372 Часть III. Архитектурная акустика
Рис. 9.4. Зал Музыкальною общества в Вене. Продольный разрез и план
5
I.
0
Ю
Рис. 9.5. Зал филармонии в Ливерпуле. Продольный разрез и план
Глава 9. Акустика залов 373
Важным элементом архитектуры стали специальные звукоотражающие поверхности, являющиеся частью внутренней поверхности зала или подвешиваемые под его потолком. Такие поверхности, располагаемые обычно около сцены, позволяют улучшить распределение отраженного звука и уменьшить его запаздывание. В случае универсальных и речевых залов эти поверхности делаются достаточно большими и слабо расчлененными. Подвесные звукоотражатели нередко используются и для ослабления фокусирующего эффекта вогнутого потолка.
Требование высокой диффузности звукового поля, особенно важное для музыкальных залов, обусловило сильное членение поверхностей, обеспечивающее рассеяние отраженного звука. Звукорассеивающие структуры, весьма разнообразные по своему характеру, стали неотъемлемой частью интерьера многих залов. Очень часто звукорассеивающие структуры размещаются на вогнутых поверхностях с целью устранения их фокусирующего действия. Повышению диффузности звукового поля и обогащению структуры ранних отражений способствует также система вертикальных стенок в зоне слушательских мест. Такие стенки создаются в результате расположения мест отдельными участками на разной высоте.
Весьма характерной особенностью современных залов является применение звукопоглощающей отделки внутренних поверхностей для корректировки времени реверберации и ослабления вредных звуковых отражений. В последние годы довольно широко используются акустические трансформации, в ходе которых меняются объем зала, количество звукопоглощения в нем и расположение звукоотражающих поверхностей. Акустические трансформации позволяют приспосабливать зал к различным звуковым программам.
Наиболее распространенный тип трансформации — устройство сценической оркестровой раковины (см.
Рис. 9.52).
Необходимо отметить, что, несмотря на весь современный арсенал средств прогнозирования и оценки акустического качества залов, успех достигается далеко не всегда. Неудачи здесь — не такое уж редкое явление, особенно если речь идет о музыкальном зале. Поэтому иногда высказывается мнение, что архитектурная акустика является искусством, которым владели древние зодчие и секреты которого в настоящее время утеряны. В поддержку такого мнения обычно ссылаются на акустику античных театров и старых концертных и оперных залов.
Действительно, культурно-зрелищные сооружения прошлого имеют, как правило, хорошую акустику. Тем не менее оснований для идеализации этих сооружений нет. Так, время реверберации классических оперных залов обычно меньше рекомендуемого, а акустические условия в глубине ярусов весьма далеки от оптимальных. Нередко отмечается и ухудшение слышимости в центральной части партера. Далеко не все концертные залы, построенные в XIX в., оказались удачными с акустической точки зрения.
Если рассматривать современное строительство залов, то здесь помимо явных просчетов специалистов можно указать две причины акустических неудач. Во-первых, довольно часто вопросам акустики при проектировании не уделяется должного внимания, и рекомендации специалистов не выполняются или выполняются не полностью. Во-вторых, сегодня коренным образом изменились условия создания театров и концертных залов. Прежде всего значительно возросла их вместимость, которая раньше редко превышала 1000 мест. В современном концертном или театральном зале требуется обеспечить хорошую видимость,
Комфортность мест, хорошую вентиляцию и освещение, разместить разнообразное оборудование, и, наконец, обеспечить универсальность использования зала. Все это в значительной степени осложняет решение акустических задач. Не следует также забывать о том, что современная тенденция развития архитектуры (проектирование широких и низких залов) неблагоприятна для акустики. Определенная трудность заключается также в том, что еще не установлены однозначные связи между объективными акустическими характеристиками музыкальных залов и их субъективной оценкой.
9.7. Основные акустические
Характеристики залов
На современном этапе развития архитектурной акустики основными акустическими характеристиками залов являются время реверберации, структура звуковых отражений и диф — фузность звукового поля. Эти характеристики имеют четкую связь как с архитектурно-строительными параметрами зала, так и с субъективной оценкой условий слухового восприятия звуковых программ.
Время реверберации. Как было отмечено в п. 7.3, при условии диффуз — ности звукового поля помещения процессы нарастания и спадания плотности звуковой энергии подчиняются определенным законам. Процесс спадания плотности звуковой энергии, называемый реверберацией, является в этом случае экспоненциальным. При переходе к уровню сигнала (уровню звукового давления) процесс спадания будет прямолинейным и более растянутым во времени, чем процесс нарастания. На рис. 9.6 показаны изменения плотности звуковой энергии и ее уровня в процессах нарастания звука и реверберации. Для слухового восприятия более существенно изменение
А — изменение плотности звуковой энергии; б — изме —
Уровня сигнала, а не его интенсивности. Поэтому процесс реверберации играет в акустике залов особенно важную роль.
Рис. 9.6. Нарастание звука и реверберация в закрытом помещении
Нение уровня плотности звуковой энергии; 1 — процесс нарастания; 2 — стационарное состояние; 3 — реверберация
Для количественной оценки реверберации Сэбин еще в конце прошлого столетия предложил использовать время реверберации (см. п. 7.3), которое до сих пор остается одним из важнейших критериев акустического качества закрытого помещения. Не давая достаточной информации об условиях слышимости на отдельных местах зала, время реверберации хорошо характеризует его общую гулкость. За годы развития архитектурной акустики установлены зависимости оптимума реверберации от объема и функционального назначения залов. Ценные свойства времени реверберации — практическая возможность проведения успешного расчета при акустическом проектировании и сравнительная простота измерения. Широкое использование времени реверберации в акусти-
Глава 9. Акустика залов 375
Щ
Г ¦ 4 |
Л) |
||
N. |
|||
1 1 1 |
|||
¦ ¦ — ¦ % |
1 /7 7 г |
||
4 |
И9 / и |
; |
|
Рис. 9.7. Пример записи давления в процессе ревер —
Спадания уровня звукового берации
Ке помещений привело к стандартизации метода измерения этого параметра. Наряду с международным стандартом ИСО 3382—75 во многих странах имеются свои национальные стандарты. В нашей стране измерение времени реверберации также регламентировано стандартом (ГОСТ
24146—90).
Согласно ГОСТ 24146—90 время реверберации измеряется путем записи с помощью логарифмического самописца процесса спадания уровня звукового давления в зале. Время реверберации определяется из участка этой записи, соответствующего спаданию уровня на 35 дБ после выключения источника звука с последующей аппроксимацией спадания до 60 дБ, причем первые 5 дБ спадания не учитываются. Для повышения диффузности звукового поля используется источник звука со многими частотными составляющими в октавной или третьоктав — ной полосах частот. Результаты измерения относят к среднегеометрическим частотам полос. Запись спадания уровня звукового давления имеет неизбежные флюктуации, но ее общий ход в указанном интервале должен аппроксимироваться прямой линией. В противном случае нельзя говорить о каком-либо определенном времени реверберации. Пример записи спадания уровня звукового давления показан на
Рис. 9.7. Запись сделана на равномерно движущейся бумажной ленте. Как видно из рисунка, уровень уменьшается на 30 дБ в течение 0,7 с. Отсюда время реверберации Т = 0,7*2 = 1,4 с.
Структура звуковых отражений. Как уже отмечалось, время реверберации является общей акустической характеристикой зала. В то же время хорошо известно, что акустические условия в различных зонах зала далеко не одинаковы. Довольно часто залы с одним и тем же временем реверберации имеют совершенно различную акустическую репутацию. Это в первую очередь связано с тем, что начальный участок реверберационного процесса различен в разных точках одного зала и в разных залах. Данный участок, обычно называемый структурой звуковых отражений, определяется уровнями и запаздыванием отражений по отношению к прямому звуку, а также направлением их прихода в точку приема. Помимо взаимного положения источника и приемника звука структура отражений самым тесным образом связана с размерами зала, а также с очертаниями и отделкой его внутренних поверхностей.
Формирование структуры звуковых отражений показано на рис. 9.8,я. К расположенному в зале слушателю сначала приходит прямой звук от источника (оратора, артиста). Путь этого звука самый короткий. Затем поступают однократные и многократные отражения от отдельных внутренних поверхностей зала. Время их запаздывания по отношению к прямому звуку определяется разностью путей, пройденных соответствующим отражением и прямым звуком. Разделив эту разность на скорость звука, мы получим время запаздывания отражения. Уровни отражений зависят от длины пройденного пути и от звукоотражающих свойств внутренних поверхностей зала. Чем больше пройденный путь и мень-
376 Часть III. Архитектурная акустика
6)
» у
Ш
С
О
О в
8 во
СЪ Л
X ш
О
1
Дгмс
Ше коэффициент звукоотражения, тем меньше уровень отражения.
Важное значение имеет время запаздывания первого отражения поступающего к слушателю вслед за прямым звуком (рис. 9.8,6). Этот временной интервал обычно бывает самым значительным, хотя в некоторых случаях бывает велик интервал между последующими отражениями. С течением времени число отражений возрастает, интервал между ними уменьшается и, наконец, они сливаются в так называемый ревербераци — онный "хвост". Этот "хвост" определяет время реверберации зала и является общим для всех его зон.
Картина, аналогичная изображенной на рис. 9.8, получается в резуль-
Ражения: 2 — от передней стены; 3 — от козырька; 4 — от потолка; 5 — от боковой стены; 6 — реверберацион- ный "хвост"; / — время за паздывания
Рис. 9.8. Формирование структуры звуковых отражений в зале
А — отражение звука от поверхностей зала; б — структура звуковых отражений; 1 — прямой звук; 2—5 — от
Тате проведения в зале импульсных измерений, блок-схема которых изображена на рис. 9.9. В ходе измерений воздушный объем зала возбуждается коротким звуковым импульсом, источник которого обычно располагается на сцене или на эстраде. Сигнал, принятый микрофоном в исследуемой точке зала, после усиления и логарифмирования подается на осциллограф для непосредственного наблюдения или фотографирования. Этот сигнал, назы-
Глава 9. Акустика залов 377
Р
Помещение модель
МС
СП
Рис. 9Л Блок-схема импульсных измерений
СП — стартовый пистолет; ИР — искровой разрядник; ИМ — измерительный микрофон; МУ — микрофонный усилитель; ЛК — логарифмирующий каскад; ЭЗО — электронный запоминающий осциллограф; МС — микрофон си нхрон и заци и
Синхронизация
Ваемыи импульсным откликом зала Pit), дает нам последовательность прихода и уровни импульсов, соответствующих прямому звуку и отдельным отражениям от внутренних поверхностей. Так как звуковой импульс является знакопеременным, то амплитуды импульсов располагаются по обе стороны от осевой линии. При анализе рассматривают обычно одну половину осциллограммы, как правило, верхнюю.
Помимо визуального анализа осциллограмм часто проводится и соответствующая обработка импульсных откликов зала для получения количественных критериев акустического качества. Наиболее распространенными являются энергетические критерии, определяемые на основе функции
X
Е(х) = S p2U)dt, (9.1)
О
Которая равна сумме квадратов звуковых давлений отдельных отражений, поступивших в точку приема к моменту времени х. В последние годы для нахождения ?0с) используется вычислительная техника, обеспечивающая оперативность обработки импульсных откликов и возможность непосредственного получения данных в виде таблиц и графиков.
