Архитектурная физика. Лекции. Видимость в зрелищных помещениях

• Название: Видимость в зрелищных помещениях
• Анкор: Архитектурная физика. Лекции .doc
• Дата: 18.12.2017
• Размер: 2.45 Mb.
• Имя файла: Архитектурная физика. Лекции .doc
• Тип: Документы; #12076
• страница: 3 из 5

5.2. Допустимое запаздывание ранних звуковых отражений

Достаточно ранние интенсивные звуковые отражения (в основном это первые, то есть однократные отражения от поверхности зала на пути звука от источника Q к слушателю М) дополняют прямой звук источника, улучшая слышимость и разборчивость (рис. 13).



Рис. 13. Ход прямого звука и его первых отражений: N- нормаль к отражающей поверхности; а- продольный разрез зала; б - план зала

Интенсивными звуковыми отражениями являются (при достаточно малом их запаздывании) те, которые удовлетворяют условиям применимости геометрических отражений. На рис. 13 показан в виде лучей ход прямого звука от источника Qи первых отражений (с углом падения g₁, равным углу отражения g₂) от потолка и стен, проходящих в какую-либо точку М в области расположения слушателей.

Если расстояние от источника Q до точки приема М превышает 8 м, следует обеспечить кроме прямого звука приход в эту точку малозапаздывающего первого отражения. Для хорошей разборчивости речи желательно, чтобы оно запаздывало по сравнению с приходом прямого звука не более чем на 20 мс. В случаях, когда добиться, такого малого запаздывания затруднительно, оно может быть увеличено до 30 мс.

Так как скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с, то запаздыванию на 20 мс соответствует разность ходов отраженного и прямого звука около 7 м, на 30 мс - 10 м. Таким образом, при расстоянии точки М от источника более 8 м для наиболее раннего отражения желательно, чтобы разность ходов QO+OM+QM (рис. 13) не превышала 7 м, во всяком случае, не была больше 10 м. При этом следует брать истинные длины указанных отрезков, а не их проекций на чертеже.

Последовательные запаздывания прихода дальнейших отражений (то есть промежутки времени между приходами отдельных отражений) также не должны превышать указанных значений.

При расчетах разности ходов высота источника над полом эстрады или сцены принимается равной 1,5 м (уровень рта исполнителя), а высота точки приема над полом - равной 1,2 м (уровень уха слушателя).

5.3. Распределение отраженного звука

Очертания потолка и стен зала должны способствовать хорошему распределению отраженного от них звука, направляя большую долю его на удаленные от источника слушательские места. При проектировании зала следует при помощи геометрических (лучевых) построений контролировать распределение и запаздывание первых звуковых отражений от потолка и стен зала в соответствии с рекомендациями в п. 2.1.

Плоское горизонтальное очертание потолка (рис. 14) не является оптимальной его формой. Часть звука, отраженного от такого потолка, попадает в расположенные на расстоянии менее 8 м от источника передние ряды слушателей, для которых достаточная слышимость обеспечивается уже одним прямым звуком. Если высота передней части зала сравнительно велика, то запаздывание отраженного потолком звука по отношению к прямому звуку превышает указанные в п. 5.2 пределы.

 



Рис. 14. Распределение отражений от плоского горизонтального потолка: Q₁, Q₂ - источники звука

Вместе с тем, как видно из рис. 14, удаленная от источника часть такого потолка отражает звук не к слушателям, а на заднюю стену зала. Примыкая к задней стене под прямым углом, потолок дает после вторичного отражения от нее запаздывающее обратное отражение звука к источнику.

Распределение отраженного передней частью потолка звука можно улучшить устройством над эстрадой или авансценой отражателя (рис. 15), направляющего этот звук в основном не в передние ряды, а к более удаленным слушателям. Отражателю целесообразно придать показанное на рис. 15 выпуклое очертание, обеспечивающее хорошее распределение отраженного звука при разных положениях источника.

В виде такого отражателя выполняется передняя часть потолка или устраивается отражатель, подвешиваемый под потолком. Отражатель должен иметь массу не менее 20 кг/м² и может быть выполнен из железобетона, штукатурки по сетке или иного материала с малым коэффициентом звукопоглощения (не более 0,1 на частотах 125, 500 и 2000 Гц).



