Проектирование естественной акустики зала многоцелевого назначения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия

Кафедра общественных дисциплин

Курсовая работа

 

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 %), K_L – коэффициент, определяемый соотношением уровней «сигнал-шум», K_R – 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 B_ср »17,8 м; высота в проема сцены H» 7,5м, высота в средней части зала H_ср» 9м, L/B_ср = 1,4, B_ср/H_ср= 1,97

Площадь пола S_пола » 420 м², площадь потолка S_потол=450 м²;

Площадь стен S_стен »1045м²;

Площадь авансцены S_ав.»20 м²;

Площадь поверхностей оркестровой ямы S_яма » 20 м² ;

( авансцена нависает над оркестровой ямой на 1/3 ее ширины)

Площадь проема сцены (портала) S_порт.» 78,75 м²_;

Площадь пола, занятого креслами S_зрит.» 230 м²_;

Свободная площадь пола ( площадь проходов) S_прох.» 170 м²;

Общая площадь ограждений

S_огр= S_пола+ S_{потолка}+ S_стен+ S_порт.+ S_ямы + +S_{авансц.}= 2033,75 м²;

Объем зала V= S_пола ´H_ср+V_{орк. ямы} » 3820 м³;

Удельная площадь на слушателя (общая)

S _уд.= S_пол /N = 0,9 м²/чел;

Удельный объем на слушателя V_уд=V/N=8,3 м³/чел.;

Высота источника звука на авансцене ( акустический центр) h_исп =1,5 м;

Высота голов (ушей) слушателей над уровнем пола h_cлуш. =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 (l_min>>). Если же, то такое допущение слишком грубо и, по существу, не допустимо.

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 м.

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  к плоскости отражателя.

В конкретном примере:

a = 3м, b = 6,7 м, , R₀ = 7,6м, R = 15м, l =1м.

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:

дБ.

∆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 мс ( для чисто музыкальных залов оно выше (50/80 мс).

При скорости звука в воздухе С=340 м/с это соответствует различию в длинах пробега прямого и отраженного звуков, приходящих к слушателю, порядка м.

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

м;

м;

м (м)

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

м,

м,

м (м).

 

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 дБ).

Для многоцелевых залов оценку оптимального времени реверберации на частоте 500 Гц (средне-частотный диапазон речи и музыки) можно провести по формуле:

 

(с),

Для рассматриваемого зала объемом V= 3820 м³.

с, с.

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 = А_пост. + А_перем. + А_добав.

К постоянному звукопоглощению относят поглощение звука всеми ограждающими поверхностями и его вычисляют по формуле:

,

где, – площади элементов ограждающих поверхностей (м²);

 – коэффициенты звукопоглощения материала поверхности.

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 – эмпирические коэффициенты добавочного звукопоглощения (на 3-х частотах), а ( S_огр- S_зрит) – общая площадь ограждений за вычетом площади пола, занятой слушателями.

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
		(м2)		(м2)		(м2)
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=а1N	а1	А=а1N	а1	А=а1N
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  и функция от него

:

,

,

.

Расчетные времена реверберации звука на 3-х опорных частотах вычисляем по формулам Сэбина-Эйринга:

125 Гц, ,

500 Гц, ,

2000 Гц, ,

Вычисляем относительные различия между T_опт и Т_расч (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 А_пост.

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

=: 0,5 0,6 0,55

Берем под облицовку часть площади стен S_обл= 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
		(м2)		(м2)		(м2)
1. Потолок, S1	…	…	…	…	…	…
Стены, S21=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 T_опт и Т_расч (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 ) хорошо рассеиваются барельефами лож, балконов выпуклой цилиндрической формы.

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).