Диффузность звукового поля. Важное значение в акустике залов имеет понятие "диффузного звукового поля", характеризуемого тем, что во всех точках поля усредненные во времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии постоянны. Постоянство уровня звукового давления называют однородностью поля, а постоянство потока звуковой энергии — изотропностью поля. Диффузное звуковое поле, в котором выполняются эти два условия, представляет собой идеализацию, которую нельзя полностью реализовать в залах. Тем не менее, для создания хорошей акустики важно обеспечить в зале достаточно высокую степень диффузности. Диффузное звуковое поле является, как указывалось, предпосылкой справедливости статистической теории реверберации, в частности экспоненци — альности реверберационного процесса. Мероприятия по повышению диффузности звука в залах описаны в п. 9.3.
Существует целый ряд довольно сложных методов оценки диффузности поля, связанных или с проверкой условия изотропности, или с измерениями корреляции между звуковыми давлениями в двух точках зала. Простой метод оценки диффузности, основанный на проверке условия однородности звукового поля, разработан в Научно-исследовательском институте строительной физики. При оценке диффузности по этому методу в различных точках зала, находящихся в
I я |
7000 Гц |
|||
""Ог^ * 1 |
— Г |
|||
1 4М |
Г |
Рис. 9.10. Изменение уровня звуковою давления вдоль зала
Зоне преобладания отраженного звука, проводятся измерения уровней звукового давления при работе ненаправленного источника звука. Источник располагается на сцене и излучает полосы белого шума со средними геометрическими частотами 250 и 1000 Гц. Преобладание отраженного звука принято на расстояниях от источника, превышающих
Г =0,35%/—
Общ’
Где ?общ — общая площадь внутренних поверхностей зала, м2; ос — средний коэффициент звукопоглощения.
*2
2 а
(9.2)
1 — а
378 Часть ///. Архитектурная акустика
На этих расстояниях при полной диффузности отраженного звука уровень звукового давления в пределах точности измерений должен оставаться постоянным, а при неполной диффузности — изменяться от зоны к зоне зала. Обычно уровень звукового давления понижается, хотя при наличии в зале вогнутых поверхностей он может возрастать. В качестве примера на рис. 9.10 показано изменение уровней звукового давления вдоль зала. Жирная горизонтальная линия представляет уровень звукового давления для идеально диффузного поля на расстоянии, превышающем г. Однородность звукового поля в целом по залу можно характеризовать средним абсолютным отклонением лЪ от уровня, соответствующего полностью диффузному звуковому полю. О значительном нарушении диффузности свидетельству ют значения Л Ь ^>3 дБ.
9.2. Оценка акустического
Качества залов
Акустическое качество зала (зоны слушательских мест) в конечном счете определяется субъективной оценкой условий слухового восприятия речевых и музыкальных программ. Объективные параметры звукового поля надежно характеризуют акустику зала лишь в том случае, когда между ними и субъективными критериями существуют достаточно прочные корреляционные связи. Такие связи в настоящее время установлены для залов с речевыми программами. В области акустики музыкальных залов поиски связей субъективных и объективных оценок все еще остаются предметом исследований.
Слышимость речи. Основной субъективный фактор, определяющий качество передачи речи в помещении, — ее разборчивость. Для определения разборчивости речи применяются так называемые артикуляционные испытания, позволяющие получить разборчивость в процентах. В ходе испытаний в помещение с помощью диктора или фонограммы передается испытательный текст, а слушатели, находящиеся в помещении, записывают этот текст. Отношение правильно записанных на слух фонетических элементов к общему количеству переданных и определяет процент разборчивости.
Накопленный опыт и результаты многочисленных исследований показали, что для хорошей разборчивости требуется достаточно высокий уровень речи, низкий уровень шума, небольшое время реверберации и структура отражений, характеризующаяся наличием интенсивных ранних отражений при отсутствии поздних интенсивных
Глава 9. Акустика залов 379
В)
Lm, d6
Отражений (типа эха). Существующие в настоящее время методы объективной оценки разборчивости в той или иной степени связаны с перечисленными акустическими характеристиками.
Применительно к залам с естественной акустикой для оценки и прогнозирования разборчивости наиболее часто используется формула
А — пустого зала; б — запол ненного зала
Рис. 9.11. Зависимость КЬ от уровней речи ?р и шума ?ш для спектров шума
Ляющей собой отношение полезной энергии Eso ко всей энергии Е Импульсного отклика:
50
Мс
J р2 (О dt
(9.3)
(9.4)
О
Рс = 96kbkR,
Где Рс — слоговая разборчивость, %; кь — коэффициент, учитывающий влияние уровней речи и шума; k. R — коэффициент, учитывающий влияние реверберации.
Коэффициент кь определяется по диаграммам в зависимости от уровней речи Lp и шума Эти диаграммы, представленные на рис. 9.11, позволяют получить Jcl для спектров шума пустого и заполненного залов. Уровни речи и шума на данном слушательском месте определяются путем измерений или расчета.
Для определения коэффициента кя Существует ряд способов, основанных, как правило, на оценке импульсного отклика зала Pit). Наиболее известный из них базируется на предложенной Р. Тиле величине четкости, представ-
ОС
Е
Оо
J p2{t)dt
О
К полезной энергии относятся энергия прямого звука и энергия отражений, запаздывающих по отношению к прямому звуку не более чем на 50 мс. Коэффициент кя в этом случае равен примерно Следует отметить, что сама по себе четкость От достаточно хорошо связана с разборчивостью речи. На рис. 9.12 показана экспериментальная зависимость слоговой разборчивости от четкости.
Звучание музыки. В отличие от речевых программ, основу субъективной оценки которых составляет разборчивость речи, оценка качества звучания музыки в зале осуществляется
Рис. 9.12. Зависимость слоговой разборчивости Рс от четкости I)
По целому ряду субъективных критериев. Наиболее распространенными критериями являются реверберация (гулкость зала), ясность, пространст — венность, громкость и тембр звучания. Между этими критериями и параметрами звукового поля в настоящее время установлены определенные связи.
0,2
О."
В
380 Часть III. Архитектурная акустика
Гулкость Зала — понятие, характеризующее длительность процесса затухания звука на месте прослушивания. Субъективная оценка зависит от вида музыки (органная, симфоническая, камерная) и ее стиля. Основйым объективным показателем гулкости по — мещения является стандартное время реверберации 7\
/
О
(9.5)
Оо
80мс
Ясность звучания характеризует разделение звуков отдельных инструментов или групп инструментов как во времени (особенно при быстрых пассажах), так и в звуке одновременно играющих инструментов. Для оценки ясности чаще всего используется индекс ясности
80 мс
Р2 (Г) Л
С,0 = 101е
Область оптимальных значений С80 составляет от -1 до +3 дБ.
Пространственность звучания — Субъективный параметр, характеризующий ощущение закрытого пространства. Это ощущение ранее связывалось со временем реверберации или соотношением энергии ранних и поздних отражений в импульсном отклике. Увеличение времени реверберации или преобладание энергии поздних отражений сопровождается увеличением пространственного впечатления. Более поздние исследования выявили очень важную роль ранних боковых отражений в формировании пространственного впечатления. Было установлено, что ощущение пространства возрастает с увеличением энергии боковых отражений, причем отражения, приходящие по направлению оси уха слушателя, вызывают наибольшее пространственное впечатление. Пространственный эффект не меняется, если запаздывание отражений находится в пределах 8—100 мс, а также в том случае, когда небольшое число интенсивных отражений заменяется большим числом слабых отражений, имеющих такую же общую энергию.
I Рд (*)<**
101е —————
80 мс
О
Отражения от потолка не увеличивают пространственного впечатления, однако и не оказывают маскирующего действия на отражения от боковых стен. Потолочные отражения увеличивают ясность звучания. Боковые отражения с запаздыванием 25— 80 мс увеличивают как пространственность, так и ясность звучания. Для объективной оценки пространственно — сти предложен целый ряд критериев, наиболее простым из которых является критерий В. Йордана
80мс
(9.6)
Буквенными индексами в этом выражении обозначены виды диаграмм направленности микрофона, используемого для получения импульсных откликов помещений (К — круговая диаграмма, Л — диаграмма направленности в виде восьмерки). При проведении измерений направленный микрофон располагается таким образом, чтобы ось его минимальной чувствительности была направлена на источник звука. Выражение под знаком логарифма характеризует отношение энергии, поступившей с боковых направлений за время от 25 до 80 мс, ко всей энергии, пришедшей в точку измерения за 80 мс. Оптимальное значение Ь] находится в области от -5 до -7 дБ.
©о*
Громкость звучания — субъективный критерий, характеризующий громкость источника музыки при игре фортиссимо по отношению к некоторой ожидаемой громкости на месте прослушивания. Субъективное ощущение силы звука (громкость) прямо пропорционально плотности звуковой энергии в стационарном состоянии. Стационарная плотность звуковой энергии на слушательском месте может быть определена путем измерения уровня звукового давления ^т при возбуждении воздушного объема помещения стационарным звуковым сигналом (шумом) или путем измерения общей энергии импульсного отклика Я
Д Ь = Ььт
Где Лет — общий уровень звукового давления на слушательском месте; Ьр — общий уровень звуковой мощности источника.
Оптимальные значения А Ь зависят от объема зала и составляют от -5 до -10 дБ для залов объемом около 1000 м и от -8 до -16 дБ для залов объемом 15000 м.
Тембр звучания — понятие, характеризующее восприятие отдельных составляющих спектра звука музыкального источника на месте прослушивания. Речь идет о том, в какой степени свойства помещения изменяют типичный тембр данного источника. Тембр звучания до сих пор связывался только с частотной характеристикой времени реверберации Т(/), причем для музыкальных помещений считается весьма желательным подъем Т(/) в сторону низких частот. В качестве оптимального обычно рекомендуется такой подъем, при котором время реверберации на частоте 125 Гц возрастает примерно на 20% по сравнению со временем реверберации на частотах
(9.8)
ЬРу
Глава 9. Акустика залов 381
500-1000 Гц.
(9.9)
Ью,
Более целесообразно использовать для объективной оценки тембра частотную характеристику передачи (ЧХП) звука от источника к точке приема
Аф = и
— 7ргшг ~ 1р2(Ш А9.7)
О о
Где Т — время реверберации помещения.
Так как при оценке акустического качества нас прежде всего интересует влияние самого помещения, то /^т и Е оо обычно нормируются на величину, пропорциональную мощности источника звука (относительная громкость Д ?). При стационарном возбуждении звукового поля относительная громкость Где Ц — уровень звукового давления в /-й полосе частот; Цо — опорный уровень звукового давления в 1-й полосе частот, определенный путем усреднения по сфере радиусом 1 м, описанной вокруг источника.
Звуковое поле при определении ЧХП возбуждается стационарным сигналом (шумом). Уровни звукового давления измеряются с помощью ненап — разленного микрофона в 1/3-октавных полосах частот в диапазоне 63— 8000 Гц. Источник звука располагается на сцене зала. При оценке тембра
63 125 250 500 1000 2000 </000 н/ц
Рис. 9.13. Оптимальная форма характеристики A(f)
На основе A(f) определяется частотная зависимость
A\(f) = A(f) — Ло,
Где Ло — среднее значение величин Л, полученных в данной точке зала во всем частотном диапазоне измерений.
Зависимость А \ (/) не должна существенно отклоняться от оптимальной кривой, изображенной на рис. 9.13 (пределы допустимых отклонений показаны штриховкой).
(9.10)
Очень важным условием нормального восприятия как речи, так и музыки является отсутствие мешающих акустических факторов, к которым относятся эхо, порхающее эхо, нарушение локализации источника звука, тембровые искажения и шумы.
