Проектирование естественной акустики зала многоцелевого назначения

Министерство образования и науки Российской Федерации Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия Кафедра общественных дисциплин.

Курсовая работа.

Проектирование естественной акустики зала многоцелевого назначения.

Выполнила студентка 311 группы Перязева Галина Проверил преподаватель Ланин В.А.

Новосибирск — 2009.

Вводная часть.

К многоцелевым относят залы, предназначенные как для речевых, так и для музыкальных программ: лекционные аудитории, конференц-залы, клубные залы, залы драматических и музыкально-драматических театров и т. п.

Большинство таких залов оснащено, конечно, системой озвучивания; однако практика показывает, что хорошая естественная акустика зала предопределяет и хорошую электроакустику. Более того, для качественного звучания симфонической и камерной музыки в концертных залах хорошая естественная акустика просто необходима и ее трудно «улучшить» применением электроаппаратуры.

Для чисто речевых программ основным и, пожалуй, единственным субъективным критерием оценки акустических качеств помещения (зала) является разборчивость речи (РР). Для уже функционирующих залов слоговую (артикуляционную) разборчивость речи можно оценить экспериментально, как долю (в %) правильно слышимых слогов на определенных слушательcких (зрительских) местах, произносимых диктором со сцены (кафедры) из специальной таблицы.

Существуют и методики оценки разборчивости речи для проектируемых залов, если известна их форма (в плане и разрезе). Они основаны на том, что установлены определенные связи между разборчивостью речи, как субъективным критерием качества зала, и объективными физическими характеристиками звукового поля в помещении: уровнем полезного звукового сигнала (по отношению к уровню шума), временем реверберации звука и структурой звуковых отражений на определенных слушательных местах.

Эта связь отражается мультипликативной формулой Кнудсена:

.

где PP — разборчивость речи (в %), K_L — коэффициент, определяемый соотношением уровней «сигнал-шум», K_R — коэффициент, зависящий от времени реверберации звука и от структуры ранних отражений.

Для чисто музыкальных залов подобного рода субъективных критериев оценки качества звучания значительно больше (по Беранеку, их более десяти). Лишь для некоторых из них в настоящее время установлена однозначная связь с физическими характеристиками звукового поля.

Тем не менее, опыт строительства концертных залов и многоцелевых залов, а также современные экспериментальные методы исследования структуры звуковых отражений в реальных залах и на моделях позволяют сформулировать некоторые общие принципы и рекомендации на стадии проектирования залов, по крайней мере, в части недопущения в них явных акустических дефектов: фокусирования звуковой энергии в отдельных слушательских зонах, различного рода эхо, искажения тембра звучания, нарушения локализации источника звука на сцене и других.

Проектирование естественной акустики зала многоцелевого назначения включает в себя следующие основные пункты:

1. Выбор оптимальной формы и размеров зала. Построение лучевого эскиза (в плане и разрезе).

2. Проверка некоторых потолочных и стеновых звеньев (поверхностей) зала на допустимость метода геометрических (зеркальных) отражений звука от них.

3. Проверка ряда слушательских мест на «критический интервал запаздывания»; по сути — это проверка на возможность образования эха.

4. Расчет и корректировка времени реверберации в зале.

5. Мероприятия по обеспечению (улучшению) диффузности звукового поля в помещении.

6. Оценка разборчивости речи.

I Лучевой эскиз зала.

На рисунке 1 показан один из возможных вариантов выбора размеров зала многоцелевого назначения (на ~ 460 мест) и очертания его ограждающих поверхностей (в вертикальном разрезе и плане). Сцена — портального типа, предусмотрена и оркестровая яма. Сценическая коробка в явном виде на схеме не изображена (только авансцена) и в последующих расчетах учитывается лишь косвенно.

Некоторые геометрические параметры зала:.

Длина зала L 25 м, средняя ширина B_ср 17,8 м; высота в проема сцены H 7,5 м, высота в средней части зала H_ср 9 м, L/B_ср = 1,4, B_ср/H_ср= 1,97.

Площадь пола S_пола 420 м², площадь потолка S_потол=450 м²;

Площадь стен S_стен 1045 м²;

Площадь авансцены S_ав.20 м²;

Площадь поверхностей оркестровой ямы S_яма 20 м² ;

(авансцена нависает над оркестровой ямой на 1/3 ее ширины) Площадь проема сцены (портала) S_порт. 78,75 м²_;.

Площадь пола, занятого креслами S_зрит. 230 м²_;.

Свободная площадь пола (площадь проходов) S_прох. 170 м²;

Общая площадь ограждений.

S_огр= S_пола+ S_{потолка}+ S_стен+ S_порт.+ S_ямы + +S_{авансц.}= 2033,75 м²;

Объем зала V= S_пола H_ср+V_{орк. ямы} 3820 м³;

Удельная площадь на слушателя (общая).

S _уд.= S_пол /N = 0,9 м²/чел;

Удельный объем на слушателя V_уд=V/N=8,3 м³/чел.;

Высота источника звука на авансцене (акустический центр) h_исп =1,5 м;

Высота голов (ушей) слушателей над уровнем пола h _cлуш. =1,2 м;

Максимальная вместимость зала N =460 зрителей.

