Архитектурная акустика

Архитектурная акустика

Введение

Основной задачей архитектурной акустики является исследование условий, определяющих слышимость речи и музыки в помещениях, и разработка архитектурно-планировочных и конструктивных решений, обеспечивающих оптимальные условия слухового восприятия.

Научно-техническая революция вносит серьезные коррективы в подготовку молодых специалистов, которые не только должны обладать определенным минимумом знаний, но и творчески применять их.

Имеющаяся техническая литература по архитектурно-строительной акустике не всегда позволяет полностью использовать её в учебном процессе, так как требует профессиональных знаний и большого объема работы.

Хорошие акустические качества зала зависят от правильного решения ряда архитектурно-инженерных вопросов, к которым относятся:

— соблюдение необходимого относительного объема помещения на одного зрителя исходя из назначения зала;

— выбор рациональной формы поверхностей зала;

— выбор соответствующих звукопоглотителей и правильное расположение их на поверхности зала;

— обеспечение необходимой звукоизоляции зала, как от внешних, так и от внутренних шумов.

— улучшение условий труда и быта представляет собой важнейшую социальную задачу. Её улучшение связано с решением многих научных проблем в области психологии и социальной гигиены, улучшение организаций труда, социальной технологии архитектуры и строительства.

Большое место в этом широком комплексе проблем принадлежит архитектуре и смежным с ней техническим и научным областям. Поскольку её основной задачей является создание оптимальной среды для осуществления людьми различных социальных процессов.

Соответственно среда, окружающая человека и ограниченная помещением, имеющее определенное функциональное значение должна иметь такие характеристики, которые наиболее полно отвечают работе человеческого организма при выполнении данной функции.

Характеристика сред определяется условием зрительного восприятия и видимости, освещения, микроклимата, а также акустическим режимом, характеризующим качеством восприятия звука, если оно обеспечивается данным функциональным процессом или уровнем мешающего шума, возникающего в помещении или проникающего в него. Данные вопросы являются предметом изучения строительной физики.

Прикладной областью физики, дисциплины тесно связанной с теорией проектирования зданий

Определение времени реверберации Время реверберации — это время, в течение которого слышится отраженный звук после прекращения звучания прямого звука.

Чрезмерная реверберации является весьма распространенным недостатком в акустике. При продолжительной реверберации в зале последовательно издаваемые источником звуки перекрывают друг друга и создают неблагоприятные условия для восприятия не только речи, вследствие ухудшения разборчивости слогов и слов, но и музыки.

С другой стороны, малая реверберация помещения, так же является неблагоприятной для музыки: звуки в таких помещениях воспринимаются неестественными.

Время реверберации в помещении не является постоянным для звуков различной частоты. Это объясняется разной звукопоглощающей способностью отделочных материалов. В архитектурной практике время реверберации определяется обычно для частот 128, 512, 2048 Гц, поскольку эти частоты характерны для диапазона звуков наиболее часто встречающихся в речи и в музыке.

Таблица 1 — Коэффициенты звукопоглощения материалами и конструкциями

Время реверберации зависит не только от объемов помещения и материалов его отделки, но и характеристик источника звука. Для низких частот принимается более длительное, а для высоких более короткое время реверберации, нежели для средних частот.

Чем больше помещение, тем больше их средняя длина свободного пробега звуковой волны lср, а число отражений в с (n) меньше, процесс затухания звука будет происходить медленней.

Форма зала Время реверберации — не единственный фактор, определяющий акустические свойства зала. Оно является важной, необходимой характеристикой для всего помещения. Но не меньшее значение имеет критерий четкости и разборчивости речи, характеризующий качество слышимости в отдельных частях зала. Четкость и разборчивость зависит от силы прямого звука и от первых быстро следующих за ним полезных звуковых отражений.

Первыми полезными звуковыми отражениями считаются звукоотражение поступающие к зрителю со временем запаздывания по сравнению с первым звуком. Не более 50 млс и 1220 млс для музыки.

Более полезные более поздние отражения при высоком уровне звука и являются помехой.

От формы зала зависит распределения в нем отражения звуковой энергии.

Формы и размер зрительного зала имеет принципиальное значение для его акустики. Оценка форм и размеров зала, а так же отдельных поверхностей с акустической точки зрения обычно производятся на основе данных акустических исследований в натуре и на модели, а так же на основе геометрических построений.

Форма разрабатываемого зала представляет собой в плане прямоугольник с размерами 14,5· 15,5 м. Высота от нулевой отметки пола до уровня чистого потолка равна 6,6 м. В помещении устроена сцена, по краям которой располагаются звукоотражающие краны дугообразной формы.

Решение профиля поверхности пола При скольжении прямого звука вдоль поглощающей поверхности он теряет большую часть своей энергии. Эти потери являются скользящим поглощением звука и при определении профиля пола имеет значение прямолинейное распространение звука и степень его ослабления при скольжении над слушателями.

Эти условия удовлетворяются при устройстве пола с последующим повышением мест слушателей, по принципу хорошей видимости, хорошего восприятия прямого звука.

В зале предусмотрено ступенчатое повышение уровня пола, причем места располагаются дугообразно, разворачиваясь к сцене, повторяя ее форму.

Первая ступень находится от сцены на расстоянии 2,2 м, высота ступени составляет 15 см, общий перепад уровня составляет 1,05 м.

В местах расстановки кресел применен ковролан. Для остальной площади поверхности пола использован ламинат. В проходах между рядами на пандусах предусмотрено ковровое покрытие.

Форма поверхности стен Криволинейные формы поверхности не желательны в залах, поскольку они не обеспечивают равномерного распределения звука, звуковой энергии в зале.

Первые отражения боковых стен распределяются узкой полоской по периметру стен, минуя основную часть партерного зала. Концентрация звуковой энергии, отраженной стенами наблюдается главным образом в задней части зала. Распределение первых отражений от боковых стен зала, секторной формы плана зависит от горизонтального угла раскрытия стен. Чем больше угол, тем меньше отражение, направленное стенами зала. Более равномерное распределение отраженной звуковой энергии стенами приходит в зале прямоугольной формы плана при ширине зала до 20 м. Время запаздывания прямых отражений не превышает 50млс.

Распределение первых отражений от задней стены так же зависят от архитектурной формы. При плоских стенах звуковая энергия равномерно рассеивается по залу.

Так как ширина зала не превышает 20 м, и стены представляют собой ровную поверхность, что обеспечивает равномерное распределение звука, звуковой энергии в зале, чего труднее добиться при криволинейных поверхностях стен.

На сцене устроены боковые звукоотражающие экраны, которые способствуют усилению звука.

Материал поверхности стен — штукатурка, обладающая низким коэффициентом поглощения звука, равный 0,02−0,06.

Форма поверхности потолка Поступающие первые отражения слушателям с потолка, зависят не только от поверхности, но и от высоты. Высота зала дает возможность отражениям расширенно распространяться по всей площади зала, начиная от первых рядов до конца зала.

Форма потолка повторяет дугообразную форму поверхности потолка и имеет трехуровневый перепад. Потолок изготовлен из гипсокартона.

Над сценой располагается звукоотражающий экран, в отделке которого применена штукатурка.

Расчет разборчивости речи в зале Результативный фактор восприятия звука в помещении, с точки зрения его разборчивости зависит от величины относительного воздействия на слушателей полезной и бесполезной части звуковой энергии.

К полезной энергии относится энергия прямого звука и первых его полезных отражений.

К бесполезной энергии относится вся звуковая энергия, фактически она представляет собой реверберацию помещения — фон помещения. Если это отношение назвать коэффициентом разборчивости, то его возможно определить по формуле:

;

Где — плотность энергии прямого звука;

— плотность звуковой энергии первых отражений, приходящих в данную точку в течение 50млс после прекращения действия источника звука.

— плотность звуковой энергии всех последующих отражений, исключая первое, равное:

; где акустический звукопоглощение реверберация зал

— акустическая мощность источника звука;

— скорость распространения звука;

— расстояние от данной точки до источника звука;

-свободный пробег или путь первых отражений от источника звука до данной точки, приходящих в течение 50млс после прекращения действия источника звука;

— коэффициент поглощения поверхности, от которой приходит первое отражение;

— средний коэффициент звукопоглощения в помещении при 100% заполнении зала;

— общая площадь всех поверхностей в зале.

; где

— коэффициенты звукового поглощения поверхностей, от которых звук приходит в данную точку помещения в течение 50млс после прекращения действия источника звука.

Расчет эквивалентной площади звукопоглащения поверхности зала Таблица 2 — Эквивалентные площади звукопоглощения поверхности зала (постоянные)

Таблица 3 — Эквивалентные площади звукопоглощения поверхности зала (переменные)

Определение времени реверберации Время реверберации определяется по формуле:

где — средний коэффициент звукопоглощения;

— объем помещения (м3)

— площадь помещения (м2)

Для определения времени реверберации в помещении необходимо определить его объем (м3), суммарная площадь ограничивающих поверхностей (м2), эквивалентную площадь звукопоглощения (м2). Последняя величина определяется обычно при 70% заполнении зала для 3 частот 125, 500, 200 Гц.

Vобщ=1483,35 м³

Vступени =62,12 м³

Vпотолок=101,14 м³

Vзала= Vобщ — VступениVпотолок =1483,35 (м3)-62,12 (м3)-101,14 (м3)=1320,09 (м3)

Площадь (S) зрительного зала составляет: S = а· b;

S = 15,05· 14,05 = 224,75(м2)

Сумма площадей внутренних ограждений (Sобщ.):

Sобщ = Sстен + Sпотолка + Sпола

=248,05(м2)+224,75(м2)+224,75(м2)=697,55 (м2)

Определяют по формуле:

где — сумма произведений коэффициентов звукопоглощения отдельных поверхностей на их площади (м2);

— сумма эквивалентных площадей звукопоглощения зрителями и креслами (м2);

— средний коэффициент добавочного звукопоглощения.

Таблица 4 — Средний коэффициент звукопоглощения ()

Таблица 5 — Время реверберации

Определение времени запаздывания первых отражений от потолка и стен Таблица — Определение времени запаздывания

Геометрическая проверка:

где

=50 млс или 17 м.

От потолка:

Для точек 1,2

;

Для точек 3,4

;

Для точек 5,6

;

Для точек 7,8

.

От боковых экранов:

Для точек 1,2

;

Для точек 3,4

;

Для точек 5,6

;

Для точек 7,8

.

Расчет коэффициента разборчивости речи Таблица 7 — Расчет коэффициента разборчивости речи (артикуляции)

; где

500 Гц при 70%

500 Гц при 100%

2000 Гц при 70%

2000 Гц при 100%

Вывод Благодаря архитектурной планировке зала: расположение кресел, форме стен, габаритов помещения, выбранным материалам с низким коэффициентом поглощения, использованию звукоотражающий экранов, обеспечивается слышимость во всех точках зала и не создаётся эхо.

С учетом правильной планировки на стадии проектирования в дальнейшем не требуется дополнительных затрат на улучшение акустических средств.

1. Гусев Н. М., Климов П. П. Строительная физика. М: 1965

2. Ковригин С. Д. Архитектурностроительная акустика. М: «Высшая школа», 1980

ПРИЛОЖЕНИЕ