Эхо. Поздние звуковые отражения при определенных условиях могут вызвать эхо — заметное на слух повторение прямого звука. Заметность эха и его мешающее действие зависят от ряда объективных параметров. Наиболее важными из них являются время запаздывания и интенсивность отражения по отношению к прямому звуку, а также тип звукового сигнала. Взаимосвязь этих трех параметров характеризуют пороги заметности эха (рис. 9.14), усредненные по данным измерений многих авторов. Наиболее низкий порог — для речи, а наиболее высокий — для медленных скрипичных пассажей. Эхо, заметное при речевом сигнале, может совсем не мешать при исполнении музыкальных произведений.
На субъективную оценку эха влияют и другие физические параметры звукового поля. Ослаблению эха способствуют, например, достаточно интенсивные промежуточные отражения, расположенные (по времени запаздывания) между эхом и прямым звуком, а также уменьшение абсолютного уровня прямого звука.
ALyї6
Рис — 9Л4. Пороги заметно* сти. vea для разли чных звуковых сигналов
200 At, MC
100
150
50
0
1 — речь; 2 — скрипка (быстрые пассажи); 3 — орган; 4 — скрипка (медленные пассажи)
90%
50%
10%
Глава 9. Акустика залов 383
Рис — 9.7 5. Пороги мешающего действия эха по данным Болта и Дока
200
100
О
300 ЛЬ, мс
Оценку заметности эха можно проводить с использованием пороговых кривых (см. рис. 9.14), если имеются данные о запаздывании и относительном уровне эхоопасного отражения. Для оценки мешающего действия эха удобна диаграмма, представленная на рис. 9.15. Совмещая эту диаграмму с осциллограммой импульсного отклика зала, по пересечению наиболее характерных отражений с соответствующим порогом можно определить, какому проценту слушателей будет мешать эхо.
Порхающее эхо. Многократное, или порхающее, эхо представляет собой периодическую последовательность эха. Порхающим обычно считается, по крайней мере, трехкратное эхо. Минимальный временной интервал (период) , при котором возникает порхающее эхо, зависит от разницы в уровнях предыдущего и последующего отражений, а также от типа звукового сигнала. Для речи этот интервал близок к 50 мс, а для музыки — к 100 мс. Мешающее действие порхающего эха (как и однократного) уменьшается при наличии промежуточных отражений.
Нарушение локализации источника звука. Правильная локализация источника звука (совпадение зрительного образа со слуховым) особенно важна в речевых помещениях. В концертных залах требование правильной локализации не столь жесткое, некоторое "рассеяние" звукового образа иногда даже желательно. Тем не менее сильное нарушение локализации недопустимо и в этом случае.
Причиной нарушения локализации источника звука является, как правило, значительная концентрация отражений, направление прихода которых отличается от направления прихода прямого звука. При значительном запаздывании эти отражения могут также вызвать эхо. В залах, где эхо или концентрация отражений отсутствуют, нарушения локализации обычно не наблюдается.
Искажение тембра. Искажение первоначального звукового сигнала может возникнуть при наличии порхающего эха, если период последовательности отражений меньше 20 мс (частота более 50 Гц). В этом случае слушатель помимо основного сигнала воспринимает тон, частота которого равна частоте последовательности. Аналогичный эффект наблюдается при отражении звука от поверхностей, имеющих членения с мелким регулярным шагом. Свидетельством тембровых искажений являются также резкие
Пики и провалы в частотных характеристиках реверберации или звукопе — редачи.
Мешающие шумы. В условиях эксплуатации шумовой режим залов определяется шумом, создаваемым публикой, и проникающими шумами. Шум, создаваемый людьми, находящимися внутри зала, не нормируется, так как в основном зависит от их дисциплинированности и физического состояния (например, большое число простуженных в зале) или может быть связан с жестким полом помещения (шорбх), наличием жестких старых кресел (скрип), а также с плохой акустикой, вызывающей нервозность слушателей. Обычно уровень шума публики в паузах составляет 40—50 дБА.
Когда говорят о мешающих шумах, то, как правило, имеют в виду шумы, проникающие в зал из соседних помещений или с улицы, а также создаваемые различным инженерным оборудованием здания. Измеренные уровни проникающего шума в октав — ных полосах частот в диапазоне 63— 8000 Гц не должны превышать значений, указанных в СНиП Н-12-77. Уровень проникающего шума в концертных залах должен быть не более 35 дБА, а в остальных залах — не более 40 дБА.
Несовершенное исполнение. К существенному ухудшению качества восприятия речи и особенно музыки может привести несовершенство исполнения, связанное с несоблюдением в исполнительской зоне необходимых акустических условий. Трудность здесь заключается в отсутствии четкого определения этих условий.
9.3. Общие принципы акустического проектирования залов
384 Часть ///. Архитектурная акустика
Акустическое решение вновь проектируемого или реконструируемого зала зависит от его назначения и
Вместимости (см. пп. 9.4—9.6). Однако арсенал методов, используемых при акустическом проектировании, является общим для залов различного профиля. В этот арсенал обычно входят требования к основным архитектурно — строительным параметрам зала, а также расчеты времени реверберации и геометрических отражений. Дополнением расчетных методов, а часто и основным средством акустического решения зала служит применение техники моделирования. С помощью всех этих средств выбираются и корректируются объем зала, его форма, а также очертания и отделка внутренних поверхностей. Независимо от назначения зала в нем должны быть обеспечены достаточно низкий уровень шума, отсутствие эха, порхающего эха и тембровых искажений.
Основные архитектурно-строительные параметры зала. Размеры зала, зависящие от его вместимости и назначения, должны удовлетворять соответствующим нормам. Рекомендации по выбору воздушного объема и длины залов различного назначения даны в пп. 9.4—9.6. По акустическим соображениям отношение длины зала к его средней ширине следует принимать более 1 и не более 2. В тех же пределах рекомендуется принимать и отношение средней ширины зала к его средней высоте.
В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов. Помимо сокращения длины зала устройство балконов повышает диффузность звукового поля на низких частотах, на которых обычные элементы отделки не дают достаточного рассеивания. Проектируя балконы, необходимо следить
За тем, чтобы отношение выноса бал — * *
Кона а\ к средней высоте подбалкон- ной пазухи И.\ не превышало 1,5 (рис. 9.16). Это требование относится и к устройству лож. Для пазухи над балконом (если нет вышележащего
Рис. 9.16. Пазухи над бал — 1 — вариант наклонного по — конам и под ним толка
Балкона) отношение а2/&2 может быть увеличено до 2. При соблюдении этих требований можно ожидать создания благоприятных акустических условий на местах, расположенных на балконе и под ним.
Пол партера и балкона должен иметь профиль, обеспечивающий хорошую видимость эстрады или сцены. Это важно и для акустики зала, так как при соблюдении указанного требования уменьшаются поглощение прямого звука при его распространении над сидящими слушателями и экранирование слушателями друг друга. С этой же целью высота эстрады или авансцены над уровнем прилегающего пола партера должна быть не менее 1 м. Профиль пола партера и балконов строится по правилам архитектурного проектирования зрительных залов.
Расчет времени реверберации. Оптимальное время реверберации на средних частотах (500-1000 Гц) для залов различного назначения в зависимости от их объема показано на рис. 9.17. Расчет времени реверберации позволяет установить, требуется ли для обеспечения оптимума реверберации в проектируемом зале изменить его объем или отделку. В практике акустического проектирования время реверберации рассчитывается, как правило, по классическим формулам, чаще всего по формуле Эйринга. Эти формулы, как уже отмечалось, справедливы только тогда, когда звуковое поле зала можно считать достаточно диффузным.
Условиями обеспечения достаточно диффузного звукового поля являются хорошие пропорции зала (отсутствие резкой разницы в основных размерах), непараллельность стен, равномерное распределение звукопоглотителя и членение значительной части внутренних поверхностей. Несоблюдение этих условий ведет к нарушению диффуз — ности звукового поля, при котором мы уже не можем пользоваться классическими формулами и обеспечить строго определенное время реверберации.
При проектировании концертных и оперных залов, а также залов, в которых применяются различные узкополосные звукопоглотители, расчет времени реверберации следует производить на частотах 125, 250, 500, 1000, 2000 и 4000 Гц. В остальных
Случаях достаточно рассчитать время реверберации для 125, 500 и 2000 Гц.
Глава 9. Акустика залов 383
Для расчета времени реверберации зала надо предварительно подсчитать его воздушный объем V, м3, общую площадь внутренних поверхностей ?общ, м2> и общую ЭПЗ (эквивалентною площадь звукопоглощения) Лобщ, м. Общая ЭПЗ на частоте, для которой ведется расчет, находится по формуле
386 Часть III. Архитектурная акустика
4 5 6 7 8 9 10
10й
Рис — 9.17, Зависимость оптимальною времени реверберации на средних частотах (500-1000 Гц) для залов различного назначения от их объема
1 — залы для ораторий и органной музыки; 2 — залы для исполнения симфонической музыки; 3 — залы для исполнения камерной музыки, залы оперных театров; 4 — залы многоцелевого назначения, залы музыкально-драматических театров, спортивные залы; 5 — лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы
Лобщ = EcCS + ? А +
Где SctS — сумма произведений площадей отдельных поверхностей м2, на их коэффициент звукопоглощения сС для данной частоты; ? А —
У —
Сумма ЭПЗ, м, слушателей и кресел; сСдоб — коэффициент добавочного звукопоглощения, учитывающий добавочное звукопоглощение, вызываемое прониканием звуковых волн в различные щели и отверстия, а также колебаниями разнообразных гибких элементов. Этот коэффициент учитывает также поглощение звука осветительной аппаратурой и другим оборудованием зала.
Коэффициенты звукопоглощения различных материалов и конструкций, а также ЭПЗ слушателей и кресел даны в табл. III. la, III.16, Ш.1в Приложения. Приведенные в таблицах значения получены путем измерения реверберационным методом, дающим коэффициент звукопоглощения, усредненный для разнообразных направлений падения звуковых волн. Эти значения взяты в среднем по разным данным, с округлением.
Коэффициент добавочного звукопоглощения ?1доб в среднем может быть принят равным 0,09 на частоте 125 Гц, 0,07 на частоте 250 Гц и 0,05 на частотах 500-4000 Гц. Для залов, в которых сильно выражены условия, вызывающие добавочное звукопоглощение (например, многочисленные щели и отверстия на внутренних поверхностях зала, многочисленные гибкие элементы — гибкие абажуры и панели светильников и т. п.), следует эти значения увеличить примерно на 30%, а в залах, где эти условия выражены слабо, примерно на 30%
Уменьшить.
После нахождения. Аобщ подсчиты — вается оС — средний коэффициент звукопоглощения внутренней поверхности зала на данной частоте:
Время реверберации зала Т в секундах на частотах до 1000 Гц находится по формуле Эйринга
Т = 0,163К/5общ У> ( * ),(9.13)
Где ф ( оо) ¦ -1п(1— ек) — функция среднего коэффициента звукопоглощения Ы, значения которой приведены в табл. III.2 Приложения.
На частотах выше 1000 Гц существенное значение имеет поглощение звука в воздушном объеме зала, и время реверберации здесь вычисляется по формуле
+ 4 тК], (9.14)
Где т — коэффициент, м"1, учитывающий поглощение звука в воздухе и зависящий от температуры и относительной влажности воздуха. Значения коэффициента т приведены в табл. III.3 Приложения.
При расчете времени реверберации зала, как правило, принимается заполнение слушателями 70% общего числа мест, а ЭПЗ остальных мест принимается как для пустых кресел. Согласно опытным данным, при заполнении слушателями мест сверх 70% ЭПЗ уже не возрастает. Для залов, где наиболее вероятно заполнение слушателями менее 70% мест, расчетное заполнение в процентах следует соответственно уменьшать. ЭПЗ слушателей в настоящее время часто рассчитывают исходя из коэффициента звукопоглощения площади пола, занятой слушателями, с некоторыми добавками на края этой площади. Рекомендуемый расчет по ЭПЗ, приходящейся на одного слушателя, более прост и при обычной площади пола около 0,6 м2 на слушателя дает не менее точный результат.
