Расчет и проектирование акустического помещения

Основными факторами достижения качества акустики помещения являются средства архитектурной акустики и системы звукоусиления.

Акустическое проектирование помещений заключено в определении пропорций и формы помещения и акустической обработки внутренних поверхностей этого помещения. При определении формы помещения необходимо учитывать характер отражений звуковых волн от внутренних поверхностей помещения, за счет которых формируется диффузность звукового поля. При акустической обработке внутренних поверхностей необходимо обеспечить требуемое значение эффективности в заданном диапазоне частот.

Одними из самых важных параметров, по которым оценивается качество воспроизведения звука, являются разборчивость, отношение сигнал-шум, отсутствие паразитной обратной связи. При этом, не должно быть допущено существенного различия в разборчивости, в тембральной окраски и в качестве звука, излучаемого одним источником, в разных местах проектируемого помещения. Поэтому по всей площади зрительских мест должно быть достигнуто однородное распределение звука и правильный баланс громкостей отдельных источников.

В залах с большой вместимостью, как правило, не хватает звуковой мощности при естественном воспроизведении. При этом не обеспечивается нормальная слышимость в довольно большой зоне расположения слушателей. Поэтому, для обеспечения нормальной слышимости во всем зале, необходимо применять искусственную систему озвучивания. При проектировании такой системы необходимо обеспечить равномерность звукового поля и необходимую устойчивость выбранной системы, которая рассчитывается после выбора и установки громкоговорителей и микрофонов.

Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно производить проектирование залов разной вместимости с возможностью использования системы звукоусиления, так и без нее.

акустический помещение частота спектр реверберация

Раздел 1. Определение размеров и формы зала

1.1 Определение объема и средних размеров зала

Общий объем зрительного зала рассчитывается исходя из его назначения и вместимости, в соответствии с существующими рекомендациями. Тип вентиляции определяет удельный объем зала Vуд. При принудительной вентиляции на одного зрителя приходится 4−5 м3. Следовательно, Vуд=4000−5000 м3.

Форма зала, как правило, изначально принимается прямоугольной, а затем, при необходимости, корректируется. Для расчета размеров помещения используется геометрический модуль зала:

где h — высота зала

l — длина зала

b — ширина зала.

Объем зала примем равным V = 5000 м³ исходя из санитарных норм, а геометрический модуль g = 1,638

Размеры эквивалентного прямоугольного зала длина l, ширина b и высота h вычисляем по формулам:

Такими габаритами будет обладать зал, если не учитывать время запаздывания отраженного от поверхностей зала звука. Оно не должно превышать 50 мс, так как, будет отрицательно влиять на восприятие аудиопрограмм находящимися в зале зрителями. В случае, полученном выше, если не менять форму зала, это условие не выполняется, поэтому необходимо изменить форму потолка и боковых стен.

1.2 Построение профилей потолка и пола. План зала

Глубина сцены выбрана равной 5 м, а длина — 12,6 м. На сцене имеются 2 двери в служебные помещения. От сцены до первого ряда оставляем проход 1,8 м.

Так как вместимость зала должна быть большой, то устанавливаем кресла, занимающие минимальное место. Выбираем мягкие кресла, ширина которых составляет 0,4 м, длина сидения 0,5 м, высота от пола до верхней части спинки — 1 м. Расстояние между спинками соседних рядов — 0,9 м.

1.2.1 Построение профиля пола Вследствие того, что рассчитываемый зал имеет большую длину, в задней его части необходимо делать подъем пола, чтобы сидящие там зрители имели возможность беспрепятственно следить за происходящим на сцене. Для построения подъема, на сцене размещается источник звука. Затем, от него проводятся лучи к каждому ряду, и замеряется расстояние между лучами к соседним рядам. Это расстояние не должно превышать 12 — 15 см. В противном случае необходимо поднимать уровень пола до тех пор, пока это расстояние не будет удовлетворять заданным условиям. В результате получим:

Рисунок 1.1 — Построение подъема пола

Таким образом, подъем пола начинается с восьмого ряда, там он составляет 2 см. В конце зала подъем пола относительно соседних рядов составляет около 15 см. Под зрительными местами, как показано на рис. 1.1, пол имеет ступенчатую структуру, в проходах же — ровную наклонную поверхность, покрытую ковровой дорожкой (рис. 1.3а). На балконе же, в связи с более крутым подъемом, проходы имеют ступенчатую структуру (рис. 1.3б).