Рис. 15. Звукоотражатель в передней части потолка:

Q₁ и Q₂ - источники звука

Распределение звука, отраженного задней частью потолка, улучшается, если потолок имеет наклонный, примыкающий к задней стене участок (рис. 16а, б). В результате этого отраженный звук направляется, мало запаздывая по сравнению с прямым звуком, на задние места партера, улучшая там слышимость. Та же цель достигается наклоном в сторону слушателей задней стены (рис. 16, в). Полезным оказывается (в тех случаях, когда это согласуется с архитектурным замыслом) и наклон в сторону слушателей боковых стен, увеличивающий приходящую к слушателям долю звуковой энергии первых отражений от этих стен.

Часто применяющееся в практике проектирования залов расчленение потолка секциями (рис. 17) дает при правильном их очертании хорошее распределение отраженного звука. Здесь следует обращать внимание на то, чтобы звуковые отражения от смежных секций перекрывали друг друга.



Рис. 16. Рациональные типы примыкания потолка к задней стене:

а, б - наклонный участок потолка; в - наклон задней стены

Секции, изображенные на рис. 17а недостаточно удовлетворительны, так как отражения от смежных секций не перекрывают друг друга, вследствие чего образуются зоны, лишенные геометрических отражений (при построении отражения от края секции точка геометрического отражения берется на расстоянии 0,5 м от края). Секции на рис. 17б, в не имеют этого недостатка: их геометрические отражения перекрывают друг друга. Такого рода секции выпуклого сечения (см. рис. 17, в) предпочтительнее, так как они хорошо распределяют отраженный звук при разных положениях источника и повышают диффузность звукового поля в зале.

а
б
в

Рис. 17. Расчленение потолка секциями:

а - неудовлетворительные очертания секций; б, в - удовлетворительные

Интенсивные малозапаздывающие отражения от боковых стен весьма важны для достижения хорошей акустики зала.

При выборе очертаний стен в плане руководствуются теми же принципами, что и при выборе потолка. Особенно важной является правильная конфигурация стен вблизи эстрада или сцены. При плоских параллельных боковых стенах отражения от их участков, прилегающих к сцене или эстраде, попадают в передние ряды слушателей, где для слышимости достаточен прямой звук источника (рис. 18).

 



Рис. 18. Распределение отражений при параллельных боковых стенах

Вместе с тем запаздывание этих отражений по отношению к прямому звуку превышает допустимые пределы, если ширина передней части зала сравнительно велика.

Положение улучшается при устройстве передней части боковых стен в виде отражателя (рис. 19), описанного для потолка, и уменьшении ширины зала в передней его части.



Рис. 19. Расположение звукоотражателей в передней части боковых стен

Эффективно членение стен секциями (как и для потолка). При этом нужно следить за тем, чтобы отражения от смежных секций перекрывали друг друга. Примеры таких секций даны на рис. 20.



Рис.20. Отражение звука от сложного профиля поверхности стен или потолка

Размеры звукоотражателей, дающих направленные отражения от участков около сцены или эстрады и секций на потолке и стенах, должны быть достаточны для выполнения условий геометрического отражения (в соответствии с п. 5.1 и 5.2). Это же требование необходимо выполнять и для наклонных участков потолка или задней стены (см. рис. 16).

5.4. Предотвращение концентрации отраженного звука

Вогнутые или сводчатые поверхности с малым звукопоглощением способствуют концентрации звуковой энергии, фокусируют звук. Если источник звука располагается в центре кривизны, отражения концентрируются в центре круга. При приближении источника звука к поверхности (до половины радиуса) круговая поверхность отражает как эллиптическая, то есть фокус находится за центром круга. При дальнейшем приближении источника звука к отражающей поверхности величина фокусного расстояния возрастает, достигая бесконечности, когда расстояние до источника звука становится равным половине радиуса. В этом случае данная поверхность отражает как параболическая. Если источник звука расположен еще ближе, то фокус образуется сзади отражающей поверхности и она действует как гиперболическая. Место расположения фокуса, образуемого отраженными звуковыми лучами от вогнутых поверхностей (рис. 21), определяется по формуле

где F - место нахождения фокуса;

Q- источник звука;

О - центр радиуса кривизны;

r - радиус кривизны поверхности;

X - расстояние от F до поверхности; d - расстояние от Qдо поверхности.



Рис. 21. Определение места расположения фокуса от вогнутой поверхности

На рис.22 показаны схемы залов при различном соотношении радиуса кривизны цилиндрического потолка и высоты.



