приняв, что ни один коэффициент поглощения
не равен единице.
Практика показала, что для помещений с небольшим ср (театральные и
концертные залы, учебные аудитории и т. п.) все три формулы дают одинаково
удовлетворительный результат. Для помещений со средними коэффициентами
поглощения (например, студии) более близки к измеренным, значения времени
реверберации, рассчитанные по формуле Эйринга. Если материалы имеют
сильно различающиеся i, а сами материалы распределены по поверхностям
неравномерно, более близкими к измеренным получаются значения времени
реверберации, рассчитанные по формуле Миллингтона-Сетте.
2.2.7. Акустическое отношение и эквивалентная реверберация
Звуковое поле в помещении можно представить как сумму составляющих
поля «прямого» звука, создаваемого звуковыми волнами, не испытавшими ни
одного отражения, и поля, создаваемого отраженными звуковыми волнами. Поле отраженных звуковых волн почти всегда можно считать близким к диффузному. Поэтому эту составляющую поля часто и называют диффузной составляющей. Отношение плотности энергии отраженных звуков к плотности энергии прямого звука, т. е.

R  диф
пр
2
R
или
pдиф
p
2
пр
(2.30)
называют акустическим отношением.
Переходя к уровням, имеем
LR  10lg R  Lдиф  Lпр .
(2.31)
Величину  L R называют также акустическим отношением, выраженным в децибелах. Отраженные звуковые волны в той или иной степени являются помехами, поэтому акустическое отношение – характерный показатель акустических свойств помещения в установившемся режиме.
Акустическое отношение определяют для характерных точек помещения,
в которых находятся слушатели:
 наиболее удалённых от источников звука;
 наиболее близких к ним;
 для точек с минимальным уровнем прямого звука;
 для точек с максимальным уровнем диффузного звука.
Акустическое отношение для одиночного источника звука в заданной
точке помещения для сферической волны
53
2
2
r (1  )
r (1  )
R  16
 50,3
,
2
2
S г K ()
S г K ()
(2.32)
где r – расстояние от рассматриваемой точки до центра источника звука;  –
средний коэффициент поглощения; S – общая площадь ограничивающих поверхностей помещения, м2; г – коэффициент осевой концентрации источника
звука; K() – коэффициент его направленности под углом  к акустической оси
по отношению к направленности в рассматриваемую точку.
Величина акустического отношения растёт:
 при увеличении расстояния между источником звука и слушателем;
 при увеличении времени реверберации;
 при использовании менее направленных источников звука с малыми значениями коэффициентов осевой концентрации;
 при уменьшении среднего коэффициента звукопоглощения поверхностей
и объёма последнего.
Последнее из перечисленного подтверждают экспериментальные данные,
представленные на рис.2.7.
Если акустическое отношение велико, то это свидетельствует о высоком
уровне отраженных звуков, запаздывающих по отношению к прямому звуку и
зачастую являющихся помехами для его восприятия. Оптимальное акустическое отношение для речи лежит в пределах от 0,5 до 4; при акустическом отношении больше четырех отраженный звук уже создает большие помехи для
приёма речи, речь становится неразборчивой. Для музыкальных передач акустическое отношение больше 6...8 (а для органной музыки 10...12) не рекомендуется. При малом акустическом отношении (менее двух) музыка звучит сухо.
Расстояние от источника звука, для которого R = 1, называют радиусом
гулкости. Для одиночного источника звука радиус гулкости
2
S г K ()
r гул 
.
50,3(1  )
(2.33)
Изменение акустического отношения воспринимается при слуховой
оценке как изменение времени реверберации. Для количественной оценки этого
эффекта введено понятие эквивалентной реверберации.
Представим себе, что стационарный сигнал выключается в момент времени t= 0 (рис. 2.8). Вдали от источника (R>>1) уровень реверберирующего
сигнала убывает, следуя наклонной прямой 1, и через время реверберации Тр
уменьшается на 60 дБ. Вблизи от источника, где акустическое отношение мало,
процесс будет протекать иначе. При выключении источника стационарный
уровень уменьшится скачком до значения Lдиф  Lпр , что соответствует исчезновению прямого звука; после этого уровень будет убывать, следуя наклонной прямой 2, параллельной 2. Наклон этих прямых однозначно связан с временем реверберации.
54
R
30
1
20
2
10
3
V, м3
103
2
3
5
104
2
3
5
105
Рис.2.7. Зависимость акустического отношения от объёма кинозала,
для первого (1), среднего (2) и последнего (3) ряда зрителей
Два процесса спадания звуковой энергии в помещении: со скачком уровня (кривая 2 на рис. 2.8) и без скачка (кривая 1) – оцениваются на слух как эквивалентные по гулкости, если точка их пересечения отстоит от момента выключения звука на интервал t  200 мс . Время, в течение которого плотность
звуковой энергии этого эквивалентного процесса (кривая 3) уменьшается на 60
дБ (или в 10 раз), определяет эквивалентное время (ощущаемой на слух) реверберации T экв . Очевидно, что, изменяя T экв , можно менять субъективное
ощущение воспринимаемой реверберации. Как правило, T эк в  T р и только
при
R   T экв  T р.
Для расчета значения Тэкв пользуются формулой
1, 2T р
T экв 
 R
1, 2  T р lg  м

 R 
,
(2.34)
где м – коэффициент направленности микрофона.
Эквивалентная реверберация существенно зависит от расстояния между
источником звука и точкой расположения микрофона, а также от характеристик
направленности последних. При малом расстоянии она заметно меньше T р ввиду большого уровня прямого звука. Воспринимаемая реверберация в этом случае ослабляется. Время T экв может быть малым при использовании остронаправленных микрофонов, ориентированных на источник звука.
55
L, дБ
0
1
Lдиф-Lпр
2
3
t
-60
t
0
Tэкв
Tр
Рис.2.8. К определению эквивалентной реверберации:
1 –затухание уровня при наличии диффузного поля;
2 –ход кривой затухания уровня вблизи от источника;
3 – эквивалентная реверберация, воспринимаемая слухом
Эквивалентная реверберация уменьшается при приближении к источнику
звука, так как уменьшается акустическое отношение, и это хорошо ощущается
слушателями. А в удаленных точках зала, где акустическое отношение наиболее велико, всегда ощущается большая гулкость, чем в других точках помещения. Количественная сторона явления иллюстрируется кривыми рис.2.9, на ко-
Tэкв
T р при различных значениях акустического отношения. Из рисунка видно, что при Tр  1,5 сек эффект может окатором показана зависимость
от
заться заметным, даже не при слишком малых значениях акустического отношения, когда диффузная энергия всё ещё в несколько раз превышает прямую.
56
2,0
Tэкв, сек

1,8
8
1,6
6
4
3
2
1,4
R=1
1,2
1,0
Tр, сек
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Рис.2.9. Зависимость эквивалентной реверберации от времени
стандартной реверберации и акустического отношения
2.2.8. Чёткость реверберирующего сигнала
Нельзя не заметить, что время реверберации представляет собой величину, характеризующую помещение в целом и не позволяющую судить о ходе
процесса отзвука в той или иной точке поля. В соответствии с этим, выведенные нами формулы связывают время реверберации с такими статистическими
величинами, как среднее время свободного пробега и средний коэффициент поглощения на основе чисто статистического представления о диффузном поле.
Поэтому можно сказать, что время реверберации, вычисленное по вышеприведённым формулам, представляет собой параметр, имеющий по существу дела
статистический смысл.
Несколько иначе обстоит дело с акустическим отношением. Оно выражается отношением двух величин, одна из которых – плотность прямой энергии –
физически характеризует поле прямой волны в определённой точке помещения,
тогда как другая – плотность диффузной энергии – определяется путём статистического усреднения по всему объёму помещения. Поэтому акустическое отношение следует рассматривать как «полустатистический» параметр.
57
Однако, во многих случаях (в особенности тогда, когда нужно найти причину неудовлетворительной слышимости речи или музыки в тех или иных частях помещения) приходится обращаться к установлению физических величин,
характеризующих структуру реверберирующего сигнала, принимаемого в определённой точке помещения. Одной из таких величин является так называемая
чёткость – отношение действия полезной части реверберирующего сигнала
t0
H1   (t)dt
0
к полному его действию

H   (t)dt.
0
Здесь t0 – длительность полезной части отзвука, в пределах которой запаздывающие эхо-сигналы тесно коррелированы с прямым звуком.
Чёткость реверберирующего сигнала
t0
 (t)dt
H1 0
D

H  (t)dt

(2.35)
0
представляет собой величину, доступную для измерения и, как показывает
опыт, хорошо характеризующую условия восприятия сигнала в какой-либо точке помещения.
При измерении чёткости речевого сигнала обычно принимают t0 = 50 мс.
Для музыкальных сигналов t0 несомненно больше, чем для речи, однако значение этой величины для музыкальных программ того или иного вида ещё не установлено с достаточной определённостью и требует более детальных исследований.
2.2.9. Реверберация в связанных помещениях
На практике очень часто имеют дело со связанными помещениями, т. е. с
такими помещениями, процессы в которых могут зависеть от параметров обоих
помещений. Например, два зала, связанные между собой открытыми дверьми
или небольшой аркой; студия, из которой ведут передачу в зал и жилое помещение, в котором эту передачу прослушивают (рис. 2.10, а). Разница между
этими случаями сводится к тому, что во втором случае процессы в студии проходят независимо от процессов в помещении, в котором прослушивают передачу,
58
т. е. без обратной связи, а в первом – они определяются параметрами обоих помещений, т. е. имеет место обратная связь. Помещение, в котором находится
первичный источник звука, называется первичным, а другое помещение – вторичным.
Пер
Пр
1
2
а
L, дБ
60
50
40
30
1
3
20
2
10
t
0
Tр1
Tр2
Tрез
б
Рис. 2.10. Связанные помещения без обратной связи
На рис.2.10, б приведены идеализированные кривые затухания уровня звукового давления в первичном (1) и во вторичном (2) помещениях при условиях их
независимости. Там же приведена результирующая кривая (3) затухания уровня
во вторичном помещении при передаче в него сигнала из первичного помещения.
Кривая 3 результирующего сигнала затухания связанных помещений всегда выше 1 или 2, так как результирующее затухание происходит медленнее. Физически
понятно, что, как в любых связанных цепях, кривая затухания звука во вторичном помещении должна определяться более медленным процессом. Наибольшее отклонение результирующей кривой затухания от этого процесса получается при одинаковой реверберации в обоих помещениях.
59
Результирующее время стандартной реверберации во вторичном помещении приближённо определяется по формуле
T 3рез  T13  T 32 .
При наличии обратной связи между помещениями процесс происходит
аналогично. Можно свести это к случаю отсутствия обратной связи, если ввести соответствующие поправки в уравнения, определяющие процессы в связанных помещениях без обратной связи.
2.3. Основы геометрической (лучевой) акустики
Как мы уже упоминали выше, статистический метод расчета звукового
поля может быть применен в тех случаях, когда предполагается, что энергия
распределена равномерно во всем объеме помещения и что процесс нарастания
и затухания звука в помещении происходит непрерывно или в виде большого
количества малых скачков энергии. Пользуясь приведенной теорией, мы можем
оценить один из основных критериев качества звучания в помещении – кривую
спадания звука или время реверберации.
Однако в существующих помещениях (театры, концертные залы и т.п.)
часто приходится встречаться с акустическими явлениями, которые не могут
быть определены методами статистической акустики. К таковым относятся: явление эхо, фокусирование звука и др.
Определение этих явлений производится обычно анализом хода звуковых
лучей, отражающихся от поверхностей различной формы и рассмотрением последовательности во времени отдельных отражений.
Таким образом, в тех случаях, когда средняя длина пути звуковой волны в
помещении достаточно велика, т. е. когда количество отражений в секунду мало, а, следовательно, анализ звукового поля сводится к изучению лишь первых
или отдельных отражений, рассмотрение звукового поля переносится на так называемый лучевой эскиз (лучеграмму). Для этого на плане (горизонтальном
разрезе) помещения или на его вертикальном разрезе наносится ход звуковых
лучей от источника до интересующих нас поверхностей, а затем, пользуясь законами отражения звука (угол падения равен углу отражения), строится картина звуковых лучей, соответствующих различным отражениям. Так получается
общая картина распределения (концентрации или разрежения) звуковых лучей
в отдельных точках помещения. Зная форму поверхностей и скорость распространения звука, можно вычислить запаздывание одного звукового луча по отношению к другому.
Этот способ изучения звуковых процессов широко применяется в проектировании акустики помещений, и получил название геометрической акустики.
Геометрическая акустика на определенных этапах проектирования и рассмотрения звуковых процессов в помещении имеет несомненные преимущества.
Она даёт возможность предвидеть еще в проекте возникновение ряда грубых
акустических дефектов, как, например, явления эхо, фокусировки звука и т. д.
Возникновение этих явлений в принципе может быть определено двумя путя60
ми: во-первых, расчетным путем в проекте при помощи геометрической акустики, и, во-вторых, наблюдением за звуковым процессом на моделях помещения.
Применяя правила геометрической акустики, можно в лучевом эскизе исследовать влияние сложных форм в интерьере помещения на явление концентрации звука и запаздывания одного отражения по отношению к другому, вызывающего явление эхо.
Характер отражения зависит от формы отражающей поверхности. При
отражении от плоской поверхности (рис.2.11, 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.2.11, б)
приводит к фокусировке лучей в точке И. Выпуклые поверхности (колонны,
пилястры, крупные лепные украшения, люстры) рассеивают звук (рис.2.11, в).
И
И
И
И
И
а
б
в
Рис. 2.11. Отражение звуковых волн от различных поверхностей
В таблице 2.3 приведены 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, 1 –
время запаздывания первого отражения).
Таблица 2.3
Зал
n, чел lп, м lб, м 1, 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
Концертный зал, Бостон
2630 40
45 24...28
Концертный зал, Нью-Йорк
2700 34
45 23...26
Концертный зал, Зальцбург
2700 34
45 21...24
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
61
размеры должны определяться только качеством звучания музыки. «Экономить» на этих размерах – значительно ухудшать качество звучания.
Применение методов геометрической акустики позволило выработать
общие рекомендации для выбора формы и размеров помещения. В основу выбора конфигурации помещения должны быть положены следующие требования:
1. Сила звука и соответственно уровень громкости должны быть одинаковыми на всей площади, занятой слушателями аудитории или зрителями театра. Звуковое поле в помещении должно быть в такой мере диффузным, чтобы
обеспечить наибольшую четкость и разборчивость звука, главным образом речи.
2. Должны быть устранены эхо-эффекты, т.е. запаздывающие отражения
большой интенсивности на всех местах зала.
Указанные требования могут быть выполнены при соблюдении следующих условий:
 Расстояние между источником звука и слушателем должно быть минимальным (рис.2.12, тип 1).
 Форма плана должна учитывать направленность источника звука, что
особенно важно для проектирования аудиторий. Угол между лучами, направленными от источника к крайним передним местам партера, должен быть как
можно меньше. Во всяком случае, он не должен превышать 90 (рис.2.12, тип 2).
 Отражающие поверхности, расположенные вблизи источника, должны
посылать максимум звуковой энергии в зал (рис.2.12, тип 3).
 В помещении, которое должно отличаться хорошими акустическими характеристиками, следует избегать вогнутых и сводчатых поверхностей, так как
наличие таких форм связано с опасностью возникновения фокусов - мест концентрации звуковой энергии (рис.2.12, тип 4).
 При параллельных стенах квадратного зала наблюдается вырождение
спектра собственных частот и, так называемое, «порхающее» эхо, которое растет с увеличением размеров помещения (рис.2.12, тип 5).
Знаки «плюс» и «минус» и цифры под остальными планами показывают,
какие из перечисленных выше требований выполнены или не выполнены.
При выборе оптимальных размеров зала следует уделять большое внимание
выбору высоты помещения и формы потолка. Высота потолка имеет настолько
большое значение для акустики помещения, что на этом вопросе следует остановиться особо. Плохая акустика, присущая многим большим залам, часто объясняется чересчур высокими потолками или их неудачной формой.
С акустической точки зрения основное назначение потолка – обеспечить
полезные отражения звуковых волн. Задача заключается в том, чтобы в первую
очередь обеспечить отраженным звуком последние ряды, на которых уровень
силы прямого звука меньше, чем на передних и средних. Уровень звука на отдаленных местах будет значительно ниже, чем это можно было ожидать, если
исходить только из затухания звука на расстоянии. Причина сильного затухания заключается в поглощении звука вдоль площади пола, занятого
слушателями.
62
Потеря уровня, вызываемого поглощением, может быть компенсирована
отраженным звуком, однако при этом необходимо учитывать, что отраженная
волна поступает в место приема с запаздыванием.
Тип 1
Тип 2
Тип 4
Тип 3
Тип 5
+ 1 + 2 +3 -4 + 5
+1 -2 -3 -4 + 5
-1 + 2 -3 +4 -5
-1 + 2 -3 + 4 +5
+ 1 +2 -3 -4 +5
-1 +2 + 3 + 4 +5
+ 1 + 2 + 3 + 4 +5
Рис.2.12. К вопросу о выборе формы помещения
Исторические примеры. По сохранившимся до наших времен культовым и зрелищным сооружениям видно, что основные положения лучевой теории были известны древним строителям и что эти положения неукоснительно
соблюдались. Размеры греческих и римских театров на открытом воздухе были
63
выбраны такими, чтобы в наибольшей степени использовать энергию отраженных волн.
Театры (рис.2.13) содержали три основные части:
 сцену (shena) глубиной 3,5...4 м в Греции и 6...8 м в Риме, на которой разыгрывалось театральное действие;
 площадку перед сценой – орхестру (orhestra буквально «место плясок»),
на которой располагался хор и выступали танцоры;
 поднимающиеся ступенями зрительские места вокруг орхестры, образующие так называемый амфитеатр (от греческих слов amphi – «с обеих сторон», «кругом» и theatron – «место зрелищ»).
Звуки от исполнителей достигали зрителей, располагавшихся на амфитеатре, прямым путем 1, а также после отражений от поверхности орхестры (луч
2) и стены 3, находящихся позади сцены (рис.2.14, а). Плоскость орхестры покрывали хорошо отражающим материалом. Как указывал Витрувий, высоту
стены 3 следовало выбирать равной высоте парапета 4, ограждавшего верхний
ряд амфитеатра, «для улучшения акустики». Видимо, речь шла о том, чтобы не
допустить излишнего рассеяния звуковой энергии в пространство. Глубину
сцены в греческих театрах делали небольшой, чтобы лучи 5 не слишком запаздывали по отношению к прямому лучу 1 и не ухудшали разборчивость речи актеров. Часть звуковой энергии, отразившись от стен 3 и 4, уходила вверх. На
орхестре происходили танцы и располагался хор, повторявший реплики актеров, т.е. выполнявший задачу звукоусиления. При расположении хора в точке
И1 звуковые лучи, отразившись от стены 3 (рис.2.14, б), приходят к зрителю с
большой задержкой во времени, вызывающей эхо. Для уменьшения этого недостатка в римских театрах хор размещали ближе к сцене, в точке И2. Тогда для
направления энергии в сторону зрителей будет использоваться отражения от
сцены (ее высота в римских театрах достигала 3,5 м). В современных театрах
перед сценой находятся музыканты, на которых и перешло название занимаемой ими площадки – оркестр.
Рис. 2.13. План античного театра
64
Особую роль в усилении и обогащении звучания играли так называемые
«гармоники» - системы резонаторов в виде бронзовых цилиндрических сосудов
и глиняных кувшинов-амфор. Они располагались в нишах стены позади зрительских мест и под скамьями. Греки считали, что для благозвучия речи и музыки резонаторы должны быть подобраны или настроены по тонам музыкальных гамм: энгармонической, хроматической и диатонической:
 первая система, по мнению их создателей, придавала звукам торжественность и строгость;
 вторая, благодаря «толпящимся» нотам, – утонченность, нежность звучанию;
 третья – из-за консонансности интервалов – естественность музыкальному исполнению.
Рис. 2.14. Лучеграмма античного театра
Очевидно, что античные архитекторы при строительстве театров искали и
находили технические пути передачи зрителям и слушателям не только смы65
словой (семантической), но и художественной (эстетической) информации,
стремились обогатить музыкальное звучание.
Рациональной формой и разумно выбранными размерами отличались театральные и концертные залы 18 и 19 веков. Ряд хороших в акустическом отношении театральных и концертных залов был построен в разных странах и в
20 веке.
Неудачные решения. Казалось бы, опыт, накопленный за тысячелетия,
должен использоваться современными архитекторами и строителями. Между
тем множатся примеры неудовлетворительных акустических решений, например, строительство залов круглой или эллиптической в горизонтальной плоскости формы (кинотеатр «Колизей» в Санкт-Петербурге, концертный зал им.
Чайковского в Москве и др.). В них образуются зоны фокусировки отраженных
лучей и зоны, в которые отраженные
лучи либо не попадают, либо попадают
с большой временной задержкой. В
круглом зале (рис.2.15) касательный к
стене луч 1 и при последующих отражениях остается в близкой к стене зоне.
Лучи 2, распространяющиеся примерно
в диаметральном направлении, образуют после отражения мнимое изображение источника И', в котором интенсивность звука, как и в кольцевой
зоне возле стены, повышена.
Рис.2.15. Один из примеров
неудачной формы зала
Неудовлетворительными являются залы с плоским потолком и низким
порталом сцены (рис.2.16, а). Зона АВС оказывается своеобразной ловушкой
для значительной части, излучаемой источником звука энергии. Только зона
DE дает полезные отражения, но они попадают лишь в удаленную часть зала. В
этой ситуации предпочтительнее конструкции с рассеивающим потолком
(рис.11,б), акустической раковиной и козырьком (рис.16,в).
Неудовлетворительным в акустическом отношении является знаменитый
зал Альберт-холл в Лондоне шириной 56 м при высоте 39 м. Ввиду необычайно
большой высоты зала разница в пути между прямым звуком и звуками, отраженными от потолка, достигала 60 м, что давало запаздывание почти на 200 мс.
Центр кривизны вогнутого потолка находится в зоне, занятой слушателями, что
порождает сильное эхо.
Примером неудачного акустического решения может служить Большой
зал Центрального театра Российской армии (ЦТРА). Основные недостатки зала:
большая ширина, равная в середине зала 42 м, и чрезмерно высокий потолок –
18 м у портала (рис.2.17).
66
Отражения от боковых стен не приходят в центральную часть зала, а первые отражения от потолка поступают в середину партера с запаздыванием более 35 мс. В результате разборчивость речи в партере низкая, несмотря на близость актеров к публике. Форма задней стены зала и парапета балкона является
частью окружности, центр которой расположен на авансцене в точке О. Звуки,
отраженные от задней стены и парапета балкона, возвращаются в эту же точку
и прослушиваются как сильное эхо, ибо их запаздывание превышает 50 мс. При
перемещении актера в точку И сопряженные фокусы И' и И'' смещаются в партер. В результате в первых рядах партера возникает эхо.
А
В
E
D
С
G
И
а
F
И
б
И
в
Рис. 2.16. Вертикальный разрез зала с низким потолком
Примером неудачного акустического решения является и Центральный
концертный зал гостиницы «Россия» в Москве. Квадратная в плане форма зала
привела к обеднению спектра собственных частот, низкий потолок создает малую задержку первых отражений, а большая ширина зала приводит к тому, что
отражения от стен не попадают в первую половину партера. Трижды пытались
улучшить звучание заменой в зале звукопоглощающих материалов и изменением их месторасположения. Однако скомпенсировать заведомо неудачную исходную форму зала не удалось.
67
Даже в помещениях с правильно выбранными формой и линейными размерами, пропорции которых приближаются к «золотому сечению», обнаруживаются недостатки звучания, устранение которых занимает много времени, сил
и средств. В тщательной подготовке к нормальной эксплуатации нуждаются
студии звукового и телевизионного вещания. Примером может служить комплекс работ по подготовке студии N5 Государственного дома радиовещания и
звукозаписи (ГДРЗ). Студия предназначена для исполнения произведений
крупных форм с участием симфонического оркестра и хора в присутствии слушателей. Ее линейные размеры (29,8х20,5х14 м) почти соответствуют «золотому сечению», расчетное время реверберации на средних частотах 2,3 с. Ввиду
большой высоты и ширины время прихода начальных отражений не оптимально. Для уменьшений длины путей отраженных лучей над местом расположения
оркестра и на боковых стенах были укреплены отражающие панели. Потребовалось несколько раз изменять положение панелей и уменьшать площадь звукопоглощающих конструкций, прежде чем музыканты и звукорежиссеры признали качество звучания хорошим. Из этого примера видно, насколько тонкой и
скрупулезной является акустическая настройка помещений.
И
И
'
И
О
И''
Рис. 2.17. Вертикальный разрез и план Большого зала Центрального
театра Российской армии
68
Встречаются залы, рассчитанные на небольшое количество слушателей,
соответственно небольшой площади и малой высоты. Авторы их, по-видимому,
полагали, что при небольших размерах зала «все будет хорошо слышно». В
действительности в таких залах на местах слушателей образуется плотная
структура начальных отражений. Из-за этого при небольшом времени реверберации звучание оказывается «плоским», подобно звучанию на открытом воздухе, а при большом времени реверберации теряется «прозрачность» звучания,
начинается маскировка последующих музыкальных звуков предыдущими.
Неудовлетворительны также большей частью так называемые актовые залы. Они предназначаются для собраний, т.е. для звучания речи. Низкий потолок, гладкие параллельные стены, лишенные акустической отделки порождают
неоптимальные начальные отражения. Попытки проводить в них концерты не
приносят успеха, так как музыка звучит в них плохо. Ниже всякой критики акустика так называемых «концертно-спортивных» залов.
В нашей стране большой вред качеству театральных и концертных залов
принесла «борьба с архитектурными излишествами». «Излишествами» были
объявлены все звукорассеивающие и звукопоглощающие конструкции и даже
мягкая обивка кресел, призванная служить эквивалентом отсутствующих зрителей. В результате – на местах слушателей плохая структура начальных отражений, невысокая диффузность, а при частичном заполнении - чрезмерная
«гулкость».
Лучшие залы. Непревзойденными по качеству звучания остаются Колонный зал Дома союзов, Большой и Малый залы Московской консерватории,
Большой зал Санкт-Петербургской филармонии и некоторые другие залы старой постройки.
К достижениям отечественной архитектурной акустики следует отнести
зрительные залы Детского музыкального театра, Московского театра им. Евг.
Вахтангова, Московского драматического театра им. А.С. Пушкина, Дворца
культуры ЗИЛ, студии Государственного дома радиовещания и звукозаписи,
ателье записи звука и зал прослушивания «Мосфильма». При их проектировании и строительстве были учтены положения и рекомендации отечественных и
зарубежных акустиков.
В этих залах соблюдены требования геометрической акустики: рационально выбраны форма и размеры, что обеспечило высокую степень диффузности поля и оптимизацию времен запаздывания начальных отражений. В каждом
конкретном случае выбраны свои архитектурно-планировочные решения. Залам сравнительно небольшой ширины придана форма прямоугольного параллелепипеда. Таковы Большой и Малый залы Московской консерватории, Большой зал московского Дома ученых. При небольшой ширине количество отражений, приходящих на места слушателей, быстро нарастает со временем и в завершающей части процесса реверберации настолько велико, что обеспечивает
хорошую диффузность поля. В залах большой ширины (Колонный зал Дома
союзов, Большой зал Санкт-Петербургской филармонии) введены звукорассеивающие конструкции в виде ряда колонн. В современных залах большой вме69
стимости хорошего рассеяния звуков достигают членением стен и потолка и
установкой крупных рассеивающих поверхностей на стенах.
Важное значение имеет материал, которым отделаны стены и потолок.
Наилучшим материалом является дерево. Звучание музыки в залах, отделанных
деревом, отличается красивой тембральной окраской. Наоборот, совершенно
противопоказаны железобетонные конструкции, особенно тонкие, и штукатурка по сетке Рабица. Звуки, отраженные от этих поверхностей, обладают неприятным «металлическим» оттенком.
2.4. Элементы волновой теории
В статистической теории отзвук рассматривается как затухание последовательного ряда отраженных звуковых импульсов, излученных источником
звука. Подразумевается, что форма импульсов, следовательно, и их спектр, заданные источником звука, при отражениях остаются неизменными. Такое представление вызывает сомнение принципиального характера: ведь замкнутый
воздушный объем помещения, если его размеры соизмеримы с длиной волны
или больше ее, следует рассматривать как колебательную систему с распределенными параметрами, которая обладает спектром собственных (резонансных)
частот. После прекращения действия источника звука, поддерживающего вынужденные колебания воздуха в помещении, в системе совершаются только
собственные колебания, которые затухают по мере поглощения энергии. В явлении реверберации нет места остаточному колебательному процессу, навязанному ранее действием вынуждающей внешней силы; отзвук есть собственное
затухающее колебание воздушного объема с частотами, зависящими от размеров и формы помещения.
Следовательно, сутью реверберации являются не многократные отражения, а постепенно затухающие собственные колебания объемного резонатора,
не зависящие от внешних влияний. Такой взгляд положен в основу волновой
теории акустических процессов в помещении.
Акустику помещений с позиции волновых, колебательных процессов анализировали Дж. В. Стретт (лорд Рэлей), Бейль, Курант, Шустер и Ветцман,
Кнудсен, Морз и Болт и другие. Среди разработчиков волновой теории в нашей
стране следует в первую очередь назвать И.Г. Дрейзена и В.В. Фурдуева.
Большинство инженеров полагают, что волновая теория основана на анализе действия объемных электромагнитных резонаторов. Действительно, в обеих теориях есть много общего, включая расчетные соотношения. Заметим, что
волновую теорию реверберации начали разрабатывать еще в середине прошлого века, значительно раньше статистической. Однако, в ее разработке продвинулись меньше, чем в статистической.
Идеи, положенные в основу волновой теории, были впервые высказаны
лордом Рэлеем. В «Основах акустики», изданных впервые в 1877 г., приводится
необходимый математический аппарат, причем со ссылкой на решение волнового уравнения для трехмерного пространства, данного Дюамелем в математи70
ческом журнале «Liouville Journal Math.», том XIY, 1849. Дюамель вывел выражение для собственного периода объемного резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором длина волны
2
2
2
 p q  n
c
  0 2       .
 l  b h
f0
Отсюда
2
2
2
c0 c0  p   q   n  .
f0  
     