1.2.2 Построение профиля потолка При ровном потолке, как показано на рис. 1.1, зрители, сидящие в задней части зала, не будут обеспечены энергией первых отражений. А энергии прямых волн от естественного источника на сцене не достаточно для получения комфортных ощущений восприятия. Поэтому необходимо изменять профиль потолка.

Для данного зала будет использоваться две потолочных наклонных поверхности. Первая — козырек, расположенный над источником, который дает отражения на все ряды зрительного зала, кроме первых четырех, не нуждающихся в дополнительных отражениях. Вторая — горизонтальная плоскость, протягивающаяся практически по всему потолку над зрителями. Она дает отражения во вторую часть зала, начиная с 8 ряда и заканчивая последним балконным. Отражения от этой поверхности не получают только зрители двух рядов под балконом. В итоге получим профиль потолка показанный ниже:

Рисунок 1.2 - Построение профиля потолка

1.2.3 Построение плана зала Длина зоны зрительских мест составляет 23 м. Посредине нее имеется центральный проход шириной 1,2 м, соединяющий выходы в правой и левой стене зала. Этот проход делит зал на две части:

· первая часть, которая имеет расширение с обеих сторон от сцены к центральному проходу с 10,3 м до 17,4 м. Это расширение необходимо для того, чтобы за счет него создавался необходимый угол, позволяющий получить наилучшую картину ранних отражений от боковых стен, показанных на рис. 1.3а. В этой зоне расположено 11 рядов. В первом ряду расположено 28 мест, в следующем ряду на одно место больше, и так до 11 ряда, в котором, таким образом будет располагаться 38 мест. С обеих сторон этой зрительской зоны имеются боковые проходы, ширина которых составляет 1,1 м.

· вторая часть, посредине которой имеется проход от центрального прохода к выходу в задней стене. Этот проход делит эту часть на две равные зрительные зоны. В каждой из них имеется по 11 рядов с 18 местами в каждом. С обеих сторон зрительской зоны имеются проходы от центрального прохода к задней стене шириной 1 м. Между задней стеной и зрительскими местами также имеется проход такой же ширины. План зала показан на рис. 1.3а.

Таким образом, суммарное число зрительских мест составляет:

мест Оставшиеся места разместим на балконе в 6 рядах по 38 мест в каждом. В результате, общее число зрительских мест в зале составляет 987 мест. Полученный результат отличается от заданного количества мест на 13 мест, что допустимо. На балконе, также как и в зале, вдоль зрительских мест имеются два боковых прохода шириной 1,1 м. Между задней стеной и местами имеется проход шириной в 1 м, посредине задней стены — вход на балкон. План балкона показан на рис. 1.3б Рисунок 1.3 — План зала. Ранние отражения (а). План балкона (б)

1.3 Определение окончательных габаритов зала

Итак, после построения профилей пола и потолка зала, после изменения формы боковых стен, изменились габариты зала, полученные в первом пункте данного раздела. На рис. 1.1 — рис. 1.3 представлены скриншеты из программы для проектирования и черчения AutoCad2009. Все размеры, показанные на предложенных рисунках, являются окончательными и не подлежат дальнейшему изменению, так как они были получены с учетом материалов последующих разделов пояснительной записки.

Таким образом, окончательные габаритные размеры проектируемого зала имеют следующие величины:

длина: 28 м ширина: 17,4 м высота: 11,7 м Объем зала, при этом, уменьшится с 5000 м³ до 4755 м³. Площадь внутренней поверхности зала составит 1914 м².

Раздел 2. Акустический расчет помещения

Акустический расчет помещения включает в себя определение оптимального времени реверберации, расчет необходимого звукопоглощения, выбор звукопоглощающих материалов и составление эскиза размещения звукопоглощающих материалов, расчет структуры ранних отражений, расчет на наличие тембральных искажений и расчет уровня шума в зале.