Рис. 22.Влияние радиуса кривизны r на характер отражения при различной высоте: а - h £r/2; б - h£r; в - h ³ 2r

При одинаковой отражающей поверхности потолка площадь пола, охваченная отраженными лучами, неодинакова. Наибольшая концентрация звука имеет место, когда радиус кривизны близок к высоте помещения, поэтому он не должен быть значительно больше или меньше высоты помещения. В этом случае зоны концентрации звука будут расположены далеко от поверхности пола, на которой находятся зрители. Если радиус кривизны меньше длины волны на низких частотах, то концентрация звука будет происходить на средних и высоких частотах, что приведет к искажению тембра звука.

В практике встречаются случаи двойного фокусирования. Например, человек, говорящий тихим голосом в точке А, расположенной недалеко от стены, не слышен в точке В, но очень хорошо воспринимается слушателем в точке Б (рис. 23). Такой эффект можно наблюдать в метро.



Рис. 23. Схема эффекта двойного фокусирования звука

На рис. 24 показано распространение звуковых лучей из точки А в круглом заде. Несмотря на малые размеры зала (диаметр около 10 м), в нем наблюдаются несколько фокусов, приводящих не только к неравномерному распределению звуковой энергии, но и к появлению в точке Б рядом с источником звука отчетливого эха.

Акустическое качество залов с фокусированием большей частью является неудовлетворительным:

• 
  возможность образования эха (особенно в больших залах);
  
• 
  неравномерность распределения отраженной звуковой энергии;
  
• 
  нарушение необходимого соотношения между прямой и отраженной звуковой энергией.
  

Рис. 24. Схема распространения звука в круглом зале

Следовательно, при выборе формы зала в нем не должно быть вогнутых поверхностей, обладающих свойством концентрировать отражаемый им звук.

На рис. 25 показана в плане вогнутая задняя стена зала, центр кривизны которой "C" лежит недалеко от источника звука Q.

Как видно из рисунка, отраженный от стены звук собирается в небольшой области зала. Такая концентрация отраженного звука является крупным акустическим дефектом. При большом запаздывании отраженного звука по сравнению с прямым в этом случае возникает сильное эхо. Но и при меньшем запаздывании ухудшается разборчивость речи и усиливается местная неравномерность звукового поля, причем с перёмещением источника перемещается и область концентрации отраженного звука. Во избежание концентрации центр кривизны стены С должен находиться на расстоянии от нее, превышающем, по крайней мере, в два раза расстояние от стены до источника Q (см. рис. 25б). Это следует иметь в виду и при устройстве куполов и сводов, которых надо избегать, так как они плохо сказываются на акустике залов.

По той же причине, как правило, не должны допускаться залы, имеющие в плане круглую, овальную, подковообразную или другую форму с криволинейными вогнутыми стенами. Залы с такими очертаниями допустимы лишь при специальном расчленении вогнутых, поверхностей, предотвращающем концентрацию отраженного звука, и проектирование их следует вести с обязательным привлечением специалистов-акустиков.



Рис. 25. Отражение звука от вогнутой задней стены: а - недопустимое положение центра кривизны; б - допустимое положение центра кривизны

На рис. 26 показаны геометрические определения мест расположения отражателей в помещении, имеющем эллиптическую поверхность, и приведены способы контроля длины путей.



Рис. 26. Эллипс отражения

Основными геометрическими параметрами эллипса являются

а, b и e: (а² = b²+e²).

Если источник звука Q и приемник П расположены в фокусах эллипса, все звуковые лучи имеют длину l, равную 2a.Разность длин путей звука во всех случаях составляет Δℓ = 2а - 2e.

Выпуклые поверхности (см. рис. 20), наоборот, создают рассеянное отражение звука и повышают диффузность звукового поля в зале.

5.5. Обеспечение достаточной диффузности звукового поля

В каждой точке звукового поля зала сказывается действие прямых и отраженных звуковых волн, которые приходят в рассматриваемую точку после многократных отражений от внутренних поверхностей с различным временем запаздывания по сравнению с прямыми волнами. В замкнутом помещении звуковые волны, отражаясь от его поверхностей, движутся по разнообразным направлениям. В результате этого в помещении образуется сложное звуковое поле. Важное значение в акустике помещений имеет понятие "диффузное поле", характеризуемое тем, что во всех точках поля усредненные во времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии постоянны. Такое, диффузное поле является идеальным, не достижимым в реальных помещениях, но для создания хорошей акустики помещения следует, по возможности, приблизиться к нему.

Следовательно, одна из важнейших характеристик звукового поля - степень его диффузности - это равномерность распределения потоков звуковой энергии по различным направлениям. Чем больше отражений звуковых волн, тем более однородным становится звуковое поле, тем больше будет у слушателя впечатление, что звуковые волны приходят к нему равномерно со всех направлений. Это качество особенно важно для залов, предназначенных для слушания музыки.