Для того чтобы время реверберации меньше зависело от заполнения мест, целесообразно оборудовать зал мягкими или полумягкими креслами, обитыми воздухопроницаемой тканью. В залах с жесткими креслами, обладающими незначительным звукопоглощением, время реверберации малоза — полненного зала сильно возрастает по сравнению с заполненным; в таких случаях следует обращать особое внимание на то, чтобы расчетное время реверберации не было завышенным по сравнению с рекомендуемым на рис. 9.17.
При расчете времени реверберации в зале со сценой, оборудованной колосниками, декорациями, задником и кулисами и отделенной от зала порталом, объем и площади внутренних поверхностей сцены не учитываются, а вводится площадь проема сцены с коэффициентами звукопоглощения,
Приведенными в табл. III. 1а Приложения.
Время реверберации следует подсчитывать с учетом предполагаемой
Отделки зала для частот 125, 250, 500 и 1000 Гц по формуле (9.13), а для частот 2000 и 4000 Гц — по формуле (9.14). Если оно окажется меньше рекомендуемого (см. рис. 9.17), следует увеличить объем зала, если больше — убавить по возможности объем и увеличить звукопоглощение. Регулировку объема зала следует производить на ранних стадиях проектирования здания.
Выяснить, насколько требуется изменить общую ЭПЗ зала, можно следующим образом. Исходя из требуемого времени реверберации Т вычисляем (p(6L) для частот 125, 250, 500 и 1000 Гц в соответствии с формулой
Ipiцi) = 0,163F/7\So6ub (9.15)
А для частот 2000 и 4000 Гц — в соответствии с формулой (9.14):
<р(Ю = (0,163—4Tm) X
Х V/TSобщ. (9.16)
Из табл. III.2 Приложения по найденному значению tp (цi ) определяем средний коэффициент звукопоглощения оС, после чего подсчитываем требуемую общую ЭПЗ зала А0бщ = =°^общ. Сравнив это значение с имеющейся при намеченной отделке зала общей ЭПЗ, видим, насколько следует изменить имеющуюся ЭПЗ для достижения рекомендуемого времени реверберации. Окончательный результат должен быть выражен в виде времени реверберации, рассчитанного по формулам (9.13) и (9.14). Полученные расчетные значения времени реверберации следует округлять с точностью
Глава 9. Акустика залов 387
До 0,05 с.
388 Часть ///. Архитектурная акустика
Рис. 9.18. Участки потолка и стен зала, пригодные для размещения зву — копоглотителя (продольный разрез и план)
1 — прямой звук; 2 — отраженный звук; 3 — зоны размещения зву коп огл отите — ля; Q — источник звука
Поглощающих в основном средние и высокие частоты.
Если все же возникает необходимость в применении специальных звукопоглощающих материалов и конструкций, то их следует размещать на тех частях внутренней поверхности зала, которые не дают первых малоза — паздывающих отражений к слушателям. Такими частями являются верхняя зона стен и зона по периметру потолка (рис. 9.18). Размещать звуко — поглотитель в этих зонах целесообразно участками площадью 1—5 м, что увеличивает эффективность звукопог — лотителя и дает некоторое рассеивание отраженного звука. Поверхности стен и потолка на балконе и под балконом не следует отделывать звукопоглощающими материалами. Сплошная звукопоглощающая отделка задней стены (в помещениях без балконов) может быть допущена в том случае, когда от нее поступают к слушателям отражения с большим временем запаздывания. В залах, оборудованных киноустановками (особенно многоканальными) , за киноэкраном следует размещать эффективный звукопоглотитель.
Расчет геометрических отражений. В инженерной практике расчет геометрических отражений (главным образом первых) является основным способом контроля правильности выбора формы зала и очертаний его внутренних поверхностей. Расчет включает проверку допустимости применения геометрических отражений, их построение, а также определение запаздывания Д * и уровня л Ь отражений по отношению к прямому звуку.
Необходимо заметить, что увеличение звукопоглощения, вызываемое обычно завышенным объемом зала, приводит (при постоянной мощности источника) к снижению уровня звукового давления на площади слушательских мест. Ввиду ограниченной мощности источников звука в залах с естественной акустикой такое снижение крайне нежелательно. При правильно выбранном объеме зала, приходящемся на одно слушательское место, для достижения рекомендуемого времени реверберации обычно не требуется использование специальных звукопоглощающих материалов. В тех случаях, когда в соответствии с расчетом времени реверберации требуется небольшое увеличение общего звукопоглощения, проще всего это достигается путем применения тонких деревянных панелей, увеличивающих звукопоглощение преимущественно на низких частотах, и тканевых портьер и дорожек,
Данные расчета позволяют проанализировать как структуру первых отражений в отдельных точках (зонах) зала, так и распределение этих отражений по всей площади слушательских мест. Расчет геометрических отражений необходим также для оценки
Глава 9. Акустика залов 389
Опасности возникновения эха и порхающего эха.
При определенных условиях, о которых говорится далее, можно вместо звуковых волн рассматривать звуковые лучи, в направлении которых распространяются эти волны. Распространение таких лучей аналогично распространению световых лучей в геометрической оптике. Построение геометрических (лучевых) отражений широко применяется в архитектурной акустике. Законы геометрического отражения хорошо известны из оптики: 1) падающий и отраженный от какой — либо точки поверхности лучи образуют равные углы (угол падения и угол отражения) с нормалью к отражающей поверхности в этой точке; 2) падающий и отраженный лучи лежат совместно с нормалью в одной плоскости (лучевая плоскость).
Допустимость применения геометрических отражений зависит от длины звуковой волны, размеров отражающей поверхности и ее расположения по отношению к источнику звука и точке приема. При этом отражающая поверхность должна быть достаточно жесткой и иметь поверхностную массу не менее 20 кг/м2 в залах с музы — кальными программами и не менее 10 кг/м2 в залах с речевыми программами. Коэффициент звукопоглощения поверхности для рассматриваемых частот не должен превышать 0,1. На рис. 9.19 отражающая поверхность взята в виде прямоугольного плоского отражателя со сторонами, равными 2а и 2Ь. Центр его совпадает с точкой геометрического отражения О, а сторона 2а параллельна лучевой плоскости Р, в которой лежат падающий луч (Ю, отраженный лучом ОМ, и нормаль Ко — расстояние от источника () до точки О; Я — расстояние от точки О до точки М; у — углы падения и отражения.
Если ввести безразмерные величины
Рис. 9.19. Отражение звука от прямоугольного отражателя
И — а со$7
X • ко к
Я
Где Л — длина звуковой волны, то абсолютное отклонение фактического уровня звукового давления в точке приема М от уровня, соответствующего строго геометрическому отражению, не превысит,
(9.18)
ДЬ = 4,4(1 /и +1/у).
Применение геометрических отражений можно считать допустимым, если д! не более 5 дБ, а наименьшая сторона отражателя не менее чем в 1,5 раза превышает длину волны Л.
Я
Если форма и ориентировка отражателя отличаются от показанных на рис. 9.19, то расчет значительно усложняется. Для ориентировочной оценки отклонения от геометрической акустики можно приближенно использовать формулу (9.18), вписав в отражатель прямоугольник, удовлетворяющий рис. 9.19. Формула (9.18) применима и для криволинейного отражателя, если его наименьший радиус
390 Часть III. Архитектурная акустика
<уг криволинейной поверх — ности
Рис. 9.20. Построение геометрических отражений от плоскости
Рис. 9.21. Построение геометрического отражения
Кривизны не менее чем в 2 раза превышает длину волны Л.
Поверхности, дающие направленные отражения, следует проектировать таким образом, чтобы приведенные выше условия применимости геометрических отражений выполнялись, по крайней мере, для частот, превышающих 300—400 Гц (т. е. для звуковых волн длиной примерно 1 м и менее). Если условия применимости геометрических отражений выполнены, то их построение допустимо не только от центра отражателя, но и от других точек его поверхности, удаленных от краев отражателя не менее чем на половину длины волны X. При заданном требовании 1 ^ 1 м это означает, что точки геометрического отражения должны браться не ближе 0,5 м от краев отражающей поверхности.
При построении геометрических отражений от плоскости удобен прием, показанный на рис. 9.20. Здесь используется мнимый источник симметричный с действительным точечным источником () по отношению к отражающей плоскости и находящийся по другую ее сторону. Для построения мнимого источника необходимо опустить из точки (2 перпендикуляр ОА на отражающую плоскость и на продолжении его отложить отрезок А()\, Равный отрезку ОА. Прямые, проведенные из мнимого источника после пересечения ими отражающей плоскости удовлетворяют условию равенства углов падения и отражения, т. е. являются искомыми отраженными лучами, создаваемыми действительным источником ?). Метод мнимых источников применим и при построении отражений от криволинейных поверхностей. Если требуется найти отражение от какой-либо точки О кривой поверхности С (рис. 9.21) при заданном положении источника ?), то следует в точке О построить плоскость Гк, касательную к поверхности С. Мнимый источник в этом случае — точка <2ь симметричная источнику относительно касательной плоскости; продолжение ОМ прямой <2\0 после пересечения ее с поверхностью С является искомым отраженным лучом. Здесь для каждой точки отражающей поверхности приходится находить свой мнимый источник ?>1, в отличие от плоскости, у которой для отражения от любой ее точки мнимый источник один и тот же (при заданном положении источника О).
Рассмотренные приемы построения геометрических отражений относятся к
Случаям, когда лучевая плоскость параллельна одной из плоскостей проекций (вертикальной или горизонтальной). Не представляет трудности построение отраженного луча в тех случаях, когда лучевая плоскость не параллельна плоскости проекции, но ей параллельна нормаль к отражающей поверхности в точке отражения. Это равносильно тому, что касательная плоскость к отражающей поверхности (в той же точке) перпендикулярна плоскости проекции.
Для примера на рис. 9.22 дано построение геометрического отражения от отражателя в виде цилиндрической поверхности с произвольной криволинейной направляющей и с образующими, перпендикулярными к вертикальной плоскости проекции. Отражатель помещен над верхним порталом зала. Точечный источник звука задан его проекциями д и д‘ Требуется найти геометрическое отражение от некоторой точки отражателя, имеющей проекции а и а! В данном случае касательная плоскость к поверхности отражателя в этой точке перпендикулярна вертикальной плоскости проекции; вертикальная проекция этой касательной плоскости есть прямая I’ПряМые Д’а’и д а являются вертикальной и горизонтальной проекциями луча, исходящего из источника и достигающего точки отражения.
Вертикальную проекцию мнимого источника <71 находим, опустив из точки ^’перпендикуляр д’О’ на прямую отложив на его продолжении отрезок О <71, равный отрезку д’0[ Снося точку д\ на горизонтальную прямую, проходящую через точку <?, находим горизонтальную проекцию мнимого источника <71. Продолжения прямых д\а и д\а[ лежащие вправо от точек а’ и а, являются соответственно вертикальной и горизонтальной проекциями отраженного луча.
