Елена Шабалина: Основы акустики помещений и техники звукоусиления. Часть 1. Акустика зрительных залов

Елена Шабалина,
Elena.Shabalina@akustik.rwth-aachen.de

«Людям, которые не могут спроектировать зал карандашом на бумаге, программы для расчета акустики  не помогут, а те, кому помогут, и без них справятся.»

Не ручаюсь за точность цитаты, но примерно так мне ответили на первом курсе на просьбу показать чудо-программу EASE, которая, по слухам, имелась на кафедре акустики физфака. Я очень расстроилась и засела в библиотеке, но через некоторое время поняла, что это правда, поэтому вторая статья из серии посвящена акустическому проектированию зрительных залов «вручную», с помощью карандаша и бумаги. Речь не идет о создании акустического шедевра — целью мы ставим проектирование приемлемого зала, с которым не придется впоследствии бороться электроакустикам и звукорежиссерам. Для создания такого зала достаточно выполнить ряд нехитрых требований и избежать нескольких грубых ошибок.
Первое и самое главное требование: думать об акустике нужно с самого начала, на этапе проектирования. Причем не отдавать готовый проект акустику для «расчета» и «подбора материалов», а продумывать геометрию зала с учетом требований к его акустическим характеристикам. Что нужно знать, чтобы не допустить грубых ошибок?
Во-первых, представлять себе, что происходит со звуком в помещении. На эту тему есть замечательные статьи профессора А.П. Ефимова «Три взгляда на акустику помещений». Для проектирования «на бумаге» используется приближение геометрической акустики: когда длина волны намного меньше размеров препятствий, распространение звука можно представить в виде лучей, как в школьном курсе оптики (рис.1).

"> Рис. 1. Распространение звука в помещении в виде лучей (Источник: [3])

От стен они отражаются зеркально, теряя при каждом отражении часть энергии в соответствии с коэффициентом поглощения материала. При этом вогнутые поверхности (например, куполы) фокусируют звук, выгнутые — рассеивают. Звук распространяется от источника и многократно переотражается преградами, теряя энергию. Этот процесс называется реверберацией. Различают первые отражения, которые слушатель может воспринимать отдельно, и реверберационный «хвост» — множество отражений с меньшей энергией и большей плотностью во времени. Время реверберации — время, за которое уровень звукового давления в помещении спадает на 60 дБ, — является одним из важнейших акустических параметров помещения. Время реверберации часто вычисляют с помощью формул Эйринга и Сэбина, основанных на статистической теории [1]. Статистическая теория работает, если звуковое поле является диффузным — все направления движения волн равновероятны, а плотность звуковой энергии в каждой точке пространства помещения одинакова. Например, звуковое поле в узком длинном помещении с низким потолком не диффузное — у волн есть предпочтительное направление распространения.




формула Сэбина –






средний коэффициент поглощения – 





N – число поверхностей, V – объем помещения, S – суммарная площадь поверхности помещения.

A = α_срS – общий фонд звукопоглощения. Измеряется он в «открытых окнах», т.е. в квадратных метрах материала с коэффициентом поглощения, равным 1.

Рис. 2. Пример распределения уровня звукового давления в помещении на частоте 24 Гц

На низких частотах помещение работает как резонатор, звуковое поле в нем определяется модами или собственными частотами помещения. Реверберация в этом случае представляет собой затухание собственных колебаний помещения, а не многократные отражения. Звуковое поле на низких частотах не диффузно, на каждой частоте есть пространственные максимумы и минимумы, которые очень хорошо слышно, если воспроизвести громкоговорителем звук на одной частоте и походить по комнате.