 2  l   b  h
(2.36)
В приведенных выражениях l, b, h – линейные размеры, р, q, n – любые
целые числа. В зависимости от значений коэффициентов р, q, n принята следующая классификация типов образующихся стоячих волн:
 осевые, когда два из трех коэффициентов равны нулю;
 касательные, когда один из коэффициентов равен нулю;
 косые, когда ни один из коэффициентов не равен нулю.
Осевые волны отражаются только от одной пары противоположных параллельных преград (стен), касательные – от двух пар (т.е. устанавливаются в
плоскости, параллельной третьей паре преград), косые – от всех пар преград.
Для многих материалов коэффициенты поглощения зависят от угла падения
волны на преграду. В связи с этим волны разных типов затухают с разной скоростью. Затухание получается наибольшим для косых волн и наименьшим для
осевых. Поэтому, когда источник звука возбуждает колебания разных типов, то
различные собственные колебания, даже с близкими частотами, будут затухать
с неодинаковой скоростью. В результате кривая спада интенсивности звука не
будет иметь регулярного вида, который предписывается статистической теорией. Крутизна спада уровня на разных стадиях отзвука будет различной, и тогда
теряется смысл самого понятия времени реверберации. Процесс спада будет
складываться из разных частных процессов и, следовательно, не будет изображаться экспоненциальной кривой, а будет следовать ей лишь в среднем. На него будут накладываться небольшие флуктуации. Практика показывает, что наличие малых флуктуаций благоприятно сказывается на оценке качества звучания. Поэтому значение статистической теории не только не снижается, а, наоборот, приобретает новую опору в выводах волновой теории. Итак, в статистической теории ход спада интенсивности рассчитывается методами теории
вероятности, «в среднем», а флуктуации фактического спада относительно усредненной формы определяются методами волновой теории.
Из волновой теории вытекает, что помещения простой правильной геометрической формы менее удовлетворяют условию диффузности поля, чем помещения сложной геометрической формы с непараллельными стенами, косо
поставленными плоскостями или выпуклыми поверхностями и углублениями.
71
Разумеется, линейные размеры этих поверхностей должны быть соизмеримы с
длиной волны или быть больше ее.
В качестве примера в таблице 2.4 приведён результат расчета длин волн и
частот, соответствующих резонансным колебаниям в помещении в виде прямоугольного параллелепипеда с линейными размерами 10, 6 и 4 м.
Номера колебаний
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Значения параметров
p
q
1
0
0
1
1
1
2
0
0
0
2
1
1
0
0
1
1
1
2
0
0
2
1
2
0
0
1
0
Таблица 2.4
f, Гц
, м
n
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
2
2
20,0
12,0
10,3
10,0
8,0
7,7
7,4
6,7
6,3
6,2
6,0
5,75
4,0
2,9
17
28
33
34
42
44
46
51
54
55
57
59
85
117
Из таблицы видно, что на нижних частотах резонансы следуют через значительные промежутки и должны привести к заметному изменению спектра отзвука по сравнению со спектром исходного звучания, следовательно, к изменению тембра отзвука. Между тем, повседневный опыт убеждает нас в обратном.
Как объяснить это противоречие? Объяснение сводится к следующему. В той
области частот, где резонансные частоты расположены редко, соответствующие
частотные составляющие в спектре речевых и музыкальных сигналов почти не
встречаются. Реальное значение могли бы иметь, например, 13 и 14 частоты, но
интенсивность резонансных колебаний столь больших номеров невелика, поэтому заметного изменения тембра звука не произойдет. С увеличением частоты плотность резонансных частот быстро возрастает. Так, в области 500 Гц на 1
Гц полосы частот придется примерно 10 резонансных частот. В связи с этим в
помещениях большого объема, какими являются концертные и театральные залы, ухудшения звучания не происходит.
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
72
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.
Ещё лорд Рэлей 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. Замечено, 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.
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. Дело в том, что
в звукомерной камере материал, как правило, исследуют в диффузном поле.
Коэффициент поглощения определяется усреднением по всем углам падения
звуковых волн. 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 () = (0)/cos(), где α(0) – коэффициент
73
поглощения при нормальном (перпендикулярном) падении, а  – угол между
нормалью и направлением падающей на преграду волны. Но при приближении
 к 90°, резко уменьшается в результате скольжения волны вдоль преграды
(рис. 2.18). Поэтому в помещении материал ведет себя иначе, чем в звукомерной камере. Кроме того, из-за нестационарности звукового поля  зависит не
только от свойств материала преграды, но и от общего поглощения помещения
A = срS. Поэтому коэффициент поглощения одного и того же материала в
разных помещениях может отличаться в 1,5...2 раза.

1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
15
30
45
60
75
90

Рис. 2.18. Зависимость коэффициента поглощения пористого
материала от угла падения звуковой волны
74
Контрольные вопросы
1. Какое звуковое поле считается диффузным?
2. Поясните понятия: среднее время и средняя длина свободного пробега
звуковой волны в помещении.
3. Как определить средний коэффициент звукопоглощения?
4. Выведите формулу для процесса нарастания звука в помещении.
5. От каких факторов зависит плотность звуковой энергии в помещении в
установившемся режиме?
6. Выведите формулу для процесса спадания звука в помещении.
7. Какова структура и особенности восприятия реверберационного
процесса?
8. Каким образом можно рассчитать время стандартной реверберации?
9. Поясните признаки применимости формул Эйринга и Сэбина.
10. Как определить время реверберации связанных помещений?
11. Поясните понятия: акустическое отношение, эквивалентная реверберация.
12. Поясните назначение и методику построения лучеграммы помещения.
13. Как определить спектр собственных частот помещения исходя из волновой теории?
75
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ АКУСТИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ПОМЕЩЕНИЙ
Данная глава написана как руководство по акустическому расчету помещений. В первую очередь она рассчитана как глава для студентов при их работе
над курсовыми и дипломными проектами, но может оказаться полезной и для
инженеров, проектирующих или реконструирующих залы и системы звукоусиления в них.
Акустический расчет помещения состоит из следующих основных частей:
 выбор формы и геометрических размеров помещения;
 определение оптимального времени реверберации и его частотной характеристики;
 расчет необходимого звукопоглощения и составление эскиза размещения
звукопоглощающих материалов;
 расчет звукоизоляции от шумов и решение вопроса об использовании специальных звукоизолирующих конструкций;
 расчет системы звукоусиления или озвучения.
В свою очередь расчет системы звукоусиления содержит следующие разделы:
 расчет требуемой акустической мощности громкоговорителя и уровня
прямого звука;
 выбор системы звукоусиления и типа громкоговорителей;
 расчет звукового поля с учетом размещения громкоговорителей и микрофонов;
 расчет предельного индекса усиления и выбор типа микрофонов.
В основу расчета систем звукоусиления положена методика, разработанная Л.З. Паперновым и изложенная в пособии «Расчет и проектирование систем озвучения и звукоусиления в закрытых помещениях», ставшем в настоящее
время библиографической редкостью, а также опыт автора при проектировании
залов различного назначения.
В главе содержатся справочные данные по акустическим характеристикам наиболее распространенных звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкций. Кроме того, приведены характеристики некоторых типов микрофонов, излучателей и усилителей.
3.1. Выбор размеров и формы помещения
Размеры и форма помещения заметно влияют на его акустические свойства. Неправильный выбор размеров помещения может привести не только к
нерациональному использованию его объема и неудобствам эксплуатационного
характера, но и к нарушению равномерности распределения звуковой энергии в
нем.
Соотношение размеров помещения влияет и на спектр собственных частот помещения. Так при их равенстве или даже кратности, спектр собственных
76
частот помещения обедняется в силу возникновения целого ряда пар одинаковых частот.
3.1.1. Радиовещательные и телевизионные студии
Важнейшей составной частью аппаратно-студийного блока является студия – помещение, специально предназначенное для исполнения речевых и музыкальных фрагментов вещательных программ. Студия – это головное звено
системы звукового и телевизионного вещания. Студии для исполнения вещательных программ разных жанров должны обладать неодинаковыми акустическими свойствами. Только в этом случае может быть достигнуто максимально
возможное с точки зрения слухового восприятия качество звучания.
Основные типы студий звукового и телевизионного вещания приведены в
таблице 3.1.
Формы крупных студий звукового и телевизионного вещания столь же
разнообразны, как и формы больших концертных залов. Их выбирают, исходя
из архитектурно-строительных соображений и удобства размещения оркестрантов на сцене (игровой площадке). Эти студии имеют, как правило, места
для расположения слушателей.
Студии средних и малых размеров чаще всего имеют форму прямоугольного параллелепипеда, стороны которого – длина l, ширина b, высота h –
находятся в соотношении так называемого «золотого сечения»:
l b
при l  b  h .
(3.1)
b
h
Учитывая, что объем студии V  lbh получаем:
(3.2)
h  0,62V b  V l  1,62V .
Важен правильный выбор высоты студии h. Зависимость h  0,62V хорошо совпадает с данными нормативных документов, которые составлены на основании опыта длительной эксплуатации студий. В больших музыкальных студиях допускается уменьшать высоту h на 10...20 % по сравнению с размером,
получаемым из (3.2). Даже в самых крупных студиях с объемом более 10000 м3
высота не должна превышать 14 м. Размещаемые над оркестром звукорассеивающие конструкции следует подвешивать на высоте 6...8 м. В студиях небольшого объема выражение (3.2) приводит к недопустимо малой высоте, которая в любом случае не должна быть менее 3 м.
Объем студии находится в прямой зависимости от максимального числа
исполнителей. Удельный объем, приходящийся на одного оркестранта, должен
быть не менее (10...18) м3, а на одного слушателя – не менее 10 м3. Площадь
пола студии, приходящаяся на одного исполнителя, должна быть не менее
(1,8...3) м2. Скученное расположение оркестра дезориентирует музыкантов, затрудняя исполнение и повышая психологическую нагрузку, что приводит к быстрой их утомляемости и потере контроля над качеством исполнения.
В малых помещениях (V<150 м3) – дикторские речевые студии, комнаты
77
прослушивания, аппаратные – площадь пола должна быть не менее 25 м2. При
этом спектр собственных частот малых помещений должен быть по возможности равномерным.
Таблица 3.1 – Основные типы студий звукового и телевизионного вещания
Наименование
студии
Большая музыкальная
То же, но без
слушателей
Средняя
музыкальная
Малая
музыкальная
Камерная
Большая литературнодраматическая
Средняя литературнодраматическая
Речевая
Заглушенная
Назначение
Музыкальные передачи
крупных форм (классическая музыка в исполнении больших симфонических оркестров; хоровое пение и т.п.) с возможностью присутствия
слушателей
–
Оптимальное
число
исполнителей
Высота, м
Площадь
пола, м2
250
13
1000
150
12
750
Симфоническая музыка (в
исполнении средних по числу
исполнителей оркестров)
40 ... 65
8,5 ... 10 350 ... 450
Запись эстрадной и джазовой музыки
35 ...60
8,5 ...10
30 ...35
8,0 ...8,3 250 ... 300
Запись небольших оркестров и хоров
Исполнение камерной
музыки, для солистоввокалистов, музыкальных
передач малых форм
Создание и передача радиоспектаклей крупных форм
Художественное чтение,
небольшие по форме радиоспектакли
Информационные передачи, последние известия
Создание специальных
эффектов при литературнодраматических записях
78
350 ... 450
10 ... 15
6
150
20 ... 30
6 ... 6.4
150 ... 200
10
5
100
2 ... 4
3,2 ...3,5
26 ...30
6 ...10
4
50
Наименование
студии
Назначение
Перезапись фонограмм,
запись фрагментов программ для консервации
Комната «эха» Создание эффектов переменной реверберации,
изменение «объемности»,
гулкости и тембральной
окраски звучания
Комната про- Проведение экспертиз
слушивания
Большая теле- Музыкальные, литеравизионная
турно-драматические передачи и съемка с большим числом сценических
площадок, со сложным
оформлением
Средняя теле- Музыкальные, литературвизионная
но-драматические передачи и съемки с небольшим
числом игровых площадок, с несложным декорационным оформлением
Малая телеви- Музыкальные, драматизионная
ческие передачи малых
форм с малым числом
(одна-две) сценических
площадок с несложным
декорационным оборудованием; передачи общественно-политические, научно-познавательные, литературные и т.п.,
Дикторская
Показ дикторов или выпрограммная ступающих (средний и
крупный планы)
Дикторская
Информационные перекабина теледачи (без показа диктора)
комментатора
Оптимальное
число
исполнителей
Высота, м
Площадь
пола, м2
1 ... 2
3,5
30 ...40
4,0
50
3,5
30 ... 40
Аппаратные
79
250
10...12,5 450 ... 600
120
8,6
300
30
6,5
150
2 ... 4
4,2 ...4,5
60 ... 80
1 ... 2
2,6...2,8
12 ... 15
Размеры музыкальных студий можно выбрать, основываясь на таблице
3.2. или рис.3.1.
Таблица 3.2 – Оптимальное соотношение сторон музыкальных студий
Объем студии, м3
Соотношение сторон
До 250
От 650 до 1250
От 2000 до 4000
От 4000 и больше
длина
1,6
2,5
3
3,3
ширина
1,3
1,5
2
1,2
высота
1
1
1
1
м
h b
l
8 11 17
l
b
7 10 16
h
6 9 15
5 8 14
3
600
800
1000
1200 V, м
l ,b ,h - длина, ширина и высота, соответственно
Рис.3.1. График для определения соотношения размеров студий
среднего объема
Если форме речевых студий не придается большого значения в силу слабого влияния отражений на равномерность звукового поля в них, то этого нельзя сказать о музыкальных студиях. Значительно большее время реверберации
музыкальных студий и их большие размеры могут привести к тому, что отражения от параллельных стен при значительной средней длине свободного пробега волны будут затухать медленнее других отражений, что приведет к заметной неравномерности поля. Придавая стенам некоторую непараллельность,
можно добиться уменьшения количества волн осевого типа, имеющих наиболее
упорядоченный характер и связанных с большей неравномерностью поля.
Указанные выше соображения заставляют прибегать к трапецеидальным
и другим непрямоугольным формам музыкальных студий. Угол скоса стен та80
ких помещений выбирается обычно до 10. По той же причине стены и потолок
в студии делаются иногда наклонными с углом наклона около 5. Ввиду неудобства планировки больших студий с наклонными и скошенными стенами,
стены часто делают ребристыми или придают непрямоугольную форму только
той части помещения, где размещаются исполнители.
При планировке студии необходимо предусмотреть размещение смотрового окна между студией и аппаратной.
Лучшая равномерность звукового поля может быть получена за счет оптимального распределения по поверхности студии звукопоглощающих материалов, а также за счет размещения вдоль стен и на потолке выпуклых отражающих поверхностей. Иногда, для создания хороших акустических условий,
перераспределяют звукорассеивающие и звукопоглощающие материалы, сосредотачивая первые в той части студии, в которой размещается оркестр.
3.1.2. Аудитории, театры, концертные залы, кинотеатры
При проектировании и расчете зала необходимо, прежде всего, исходить
из его назначения, т.е. необходимо заранее задаться целевым назначением помещения:
 только для музыкального исполнения;
 только для речевых выступлений;
 для музыкально-драматических постановок;
 многоцелевого назначения.
Кроме того, обычно зрительный зал проектируется на определенное количество зрителей. На основании отечественного опыта оптимальные объемы
воздуха на одного зрителя следующие:
 кинотеатры – 3,5...4,5 м3;
 аудитория – 4м3;
 драматический театр – 5 м3;
 зал для камерной музыки и оперетты – 6 м3;
 оперный театр и концертный зал без органа - 7...9 м3;
 концертный зал с органом и хором – 10...12 м3.
Площадь, приходящаяся на одного слушателя, определяется из санитарно-гигиенических условий и для всех залов равна 0,85 м2 на зрителя (с учетом
проходов).
Для залов без балконов, в зависимости от длины помещения, рекомендуются следующие соотношения длины, ширины и высоты (таблица 3.3).
Таблица 3.3 – Рекомендуемое соотношение сторон для залов без балконов
Длина зала, м
15
20
25
30
l:b:h
3,3:2,2:1
3,9:2,2:1
4,3:2,4:1
4,6:2,5:1
81
Для любых залов при выборе относительных размеров можно использовать соотношение 5:3:2, а для театров соотношение «золотого» сечения l : b : h
= 2,62 : 1,62 : 1.
Если площади пола недостаточно для размещения необходимого количества слушателей, в зале обычно проектируется балкон. При этом нужно учитывать необходимость создания достаточного уровня громкости в последних
рядах балкона и подбалконного пространства. Для этого необходимо обеспечить возможно большую площадь, связывающую зал с подбалконным пространством. Исходя из этого, высота зала над и под балконом должна быть
больше 2,5 м, а соответствующая глубина пространства должна относиться к
высоте, как 2...2,5:1.
Допустимое время запаздывания определяется характером исполняемого
произведения и не должно превышать:
 35...40 мс – для речевых передач;
 70 мс – для сольных выступлений;
 90 мс – для оркестрового и ансамблевого выступлений;
 100...150 мс – для оркестров с хором и органом.
Отраженные звуковые лучи, запоздавшие на время более указанного, не
могут играть полезной роли, так как они уже не коррелированны с первичным
сигналом и создают звуковой фон, затрудняющий восприятие сигнала в тем
большей степени, чем выше уровень этого фона.
Запаздывание более 50 мс при импульсных сигналах воспринимается как
помеха (типа эхо). Особенно опасны отраженные звуковые лучи в первых рядах
зала, так как именно в первых рядах наиболее велика разность хода прямых и
отраженных от потолка и задней стены лучей.
Наличие или отсутствие указанных акустических дефектов проверяется с
помощью лучеграммы. Лучеграммой зала называется геометрическое построение траекторий прямых и отраженных звуковых лучей, приходящих к местам
слушателей.
При ее построении источник звука обычно размещается на середине сцены на расстоянии 1,2...1,5 м от края авансцены. При этом считается, что рот исполнителя располагается на высоте 1,6 м от пола.
Прямые и отраженные лучи должны попадать на плоскость, проходящую
через уши сидящих слушателей, т.е. на высоте 1,2 м от пола. При построении
лучеграммы следует помнить, что угол отражения равен углу падения.
Лучеграмма в вертикальной плоскости строится на чертеже вертикального разреза зала. Перед ее построением необходимо вначале спланировать размещение сцены, проходов, дверей и мест слушателей. На вертикальном разрезе
должно быть показано поднятие пола, балкон, если таковые необходимы.
Пример построения лучеграммы показан на рис.3.3.
82
20 м
3
1
1
3
2
2
1
15 м
1,6 м
1,2 м
Рис.3.3. Пример построения лучеграммы для проверки эхообразования
Из рис.3.3 видно, что при высоте зала h=15 м, разность хода между прямыми и отраженными лучами для передних рядов составляет 20 м и запаздывание составит 59 мс; в то время как для задних рядов запаздывание составит
30 мс. Таким образом, запаздывание отраженного звука в передних рядах превышает допустимую величину для речевых передач, что ухудшит разборчивость речи. Для устранения этого в залах высотой более 12 м применяют отражающие поверхности вблизи источника звука (на рис.3.3 эта поверхность показана пунктиром). Угол наклона отражателя подбирают с таким расчетом,
чтобы отраженные лучи направлялись в конец зала, где относительное запаздывание прямых и отраженных лучей невелико, а уровень сигнала понижен.
Особенно большое запаздывание имеют звуковые лучи, отраженные от
задней стены зала (луч 3, рис.3.3), поскольку длина зала, как правило, значительно больше его высоты. Если расстояние между первым рядом и задней стеной более 10...15 м, уже есть основания опасаться возникновения эхо. Применение балкона в зале устраняет эту опасность. Для залов без балконов необходимо принять одну из двух предлагаемых ниже мер:
 Задняя стена, а возможно и задняя часть потолка зала должна быть обработана акустическим материалом, обладающим по возможности максимальным коэффициентом поглощения во всем диапазоне частот, свойственном источнику звука;
 Задней стене придают определенный наклон, при этом она работает в качестве отражающей поверхности, направляющей звуковую энергию в по83
следние ряды с таким расчетом, чтобы запаздывание отраженных лучей
не превышало 20...30 мс. За счет отраженного звука увеличивается уровень громкости в задних рядах, где он обычно ниже желаемого.
С помощью лучеграммы проверяется также правильность выбора глубины
балкона и высоты подбалконного пространства. Лучи, исходящие от источника
звука на сцене и отраженные от потолка, должны свободно попадать в последние ряды подбалконного пространства (рис.3.4). Если край балкона препятствует прохождению отраженных лучей, то глубину балкона следует уменьшить.
При прохождении звука над головами слушателей его звуковая энергия ослабевает. Наиболее заметно ослабление звука у последних рядов в залах, в которых кресла расположены на горизонтальной плоскости пола. С целью достижения большей равномерности звукового поля обычно прибегают к следующим конструктивным решениям:
 источники звука помещаются выше уровня аудитории (для чего устраивается лекционная площадка, сцена, кафедра);
 места слушателей располагаются на наклонной плоскости.
Рис.3.4. Проверка правильности выбора глубины балкона и высоты
подбалконного пространства
Так в концертных залах и театрах высоту поднятия сцены выбирают в
пределах 90...110 см и 30...60 см в залах заседаний, аудиториях и т.д.
Поднятие пола осуществляют, начиная либо с первого ряда, либо с 10...12
ряда. При этом каждый последующий ряд поднимают над предыдущим в клубах на 6...8 см, в кинотеатрах на 10...12 см, в аудиториях - 20 см.
Оба эти мероприятия в сочетании не только улучшают слышимость для
второй половины зала, но и улучшают видимость.
84
3.2. Выбор оптимального времени реверберации
3.2.1. Речевые студии
Основным требованием, предъявляемым к речевым студиям, является
высокая разборчивость речи при сохранении тембральных особенностей голоса
исполнителя.
Исследования показывают, что высокая разборчивость речи может быть
получена при уровне звукового давления 50…80 дБ и времени реверберации,
меньшем 1 с.
Учитывая, что количество исполнителей при тех видах передач, для которых используются речевые студии, обычно не превышает десяти человек,
объем этих помещений выбирается сравнительно малым. Это позволяет сравнительно легко получить время реверберации на средних частотах 0,4…0,8 с.
Более точное значение оптимального времени реверберации для речевой студии можно определить, исходя из ее объема, по кривой, приведенной на рис.3.5
(для средней частоты 500 или 1000 Гц).
Опытные данные показывают, что высокая разборчивость речи и неискаженная тембральная окраска голоса возможна только при линейной частотной
характеристике времени реверберации или даже при некотором спаде ее (на
10…20%) на низких частотах (рис.3.6).
Т, с
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
25
50
100
200
400
800
1600
V, м3
Рис.3.5. Зависимость времени реверберации от объема речевой студии
85
110
T/T 1000,% 105
100
95
90
85
80
75
70
63
125
250 500
1000 2000 4000 8000
f, Гц
Рис.3.6. Частотная характеристика оптимального времени
реверберации для речевой студии
Таким образом, для создания оптимальных акустических условий речевая
студия должна иметь:
 малое время реверберации (0,4 ... 0,8 с);
 частотную характеристику времени реверберации, линейную вплоть до
высоких частот (возможен спад ее на 10...20% на нижних частотах).
3.2.2. Музыкальные студии
Учитывая, что характер музыкальных произведений, количественный и
качественный состав ансамблей, участвующих в передачах, чрезвычайно разнообразен, для создания оптимальных акустических условий при записи и передаче музыки используют несколько специальных студий. Вопрос об акустических условиях в большой студии следует решать, исходя из предположения,
что оптимальное время реверберации не зависит от объема, если последний
превышает 2000 м3 и определяется для подобных студий характером исполняемого произведения.
Оптимальное время реверберации на частоте 1000 Гц составляет:
 для современной музыки – 1,48 с,
 для классической музыки –1,54 с,
 для романтической – 2,07 с.
Оптимальное время реверберации для музыкальных студий меньшего
объема может быть найдено по графику, приведенному на рис.3.7.
86
Топт , с
2
1,5
1
0,5
100
1000
10000
V, м3
Рис.3.7. Рекомендуемая зависимость оптимального времени реверберации
от объема музыкальных студий
Частотная характеристика оптимального времени реверберации музыкальных студий имеет, как правило, подъем в области нижних частот (рис. 3.8).
Подъем в области низких частот следует отнести за счет эстетических
вкусов и традиций слушателей, предпочитающих в музыкальных передачах некоторое подчеркивание низких частот.
На основании вышесказанных соображений акустические требования к
времени реверберации музыкальных студий можно сформулировать таким
образом:
1. Оптимальное время реверберации для студий малых и средних объемов (до 2000 м) изменяется в сравнительно небольших пределах (1...1,6 с) и
может быть выбрано в зависимости от объема по рис.3.7.
2. Оптимальное время реверберации для больших студий в малой степени
зависит от объема помещения и определяется характером исполняемых произведений. Для студий многоцелевого назначения рекомендуется время реверберации 1,7...1,8 с.
3. Частотная характеристика оптимального времени реверберации может
иметь подъем в области низших частот на 20...40% по сравнению с реверберацией на средних частотах (рис.3.8).
87
140
T /T 1000 ,%
130
120
110
100
90
63 125
250
500
1000 2000 4000 8000
f, Гц
Рис.3.8. Частотная характеристика оптимального времени
реверберации для музыкальных студий
3.2.3. Телевизионные студии для драматических передач
Студии, предназначенные для передачи достаточно сложных телевизионных постановок, должны обеспечивать возможность одновременного размещения в них ряда объемных декораций, создающих сценическую обстановку отдельных частей передачи. Это обстоятельство, а также необходимость размещения в студии передвигающихся передающих камер и микрофонов, осветительной аппаратуры и др., требуют больших площадей (до несколько сот квадратных метров) и высот (до 10...12 м).
Для таких студий нельзя говорить о каком-либо оптимуме реверберации
по следующим причинам:
1. От постановки к постановке меняется количество и характер объемных
декораций, что ведет к изменению общего фонда поглощения.
2. При изменении плана кадра должны изменяться и те характеристики
звучания, которые зависят от расстояния между источником звука и слушателем (например, акустическое отношение и эквивалентная реверберация).
Поэтому реверберационные характеристики телевизионных студий изменяют с помощью систем искусственной реверберации. Естественно, что системы искусственной реверберации способны создавать только эффект увеличения
времени реверберации. Для обеспечения достаточного диапазона регулировки
необходимо, чтобы время реверберации самой студии было невелико–0,7...0,8с.
Высокая степень заглушения телевизионных студий желательна еще и с точки
зрения увеличения соотношения сигнал/шум. Дело в том, что в целях исключе88
ния попадания в кадр микрофонов их устанавливают сравнительно далеко от
источника звука (1,5...4 м), что приводит к уменьшению уровня полезного сигнала на выходе микрофонов. Уровень же шума, связанный с нахождением в
студии технического персонала, с передвижением передающих камер, осветительных приборов, работой мощной системы вентиляции и др. достаточно велик. Заглушение студии ведет к существенному снижению уровня шума, что
улучшает соотношение сигнал/шум. По этой же причине к звукоизоляции телевизионных студий предъявляются очень высокие требования.
Для акустической обработки внутренних поверхностей таких студий приходится применять поглощающие материалы с большим коэффициентом поглощения в широком диапазоне частот. Если учесть, что значительная часть (до
30...40%) внутренней поверхности студии занята электротехническим, осветительным и вентиляционным оборудованием и не может быть обработана, то
получить указанное выше время реверберации довольно трудно. Поэтому, для
телевизионных студий часто ограничиваются практически достижимым минимальным временем реверберации равным 0,8 ... 1,0 с.
При проектировании телевизионных студий следует учитывать поглощение, которое вносят декорации. Измерения показывают, что это поглощение
Aд достаточно однозначно определяется площадью пола Sд, занятого декорацией. Зависимость среднего коэффициента звукопоглощения
 д  Aд
Sд
от
частоты (рис.3.9) показывает, что влияние больших декораций на общее поглощение студий может быть заметным.
 д 1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
63
125
250
500
1000 2000 4000 8000
f, Гц
Рис.3.9. Частотная характеристика среднего коэффициента
звукопоглощения декораций
Учитывая, что драматические постановки имеют музыкальное сопровождение, следует стремиться к частотной независимости времени реверберации.
89
Таким образом, для создания хороших акустических условий в телевизионных студиях, предназначенных для драматических постановок, необходимо
добиваться выполнения следующих требований:
1. Время реверберации должно быть малым и вне зависимости от объема
не превышающим 0,8...1,0 с.
2. Заглушение помещений должно осуществляться с помощью эффективных звукопоглощающих материалов со средним коэффициентом поглощения
0,7...0,8 при возможно полном использовании стен и потолка.
3. Частотная характеристика времени реверберации должна быть близка к
линейной.
4. Звукоизоляция этих помещений должна быть достаточно высокой.
5. Если по характеру постановки необходимо большое время реверберации, то этого следует добиваться электроакустическими устройствами, позволяющими получить искусственную реверберацию.
3.2.4. Залы с системами звукоусиления
Все ранее описанные соображения по выбору оптимального времени реверберации и его частотной характеристики в основном справедливы и для залов с системами звукоусиления. Однако наличие системы звукоусиления создает некоторые специфические условия.
Для помещений, оборудованных установками звукоусиления, подъем
частотной характеристики времени реверберации в области низких частот недопустим, так как приводит к снижению устойчивости системы звукоусиления.
Более того, желателен ее спад в области низких частот. С другой стороны наличие системы звукоусиления увеличивает эквивалентную реверберацию зала. За
счет акустической обратной связи образуется так называемая регенеративная
реверберация. Эквивалентная реверберация зала увеличивается тем больше,
чем глубже акустическая обратная связь системы. Это увеличение может достигать 20...30 %.
Однако работа правильно спроектированной и настроенной системы звукоусиления не должна замечаться слушателями. Для этого коэффициент передачи системы должен быть далек от критического, при котором система возбуждается. В этом случае увеличением эквивалентного времени реверберации
можно пренебречь и выбирать оптимальное время реверберации как для обычных залов.
На рис.3.10 приведены кривые зависимости оптимального времени реверберации на частоте 500 Гц от объема для помещений различного назначения, на рис.3.11 и 3.12 – частотные характеристики времени реверберации.
В залах, рассчитанных на применение стереофонической системы звуко90
усиления, время реверберации необходимо уменьшить на 10...20%.
Относительно малое время реверберации для залов кинотеатра (несмотря
на то, что в них звучит и речь и музыка) связано с тем, что в самой воспроизводимой фонограмме записана реверберация того помещения, где производилась
звукозапись. Поэтому время реверберации кинозала добавляется к реверберации фонограммы.
Т,сек
2,0
4
1,5
3
2
1,0
1
50 100 200
500
1000 2000
5000
10000
V,м
3
1 – аудитории, кинотеатры, залы заседаний;
2 – оперные театры;
3 – концертные залы;
4 – залы с органной музыкой
Рис.3.10. Оптимальное время реверберации для частоты 500 Гц
для помещений различного назначения
91
110
T/T 500,%
100
1
90
2
80
70
60
63
125
250
500
1000 2000 4000 8000
f,Гц
1 – залы с органом; 2– прочие музыкальные залы
Рис.3.11. Частотные характеристики времени реверберации
для музыкальных залов
100
T /T 500, %
90
80
70
60
8000
50
63
125
250
500
1000 2000 4000 8000
f,Г ц
Рис.3.12. Частотные характеристики времени реверберации
для залов заседаний и кинотеатров
92
3.3. Расчет звукоизоляции помещений
При расчете помещений перед проектировщиком могут возникнуть две
задачи:
1. Определение пригодности имеющегося помещения для использования
его в заданных целях в соответствии с требованием санитарных норм по уровню проникающих шумов.
На основании расчета в этом случае, прежде всего, выявляется необходимость мероприятий по снижению шума, а затем, после определения требуемого
снижения шума, выбираются способы его уменьшения до нормативных величин.
2. Выбор на стадии проектирования типов звукоизолирующих конструкций.
Так как действующие санитарные нормы определяют допустимые уровни
шума в восьми октавных полосах в диапазоне 50...10000 Гц, то и расчет необходимо производить в каждой из восьми октавных полос со среднегеометрическими частотами: 63, 125, 250, 500,1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
Шумовые характеристики источников шума задаются либо уровнем акустической мощности каждого источника L pi , либо суммарным уровнем звукового давления от всех источников L P
.
Уровень звуковой мощности должен указываться в паспорте или каталоге
оборудования. Если источников шума несколько, то можно определить суммарный уровень звуковой мощности всех источников шума:
n
Lp  lg  100,1Lpi
(3.3)
i 1
Иногда сложно определить расчетным путем уровень звуковой мощности
(например, шум транспортной магистрали и т.п.). В этом случае при проектировании исходными данными являются результаты измерений суммарного
уровня звукового давления от всех источников шума L .
На практике чаще всего встречаются случаи, когда на изолируемое помещение одновременно воздействуют шумы, акустические характеристики которых могут быть заданы уровнем звуковой мощности (например, шум оборудования в смежном помещении), и шумы, заданные суммарным уровнем звукового давления (например, шум транспортной магистрали). В этом случае необходимо определить уровни звукового давления, создаваемые в изолируемом
помещении каждым из указанных источников шумов.
Рассмотрим методику определения уровней проникающего шума.
93
3.3.1. Методика расчета ожидаемых уровней шума
Вначале определяются уровни шума L шi , проникающего через отдельные элементы ограждения (стена, дверь, окна), а затем общий уровень проникающего шума Lш
n
Lш  10 lg  100,1 Lшi
i 1
(3.4)
а) источник шума расположен в смежном помещении; его шумовые характеристики заданы в виде уровня акустической мощности L P в октавных
полосах
(3.5)
L шi  L p  10 lg Bш  10 lg Bи  10 lg Si  R i  6 , дБ
В формуле:
L P – уровень звуковой мощности источника шума в дБ (если источников
шума в соседнем шумном помещении несколько, определяется L P );
BШ и BИ – постоянные шумного и изолируемого помещений, соответственно;
Si – площадь i-го ограждения (дверь, стена, окно, перекрытие и т.п.), через которое шум проникает в изолируемое помещение;
Ri – звукоизолирующая способность i -го ограждения;
n – общее число ограждений или элементов ограждений с различной звукоизолирующей способностью.
Постоянная изолируемого помещения BИ определяется для каждой октавной полосы по формуле:
Bи 
где –
A
,
1  ср
(3.6)
A  (iSi  A k n k ) ;

