ПриклАкустика-1_2. Лекція 10 Розділ Архітектурна акустика. Історія розвитку архітектурної акустики
 Скачать 1.76 Mb.
|
|
2.3.5. Акустичне відношення. Еквівалентний час реверберації Повна енергія в приміщенні складається з суми енергій прямих хвиль і дифузно відбитих, причому поблизу джерела звуку переважає енергія прямого звуку, а при віддаленні від джерела росте внесок дифузної складової енергії. Акустичне відношення д пр W N W Характеризує ступінь дифузності звукового поля в даній точці (д- щільність дифузної енергії, пр- щільність енергії прямого звуку. Для ненаправленого джерела звуку 2 0 4 n W c r P , де P - акустична потужність ненаправленого джерела; r - відстань від джерела до точки спостереження; величина 2 4 I r P – інтенсивність звуку, яка утворюється джерелом в необмеженому просторі. 13 Щільність дифузної енергії можна визначити як щільність енергії, яка залишилася в приміщенні до моменту першого відбиття, коли енергії прямих хвиль вже не існує: 0 (1 ) (1 ). д W W S 0 с 4P В результаті акустичне відношення дорівнює (1 ) N S 2 16 r Радіусом гулкості називають відстань від центру джерела звуку, для якого 1 N , тобто пр д W W Звичайно акустичне відношення визначають для характерних точок приміщення, в яких знаходяться слухачі. Оптимальні значення акустичного відношення: - для передачі мови 0.5 4 N ; - для музичних програм 2 8 N ; - для органної музики 10 12 N Якщо акустичне відношення менше встановлених меж, передача звучить сухо, якщо вище – забруднено. Виразимо густину прямої енергії через д і N : ä ï ð W W N Тоді повна густина енергії 1 1 ( 1) ï ð ä ä ä N W W W W W N N Рівень густини енергії 0 0 0 1 1 10lg 10lg 10lg 10lg д д W W W N N L W W N W N (5) Величина 0 д є рівень дифузної енергії в приміщенні: 0 10lg д д W L W Якщо загальний рівень енергії в приміщенні складає 60 дБ, то з формули (5) 14 дБ L, ближнє поле ст 60 дальнє поле 1 60 10lg д N L N Таким чином після вимкнення джерела звуку енергія стрибком убуває на величину 1 10lg , N L N а потім спадає по лінійному закону Рис. 2.5 Така картина спаду звуку в ближньому полі (стрибок відбувається в результаті зникнення прямого звуку величина L тим більша, чим ближче ми знаходимося до джерела звуку. Пунктиром показана пряма спаду звуку в дальньому полі, де рівень прямої енергії дуже малий; час спаду відповідає стандартному часу реверберації. Реально в ближньому полі слухач відчуває ще менший час реверберації. Особливості психологічного слухового сприйняття дозволяють вважати, що суб'єктивна оцінка тривалості реверберації визначається так званим інтегральним законом, тобто інтегралом рівня в часі: ' 0 ( ) . T L t dt Тоді еквівалентний (ефективний) час реверберації, тобто час реверберації, який слухач чує поблизу джерела, знаходиться з рівності площі трикутників: 15 BCD AED S S Рис. 2.6 Слухач не відчуває на слух стрибка рівня звуку, а чує деяке усереднене значення часу реверберації åêâ T , який менше часу ' T , характерного для даного приміщення при спаді звуку від рівня Таким чином у розпорядженні звукорежисера є дуже простий і ефективний метод зміни відчуття часу реверберації. Наближаючи мікрофон до виконавця і віддаляючи від нього, можна змінити еквівалентний час реверберації в дуже широких межах. ЛЕКЦІЯ 12 2.3.6. Оптимальний час реверберації Оптимальний час реверберації – це час реверберації, при якому звучання даної програми створює відчуття найбільшої акустичної комфортності, тобто мова звучить максимально