Вертикальная проекция отраженного луча пересекает в точке г’повер-
Рис. 9.22. Построение геометрического отражения при касательной плоско
Хность слушательских мест, проходящую на 1,2 м выше пола зала. Снося точку е’на горизонтальную проекцию отраженного луча, находим горизонтальную проекцию е точки пересечения отраженного луча с поверхностью мест. Длина ломаной линии, имеющей проекции д а е и дае\ равна полному пут и от ражен н ого звука от Ист оч — Ника до точки приема с проекциями е и еЭта длина равна расстоянию от мнимого источника до точки приема. Прямая с проекциями д е и д е’дает Путь прямого звука. Как Видно из Рис. 9.22, длина пути отраженного звука (от Источника до точки приема)
/охр = Г{д\еУ + <У'<71)
Где/— точка пересечения горизонтальной прямой, проведенной через точку е[ с вертикальной прямой
Сти, перпендикулярной к плоскости проекций
(9.19)
Глава 9. Акустика залов 391
Ят-
392 Часть 111. Архитектурная акустика
Прямой г’\ А— коэффициент звукоотражения поверхности; к — коэффициент концентрации (рассеяния) отраженного звука.
(9.23)
О
В случае ненаправленного источника звука формула (9.22) приобретает вид:
Д/, = 101?
(г’ + г")
Длина пути прямого звука
Ае) + (е’е\)2,
Где е\ — точка пересечения горизонтальной прямой, проведенной через точку <?’т с вертикальной прямой е’е.
(9.21)
Если для рассматриваемой точки помещения построены геометрические отражения от поверхностей зала, то нетрудно определить и запаздывания этих отражений. Так, для приведенного выше примера
Д, =
С
Где с — скорость звука, м/с.
(9.22)
Относительный уровень геометрического отражения в случае направленного источника звука определяется по формуле
Т1 ф210*
61, =10^
(г’ + г")2"Ф2
Где г^ — расстояние от источника звука до точки приема, м; г’— расстояние от источника звука до точки отражения, м; г"- расстояние от точки отражения до точки приема, м; — коэффициент направленности источника звука для угла между его акустической осью и направлением на точку приема;
Рис. 9.23. Схема к расчету коэффициента к
1,2 — соответственно выпуклый и плоский отражатели
(9.20)
I
Пр
— коэффициент направленности источника звука для угла между его акустической осью и
При отражении от выпуклой поверхности ?<1, при отражении от вогнутой к> 1, а при отражении от плоской к = 1. Для расчета коэффициента К в случае выпуклой или вогнутой отражающей поверхности может быть использован довольно простой прием. Путем графических построений выделяется (в зоне слушательских мест) площадь 5, которую рассматриваемая криволинейная поверхность обеспечивает первыми отражениями и на которой находится наша расчетная точка (точка приема). Затем определяется площадь 5о из условия, что рассматриваемая отражающая поверхность является при тех же ее размерах плоской. Отношение Бо/Б и дает нам коэффициент к. Для цилиндрического звукоотражателя, изображенного на рис. 9.23, коэффициент к = /о//.
Устранение мешающих акустических факторов. Мешающие акустические факторы рассмотрены в п. 9.2. К наиболее важным из них относятся эхо, порхающее эхо и высокий уровень проникающих шумов. Эти факторы способны ухудшить или даже сделать невозможным восприятие полезного звукового сигнала. Кроме того, как было отмечено, эхо является основной причиной нарушения правильной локализации источника звука, а порхающее эхо может привести к искажению тембра. Меры по предотвращению перечисленных дефектов необходимо принять на стадии проектирования, так как в готовом зале их устранение
Представляет трудную, а порой и практически невыполнимую задачу.
Наибольшую опасность с точки зрения образования эха представляют вогнутые поверхности, концентрирующие отраженный звук в небольшой области зала. Расположение области и степень концентрации отраженного звука зависят от взаимного положения центра кривизны поверхности и источника звука. Наиболее неблагоприятный вариант, когда центр кривизны находится вблизи источника, показан на рис. 9.24,а. Значительное запаздывание отраженного звука приводит в этом случае к образованию слышимого эха. На практике указанный вариант часто встречается при вогнутой задней стене или купольном покрытии зала.
Ситуация улучшается при увеличении расстояния между центром кривизны и источником звука. Если расстояние от поверхности до источника значительно больше радиуса кривизны (рис. 9.24,6), то область концентрации располагается вблизи поверхности и отраженный звук имеет, как правило, небольшое запаздывание. При таких условиях для зоны расположения источника вогнутая поверхность может играть даже звукорассеивающую роль (например, высоко расположенный купол с небольшим радиусом кривизны). Опасность образования эха ослабевает, если расстояние от поверхности до источника не менее чем в 2 раза меньше радиуса кривизны (рис. 9.24,в, г).
В рассмотренных случаях речь шла о первых отражениях от вогнутых поверхностей. Вогнутые поверхности в зале могут быть также причиной концентрации вторых отражений, имеющих, как правило, весьма значительное запаздывание. Такой эффект наблюдается в залах с вогнутой задней стеной (с круглой или овальной формой зала) при горизонтальном или наклонном потолке (рис. 9.25). Поздние отражения от угла между вогнутой стеной и потолком концентрируются в
Передней зоне зала, вызывая сильное эхо. Круглая (овальная) форма плана зала неприемлема не только из-за опасности эхообразования. Первые отражения от стен таких залов практически не попадают к слушателям
(рис. 9.25,б).
I
А^г/2
Рис. 9.24. Отражение звука от вогнутой поверхности при различном взаимном положении источника и центра кривизны
О, — источник звука; О — центр кривизны; Ф — фокус, г— радиус кривизны
Глава 9. Акустика залов 393
Концентрация отраженного звука при его большом запаздывании приводит, как указывалось, к сильному эху, но и при меньшем запаздывании получается неприятная местная неравномерность звукового поля. При про-
394 Часть III. Архитектурная акустика
А)
Рис. 9.25. Распределен ие звуковых отражений в зале с круглой фор^юй плана
Б — продольный разрез, наклонный потолок; в — план; 1,2 — концентрация соответственно первых и вторых отражений
А — продольный разрез, го — пи зонтальныи потолок;
Ектировании зала, естественно, лучше всего избегать вогнутых поверхностей. Если вогнутые поверхности все-таки заложены в проект, то необходимо принять меры по ликвидации или, по крайней мере, ослаблению их вредного действия. Для борьбы с концентрацией
Отраженного звука изменяют геометрию вогнутой поверхности или применяют звукопоглощающую отделку либо членение поверхности. Возможна, разумеется, комбинация этих средств. При проектировании залов с вогнутыми поверхностями следует привлекать специалистов-акустиков. Весьма полезно, а порой и необходимо здесь использование техники масштабного моделирования.
Изменение геометрии вогнутой поверхности означает в основном изменение расположения центра ее кривизны по отношению к положению источника звука. В литературе обычно рекомендуется располагать центр кривизны вогнутой поверхности на расстоянии от нее, превышающем, по крайней мере, в 2 раза расстояние от поверхности до источника звука (см. рис. 9.24,0). Однако двукратное превышение в ряде случаев может оказаться недостаточным, особенно при слабости промежуточных отражений, приходящих в рассматриваемую зону зала. Так, если вогнутой поверхностью является задняя стена зала или барьер балкона, то интенсивность отраженной волны при двукратном превышении будет убывать значительно медленнее, чем при сферическом распространении. Такое отражение, имея значительное запаздывание, может вызвать эхо на сцене и в первых рядах партера, так как эти зоны бывают обычно лишены интенсивных промежуточных отражений. Достаточно простым способом ослабления эха в данном случае является наклон задней стены к поверхности слушательских мест. Угол наклона подбирается таким образом, чтобы отраженный от стены звук попадал к слушателям последних рядов с возможно меньшим запаздыванием.
Для ослабления эха, вызванного отражением звука от угла между вогнутой задней стеной и потолком зала (см. рис. 9.25), можно использовать различные типы примыкания потолка
К стене, показанные на рис. 9.26. Приведенные варианты, разумеется, применимы и при решении примыкания потолка к задней стене балкона и под балконом. Следует отметить, что эхо на сцене и в передней зоне зала возможно и при плоской задней стене. Обычно такое эхо не является ощутимой помехой и легко устраняется с помощью показанных на рис. 9.26 приемов.
Ослабления концентрации отраженного звука можно также добиться путем использования звукопоглощающей отделки вогнутой поверхности. Однако применение звукопоглотителя может оказаться нежелательным, если оно приводит к уменьшению времени реверберации помещения по сравнению с оптимальным. Кроме того, для эффективного ослабления концентрации очень часто требуется звукопог — лотитель с такими высокими коэффициентами звукопоглощения, обеспечить которые бывает довольно трудно. Так, для снижения уровня позднего отражения на 20 дБ требуется обеспечить коэффициент звукопоглощения вогнутой поверхности сС = 0,99.
Достаточно эффективным средством ослабления концентрации является членение вогнутой поверхности. Выбирая членения, необходимо учитывать, что хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Особенно пригодны для этой цели элементы с криволинейным выпуклым сечением, которые рассеивают также и более короткие волны. При использовании периодически расположенных элементов рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от их шага (рис. 9.27).
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. Пи-
Б)
К стене участка потолка; в — наклон участка потолка и задней стены; г — острый угол между потолком и задней стеной
Глава 9. Акустика залов 393
Рис — 9.26. Рациональные типы пр{4мыкания потолка к задней стене
А — наклон задней стены; б — наклон примыкающего
Лястры выпуклого я треугольного сечения (типы III и II) рассеивают отраженный звук также и на более высоких частотах, чем показано на рисунке. Мелкие элементы размером 10—20 см рассеивают лишь на часто-
396 Часть ///. Архитектурная акустика
250- 175′ 125 600 425 300
D, см
20-40
15-30
10-20
75-150
50-100 45-90 40-80
То — зш
700
По о
35-70
Рис* 9.27. Ориентировочные размеры периодических членений обеспечивающие рассеяние отраженного звука разных частот
Ь — ширина элемента; <{ — глубина профилировки; ? — период членения
150 200 ST. CM
300 400 500
100
50
Ш
Л
ШШшШшШ
Тах выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание в области частот 200— 600 Гц дают пилястры размером 1 — 2 м по ширине и 0,5—1 м по глубине при шаге членения 2—4 м. Если их очертание подвергнуть дальнейшему членению, т. е. придать крупным элементам дополнительную мелкую деталировку или сделать их выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Пилообразные членения глубиной 12—15 см и с шагом 1,2—1,5 м эффективны начиная с 600 Гц.
Рассеивающий эффект членений улучшается, если их шаг нерегулярен, т. е. расстояния между смежными членениями неодинаковы по всей поверхности. Членение с мелким регулярным шагом 5—20 см вызывает периодические отражения коротких импульсов (например, ударов, хлопков и т. п.), в результате чего возникает неприятное подсвистывание, искажающее звук. Поэтому отделок с таким членением следует избегать. В случае круглой или овальной формы плана зала весьма целесообразно использовать крупные выпуклые членения с нерегулярным шагом (рис. 9.28).
Концентрация звука является также причиной образования интенсивного порхающего эха. Этот эффект, возникающий при многократном отражении звука между параллельными гладкими плоскостями (обычно между боковыми стенами помещения), усиливается, если напротив плоскости размещается вогнутая поверхность. На практике это встречается в залах со сводчатым или куполообразным потол-; ком и плоским горизонтальным полом.
Еще более интенсивным бывает порхающее эхо при расположении двух вогнутых поверхностей друг против друга. Увеличение радиуса кривизны вогнутых поверхностей или небольшое отклонение противоположных стен от параллельности (в пределах 5°) не дает существенного ослабления порхающего эха. Большего успеха здесь можно добиться путем применения звукопоглощающей отделки (если она требуется также и для снижения времени реверберации) или путем расчленения, по крайней мере, одной из противоположных поверхностей.