;
ср 
 Si
Аk – звукопоглощение отдельных штучных поглотителей (стулья, инструменты, люди и т.п.);
nk – количество однотипных штучных поглотителей.
Постоянная шумного помещения Вш может быть определена по графику, приведенному на рис.3.13, путем умножения постоянной этого помещения на частоте 1000 Гц (B1000 ) на частотный множитель  (таблица 3.4).
94
Bш  B1000
(3.7)
1000
а
100
б
в
г
10
1
10
100
1000
10000
100000
V, м3
а – помещения без мебели с небольшим количеством людей;
б – помещения с жесткой мебелью и небольшим количеством людей;
в – помещения с большим количеством людей и мягкой мебелью;
г – помещения со звукопоглощающей облицовкой стен и потолка)
Рис. 3.13. Постоянные помещения B для частоты 1000 Гц
Таблица 3.4 - Частотный множитель  для помещений различного объема
Объем помещения, Значения коэффициента  в октавных полосах со среднем3
геометрическими частотами, Гц
менее 200
от 200 до 500
свыше 500
63
0,8
0,7
0,5
125
0,7
0,61
0,5
250
0,7
0,61
0,52
500
0,8
0,7
0,66
1000
1,0
1,0
1,0
2000 4000
1,3
1,8
1,5
2,4
1,8
3,0
8000
2,5
4,1
6,0
Если изолируемое помещение граничит с несколькими шумными помещениями, то аналогичный расчет необходимо произвести для каждого смежного помещения, а затем определить суммарный уровень ожидаемого шума.
95
m
Lш  10lg  100,1Lшm ,
i 1
(3.8)
где
Lшm – ожидаемый уровень шума, проникающего из m-го смежного помещения;
m – количество смежных шумных помещений.
б) источник шума расположен в смежном помещении или снаружи на
прилегающей территории; шумовые характеристики источника шума заданы в
виде уровней звукового давления в октавных полосах.
Уровни проникающего шума определяются по формуле:
Lшi  L  10lg Si  R i  10lg Bи  6
(3.9)
Общий уровень проникающего шума, как и в предыдущем случае определяется по формулам (3.4 ... 3.8).
Если рассчитанный уровень шума Lш больше допустимого Lдоп, определяемого санитарными нормами, необходимо определить требуемое снижение
шума для каждого ограждения.
Требуемое снижение шума для каждого типа ограждения (или элемента
ограждения) определяется по формуле:
(3.10)
L треб.i  Lшi  L доп  10lg n дБ ,
где n – общее количество ограждений, через которые шум из данного шумного
помещения попадает в изолируемое.
Если расчет покажет, что Lтреб 0 , то снижать шум не надо. Если
Lтреб 3 дБ хотя бы в одной частотной полосе, то необходимо принять меры
для обеспечения требуемого снижения уровня шума.
Снижение шума может быть достигнуто применением звукоизолирующих конструкций (стены, перекрытия, окна, двери и т.д.) с повышенной звукоизоляцией и снижением уровня шума с помощью звукопоглощающих материалов в помещениях с источниками шума. Применение дополнительных звукопоглощающих конструкций в изолируемом помещении невозможно, так как фонд
звукопоглощения определяется требуемым временем реверберации.
3.3.2. Методика определения требуемой звукоизоляции
Изложенные выше принципы акустического расчета позволяют выявить
необходимость проведения мероприятий по борьбе с шумом. Однако когда в
процессе проектирования проектировщик сам выбирает типы ограждающих
96
конструкций, возникает необходимость в определении требуемой звукоизоляции этих ограждений.
Расчет требуемой звукоизолирующей способности производится отдельно для каждого элемента ограждения (перекрытие, окно, дверь и др.) по следующим формулам:
а) при проникновении шума в смежное помещение, если известны уровни
звуковой мощности шумящего оборудования
(3.11)
R треб.i  L p   10 lg Bш  10 lg Bи  10 lg Si  6  L доп  10 lg n ,
где Lp - суммарный уровень звуковой мощности всех источников
смежном помещении, в дБ;
шума в
Bш и Bи - постоянные соответственно шумного и изолируемого помещений, м2;
Si - площадь рассматриваемого ограждения или отдельного элемента
ограждения, через которое шум может проникать в изолируемое помещение, м2;
Lдоп - допустимый по нормам уровень звукового давления в изолируемом помещении в данной октавной полосе частот, дБ;
n - общее количество применяемых в расчете отдельных элементов ограждения.
б) при проникновении шума из окружающей атмосферы и из смежного
помещения, если задан суммарный уровень звукового давления от всех источников шума L перед данным ограждением имеем:
R треб.i  L   10 lg Si  10 lg Bи  6  L доп  10 lg n .
(3.12)
3.4. Рекомендуемый порядок акустического расчета
3.4.1. Выбор размеров и формы помещения
1. Определяется объем помещения исходя из заданного типа помещения и
количества слушателей или исполнителей для студий. При выборе объема помещения следует иметь в виду, что десятая часть требуемого объема зала
обычно приходится на объем сцены и сценического пространства.
Если объем помещения задан, то определяется либо тип студии, которая
может быть размещена в данном помещении, либо количество слушателей, которых можно разместить в данном зале, исходя из рекомендаций, приведенных
в 3.1.1 и 3.1.2.
97
2. Выбирается форма помещения и его основные размеры. Выбор формы
и размеров помещения производится в соответствии с рекомендациями раздела
3.1. Для речевых студий соотношения l:b:h может быть выбрано от 2,5:1,5:1 до
4:2:1. Выбор размеров музыкальных студий производится на основе таблицы
3.2 или кривых, приведенных на рис.3.1.
Вопрос о необходимости в зале балкона решается на основании сравнения количества слушателей, рассчитанного исходя из объема помещения, и
рассчитанного, исходя из имеющейся площади пола. Для этого чертится план и
вертикальный разрез зала (в масштабе). На плане намечаются необходимые
проходы и определяются площади, которые займут слушатели. Расстояние между рядами кресел берут равным 0,9...1 м, а ширину кресла – 0,5...0,65 м.
Проходы подразделяются на основные и дополнительные. Ширину основных проходов выбирают не менее 1,8...2 м, дополнительных – 0,9...1,2 м. К
основным проходам относятся, например, поперечный проход между сценой и
первым рядом слушателей, а также центральный продольный проход. При
большой площади зала могут понадобиться дополнительные проходы, обеспечивающие комфорт слушателей, а также удовлетворяющие требованиям противопожарной безопасности. После размещения слушателей определяют их возможное количество в партере.
На вертикальном разрезе намечают подъем пола, сцену и определяют
«чистый» объем зала, а также объем, приходящийся на одного слушателя
(удельный объем).
Сравнивая полученную величину с рекомендуемым удельным объемом
для данного типа зала, решают вопрос о необходимости балкона.
Для выявления акустических дефектов зала строят его лучеграмму.
Поскольку от источника звука на авансцене исходит бесконечное число
звуковых лучей, которые затем отражаются от потолка и задней стены, необходимо остановиться только на основных, характерных лучах. К ним относится
луч, отраженный от потолка над авансценой и попадающий в первый ряд слушателей. Его время запаздывания относительно прямого луча может оказаться
больше нормы (>40 мс).
Затем следует рассмотреть так называемый критический луч. Это луч,
претерпевший два отражения: от потолка и от задней стены, и попадающий затем в среднюю часть партера, при этом время его запаздывания не должно
превышать 40 мс.
Точки отражения критического луча от потолка и от задней стены находят методом проб. Для этого рисуется несколько лучей и для каждого из них
определяется время запаздывания. В результате этих построений будут найдены точки отражения, которые как бы делят потолок и заднюю стену на две части: дающие полезные отражения (<40 мс) и вредные – (>40 мс). Следовательно, часть потолка между сценой и точкой отражения критического луча должна
служить отражающей поверхностью. Эта часть потолка не может быть обработана звукопоглощающим материалом. Часть же задней стены выше точки от98
ражения критического луча необходимо заглушать, либо придавать задней
стене соответствующий наклон.
В зале с балконом критическим лучом является луч, отраженный от потолка и попадающий в последний ряд партера. Если размеры балкона таковы,
что он загораживает собой критический луч, то глубину балкона следует
уменьшить. Иначе на последних рядах зала, под балконом будет не хватать звуковой энергии.
После уточнения формы зала окончательно определяется общий объем
воздуха, общая площадь отражающих поверхностей S, площади отдельных
частей зала: стен, потолка, проходов, окон, дверей и др.
3.4.2. Расчет реверберационных характеристик помещения
1. Определяется необходимое оптимальное время реверберации для средней частоты (500 или 1000 Гц) в зависимости от назначения и объема помещения.
Для речевых и музыкальных студий средних размеров это время зависит
от объема и может быть определено из графиков, приведенных на рис.3.5 и 3.7.
Для студий с объемом более 2000 м3 оптимальное время реверберации
мало зависит от объема помещения и определяется в основном характером исполняемых произведений.
Оптимальное время реверберации для аудиторий, театров и т.п. определяется на основании кривых, приведенных на рис.3.10.
2. По выбранному значению времени реверберации, исходя из назначения
помещения, определяют частотную характеристику времени реверберации,
пользуясь кривыми на рис.3.6, 3.8, 3.10, 3.11. Частотная характеристика определяется на частотах: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
Следует иметь в виду, что обеспечить линейность характеристики на
верхней частоте (и тем более ее подъем) практически невозможно из-за большого поглощения звука в воздухе. Поэтому в начале расчета задаются спадом
характеристики 5...10 %. Окончательно его величина уточняется после выбора
поглотителей.
3. По оптимальному времени реверберации определяют требуемый фонд
поглощения А тр   срS  . Средний коэффициент поглощения ср можно определить, воспользовавшись формулой Эйринга.
Т опт 
0,161V
Sср  ln(1  ср )  4V
Вначале определяют вспомогательный коэффициент
   ln(1   ср ) , сек
где V - объем помещения, м3;
S - общая площадь звукопоглощающих поверхностей, м2;
 - показатель поглощения звука в воздухе (см. табл.3.5) .
99
В зрительных залах, где сцена отделена от зала проемом сцены, объем
над сценой не учитывается, однако объем над авансценой и оркестровой ямой
входит в объем зала.
Поглощением звука в воздухе можно пренебречь для частот ниже 1000
Гц, однако оно становится все более значительным на высоких частотах. Выше
4000 Гц поглощение в воздухе иногда может в несколько раз превосходить поглощение на ограждающих поверхностях.
Таблица 3.5 – Показатель поглощения звука в воздухе  для различных частот
в зависимости от относительной влажности воздуха
Величина
Значения коэффициента  на частотах, Гц Относительная
влажность воздуха, %
1000
2000
4000
8000
-1
0,002
0,007
0,015
0,051
20
, м
-1
0,002
0,003
0,008
0,032
40
, м
-1
0,002
0,003
0,008
0,027
50
, м
-1
0,002
0,003
0,008
0,02
70
, м
-1
0,002
0,003
0,008
0.016
80
, м
Затем по таблице 3.6 находят ср.
Далее определяют требуемый фонд поглощения
А тр  срS , м2,
где S – общая площадь внутренних поверхностей помещения (площадь пола,
потолка, стен и т.д.).
Требуемый фонд поглощения определяют на всех частотах.
Результаты вычислений сводятся в таблицу.
Таблица 3.6 – Соотношение между и ср
ср
ср
ср
ср




0,01
0,01
0,14
0,131
0,27
0,237
0,40
0,330
0,02
0,02
0,15
0,139
0,28
0,244
0,41
0,336
0,03
0,03
0,16
0,148
0,29
0,252
0,42
0,343
0,04
0,039
0,17
0,158
0,30
0,259
0,43
0,349
0,05
0,049
0,18
0,166
0,31
0,267
0,44
0,356
0,06
0,058
0,19
0,173
0,32
0,274
0,45
0,362
0,07
0,068
0,20
0,181
0,33
0,281
0,46
0,369
0,08
0,077
0,21
0,189
0,34
0,288
0,47
0,375
0,09
0,086
0,22
0,197
0,35
0,295
0,48
0,381
0,10
0,095
0,23
0,205
0,36
0,302
0,49
0,387
0,11
0,104
0,24
0,215
0,37
0,309
0,50
0,393
0,12
0,113
0,25
0,221
0,38
0,316
0,13
0,122
0,26
0,229
0,39
0,323
100
Таблица 3.7 – Рекомендуемая форма таблицы для расчета Атр
Определяемые
величины
Значения определяемых величин на частотах, Гц
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
Топт, сек
  ln(1  с р)
с р
Атр  с р S , м2
4. Определяют основной фонд поглощения А0, т.е. фонд поглощения,
создаваемый звукопоглотителями, наличие которых в зале обязательно (исполнители, инструменты, слушатели, пустые кресла, декорации, окна и т.п.). Расчет производят для 70%-ного заполнения зала слушателями. При этом расчет
поглощения внутренних поверхностей помещения: свободный пол, проходы,
стены, двери, рампа сцены, проем сцены (если сцена отделена от зала проемом)
и т.п. производится или исходя из условий задания, или из условий обработки
поверхностей обычными строительными материалами, которыми следует задаться, или которые заданы проектировщиком.
Поглощение пола, занятого креслами, не учитывается. Считается, что поглощение на этой площади определяется или слушателями или пустыми креслами.
5. Сравнивая требуемый Атр и имеющийся у помещения основной Ао
фонды поглощения, определяют требуемый дополнительный фонд поглощения
Атр.доп.
Этот фонд поглощения необходимо обеспечить с помощью специальных
звукопоглощающих материалов с точностью  10% от Атр.
Поскольку коэффициенты звукопоглощения материала зависят от частоты, для облегчения их подбора по справочнику рекомендуется Атр.доп нормировать относительно его значения для частоты 500 Гц, т.е.
( 
А тр.доп
).
А тр.доп500
Расчет удобно вести в форме таблицы 3.8.
8. Выбирают типы звукопоглотителей, требуемую их площадь и место
размещения таким образом, чтобы обеспечить дополнительный фонд поглощения на всех частотах, диффузность поля и ликвидацию нежелательных отражений. Следует помнить, что звукопоглощение дополнительно обработанных
поверхностей определяется коэффициентом поглощения и площадью материала, которым произведена обработка. Следовательно, из основного фонда поглощения необходимо вычесть ранее учтенное поглощение необработанной поверхности, впоследствии покрытой звукопоглощающим материалом.
101
Ао= Ао- Аобраб.
Данные расчета сводят в таблицу. Рекомендуемая форма таблицы приведена ниже (таблица 3.9).
6. Определяют расчетное значение времени реверберации Трасч, учитывая
основной А0 и подобранный дополнительный Адоп.расч фонд поглощения.
Сравнивают Трасч и Топт и определяют отклонение Трасч от Топт в процентах. На
одном графике строят частотные характеристики Топт,  10% Топт, Трасч. Расчеты
удобно вести в форме таблицы 3.10.
7. Приводят схему размещения звукопоглощающих материалов на развертке помещения (рис.3.14).
Стена
Стена
Потолок
Стена
Стена
Рис.3.14. Развертка помещения
3.4.3. Расчет звукоизоляции помещения
Как отмечалось в разделе 3.3, возможны два варианта расчета:
1. Определение пригодности имеющегося помещения для использования его в
заданных целях в соответствии с требованиями санитарных норм по уровню
проникающих шумов.
2. Выбор на стадии проектирования типов звукоизолирующих конструкций.
102
Таблица 3.8 – Рекомендуемая форма таблицы для расчета фонда поглощения
Наименование
поглотителя
1
2
1 Зрители
2 Потолок
3 Стены
4 Свободный
пол (проходы)
5 Окна
Тип
поглотителя
3
Si,м2;
Ni,шт;
кол-во
4
Звукопоглощение в октавных полосах
со среднегеометрическими частотами, Гц
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
 S  S  S  S  S  S  S  S
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Штукатурка
известковая
Гладкие,окрашены
масляной краской
Паркет по
асфальту
Застекленные
оконные переплеты
А0, м2
Атр,м2
Атр.доп,м2