Для повышения диффузности необходимо, чтобы значительная часть внутренних, поверхностей зала создавала рассеянное, направленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, описанными выше секциями и тому подобными неровностями. Вместе с тем требуется и направленность ранних звуковых отражений. При акустическом проектировании следует сочетать эти несколько противоречащие друг другу требования при помощи разной степени расчленения отдельных поверхностей зала.

Гладкие большие поверхности не способствуют достижению хорошей диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (обычно это бывают боковые стены зала): они вызывают "порхающее эхо", возникающее в результате многократного отражения звука между ними (рис. 27). Расчленение таких стен ослабляет этот эффект и увеличивает диффузность. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (рис. 28).



Рис. 27. Возникновение "порхающего" (вибрирующего) эха:

а - возникновение вибрирующего эха преимущественно в передней зоне помещения;

б - в высоких помещениях и над отражающими полами (перекрытиями) "порхающее" (вибрирующее) эхо распространяется беспрепятственно;

в - если полы и перекрытия выполнены как звукопоглощающие, звуковые волны теряют энергию, распространению звука создается препятствие;

где h -главное направление распространения звука;

f -звуковые лучи "порхающего" (вибрирующего) эха

На поверхностях, создающих направленные малозапаздывающие по отношению к прямому звуку отражения, членение может совсем отсутствовать, а если оно имеется, то не должно создавать, сильного рассеивания. Таковы, например,секции, показанные на рис. 17 б, в. Эти секции дают направленные отражения и несколько рассеивают отраженный звук.



Рис. 28. Непараллельные боковые стены: а - скос обеих стен;

б - скос одной стены

Кроме того, эхо не будет образовываться, если будут соблюдаться условия, рассмотренные на рис. 29,когда разность расстояний (a + b) - r или (c+ d+ е) - r меньше 17 м.



Рис. 29. Схема распространения звука без возникновения эха

На поверхностях, дающих малозапаздывающие отражения, недопустимо устройство поперечных прямоугольных пилястр или ребер по типу рис. 30,а. Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, причем возникают показанные на рисунке зоны, лишенные геометрических отражений. Это характерно также для пилястр или ребер любого профиля, имеющего прямой угол со стороны источника (см. рис. 30 б).

Сильно рассеивающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных на слушательские места. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Особо выгодны для этой цели элементы, имеющие криволинейное выпуклое сечение (например, по типу на рис. 20 или по типу III на рис. 31), которые рассеивают также и более короткие волны. Обладают этим свойством и треугольные пилястры (тип II на рис. 31).



Рис. 30. Отражение от поперечных пилястр и ребер:

а - прямоугольные пилястры или ребра;

б - пилястры или ребра с прямым углом и наклонной гранью

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от шага пилястр (см. рис. 31). Заштрихованная область на рисунке показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в указанных на этом рисунке областях частот.

Пилястры выпуклого и треугольного сечений рассеивают такие и более высокие частоты по сравнению с получающимися из рисунка. Мелкие элементы размером 10¸20 см рассеивают лишь частоты выше 1000 Гц.

Эффективное рассеивание в области частот 200¸600 Гц дают пилястры с размерами 1¸2 м по ширине и 0,5¸1 м по глубине при шаге членения 2¸4 м. Если их очертание подвергнуть дальнейшему членению, то есть придать крупным элементам дополнительную мелкую деталировку или сделать их выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений улучшается, если их шаг нерегулярен, то есть расстояния между смежными членениями не одинаковы по всей расчлененной поверхности.



Рис. 31. Размеры периодических членений поверхностей, обеспечивающие рассеянное отражение звука в указанных границах частот

Балконы, лоджии и скошенные стены (см. рис. 28) повышают диффузность звука в зале также и на таких низких частотах, на которых пилястры, применяемые в архитектурной практике, не дают достаточного рассеивания (см. рис. 31).

Членение с мелким регулярным шагом 5¸20 см (отделка поверхностей деревянными рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические отражения коротких звуковых импульсов (ударов, хлопков и т.п.), в результате чего возникает неприятное подсвистывание, искажающее звук. Поэтому отделок с таким членением следует избегать.

Интересным является прием членения плоских или овальных стен с переменными параметрами членения. Размеры элементов членения в каждом горизонтальном разрезе различны и вызывают рассеянное отражение в широком диапазоне частот; различный наклон поверхностей в вертикальном разрезе также способствует эффективному рассеиванию звука (рис. 32).