Рисунок 1.

Пояснения к рис.1:.

V и U — положения источника звука (исполнителя) на авансцене (в плане и на разрезе, соответственно);

V₁^*, V₂^*, — положения «мнимых источников» звука от стеновых элементов 1 и 2, соответственно — зеркальные отражения действительного источника V от этих элементах (V₃^*, и V₄^*, не показаны).

U₁^*, U₂^*, U₃^*— положения «мнимых источников» от потолочных элементов 1, 2 и 3, соответственнозеркальные отражения действительного источника U от этих элементов.

II Проверка потолочных и стеновых звеньев на допустимость геометрических (зеркальных) отражений.

Лучевой метод анализа формы зала предполагает, что отражение звуковых волн от его ограждающих поверхностей происходит по закону «зеркала» (как в геометрической оптике для света). Такое допущение заведомо справедливо, если размеры отражательных звеньев потолка и стен намного превосходят длину звуковой волны (l_min >>). Если же, то такое допущение слишком грубо и, по существу, не допустимо.

Для промежуточных случаев (между этими двумя крайними), когда размеры отражателя звука соизмеримы с длиною звуковой волны, имеется более определенный критерий, учитывающий не только размеры отражателя, но и взаимное расположение источника и приемника звука (слушателя) по отношению к такому отражательному элементу.

Применим этот критерий допустимости зеркальных отражений для 1-го элемента потолка (рисунок № 2), ориентируясь на среднюю длину звуковой волны м.

На этом рисунке :

2a — минимальный размер плоского отражателя;

2b — его наибольший размер (ширина 1-го потолочного элемента в плане, против его середины С₁);

R₀ — расстояние от исполнителя на авансцене до центра отражателя;

R — расстояние от центра отражателя до слушателя М;

— угол падения (отражения) звуковой волны с нормалью к плоскости отражателя.

В конкретном примере:

a = 3 м, b = 6,7 м,, R₀ = 7,6 м, R = 15 м, =1м.

Предварительно вычисляем два вспомогательных параметра:

.

Рисунок 2.

Тогда ошибка в уровне силы звука, отраженного от потолочного элемента 1 и приходящего к слушателю М (в приближении волновыми свойствами звука) составит:

дБ.

?L< 5 дБ , то метод геометрической акустики здесь оправдан.

III Проверка слушательских мест на критический интервал запаздывания (на эхо).

Для залов многоцелевого назначения критическое время (интервал) запаздывания первых отражений по отношению к прямому звуку принимается равным мс (для чисто музыкальных залов оно выше (50/80 мс).

При скорости звука в воздухе С=340 м/с это соответствует различию в длинах пробега прямого и отраженного звуков, приходящих к слушателю, порядка м.

Таким образом, проверка слушательных мест на возможность образования простого эха (на стадии проектирования зала) сводится к измерению (по плану и разрезу зала) различия в «длинах пробега» прямого звука от источника на авансцене и первых отражений от стен и потолка, приходящих к слушателю:

..

рисунок № 3.

м;

м;

м (м) Сделаем проверку на критический интервал запаздывания потолочных отражений для слушателей не на осевой линии зала. В этом случае нужно делать вспомогательные построения на разрезе и плане зала.

На рисунке № 4 показана схема расчета «длины запаздывания» звуковой волны, отраженной от 1-го потолочного элемента для слушателя С не на осевой линии зала.

Здесь, С — положение слушателя на плане зала, С* - его положение на разрезе зала; К и К₁ — положение участка потолка (в разрезе и плане, соответственно), от которого поступает отражение к слушателю м,.

м, м (м).

IV Расчет и корректировка времени реверберации.

За стандартное время реверберации принимается время, в течение которого плотность звуковой энергии в помещении уменьшается в 10⁶ раз (уровень силы звука и звукового давления ослабевают на дБ).

Для многоцелевых залов оценку оптимального времени реверберации на частоте 500 Гц (средне-частотный диапазон речи и музыки) можно провести по формуле:

©,.

Для рассматриваемого зала объемом V= 3820 м³.

с, с.

Реальное время реверберации зала существенно зависит от его общего звукопоглощения. Поэтому для расчета времени реверберации на ряде опорных частот (125, 500 и 2000 Гц) необходимо предварительно вычислить общее звукопоглощение, А в зале на этих частотах.

Для удобства, да это правильно и по существу, общее звукопоглощение в зале представляют суммой трех членов:

А = А_пост. + А_перем. + А_добав..

К постоянному звукопоглощению относят поглощение звука всеми ограждающими поверхностями и его вычисляют по формуле:

.

где, — площади элементов ограждающих поверхностей (м²);

— коэффициенты звукопоглощения материала поверхности.

К переменному звукопоглощению относят поглощение звука слушателями на креслах и пустыми креслами (из расчета 70% заполнения зала).

.

где а₁ и а₂ — эквивалентное звукопоглощение на одного слушателя и на одно кресло, соответственно.