2.1 Определение оптимального времени реверберации и его частотной характеристики Акустическая обработка помещения производится для обеспечения оптимального времени реверберации, которое определяется исходя из назначения зала и его объема, в соответствии с которыми время реверберации может иметь различные значения, выбираемые с помощью кривых:

Рисунок 2.1 — Кривые оптимального времени реверберации

Проектируемое помещение должно быть пригодно как для использования с естественными источниками звука, так и при использовании озвучивания. Причем для обоих этих режимов рекомендуемые величины времени реверберации существенно различаются. Но, так как при использовании искусственных источников звука, имеется возможность производить регулировки различных параметров звука, а при использовании естественных источников звука этого сделать не возможно, то оптимальное время реверберации будем выбирать для речевых помещений.

С учетом всего вышесказанного, согласно кривым 6,7 на рис. 2.1, выбираем оптимальное время реверберации на частоте 500Гц равное 1.07±10% с.

На низких частотах оптимальное время реверберации должно быть больше на 10−20%, поэтому частотная характеристика оптимального времени реверберации будет выглядеть:

Рисунок 2.2 — Частотная характеристика оптимального времени реверберации

2.2 Предварительный расчет времени реверберации и звукопогло-щения на частоте 125, 500 и 2000Гц.

Для расчета времени реверберации необходимо рассчитать средний коэффициент поглощения в помещении и определить необходимое количество вводимого звукопоглощающего материала.

При расчетах будем считать, что боковые стены до 2 м покрыты деревянными панелями, выше 2м — оштукатурены и покрашены; потолок, козырек и низ балкона — окрашенные бетонные плиты; пол под зрительскими местами и в проходах покрыт ковровой дорожкой; сами места имеют мягкую основу; выходные двери зала прикрыты бархатными занавесками; сцена сделана из досок, покрытых паркетом.

Итак, составим табл. 2.1, в которую, для всех перечисленных выше поверхностей, занесем величину их площадей и коэффициентов поглощения на соответствующих частотах, а затем по формуле (2.1) рассчитаем средние значения коэффициентов поглощения на этих частотах и тоже занесем их в эту таблицу:

где коэффициенты поглощения поверхностей в зале соответствующие площади этих поверхностей

S — площадь всех поверхностей в зале Таблица 2.1 — Предварительный расчет поглощения

Из приведенной таблицы видно, на сколько различается средний коэффициент поглощения на разных частотах. Теперь, зная среднее значение коэффициента поглощения для всех частот, по формуле Эйринга можно определить стандартное время реверберации:

где — площадь внутренней поверхности зала с учетом подъема пола и балкона

— среднее значение коэффициента поглощения

V — объем зала Подставляя полученные значения коэффициента звукопоглощения из табл. 2.1 и рассчитанные в первом разделе значение габаритных показателей зала в формулу (2.2), получим частотную характеристику времени реверберации акустически необработанного зала, данне расчетов занесем в табл. 2.2:

Таблица 2.2 — Частотная характеристика времени реверберации в необработанном зале

Как видим, значения времени реверберации получилось значительно больше оптимального времени реверберации, указанного в пункте 2.1. В связи с этим, чтобы приблизить величину времени реверберации в рассчитываемом зале к оптимальной, необходимо произвести дополнительную акустическую обработку внутренних поверхностей зала.

2.3 Расчет необходимой акустической обработки и частотной характеристики времени реверберации Исходя из величины оптимального времени реверберации можно определить величину площади, которая требует обработки. Для того из формулы (2.2) выразим и найдем его значение:

Как видим, полученное значение среднего коэффициента поглощения намного больше рассчитанного в п. 2.2. Теперь, зная его, можно произвести предварительный расчет необходимой для обработки площади. Для этого необходимо выбрать материалы, которыми будем обрабатывать поверхности зала.

Итак, для обеспечения оптимального времени реверберации будем использовать два поглотителя, характеристики которых представлены в табл. 2.3

Таблица 2.3 — Характеристики звукопоглотителей

Средний коэффициент поглощения выбранных поглотителей на 500Гц составляет. Зная его, можно определить необходимую для обработки площадь. Для этого воспользуемся следующим выражением:

где — среднее значение коэффициента поглощения необходимое для обеспечения оптимального времени реверберации

— среднее значение коэффициента поглощения, полученное после предварительного расчета Выразим из (2.3) и найдем ее значение:

м2

Полученное значение — величина площади, требуемой обработки поглотителями, без учета площади под их крепления, которая составляет 20% от их площади. Следовательно, окончательная площадь обрабатываемой поверхности составит приблизительно 1000 м².