Рис. 32. Схема оформления стены с переменными параметрами членения

Влияние формы отражающей поверхности на расхождение звуковых лучей показано на рис. 33:

а - при одном близко расположенном точечном источнике звука расхождение звуковых лучей после отражения их плоской поверхностью происходит в одной плоскости, положение мнимого источника звука зеркально по отношению к истинному;

б - при одном находящемся на значительном удалении источнике звука звуковые лучи после отражения их плоской поверхностью остаются параллельными в одной плоскости;

в - при выпуклой поверхности отражения расхождение звуковых лучей увеличивается, звук рассеивается;

г - при вогнутой поверхности расхождение звуковых лучей после отражения уменьшается, звук концентрируется.



Рис. 33. Геометрические отражения:

а - при одном близкорасположенном точечном источнике звука;

б - при одном находящемся на значительном удалении источнике звука;

в - при выпуклой поверхности отражения;

г - при вогнутой поверхности отражения

В качестве диффузоров могут служить цилиндрические, треугольные, пилообразные и зубчатые поверхности или кессоны (рис. 34-38).



Рис. 34. Диффузоры из цилиндрических поверхностей, треугольных или пилообразных призм и квадратных кессонов, где рекомендуемые: b - от 0,8 до 2,0 м; h - от 0,4 до 0,5 м

Эффективно также пластическое членение стен окнами и простенками, причем откосы окон должны быть глубиной не менее 0,5 м, а оставляемые между ними простенки от 0,5 ¸ 2,0 м. Подобные результаты можно получить устройством по всей поверхности поглощающих и отражающих поверхностей.



Рис. 35. Диффузоры в студии CBS США



Рис. 36. Зал конгрессов

на Александерплац в Берлине.

Декоративный пояс, вид сбоку



Рис. 37. Диффузоры в радиостудии Центра Родена, Париж


Рис. 38. Зал с куполом (зал конгрессов, Берлин): отраженный от купола звук поглощается сидящими слушателями и направляется к ним слегка наклонными стенами. Отражения от угла между куполом и стенами рассеиваются декоративным поясом на задней стене (а) и вблизи сцены (б)

Следующим фактором, воздействующим на диффузную и прямую составляющие звукового поля, является форма помещения. Упрощенно соотношение сторон прямоугольного помещения может быть определено согласно разд. 3, п. 3.1 и графику (рис. 39).

При этом необходимо отметить, что пределы оптимального соотношения сторон имеют второстепенное значение и поэтому могут сильно колебаться.

Существенным является требование к достаточному озвучиванию слушателей при равномерном уровне прямого и диффузного звука во всех зонах помещения. Это возможно при наименьшем удалении источника звука от слушателя, определенных формах помещения при равном числе слушателей.

На рис. 40 представлены четыре принципиально различных плана помещений с равной полезной площадью поверхности S_п при различных общих площадях поверхности S_общ и средних расстояниях до слушателей d. Оптимальные соотношения приведены в табл. 5.

Прямоугольные помещения вытянутой формы не являются оптимальным решением.



Рис. 39. Оптимальные пропорции помещений: а - распределение собственных частот прямоугольного помещения с параллельными ограничивающими поверхностями с соотношением сторон I=Х:У:

1 - благоприятная область, 2 - неблагоприятная область;

б - область применения диаграммы.

Таблица 5

Оптимальные соотношения параметров зала

	Форма помещений в плане, согласно рис. 40
	а	б	в	г
Sn/Sоб	0,63	0,55	0,68	0,66
d/d1	1	0,83	0,61	0,64

Однако даже при благоприятных вариантах требуемый уровень обеспечивается лишь для определенной зоны. Поскольку уровень диффузного звука во всех зонах помещения является равномерным, а уровень прямого звука с расстоянием сокращается, теоретическое требование об одинаковых условиях для обоих уровней в больших помещениях не может быть обеспечено. Его следует заменить на более высокий уровень прямого звука для каждого слушателя. При этом следует иметь в виду, что расстояние до зрителей может быть уменьшено как путем выбора благоприятной формы плана, так и путем повышения уровня пола помещения (см. разд. 4; п. 4.3).



Рис. 40. Форма помещений в плане.

Еще один способ изменения расстояния между слушателями и источником звука в очень больших помещениях - использование балконов и галерей (см. п. 3.2 рис. 1). При этом желательно увеличить высоту расположения источника звука, что способствует улучшению озвучивания прямым звуком (рис. 41 ¸ 43).