Добавочное звукопоглощение связано с поглощением звука небольшими отверстиями, щелями, нишами, гибкими элементами отделки, люстрами, аппаратурой и т. п., которые всегда имеются в зале, что трудно учесть в первых 2-х слагаемых. Его вычисляют по формуле:

.

где — эмпирические коэффициенты добавочного звукопоглощения (на 3-х частотах), а (S_огр— S_зрит) — общая площадь ограждений за вычетом площади пола, занятой слушателями.

Для вычисления постоянного звукопоглощения нужно определиться с конкретными материалами ограждающих поверхностей. Первоначально рекомендуют выбирать обычные строительные материалы (а не специальные звукопоглощающие материалы и конструкции). Их список приведен в приложении.

В качестве материалов ограждающих поверхностей выберем следующие:

Потолок (S₁) — бетон с железением поверхности;

Стены (S₂) — штукатурка по металлической сетке;

Проходы зрителей (свободный пол) (S₃) — линолеум на твердой основе;

Проем сцены, оборудованной декорациями (S₄);

Авансцена (S₅) — паркет;

Оркестровая яма (S₆) — деревянная обшивка, сосна толщиной 19 мм;

Портьеры плюшевые на дверях (S₇ = 12 м²).

Результаты расчета постоянного звукопоглощения (на 3-х частотах) представим в виде соответствующей таблицы.

Переменное звукопоглощение — кресла и слушатели на креслах.

(70% заполнения зала).

Добавочное звукопоглощение:.

,.

;;.

..

Полное звукопоглощение зала:.

;

;

;

Средний коэффициент звукопоглощения и функция от него.

:

.

.

.

Расчетные времена реверберации звука на 3-х опорных частотах вычисляем по формулам Сэбина-Эйринга:

125 Гц, ,.

500 Гц, ,.

2000 Гц, ,.

Вычисляем относительные различия между T_опт и Т_расч (в %):

125 Гц, ,.

500 Гц, ,.

2000 Гц, .

Видно, что на всех 3-х опорных частотах расчетные времена реверберации выше оптимальных (>10%), значит общее звукопоглощение в зале мало и его необходимо увеличить.

Один из возможных способов увеличения звукопоглощения состоит в том, что часть площади боковых стен (их верхнюю область) облицовывают специальными звукопоглощающими материалами, и, таким образом, увеличивают А_пост.

В качестве материала облицовки выбираем плиты «Силакпор» с воздушной прослойкой 200 мм.

Коэффициенты звукопоглощения таких плит на выбранных опорных частотах следующие (табл. III.1аАрх. Физика).

f =: 125 Гц 500 Гц 2000Гц.

=: 0,5 0,6 0,55.

Берем под облицовку часть площади стен S_обл= S₂₂= 150 м². Оставшаяся часть стен площадью S₂₁=1033−150=883, м² — штукатурка по металлической сетке.

125 Гц 500 Гц 2000 Гц и станет равным:

.

Пересчитываем времена реверберации.

.

.

.

,.

.

Вычисляем относительные различия между T_опт и Т_расч (в %):

125 Гц, ,.

500 Гц, ,.

2000 Гц, .

V Обеспечение диффузности звукового поля.

Диффузное звуковое поле характеризуется тем, что во всех точках поля усредненные по времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии постоянны. Другими словами, звуковое поле в помещении однородно и изотропно.

Идеально диффузным (на 100%) звуковое поле не бывает ни в каком зале; можно говорить лишь о степени его диффузности ().

При наличии одного источника звука в помещении большая степень диффузности преобладает в «дальней зоне» отраженных звуков на расстояниях от источника звука.

.

Высокая степень диффузности звукового поля особенно важна для музыкальных залов; она обеспечивает экспоненциальность реверберационного процесса и постоянство времени реверберации в любой точке зала.

Конечно, и простейшая прямоугольная форма зала (в плане и разрезе) дает определенную диффузность звукового поля за счет большого числа последовательных отражений от его ограждающих поверхностей. Но для высокой диффузности звукового поля желательна не только более сложная форма стен и потолка, но и наличие в зале рассеивающих звук элементов. Ими могут быть как объемные элементы (колонны, барельефы, глубокие ниши, элементы декора), так и специальные рассеивающие структуры и членения ограждающих поверхностей (потолочные балки, пилястры, кессоны).

Отметим, что мелкие членения хорошо рассеивают высокочастотный звук, низкочастотные же звуки (с большой длиной волны) хорошо рассеиваются барельефами лож, балконов выпуклой цилиндрической формы.

На рисунке приведен график Гануса, указывающий форму, размеры и шаг периодических членений стен (пилястр), дающих эффективное рассеивание звука в соответствующих областях частот.

Рис. Форма пилястр

b — ширина, d — глубина, q — шаг пилястр.

Если в зале для уменьшения времени реверберации используется облицовка поверхностей звукопоглощающими материалами (ЗПМ), то их желательно наносить на поверхность не сплошным слоем, а «раздельно — кусочно». Такая облицовка не только увеличивает звукопоглощение, но обладает эффектом рассеяния звуковой энергии (деформация фронта волны из-за различных фазовых условий отражения на краях ЗПМ).