Как было отмечено в п. 9.2, уровни проникающих шумов в зальных помещениях не должны превышать значений, указанных в СНиП Н-12-77. Для того чтобы выполнить это требование, при проектировании помещений, как правило, необходимо предусмотреть ряд шумозащитных мероприятий. Методы расчета и проектирования этих мероприятий достаточно подробно изложены в гл. 8. Поэтому мы ограничимся только перечислением основных вопросов шумозащиты, на которые необходимо обратить внимание при акустическом решении помещения.
В
Особенно важное значение с точки зрения шумозащиты имеют расположение здания и его внутренняя планировка. Крайне нежелательно располагать здание, в котором имеется зал, на шумной магистрали. Если такое расположение все же неизбежно, то здание должно отступать от красной линии. Внутренняя планировка здания должна быть такова, чтобы зал находился возможно дальше от шумных проездов и других сильных источников шума, а между залом и улицами размещались вспомогательные помещения (фойе, вестибюли и т. п.), защищающие зал от непосредственного проникания уличного шума. Если зал имеет окна, то они не должны быть обращены в сторону шумных проездов и
Рис. 9.28. Эффективное членение стен при круглой форме плана зала
Их следует устраивать с двойными
Плотными переплетами.
При разработке внутренней планировки здания необходимо строго следить за тем, чтобы помещения с шумным оборудованием (например, вентиляционные камеры с вентиляторами, насосные, холодильные установки, шахты лифтов и их машинные помещения, трансформаторные, котельные, туалеты и т. п.) не примыкали к залу и другим помещениям, требующим защиты от шума. Если окружающие зал помещения нуждаются по своему характеру в защите от шумов, то должна быть обеспечена изоляция помещений от проникающего из зала звука. Для
Повышения звукоизоляции между залом и фойе входы в зал должны иметь плотно закрывающиеся двери. Лучшая звукоизоляция достигается путем устройства тамбуров с двумя дверями. Устройство тамбуров или коридоров, отделяющих зал от фойе, особенно рекомендуется, если предполагается использование фойе (например, для оркестра) одновременно с залом.
Глава 9. Акустика залов 397
Современные залы, как правило, оборудуются установками вентиляции
398 Часть III. Архитектурная акустика
И кондиционирования, которые представляют собой наиболее распространенные источники проникающих шумов. При проектировании установок вентиляции или кондиционирования воздуха для изоляции зала от их шума предусматривают следующие основные мероприятия: а) монтаж вентиляторов, насосов и компрессоров совместно с их двигателями на амортизаторах для изоляции колебаний, передающихся строительным конструкциям здания; б) устройство вставок из прорезиненной ткани в местах присоединения воздуховодов к вентиляторам и вставок из резинового шланга в местах присоединения трубопроводов к насосам; в) устройство глушителей для заглушения аэродинамических шумов, распространяющихся по воздуховодам; г) ограничение скорости воздуха для снижения шумообразования в воздуховодах и решетках; д) надлежащая звукоизоляция ограждающих конструкций помещений, в которых расположены вентиляторы и насосы.
В залах, оборудованных киноустановками, при демонстрации фильмов может мешать шум кинопроекторов. Для изоляции зала от этого шума проекционные окна должны иметь стекла толщиной не менее 6 мм, герметически закрывающие оконный проем с помощью резинового уплотнения по кон — ТУРУ* Смотровые окна должны иметь два таких стекла. В оконном проеме торцы стены между этими стеклами рекомендуется отделывать звукопоглощающим материалом. Проекторы следует устанавливать на резиновых амортизаторах, ослабляющих звуковые колебания, передающиеся полу. Потолок кинопроекционной рекомендуется отделывать для снижения шума зву — копоглотителем.
9А. Залы для речевых
Программ
Основным показателем акустического качества данной группы залов является разборчивость речи. Требование высокой разборчивости речи, для практики акустического проектирования означает, что необходимо добиться в помещении небольшого времени реверберации и обеспечить слушательские места интенсивным прямым звуком и интенсивными мало запаздывающими отражениями. Выполнение этих условий, как правило, гарантирует хорошее восприятие речевых программ. Применение техники моделирования целесообразно лишь в тех случаях, когда внутренние поверхности помещения сильно расчленены или включают большие вогнутые элементы.
Рекомендуемое время реверберации на средних частотах (500— 1000 Гц) в зависимости от объема зала, предназначенного для речевых выступлений, показано на рис. 9.17. На частотах ниже 500 Гц целесообразно сохранение значений времени реверберации, показанных на этом рисунке. Допустимо также некоторое увеличение указанных значений с таким расчетом, чтобы время реверберации на частоте 125 Гц возрастало не более чем на 30% по сравнению со временем реверберации на частоте 500 Гц. Следует отметить, что время реверберации, соответствующее рис. 9.17, обеспечивается без применения значительного числа специальных звукопоглоти- телей, если объем, приходящийся на одно место, не превышает 5 м3 (рекомендуется 4—5 м3). При этом, как и в залах иного назначения, целесообразно использование мягких (полумягких) кресел с тем, чтобы время реверберации меньше зависело от степени заполнения помещения слушателями.
Решая задачу обеспечения слушательских мест интенсивным прямым звуком, приходится учитывать влияние нескольких факторов. Прежде всего интенсивность прямого звука уменьшается по мере удаления точки приема от источника звука. Кроме того, прямой звук при распространении над сидящими слушателями претерпевает дополнительное ослабление за счет скользящего звукопоглощения, а на высоких частотах — вследствие экранирующего действия голов слушателей. Большую роль играет также характеристика направленности голоса оратора (артиста).
Влияние скользящего поглощения и экранирования слушателями друг друга значительно уменьшается при достаточно большой высоте сцены над уровнем пола первого ряда и профиле пола зала (в партере и на балконах), обеспечивающем хорошую видимость происходящего на сцене. Высоту сцены целесообразно выбирать не менее 1 м, так как в этом случае высота источника звука над уровнем голов слушателей первого ряда получается не менее 1,5 м. При такой высоте источника влияние скользящего поглощения будет небольшим.
Несколько сложнее решаются вопросы, связанные с удалением слушателей от источника звука и влиянием направленности человеческого голоса. С точки зрения максимального приближения слушателей к источнику звука наиболее целесообразна веерообразная форма зала. Однако при такой форме зала на боковых местах интенсивность прямого звука резко падает вследствие направленности человеческого голоса. Кроме того, при веерообразной форме зала слушатели лишаются боковых отражений, а задняя стена может вызвать эхо (рис. 9.29). Ослабление прямого звука наблюдается также в "лежачих" залах (залы большой ширины при относительно небольшой длине). В таких залах также возрастает запаздывание звуковых отражений от боковых стен
(рис. 9.30).
В театральном зале без сценической коробки можно значительно сократить удаление слушателей от источника путем размещения слушательских мест вокруг сцены. Однако часть слушателей при этом оказывается позади актера, и направленность его голоса сказывается еще больше. Весьма целесообразный способ сокращения расстояния между слушателями и исполнителями — устройство балконов.
Рис. 9.29. Веерообразная форма плана зала
I — зона ослабления прямого звука
Рис. 9.30. Зал большой ширины при относительно небольшой длине
1 — зона ослабления прямо го звука
Глава 9. Акустика залов 399
Очень важным условием является обеспечение слушательских мест интенсивными малозапаздывающими от-
400 Часть 111. Архитектурная акустика
Рис. 9.31. Отражения от а— прямоугольные пиляст —
Поперечных пилястр и ре — ры и ребра; б — пилястры и
Бер ребра с прямым углом
Ражениями (интенсивными обычно считаются геометрические отражения от внутренних поверхностей помещения). Такие отражения необходимы на слушательских местах, расположенных на расстояниях от источника звука, превышающих 8 м. При этом желательно, чтобы на этих местах запаздывание первого отражения, приходящего вслед за прямым звуком, не превышало 20 мс. Временные интервалы между последующими интенсивными отражениями также не должны быть больше 20 мс. Если считать, как это принято, границей полезности отражений 50 мс, то указанные требования означают, что на любое слушательское место, удаленное от источника звука более чем на 8 м, должно приходить не менее двух интенсивных отражений. При проектировании зала следует стремиться к тому, чтобы число интенсивных отражений, приходящих в интервале первых 50 мс, было по возможности большим, особенно на удаленных от источника звука местах.
Внутренние поверхности, дающие малозапаздывающие отражения, не следует подвергать сильному членению. В частности, не рекомендуется
Устройство больших поперечных прямоугольных пилястр или ребер (рис. 9.31,а). Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, причем возникают показанные на рисунке зоны, лишенные геометрических отражений. Это наблюдается также у пилястр или ребер любого профиля, имеющих прямой угол со стороны источника
(рис. 9.31,6).
Лекционные залы. Вместимость лекционного зала не должна превышать 400 мест, а его длина — 20 м. При максимальном объеме на одно место, составляющем 5 м3, указанному пределу вместимости соответствует общий объем помещения, равный 2000 м3. В практике известны примеры удачно решенных лекционных залов на 500 мест, эксплуатируемых в условиях естественной акустики. Однако при вместимости зала более 400 слушателей, как правило, становится необходимым усиление речи лектора.
При проектировании небольших лекционных залов (до 200 мест) довольно просто обеспечить хорошую разборчивость речи. В этих случаях используют плоский горизонтальный потолок и принимают прямоугольную форму плана. В более крупных лекционных залах устройство плоского горизонтального потолка уже нецелесообразно. Отражения от передней части такого потолка попадают в первые ряды слушательских мест, для которых достаточная разборчивость обеспечивается прямым звуком. Кроме того, ряды мест в больших лекционных залах обычно круто поднимаются к задней стене, в результате чего при горизонтальном потолке высота в передней части помещения, а следовательно и запаздывание отраженного от потолка звука получаются слишком большими. Задняя часть горизонтального потолка вместе с вертикальной задней стеной служит причиной неблагоприятного
Форма лекционного зала план
Обратного отражения к источнику (см.
Рис. 9.25,а).
Распределение звука, отраженного передней частью потолка, можно улучшить путем устройства скоса или специального звукоотражателя, подвешенного под потолком (рис. 9.32,а). Для улучшения распределения звука, отраженного от задней части потолка, целесообразно использовать один из вариантов примыкания потолка к задней стене (см. рис. 9.26). Эти варианты помимо ослабления обратного отражения позволяют значительно улучшить разборчивость на задних местах, так как отраженный звук попадает на эти места с небольшим запаздыванием.
А)
Рис. 9.32. Рекомендуемая 0 — продольный разрез; ?> —
В больших лекционных залах весьма существенной становится также форма плана. При плоских параллельных боковых стенах отражения от их участков, прилегающих к зоне распо — форма потолка при знами — го зала
Ложения источника звука, попадают в передние ряды слушательских мест, причем часто с большим запаздыванием по отношению к прямому звуку. Как и в случае плоского горизонтального потолка, положение улучшается, если участки боковых стен в передней зоне помещения скашиваются, как это показано на рис. 9.32,6. Ориентация скошенных участков подбирается таким образом, чтобы отражения от каждого из них попадали в противоположный дальний угол зала. Оставшимся участкам боковых стен также целесообразно придать небольшой скос (10—12°). Это увеличит долю отраженного звука, поступающего на удаленные от источника места, и ослабит эффект порхающего эха. При значительной длине зала или отсутствии боковых отражений очень полезно устройство потолка, концентрация отражений от которого усиливается по мере удаления от источника звука (рис. 9.33).