А тр.доп
А тр.доп.500
103
Таблица 3.9 – Рекомендуемая форма таблицы для расчета фонда поглощения выбранных звукопоглотителей
1
1
Тип
поглотителя
Место
размещения
Si, м2
2
3
4
Звукопоглощение в октавных полосах
со среднегеометрическими частотами, Гц
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
 S  S  S  S  S  S  S  S
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
2
3
4
5
Расчетный дополнительный фонд Арасч.доп, м2
Требуемый дополнительный фонд Атр.доп, м2
А= Атр.доп - Арасч.доп
=(А/Атр)100, %
104
Таблица 3.10 – Рекомендуемая форма таблицы для расчета времени реверберации обработанного помещения
Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц
1
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
2
3
4
5
6
7
8
9
А0=А0 -Аобр
А0 +Адоп.расч
ср= (А0 +Адоп.расч)/S
=ln(1-ср)
S
S +4V
Tрасч, с
TTрев100, %
105
3.5. Расчет систем озвучения и звукоусиления
3.5.1. Требования к системам звукоусиления и озвучения
Из практики известно, что если помещение имеет объем свыше 2000 м3
или длину более 20 м, то голоса человека, как правило, уже недостаточно для
того, чтобы создать уровень громкости, необходимый для полной понятности
передаваемой речи в удаленных точках этого помещения. А если уровень шумов в помещении превосходит 60 дБ, то и в небольших помещениях (объемом
около 200 м3), мощности человеческого голоса недостаточно для получения
полной понятности речи. В этих случаях необходимо применять звукоусилительную аппаратуру, состоящую из микрофонов, усилителей и громкоговорителей.
То же самое можно сказать и в отношении сольных номеров и камерной
музыки. Для исполнителей со слабым голосом необходимо звукоусиление и в
небольших помещениях. Для больших оркестров, играющих даже в большом
помещении, не требуется звукоусиления. Но если оркестр небольшой, а необходимо создать впечатление большого, то при соответствующем звукоусилении этого можно добиться (в этом случае говорят о подусилении оркестра).
Сейчас распространена поп-музыка с довольно высокими уровнями исполнения. Это также требует применения звукоусилительной аппаратуры.
В системах звукоусиления микрофоны обычно находятся в поле действия
громкоговорителей, т.е. налицо акустическая обратная связь по звуковому давлению, приводящая к возбуждению системы звукоусиления. Это явление ограничивает возможности системы звукоусиления. Но иногда приходится иметь
дело с передачей информации в помещения, изолированные от первичного источника звука (от диктора, лектора и т.п.). В таких случаях для передачи информации применяется система озвучения, состоящая из вторичных источников звука – громкоговорителей. Классическим примером использования системы озвучения являются кинотеатры. При этом уже нет ограничения индекса
тракта в форме обратной связи. Системы озвучения являются частным случаем
систем звукоусиления (величина обратной связи для них равна нулю).
Рассмотрим требования, предъявляемые к системам звукоусиления и озвучения. При передаче речи определяющим является обеспечение требуемой
разборчивости речи во всех точках помещения, даже самых удаленных от источника звука. Иначе разрабатываемая система не будет выполнять своего основного назначения. Так при нормальных условиях речь хорошо слышна и понятна на расстоянии 0,5...1,0 м, при этом у слушателя создается уровень звукового давления Lсл = 80 ... 86 дБ. Следовательно, система звукоусиления
речи должна создавать такие же уровни на всех местах слушателей в
зале (L тр = 80 ... 86 дБ).
Как следует из предыдущего, для выполнения этого требования необходимо, чтобы тракт обеспечивал соответствующее превышение спектральных
106
уровней речи над спектральным уровнем помех и шумов, а это зависит как от
общего уровня речи на местах слушателей, так и от спектра частот шума.
Для музыкальных передач главным требованием является создание соответствующего уровня громкости на местах слушателей. Известно, что хоры, оркестры лучше всего слушать в концертных залах, сидя в восьмом - пятнадцатом
рядах партера (10 ...12 м от исполнителей). При этом у слушателей создаются
уровни звукового давления Lсл = 94 ...100 дБ и более. Однако при воспроизведении музыки ограничиваются уровнями Lтр = 94 ...96 дБ из соображений экономии электроэнергии. Известно, что увеличение уровня на 3 дБ требует удвоение мощности усилителя.
В таблице 3.11 приведены рекомендуемые номинальные уровни звукового давления Lтр.
Таблица 3.11-Требуемые параметры звукового поля
Акустическое
отношение
Назначение установки
Воспроизведение музыки и театральных эффектов
Воспроизведение музыки, подусиление солистов
Усиление речи, воспроизведения
музыки
Усиление речи
Усиление речи при повышенном
уровне шума
Lтр, дБ
L,дБ
Rмин
Rмакс
 100
6
1
8…10
94...96
6
1
8…10
94...96
8
1
4…6
80...86
4…6
8
 0,5
Lтр=Lш+10 ...15 дБ (но не более
96 ...100 дБ)
Вторым по важности требованием к любым трактам звукопередачи, чаще
всего к последнему его звену – помещению, являются оптимальность звучания
и отсутствие его различных дефектов. К дефектам звучания можно отнести:
эхо, бубнение из-за резонансов отдельных небольших объемов, резкого изменения времени реверберации из-за резонансов, повышения уровня в отдельных
точках помещения из-за фокусировки энергии, создаваемой куполами и другими концентраторами энергии. Все эти дефекты влияют на разборчивость речи в
отдельных точках помещения и снижают качество звучания любых передач.
Поэтому по возможности они должны быть устранены.
Важной характеристикой помещения является так называемое акустическое отношение.
Известно, что плотность энергии в помещении состоит из двух частей:
плотности энергии прямого и многократно отраженного звуков. Поле отражен107
ного звука обычно называют диффузным. Отношение диффузной составляющей к составляющей прямого звука называют акустическим отношением, т.е.
д
p2д
R
 2 .
пр
pпр
Если перейти к уровням и обозначить через Lд уровень диффузной составляющей, а через Lпр уровень прямого звука, то разность этих уровней
L д  L пр  10 lg R , дБ.
Акустическое отношение является одним из количественных показателей
акустики помещения. Если оно велико, то речь становится неразборчивой, а музыка, особенно при быстром исполнении, становится неблагозвучной. Если
акустическое отношение меньше единицы, то музыка звучит отрывисто, теряется плавность исполнения. Речь звучит также отрывисто, но если акустическое
отношение несколько больше 0,5, то разборчивость речи не снижается. Поэтому стремятся для речевых передач обеспечить акустическое отношение в пределах 1...4, а для музыкальных – 2...10. Заметим, что для некоторых видов исполнения (органная музыка) это отношение допускается до 16...20. Рекомендуемые величины пределов изменения приведены в таблице 3.11.
Естественно, что для обеспечения указанных требований показатели
тракта (неравномерность частотной характеристики; номинальное звуковое
давление, развиваемое громкоговорителями; направленность и чувствительность громкоговорителей и микрофонов; мощность усилительного устройства;
нелинейные искажения; шумы и т.п.) должны удовлетворять соответствующим
нормам на эти показатели.
Третьим требованием к системам звукоусиления и озвучения является
возможно меньшая неравномерность озвучения, т.е. по возможности минимальное изменение уровня звучания от точки к точке. Величина неравномерности L определяется как разность L макс  L мин , где Lмакс и Lмин – максимальный и минимальный уровни прямого звука, создаваемые системой озвучения.
Неравномерность озвучения приводит к тому, что если в самых удаленных точках помещения обеспечен необходимый уровень Lмин , то в ряде точек
он может оказаться завышенным. Следствием этого являются ненужная перегрузка слуха; излишний расход мощности; неприятное ощущение, испытываемое слушателем при его перемещении по помещению. Поэтому в помещениях
не допускается неравномерность озвучения больше 6...8 дБ. Вообще же всегда,
когда это не противоречит требованиям экономичности и техники обслуживания, стремятся к снижению неравномерности озвучения. В таблице 3.11. приведены максимально допустимые значения неравномерности озвучения.
Одной из важных характеристик установок звукоусиления является индекс усиления Qмс , который равен разности уровня прямого звука, приходяще108
го к микрофону от первичного источника L1 и уровня звука, приходящего к
слушателю от громкоговорителя L пр
Q мс  L пр  L1 .
Поскольку L пр зависит от положения слушателя, Qмс будет изменяться
от точки к точке, причем это изменение равно неравномерности прямого звука.
Индекс усиления характеризует эффективность системы передачи звукового сигнала от точки, где установлен микрофон, принимающий звук первичного источника, до места размещения слушателя.
Требуемая величина индекса усиления определяется характером звучания. Идеальная система звукоусиления должна обеспечить для всех слушателей
условия, эквивалентные лучшим местам концертного зала, аудитории и т.д.
Максимальная величина Qмс , которую можно получить в данной системе
звукоусиления, определяется порогом самовозбуждения. Однако для нормальной работы системы звукоусиления недостаточно отсутствия самовозбуждения.
Если усиление близко к критическому, то в системе звукоусиления резко возрастают переходные процессы. Запаздывающая обратная связь приводит к возникновению так называемой регенеративной реверберации, т.е. к постепенному
затуханию звука после выключения первичного источника. При усилении в закрытом помещении появление регенеративной реверберации приводит к кажущемуся увеличению гулкости и соответствующему ухудшению качества звучания.
Таблица 3.12 – Значение Q мс . для различных установок
Qмс  20lg
Назначение установки
Усиление речи
Усиление оркестров, хоров,
ансамблей
Подусиление солистов при
удаленном (1...2 м) микрофоне
То же при близко (0,5...1 м) размещенном микрофоне
lм
lсл
-10 ... -14
- 12
- 10
- 16
3.5.2 Классификация систем озвучения и звукоусиления
Сосредоточенные системы. Сосредоточенными (или централизованными) называются системы, в которых звук к слушателям приходит как бы из одной точки. Такие системы могут быть использованы при стереофоническом
звукоусилении и звуковоспроизведении. Они являются предпочтительными и в
случае монофонического звукоусиления, поскольку обеспечивают хорошую
«привязку» зрительного и слухового образов.
109
При стереофоническом звукоусилении направление на кажущийся (виртуальный) источник звука может меняться.
В закрытых помещениях чаще всего применяются следующие варианты сосредоточенных систем.
Портальная система с верхним размещением громкоговорителей
(рис. 3.15-а) применяется в средних по размерам залах, когда над сценическим
проемом имеется достаточно большой портал или когда над авансценой есть
козырек, позволяющий установить направленные излучатели в нишах.
Портальная система с боковым размещением громкоговорителей
(рис.3.15-б) применяется в средних по размерам залах, когда на портале имеются достаточно широкие поверхности по бокам сценического проема. Такая система удобна для озвучения залов с крутым амфитеатром и с балконами. В этом
случае можно на разной высоте обслуживать соответствующие места, занятые
слушателями. В случае сильно вынесенной вперед авансцены или открытой эстрады, когда основные микрофоны приходится выдвигать в зал за линию
портала, такую систему применять нежелательно из-за возможности
самовозбуждения.
Система с размещением направленных излучателей на боковых стенах
(рис.3.16-а) применяется в тех случаях, когда сценический проем не имеет портала или используется открытая эстрада. Громкоговорители выносятся в зал на
уровень авансцены или дальше и устанавливаются на кронштейнах или в специальных нишах так, чтобы их основное излучение было направлено в зал. Если по бокам сцены или эстрады имеются специальные отражатели в виде скошенных стен, то громкоговорители могут быть установлены в них в специальных нишах.
Система с центральным размещением излучателей (рис.3.16-б) применяется в том случае, когда слушатели не занимают фиксированных положений
(танцевальные, выставочные залы и т.п.), или когда слушатели сидят вокруг
центральной части помещения (цирк).
В установках озвучения и звукоусиления на открытом воздухе также возможны различные варианты сосредоточенных систем. При звукоусилении
можно использовать те же варианты, что и в закрытых помещениях. Для летних
театров и эстрад с раковиной или по бокам ее (на специальных мачтах) таким
образом, чтобы микрофоны были экранированы от прямого звука
громкоговорителей.
При озвучении больших территорий мощные громкоговорители иногда
размещают на высоких мачтах и башнях (например, на железнодорожных сортировочных станциях и т.п.).
110
а
б
Рис.3.15. Размещение громкоговорителей:
а – на центральном портале; б – по бокам портала
а
б
Рис.3.16. Размещение громкоговорителей:
а – на стенах; б – в центре помещения (система озвучения)
Зональные системы. Зональными (рассредоточенными или децентрализованными) называются системы, в которых озвучиваемая поверхность разбивается на ряд зон. В каждой из зон звуковое поле создается отдельным источником (или группой источников) звука. Эти системы могут применяться только
там, где не требуется строгого совмещения зрительного образа со слуховым.
Они непригодны для стереофонического звукоусиления и звуковоспроиз111
ведения. Зональные системы применяются в тех случаях, когда сосредоточенная система не может обеспечить требуемого уровня и однородности поля
уровней на площади, занятой слушателями. Такие системы применяются в залах больших размеров (рис.3.17-а) и в помещениях сложной формы
(рис.3.17-б).
При использовании зональной системы для установок звукоусиления в
вытянутых и больших помещениях необходимо включать линию задержки, которая обеспечивает синхронность звука, приходящего к слушателю от первичного источника и от громкоговорителей, обслуживающих данную зону. Особенно широко применяются зональные системы для озвучения улиц, парков, а
также в установках озвучения производственных помещений и территорий.
Распределенные системы. Распределенными системами озвучения называются системы, в которых звук к слушателю приходит от нескольких или
многих громкоговорителей с примерно одинаковым уровнем. Особенно часто
такие системы применяются для воспроизведения и усиления речи. На рис.3.18
изображены основные варианты распределенных систем.
Линейные системы (рис.3.18-а) применяются для озвучения и звукоусиления в помещениях вытянутой формы малой высоты (коридоры, платформы станций метро, небольшие аудитории и др.). При озвучении помещений
с повышенной гулкостью применяются линейные цепочки из направленных излучателей (например, из звуковых колонок).
Для озвучения больших фойе и других аналогичных помещений иногда
применяют системы в виде одной или нескольких цепочек из направленных
высококачественных громкоговорителей.
Потолочные системы (рис.3.18-б) применяются в двух случаях.
В случае относительно узких помещений (расчетная высота больше 1/2
ширины помещения) с высокими потолками (высота не менее 4 м) применяется
одна или две цепочки из направленных громкоговорителей, укрепленных на
потолке.
В помещениях с относительно низким потолком применяются системы с
равномерным распределением излучателей по всему потолку. Последние могут
использоваться как в установках озвучения, так и в установках звукоусиления,
но в этом случае необходимо выключить громкоговорители, расположенные
вблизи от микрофона.
Распределенные системы кресельных громкоговорителей, в которых
громкоговорители небольшой мощности (порядка 0,1 - 0,25 Вт) вмонтированы
в спинках кресел, применяются для усиления речи.
Основными достоинствами такой системы, оправдывающими ее применение в больших аудиториях (несмотря на относительно высокую стоимость
аппаратуры и монтажа), являются: хорошая однородность поля уровней, высокая разборчивость речи и небольшая глубина акустической обратной связи.
112
а
б
Рис.3.17. Варианты зональных систем:
а – размещение громкоговорителей на стенах; б – размещение громкоговорителей на стенах с дополнительными излучателями для озвучивания балконов
а
б
Рис.3.18. Варианты распределенных систем:
а – две цепочки на стенах; б – потолочная система
Распределенные системы озвучения на открытом пространстве применяются в основном в виде линейных систем в виде сетки из радиальных громкоговорителей, покрывающей большие площади, например, в тех случаях, когда
нельзя устанавливать громкоговорители на большой высоте.
Линейные и потолочные системы создают звуковое поле, в котором направление на кажущийся источник звука не совпадает с направлением на видимый первичный источник. При этом происходит так называемый разрыв зрительного и слухового образов. Для борьбы с этим дефектом иногда применяют
включение громкоговорителей через линию задержки. Если звук от громкого113
ворителей приходит позже, чем от первичного источника, то разрыва между
зрительным и слуховым образом не будет.
В случае применения кресельной системы звук приходит к слушателям с
примерно одинаковой интенсивностью с разных сторон. Благодаря этому слуховой образ не привязывается к определенному направлению. Так как слушатель видит первичный источник звука, то он непроизвольно привязывает к нему
и слуховой образ.
В реальных установках озвучения и звукоусиления часто применяется
сочетание нескольких систем. Так, например, при сосредоточенной системе озвучения зрительных залов иногда необходимо дополнительное озвучение подбалконных пространств, боковых лож и т.п. Это озвучение выполняется с помощью зональной или распределенной системы с маломощными громкоговорителями. Целесообразность применения той или другой комбинированной
системы определяется в каждом конкретном случае в соответствии с назначением установки и акустическими особенностями помещения.
3.5.3. Порядок расчета системы звукоусиления
Расчет систем озвучения и звукоусиления обычно состоит из следующих
этапов:
– выбор и расчет требуемых параметров звукового поля;
– выбор системы звукоусиления (озвучения) и типы излучателей;
– расчет звукового поля с учетом размещения громкоговорителей;
– выбор типа микрофонов (для систем звукоусиления) и звукоусилительной аппаратуры.
Прежде чем приступить к проектированию системы звукоусиления необходимо задаться целевым назначение помещения: только для музыкального исполнения; только для речевых сигналов или универсального типа.
Выбор и расчет требуемых параметров звукового поля. Исходя из назначения системы озвучения или звукоусиления по таблице 3.11 выбираются
значения:
- требуемого уровня звукового поля Lтр;
- допустимой неравномерности поля уровней прямого звука L, дБ;
- допустимого изменения акустического отношения Rмин , Rмакс и среднее
значение акустического отношения Rср.
При этом его значение выбирают в пределах 2 ... 4. Меньшие значения следует выбирать для установки воспроизведения речи, большие - для музыки.
Правильность выбора значения Rср проверяют путем определения значений RминиRмакс, соответствующих выбранным значениям Rср и L:
R мин  R ср  10 0, 05 L
R макс  R ср  100,05L
114
(3.13)
Полученные величины должны лежать в пределах, указанных в таблице 3.11. В
противном случае необходимо изменить величину Rср.
Для систем звукоусиления по таблице 3.12 выбирают требуемый индекс
усиления Q
. Затем рассчитывают остальные параметры звукового поля:
мс.тр
– средний уровень прямого звука
L пр.ср  L тр  10 lg(1  R ср )
(3.14)
– минимальный и максимальный допустимые уровни прямого звука
(3.15)
Lпр.мин  Lпр.ср  0,5L
L пр.макс  Lпр.ср  0,5L
– уровень диффузного звука
 1  R ср 


10lg


Lд Lср
 R ср 


(3.16)
– акустическую мощность излучателей, необходимую для создания
диффузного поля
0,1( L д  94) , мВт,
*
P а  A f  10
(3.17)
где A f –звукопоглощение в зале на рассчитываемой частоте, определенное при
акустическом расчете;
– требуемая полная акустическая мощность излучателей

Pa 
Pa
1  ср
, мВт
(3.18)
где ср – средний коэффициент поглощения помещения на рассчитываемой
частоте, определенный при акустическом расчете.
Выбор системы звукоусиления (озвучения) и типа громкоговорителей. В зависимости от размеров озвучиваемой площади и назначения установки
выбирают тип системы: сосредоточенную, зональную, распределенную или
смешанную.
При небольшой длине озвучиваемой площади (до 25-30 м) предпочтительнее применять сосредоточенную систему, обеспечивающую единство слухового и зрительного образов. Громкоговорители обычно размещают по бокам сцены.
Высота подвеса h излучателей должна выбираться такой, чтобы звук к

слушателю в последнем ряду приходил бы под углом не менее 5 к плоскости,
проходящей через уши сидящих слушателей. Иначе первая половина рядов в
значительной степени поглотит энергию звуковой волны.
115
В любом случае первые и последние ряды слушателей должны попадать в
диаграмму направленности в вертикальной плоскости с таким расчетом, чтобы
уровень звука везде был бы не менее чем L пр.мин и не более чем
Lмакс  Lпр.мин  L .
При длине помещения более 30 м приходится применять достаточно
мощные излучатели с острой диаграммой направленности. При этом возникают
трудности с обеспечением равномерного звукового поля на первых и последних
рядах слушателей.
В этих случаях предпочтительнее применять зональные системы.
Методика расчета таких систем ничем не отличается от методики расчета
сосредоточенных систем. Только расчет ведется для каждой зоны в отдельности. При этом учитывается звуковое давление, поступающее от всех излучателей в данную точку поля. Так, например, точки, расположенные в первой части
зала (ближе к сцене) облучаются только громкоговорителями, расположенными
в головной части зала.
Точки, расположенные в последующих зонах, удаленных от сцены, могут
облучаться как громкоговорителями своей зоны, так и громкоговорителями
предыдущей (ближе к сцене) зоны.
Излучатели обычно размещают на боковых стенах зала.
Поскольку при зональной системе мощность излучателей для каждой зоны требуется значительно меньшая, чем при сосредоточенной системе, акустическая обратная связь по прямому звуку здесь также значительно меньше. Следовательно, устойчивость такой системы будет выше.
Однако при зональной системе могут иметь место случаи нарушения
единства слухового и зрительного образа, что требует применения линий
задержки.
При залах (коридорах) небольшой ширины (менее 15 м) могут применяться распределенные системы с использованием ненаправленных (вплоть до
средних частот) маломощных излучателей типа абонентских громкоговорителей, двух или трехполосных акустических систем, размещаемых либо на боковых стенах, либо на потолке. При ширине помещения менее 7 м может оказаться достаточно одной цепочки излучателей на одной боковой стене.
Надо иметь в виду, что указанные излучатели имеют малую дальность
действия (порядка 3...7 м).
При ширине помещения более 15 м в распределенной системе приходится применять направленные излучатели типа звуковых колонок.
В данной главе приводится методика расчета сосредоточенной системы с
использованием диаграмм направленности излучателей.
Акустические оси излучателей обычно направляют в вертикальной плоскости в последний ряд слушателей.
В горизонтальной плоскости акустическая ось должна направляться с таким расчетом, чтобы крайние места последнего ряда не выпали из диаграммы
116
направленности и уровень в них был бы не менее L пр.мин , что определяется
прикидочным расчетом.
После размещения излучателей относительно слушателей с помощью
двух проекций определяется истинное максимальное расстояние до дальнего
слушателя по акустической оси rмакс.
Зная rмакс, находят требуемое среднее номинальное давление излучателя
p1 (давление, развиваемое излучателем на акустической оси на расстоянии 1 м
при подведении номинальной электрической мощности).
0,05(Lпр.мин 94)
По найденному значению
p1  rмакс  L
в справочниках подбирают тип излучателя, учитывая требуемую полосу воспроизводимых
частот. Необходимо, чтобы p1 излучателя было бы не меньше, чем p1треб .
Если значение p1 у излучателя меньше, чем p1треб , то можно применить
сдвоенные (поставленные друг на друга) излучатели, при этом значение p1 удваивается и т.д.
Для звуковых колонок определяют требуемый коэффициент осевой концен2
трации
 тр 
15,7p1
n  Pa
,
(3.19)
где Pa - требуемая полная акустическая мощность излучателей (мВт);
n - количество отдельных излучателей.
Если колонка составная, то    n кол , где n - число колонок, поставленных друг на друга.
В справочных данных находят значение кол.
Если  кол   треб , то выбранная звуковая колонка обеспечит необходимую акустическую мощность.
В некоторых справочниках приводится не номинальное звуковое давление
p1 , а стандартное давление pст. В этом случае p1 определяется из формулы
p1  pст 10Pэл.ном ,
(3.20)
где Pэл.ном – номинальная электрическая мощность излучателя.
Расчет звукового поля с учетом размещения излучателей. На плане
зала и его вертикальном разрезе согласно выбраненному типу системы озвучения (в кинотеатрах применяется только централизованная система) размещают
громкоговорители с указанием направления их акустических осей. Громкоговорители на чертежах следует пронумеровать. На этих же чертежах намечаются
рабочие точки, в которых ожидаются максимальные и минимальные уровни
звукового давления, а также промежуточные, величина уровня в которых вызывает сомнение. На плане зала целесообразно намечать расчетные точки только в
117
одной половине зала (относительно его продольной оси), т.к. в другой половине
точки будут зеркальным отображением точек в первой его половине.
Максимальные уровни обычно ожидаются в первом ряду зрителей под
акустической осью соответствующего громкоговорителя. Минимальные – в последнем ряду, особенно на его краю, где отклонение точки от акустической оси
максимально.
В кинотеатрах основные (заэкранные) громкоговорители располагают
непосредственно за экраном на специальных стеллажах, располагая их в горизонтальной плоскости. При этом каждая расчетная точка облучается сразу несколькими громкоговорителями. Суммарное звуковое давление в точке определяется энергетическим суммированием по формуле
p  p12  p22  p32  ... ,
(3.21)
где p1, p2 , p3 и т.д. давления, создаваемые в i-той точке первым, вторым и
т.д. громкоговорителями.
В каждую расчетную точку на плане и вертикальном разрезе зала из центров громкоговорителей, облучающих ее, проводятся прямые линии.
По этим линиям на обоих чертежах определяется истинное расстояние ri
от центра излучателя до i-ой точки.
По ним же определяются (с помощью транспортира) углы между акустическими осями и направлением на i-тую точку в горизонтальной (на плане – г)
и вертикальной плоскостях (на вертикальном разрезе – в ) из центра данного
громкоговорителя.
Затем по диаграмме направленности в горизонтальной и вертикальной
плоскости в соответствии с найденными значениями углов г и в определяют
величины радиусов-векторов Rг и Rв, соответственно.
Звуковое давление в i-той точке, развиваемое данным громкоговорителем определяется по формуле
pi  p1  R г  R в ,
pi
(3.22)
где p1 - номинальное давление – давление, развиваемое громкоговорителем на
акустической оси на расстоянии 1 м от его акустического центра при подведении к нему номинальной электрической мощности.
Полученное суммарное давление в i-той точке p i пересчитывается в
уровни по формуле:
L i  20lg p i  94
Вычисления удобно вести в форме приведенной ниже таблицы.
118
(3.23)
Таблица № .....
№ излучателя
1
2
Определяемые
величины
Расчет звукового поля излучателей
Значения определяемых величин в
расчетных точках
1
2
3
4
r, м
г
Rг
в
Rв
p1, Па
r, м
г
Rг
в
Rв
p1, Па
p  p12  p22  p32  ... , Па
L, дБ
L=Lмакс-Lмин , дБ
Сравнивая полученные уровни в расчетных точках, определяют неравномерность звукового поля в зале: L  Lмакс  Lмин .
Эта величина не должна превышать принятого в начале расчета значения L доп .
Если условия L Lдоп и LiLпр. мин выполняются, то расчет звукового
поля можно считать оконченным.
Если условия не выполняются, то надо изменить расположение излучателей (высоту подвеса или ориентировку акустических осей).
Так, например, если в ближайшей к 1 излучателю точке 1 (см. рис.3.19)
уровень меньше рассчитанного ранее значения Lпр. мин, то следует уменьшить
высоту подвеса излучателей h. При этом уменьшится расстояние до точки 1,
уменьшится и угол в, что приведет к увеличению радиуса вектора Rв. Если
уровень больше значения Lпр.мин+Lдоп, то следует увеличить высоту подвеса.
Если в точке 4 на краю последнего ряда значение уровня меньше Lпр. мин,
то необходимо несколько развернуть акустическую ось в сторону этой точки,
чтобы уменьшить угол г и увеличить тем самым радиус - вектор Rг.
Для звуковых колонок и рупорных громкоговорителей экспериментально
снятые диаграммы направленности опубликованы в печати. Для кинотеатраль119
ных излучателей таких данных нет. Может не оказаться диаграмм направленности и для других излучателей.
В таком случае можно воспользоваться семейством диаграмм направленности, рассчитанных для прямоугольных излучателей в зависимости от соотношения между соответствующим размером излучателя l и длиной волны .
Так, чтобы выбрать диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, определяют отношение горизонтального размера излучателя к длине волны
lг/, на частоте, на которой ведется расчет. По полученному отношению выбирают диаграмму направленности из указанного семейства. Аналогично выбирается диаграмма направленности для вертикальной плоскости по параметру lв/.
При определении величины радиуса-вектора надо иметь ввиду, что диаграммы
направленности обычно нормируются относительно направления акустической