Далее, после покрытия поглотителями задней и боковых стен, начиная с 2 м от уровня пола, части потолка, торцевой и нижней частей балкона, как показано на рис. 2.3, по формуле (2.1) рассчитаем значения коэффициентов поглощения поверхностей зала для ансамбля частот с 200Гц через октаву до 2000Гц. Результаты расчетов занесем в табл. 2.4.

Таблица 2.4 — Акустическая обработка зала

Рисунок 2.3 - Акустическая обработка поверхностей зала ЭЗП и ЭРП

Далее, получив значения коэффициентов поглощения на требуемых частотах, по формуле (2.2) рассчитаем значения времени реверберации на этих частотах и построим частотную характеристику времени реверберации. Результаты вычислений занесем в табл. 2.5

Таблица 2.5 — Частотная характеристика времени реверберации

Рисунок 2.4 — Частотная характеристика времени реверберации

Как видим из рис. 2.4, полученная частотная характеристика времени реверберации соответствует требованиям на всех на рассматриваемых частотах, причем ее отклонение от требуемого значения не значительно.

На рис. 2.5 изображена развертка зала с указанием расположения звукопоглощающих материалов:

Рисунок 2.5 — Развертка зала

По данным табл. 2.4 составим баланс звукопоглощения в зале. Численные значения занесем в табл. 2.6, а затем на рис. 2.6 проиллюстрируем эти данные:

Таблица 2.6 — Баланс звукопоглощения

2.4 Расчет и построение структуры ранних отражений Приведенная в предыдущем подразделе методика дает информацию о соответствии «акустики зала» требованиям ГОСТ. Однако это не дает гарантию, что в зале не будет мест с неудовлетворительной акустикой, то есть для стопроцентной реализации удовлетворительной акустики места.

Модель Эйринга предполагает довольно редкие моменты отражения одновременно от всех поверхностей, она находится в противоречии с методом вычисления среднего времени пробега, так как последний предполагает неодновременность отражений от разных поверхностей. Однако это противоречие исправляет неадекватность модели Эйринга.

Рисунок 2.6 — Баланс звукопоглощения

Акустика места не может быть оценена статистически, так как зависит от реальной структуры реверберационного процесса. В соответствии с этим, первые отражения от внутренних поверхностей зала должны приходить ко всем местам в зале до начала реверберационного процесса. Началом реверберационного процесса принято считать начальный промежуток времени, с момента возникновения звуковой волны, равный времени интеграции слуха. (16−20 Гц 50мс). Эти 50 мс и определяют начальную часть реверберационного процесса.

Чтобы при прослушивании аудиопрограмм зрители не испытывали дискомфорта, необходимо, чтобы первые отражения приходили к слушателям до начала реверберационного процесса. В соответствии с этим, при проектировании формы зала были выбраны пропорции, удовлетворяющие данному условию. Для более детального расчета, необходимо построить картину первых отражений, во всех плоскостях зала, для нескольких мест, расположенных в разных его частях. Рассчитаем временные задержки между приходом прямого сигнала и первыми его отражениями от всех поверхностей зала для четырех мест, расположенных в первом ряду, в одиннадцатом, последнем и на балконе.

Для построения картины первых отражений необходимо использовать как минимум две плоскости, поперечного рис. 2.7 и продольного рис. 2.8 разрезов зала.

Рисунок 2.7 — Первые отражения. Поперечный разрез

Рисунок 2.8 — Первые отражения. Продольный разрез

На приведенных выше рисунках тонкими сплошными линиями изображены лучи, показывающие направление распространения звуковых волн от источника и их первых отражений к выбранным местам.

Расположение источника выбрано таким образом, чтобы показать картину первых отражений не только для данного его положения, но и, чтобы можно было мысленно представить ее и для других его положений. Его расположение соответствует одной трети ширины зала.

Расположение мест, к которым направлены лучи, выбрано таким образом, чтобы длина лучей в продольном разрезе была истинной. В поперечном же, так как зал имеет объем, длина лучей является не точной. Чтобы получить точную длину лучей, необходимо производить некоторые несложные, но объемные вычисления. Но в результате расхождения будут не значительными (около 0,5−1м), и на общую картину они не повлияют, исключением являются места на балконе. Для вычисления длины лучей в поперечном разрезе, необходимо было учитывать высоту балкона над плоскостью зрительских мест.