Для прямоугольного помещения собственные частоты рассчитываются по формуле:


где с – скрость звука; L, B и H – длина, ширина и высота помещения соответственно. Чем выше частота, тем ближе друг к другу резонансные частоты. С некоторого момента они так близки, что отдельные резонансы сливаются. Выше этой частоты, называемой критической, можно применять принципы геометрической акустики.
Во-вторых, при акустическом проектировании зрительного зала необходимо изучить несколько простых рекомендаций и следовать им.
Согласно СНиП 23-03-2003 «Защита от шума» процесс акустического проектирования зрительного зала включает в себя восемь шагов, которые мы подробно рассмотрим ниже.

1. Выбор габаритов и формы помещения

Объем и форма помещения определяются его назначением.

Для получения диффузного звукового поля в зале нужно соблюсти пропорции: длина зала превышает его ширину, но не более чем в два раза, и ширина больше высоты, опять же, не более чем в два раза. Длина зала не должна превышать допустимую длину, указанную в таблице. Необходимо избегать больших параллельных поверхностей: между ними возникает многократное отражение, так называемое «порхающее эхо», очень неприятное на слух, причем обработка поверхностей звукопоглощающими материалами не дает заметного эффекта. Оптимальная форма плана зала – трапеция. Следует также избегать фокусирующих звук вогнутых поверхностей.

2. Проверка достоверности глобальной оценки акустики зала по статистической теории

Здесь нужно проверить, работает ли для зала статистическая теория, т.е. является ли звуковое поле диффузным. Для этого рассчитывается критическая частота помещения по формуле:


Выше этой частоты для оценки времени реверберации можно использовать формулы Эйринга и Сэбина. Для большинства зрительных залов критическая частота лежит ниже 125 Гц.

3. Расчет частотной характеристики времени реверберации зала для выявления соответствия его оптимуму

Рис. 3. Оптимальное время реверберации на средних частотах для залов различных назначений. 1 – залы для ораторий и органной музыки; 2 – залы для симфонической музыки; 3 – залы для камерной музыки, залы оперных театров: 4 – залы многоцелевого назначения, залы музыкально-драматических театров, спортивные залы; 5 – лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы, пассажирские залы (Источник: [1])

Время реверберации рассчитывается в октавных полосах и сравнивается с оптимальным (рис. 3).
Допустимое отклонение от оптимального значения – ±10%. На частотах ниже 125 Гц согласно СНиП допускается подъем времени реверберации, но не более чем на 20%. Бытует мнение, что в залах без звукоусиления или тех, где уровень звукового давления невысокий, поддержка низких частот за счет реверберации желательна, так как компенсирует меньшую чувствительность к ним человеческого слуха (см. кривые равной громкости). Однако в залах, где планируются мощные системы звукоусиления, этого следует избегать, так как при высоких уровнях звукового давления чувствительность уха примерно одинакова на разных частотах; излишняя реверберация в этом случае воспринимается как «бубнение».




Если время реверберации в одной из частотных полос превышает оптимальное, необходимо внести дополнительный фонд звукопоглощения. Нужное количество звукопоглощающего материала можно приблизительно оценить следующим образом: 


пусть рассчитанное по формуле Сэбина время реверберации в данной полосе частот, А – фонд звукопоглощения.




оптимальное время реверберации, из которого можно вычислить оптимальный фонд звукопоглощения. Разница  Δ A = A _опт - A и есть дополнительный фонд звукопоглощения, который надо внести.



В зависимости от коэффициента поглощения материала, который предполагается использовать, его площадь составит

4. Графический анализ чертежей зала с необходимой коррекцией проекта в части формы и очертаний его ограждений

Рис. 4. Отражения от козырька над сценой

Графический анализ представляет собой построе-ние путей первых отражений от стен и потолка. Первые (ранние) отражения усиливают прямой звук, если они приходят с запаздыванием 20 – 25 мс для речи и 30 – 35 мс для музыки. Если время запаздывания меньше, сильные отражения могут влиять на локализацию зрителем источника звука, если больше – восприниматься как эхо. Пример построения первых отражений от звукоотражающего козырька над сценой показан на рис. 4. Надо заметить, что геометрические отражения можно строить только от больших по сравнению с длиной волны поверхностей, считается, что это 1.5 – 2 м.
Запаздывание первых отражений легко подсчитать:
в мс, где с – скорость звука, 343 м/с.
Усиление прямого звука с помощью первых отражений требуется за радиусом прямого звука r_пр, который составляет 8 – 9 м для речи и 10 – 12 м для музыки. 