оси, т.е. относительно 0 .
Поэтому при г или в равным 0 величина радиуса-вектора равна l,
при других углах – меньше единицы.
Кинотеатральные громкоговорители (за некоторым исключением) нельзя
отнести к звуковым колонкам.
1
1
ак.ось
4
г
ак.ось
2
3
5
3
ак у сти ч еск а
h
2
я ось
в
Рис.3.19. К расчету уровней звукового поля в зале с учетом
размещения громкоговорителей
120
Если в справочниках не удалось найти диаграмм направленности звуковых колонок или рупорных громкоговорителей, то их можно рассчитать самостоятельно, аппроксимируя звуковое поле колонки в виде полуэллипса, а рупорного громкоговорителя – в виде эллипса. Для таких расчетов в справочниках приводятся значения эксцентриситетов e г и e в эллипсов.
Для звуковых колонок:
Rг 
1  e2г
1  e2г cos2 г
Rв 
1  e 2в
1  e 2в cos2 в
(3.24)
Для рупорных громкоговорителей:
Rг 
(1  e 2г ) cos г
1  e 2г cos2 г
Rв 
(1  e2в ) cos в
1  e2в cos 2 в
(3.25)
Выбор типа микрофонов (для систем звукоусиления) и аппаратуры
звукоусиления. Выбор типа микрофона производится исходя из требуемой
частотной характеристики и устойчивости системы звукоусиления. Последнее
характеризуется видом диаграммы направленности микрофона, условиями его
размещения и определяется индексом выигрыша q по диффузному полю (разность уровней чувствительности микрофона к звуку от первичного источника и
к диффузному звуку).
В слабо заглушенных помещениях, особенно при использовании направленных излучателей в точке размещения микрофонов преобладает диффузный
звук. Поэтому порог самовозбуждения определяется акустической обратной
связью по диффузному звуку. Ею и определяется, в конечном счете, предельный индекс усиления системы Qмс пр.
В начале расчете в табл. 3.12 выбиралось значение требуемого индекса
усиления Qмс.тр. Необходимо, чтобы Qмс.пр системы было бы не меньше, чем
Qмс.тр.
Для звуковых колонок:
Q мс.пр  18  10 lg R ср  q
(3.26)
Если принять QмспрQмс. тр, то необходимый для этого индекс выигрыша
по диффузному звуку микрофона qтр будет:
qтр= Qмс.тр+18+10lgRср
121
(3.27)
По найденному значению qтр определяют необходимый вид диаграммы
направленности микрофона и условия его размещения.
Для ненаправленного микрофона q=0 дБ, если он стоит далеко от поглощающих поверхностей. Если этот же микрофон размещен на сцене и позади источника звука (исполнителя) расположена хорошо поглощающая поверхность
(например, бархатный занавес и др.), то q=3 дБ.
У микрофонов с кардиоидной характеристикой q увеличивается соответственно до 4,8 дБ и 13 дБ.
У микрофонов с характеристикой в виде восьмерки – до 4,8 и 7,8 дБ.
Наибольший выигрыш получается при использовании микрофона с суперкардиоидной характеристикой (17,4 дБ) (при хорошем поглотителе позади
исполнителя).
Таким образом, зная значения qтр, а следовательно, и вид направленности
микрофона, по справочнику выбирают его тип.
Тип микрофона может быть любой, удовлетворяющий требованиям по
частотной характеристике.
При особо жестких условиях (гулкое помещение, большой уровень шумов) можно для речевых передач использовать направленные шумостойкие
микрофоны типа ДЭМШ.
По величине общей электрической мощности, потребляемой всеми громкоговорителями, и исходя из назначения системы, по справочникам выбирают
тип усилительной аппаратуры.
При этом необходимо, чтобы усилительная аппаратура имела бы некоторый запас по выходной мощности, а выходное ее напряжение соответствовало
бы одному из номиналов рабочего напряжения выбранного типа громкоговорителей.
3.6. Звукопоглощающие материалы и конструкции
Обычные строительные материалы, с помощью которых обрабатываются
внутренние поверхности помещений, обладают малым коэффициентом поглощения.
Поэтому для создания оптимальных акустических условий в помещениях
приходится применять специально разработанные материалы и конструкции,
абсорбенты, обладающие повышенной способностью поглощать звуковую
энергию.
В зависимости от принципа действия их можно разделить на две группы:
пористые и резонансные.
3.6.1. Пористые материалы
К первой группе относятся все типы пористых материалов: пористые облицовочные плиты, маты из различной ваты – стеклянной, минеральной, капроновой и др., акустическая штукатурка, различные драпировки, ковры и т.п.
122
Поглощение звуковой энергии пористыми материалами обусловлено в
основном трением при движении частиц воздуха в порах и внутренним трением
при деформации скелета материала.
При отражении звуковых волн от жесткой преграды на ее поверхности
образуется пучность давления (складываются давления падающей и отраженной волн) и узел колебательной скорости, так как частицы воздуха здесь,
натолкнувшись на преграду, изменяют направление своего движения на обратное. Фазы колебательной скорости падающей и отраженной волн будут сдвину
ты на 180 . Пучность колебательной скорости будет наблюдаться на расстоянии, равном  от жесткой преграды.
Поскольку потери на трение пропорциональны колебательной скорости,
то и максимум поглощения пористого материала небольшой толщины будет
наблюдаться при его расположении на расстоянии  от жесткой преграды.
Следовательно, для эффективного поглощения энергии высоких частот
достаточно небольшого относа поглотителя от жесткой преграды, либо небольшой его толщины. На низких же частотах потребуется либо значительная
толщина поглотителя, либо относ его на большое расстояние от преграды.
Поэтому пористые материалы применяются в качестве высокочастотных
абсорбентов.
Плиточные облицовочные материалы удобны в монтаже: легко режутся и
могут прибиваться гвоздями к деревянному каркасу.
Материалы в виде матов или плит из прессованной ваты можно использовать либо в качестве заполнителя в звукопоглощающих конструкциях, либо в
качестве самостоятельных высокочастотных абсорбентов. В последнем случае
их обычно помещают в ячейки деревянного каркаса и покрывают декоративной
сеткой, деревянной решеткой или рейками. Так как волокна ваты могут ломаться и создавать пыль, маты или плиты перед декоративной обработкой покрываются акустически прозрачной тканью – стеклотканью, паковочной сорочкой,
редкой мешковиной или марлей в два слоя. Все ткани кроме стеклоткани так
же, как и элементы декоративной обработки (решетки, рейки и т.п.), должны
быть обработаны огнезащитным составом.
Пористые плиточные материалы, а также акустическая штукатурка могут
окрашиваться только анилиновыми красками путем распыления, в противном
случае они потеряют свои звукопоглощающие свойства.
3.6.2. Резонансные поглотители
Звукопоглощающие конструкции резонансного типа выполняются либо в
виде резонаторов с колеблющейся пластиной (резонирующие панели), либо в
виде воздушных резонаторов (системы резонаторов) и применяется для поглощения звуковой энергии в области низких и средних частот.
Резонирующие панели конструктивно представляют собой пластину
(лист пластика, фанеры, натянутая клеенка и т.д.), закрепленную на раме из де123
ревянных брусков с таким расчетом, чтобы между пластиной и несущей поверхностью оставался бы воздушный промежуток (рис.3.20).
Если частота колебаний падающей звуковой волны совпадает с собственной резонансной частотой пластины, то амплитуда колебаний последней будет
максимальна. Максимальны будут и потери энергии, обусловленные внутренним трением в материале пластины при ее изгибе. Конструктивными приемами
резонансную частоту такой панели легко сместить в область низких частот.
Обычно коэффициент поглощения таких конструкций оказывается невелик. Для увеличения поглощения воздушный промежуток между пластиной и
несущей поверхностью заполняют пористым поглощающим материалом (например, минеральной или стеклянной ватой). Увеличение поглощения может
быть достигнуто и размещением прокладки из пористого материала между пластиной и несущей поверхностью.
Резонирующие панели используются в помещениях либо как декоративное оформление нижней части стен, либо в виде специальных конструкций, известных под названием щитов «Бекеши» (рис.3.21). В этих конструкциях резонирующая пластина может быть выполнена из фанеры или натянутой на раму
клеенки.
Часто резонирующие панели выполняют в виде пилообразных конструкций (рис.3.22).
Покровный лист
Искусственная
кожа
Пористый поглотитель
Х/б вата
Плита минераловатная
Несущая поверхность
Рис.3.20. Эскиз конструкции
резонирующей панели
Рис.3.21. Эскиз конструкции
щитов «Бекеши»
124
b
h
Рис.3.22. Эскиз пилообразных резонирующих панелей
(b-толщина брусьев каркаса, h-высота раствора)
Конструкции с перфорированным покровным листом. Конструктивно
этот тип схож с резонирующими панелями. Здесь также на раме укрепляется
покровный лист, образуя воздушный промежуток с несущей поверхностью.
Однако здесь в покровном листе сверлятся отверстия (бывает и щелевая перфорация). Каждое такое отверстие («горло») с лежащим за ним объемом воздуха
представляет собой резонатор Гельмгольца, резонансная частота которого может легко смещаться в область низких и средних частот путем изменения толщины листа, диаметра отверстия d, расстояния между ними D (шаг перфорации), а также воздушного промежутка между листом и ограждением h+b
(см. рис.3.23).
1
D
d
b
h
2
3
4
5
1 – перфорированный лист, 2 – несущая поверхность, 3 – акустически прозрачная ткань, 4 – пористый заполнитель, 5 – воздушный промежуток
Рис.3.23. Эскиз конструкции с перфорированным покровным листом
При совпадении частоты колебаний падающей звуковой волны с собственной частотой резонатора масса воздуха в отверстии приобретает максимальную колебательную скорость. За счет трения частиц воздуха о стенки отверстия
создаются потери звуковой энергии тем больше, чем меньше диаметр отверстий. Поглощение звуковой энергии в таких конструкциях может быть увеличено либо подведением под отверстия материи с тыльной стороны листа, либо
дополнительно заполнением воздушного промежутка пористым поглотителем.
Конструкции с перфорированным покровным листом могут окрашиваться любым красителем с условием, что отверстия и ткань под ними останутся незакрашенными.
125
При заполнении воздушного промежутка пористым материалом, последний необходимо, как указывалось ранее, покрывать акустически прозрачной тканью с целью исключения попадания пыли от него в помещение через
отверстия листа.
Иногда в целях экономии воздушный промежуток не полностью заполняют пористым материалом. При этом для получения максимального коэффициента поглощения необходимо заполнитель укладывать вплотную к
тыльной стороне перфорированного листа, оставляя воздушный промежуток за
заполнителем.
В качестве покровных листов могут быть использованы листы фанеры,
пластика, металла, гипсовые и древесно-стружечные плиты и др.
Конструкции, выполненные из фанеры, деревоплиты и других горючих
материалов, необходимо обрабатывать огнестойкими веществами.
В помещениях, в которых для обеспечения оптимальных акустических
условий недостаточно акустической обработки стен и потолка, применяют объемные (штучные) звукопоглотители. Объемные звукопоглотители представляют собой либо плоские, либо объемные звукопоглощающие элементы, свободно подвешенные в помещении. Их эффективность обычно оценивают по величине суммарного звукопоглощения в квадратных метрах на один звукопоглотитель. За счет явления дифракции штучные поглотители имеют больший коэффициент звукопоглощения, чем плоскостные облицовки.
Обычно штучные звукопоглотители выполняют либо в виде пористых
материалов, либо в виде резонансных конструкций. Звукопоглощающие свойства объемных (штучных) поглотителей зависят от расстояния между ними:
при увеличении расстояния между отдельными поглотителями повышается их
эффективность, оптимальное решение получается в тех случаях, когда расстояние между поглотителями не менее полуторной величины наибольшего поперечного размера конструкции (но не более удвоенной величины). Большим
преимуществом объемных поглотителей является возможность установки большого количества единиц звукопоглощения в непосредственной близости от какого-либо шумящего агрегата, легкая заменяемость и простота монтажа.
Поскольку частотные характеристики коэффициентов поглощения материалов и конструкций различны, для получения требуемого фонда поглощения
на всех частотах приходится применять различное их сочетание.
При акустической обработке помещений, для создания в них более диффузного звукового поля, звукопоглощающие материалы и конструкции следует
размещать равномерно по ограждениям, чередуя между собой абсорбенты с
различным поглощением.
В таблицах 3.13-3.20 приводятся данные о коэффициентах поглощения
различных материалов и конструкций.
126
Таблица 3.13- Акустические характеристики пористых поглотителей
Воздушный зазор
h
d
Звукопоглощающий материал
Изделие
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Минераловатные плиты
ПП-80, размером 500*500
То же
То же
То же
То же
То же
Плиты «Стилит»
Маты «АТИМС»
То же
Плиты ПА/Д
То же
Плиты ПА/О
То же
d.мм
h, мм
30
-
30
50
50
50
100
100
15
15
20
20
20
20
50
50
100
100
50
100
0
50
Реверберационный коэффициент звукопоглощения при
среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
125
250
500
1000
2000
4000
0,08
0,3
0,64
0,89
0,95
0,81
0,21
0,14
0,2
0,38
0,62
0,43
0,03
0,08
0,05
0,34
0,03
0,05
127
0,4
0,52
0,61
0,8
0,97
0,98
0,12
0,26
0,59
0,62
0,17
0,42
0,72
0,9
0,98
0,94
0,98
0,99
0,47
0,64
0,52
0,52
0,68
0,98
0,98
0,99
0,94
0,88
0,97
0,99
0,75
0,89
0,53
0,52
0,98
0,9
0,97
0,92
0,92
0,86
0,94
0,95
0,84
0,75
0,25
0,26
0,86
0,79
0,79
0,82
0,78
0,79
0,81
0,87
0,84
0,78
0,11
0,15
0,45
0,45
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Изделие
d.мм
h, мм
Винипор полужесткий
То же
Плиты ПА/С минераловатные,
акустические, отделка набрызгом
То же
Плиты «Акминран», минераловатные
То же
То же
Маты из супертонкого стекловолокна, оболочка из декоративной стеклоткани
Маты из супертонкого базальтового волокна
Холст СТВ
30
60
20
0
0
0
Реверберационный коэффициент звукопоглощения при
среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
0,15
0,25
0,56
0,85
1
1
0,18
0,55
0,85
0,95
1
0,97
0,05
0,21
0,66
0,91
0,95
0,82
20
20
50
0
0,12
0,11
0,36
0,3
0,88
0,85
0,94
0,9
0,84
0,78
0,8
0,72
20
20
50
50
200
0
0,2
0,48
0,258
0,71
0,71
0,7
0,88
0,7
0,98
0,81
0,79
1
0,71
0,77
1
0,79
0,62
1
50
0
0,2
0,9
1
1
0,95
0,95
50
0
0,11
0,34
0,83
0,91
0,93
0,81
128
Таблица 3.14- Акустические характеристики конструкций из пористого материала с декоративным покрытием
из деревянных реек
b
a
b
a
c
c
1
b
a
c
2
3
1-пористый поглотитель; 2-рейки; 3-несущая поверхность
Вид покрытия
Размеры реечного
покрытия, мм
a
1
b
35
Воздушный зазор
между поглотителем и несущей поверхностью, мм
c
Коэффициент звукопоглощения в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125
0,16
250
0,63
500
0,98
Рейки, уложенные
20
10
0
плашмя
2
То же
25
100
20
0
0,4
0,66
0,91
3
То же
50
100
20
0
0,37
0,79
0,86
4
Рейки, уложенные
12
20
50
0
0,39
0,67
0,96
под углом 45
5
То же
12
20
50
50
0,33
0,79
0,83
6
Рейки, уложенные
20
20
20
0
0,47
0,79
0,87
на ребро
В качестве поглотителя используются плиты ПП-80, 50 мм., покрытое стеклотканью Э-0,1.
129
1000
0,88
2000
0,70
4000
0,64
0,58
0,71
0,8
0,48
0,57
0,77
0,64
0,64
0,96
0,75
0,92
0,76
0,9
0,84
1,0
Таблица 3.15-Акустические характеристики ковров и ковровых дорожек
Вид звукопоглотителя
1
2
3
4
5
6
7
8
Ковер с полушерстяным ворсом высотой 8 мм
Ковер с копроновым ворсом высотой
8 мм
Ковер на латексе с ворсом высотой
4 мм
Безворсовая дорожка толщиной
3…5 мм
Ковер толщиной 9 мм по бетону
То же, на войлочной подкладке толщиной 3 мм
Ковер с ворсом толщиной 1см на бетоне
То же, на войлоке толщиной 3мм
Коэффициент звукопоглощения в октавных полосах
со среднегеометрическими частотами, Гц
125
250
500
1000
2000
0,01
0,05
0,26
0,47
0,54
4000
0,7
0,02
0,04
0,16
0,39
0,52
0,71
0,01
0,02
0,12
0,31
0,46
0,35
0,02
0,05
0,07
0,11
0,29
0,48
0,09
0,11
0,08
0,14
0,21
0,37
0,26
0,43
0,27
0,27
0,37
0,30
0,09
0,08
0,21
0,27
0,27
0,37
0,11
0,14
0,37
0,43
0,27
0,25
130
Таблица 3.16- Акустические характеристики занавесей
Материал занавеси
1
2
3
4
5
6
Тарная ткань( артикул 1663)
То же
Репс на шелковой подкладке
То же
Нетканый материал
Ткань хлопчато-бумажная
360 г/м
7
То же 500 г/м
8 Ткань бархатная 650 г/м
9
То же
10
То же
Способ подвески
Воздушный
зазор, мм
Ткань растянута
Ткань в сборку (2:1)
Ткань растянута
То же
То же
То же
50
50
50
500
800
-
Коэффициент звукопоглощения в октавных
полосах со среднегеометрическими
частотами, Гц
125
250
500 1000 2000 4000
0,02
0,07
0,19 0,42 0,48
0,3
0,1
0,28
0,46
0,6
0,58
0,6
0,02
0,09
0,38 0,68 0,66
0,6
0,09
0,28
0,4
0,55 0,61 0,66
0,07
0,22
0,69 0,83 0,87 0,99
0,03
0,04
0,11 0,17 0,24 0,35
То же
То же
То же
То же
100
200
0,04
0,05
0,06
0,08
131
0,07
0,12
0,27
0,29
0,13
0,35
0,44
0,44
0,22
0,45
0,50
0,50
0,33
0,38
0,40
0,40
0,35
0,36
0,35
0,35
Таблица 3.17- Акустические характеристики резонансных конструкций с неперфорированным покровным листом
(резонирующие панели), пористый заполнитель – плиты ПП-80, «Стилит» и др.
Характеристики покровного листа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Фанера толщиной 4-6 мм
То же
То же, толщина 8-10 мм
То же
То же
Древесностружечная плита
То же
То же
То же, оклеенная пластиком
Декоративный бумажно-слоистый
пластик, толщина 2-3 мм
То же
Дюралюминий
То же, заполнитель Атимс
То же, заполнитель маты МП/С
Плиты АЦЭИД
Штукатурка гипсовая
То же
Панели из пенопласта ПХВ
Слой заполнителя, мм
Воздушный
зазор, мм
100
50
100
100
100
100
100
200
200
-
50
15
50
100
50
100
50
150
200
150
50
132
Коэффициент звукопоглощения в октавных полосах со среднегеометрическими
частотами, Гц
125
250
500
1000
2000 4000
0,41 0,15 0,12
0,1
0,09 0,06
0,47 0,28 0,18
0,14
0,13 0,12
0,35 0,16
0,1
0,08
0,04
0,1
0,44 0,45 0,22
0,12
0,04
0,1
0,53 0,35 0,21
0,12
0,06 0,12
0,01 0,09 0,09
0,08
0,09 0,14
0,12 0,05 0,05
0,03
0,09
0,1
0,3
0,24 0,08
0,07
0,1
0,13
0,34 0,28 0,22
0,11
0,11 0,12
0,76
0,47
0,29
0,14
0,02
0,02
0,52
0,39
0,7
0,4
0,38
0,56
0,65
0,59
0,38
0,18
0,36
0,34
0,28
0,42
0,34
0,34
0,22
0,08
0,21
0,16
0,21
0,24
0,23
0,23
0,14
0,07
0,08
0,12
0,11
0,17
0,12
0,02
0,06
0,02
0,05
0,04
0,17
0,11
0,05
0,04
0,11
0,12
Характеристики покровного листа
19
То же
20 Пилообразные панели из деревоплиты,
оклеенные
пластиком
b=100мм, h=100мм
21 То же, h=200мм
22 То же, b=50мм, h=100мм
23 То же, h=200мм
24 Щиты «Бекеши», обтянутые искусственной кожей. 2000х800мм.
Максимальная толщина щита
150 мм
25 То же. Максимальная толщина
щита 100мм
Слой заполнителя, мм
Воздушный
зазор, мм
100
-
Коэффициент звукопоглощения в октавных полосах со среднегеометрическими
частотами, Гц
125
250
500
1000 2000 4000
0,51 0,38 0,26 0,160,2 0,16 0,16
100
-
0,8
0,53
0,39
0,27
0,2
0,21
100
50
50
-
0,94
0,96
0,95
0,6
0,55
0,6
0,44
0,36
0,42
0,31
0,25
0,33
0,26
0,17
0,25
0,2
0,17
0,3
-
-
0,76
0,67
0,5
0,24
0,13
0,15
-
-
0,8
0,85
0,57
0,12
0,12
0,17
133
Таблица 3.18- Акустические характеристики звукопоглощающих облицовок с перфорированным покрытием
Несущая поверхность
Воздушный зазор
h
d
Звукопоглощающий
материал
Перфорированное
покрытие
Защитная
ткань
Изделие или конструкция
1 Плиты АГП гипсовые с заполнением из минеральной ваты,
перфорация по квадрату 13% диаметр 4 мм
2
То же
3 Минеральная плита, гипсовая плита, перфорация по квадрату
13%, диаметр 10мм, толщина 6 мм
4 То же, перфорация гипсовой плиты по рисунку 13%, диаметр
7…9 мм
134
Коэффициент звукопоглощения
в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125 250
500 1000 2000 4000
d,
мм
h,
мм
20
0
0,09
0,26
0,54
0,94
0,67
0,4
20
50
0,09
0,49
0,91
0,88
0,69
0,34
60
0
0,31
0,7
0,95
0,69
0,59
0,5
60
0
0,31
0,95
0,99
0,8
0,52
0,46
Изделие или конструкция
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Минеральная плита, металлический лист, перфорация в
«шахматы» 46%, диаметр 6мм
Минераловатная плита, гипсовая плита, подклеенная бязью,
перфорация по квадрату 13%, диаметр 10 мм, толщина 6 мм
Минеральная плита, металлический лист толщиной 1.2 мм,
перфорация по квадрату 33%, диаметр 3мм
То же
Прошивные минераловатные маты, гипсовая плита, подклеенная бязью, перфорация по квадрату 13%, диаметр 10 мм,
толщина 6мм
Прошивные минераловатные маты, гипсовая плита, подклеенная бязью, перфорация по рисунку 13%, диаметр 7…9 мм,
толщина 6 мм
Прошивные минераловатные маты, металлическмй лист толщиной 1.2 мм, шахматная перфорация 46%, диаметр 6 мм
Отходы капронового волокна, распущенные, сетка из стеклоткани, металлический лист толщиной 1.2 мм, перфорация в
«шахматы» 33%, диаметр 3 мм
То же
То же
Супертонкое стекловолокно, гипсовая плита, перфорация по
рисунку 13%, диаметр 7…9 мм, толщина 7 мм
То же
135
Коэффициент звукопоглощения
в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125 250
500
1000 2000 4000
d,
мм
h,
мм
60
0
0,18
0,63
0,9
0,94
1
1
70
0
0,42
0,95
1
0,75
0,6
0,51
50
0
0,18
0,39
0,6
0,73
0,8
0,85
100 0,27
0,53
0,69
0,76
0,92
0,87
50
100
0
0,42
0,81
0,82
0,69
0,58
0,59
100
0
0,4
0,89
0,97
0,76
0,7
0,71
100
0
0,32
0,76
1
0,95
0,9
0,98
50
0
0,15
0,46
0,82
0,92
0,83
0,93
100 0,35
0 0,48
0,58
0,72
0,79
0,89
0,82
0,97
0,83
0,98
0,83
0,98
0,66
1
1
1
0,96
0,7
250 0,73
1
1
1
1
0,92
50
100
100
100
0
Изделие или конструкция
17
18
19
20
Супертонкое волокно, металлический лист толщиной 1.2 мм,
перфорация по квадрату 24%, диаметр 5.5 мм
То же
Супертонкое стекловолокно, асбестоцементная плита толщиной 4 мм, перфорация 25%, диаметр 6 мм
То же
136
d,
мм
h,
мм
100
0
100
100
100
Коэффициент звукопоглощения
в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125 250
500 1000 2000 4000
0,47
1
1
1
1
1
250 0,93
1
1
1
1
1
0,63
0,86
0,72
0,54
0,46
1
1
1
1
1
0
0,3
250 0,98
Таблица 3.19- Акустические характеристики обычных строительных материалов и конструкций
Материалы и конструкции
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Бетонная стена, гладкая, неокрашенная
Бетонная стена, гладкая, окрашенная масляной краской
Кирпичная стена неоштукатуренная
Штукатурка гипсовая гладкая по кирпичной стене, окрашенная
Штукатурка алебастровая, гладкая по деревянной обрешетке
Штукатурка известковая гладкая по деревянной обрешетке
Штукатурка по металлической сетке с воздушной полостью позади
Штукатурка гипсовая сухая толщиной 10 мм с воздушной прослойкой
50…150 мм
Бетон с железнением поверхности
Мрамор, гранит и другие каменные породы, шлифованные
Панель деревянная толщиной 5…10 мм с воздушной прослойкой
50…150 мм
Сосновая панель толщиной 19 мм
Плиты древесно-стружечные неокрашенные толщиной 20 мм с воздушной прослойкой 50…150 мм
Плиты твердые древесноволокнистые толщиной 4 мм, с воздушной
прослойкой 50…150 мм
Пол паркетный по асфальту
Пол паркетный на шпонках
137
Коэффициент поглощения в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125
250
500 1000 2000 4000
0,01
0,012 0,015 0,019 0,023 0,035
0,01
0,01 0,02 0,02 0,02 0,02
0,024 0,025 0,032 0,042 0,049 0,070
0,012 0,013 0,017 0,020 0,023 0,025
0,020 0,022 0,032 0,039 0,039 0,028
0,024 0,027 0,030 0,037 0,019 0,06
0,04
0,05 0,06 0,08 0,04 0,06
0,030
0,025 0,010
0,08
0,05
0,04
0,01
0,01
0,01
-
0,01
0,01
0,02
-
0,02
0,015
0,02
-
0,30
0,15
0,06
0,05
0,04
0,04
0,098
0,110 0,061 0,081 0,082 0,110
0,30
0,25
0,10
0,08
0,05
0,04
0,30
0,16
0,08
0,05
0,04
0,08
0,04
0,02
0,04
0,15
0,07
0,12
0,06
0,10
0,06
0,08
0,07
0,07
Коэффициент поглощения в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125
250
500 1000 2000 4000
0,02
0,03
0,04
0,04
0,05 0,07 0,07 0,08 0,08
0,03
0,02 0,05 0,04 0,04 0,04
0,30
0,20 0,15 0,10 0,06 0,04
0,20
0,30 0,30 0,30 0,30 0,30
0,30
0,40
0,40
0,30
0,42 0,50 0,50 0,50 0,51
Материалы и конструкции
17
18
19
20
21
22
23
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Линолеум толщиной 5 мм по твердому основанию
Релин
Древесина монолитная лакированная
Переплеты оконные застекленные
Проем сцены
Киноэкран
Вентиляционные решетки
Таблица 3.20 -Акустические характеристики отдельных звукопоглотителей
Эквивалентная площадь звукопоглощения на один предмет
в октавной полосе со среднегеометрическими частотами, Гц
Наименование звукопоглотителя
125
250
500
1000
2000
4000
Слушатель на кресле мягком и полумягком
0,25
0,30
0,40
0,45
0,45
0,40
Слушатель на жестком кресле
0,20
0,25
0,30
0,35
0,35
0,35
Слушатель на деревянном стуле
0,17
0,36
0,47
0,52
0,50
0,46
Стул жесткий
0,05
0,09
0,12
0,13
0,15
0,16
Стул полумягкий с сиденьем и спинками, обитыми
0,05
0,08
0,18
0,15
0,17
0,15
искусственной кожей по поролону
Стул мягкий
0,05
0,09
0,12
0,13
0,15
0,16
Деревянное кресло
0,02
0,02
0,02
0,04
0,04
0,03
То же, обитое кожей
0,10
0,12
0,17
0,17
0,12
0,10
То же, обитое искусственной кожей по поролону
0,05
0,09
0,12
0,13
0,15
0,16
То же, обитое бархатом
0,14
0,22
0,31
0,40
0,52
0,60
Исполнители
0,28
0,40
0,45
0,49
0,47
0,45
138
3.7. Звукоизолирующие материалы и конструкции
Нормальное функционирование студий, театров, концертных залов, аудиторий и т.п. во многом определяется степенью их защищенности от различного
рода внешних акустических шумов. Уровень проникающих шумов не должен
превышать предельно допустимые. Требования санитарных норм приведены в
таблице 3.21.
Таблица 3.21 – Нормативные уровни звукового давления проникающего шума
Название помещения
или территории
Залы театров и концертные залы
Зрительные залы кинотеатров
Телевизионные
студии
Радиовещательные
студии
Жилые комнаты,
спальные помещения
в детских дошкольных учреждениях и
школах-интернатах,
жилые помещения
домов отдыха и пансионатов
Классы и аудитории
в учебных заведениях, конференц-залы,
читальные залы
Территории жилой
застройки, непосредственно примыкающие к жилым домам,
площадки детских
дошкольных
учреждений
Рабочие помещения
управлений и помещения конструкторских бюро в административных зданиях
Уровень звукового давления. дБ,
при среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
Уровень
звука,
дБА
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
55
44
35
29
25
22
20
18
30
63
52
45
39
35
32
30
28
40
55
44
35
29
25
22
20
18
30
51
39
31
24
20
17
14
13
25
55
44
35
29
25
22
20
18
30
63
52
45
39
35
32
30
28
40
67
57
49
44
40
37
35
33
45
71
61
54
49
45
42
40
38
50
139
Название помещения
или территории
Залы кафе и ресторанов, столовые, фойе
театров и кинотеатров
Торговые залы магазинов, спортзалы,
пассажирские залы
аэропортов и вокзалов, приемные пункты предприятий бытового обслуживания
Уровень звукового давления. дБ,
при среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
Уровень
звука,
дБА
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
75
66
59
54
50
47
45
43
55
79
70
63
58
55
52
50
49
60
Шумы могут проникать в помещение:
 путем переноса вибраций по корпусу здания, например, от колебаний
почвы, возбуждаемых транспортом, или в результате работы станков,
вентиляционных установок и т.п. в здании;
 путем прохождения звуковых волн через ограждающие конструкции
(воздушный шум).
В последнем случае звуковая энергия может проникать:
 через сквозные поры или щели ограждающей конструкции (воздушный
перенос);
 путем возбуждения продольных колебаний частиц материала перегородки (материальный перенос);
 за счет поперечных колебаний самой перегородки в целом, ведущей себя
в этом случае как мембрана (мембранный перенос).
Для изоляции корпуса здания от вибраций грунта вокруг него располагают «акустический шов» (траншея, засыпанная крупным шлаком, песком и т.д.),
используют изолирующие прокладки между фундаментом и опирающимися на
него стенами в виде нескольких рядов кирпичной кладки на асфальте.
Оборудование, создающее вибрации корпуса здания, изолируют с помощью упругих прокладок, рессор, а на первых этажах путем размещения его на
отдельных фундаментах.
Уровень воздушных шумов, проникающих через ограждения, определяется в основном их способностью задерживать звук, т.е. собственной звукоизоляцией:
R огр  10lg
Iпад
 Lпад  Lпрош ,
I прош
где Iпад – интенсивность звука падающей на ограждение звуковой волны;
Iпрош – интенсивность звука, прошедшей через ограждение звуковой волны;
L пад, Lпрош – их уровни.
140
Для уменьшения воздушного переноса необходимо избегать перегородок
со сквозными порами и следить за отсутствием различных щелей и отверстий в
них. Даже одно отверстие в перегородке способно резко уменьшить ее звукоизоляцию, особенно на низких частотах.
Для уменьшения материального переноса применяют слоистые конструкции ограждений с резко отличающимися удельными акустическими сопротивлениями.
Мембранный перенос уменьшается с увеличением массы перегородки и
частоты, однако прямой пропорциональности здесь не наблюдается. Так, например, стена в 1/2 кирпича с весом 220 кг/м3 имеет собственную звукоизоляцию (на частоте 1000 Гц) 48 дБ. Звукоизоляция же стены в 1 кирпич увеличивается всего лишь до 58 дБ.
Если же применить ограждение из двух стен на различных фундаментах с
воздушным промежутком в 10 см и толщиной каждой из стен в 1/2 кирпича, то
звукоизоляция может возрасти до 63 дБ.
Этот пример показывает, что за счет значительного уменьшения упругорезистивных связей между двумя перегородками такого «слоеного» ограждения
удается значительно повысить его звукоизоляцию, использовав то же количество материала, что и для одинарного ограждения.
В таблицах 3.22-3.26 приведены данные о собственной звукоизоляции
различных конструкций ограждений.
141
Таблица 3.22- Звукоизолирующая способность однослойных ограждений
Толщина,
мм
Материал конструкции
1
3
Кирпичная кладка(оштукатуренная с двух сторон)
То же
То же
То же
То же
Виброкирпичная панель 120 мм, (оштукатуренная с
двух сторон цементным раствором толщиной 20 мм)
Виброкирпичная панель неоштукатуренная
4
Железобетонная плита
2
То же
То же
То же
То же
То же
То же
5
6
7
Гипсобетонная плита
То же
Керамзитобетонная плита
То же
Газобетонная плита
142
½ кирпича
1 кирпич
1,5 кирпича
2 кирпича
2,5 кирпича
Звукоизолирующая способность, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125
250
500
1000
2000 4000
39
40
42
48
54
60
41
44
51
58
64
65
44
48
55
61
65
65
45
52
59
65
70
70
47
55
60
67
70
70
160 мм
34
40
42
48
53
53
160 мм
140мм
40
50
100
160
200
300
400
80
95
80
120
34
41
32
34
40
43
42
44
47
28
32
33
33
41
40
36
35
40
47
44
50
55
33
37
34
37
45
43
35
35
44
51
51
58
61
37
37
39
39
50
49
38
41
50
60
59
65
67,5
39
42
47
47
54
54
47
48
55
63
65
69
70
44
48
52
54
55
56
53
55
60
65
69
70
44
53
54
56
240
39
42
51
56
54
52
Толщина,
мм
Материал конструкции
8
9
10
11
12
13
Пемзобетонная панель, оштукатуренная с двух сторон
Шлакобетонная панель
То же
Шлакоблоки, оштукатуренные с двух сторон
Арминированная силикатобетонная панель
Древесностружечная плита
Фанера
То же
То же
То же
То же
143
130
250
140
220
140
20
3
4
5
8
10
Звукоизолирующая способность, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
125
250
500
1000
2000 4000
37
34
46
50
60
65
30
45
52
59
64
64
26
41
45
49
51
51
42
42
48
54
60
63
34
41
48
55
59
59
23
26
26
26
26
26
11
14
19
23
26
27
12
16
20
24
27
27
13
17
21
25
28
26
16
20
24
27
27
27
16
21
25
28
28
29
Элемент конструкции
1
2
3
4
5
6
Две кирпичных стены
на общем фундаменте
Две кирпичные стены
на разном фундаменте
Две гипсобетонные плиты
на общем фундаменте
Две гипсошлакобетонные плиты
на общем фундаменте
Две железобетонные плиты
Две керамзитобетонные плиты
Таблица 3.23- Звукоизолирующая способность двойных ограждений
Звукоизолирующая способность, дБ, в окТолщина, мм
тавных полосах со среднегеометрическими
частотами, Гц
Воздушного
Элемента
125
250
500 1000 2000 4000
зазора
380 и 510
150
49
51
60
68
74
81
510 и 380
300
61
65
72
80
88
95
95
100
40
41
36
43
40
42
45
48
47
56
52
62
57
80
40
38
43
44
52
58
50
40
60
40
60
36
33
43
36
42
43
46
51
55
57
57
57
144
Конструкция двери
1
Обыкновенная филенчатая
2
Глухая щитовая типа ДБ-8
3
Типовая П-327
4
Щитовая из твердых ДВП толщиной 4-6 мм с воздушным
промежутком 50 мм, заполненным стекловатой
5
Таблица 3.24-Звукоизолирующая способность дверей
Звукоизолирующая способность, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими
Условия прилегания по периметчастотами, Гц
ру притвора
125
250
500 1000 2000 4000
Без уплотняющих прокладок
12
14
16
22
22
20
С уплотняющими прокладками
18
19
23
30
33
32
из резины
Без уплотняющих прокладок
22
23
24
24
24
23
С уплотняющими прокладками
27
27
32
35
34
35
Без уплотняющих прокладок
12
23
31
33
34
36
С уплотняющими прокладками
29
30
33
35
39
41
Без уплотняющих прокладок
25
26
30
31
28
29
С уплотняющими прокладками
28
30
33
36
32
30
24
24
28
27
25
24
28
28
32
34
32
32
То же с заполнением минеральБез уплотняющих прокладок
ным войлоком
С уплотняющими прокладками
145
Конструкция перекрытия
1
2
3
4
5
Таблица 3.25- Звукоизолирующая способность перекрытий
Звукоизолирующая способность, дБ,
Толщина
в октавных полосах
элемента,
со среднегеометрическими частотами, Гц
мм
125
250
500
1000 2000 4000
120
34
38
46
53
56
58
Железобетонная панель
То же с полами
а)плитка ПХВ,ДСП, сплошная прокладка из мягких дре- 3;20;25
весноволокнистых плит (ДВП)
б)плитка ПХВ, ДСП, ленточная прокладка из мягких ДВП
3;20;25
То же с полами;
5
а)линолеум на войлочной подоснове;
б)линолеум на тканевой подоснове, твердая ДВП, полу2;4;8
твердая ДВП
в)паркетная клепка, твердая ДВП, мягкая ДВП
14;4;2,5
г)плитка ПХВ, битумная мастика, полутвердая ДВП,
3;5
д)паркетные доски, лаги 25х100мм через 400мм, ленточ25;12,5
ные прокладки из мягких ДВП
Железобетонная плита с круглыми пустотами
160
То же с полами:
а)линолеум на мастике цементопесочная стенка, шлакобе- 5;15;40;25
тонная панель сплошная из мягких ДВП
б)линолеум, гипсовая стяжка, шлакобетонная плита, лен4;10;45;25
точные прокладки из мягких ДВП
Железобетонная панель с крупными пустотами и полами:
а)дощатый пол, лаги, ленточные прокладки из мягких ДВП
37;40
б)паркет, твердая ДВП, асфальт, засыпка шлаком
25;6;15;40
146
37
42
51
58
58
58
39
43
47
53
57
58
35
43
47
55
65
62
37
42
50
57
62
60
40
35
42
41
51
47
58
53
59
60
53
59
37
43
52
62
67
63
37
38
47
53
57
57
38
40
48
56
58
62
42
45
52
59
65
68
45
36
48
40
51
46
54
58
56
62
57
61
1
2
3
4
5
Таблица 3.26-Звукоизолирующая способность окон и стеклянных проемов
Звукоизолирующая способность, дБ, на
Условия прилегания по
частотах, Гц
Конструкция
периметру притвора
125
250
500
1000 2000 4000
Окно с силикатным стеклом толщиной 3 мм
Без уплотняющих
12
16
18
20
22
20
прокладок
Окно с силикатным стеклом толщиной 6 мм
Без уплотняющих
18
18
20
23
25
25
прокладок
Оконный блок с двойным переплетом, толщи- Без уплотняющих
27
26
28
30
28
27
на стекла 3мм, воздушного зазора 170 мм
прокладок
То же
С уплотняющими
33
33
36
38
38
38
прокладками
Двойное остекление со стеклами толщиной 4 и С уплотняющими
27
36
41
47
49
55
7 мм и воздушным зазором 200 мм
прокладками
Двойное остекление со стеклами толщиной 4 и С уплотняющими
32
39
43
47
51
55
7 мм и воздушным зазором 300 мм
прокладками
Стеклоблоки типа БК-98
37
40
42
45
48
50
Окно оргстеклом толщиной 4 мм
С герметизацией
17
21
25
29
33
36
10 мм
С герметизацией
23
26
31
34
34
32
18 мм
То же
30
32
35
35
33
38
36 мм
То же
35
34
35
40
40
48
147
3.8. Некоторые рекомендации по настройке залов
3.8.1. Оптимальное размещение излучателей
По своему функциональному назначению залы, в которых устанавливаются системы звукоусиления, отличаются друг от друга. Например, на дискотеках основное внимание уделяется танцевальной площадке. Здесь главное – создать равномерное звуковое поле над головами танцующих, воспроизвести весь
динамический и частотный диапазон музыкальных программ, причем ограничений по мощности в используемых системах звукоусиления практически не
существует. В ресторанах и ночных клубах системы звукоусиления должны обладать некоторой универсальностью. Они должны транслировать с неизменным
качеством фоновую, камерную, симфоническую, блюз, рок, диско и другую музыку, а также «живые» выступления музыкантов. Такой же универсальностью
должны обладать системы звукоусиления и в концертных залах. Каждый зал, в
зависимости от его архитектурных особенностей и функционального назначения, требует индивидуального подхода при проектировании систем звукоусиления.
Рассмотрим особенности построения систем звукоусиления, исходя из
размеров зала, а не от функционального назначения, предполагая, что данное
помещение может использоваться как многоцелевое.
Первой проблемой, которая возникает при увеличении размеров зала, –
обеспечение необходимого уровня звукового давления. Чем дальше от источника звука (акустической системы) находится слушатель, тем меньше уровень
громкости воспроизводимой программы. Напомним, что на средних и высоких
звуковых частотах существенно возрастает поглощение звука в воздухе.
Вторая проблема, которая возникает при озвучивании помещения, – это
чрезмерная реверберация, присущая многим помещениям. Если слушатель располагается вблизи акустической системы, то он находится в «прямом поле».
Это поле, где звук, идущий от акустической системы, гораздо громче отраженного звука. В реверберационном же пространстве всегда найдется точка, где
отраженный звук сильнее, чем прямой. В результате этого теряется разборчивость и прозрачность звука. Идеальным вариантом для решения этой проблемы
является изменение формы и акустической обработки зала, однако на практике
изменить интерьер помещения не всегда представляется возможным. Второй
путь – это правильно спроектировать звукоусилительный комплекс, чтобы он
смог преодолеть проблему реверберационных полей в помещении.
Основное внимание при проектировании системы звукоусиления, предназначенной для работы в конкретном помещении, следует уделять выбору акустических систем. Акустические системы с узкой диаграммой направленности
иногда называют системами «дальнего боя». Естественно, что термины «ближний бой» и «дальний бой» являются профессиональным слэнгом. Термины введены известным специалистом в области проектирования и настройки залов
С. Алёхиным, однако, они удачно поясняют физическую сущность, происходящих в зале процессов. Указанные термины характеризуют, как далеко аку148
стические системы могут донести чистый, понятный звук. Например, если усилитель нагружен широкогорлым рупором, получится система «ближнего или
среднего боя». Если же его соединить с узкогорлым рупором, то получится система «дальнего боя». Применяя рупорные системы с узкой диаграммой направленности, можно решить проблему реверберации в помещениях среднего и
большого размеров. Путем повышения уровня звукового давления прямого
звука добиваются, чтобы материал музыкальных и речевых программ стал более понятным и разборчивым. Системы «дальнего боя» используются не только
для повышения уровня звукового давления, но также и для концентрации звука
на удаленных от источника звука местах слушателей, при этом уровень звукового давления прямого звука будет выше уровня отраженного.
Рассмотрим специфику озвучивания различных по размеру помещений и
опишем системы звукоусиления, которые могли бы использоваться в них. Условно разделим все помещения в зависимости от их объема на три типа – маленькие с объемом до 300 м3, средние – с объемом до 900 м3 и большие – с объемом до 2700 м3.
Если требуется озвучить относительно маленькое помещение с размерами
10 м на 10 м и высотой 3 м (объем 300 м3), то типовая установка акустических
систем звукоусилительного комплекса, которая обычно хорошо работает, показана на рис 3.24. Для этого помещения из всего многообразия производимых в
мире акустических систем желательно подобрать двухполосную акустическую
систему прямого излучения с соответствующими рисунку углами излучения по
вертикали и горизонтали. Мощность системы должна обеспечивать средний
уровень звукового давления около 106 дБ, а в пике 116 дБ, тогда вокал и инструменты будут звучать чисто и неискаженно.
Для озвучивания помещения средних размером (например, 13 м на 15 м и
высотой 4,5 м) можно, также как и в маленьком помещении, использовать широкополосные акустические системы, обеспечивающие указанные на рис. 3.24
углы излучения по вертикали и горизонтали. При этом мощность системы звукоусиления должна обеспечивать средний уровень звукового давления 106 дБ и
пиковый 116 дБ. Для достижения более высоких уровней звукового давления
(например, среднего 116 и пикового 126 дБ) в данном помещении лучше использовать двухполосную систему с активным разделением частот. Конфигурация такой системы для среднего помещения показана на рис. 3.25.
Эта система к тому же позволяет регулировать угол наклона высокочастотной секции акустической системы под особенности геометрии помещения и
направить больше энергии в высокочастотном диапазоне на дальние ряды слушателей. Это позволит обеспечить более однородный уровень звукового давления во всем помещении и повысить прозрачность звука и разборчивость речи.
149
15 м
Угол излучения ВЧ-секции АС
по вертикали (40…60˚)
4,5 м
Рабочая ось ВЧ-секции АС
1,5 м
НЧ секция АС
Рис 3.24. Пример размещения излучателей в небольших залах
АС2
18
13 м
Рабочая ось
ВЧ-секции АС
Угол излучения ВЧ-секции
АС по горизонтали
АС1
Рис. 3.25. Пример размещения излучателей в залах средних размеров
Использование таких систем требует дополнительного прибора – электронного кроссовера. Этот прибор включает в себя электронные компоненты и
поэтому называется активным кроссовером. Примерная амплитудно-частотная
характеристика такого кроссовера показана на рис. 3.26.
150
Уровеньвых.сигнала, дБ
+20
+10
Вых НЧ
0
Вых ВЧ
-10
-20
20
Fp
20000
F,
Рис. 3.26. Амплитудно-частотная характеристика кроссовера
(Fp – частота раздела кроссовера)
Обычно кроссовер включается между выходами пульта и входами усилителей мощности, что делает систему двухполосной (иногда называемую «двухусилительной»). В двухполосной системе раздельные усилители подключены
непосредственно к низко- и высокочастотным секциям акустической системы.
Такие системы более гибки в настройке, обладают более высоким КПД, а также
снижают различимые на слух неприятные звуковые эффекты, связанные с перегрузкой усилителей (ситуации, которые время от времени возникают в любой,
даже правильно спроектированной системе). При использовании двухполосных
систем уровень звука высокочастотных секций должен быть сбалансирован с
уровнем звука низкочастотных секций. Один из самых простых способов достижения этого баланса – установить максимальным коэффициент усиления
всех усилителей, а на кроссовере уровень высоких частот уменьшить насколько
это возможно. Пока вы говорите или поете в микрофон, увеличивайте коэффициент передачи высоких частот на кроссовере, пока не получите натурального
звучания голоса, при этом баланс звука будет достигнут. Точную настройку
баланса можно произвести, используя третьоктавный анализатор спектра, с помощью которого можно определить уровни спектральных составляющих во
всём диапазоне частот.
Для озвучивания больших помещений размером примерно 15 м на 30 м и
высотой 6 м использование двухполосной системы является практически единственным путем для достижения необходимого уровня звукового давления и
качества звучания музыкальных и речевых программ. Однако в больших помещениях для обеспечения необходимого звукового давления уже не обойтись
одной высокочастотной секцией. В системе звукоусиления, показанной на
рис.3.27, используются две высокочастотные секции «ближнего» и «дальнего
боя» на каждую сторону.
151
30 м
Высокочастотные секции АС
Рабочие оси АС
6м
Низкочастотная секция АС
1618 м
Угол излучения ВЧ-секции «ближнего боя»
С
Ц
Е
Н
А
90
15 м
АС1
Рабочие оси
АС2
40
12