После измерения длин лучей, необходимо посчитать величины временных задержек между приходом к выбранным местам прямого звука и отраженного, а также их звуковые давления. После чего следует рассчитать уровни давлений.

Чтобы определить временную задержку между приходом прямого и отраженного луча, необходимо найти разницу между их длинами и поделить ее на скорость звука. Чтобы определить интенсивность в любой точке зала, необходимо знать ее величину на краю сцены. Известно, что при поставленной громкой речи оратора уровень звукового давления на краю сцены должен соответствовать 80дБ, что соответствует интенсивности 10−4 Вт/м2. Теперь, зная эту величину, по формуле (2.4) можно найти величину интенсивности в любой точке, а по формуле (2.5) — уровень звукового давления.

где lk — расстояние от k-той точки в зале до источника звука Результаты вычислений сведем в табл. 2.7:

Таблица 2.7 — Первые отражения

Рисунок 2.9 — Структура ранних отражений

Как видно из приведенной таблицы, задержек между приходами прямых и отраженных лучей больших, чем 50мс, нет. Следовательно, в этих местах будет обеспечены требуемые условия для комфортного восприятия звуковых колебаний со сцены. Но того, что нет задержек не достаточно, для точного удостоверения в том, что условия для комфортного восприятия звука со сцены выполнены на рис. 2.9 покажем структуру ранних отражений.

Как видим из приведенных графиков, ни в одном ряду нет опасности услышать эхо, вследствие маленькой величины времени между приходами отраженных звуков в точку приема.

Для того, чтобы оценить акустику места удобно пользоваться коэффициентом четкости, определяемым, как отношение начальной энергии ревербарационного процесса к последующей. Временем, определяющим эту начальную энергию принято считать величину времени интеграции человеческого слуха, равную 50мс.

Измерительная аппаратура позволяет автоматически выделить энергию отражений, интегрируемую в пределах мс из всей заполняющей зал энергии, а затем определить коэффициент четкости. Не имея аппаратуры, этот коэффициент можно вычислить посредством формулы:

где

Величина должна зависеть от координат точки приема звука. Если подставить в формулу (2.6) одно лишь значение звукового давления прямого звука, например, то зависимости значения коэффициента от расположения точки приема в зале не будет, во всех точках величина D будет одинакова, поэтому, чтобы проследить за акустикой места, в числителе и знаменателе формулы (2.6) необходимо рассматривать энергии не одного колебания, а суммы энергий прямого и отраженных звуков, зафиксированных в точке приема в течении 50мс после прихода прямого звука. В соответствии с этим, формула (2.8) примет вид:

где i — номер звуковой волны пришедшей в точу приема

k — количество звуковых волн, пришедших в точку приема за 50мс

= (0,05 — ti) мс — временная задержка между приходом прямого и i-го отраженного звука Далее, пользуясь данными из табл. 2.7, рассчитаем значения коэффициентов четкости для рассматриваемых мест. Результаты сведем в табл. 2.8

Таблица 2.8 — Определение акустики места в начале, середине и в коне зала

2.5 Расчет спектра собственных частот помещения Помещение, обычно является последним звеном электроакустического тракта, при передаче звука. В помещении, как в распределенной колебательной системе, могут хорошо передаваться только колебания, у которых частота колебания равна собственной частоте колебания системы. Необходимо знать, как распределены собственные частоты по частотной шкале, а также могут ли возникнуть заметные на слух тембральные искажения.

Собственные частоты помещения вычисляются по формуле:

где n — количество полуволн, укладывающихся по длине l

p — количество полуволн, укладывающихся по ширине b

q — количество полуволн, укладывающихся по высоте h

с0 = 340 м/с — скорость звука в воздухе Поскольку в области высоких частот наблюдается высокая плотность спектра, то расчеты будем проводить в низкочастотной области (20−100 Гц). Расчеты спектра собственных частот приведены на рис. 2.10

Рисунок 2.10 — Спектр собственных частот Для определения возможности возникновения тембральных искажений необходимо вычислить так называемые «частотные окна» и сравнить их с частотной разрешающей способностью слуха. В приведены кривые разрешающей способности слуха, выберем кривую при громкости 60 фон и переведем относительные величины на оси ординат в абсолютные, экстраполируем эту кривую до 20 Гц и отобразим ее на графике, изображенном на рис. 2.11, на этом же графике покажем расстояния между соседними частотами («частотные окна»).