Рис. 9.33. Целесообразная тельной длине лекционно —
Глава 9. Акустика залов 401
Залы драматических театров. В отличие от лекционных залов источники звука (актеры) в драматических театрах, как правило, располагаются в пространстве колосниковой сцены> оборудованной мягкими декорациями и связанной с залом сравнительно небольшим сценическим проемом. Поэтому большая доля излучаемой актерами звуковой энергии теряется в сценической коробке и лишь меньшая доля попадает в зрительный зал. При
402 Часть III. Архитектурная акустика
Ковых стен (продольный разрез и план)
1 — зона мест без первых отражений
Этом из-за направленности человеческого голоса излучаемая в зал доля звуковой энергии становится еще меньше в тех случаях, когда актер отворачивается от зала. В то же время актеры обладают по сравнению с лекторами гораздо более сильным и хорошо поставленным голосом, и, что особенно важно, во время спектакля уровень шума в зале театра обычно ниже, чем в лекционном помещении, так как внимание слушателей приковано к происходящему на сцене. Последние два фактора позволяют компенсировать неблагоприятные условия излучения звука и делать залы театров значительно больших размеров, чем лекционные.
Рис. 9.34. Распределение первых отражении от плоского горизонтального потолка и параллельных бо
Максимальная вместимость зала драматического театра составляет 1200 слушателей, а наибольшее расстояние от последнего ряда до плоскости портала — 27 м. Следует, естественно, стремиться к тому, чтобы сократить указанное предельное расстояние.
Тальных поверхностей (продольный разрез и план)
1 — зона мест без первых отражений
Наиболее рациональным способом, как уже отмечалось, является устройство балконов. В качестве максимального объема зала драматического театра, соответствующего предельной вместимости, можно рекомендовать 6000 м3.
Рис. 9.35. Распределение первых отражении от сильно скошенных припор —
Как и в случае большого лекционного зала, плоский горизонтальный потолок и плоские параллельные боковые стены не являются оптимальным решением. Помимо отмеченных выше недостатков такое решение при расположении источника в глубине сцены может привести к отсутствию первых отражений на значительной площади слушательских мест (рис. 9.34). К такому же результату приводит сильный скос припортальных поверхностей (рис. 9.35). Эти поверхности в зале драматического театра следует делать выпуклыми с тем, чтобы слушательские места обеспечива-
Рис. 9.36. Звукосггражаю — а — продольный разрез; б —
Щие поверхности в пере — план
Дней части потолка и боковых стен
Лись первыми отражениями при расположении источника как на авансцене, так и в глубине сцены (рис. 9.36,а). На припортальных поверхностях не должно быть крупных отверстий и звукорассеивающих структур. Более удаленные от портала участки боковых стен целесообразно скашивать, как это показано на
Рис. 9.36,6.
А)
При размещении осветительной галереи необходимо следить за тем, чтобы отражения от козырька над порталом и от последующей части потолка перекрывали друг друга. Это требование относится и к другим смежным элементам поверхностей зала, дающим первые отражения к слушателям (например, к секциям ротолка). Перекрытие отражений обеспечивается путем соответствующего наклона соседних элементов или придания им выпуклой
Рис. 9.37. Распределение а — наклонные секции; б —
Первых отражении от ко — выпуклые секции
Зырька над порталам и секций потолка
Формы (рис. 9.37). Размеры элементов должны удовлетворять условиям применимости геометрических отражений. Так же, как и припортальные поверхности, эти элементы не должны иметь больших отверстий и сильного членения.
Глава 9. Акустика залов 403
Существенное значение для акустики зала драматического театра, как и любого зала с колосниковой сценой, имеет оборудование сцены. Увеличение количества мягких кулис и декораций на сцене может несколько уменьшить время реверберации зала. Напротив, использование в основном твердых (фанерных) декораций несколько увеличивает время реверберации зала. Кроме того, фанерные декорации могут направить в зал полезные звуковые отражения. Для этого, однако, декорации должны размещаться не слишком далеко от основного места действия (не более 7 м) и не должны иметь больших вогнутых поверхностей.
404 Часть III. Архитектурная акустика
9.5. Залы для музыкальных
В залах, предназначенных для исполнения музыкальных программ, необходимо обеспечить большое время реверберации, усиливающее пространственное впечатление при восприятии музыки. Кроме того, требования к структуре звуковых отражений здесь не столь однозначны, как в помещениях для речевых программ. Если для разборчивости речи увеличение интенсивности прямого звука и малозапаздывающих отражений является весьма положительным фактором, то для восприятия музыки это может оказаться нежелательным, так как приведет к слишком большой ясности звучания, при которой снижается пространственное впечатление. В свою очередь рост пространственного впечатления может вызвать некоторую потерю ясности звучания.
Положение осложняется еще тем, что слушателей можно разделить на две группы. Одни из них предпочитают большую ясность звучания, другие отдают предпочтение большей про- странственности и громкости. Качество восприятия музыки в значительной мерс зависит также от того, в каких акустических условиях находятся исполнители (певцы и музыканты). Все это делает акустическое проектирование помещения с музыкальными программами довольно сложной задачей, решение которой значительно облегчает использование техники моделирования.
Для акустического проектирования музыкальных залов очень важны результаты исследований последних лет, свидетельствующие о том, что повышения ясности звучания при одновременном увеличении пространственного впечатления можно добиться путем увеличения энергии отражений от боковых стен. Запаздывание этих отражений должно находиться в области 25—80 мс.
Концертные залы. Оптимальное время реверберации концертного зала помимо его объема зависит от вида исполняемой музыки (см. рис. 9.17). Самое большое время реверберации требуется для органной музыки, несколько меньшее — для симфонической и сравнительно небольшое — для камерной. При этом определенную роль играет и характер исполняемой музыки: для музыки барокко предпочтительнее меньшая реверберация, а для романтической музыки — большая. Частотная характеристика времени реверберации во всех случаях должна быть с некоторым подъемом в сторону низких частот. Обычно рекомендуется, чтобы время реверберации на частоте 125 Гц увеличивалось на 20% по сравнению со временем реверберации на частоте 500 Гц.
Вид музыкальной программы приходится учитывать не только при определении оптимального времени реверберации, но и при выборе основных архитектурно-строительных параметров зала. В концертном зале, предназначенном преимущественно для органной музыки, объем на одно место должен составлять 10—12 м3, в зале для симфонического оркестра с обычной программой — 8—10 м и в зале для камерной музыки — 6—7 м3. Современный зал для симфонических концертов обычно проектируется на 1500—2000 мест, причем 2000 мест считается верхней границей вместимости. Объемы, соответствующие этим вместимостям, составляют 12 000— 20 000 м. В качестве верхних пределов вместимости и объема залов камерной музыки рекомендуются соответственно 400 мест и 3000 м3. Определенные ограничения накладываются также на длину концертного зала, которая в зале для симфонической музыки не должна превышать 45 м, а в зале для камерной музыки — 20 м.
При выборе времени реверберации в области средних частот Т5оо, объема V и максимальной высоты зала Амакс целесообразно использовать соотношение
(К/Г500)1/3/Лмакс = 1,25. (9.24)
Это соотношение характерно для концертных залов с хорошей акустикой, причем в первую очередь для старых концертных залов, построенных главным образом в прошлом веке. Следует отметить, что акустическое качество старых залов в целом оценивается гораздо выше, чем современных. Основные причины такой оценки становятся ясными из сравнения архитектурно-акустических параметров старых и новых залов.
Для прошлого века типичны концертные залы прямоугольной формы с горизонтальными полом и потолком (рис. 9.38). С трех сторон зал обычно огибается узким балконом или галереей. Весьма характерны малая ширина залов (в среднем 20 м) при значительной высоте (в среднем 17 м) и сильное расчленение поверхностей стен и потолка, связанное с использованием в интерьере ордерной системы, часто к тому же имеющей барочную интерпретацию. Основными материалами отделки служили штукатурка по кирпичу или дереву, массивное дерево и паркет. Все эти материалы, как и устанавливавшиеся в старых залах деревянные кресла с кожаной обивкой, обладают малым звукопоглощением.
Новые принципы архитектуры XX в., выразившиеся в отказе от декоративных стилей прошлого, оказали существенное влияние на интерьер музыкальных залов. На смену прямоугольному плану пришла веерообразная форма со всем многообразием ее вариантов, а на смену сильно расчлененным поверхностям — большие и гладкие поверхности. Разрез зала принял характерную форму, часто напоминающую рупор, весьма распространенными стали крутой подъем рядов и глубокие балконы (рис. 9.39). Возросла ширина залов (до 30—40 м) и уменьшилась высота (в среднем до 15 м). Для регулирования времени реверберации в залы стали вносить дополнительное звукопоглощение в виде специальных звукопоглощающих материалов и конструкций. Часто используются очень мягкие кресла и сплошное ковровое покрытие пола.
Эти изменения, естественно, отразились на акустических параметрах залов. Время реверберации старых залов, как правило, значительно выше, чем новых (в среднем на 0,3 с). Более высокая в старых залах и степень диф — фузности звукового поля, причем разнообразие размеров членений стен и потолка старых залов (от нескольких сантиметров до 2—3 м) обеспечивает диффузное отражение звука в широком диапазоне частот.
V
40м |
||
1—————————- |
————— >’ |
V
Рис. 9.38. Типичная форма концертного зала про
Шлого столетия (продольный разрез и план)
Глава 9. Акустика залов 405
Весьма характерное различие старых и новых залов заключается в структуре ранних звуковых отражений. В старых залах в силу их малой
406 Часть ?11. Архитектурная акустика
9
40 м
Рис. 9.39. Типичная фор — ного зала (продольный
Ма современного концерт — разрез и план)
Ширины и значительной высоты в интервале запаздываний 25—80 мс к слушателям приходят главным образом отражения от боковых стен, причем направления прихода этих отражений значительно отличаются от направлений прихода прямого звука (см. рис. 9.38). Запаздывание первых отражений от стен меньше запаздывания первых потолочных отражений. Такую структуру отражений, увеличивающую одновременно ясность и пространст — венность звучания, в современных залах обеспечить очень трудно.
Значительная ширина современных залов приводит к слишком большому запаздыванию боковых отражений и к их ослаблению за счет скользящего звукопоглощения. К слушателям сначала поступают первые отражения от низкого потолка, которые маскируют более поздние и слабые отражения от боковых стен. Если
‘С
* I 101 3 5м *
\ \ 1 I > 1 I
Рис. 9.40. План киноконцертного зала Дворца культуры в Зеленограде
Же зал при этом имеет сильно расходящиеся стены, то боковые отражения поступают к слушателям по направлениям, близким к направлениям прихода прямого звука (см. рис. 9.39). В результате этого ослабевает пространственный эффект, очень важный для восприятия музыки. К дальнейшему ослаблению пространственности приводит форма потолка, дающая направленные отражения к слушателям. Места над и под глубокими балконами залов, как правило, неудовлетворительны с точки зрения пространственного впечатления, громкости и тембра звучания.
Имеется несколько способов, позволяющих увеличить долю боковой энергии, поступающей на слушательские места современного концертного зала. При значительной ширине помещения можно получить дополнительные боковые отражения, разместив слушателей отдельными зонами на разных уровнях с таким расчетом, чтобы между этими зонами образовались вертикальные звукоотражающие стенки. Такой прием использован в ряде залов, в частности в зале филармонии в Берлине, а также в зале но-
Рис. 9.41. Распределение первых отражений от боковых стен зала трапециевидной формы
Вого Дворца культуры в Зеленограде (рис. 9.40).
А — гладкие боковые стены; б — боковые стены, расчле — ненные на секции
В зале, имеющем трапециевидную форму плана и сравнительно неболь — а — потолок с поперечными членениями или без членений; б — потолок с продольными членениями
Шую ширину, увеличения боковой энергии можно добиться путем разбивки боковых стен на секции, размеры которых позволяют получить направленные (геометрические) отражения (рис. 9.41). Этот способ довольно часто применяется в практике акустического решения концертных залов. В качестве варианта можно также использовать сильное расчленение боковых стен (например, в виде пилястр или вертикальных пилонов).