Угол поворота АС
относительно
боковой стены
Угол излучения ВЧ-секции «дальнего боя»
Рис.3.27. Пример размещения излучателей в больших помещениях
Как видно из рис. 3.27, одна из высокочастотных секций направлена непосредственно на заднюю стену для того, чтобы озвучить заднюю часть помещения. Другая высокочастотная секция направлена немного вниз для того, чтобы обеспечить требуемое звуковое давление в пространстве, между сценой и
зоной, расположенной несколько дальше середины зала. Так же, как и в случае
со средним помещением, при использовании двухполосной системы в большом
помещении необходимо сбалансировать по уровню высокочастотные секции
звукоусилительного комплекса с низкочастотными. Способ регулировки, не
требующий измерительных приборов, – это регулировка такого баланса «на
слух». Сначала необходимо сбалансировать звук между высокочастотными и
низкочастотными секциями акустической системы в дальней части помещения,
используя методику, описанную выше для помещений средних размеров. При
этом усилители, работающие на высокочастотные секции «ближнего боя»,
должны быть отключены. Затем нужно перейти в переднюю половину помеще152
ния и, увеличивая коэффициент усиления усилителей секции «ближнего боя»,
сбалансировать звук и в этой части помещения. Более точную настройку в разных точках зала лучше производить при помощи анализатора спектра.
3.8.2. Коррекция АЧХ помещения
Ранее были рассмотрены способы достижения баланса уровня звука между низкочастотными и высокочастотными секциями системы звукоусиления.
Эта балансировка является первым этапом настройки звукотехнического комплекса. Как уже отмечалось ранее, акустическое оформление залов, в которых
устанавливаются системы звукоусиления, редко бывает идеальным. Ровные
твердые поверхности сцены и пола, бетонные или кирпичные стены, элементы
интерьера зала создают большие проблемы для получения качественного звучания системы в таком зале. Для решения этих проблем в состав звукотехнического комплекса помимо кроссовера необходимо включить ещё один прибор –
эквалайзер, предназначенный для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) звукового сигнала. Хотелось бы отметить, что коррекция амплитудно-частотной характеристики звукового сигнала была применена еще на заре звукозаписи с появлением звукового кино, как попытка компенсировать несовершенство существующих в то время микрофонов. Первые конструкции
имели возможность ограниченного управления амплитудно-частотными характеристиками звукового сигнала (ВЧ-НЧ). Это был единственный способ коррекции звука до тех пор, пока Питер Бэксендол не разработал устройство «эквалайзер» (EQ, equal – выравнивать), ставшее впоследствии широко распространенным и популярным.
Эквалайзер, чаще всего графический, подключается между микшерным
пультом и кроссовером. Его главной функцией является частотная коррекция
помещения, так как именно помещение, а вовсе не правильно спроектированный и сбалансированный звукоусилительный комплекс, вносит наибольшие искажения в звучание.
Как известно, АЧХ помещения, предназначенного для озвучивания, должна быть линейной. Она не должна содержать пиков и провалов, способных
сказаться на результирующем звуке, получаемом в помещении при помощи
системы звукоусиления.
Из практических методов коррекции АЧХ залов можно отметить следующие.
Использование генератора белого шума. Напомним, что белый шум
представляет собой сумму колебаний со всеми частотами звукового диапазона
и имеющими равномерное энергетическое распределение по всему спектру.
При использовании данного метода контрольный микрофон следует расположить в середине помещения, направив его в сторону сцены. Система звукоусиления устанавливается на максимальный уровень громкости. Далее генератор
белого шума включается на короткий промежуток времени, при этом прослушивается звук, остающийся в помещении после его выключения. Настраивая
153
эквалайзер, необходимо добиться исчезновения призвуков до тех пор, пока не
появится возможность установить в системе требуемый уровень громкости.
Этот метод, однако, требует существенного опыта настройки залов.
Лучшие результаты можно получить при использовании анализатора
спектра. В этом случае на вход анализатора спектра подключается измерительный микрофон, который устанавливается в середине помещения. В тракт системы звукоусиления включается генератор белого шума. Теперь при помощи
эквалайзера необходимо скорректировать АЧХ помещения и системы звукоусиления, добиваясь её линейности, при возможно максимальном уровне
громкости.
Использование измерительной фонограммы. Для этого метода настройки необходим анализатор спектра и измерительная фонограмма, записанная на компакт-диске. В принципе вместо измерительной фонограммы можно
использовать любую качественную запись, звучание которой хорошо известно.
Сначала спектроанализатор подключается непосредственно к выходу CDпроигрывателя. Включив подходящий участок фонограммы, запоминаются показания анализатора спектра. Затем, установив в центре зала измерительный
микрофон, подключенный к анализатору, включается тот же фрагмент записи
через звукоусилительный комплекс с максимальным уровнем громкости, и снова снимаются показания анализатора спектра. Сравнив между собой эти показания, можно очень точно определить изменение спектрального состава, вносимое помещением. Если обнаружится, что существует усиление или ослабление звука на какой-либо частоте, оно компенсируется эквалайзером.
При проведении настройки системы звукоусиления с помощью анализатора спектра необходимо учитывать, что характеристика звучания, будучи линейной в отношении измерительного микрофона, вовсе не обязана быть линейной для слухового восприятия. При применении подобных способов настройки
в звучании системы будет ощущаться некоторый недостаток высоких и низких
частот (вспомните кривые равной громкости), поэтому с помощью таких методов можно определить лишь исходную позицию настройки эквалайзера системы, наиболее удобную для дальнейшей, более тонкой настройки. Так что, в конечном итоге, настройка все равно производится на слух, а анализатор спектра
– лишь удобный прибор для оценки акустической характеристики звука, воспроизводимого данным звукотехническим комплексом в данном помещении.
154
L, дБ
+10
АЧХ до эквализации
0
АЧХ после эквализации
-10
100 Гц
10 кГц
f, Гц
Рис.3.28. АЧХ зала до и после эквализации
.
3.8.3. Использование линий задержки
Кривая Хааса (рис.3.29) показывает зависимость превышения уровня задержанного сигнала над исходным от времени задержки, когда они воспринимаются как равногромкие. Из кривой следует, что если даже задержанный сигнал будет иметь несколько больший уровень по сравнению с исходным, то для
слушателя расположение (локализация) источника звука не изменится.
Эта кривая имеет большое значение при разработке комплексов звукоусиления. Существует так называемое «правило 30 мс». Из этого правила следует, что отражённые звуковые сигналы, приходящие к слушателю с временным интервалом менее 30 мс, субъективно усиливают прямой звук, улучшают
разборчивость речи и пространственное впечатление. Опытным путём было установлено, что оптимальной задержкой для речевых сигналов считается задержка, равная 15 мс. Отраженные звуки, приходящие позднее 30 мс, ухудшают разборчивость речи и приводят к возникновению эха.
В качестве подтверждения исследований Хааса на рис. 3.30 приведён
график, где процент слушателей, ощущающий дискомфортность звучания, показан как функция временной задержки звуковых сигналов, производимых первичным и вторичным источниками, и их относительного уровня.
Из предыдущего вытекает, что использование линий задержки преследует
две цели:
 улучшение разборчивости и пространственного впечатления;
 сохранение единства зрительного и слухового впечатления.
В качестве примера применения линий задержки и использования «правила 30 мс», рассмотрим работу системы звукоусиления конференц-зала.
При проектировании звуковых систем для конференц-залов, как правило,
применяют центральную или портальную системы с дополнительными потолочными громкоговорителями.
155
L, дБ
10
8
6
4
2
0
, мс
10
20
30
40
50
Рис. 3.29. Кривая Хааса
100
0 дБ
80
+10 дБ
60
% слушателей
-3дБ
40
-6 дБ
-10 дБ
20
40
60
80
100
120
140
160
Временной интервал между прямым звуком и
первым отражением
Рис. 3.30. Связь числа слушателей, испытывающих дискомфорт,
от задержки одного из сигналов и разницы в их уровнях
156
мс
На рис. 3.31 изображен типичный конференц-зал. Расстояние от сцены
до конца зала около 20 метров, высота около 5 метров. 7 рядов излучателей используются для покрытия звуковым полем всего зала.
Когда вы имеете дело с таким типом системы, нужно помнить, что обычно уши сидящего человека находятся на высоте около 1,2 м от пола. Таким образом, расстояние от ушей до потолочного громкоговорителя в нашем примере
составит 3,8 м, и звук от него достигнет ушей через 11 мс
3,8
(t
1000  2,9  3,8 ). В передних рядах слушатели будут слышать прямой
345
натуральный звук, а до заднего ряда звук дойдет через 58 мс (2,9 х 20). Если не
использовать систему задержки, то в заднем ряду звук из верхнего громкоговорителя будет услышан на 47 мс раньше, чем со сцены. Это выходит за пределы
«правила 30 мс», а значит, и будут потери в разборчивости. Очевидно, систему
можно улучшить, введя в нее линии задержки.
Время задержки, мс
15
30
45
60
5м
0
1,2 м
20 м
Рис. 3.31. Система звукоусиления конференц-зала
Задержав сигнал на 47 мс, мы полностью синхронизируем время прибытия сигналов, но для того, чтобы улучшить эффект локализации, мы должны
добавить вышеупомянутые 15 мс, при этом задержка составит 62 мс. Но если
мы будем использовать только одну линию задержки, то возникнут проблемы в
передних рядах помещения. Там услышат звук со сцены через 6 мс и через 73
мс от излучателей над головой, что неизбежно вызовет потерю разборчивости.
Без задержки слушатель из переднего ряда услышит прямой звук через 6 мс, и
через 11 мс из излучателей. Та же проблема со слушателями, сидящими еще
дальше, но если есть задержка в 62 мс, то прямой звук дойдет через 18 мс, а
сверху через 73 мс – разница 55 мс, мы опять не попадаем в «зону 30 мс». В
157
центре зала (10 м) разница с задержкой будет 44 мс. Поэтому возникает необходимость введения второй линии задержки. Но фактически нужно поставить
три линии задержки – для получения максимальной локализации и разборчивости. Также необходим всего один эквалайзер для всей системы. Проектируя
такую систему, для успешного применения задержек нужно помнить о перекрытии двух зон с разной задержкой. Для устранения этих проблем разница во
времени задержки в соседних зонах не должна превышать 30 мс.
В установках, описанных выше, колонки центральной акустической системы могут быть установлены на платформу, или пара направленных колонок
может устанавливаться по сторонам платформы для обеспечения сильного направленного звука. В зависимости от ситуации и геометрии помещения, можно
использовать небольшую задержку, чтобы быть уверенным, что звук со сцены
дойдет до слушателя первым. Лучше разместить центральные динамики под
потолком. Задержка в этом случае будет выглядеть более натурально, при этом
будет хорошо выдержано чувство направления. (Наш слух хуже определяет направление по вертикали, чем по горизонтали.) В акустически «бедных» помещениях одиночный источник звука создаст меньше нежелательной отраженной
энергии, чем две широко расставленные акустические системы.
В некоторых залах не всегда возможно крепить излучатели к потолку –
или потолок очень высокий, или этого нельзя делать по архитектурным причинам. В таком случае излучатели могут быть установлены на стенах ниже потолка по периметру помещения. Расчет задержек производится так же, как и для
потолочных систем, хотя увеличивается расстояние между каждым излучателем. Зоны перекрытия помещения звуковым полем должны быть спланированы
очень тщательно. Громкоговорители должны быть направлены вниз так, чтобы была хорошая зона перекрытия от каждого излучателя, и эти зоны не
пересекались.
Альтернативой множеству распределенных низкоуровневых излучателей
является применение основной группы линейных излучателей, работающих по
длине здания, зоны или зала. В большинстве случаев невозможно обеспечить
полное покрытие помещения звуковым полем без дополнительных повторяющихся групп. Для обеспечения хорошей разборчивости вторичные динамики
должны быть синхронизированы и выровнены относительно друг друга для
поддержания достаточной зоны охвата. Применив задержку для вторичных излучателей и синхронизировав их с основной группой, можно получить значительные улучшения в чистоте и разборчивости речи.
Аналогичны в использовании системы задержки звука для открытых пространств. В них используются те же принципы: сцена с центральной группой и
повторяющие динамики, находящиеся на определенном расстоянии от сцены; в
их усилительный тракт включены линии задержки.
Когда приходится работать с большими расстояниями, а соответственно и
большими задержками, приходится учитывать влияние внешних атмосферных
явлений, например влажность, температура, скорость ветра. Температура и направление ветра могут значительно влиять на передачу звука, изменяя звуковой
158
путь и влияя на время задержки. Избыточное поглощение звука на определенных частотах может также произойти при его передаче на большие расстояния
и должно корректироваться с использованием графического эквалайзера. Высокие частоты могут затухать из-за избыточного воздушного поглощения, а
близость расположения акустических систем с землей может повлиять на передачу звука в области средних и низких частот.
Наиболее привычной конфигурацией звукотехнического комплекса для
открытых пространств (например, стадионов) является та, где центральная
группа громкоговорителей используется для покрытия звуковым полем основного стадиона и мест зрителей, тогда как локальная система используется для
покрытия звуковым полем верхних рядов. Если эти зоны связаны с основной
ареной, то потребуется существенная задержка для компенсации разницы звука. Количество требуемых линий задержки будет зависеть от конструкции самого стадиона, отношения длины к ширине и положению центральной группы.
Например, если стадион имеет квадратную форму, то потребуется одна или две
линии задержки. Тем не менее, если стадион прямоугольной формы и есть
большая разница между длиной и шириной, потребуются свои параметры задержки для каждой стороны. Может понадобиться несколько промежуточных
задержек для покрытия промежуточных зон между короткими и длинными
сторонами.
В зданиях с относительно низкой высотой потолков, таких как ледовый
дворец, закрытый стадион или выставочный зал, не всегда возможно обеспечить адекватное покрытие звуковым полем периферийных участков с помощью
центральной группы акустических систем. Например, выставочные стенды и
экспонаты могут создавать так называемые теневые зоны. Эти зоны должны
быть озвучены дополнительно включенными в тракт усиления громкоговорителями, для которых необходимо включить цифровые линии задержки. И наоборот, если пространство сильно отражает и «реверберирует» звук, например
ледяной каток, тогда по желанию можно минимизировать реверберационное
возбуждение путем выключения громкоговорителей, работающих на свободные от слушателей или иные ненужные зоны. Но можно и ограничить зону покрытия звуковым полем центральной группой громкоговорителей для избежания отражения звука от нежелательных поверхностей. Например, установить
защитные экраны вокруг ледяного поля. И снова может потребоваться несколько линий задержки, которые должны быть настроены с применением «правила 30 мс». В этой ситуации необходимо избегать задержек между смежными
областями.
На дискотеках правильное сочетание звуковой картины и игры света играет ключевую роль. Было замечено, что добавление задержки позволяет значительно расширить и улучшить акустическое восприятие. Основная система
работает напрямую, без задержки, но, введение задержки для вспомогательных
излучателей, расположенных вокруг танцевальной зоны пола, позволяет «раскрыть» звучание музыки. Этот прием сделает звук неограниченным, придаст
ему воздушное, пространственное ощущение музыки. Будет создан эффект то159
го, что слушатель «находится в звуке». Это – чувство погружения и охвата звуковым полем. Такой эффект нельзя достичь увеличением громкости или применением эквалайзера. Низкочастотная составляющая спектра музыки благодаря задержке тоже улучшается, становясь более насыщенной и реалистичной.
Задержки в районе 40…80 мс обычно являются оптимальными, но нужные установки для конкретного помещения дискотеки находятся только экспериментальным путем.
3.9. Основные параметры электроакустической аппаратуры
3.9.1. Основные характеристики микрофонов
Чувствительность – отношение напряжения U на выходе микрофона к
звуковому давлению ρ, действующему на микрофон:
U
U

(3.28)
Чувствительность определят или по напряжению холостого хода или по
напряжению на номинальной нагрузке. За номинальную нагрузку обычно принимают модуль внутреннего сопротивления микрофона на частоте 1000Гц.
В зависимости от условий измерения различают чувствительность по свободному и по диффузному полю.
Свободным полем называют такое поле, в котором преобладает прямая
звуковая волна, а отраженные волны отсутствуют или пренебрежимо малы.
Диффузное поле – это такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по все направлениям распространяются
одинаковые потоки энергии.
Уровень чувствительности – чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины 1В/Па.
Стандартный уровень чувствительности – выраженное в децибелах
отношение напряжения U ном , развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки R ном при звуковом давлении 1Па, к напряжению, соответствующему
мощности Ро = 1мВт, т.е. уровень мощности, отдаваемой микрофоном в номинальную нагрузку при ρ = 1Па.
N ст  20lg
U ном
R ном Pо
 20lg
E ном
R ном 10
3
,
(3.29)
где U ном = E ном – напряжение на номинальной нагрузке.
Характеристика направленности оценивается отношением чувствительности микрофона, измеренной при приходе звука под углом Θ к осевой
чувствительности:
160
R 
E
EОС
(3.30)
Графическое представление характеристики направленности часто делают в полярных координатах, и такой график называют диаграммой направленности.
Очевидно, что из-за направленности микрофона его чувствительность по
диффузному полю E диф будет меньше осевой чувствительности. Для учета величины этого уменьшения введен коэффициент направленности.