Рисунок 2.11 — «Частотные окна» и частотная разрешающая способность слуха

Из полученного графика видно, что заметных на слух тембральных искажений в зале не будет. Так как все «частотные окна располагаются значительно ниже кривой разрешающей способности слуха.

2.6 Расчет уровня шума в помещении Для определения уровня проникающего в помещение шума необходимо знать уровни шума за каждой из его преград и их собственную звукоизоляцию. Расположение помещения представлено на рис. 2.12.

Рисунок 2.12 — План расположения здания и его внутренних помещений

Данные для расчета шума в помещении представлены в табл. 2.9 Считаем, что под залом находится подвал, а над залом — чердак. Задняя стена в нижней половине примыкает к фойе, служебным помещениям и двум аппаратным (проекционной и звукотехнической), а в верхней — к фойе второго этажа.

Таблица 2.9 — Расчет уровня шума, проникающего в зал через снаружи

Теперь рассчитаем общий уровень проникающего шума Nш в зале:

Уровень проникающего в помещение шума не должен превышать 35 дБ. Значение полученного уровня удовлетворяет этому условию, поэтому дополнительных мер по звукоизоляции помещения не требуется.

Раздел 3. Озвучение зала

• 3.1 Расчет неравномерности звукового поля
• Для обеспечения в зале комфортных условий восприятия звука необходимо обеспечить равномерность звукового поля как по горизонтали, так и по вертикали за счет ориентации осей излучателей и выбора места их расположения.
• По техническому заданию система озвучения зала должна быть распределенной, при этом, если в процессе расчета неравномерности получится система с сосредоточенными параметрами — это значительно улучшит получаемую картину. Поэтому допускается переход от системы с распределенными параметрами к системе с сосредоточенными параметрами.
• При расчете неравномерности по вертикали будем рассматривать только один громкоговоритель, так как второй будет расположен симметрично первому во второй половине зала.
• Неравномерность звукового поля в зале не должна превышать ±3 дБ относительно осей излучателей. Поэтому первым, что необходимо проделать — определить место, где будет расположен громкоговоритель и ориентацию его оси. Для этого по формуле (3.1) необходимо рассчитать неравномерность для каждого ряда:
• где r0 — расстояние от центра громкоговорителя до ряда, в который направлена ось
• rk — расстояние от центра громкоговорителя до ряда, в котором рассчитывается неравномерность озвучения
• R (иk) — характеристика направленности громкоговорителя
• иk — угол между осью громкоговорителя и местом, в котором рассчитывается неравномерность озвучения
• Для озвучения зала будем использовать рупорные громкоговорители. Характеристика направленности рупорных громкоговорителей аппроксимируется эллипсом и рассчитывается по формуле (3.2):
• где — эксцентриситет эллипса
• Для расчета значения эксцентриситета эллипса воспользуемся формулой (3.3):
• В которую подставим заданное в техническом задании значении коэффициента осевой концентрации Щ (КОК) и выражение для характеристики направленности (3.2). Далее, после несложных вычислений, получим выражение для нахождения эксцентриситета характеристики направленности излучателей:
• Подставив в это выражение значение КОК, получим:
• Теперь, приступим к выбору места расположения ГГ и их ориентации, опираясь на то, что уровень во всех местах зала не должен отклоняться на 3 дБ от уровня в месте ориентации оси. После непродолжительного графического поиска ориентации оси, удовлетворяющей заданным условиям, было выбрано изображенное на рис. 3.1 расположение положение ГГ:

Рисунок 3.1 — Расположение и направленность ГГ в продольном разрезе

Таким образом, осевое расстояние roc будет равно 25,4 м. Далее, измеряя расстояния до рядов и вычисляя по формуле (3.2) значения радиус-векторов характеристики направленности, приняв величину 94 дБ за требуемый уровень звукового давления на оси громкоговорителя, рассчитаем неравномерность озвучения в зале. Результаты этих расчетов занесем в табл. 3.1.