розбірливо, а музика і співочий голос створюють найбільший естетичний ефект. Оптимальний час реверберації – характеристика значною мірою суб'єктивна. Залежить від частоти, об'єму приміщення і характеру твору. А. Качерович досліджував більше 100 залів, і час реверберації в них змінювався від 0,9 с до 3,6 с. Всі зали були діючими. Оцінка якості звучання показала, що зали з часом реверберації понад 2,4 с були гулкими, а в залах з 1.2 T ñ звучання було зайве сухим. У всіх проміжних випадках зали звучали по-різному. В результаті був зроблений важливий висновок, що час реверберації не може бути єдиним критерієм оцінки якості звучання. åêâ T t 0 дБ B D E C T 16 T K c T , 1 6 , 0 5 , 0 дБ 9 , 0 50 70 90 Приміщення діляться на 1) приміщення для прослуховування натурального звучання; 2) приміщення для запису звуку 3) приміщення для відтворення звуку (кінотеатри). Перші два типу приміщень діляться на 1) мовні приміщення; 2) музичні приміщення. 2.3.6.1. Оптимальний час реверберації для мовних програм Існує головний критерій – розбірливість мови. Розбірливість визначається відсотком артикуляції (А, одержаним в результаті випробувань, артикуляцій, проведених в приміщенні. Ідеальною вважається 96% розбірливості (загальної – фразової), незадовільною – 65%. Експериментально встановлено, що де L K – коефіцієнт гучності звуку T K – коефіцієнт часу реверберації; ø K – коефіцієнт шумності; ô K – коефіцієнт форми приміщення. Вважатимемо, що 1 ø ô K K , тобто форма приміщення відповідає ідеальній, і рівень шуму в приміщенні на 15 дБ нижче за рівень звуку (якщо рівень шуму рівний рівню мови, розбірливість знижується до 50%). Розглянемо залежності ( ) L K L і ( ) T K Рис. 2.7 17 дБ 2 V V 1 8 , 0 ОПТ T c T , L K T K T L K K T L K K 1 9 , 0 8 , 0 Максимальна розбірливість мови спостерігається при рівні мови 70 дБ і часі реверберації 0,5 с. У діапазоні 50-90 дБ мова має достатньо хорошу розбірливість. При збільшенні часу реверберації розбірливість падає. Для великих приміщень добуток L T K K слід розглядати одночасно, оскільки ці коефіцієнти стають взаємозв'язаними. У приміщеннях великого об'єму гучність звуку зменшується, внаслідок чого падає розбірливість, тобто оптимальна розбірливість наступає при більшій гучності. Рис. 2.8 З іншого боку, гучність звуку у великому приміщенні можна підвищити збільшенням часу реверберації (на основі інтегрального закону слухового сприйняття ми реагуємо на величину 0 T Ldt ), хоча величина максимальної розбірливості для даного приміщення при цьому впаде. Рис. 2.9 18 c T , 1 ОПТ T 2 ОПТ T 3 ОПТ T T L K K 1 V 1 2 V V 1 2 3 V V V c T ОПТ , 2 , м V Добуток L T K K має оптимум. Час, який відповідає величині максимальної розбірливості, називається оптимальним часом реверберації. При збільшенні об'єму приміщення розбірливість падає, а її оптимум наступає при все більших значеннях часу реверберації. Рис. 2.10 Експериментально була встановлена залежність î ï ò T від об'єму приміщення, яка має вигляд прямої лінії з невеликим кутом нахилу. Рис. 2.11 Теоретично така задача була вирішена С.