E 2ОС
E 2диф
(3.31)
Этот коэффициент определяют на ряде частот или для полосы частот.
Коэффициент направленности, выраженный в децибелах, называется индексом направленности:
Qм  10lg 
(3.32)
Индекс направленности показывает разницу в уровнях мощности, развиваемой
микрофоном, под действием двух источников звука: одного, расположенного
на оси, и другого – источника рассеянных звуковых волн, если оба создают в
точке расположения микрофона одинаковое давление. Иными словами, индекс
направленности показывает величину подавления шума по отношению к сигналу, проходящему по оси микрофона.
Перепад чувствительности «фронт/тыл» - отношение осевой чувствительности микрофона к чувствительности E180 (под углом 180 к его оси)
Q0
 20lg
180
EОС
 NОС  N180
E180
(3.33)
Следует заметить, что даже в отсутствии какого-либо акустического
сигнала около микрофона напряжение на его выходе равно нулю. Наличие напряжения вызвано флюктуациями частиц в окружающей среде и тепловыми
шумами в электрической части микрофона. Уровень собственных шумов,
приведенный к акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного
звукового давления pш , при воздействии которого на микрофон получилось бы
выходное напряжение микрофона U ш , развиваемое им в отсутствии звуковых
колебаний, т.е.
Lш  20lg
где p 0 
pш
,
p0
U0
5
; p0  2 10 Па.
Е ос
161
(3.34)
Кроме вышеперечисленных показателей микрофон характеризуется и другими показателями, в том числе номинальным диапазоном частот и допустимой
неравномерностью частотной характеристики.
3.9.2. Технические характеристики громкоговорителей
Являясь самым распространенным типом электроакустических преобразователей, громкоговоритель характеризуется большим числом параметров.
Стандартами определены основные характеристики и термины, к ним относящиеся, наиболее употребительные из которых приведены ниже.
Естественно, что целесообразно начать с самого термина «Громкоговоритель» – устройство для излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей,
необходимое акустическое оформление, необходимые электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и т.п.).
Головка громкоговорителя – пассивный электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования сигналов звуковой частоты из
электрической формы в акустическую.
Акустическое оформление – конструктивный элемент громкоговорителя, обеспечивающий эффективное излучение звука (акустический экран, ящик,
рупор и т.п.).
Звуковая колонка – громкоговоритель с отличающейся направленностью звукоизлучения в различных плоскостях, содержащий, по крайней мере,
одну линейную цепочку однотипных громкоговорителей или головок громкоговорителей и предназначенный для озвучения помещений или открытых пространств.
Акустическая система – громкоговоритель, предназначенный для использования в качестве компонента в бытовой радиоэлектронной аппаратуре
(как правило, содержит несколько разнотипных головок).
Акустический (рабочий) центр – точка, лежащая на рабочей плоскости,
от которой производится отсчет расстояния от громкоговорителя. Рабочая
(акустическая) ось – прямая, проходящая через рабочий центр громкоговорителя и перпендикулярная рабочей плоскости. Для сложных громкоговорителей
акустическая ось и акустический центр указываются в описании громкоговорителей.
Для громкоговорителя, как и для любого устройства, необходимо иметь
ряд объективных (измеряемых приборами) показателей, позволяющих определить его качество или сравнить между собой различные образцы.
ГОСТ 16122-84 устанавливает несколько десятков электроакустических
характеристик громкоговорителей, рассмотреть которые в рамках учебного пособия не представляется возможным. Здесь мы рассмотрим только те, без которых невозможно произвести расчет систем озвучения и звукоусиления. Обращаем ваше внимание на то, что, экономя объем учебного пособия, мы, тем не
менее, приведем несколько параметров, которые фактически дублируют друг
друга. Объясняется это тем, что для оценки одних и тех же характеристик раз162
ные страны вводили свои параметры. Это, естественно, нашло свое отражение в
справочных данных на громкоговорители. Поэтому стандарты в настоящее
время уравняли в правах эти параметры, хотя они могут быть получены путем
простого пересчета.
Многие годы основной характеристикой громкоговорителя считалась его
чувствительность (отдача) – звуковое давление, развиваемое в некоторой определенной точке поля (обычно на расстоянии 1 м на его акустической оси) при
подведении к его зажимам напряжения 1 В. Определяемая таким образом чувствительность удобна для суждения о поведении одного и того же громкоговорителя на различных частотах или, иными словами, для построения АЧХ чувствительности. Однако, если понятие чувствительности удобно для оценки указанной неравномерности, то оно совершенно неприемлемо при сравнении
громкоговорителей.
Рассмотрим такой пример: предположим, что была измерена чувствительность двух громкоговорителей и величина звукового давления была получена одинаковой. Допустим, что номинальное сопротивление у второго громкоговорителя больше, чем у первого. Так как величина подводимого к ним электрического напряжения была одинакова, то потребленная вторым громкоговорителем электрическая мощность была меньше, чем у первого. Вспомним, что
громкоговоритель является преобразователем подведенной электрической
мощности в акустическую, и чем выше величина излученной или акустической
мощности, тем больше и звуковое давление. Очевидно, что в данном случае
эффективность второго преобразователя выше первого. А при выбранном нами
критерии мы бы оценили их одинаково. Поэтому принято нормировать величину подводимой электрической мощности.
Одним из основных параметров, характеризующих эффективность работы громкоговорителя является среднее стандартное звуковое давление pст –
это среднее значение звукового давления, развиваемого громкоговорителем в
номинальном диапазоне частот в точке на акустической оси, на расстоянии 1 м
от рабочего центра в условиях, эквивалентных свободному полю, при подведении к нему синусоидального электрического напряжения, соответствующего
подводимой электрической мощности 0,1 ВА при частоте 1000 Гц.
Подводимое при этом к громкоговорителю напряжение будет u  0,1R ,
где R – номинальное электрическое сопротивление громкоговорителя на частоте 1000 Гц. При таком подходе разные громкоговорители сравниваются при одном и том же значении потребляемой мощности.
Международной электротехнической комиссией (МЭК) стандартизовано
понятие характеристической чувствительности Ех – под которой понимается
отношение среднего звукового давления, развиваемого громкоговорителем в
заданном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра в условиях, эквивалентных свободному полю, и подводимой электрической
мощности 1 Вт.
Таким образом, характеристическая чувствительность отличается от
среднего стандартного звукового давления лишь тем, что к громкоговорителю
163
подводится электрическая мощность не 0,1 Вт, а 1 Вт.
В соответствии с этим
 Па 
E x  10 p ст  3,16pст,  1 
 Вт 2
(3.35)
Помимо этих величин за рубежом часто применяют так называемый уровень характеристической чувствительности – 20-кратный десятичный логарифм
отношения характеристической чувствительности к чувствительности 210-5,
т.е.
Ex
L хар  20lg
(3.36)
5
2  10
Пример: Пусть стандартное звуковое давление рст =0,2 Па, тогда характеристическая чувствительность Ех=0,2х3.16=0,632
Па
Вт
1
, а уровень характе2
-5
ристической чувствительности Lхар=20lg 0,632/210 = 90 дБ.
Среднее номинальное звуковое давления рном отличается от стандартного тем, что оно определяется при подведении к излучателю номинальной электрической мощности. В справочной литературе приводятся значения или той
или другой величины. Связь между этими параметрами определяется соотношением
(3.37)
р  р 10P эл.ном .
ном
ст
Между характеристической чувствительностью, стандартным и номинальным звуковыми давлениями существует связь:
E x 
p ном
р
 ст
0,1
Р эл .ном
(3.38)
Номинальное звуковое давление может быть выражено через уровень характеристической чувствительности:
0,05( Lха р  94)
(3.39)
р 
ном
Рэл.ном 10
Зная номинальное звуковое давление, легко определить звуковое давление на акустической оси на любом расстоянии от акустического центра излучателя, имея в виду условия изменения звукового давления в шаровой волне:
(3.40)
p( r )  p
r
ном
Характеристика направленности – отношение эффективного звукового
давления p, развиваемого громкоговорителем в направлении, составляющим
угол  с акустической осью, к эффективному звуковому давлению р0 в равноудаленной от акустического центра точке, расположенной на акустической оси
(в условиях свободного поля). Эту характеристику обычно нормируют по отношению к осевому давлению р0.
164
Характеристика направленности, снятая в плоскости, называется диаграммой направленности. Поскольку последняя зависит от частоты, ее измеряют на ряде частот или для полосы частот. Если громкоговоритель имеет осевую симметрию, то его характеристика направленности тоже будет иметь осевую симметрию. В этом случае достаточно иметь характеристику направленности только для одной плоскости. В большинстве случаев достаточно иметь диаграммы направленности для двух взаимно перпендикулярных плоскостей.
Коэффициент осевой концентрации  – показывает, во сколько раз
меньшую мощность должен излучать данный громкоговоритель по сравнению
с ненаправленным, чтобы он развил то же осевое давление р0. Для ненаправленных громкоговорителей коэффициент осевой концентрации равен единице,
для направленных может достигать нескольких десятков.
Номинальная электрическая мощность – максимальная мощность,
подводимая к громкоговорителю в форме синусоидального тока, при которой
вносимые излучателем нелинейные искажения не превышают значений, допускаемых техническими условиями.
Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению –
зависимость от частоты звукового давления, развиваемого громкоговорителем
в точке свободного поля на акустической оси на определенном расстоянии от
акустического центра при постоянном напряжении на зажимах громкоговорителя.
Коэффициент полезного действия – отношение излучаемой громкоговорителем акустической мощности Рак к подводимой электрической мощности
Рэл.
  Рак
Рэл
(3.41)
Входное сопротивление громкоговорителя Zвх сильно зависит от частоты,
имея максимум на частоте основного резонанса механической колебательной
системы и минимум на частоте электромеханического резонанса. Это минимальное значение приводится в справочной литературе в качестве номинального электрического сопротивления громкоговорителя.
Ниже в таблицах 3.27-3.33 приведены основные характеристики микрофонов и громкоговорителей.
165
Таблица 3.27- Параметры некоторых типов зарубежных микрофонов
Тип микрофона
Фирма (страна)
Номинальный
Чувствительность
Внутреннее сопродиапазон часхолостого хода, Направленные свойства
тивление, Ом
тот, Гц
мВ/Па
Электродинамические микрофоны
D7S
AKG(Австрия)
70-20000
600
2,6
cупер-кардиоида
D11
D22
D44S
D88S Jack
D77S Jack
D542E
То же
То же
То же
То же
То же
20–20000
60-18000
70-18000
40-20000
40-20000
600
600
300
600
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
кардиоида
кардиоида
кардиоида
cупер-кардиоида
кардиоида
То же
150-15000
530
2,5
кардиоида
D542
То же
150-15000
530
2.2
кардиоида
F-50S
Audix
50-16000
250
2.5
кардиоида
F-V220
F-V320
F-V620
SM-58
PG58-QTR
Sony (Япония)
То же
То же
Shure (Мексика)
То же
100-12000
2,2
2,2
70-16000
50-15000
60-15000
600
600
600
150
300
1,85
2,2
BETA58A
То же
50-16000
150
2,6
С607-N
То же
50-15000
600
2
ОН
ОН
ОН
кардиоида
кардиоида
cупер-кардиоида,
круговая
ОН
166
Тип микрофона
N-90
DM-DV5
E825S
E845S
E902
E935
SBCMD15
0/00
Фирма (страна)
Stedman
(США)
PIONEER
SENNHEISER
То же
То же
То же
PHILIPS(КНР)
Номинальный
диапазон частот, Гц
Внутреннее сопротивление, Ом
Чувствительность
холостого хода, Направленные свойства
мВ/Па
35-19000
250
2
ОН
18-13000
80-15000
40-16000
20-18000
40-18000
600
350
200
350
350
2
1,5
3
0,2
2,8
супер-кардиоида
кардиоида
cупер-кардиоида
кардиоида
кардиоида
85-11000
600
2,5
направленный
Конденсаторные микрофоны
Perception
120
Perception
220
C411L
AKG(Австрия)
20-2000
200
5.4
кардиоида
То же
20-20000
200
18
кардиоида
То же
10-20000
200
2
C414BXLS
То же
20-20000
180
12,5
C 414LTD
То же
20-20000
200
23
кардиоида
кардиоида, гиперкардиоида, круговая,
8-образная
круговая, широкая кардиоида, кардиоида,
гипер-кардиоида,
8-образная
C214
C5
То же
То же
20-20000
65-20000
200
200
20
4
167
кардиоида
кардиоида
Фирма (страна)
Номинальный
диапазон частот, Гц
Внутреннее сопротивление, Ом
То же
60-20000
200
5
C4000B
То же
20-20000
200
25
C 1000 S
То же
50-20000
200
6
C 2000 B
То же
30-20000
200
20
кардиоида
То же
20-20000
200
25
кардиоида
То же
20-20000
200
25
Alctron
20-20000
200
2
ART
Shure (Мексика)
То же
Нойман (Германия)
Stedman (США)
Audix
PROAUDIO
M-Audio
20-20000
40-20000
50-20000
20-20000
25-19000
10-20000
20-20000
200
200
100/150
150
50
250
200
200
200
1,5
10
0,2
21
14
9,3
-36дБ
13,8
Тип микрофона
C518M
Чувствительность
холостого хода, Направленные свойства
мВ/Па
кардиоида
круговая, кардиоида,
гипер-кардиоида
кардиоида,
гипер-кардиоида
C 3000
C 4000 B
BC 400
M-Two
VP88
BETA 87A
TLM 103
С15
F15
TM-62
Aries
168
кардиоида, гиперкардиоида, круговая
кардиоида, круговая,
восьмерка
кардиоида
кардиоида 8-образная
кардиоида
кардиоида
кардиоида
кардиоида
супер-кардиоида
кардиоида
Таблица 3.28 – Характеристики некоторых типов зарубежных звуковых колонок
Тип
10КЗ-4
20КЗ-4
3КЗ-5
LA1-UW24-x
CS-520
CS-530
CS-810
CS-820
CS-830
Yamaha NS-F 140
Yamaha NS-777
DefenderAurora M35
Genius SP-E120
LA1-UW24-x
Microlab B-73
Microlab B-75
Microlab SOLO1
Номинальная мощность, Вт
10
20
3
24
20
30
10
20
30
40
100
36
2
24
26
26
30
Частотный диапазон,
Гц
100-10000
200-10000
100-10000
165-16000
250-14000
150-14000
200-22000
200-22000
200-22000
37-30000
30-35000
90-20000
80-20000
165-16000
60-20000
60-20000
55 - 22 000
169
Номинальное звуковое давление, дБ
88
88
82
110
93
95
92
93
96
86
89
65
70
96
60
60
60
Габариты, мм
295*110*100
295*110*100
241*120*146
841*151*129
158*410*116
158*510*116
149*310*124
149*420*124
149*530*124
200*950*362
276*1100*391
140*250*140
96.5*177*124
841*151*129
161* 245*202
210*350*150
420*270*360
Таблица 3.29 – Основные параметры акустических систем
Основные электроакустические характеристики
Тип низкочастотного аку- Диапазон вос- Уровень характеМасса,
Предельная
Модель
Размеры, мм
стического
кг
производимых ристической чувшумовая
оформления
частот, Гц
ствительности, дБ мощность, Вт
TruAudio DV-6
закрытый
60-20000
89
80
241*241*102
5
ATC C3C
54-22000
108
300
550*220*317
30
AvalonAscendant
закрытый
28-25000
89
50-200
940*254*330
34
AvalonAspect
закрытый
28-25000
92
15-200
39*102*43
34
AvalonIsis
закрытый
16-10000
87
50-500
1540*368*413
95
Defender 2.1 Avante M40
закрытый
20-20000
75
10
260* 480*310
6,6
DefenderAurora M35
90-20000
65
18
140*250*140
AAD C-204 Cherry
AAD C-204 Maple
AAD SR-1 Cherry
Acoustic Energy Aegis
Neo One V2 Black Ash
Yamaha NS-777 piano
black
Yamaha NS-AW392
black
Yamaha NS-C444 ch
Yamaha Soavo-900C Birch
Audio Pro IMAGE
Black Diamond V.3
фазоинвертор
фазоинвертор
открытый
70-20000
70-20000
70-30000
88
88
87
20-100
20-100
20-150
156*494*195
156*494*195
270*258*88
7,5
7,5
4
фазоинвертор
60-40000
89
25-100
357*182*237
6
фазоинвертор
30-35000
89
100
1170*310*371
24,4
фазоинвертор
60-25000
86
40-120
273*170*136
1,8
фазоинвертор
открытый
Открытый
корпус,
фазоинвертор
55-35000
56-55000
89
89
100
40-200
515*213*190
500*170*246
7,3
8,6
35-30000
90
25-150
1048*175*355
21,3
170
Audio Pro IMAGE
BLACK RUBY C
Audio Pro IMAGE
SUB B1.29 black
Audio Pro Wigo Wi110 Black
Genius 2.1 SW-N2.1
200
Genius 2.1 SW-S2.1
900
Elac FS 57.2
Elac FS 247
Elac FS 67.2
Elac FS 249
Elac FS 187
Legacy Audio Expression
Legacy Audio Focus HD
LegacyAudioFocus SE
Monitor Audio Bronze
BX5
Monitor Audio Silver
RX6
Monitor Audio Gold
GX200
Monitor Audio Platinum PL200
Открытый
корпус,
фазоинвертор
Открытый
корпус
55-22000
90
25-125
125*420*155
7
27-100
90
200
385* 325* 325
16.8
фазоинвертор
50-30000
87
25-150
257*143*200
2,5
фазоинвертор
200-20000
70
5
75* 150*53
2,05
фазоинвертор
10-20000
75
22
75*158*80
1,8
фазоинвертор
фазоинвертор
фазоинвертор
фазоинвертор
фазоинвертор
фазоинвертор
фазоинвертор
фазоинвертор
38 - 25000
30-50000
38-25000
28-50000
36-50000
35-22000
16-30000
16-30000
89
89
88
90
90
92
96
96
20-150
30-250
20-150
30-400
20-200
23-300
10-500
10-500
940*200*300
1022*220*320
950*220*300
1147*260*368
975*210*290
978*279*279
1480*400*330
1440*350*390
14
16.8
14.5
27.2
15
34
80
83
фазоинвертор
36-30000
90
30-120
850*166*248
12
фазоинвертор
38-35000
90
125
905* 275*310
16.4
фазоинвертор
35-60000
89
150
951*170*300
22.2
фазоинвертор
35-100000
90
100-250
255*998*285
33
171
Таблица 3.30 -Основные параметры громкоговорителей комплектов киноустановок
Тип комплекта
Место установки
Номинальный
диапазон частот,
Гц
Среднее номинальное
звуковое давление,
дБ
ScreenArray JBL 4632
За экраном
30-20000
106
ScreenArrayJBL 3677
За экраном
40-20000
99
НЧ-800Вт
С/ВЧ-400Вт
250 Вт
ScreenArray JBL 3678
За экраном
30-20000
98
300 Вт
ScreenArray JBL 3632
За экраном
30-20000
103
ScreenArray JBL 4632
За экраном
30-20000
129
ScreenArrayJBL 5672
За экраном
35-16000
103
600 Вт
800 Вт
200 Вт
200 Вт
ScreenArrayJBL 3722
За экраном
30-20000
127
ScreenArrayJBL 4632
За экраном
30-20000
106
ScreenArrayJBL 4675C
За экраном
35-2000
100
172
Максимальная электрическая
мощность, ВА
400 Вт
800 Вт
200 Вт
600 Вт
Таблица 3.31-Основные параметры рупорных и радиальных громкоговорителей
Тип громкоговорителя
Номинальные
МощНапряность,
жение, В
Вт
Модуль сопротивления, Ом
Рабочий
диапазон
частот, Гц
Неравномерность АЧХ,
дБ
Среднее стандартное звуковое давление, дБ
Габариты,
мм
Масса,
кг
Назначение
Рупорные
30
70
100
167
333
220-20000
115
255*370*
354
5,5
Озвучение
10
100
1000
250-5800
112
213*186*
310
3,6
Озвучение
15
100
1000
500-7000
113
267*171*
156
1,25
52,5
100
286
380-5000
127
499*490
4,5
LBC 3438/00
(Bosch)
37,5
100
400
420-3500
114
271*170
5
HS-10CD
10
100
400
350-7000
109
HS-20RT
20
100
500
400-5000
107
HS-30RT
30
100
330
380-6500
107
LH1-UC30E
(Bosch)
LH110M10E
(Bosch)
LBC 3481/12
(Bosch)
LBC 3483/00
(Bosch)
120*120*
190
Ø
248*290
320*210 *
365
1,2
2,2
3
Озвучение
Озвучение
Озвучение,
огнестойкий
Озвучение
Озвучение
Озвучение
Радиальные
10ГДН-1
10
25ГДН-1
25
30
120
240
30
120
240
90
1440
5760
36
576
2304
800-8000
16
79
Ø620*520
15
Озвучение
800-8000
16
84
Ø788*667
26
Озвучение
173
Таблица 3.32 – Основные параметры некоторых типов акустических систем
Тип акустической
системы
Номинальная
мощность,
Вт
PV 112
PV 118
Pro 12
UL 10
ST 15
SP 218
SP 118
400
800
250
200
200
1200
600
FS 57.2
FS 247
FS 67.2
FS 249
FS 187
150
250
150
400
200
AELITE
THREE
AEGIS
NEO
THREE V2
AEGIS
NEO FOUR
V2
AE3 MkII
Radiance 2
Radiance 3
GB1i
FB1i
FACT 8
PB1i
Диапазон воспроизводимых
частот, Гц
Уровень характе- Входное
ристической чув- сопротивствительности, дБ ление, Ом
Фирма PEAVEY
60-19000
40-18000
60-22000
100-18500
65-20000
51-300
49-300
Фирма Elac
38 - 25000
30-50000
38-25000
28-50000
36-50000
Фирма AcousticEnergy
106
95
97
98
97
100
98
8
8
4
8
8
8
8
89
89
88
90
90
8
8
8
8
8
175
34-27000
89
8
170
35-45000
90
8
200
32-45000
91
8
125
200
200
42-20000
45-45000
40-45000
Фирма РМС
29-25000
22-25000
28-30000
24-25000
90
89
90
6
8
8
87
90
89
87
8
8
8
8
150
150
150
150
Таблица 3.33 – Параметров некоторых типов усилителей мощности
Тип усилителя
PV2600
PV1500
GPS 900
CS 1400
CS 2000
GPS 3500
CS 4000
P5000S
P2500S
P3500S
P7000S
P-1600
T4N
LPS 2500
LPS 800
XLS 1500
Выходное сопротивление,
Ом
Фирма Peavey
2x900
4
2x550
8
2х500
4
2х300
8
2x450
2
2x330
4
2х200
8
2x700
2
2x500
4
2x330
8
2х1075
2
2х760
4
2х495
8
2х1200
4
2х775
8
2х2000
2
2х1350
4
2х800
8
Фирма YAMAHA
2 x 700
4
2 x 310
4
2 x 450
4
2х700
8
2х950
4
2х160
8
2х200
4
2 х 1150
8
2 х 2050
4
2 х 2200
2
Фирма Crown
2x725
4
2x550
8
2х300
4
2х150
8
2х775
2
2х525
4
2х300
8
Номинальная
мощность, Вт
175
Дополнительные
режимы работы
1000/8Ом (мост)
900/4Ом (мост)
-
2150/4Ом(мост)
2400/8Ом (мост)
4000/4Ом (мост)
2600/4Ом (мост),
1300/4Ом (мост)
2000/4Ом (мост)
1900/8Ом (мост)
400/7Ом (мост)
4100/8Ом (мост)
4400/4Ом (мост)
1450/8Ом (мост)
600/8Ом (мост)
1050/8Ом (мост)
1550/4Ом (мост)
Контрольные вопросы
1. Какие основные задачи решаются с помощью систем звукоусиления?
2. Какими параметрами характеризуется звуковое поле в помещении?
3. Какие требования предъявляются к системам звукоусиления и озвучения?
4. Поясните понятие акустической обратной связи.
5. Какие типы систем озвучения и звукоусиления относят к сосредоточенным
системам?
6. Какие типы систем озвучения и звукоусиления относят к зональным?
7. Какие типы систем озвучения и звукоусиления относят к распределённым?
8. Поясните методику определения оптимального времени реверберации.
9. Каким образом выбирается система звукоусиления и тип излучателей?
10. Поясните методику расчёта звукового поля с учётом размещения излучателей?
11. Какие существуют методы увеличения устойчивости систем звукоусиления?
12. Каким образом можно рассчитать понятность и разборчивость речи?
13. Поясните особенности расположения излучателей для малых, средних и
больших залов.
14. Каким образом можно скорректировать амплитудно-частотную характеристику зала?
15. Поясните назначение и методику использования в залах линий задержки.
16. Какие параметры характеризуют работу микрофона?
17. Какие параметры характеризуют работу громкоговорителя?
176
ГЛАВА 4. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
4.1. Измерение времени реверберации
Процесс затухания звука в помещении после отключения (прекращения
действия) источника звука называется реверберацией. Реверберация характеризуется временем стандартной реверберации, под которым понимается время, в
течение которого звуковое давление после выключения источника звука
уменьшается в 103 раз, т.е. на 60 дБ.
Время реверберации является одним из основных, легко поддающихся
измерению параметров, определяющим акустику помещения. Так как для оптимальных акустических условий требуется обеспечить вполне определенную,
зависящую от функционального назначения помещения частотную характеристику времени реверберации, то и измерение времени реверберации производится во всем спектре звуковых частот.
Структурная схема измерительного тракта представлена на рис.4.1.
4
1
2
3
5
6
7
8
Рис.4.1. Структурная схема измерения времени реверберации:
1 – источник измерительного сигнала; 2,7 – полосовые фильтры;
3,6 –усилители; 4 – громкоговоритель; 5 – измерительный микрофон;
8 – самописец уровней
Вначале определим, какие сигналы могут быть использованы в качестве
измерительных. Учитывая, что звуковое поле в помещении не всегда является
диффузным (правильнее даже сказать – никогда не является полностью диффузным), для измерения нельзя использовать чистые тоны. При измерении на
чистых тонах в помещении могут возникнуть стоячие волны, и результаты измерений будут существенно отличаться от реальных. Поэтому оптимальным
является шумоподобный сигнал по возможности с более широким спектром.
Для возбуждения звукового поля можно также использовать звуковой генератор с частотно-модулированным сигналом (генератор «воющего» тона). Иногда
в качестве измерительных используются короткие импульсные сигналы (как
известно, имеющие широкий спектр) – выстрелы из ружья или стартового пистолета. С помощью фильтров из принятого микрофоном сигнала выделяют желаемую полосу частот. Учитывая громоздкость измерительной аппаратуры, измерительные сигналы зачастую заранее записывают на магнитофон.
177
Для измерения частотной характеристики времени реверберации перед
усилителем необходимо устанавливать полосовые фильтры с шириной не более
октавы. При построении характеристик результаты измерений относят к среднегеометрической частоте фильтра. Среднегеометрические частоты октавных
полос стандартизованы и равны 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
В качестве излучателей применяют громкоговорители, по возможности,
не обладающие направленными свойствами. Создаваемые в помещении уровни
звукового давления должны быть порядка 100120 дБ, чтобы обеспечить регистрируемый перепад звукового давления в идеале на 60 дБ (но не менее 40 дБ).
При измерении времени реверберации в студиях, театрах и т.п. громкоговорители устанавливаются в месте предполагаемого размещения исполнителей.
Приемный тракт состоит из одного или нескольких микрофонов, усилителя, фильтров и самописца уровней. Микрофон приемного тракта также не
должен обладать направленными свойствами. Расстояние от микрофона до стен
должно быть не менее одного метра, расстояние от микрофона до излучателя
звука должно быть по крайней мере в два раза больше, чем предельный радиус,
вычисленный по формуле r  0, 056
V
, м, где V – объем помещения, м3; Т –
T
примерное предполагаемое время реверберации.
Запись процесса спада звуковой энергии в помещении после отключения
источника звука осуществляется логарифмическим самописцем уровней.
При измерении времени реверберации очень часто возникает проблема
обеспечения требуемого превышения (60 дБ) максимального сигнала над шумом. Особенно сложно сделать это в шумных производственных помещениях.
В этих случаях уровнеграмму, записанную самописцем, приходится экстраполировать до размаха 60 дБ. Сказанное поясняет рис.4.2.
0
-
Лентасамописца
Шум
-
S
Рис.4.2. К определению времени реверберации по уровнеграмме
Кривая спада плотности звуковой энергии аппроксимируется прямой, наклон которой (скорость спада) определяется уровнеграммой. На рис.4.2. S – это
путь, который прошла бы лента самописца, если бы уровень плотности звуко178
вой энергии спадал бы от 0 до -60 дБ. Так как скорость протяжки ленты известна, то Tрев=S/V.
Лента самописца градуируется, как правило, через 5 дБ. Скорость движения пера самописца уровней должна быть не менее 300 дБ/с. Скорость движения бумаги должна быть подобрана таким образом, чтобы наклон записи спада
составлял около 45. Число точек измерения должно составлять не менее 68
для больших помещений и 23 для небольших, причем в каждой из этих точек
должно быть произведено не менее трех измерений в каждой полосе частот.
Вначале определяется среднеарифметическое значение для каждой точки, а затем для всего помещения с усреднением по всем точкам измерения.
Практика измерений показывает, что зачастую наблюдается быстрое затухание звука в начале процесса, за которым следует затухание более медленное, особенно в больших залах. Иногда наблюдаются различные случайные колебания – внезапный подъем или последовательность всплесков. При измерении времени реверберации надо пренебречь флюктуациями записанной кривой
и установить только её средний наклон. В любом случае при наличии нестационарных процессов для получения достоверных результатов необходимо увеличивать число точек измерения.
Некоторые авторы считают, что участок кривой спада звукового давления
в интервале -5  -35 дБ наиболее точно характеризует реверберационную характеристику помещения. На этом принципе работают реверберометры, включающие в свой состав ключевые схемы и пороговые устройства, запускающие
таймер при спаде звука на 5 дБ от максимума, и останавливающие его при спаде на 35 дБ.
4.2. Измерение параметров микрофонов и громкоговорителей
4.2.1. Условия проведения измерений
Акустические измерения имеют ряд специфических особенностей. Так, измерение некоторых характеристик электроакустической аппаратуры необходимо проводить в условиях свободного поля, т.е. когда отсутствуют отраженные волны. В обычных помещениях это условие невыполнимо, а проводить измерения на открытом воздухе сложно и не всегда возможно. Во-первых, на открытом воздухе трудно избежать отражений от поверхностей, например, от
земли. Во-вторых, проведение измерений в этом случае зависит от атмосферных условий и может приводить к большим погрешностям, не говоря уже о ряде других неудобств. В-третьих, на открытом воздухе трудно избежать влияния
шумов. Поэтому для измерений в свободном поле пользуются специальными
звукозаглушенными камерами, в которых отраженные волны практически
отсутствуют.
Для некоторых измерений (например, для измерения мощности громкоговорителя, коэффициентов звукопоглощения и т.д.) требуется диффузное поле. В обычных помещениях звуковое поле далеко от состояния диффузности.
Поэтому строят специальные помещения, в которых можно создать диффузное
179
поле. Такие помещения называют реверберационными (или гулкими) камерами. Звукозаглушенную и реверберационную камеры называют звукомерными.
Звукомерные камеры являются дорогостоящими сооружениями. При
строительстве заглушенной камеры необходимо в первую очередь обеспечить
большое поглощение звука. Если, например, коэффициент поглощения материала, располагаемого на ограждающих поверхностях камеры, будет равен
0,99, то при этом интенсивность отраженной волны будет составлять 0,01 от
интенсивности волны, падающей на эти поверхности: Iотр=отрIпад=0,01Iпад. По
2
Iотр pотр
 2 . Давление в
давлению это отношение будет составлять 0,1, так как
Iпад pпад
пучности будет равно 1,1 pпад, а в узле – 0,9 pпад. Неравномерность по давлению
составит 1,1/0,9=1,2. Следовательно, ошибка измерения может достигать 20 %.
Если же задаться ошибкой не более 5% , то коэффициент поглощения ограждающих поверхностей должен быть не менее 0,9994.
Такой коэффициент поглощения удается получить только на средних и
высоких частотах. На низких частотах сделать это практически невозможно.
Даже в лучших камерах ошибка измерения получается больше 5% на частотах
ниже 100 Гц. Но и для получения таких коэффициентов толщина материалов
доходит до 1,52 м и более. Для увеличения поглощающей способности материала его изготавливают в виде узких пирамид или клиньев.
Высокие требования предъявляются и к звукоизоляции камеры. Дело в
том, что в камерах необходимо измерять уровни собственных шумов микрофонов и пороги слышимости людей. Поэтому уровень шумов в камере должен
быть ниже порога слышимости. Для этого камера должна иметь двойные стены,
причем внутренние стены устанавливают на изолированном фундаменте с плавающим полом и подвесным потолком. Все это приводит к тому, что для получения полезного объема 4x4x4 внешние размеры камеры получаются не менее
10×10×10.
Реверберационная камера должна иметь очень хорошо отражающие поверхности, и все предметы в ней также должны хорошо отражать звуковые
волны. Реально удается получить средний коэффициент поглощения около
0,015, что обеспечивает время реверберации в камере объемом 90 м3 порядка
79 с. При таком поглощении диффузность поля получается достаточно высокой, что обеспечивает точность измерений не ниже 2-3%. У гулкой камеры требования к звукоизоляции несколько ниже (допускается уровень проникающих
шумов порядка 25 дБ).
В звукомерных камерах размещают только измерительный (или испытуемый) микрофон и измерительный (или испытуемый) громкоговоритель. Всю
остальную измерительную аппаратуру располагают в аппаратной, изолированной от камеры.
Все частотные характеристики снимают (или соответствующие параметры измеряют) при плавном изменении частоты или на дискретных частотах
предпочтительного ряда.
180
Во всех случаях измерений на дискретных частотах необходимо отмечать
также места максимумов и минимумов и на них измерять значения параметров.
Характеристики направленности измеряют или при плавном изменении углов
расположения осей испытуемой аппаратуры, или для углов, кратных 15° на
частотах до 5000 Гц и кратных 5° выше этой частоты.
4.2.2.Измерение параметров микрофонов
Измерение характеристик микрофона в заглушенной камере
Для измерения чувствительности микрофона в свободном поле следовало бы
вначале измерить звуковое давление в точке, куда будет помещен испытуемый
микрофон, а потом уже помещать его в эту точку. Но так как в камере практически отсутствует интерференция, и расстояние микрофона от громкоговорителя берут равным 11,5 м при диаметре излучателя не более 25 см, то измерительный микрофон 7 (рис. 4.3) можно располагать вблизи от испытуемого микрофона.
4
6
8
5
1
2
7
3
9
Рис. 4.3. Схема измерения чувствительности микрофона:
1 – генератор тональный или белого шума; 2 – третьоктавный фильтр;
3 –мощный усилитель; 4 – заглушенная камера; 5 – громкоговоритель;
6–испытуемый микрофон; 7 – измерительный микрофон; 8 – милливольтметр;
9 – милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах
Устанавливая по измерителю звукового давления 7 необходимое давление p , измеряют напряжение U м , развиваемое испытуемым микрофоном, и определяют его осевую чувствительность– Eос  Uм p . При автоматической регулировке осевого давления, как известно, частотную характеристику снимают
путем плавного изменения частоты генератора. Чувствительность определяют
во всем номинальном диапазоне частот. По полученной частотной характеристике определяют её неравномерность в номинальном и рабочем диапазонах
частот.
181
Среднюю
чувствительность
определяют
в
мВ/Па
по
формуле
n
Еср 
 E 2k n , где E k
- чувствительность, определенная на фиксированных
k 1
частотах, входящих в номинальный диапазон частот, или в третьоктавных полосах, n– число точек отсчета. При неравномерности менее 12 дБ допускается
определять среднеарифметическое значение чувствительности.
Уровень чувствительности и средней чувствительности в децибелах
3
E 10 , где E – чувствительность, мВ/Па;
вычисляют по формуле N м  20lg м
м
E0
Е0 – чувствительность, равная 1 мВ/Па.
Стандартный уровень чувствительности (в децибелах) определяют по
 p  1Па 
E oc
U
0
 20lg
формуле N O  20lg
, где U0 – напряжение (В),
3
3
R ном10
R ном10
развиваемое микрофоном на номинальном сопротивлении нагрузки (Ом) при
звуковом давлении 1 Па.
Характеристику направленности микрофона снимают по той же схеме,
причем в зависимости от задания или на нескольких частотах, используя тональный генератор, или для шумового сигнала в третьоктавных полосах, или
для заданной полосы частот, используя вместо третьоктавных фильтров соответствующий полосовой фильтр. Для снятия характеристик направленности
испытуемый микрофон укрепляют на поворотном диске. Характеристику снимают в одной плоскости, проходящей через рабочую ось микрофона, если он
представляет собой тело вращения вокруг своей оси. Для других форм микрофона характеристику снимают для заданных плоскостей, проходящих через рабочую ось. Угол поворота отсчитывают между рабочей осью и направлением
на источник звука. Нормируют характеристику направленности относительно
осевой чувствительности.
Перепад чувствительности фронт-тыл определяют как разность уровней чувствительности под углами 0 и 180 между рабочей осью микрофона и
направлением на источник звука. Этот перепад определяют для ряда частот номинального диапазона или для заданной полосы частот. По измеренным данным находят средний перепад чувствительности как отношение средних чувствительностей, измеренных для углов 0 и 180.
Измерение характеристик микрофона в реверберационной камере
В реверберационной камере измеряют диффузную чувствительность
микрофона. Размещая измерительный микрофон в зоне чисто диффузного поля
(рис. 4.4) поблизости от испытуемого микрофона, измеряют развиваемые ими
182
Uдиф и Uдиф . Чувствительность по диффузному полю
формуле Eдиф  Eдиф Uдиф Uдиф , где E диф – чувствитель-
выходные напряжения
вычисляют по
ность измерительного микрофона по диффузному полю, мВ/Па.
Аналогично измерениям в заглушенной камере снимают частотную характеристику чувствительности микрофона в диффузном поле и определяют
среднюю чувствительность и уровень чувствительности.
Коэффициент направленности вычисляют по формуле
м  E2ос E2диф ,
где Eос и Eдиф– чувствительности по свободному и диффузному полю, мВ/Па.
4
1
2
6
5
7
3
8
9
2
10
5
Рис.4.4. Схема измерений диффузной чувствительности микрофона:
1 – генератор белого шума; 2 – третьоктавный фильтр; 3 – мощный усилитель;
4 – реверберационная камера; 5 – громкоговорители;
6 – испытуемый микрофон; 7 – измерительный микрофон; 8 – переключатель;
9 – микрофонный усилитель; 10–милливольтметр
4.2.3. Измерение параметров громкоговорителей
Измерение характеристик громкоговорителей в заглушенной камере
Для измерения характеристик громкоговорителя измерительный микрофон устанавливают на расстоянии r  (2  4)d от него, где d – средний размер
излучателя (рис. 4.5). Напряжение, подводимое к громкоговорителю, устанавливают соответственно формуле U  0,1P ном R ном , где Рном – номинальная
мощность громкоговорителя, Rном– его номинальное входное сопротивление
(заданное в технических условиях активное сопротивление, которым замещают
сопротивление громкоговорителя при расчете подводимой к нему электрической мощности). При испытаниях на номинальную мощность синусоидальное
напряжение берут равным номинальному, а шумовое – равным 0,707 номинального. Измерителем звукового давления 7 - 8 регистрируют звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в зависимости от частоты, на которой
возбуждают громкоговоритель (при тональном возбуждении), или средней частоты третьоктавного фильтра (при возбуждении от генератора белого шума).
183
Это давление вычисляют по формуле p  U0 Eoc , где U0 – напряжение, развиваемое измерительным микрофоном, мВ; E oc – осевая чувствительность измерительного микрофона (мВ/Па) на заданной частоте. Измерения ведут с регистрацией пиков и провалов частотной характеристики не уже 1/9 октавы (для шумового возбуждения этого не требуется). Более предпочтительно измерение с
плавным изменением частоты генератора и регистрацией характеристики на
бланке (для этого диск генератора и валик с бланком должны вращаться синхронно).
5
4
1
2
6
7
3
8
Рис. 4.5. Схема измерения чувствительности громкоговорителя:
1 – генератор тональный или белого шума с фильтром розового шума;
2 – третьоктавный фильтр (применяют при измерении с шумом);
3 – мощный усилитель; 4 – вольтметр; 5 –заглушенная камера;
6– испытуемый громкоговоритель: 7– измерительный микрофон;
8 – милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах
Среднее звуковое давление по данным частотной характеристики выn
числяют по формуле
pс р   p2k n ,где рk - звуковое давление, развиваемое
k 1
громкоговорителем на частоте fk(или средней частоте k-го третьоктавного
фильтра), n– число точек измерения (оно не должно быть менее 10). При неравномерности частотной характеристики менее 12 дБ можно вычислять среднее
арифметическое значение.
Среднее стандартное звуковое давление p ср.ст вычисляют по формуле
p ср.ст.  p ср
l P0
,где pср – среднее звуковое давление, развиваемое громкоl0 P
говорителем в номинальном диапазоне частот, Па; l– расстояние от рабочего
центра громкоговорителя до измерительного микрофона, м, Р – электрическая
мощность, Вт; Р0= 0,1 Вт, l0= 1 м.
Характеристическую чувствительность громкоговорителя на рабочей
оси вычисляют по формуле (Па/Вт) Е х 
184
p срl
P l0
, где pср – среднее звуковое дав-
ление в номинальном диапазоне частот), Па, P - электрическая мощность, подводимая к громкоговорителю, Вт; l– расстояние от рабочего центра громкоговорителя до измерительного микрофона, м; l0 = 1 м.
Эффективно воспроизводимый диапазон частот находят по частотной
характеристике громкоговорителя путем определения частот, соответствующих
точкам пересечения прямой, параллельной оси частот, с частотной характеристикой громкоговорителя. Прямую линию проводят на 10 дБ ниже уровня среднего звукового давления в октавной полосе частот, соответствующей максимальной чувствительности громкоговорителя. Этот уровень вычисляют по
формуле N макс  20 lg p ср.окт p 0 , где p ср.окт – среднее звуковое давление;
p0= 2 10-5 Па. Неравномерность частотной характеристики громкоговорителя
определяют в номинальном диапазоне частот.
Диаграмму направленности громкоговорителя снимают в заглушенной
камере с поворотом громкоговорителя вокруг оси, проходящей через его рабочий центр перпендикулярно рабочей оси. Громкоговоритель вращают или
вручную, или автоматически, синхронно с поворотом столика, на котором закреплен бланк диаграммы направленности. Для громкоговорителей с разными
размерами продольной и поперечной осей излучателя снимают две диаграммы
направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Диаграммы направленности снимают или для ряда частот, или для основной части диапазона.
В последнем случае к громкоговорителю подается шумовое напряжение через
полосовой фильтр, имеющий полосу, равную основной.
Измерение характеристик громкоговорителей в реверберационной камере
В гулкой камере (рис. 4.6) измеряют излучаемую мощность громкоговорителя в октавной или третьоктавной полосе частот, которую можно опреде2
лить по формуле P из  0,97  10
4
pV
T
, где Т – время реверберации в камере, с;
р – среднее значение звукового давление диффузного поля, Па; V – объем реверберационной камеры, м4. Эта мощность будет несколько меньше той, которую развивает громкоговоритель в открытом пространстве, так как вследствие
реакции диффузного поля на излучатель уменьшается его сопротивление излучения, но эта поправка обычно находится в пределах точности измерений.
185
4
1
2
5
7
3
8
6
Рис. 4.6. Схема измерения акустической мощности громкоговорителя:
1– генератор белого шума с фильтром розового шума; 2 – третьоктавный
(октавный) фильтр; 3 – мощный усилитель; 4 – вольтметр;
5 – реверберационная камера; 6 – испытуемый громкоговоритель;
7 – измерительный микрофон; 8 – милливольтметр, градуированный в паскалях
или децибелах
Среднюю акустическую мощность в заданном диапазоне частот опреn
 Pai
деляют по формуле Ра.с р  i 1
n
,где P ai – измеренная в полосе частот акусти-
ческая мощность; n–число полос частот, на которых проводились измерения.
Зная излучаемую мощность Pa.ср и звуковое давление р, развиваемое
громкоговорителем в заглушенной камере на расстоянии 1 м от его рабочего
2
центра, можно найти коэффициент осевой концентрации   3, 05  10
где p1  p r r ;
2
p1
P a.с р
,
pr – звуковое давление, измеренное на расстоянии r (в метрах).
Измерение электромеханических параметров громкоговорителей
Как электродинамический преобразователь, громкоговоритель характеризуется рядом электромеханических параметров, обычно называемых в технической литературе параметрами Смола-Тиля (Small-Thiele). Эта система параметров позволяет проанализировать работу громкоговорителя в акустических системах различного типа (закрытых, открытых, с фазоинвертором и др.), а также
по заданным электроакустическим и массогабаритным характеристикам акустических систем подобрать соответствующую головку. К группе параметров
Смола-Тиля относятся:
 активное сопротивление звуковой катушки головки громкоговорителя R0
(обычно измеряемое омметром);
 минимальное значение модуля полного электрического сопротивления
головки Zмин;
186
 частота основного резонанса головки f0;
 добротность головки Q;
 эквивалентный объем Vэк и др.
Учитывая важность информации об этих параметрах в процессе разработок акустических систем и головок громкоговорителей, методики их измерения
внесены в международные, национальные и отечественные стандарты, а значения их вносятся в техническую документацию на головки громкоговорителей.
В связи с ограниченностью объема учебного пособия, рассмотрим методику измерения некоторых электромеханических параметров.
Частотную характеристику модуля полного электрического сопротивления определяют чаще всего в режиме постоянства напряжения. Схема измерения представлена на рис.4.7.
Модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя на заданной частоте определяют в любом помещении.
R2
1
2
3
4
5
S
R1
Рис.4.7. Схема измерения модуля полного электрического сопротивления
громкоговорителя: 1 – генератор; 2 – усилитель мощности; 3 – вольтметр;
4 –регистрирующее устройство; 5 – испытуемый громкоговоритель;
R1,R2 –резисторы; S – переключатель
Сопротивление резистора R1 должно быть не более 0,05 от предполагаемого минимального значения модуля полного электрического сопротивления
громкоговорителя в заданном диапазоне частот.
Измерение частотной зависимости уровня напряжения на резисторе R1
осуществляют при включенном громкоговорителе. Затем переключателем S
включают резистор R2, значение сопротивления которого должно быть определено с погрешностью не более 1% и должно находиться в пределах от минимально допустимого значения модуля полного электрического сопротивления
громкоговорителя до его номинального сопротивления. На том же бланке регистрируют частотную зависимость уровня напряжения на резисторе R1 при
включенном резисторе R2.
187
Модуль полного электрического сопротивления громкоговорителя на
N R  N тр
фиксированной частоте определяют по формуле Z  R2  10 20 , где N R
– уровень напряжения на резисторе R1 при включенном резисторе R2, дБ; N тр
– уровень напряжения на резисторе R1 при включенном громкоговорителе, дБ.
По измеренной частотной характеристике модуля полного электрического сопротивления громкоговорителя (рис.4.8) определяют минимальное значение модуля полного электрического сопротивления Z мин и частоту основного резонанса f0. Под частотой основного резонанса понимается частота
возбуждающего синусоидального сигнала, на которой значение модуля полного
электрического сопротивления головки имеет первый максимум.
Z
Zмакс
Zмин
R0
f1
f0
f2
fЭМ
f
Рис.4.8. Частотная характеристика модуля
полного сопротивления громкоговорителя
Добротность головки – это мера затухания свободных колебаний подвижной системы головки громкоговорителя, определяемая отношением реактивной составляющей механического сопротивления подвижной системы головки громкоговорителя на частоте основного резонанса к активной составляющей. Различают механическую добротность – добротность, обусловленную потерями в механических элементах подвижной системы головки громкоговорителя и на излучение; электрическую добротность, обусловленную наличием тока противоЭДС в электрической цепи головки громкоговорителя, и
полную добротность, обусловленную суммарным влиянием механических потерь и тока противоЭДС в электрической цепи головки.
188
Структурная схема измерения добротности головки представлена на рис.4.9.
R1
1
2
3
4
S
5
R
6
Рис.4.9.Схема измерения добротности головки: 1–генератор;
2–усилитель мощности; 3,5–вольтметры; 4–частотомер; R1–резистор;
R–магазин сопротивлений; S–переключатель; 6–испытуемый громкоговоритель
Сопротивление резистора R1 должно не менее чем в 20 раз превышать
модуль полного электрического сопротивления головки громкоговорителя на
частоте основного резонанса f0.
При включенной головке громкоговорителя плавно повышают частоту
генератора до первого максимального показания вольтметра 4. Затем головку
громкоговорителя заменяют магазином сопротивлений R и на частоте f0 изменением сопротивления магазина сопротивлений достигают повторения показания вольтметра UМАКС.
Полученное значение сопротивления магазина равно ZМАКС. Затем снова
подключают головку громкоговорителя и при дальнейшем повышении частоты
генератора находят частоту fЭМ, при которой показания вольтметра 5 будут
минимальным.
Изменяя частоту генератора, определяют частоты f1 и f2, удовлетворяющие условию f1<f0<f2<fЭМ , при которых напряжение на головке громкоговорителя U1,2  U макс
R 0 , где R –сопротивление головки громкоговорителя по
0
Z макс
постоянному току.
Механическую добротность головки громкоговорителя QM определяют
по формуле
QM 
f 1f 2 Z макс .
f 2  f1 R0
Полную добротность QП громкоговорителя определяют по формуле
Qп 
f 1f 2
R0 .
(f 2  f 1) Zмакс
189
Электрическую добротность QЭ громкоговорителя определяют по формуле
QЭ 
Q пQ м
.
Qм  Qп
Следует заметить, что если известна частотная характеристика модуля
полного электрического сопротивления, то все данные, необходимые для расчета добротности, могут быть получены из нее.
Под эквивалентным объемом головки громкоговорителя понимают закрытый объем воздуха, имеющий гибкость на площади излучающего отверстия
громкоговорителя, равную гибкости подвижной системы головки громкоговорителя.
Для определения эквивалентного объема головки последовательно определяют ее резонансную частоту без акустического оформления f0 и далее резонансную частоту f01 этой же головки, помещенной в испытательный ящик известного объема V. Тогда эквивалентный объем VЭК может быть определен по
2
 f 01