Таблица 3.1 — Расчет неравномерности озвучения в вертикальной плоскости

При расчете неравномерности в горизонтальной плоскости, в точках, близлежащих к оси громкоговорителя будем считать, что уровень звукового давления в этих точках равен уровню давления в соответствующих им точках вертикальной плоскости. Далее, аналогично расчету неравномерности озвучения в вертикальной плоскости, определяем направленность излучателей, опираясь на то, что при работе одного громкоговорителя, на оси зала уровень давления не должен быть меньше -6 дБ от осевого, а у стен не должен превышать 6 дБ. Еще один аспект, который необходимо принять во внимание — при окончательном расчете необходимо учитывать оба громкоговорителя.

Так как зал симметричен, то расчет будем вести в одной его половине для 15ти точек, показанных на рис. 3.2. аналогично расчету для точек в вертикальной плоскости. Также на этом рис. 3.2. показано расположение громкоговорителей относительно боковых стен и их направленность в горизонтальной плоскости.

Рисунок 3.2 — Расположение и направленность ГГ в поперечном разрезе

Результаты расчетов сведены в табл. 3.2, в которую занесены все необходимые для расчета неравномерности озвучения в 15ти выбранных точках обоими громкоговорителями по отдельности и вместе, сами значения неравномерности в этих точках, а также численные значения звукового давления и его уровня.

Таблица 3.2 — Расчет неравномерности озвучения в горизонтальной плоскости

Как видно из табл. 3.1 и табл. 3.2 неравномерность озвучения всех мест зала лежит в пределах ±3 дБ, что соответствует требуемым условиям.

• 3.2 Расчет устойчивости системы озвучения
• Устойчивостью системы называется степень вероятности самовозбуждения за счет воздействия на микрофон звуковых давлений, создаваемых громкоговорителями озвучения. На микрофон, помимо прямого звука от громкоговорителей, воздействуют его отражения от поверхностей зала, которые необходимо учитывать при расчете звукового давления, создаваемого системой озвучения, действующего на микрофон. В случае, когда величина этого давления превышает величину звукового давления создаваемого источником, возникает вероятность самовозбуждения системы. Поэтому, если при увеличении в 2 раза величины звукового давления, создаваемого системой озвучения, действующего на микрофон, самовозбуждения не произойдет, то такая система является устойчивой.
• Таким образом, чтобы рассчитать устойчивость системы необходимо определить величину звукового давления, действующего на микрофон со стороны громкоговорителей озвучения, а затем сравнить его с давлением, создаваемым оратором.
• При нормальной речи уровень звукового давления на расстоянии 1 м от говорящего равен 74 дБ, следовательно, величина звукового давления на поверхности микрофона, находящегося на расстоянии 0,5 м от говорящего, при этом, будет равна:
• Па
• Для расчета величины звукового давления, действующего на микрофон со стороны громкоговорителей озвучения, необходимо учесть как прямой сигнал так и отраженные от стен и потолка. Так как вторые и последующие отражения не внесут сильного изменения в общую картину, то в расчетах будем учитывать только первые. В расчетах будем пользоваться методом мнимых источников.
• На рис. 3.2 изображен поперечный разрез зала с одним поясом мнимых вокруг него. Микрофон расположен на осевой линии зала на расстоянии 1,5 м от края сцены и на высоте 1.6м от уровня сцены. Поскольку громкоговорители (на рис. 3.2 они пронумерованы) расположены симметрично относительно осевой линии зала в продольном направлении, то расчеты будем вести лишь для одного.

Рисунок 3.3 — Схема расположения мнимых источников

Величину давления, создаваемого i-тым громкоговорителем можно определить по формуле (3.5):

где r — расстояние от i-го громкоговорителя до микрофона

f — частота сигнала, излучаемого громкоговорителями

pmi — амплитуда звукового давления от i-го мнимого источника За расстояние от громкоговорителя до микрофона в нулевом просвете примем длину соответствующих лучей на рис. 3.3, в первом просвете необходимо учесть то, что источники и микрофон находятся на разных высотах, поэтому истинное расстояние вычисляется по формуле:

где li — расстояние в плане

h — высота от мнимого источника до приемника, h=12,9 м Амплитуду звукового давления i-го источника определяется следующим образом:

где — звуковое давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя

и — характеристики направленности громкоговорителя и микрофона

— средний коэффициент отражения по давлению Уровень звукового давления, создаваемый одним громкоговорителем в центре зала, должен соответствовать 93 дБ. В соответствии с этим давление на расстоянии 1 м от центра громкоговорителя будет равно:

Па Характеристика направленности громкоговорителя рассчитываются по формуле (3.2). Характеристика направленности микрофон имеет вид кардиоиды и рассчитывается по формуле (3.8):

Средний коэффициент отражения по давлению определяется следующим образом:

Теперь, зная давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя, измерив расстояния от мнимых источников до микрофона, рассчитав значения радиус-векторов характеристик направленности громкоговорителя и микрофона, а затем, подставив в соответствующие им выражения (3.2) и (3.8) значения углов, измеренных на рис. 3.3, между осями и направлениями радиус-векторов, по формуле (3.7) определим значения амплитуд звукового давления, создаваемых мнимыми источниками на поверхности микрофона. Результаты расчетов занесем в табл. 3.3.

Таблица 3.3 — Расчет амплитуд звуковых давлений создаваемых мнимыми источниками

Как видно из формулы (3.5), величина звукового давления, создаваемого i-ым мнимым громкоговорителем, имеет фазу, которая зависит от частоты воспроизводимого сигнала и имеет комплексный характер.

Рассмотрим ансамбль частот, начиная с 200 Гц до 2000 Гц, с полутоновым шагом. Подставляя в формулу (3.5) значения частот из этого ансамбля, а затем суммируя результаты, для каждой частоты определим величину мнимой и действительной частей суммарного звукового давления, действующего на микрофон, при этом учтем второй излучатель. Результаты занесем в табл. 3.4:

Таблица 3.4 — Действительная и мнимая части звукового давления МФ на разных частотах

Из полученного ряда значений необходимо выбрать те, на которых возможно возникновение генерации, где мнимая часть равна нулю, а действительная имеет положительную величину. Для этого по полученным данным построим графики (рис. 3.4), анализируя которые, можно определить частоты, на которых возможна генерация.

Рисунок3.4 — Графики мнимой и действительной частей звукового давления действующего на микрофон

Анализируя полученные графики, определим критические частоты. Нормализуем значения давлений на этих частотах, относительно значения звукового давления создаваемого оратором на поверхности микрофона, рассчитанного в самом начале данного пункта. Результаты занесем в табл. 3.5

Таблица 3.5- Определение опасных частот

Итак, как видно из таблицы, генерация возможна на трех указанных в таблице частотах (показаны жирным), так как отношение паразитного давления к прямому приблизительно равно 2. Поэтому система неустойчива и склонна к генерации на указанных частотах.

Заключение

В данной курсовой работе произведен расчет концертного зала на 987 мест. Определено размещение мест в зале. Определена форма зала, профили пола и потолка.

После определения времени реверберации в получившемся зале было установлено, что оно значительно превышает оптимальное время реверберации для подобных помещений, поэтому 1000 м² внутренней поверхности было отведено под акустическую обработку звукопоглотителями. При обработке использованы материалы ЭЗП и РЗП. Далее была рассчитана структура первых отражений и коэффициент четкости для четырех мест зала. Рассчитан, проникающий в помещение шум. Также, было установлено, что заметных на слух тембральных искажений в рассчитанном помещении не будет.

Озвучение зала заключалось в определении расположения и ориентации громкоговорителей в пространстве для обеспечения заданной неравномерности ±6 дБ при требуемых 96 дБ в центре зала. На частотах от 200 до 2000 Гц произведен расчет устойчивости системы и сделан вывод о том, что система склонна к генерации.

В целом, спроектированный зал пригоден для проведения различного рода речевых мероприятий при естественном и искусственном озвучении.

1. Качерович А. Н Акустика зрительного зала. — М.: Искусство, 1968

2. Вахитов Я. Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. — М.: Искусство, 1982

3. Ковригин С. Д Архитектурно-строительная акустика: учебное пособие для вузов. — М.: Высш. Школа, 1980

4. Дрейзен И. Г Электроакустика и звуковое вещание. — М., 1961