Я. Ліфшицем, який поклав в основу міркувань закон інтегрального слухового сприйняття і шукав залежність ( ) î ï ò T V , підтримуючи постійним добуток L T . Їм була одержана формула 0, 41 lg опт T V Враховуючи, що в приміщеннях великого об'єму час реверберації складає 1-2 с, це припущення не зовсім коректне, оскільки воно придатне для імпульсів тривалістю до 0,7 с, коли ми 19 вважаємо, що енергія, яка надходить в межах цього проміжку часу підсумовується. Формула Ліфшиця зазнала деяких експериментальних уточнень для різних типів приміщень: - для мовних аудиторій 0.3 lg 0.05 î ï ò T V ; - для мовних студій 0.4 lg 0.4 î ï ò T V ; - для оперних театрів 0.4 lg 0.15 î ï ò T V ( V - об’єм приміщення в 3 ì ). Звичайно для дикторських студій рекомендують 0.4 î ï ò T ñ ; - для літературно-драматичних студій (об'ємом до 500 3 ì ) 0.5 0.6 î ï ò T ñ ; - для передачі художньої мови (театри об'ємом до 500 3 ì ) 0.7 0.8 î ï ò T ñ ; - у гулких студіях – не менше 3 су заглушених студіях – в межах 0.2 0.3 с. 2.3.6.2. Оптимальний час реверберації для музичних залів Складнішим є питання оптимізації акустичних умов в приміщенні для звучання музики. Акустичний стан залу для звучання музики можна порівняти з якістю інструменту. Тому при оцінці музичного приміщення наперший план виступають естетичні вимоги. Залежно від стилю музики і характеру виконання оптимальний час реверберації виявляється різним. Наприклад, для музики стилю барокко (Вівальді, Гендель, Бах 1600-1750 рр.) експерти рекомендують 1.5 î ï ò T ñ ; для музики класичного стилю (Гайдн, Моцарт, Бетховен 1750- 1820 рр.) 1.5 1.7 î ï ò T ñ ; для романтичного стилю (Шуберт, Мендельсон, Брамс, Вагнер, Чайковській, Штраус 1820-1890 рр.) 2 2.3 î ï ò T ñ ; у разі сучасної симфонічної музики - 1.48 î ï ò T ñ ; для органної музики - 2 2.5 î ï ò T ñ ; для джазової музики 1.4 1.6 î ï ò T ñ ; 20 c T , 2 , м 2 250 500 1000 орган симфонічна музика опера, камерна музика мова для популярної музики 1 î ï ò T ñ , причому відхилення від цих даних в середньому нас вже помічається експертами. Для виконання камерної музики, сольних і хорових програм, невеликих ансамблів оптимальний час реверберації зменшується, але для будь-яких програм рекомендоване î ï ò T залежить від об'єму приміщення. Рис. 2.12 Оцінка музичного залу багато в чому суб'єктивна. Існує обширний словник, яким користуються музиканти для опису свого враження. Він відрізняється від акустичного словника і навряд чи може бути пов'язаний певним чином з фізичними властивостями залу. Такі слова як "легко, "повітряно", "прозоро" не можна перекласти мовою акустики. Більш того таке просте і відоме поняття "реверберація" не завжди пов'язується музикантами з певними акустичними властивостями. Автор книги "Акустичні вимірювання" американський учений Беранек розрізняє 18 суб'єктивних оцінок музично-акустичних властивостей. Приведемо основні з них. – Повнота тону (звучність) визначається відношенням гучності реверберуючого і прямого звуку. Чим більше це відношення, тим вище повнота тону. Для органної музики в приміщенні з великим часом реверберації таке співвідношення велике, а в малому приміщенні – не вистачає повноти тону. 21 Гучність прямого звуку визначається також першими відбиттями, які створюються найближчими до інструменту поверхнями. Тобто повнота звуку залежить від часу реверберації і форми навколосценічного простору (портальна частина залу. – Виразність звучання визначається як музичними чинниками, так і акустикою приміщення. Розрізняють горизонтальну чіткість, тобто виразність звучання послідовних тонів в мелодії, і вертикальну чіткість – виразність тонів, які звучать одночасно. Горизонтальна чіткість визначається часом реверберації і повнотою тону в зворотному відношенні (тобто більше прямого звуку по відношенню до реверберуючого). Музичні чинники – темп і майстерність