формуле V эк  V  2  1  , где V–внутренний объем испытательного ящика с
 f0

учетом вытесненного головкой объема воздуха. Например, если резонансная
частота головки составляет 30 Гц, а при помещении ее в испытательный ящик
объемом 100 литров – 45 Гц, то эквивалентный объем головки будет составлять
Vэк=100(452/302–1)=125 л.
4.3. Измерение акустических шумов
Измерения шумов в помещениях на рабочих местах, выполняемые для
оценки соответствия шумов санитарным нормам, производятся с помощью специализированных акустических приборов – шумомеров. Шумомер содержит
ненаправленный измерительный микрофон, усилитель, корректирующие
фильтры, детектор и показывающий прибор, скомпонованные в одном корпусе.
Шкала прибора шумомера градуируется в децибелах относительно 2. 10-5 Н/м2,
то есть относительно порога слышимости. Шумомер должен обеспечивать диапазон измеряемых уровней от 30 до 130 дБ.
Известно, что частотная характеристика слуха человека зависит от уровня
громкости прослушиваемого сигнала. Поэтому в шумомере установлены корректирующие фильтры, учитывающие особенности слуха. Корректирующие
фильтры, установленные в шумомере, позволяют проводить измерения по трем
шкалам:
– по шкале А, соответствующей субъективному ощущению громкости в
пределах до 50 фон;
– по шкале В, соответствующей субъективному ощущению от 50 до 75 фон;
– по шкале С – выше 75 фон.
Для того чтобы сократить число нормируемых санитарными нормами
величин, повсеместно принято нормировать предельно допустимые шумы по
уровню, измеренному по шкале А. В этом случае, его выражают в единицах дБА.
190
Для анализа частотного спектра шума современные шумомеры снабжены
набором полосовых, как правило, октавных фильтров, позволяющих производить измерения во всем спектре звуковых частот.
Контрольные вопросы
1. Поясните методику измерения времени реверберации.
2. Какие требования предъявляются к измерительным сигналам при измерении времени реверберации?
3. Каковы общие требования к условиям проведения электроакустических
измерений?
4. Какие параметры микрофонов следует измерять в заглушенной камере?
5. Какие параметры микрофонов следует измерять в реверберационной камере?
6. Какие параметры громкоговорителей следует измерять в заглушенной
камере?
7. Какие параметры громкоговорителей следует измерять в реверберационной камере?
8. Какие параметры громкоговорителей относят к электромеханическим?
9. Приведите структурные схемы измерения электромеханических параметров громкоговорителей.
10. Поясните методику измерения акустических шумов.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Сапожков М.А. Электроакустика. Учебник для вузов. – М.: Связь, 1978.
– 272 с.
2. ГОСТ 16122-87. Громкоговорители. Методы электроакустических измерений.
3. Катунин Г.П., Лапаев О.А. Проектирование и расчёт акустических параметров помещений. Учебное пособие.– Новосибирск.: Издательство Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), 2000.–100 с.
4. Папернов Л.З. и др. Расчет и проектирование систем озвучения и звукоусиления в закрытых помещениях.– М.: Связь, 1970.– 112 с.
5. Сапожков М.А. Звукофикация помещений. – М.: Связь, 1979.–143 c.
6. Ефимов А.П. Три взгляда на акустику помещений. //Install Pro.– №4-5
2000.
7. Баранов С.Радиомикрофонные системы. //Звукорежиссёр.–1999.– №4.
8. Петр Кондрашин. Применение PZM-микрофонов. //Звукорежиссёр.–
2000.– №1. //Звукорежиссёр.–1999.– №4.
191
Г.П. Катунин
АКУСТИКА ПОМЕЩЕНИЙ
Учебное пособие
Редактор: Г.В. Мамчев
Корректор: И. Л. Гончарова
Подписано в печать 31.10.2013г.,
формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10,
изд. л. 12,1, заказ №79, тираж 100. СибГУТИ
630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86.
192
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 641 Кб
Теги
akustika, pomeshcheniy, 1katunin
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа