Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 61
Министерство образования и науки Российской Федерации Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия Кафедра общественных дисциплин
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 %), KL
– коэффициент, определяемый соотношением уровней «сигнал-шум», KR
– 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 »25м, средняя ширина Bср
»17,8 м; высота в проема сцены H» 7,5м, высота в средней части зала Hср
» 9м, L/Bср
= 1,4, Bср/
Hср
= 1,97 Площадь пола Sпола
» 420 м2
, площадь потолка Sпотол
=450 м2
; Площадь стен Sстен
»1045м2
; Площадь авансцены Sав.
»20 м2
; Площадь поверхностей оркестровой ямы Sяма
» 20 м2
; ( авансцена нависает над оркестровой ямой на 1/3 ее ширины) Площадь проема сцены (портала) Sпорт.
» 78,75 м2
;
Площадь пола, занятого креслами Sзрит.
» 230 м2
;
Свободная площадь пола ( площадь проходов) Sпрох.
» 170 м2
; Общая площадь ограждений Sогр
= Sпола
+ Sпотолка
+ Sстен
+ Sпорт.
+ Sямы
+ +Sавансц.
= 2033,75 м2
; Объем зала V= Sпола
´Hср
+Vорк. ямы
» 3820 м3
; Удельная площадь на слушателя (общая) S уд.
= Sпол
/N = 0,9 м2
/чел; Удельный объем на слушателя Vуд
=V/N=8,3 м3
/чел.; Высота источника звука на авансцене ( акустический центр) hисп
=1,5 м; Высота голов (ушей) слушателей над уровнем пола h c
луш.
=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, соответственно- зеркальные 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 (lmin
>> 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 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; g – угол падения (отражения) звуковой волны с нормалью В конкретном примере: a = 3м, b = 6,7 м, 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: ∆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 При скорости звука в воздухе С=340 м/с это соответствует различию в длинах пробега прямого и отраженного звуков, приходящих к слушателю, порядка 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 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 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 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
. 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 = Апост.
+ Аперем.
+ Адобав.
К постоянному звукопоглощению относят поглощение звука всеми ограждающими поверхностями и его вычисляют по формуле: где, 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 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
= 12м2
). Результаты расчета постоянного звукопоглощения (на 3-х частотах) представим в виде соответствующей таблицы. Ограждающие поверхности S(м2
) Постоянное звукопоглощение 125 Гц 500 Гц 2000 Гц 1. Потолок, S1
=450 0,01 4,5 0,01 4,5 0,02 9,0 2. Стены, S2
=1045 0,04 41,8 0,06 62,7 0,04 41,8 3. Проходы, S3
=170 0,02 3,4 0,03 5,2 0,04 6,8 4. Проем сцены S4
=78,75 0,2 15,75 0,3 23,625 0,3 23,625 5. Авансцена S5
=20 0,04 0,8 0,07 1,4 0,06 1,2 6. Орк. яма S6
=20 0,1 2,0 0,1 2,0 0,08 1,6 7. Портьеры S7
=12 0,15 1,8 0,55 6,6 0,7 8,4 Переменное звукопоглощение
– кресла и слушатели на креслах (70% заполнения зала) 125 Гц 500 Гц 2000 Гц а1
А=а1
N а1
А=а1
N а1
А=а1
N 1. Слушатель на мягком кресле N1
=322 0,25 80,5 0,4 128,8 0,45 145 2. Кресла N2
=138 0,08 11,0 0,12 16,56 0,1 13,8 Добавочное звукопоглощение:
Полное звукопоглощение зала:
Средний коэффициент звукопоглощения Расчетные времена реверберации звука на 3-х опорных частотах вычисляем по формулам Сэбина-Эйринга: 125 Гц, 500 Гц, 2000 Гц, Вычисляем относительные различия между Tопт
и Трасч
(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 Апост
. В качестве материала облицовки выбираем плиты «Силакпор» с воздушной прослойкой 200 мм. Коэффициенты звукопоглощения таких плит на выбранных опорных частотах следующие (табл. III.1а– Арх. Физика). f =: 125 Гц 500 Гц 2000Гц Берем под облицовку часть площади стен Sобл
= S22
= 150 м2
. Оставшаяся часть стен площадью S21
=1033-150=883, м2
– штукатурка по металлической сетке. Ограждающие поверхности S(м2
) Постоянное звукопоглощение 125 Гц 500 Гц 2000 Гц 1. Потолок, S1
… … … … … … Стены, S2
1
=883 0,04 35,3 0,06 53 0,04 35,3 Стены, S22(облицовки)
=150 0,5 75 0,6 90 0,55 82 …. … … … … … … 7. Портьеры S7
… … … … … … 125 Гц 500 Гц 2000 Гц и станет равным: Пересчитываем времена реверберации Вычисляем относительные различия между Tопт
и Трасч
(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 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).
|