виконавця. Вертикальна чіткість визначається особливостями музики, виконанням і здібностями слухачів. Акустичні чинники – баланс між різними інструментами, ступінь змішуваності звуків різних інструментів. – Інтимність (камерність, близькість) допомагає слухачу скласти уявлення про розміри приміщення, де виконується твір. Інтимність визначається часом запізнювання першого відбиття. Відбиваючі поверхні повинні бути влаштовані так, щоб це запізнювання було до 20 мс. Камерна музика виконується в приміщеннях малого об'єму з великою виразністю і малою повнотою звучання. – Теплота (повнота басового тону визначається як звучність басів в порівнянні зі звучністю середніх тонів. Забезпечується, якщо час реверберації на низьких частотах дорівнює або більше часу реверберації на середніх частотах. – Яскравість звучання визначається наявністю високих нот. Забезпечується, якщо час реверберації на високих частотах дорівнює або більше часу реверберації на середніх частотах. – Гучність прямого звуку зменшується з віддаленням від сцени. Оптимальна відстань від оркестру 18 м і 6-15 для солістів. – Баланс – сумісна дія акустичних і музичних чинників. Необхідний баланс між групами інструментів, між оркестром і виконуючими соло інструментами. Залежить від особливостей навколосценічного простору, розміщення оркестрантів, здібностей диригента. – Ансамбль залежить від того, наскільки музиканти добре чують один одного. Залежить від конструкції сцени, наявності відбиваючих поверхонь поблизу оркестру. 22 дБ L, Гц f , 0 20 40 60 200 2000 20000 Аналітичні формули розрахунку оптимального часу реверберації залежно від об'єму: опера - 0, 4 lg 0,15 опт T V ; симфонічна музика - 0,5 lg 0,3 опт T V ; студії: малі музичні - 0, 45 lg 0,3 опт T V ; концертні - 0,5 lg 0,1 опт T V Залежність оптимального часу реверберації від частоти Виявляється, що час реверберації, який є оптимальним на певній частоті, на ряді інших частот може не зберегти це значення. Час реверберації змінюється, по-перше, за рахунок неоднакової звукопоглинальної здатності внутрішніх поверхонь приміщення на різних частотах і, подруге, за рахунок того, що рівні відчуття різних частотних складових натуральних звучань не однакові. Очевидно, частотна характеристика оптимального часу реверберації повинна бути такою, щоб окремі складові складного звучання не могли за рахунок реверберації підкреслюватися або підійматися одна щодо іншої. Кнудсен зажадав, щоб всі частотні компоненти одночасно досягали порогу чутності, тобто одночасно затухали. Крива порогу чутності Рис. 2.13 Тоді пропонується частотна залежність оптимального часу реверберації. 23 Гц , 500 ОПТ ОПТ T T 125 250 500 1000 2000 4000 1 1 , 1 3 , 1 5 , 1 24 Рис. 2.14 Для музичних студій на НЧ опт T підвищують в 1,5-1,6 рази. Зниження у бік низьких частот не допускається, оскільки ми гірше чуємо низькі частоти. На ВЧ підйом дона частотах 2-4 кГц, оскільки високі частоти швидко затухають і їх необхідно підтримати тривалішим звучанням. Для великих студій з врахуванням згасання в повітрі на частоті 8 кГц опт T неповинно бути менше 1 с. Для мовних студій рекомендують незалежний оптимальний час реверберації. Допускається також спаду бік низьких і високих частот до 30%, оскільки ці частотні компоненти менше представлені в спектрі мови(максимум середнього рівня спектру мови лежить в районі 500 Гц. Рис. 2.15 125 500 250 1000 2000 4000 7 , 0 9 , 0 1 , 1 4 , 1 6 , 1 1 500 ОПТ ОПТ T T Гц f , музика мова |