Рис.5. Отражения от портальных стен

Соответственно, отражающие элементы на потолке и стенах должны быть сконструированы так, чтобы первые отражения покрыли всю зону зрительских мест дальше радиуса прямого звука, не превышая допустимого времени запаздывания относительно прямого звука. Для этого можно разместить звукоотражатели на потолке и портальных стенах (рис. 4 и 5).

"> Рис. 6. Образование «театрального эха»

Важный момент – отражения от задней стены. Если она примыкает к потолку под прямым углом, звук от нее может отразиться в сторону сцены, создавая так называемое театральное эхо (рис. 6). Это отражение приходит с большим запаздыванием и мешает актерам. Проблему можно решить наклоном стены или задней части потолка (рис. 7).

Рис. 7. Наклоны потолка и задней стены, при которых «театральное эхо» отсутствует

Неприятный эффект создают вогнутые задние стены. В зависимости от радиуса кривизны, такая стена может фокусировать все отражения на сцене, когда актеры слышат каждое движение в зале, или в одну точку зрительного зала. Вогнутых поверхностей лучше избегать, если же это неизбежно, их необходимо расчленять с помощью диффузоров или обрабатывать звукопоглощающими материалами (последнее менее эффективно).

5. Разработка мероприятий по улучшению диффузности звукового поля в зале

Разработка мероприятий по улучшению диффузности звукового поля сводится к разбиванию оставшихся поверхностей с помощью балконов, ниш, пилястр и пр. За исключением описанных в п.4, больших отражающих поверхностей следует избегать, создавая неровности. При этом неровности хорошо рассеивают те волны, длина которых близка к размерам неровностей, т.е. балконы эффективны для низких частот, мелкие детали, такие, как лепнина, – для высоких. Строгая периодическая структура неровностей нежелательна, так как дифракция на таких неровностях создает окраску звука. Диффузоры стоит располагать нерегулярно, меняя расстояние между элементами, их размеры и пр.

6. Расчет локальных акустических критериев на предмет соответствия их зонам оптимумов с дополнительной в случае необходимости коррекцией проекта

К локальным акустическим критериям относятся характеристики разборчивости, такие как С50, STI и AlCons. Для их расчета требуется вычисление импульсного отклика помещения в каждой точке с помощью компьютерного моделирования акустики помещений. К этому вопросу мы вернемся в одной из следующих статей.

7. Оценка шумового режима зала с разработкой необходимых мероприятий по его улучшению

Сюда входит оценка расположения зала (рядом с ним не должны находиться источники сильного шума), оценка звукоизоляции стен, окон и дверей, разработка мер по снижению шума вентиляции.

8. Оценка электроакустического режима зала с разработкой необходимых мероприятий

Проектирование и расчет системы звукоусиления должны производиться на самом раннем этапе проектирования и обязательно совместно с проектированием естественной акустики зала. Точки подвеса и места расположения акустических систем должны быть предусмотрены заранее, система звукоусиления и естественная акустика зала должны составлять одно целое и ни в коем случае не «противостоять» друг другу. Однако это тоже тема для отдельной статьи.

Список литературы:
[1] СНиП 23-03-2003 «Защита от шума»
[2] Ефимов А.П. «Три взгляда на акустику помещений»
[3] Алдошина И., Приттс Р. «Музыкальная акустика»
[4] McCue E., Talaske R.H., Acoustic Design of Educational Facilities, AES 1990
[5] Theatres for Drama Performance: Recent Experiences in Acoustical Design, AES 1986
[6] L. Beranek «Concert Halls and Opera Houses»