Увеличению доли боковой энергии могут существенно способствовать боковые балконы и система продольных членений потолка (рис. 9.42). Такие членения позволяют направить более значительную часть отраженного от потолка звука на боковые стены, а от них — на слушательские места.
Рис. 9.42. Увеличение доли боковой энергии с па — мощью продольных членений потолка
Глава 9¦ Акустика залов 407
Очень важной частью концертного зала является зона расположения оркестра, включающая эстраду (оркестровый подиум) и окружающие ее по-
408 Часть ///. Архитектурная акустика
Рис. 9.43. Вариант реше — цертного зала (продоль
Ник эстрадной части кон — ный разрез и план)
Верхности стен и потолка. Эти поверхности должны быть сформированы таким образом, чтобы отражения от них поступали не только к слушателям, но и к музыкантам (рис. 9.43).
Отраженный звук, попадающий к слушателям, в основном увеличивает ясность звучания. Однако, если боковые стены эстрады не слишком расходятся, то отражения от них могут также способствовать повышению пространственного впечатления. Отражения от стен и потолка эстрады, поступающие к музыкантам, улучшают для них условия взаимной слышимости и слышимости собственного исполнения. Хотя вопросы акустики зоны исполнения и нуждаются в дальнейшем изучении, необходимость таких отражений не вызывает сомнений. Задачу распределения отраженного звука между слушательской и исполнительской зонами наиболее целесообразно решать путем расчленения поверхности вокруг эстрады или выполнения этих поверхностей в виде выпуклых элементов (см. рис. 9.43). Ширина эстрады концертного зала, как показывает опыт, не должна превышать 18 м, а ее глубина и высота потолка над ней — 12 м.
В последние годы получила развитие тенденция к размещению слушательских мест вокруг оркестра. При таком варианте значительно сокращается расстояние от эстрады до последнего ряда, однако возникает проблема отражающих поверхностей вокруг оркестра. Эта проблема в значительной степени решается путем некоторого заглубления оркестра, позволяющего создать вокруг него небольшие звукоот- ражающие стенки. Кроме того, можно использовать подвесные звукоотража — тели или понижение потолка над оркестром.
Залы оперных театров. В отличие от концертного зала в зале оперного театра помимо хорошего звучания музыки необходимо обеспечить хорошую разборчивость пения и речитатива. В связи с этим время реверберации в зале оперного театра должно быть меньше, чем в зале, предназначенном для симфонических концертов (см. рис. 9.17). В то же время рекомендуется такой же подъем частотной характеристики времени реверберации, как и в концертном зале.
Для того чтобы достичь значений времени реверберации, соответствующих рис. 9.17, объем зала, приходящийся на одно место, должен составлять 6—7 м. Максимальной вместимостью зала современного оперного театра обычно считается 1500—1700 мест. Отсюда максимальный объем зала составляет 10 000—12 000 м3. Следует отметить, что залы старых оперных театров в основном имеют небольшой объем на одно место (около 5 м3), а отсюда и небольшое время реверберации (1,3 с на средних частотах). Для залов, отличающихся хорошей акустикой, также существует оптимальное соотношение между объемом, временем реверберации и наибольшей высотой:
(V/ Т500)1 /3Ммакс =1, ь (9.25)
Наряду с соответствующим временем реверберации в зале оперного театра требуется обеспечить слушательские места интенсивными отражениями с небольшим запаздыванием по отношению к прямому звуку. Эти задачи решаются таким же способом, как и для зала драматического театра. Так как оперные певцы обладают более сильными голосами, чем драматические актеры, то в зале оперного театра допускается большее удаление слушателей последнего ряда от сцены. В качестве предельного удаления последнего ряда от плоскости портала рекомендуется 35 м. Запаздывание первого интенсивного отражения и интервалы между последующими интенсивными отражениями могут быть увеличены до 35 мс. Очень важно, чтобы интенсивные малозапаздывающие отражения поступали к слушателям преимущественно с боков, повышая как ясность, так и пространственность звучания.
Следует отметить, что в залах старых оперных театров, несмотря на небольшое время реверберации, пространственное впечатление довольно хорошее. Это связано, по всей вероятности, с эффектом боковых отражений. Благодаря сравнительно небольшой ширине залов, особенно в при — портальной части, к слушателям сначала поступают малозапаздывающие
Боковые отражения, а отражения от высокого потолка приходят значительно позже. При общей положительной оценке акустику классических оперных залов все же нельзя считать совершенной. В глубине лож, как правило, отмечаются недостаточные пространственность, громкость и изменение тембра звучания. В центральной части партера залов нередко наблюдается снижение ясности (четкости) звучания, связанное с малой интенсивностью отражений от сильно расчлененных боковых стен. Недостатком старых залов является небольшое время реверберации.
При акустическом проектировании зала оперного театра приходится решать ряд специфических задач. Прежде всего это касается правильного баланса между звучанием голоса певца со сцены и звучанием оркестра, расположенного в оркестровой яме. Нарушение баланса обычно заключается в том, что оркестр, акустическая мощность которого в сотни раз превосходит мощность человеческого голоса, "подавляет" певца. Помимо обеспечения правильного баланса необходимо создать условия для хорошей взаимной слышимости музыкантов, а также музыкантов и певцов. И, наконец, как музыканты, так и певцы должны слышать собственное исполнение. Успешное решение всех перечисленных задач в первую очередь связано с правильным выбором параметров припор — тальной зоны зала, которая включает поверхности потолка и стен, примыкающие к порталу, а также оркестровую яму.
Глава 9. Акустика залов 409
В современной практике примыкающие к порталу части потолка и стен часто делают в виде выпуклых звуко — отражателей, дающих направленные отражения к слушателям. В целом такое решение оправдано, однако при этом необходимо учитывать отмеченную специфику оперы. Звукоотража — тель (козырек) над порталом, направ-
410 Часть III. Архитектурная акустика
Ляющий большую долю отраженного звука на удаленные от сцены места, в зале оперного театра едва ли целесообразен. При расположении певца на сцене, особенно в ее глубине, первые отражения от такого козырька не попадают в переднюю зону слушательских мест (рис. 9.44,а). Напротив, звук оркестра, отраженный от козырька, направляется в передние ряды партера и маскирует звучание голоса певца.
А)
О,
Рис. 9.44. Неблагоприятная (а) и благоприятная (б) формы звукоотражаю —
Щего козырька над порталам
Более выгоден для правильного баланса — вариант козырька, изображенный на рис. 9.44,6. В этом случае звук певца, отраженный от козырька, направляется в переднюю зону мест, а отраженный звук оркестра возвра-
Рис. 9.45. Благоприятные очертания боковых стен зала оперного театра
Щается к музыкантам, улучшая условия взаимной слышимости и слышимости собственного исполнения. При таком варианте улучшается также взаимная слышимость музыкантов и певцов. По аналогичным соображениям боковые припортальные стенки не должны сильно раскрываться в сторону зала. Желательно, чтобы направление этих стенок в плане было близким к продольной оси зала (рис. 9.45). Такая ориентация боковых стенок позволит также увеличить долю поступающих к слушателям боковых отражений. По всей вероятности, полезно некоторое расчленение поверхностей козырька и боковых припортальных стенок с тем, чтобы часть отраженного звука возвращалась на сцену и улучшала для певцов слышимость собственного исполнения.
Созданию оптимального баланса между певцами и оркестром способствует также частичное перекрытие оркестровой ямы (рис. 9.46). Над примыкающей к сцене частью ямы устраивается навес, вынос которого не должен превосходить 1/3 ширины ямы. За счет уменьшения излучения звука непосредственно в зал и в сторону козырька над порталом навес позволяет "приглушить* расположенные
Ь — 7-8м
Рис. 9.46. Схематический разрез оркестровой ямы
Под ним громкие инструменты оркестра (например, медные духовые). Такой навес способствует также улучшению взаимной слышимости музыкантов. Часть ямы, примыкающая к сцене, нередко делается более глубокой, что также полезно для "приглушения" громких инструментов. Общее увеличение глубины оркестровой ямы, призванное уменьшить громкость оркестрового звучания, нельзя считать целесообразным. Это приведет к ухудшению излучения высоких частот, в результате чего слушатели, особенно в первых рядах, могут ощущать потерю блеска звучания.
Вблизи басовых инструментов в оркестровой яме целесообразно размещать низкочастотный звукопоглоти — тель. Помимо улучшения частотного баланса излучаемого из ямы звука это создает более благоприятные условия для музыкантов, особенно если они располагаются под навесом. Пол оркестровой ямы следует делать дощатым с воздушным промежутком под ним не менее 0,5 м, а внутренние поверхности ямы полезно облицевать деревом.
9.6. Залы с совмещением
Речевых и музыкальных
Программ
Совмещение речевых и музыкальных программ представляет собой весьма сложную задачу. Как уже было
Отмечено, акустические условия, необходимые для этих программ, не только различны, но и во многом противоположны. Остальные виды программ занимают промежуточное положение (пение) или требуют условий, близких к условиям, необходимым для речевых программ (кинопоказ, мероприятия со звукоусилением). Самой распространенной категорией помещений, в которых приходится решать задачу совмещения различных звуковых программ, в первую очередь речевых и музыкальных, являются залы многоцелевого назначения или, как их часто называют, универсальные залы. К помещениям, в которых совмещаются различные звуковые программы (прежде всего речь и музыка), можно также отнести залы музыкально-драматических театров, кинотеатров и крытых спортивных сооружений.
Глава 9. А кустика залов 411
Залы многоцелевого назначения. Акустическое решение многоцелевого зала зависит от его вместимости и конкретной программы использования. Чаще всего в практике проектирования и строительства принимается компромиссное решение. В зале обеспечивается сравнительно небольшое время реверберации (см. рис. 9.17), а его внутренние поверхности формируются таким образом, чтобы часть из них направляла к слушателям интенсивные малозапаздывающие отражения, увеличивающие ясность звучания, в то время как другая часть создавала ненаправленное, рассеянное отражение звука, повышающее диффузность звукового поля. Это достигается при помощи различной степени расчленения отдельных поверхностей зала. Эффективному членению следует подвергать участки, не дающие первых малоза — паздывающих отражений (см. рис. 9.18). Остальные поверхности, особенно поверхности, примыкающие к сцене, не должны иметь сильных членений.
412 Часть 111. Архитектурная акустика
Вариант размещения поверхностей с различной степенью членения приведен на рис. 9.47. Как и в музыкальных залах, ранние отражения желательно получить преимущественно от боковых стен. Наряду с увеличением ясности звучания это позволит усилить пространственное впечатление. Запаздывание первого интенсивного отражения, а также интервалы между последующими интенсивными отражениями по возможности не должны превышать 30 мс на всей площади слушательских мест.
Наиболее оправданно компромиссное решение для многоцелевых залов средней вместимости (до 1200 слушателей). В таких залах нет особой необходимости в большом времени реверберации, так как симфонические концерты здесь — довольно редкое явление. Кроме того, при выступлении симфонического оркестра в сравнительно небольшом помещении с большой реверберацией звучание производит впечатление "грузности". Размеры залов, как правило, позволяют обеспечить требуемое запаздывание интенсивных первых отражений на всей площади слушательских мест. Практика показывает, что в многоцелевых залах средней вместимости возможно создание компромиссных акустических условий, вполне приемлемых для различных видов звуковых программ. Принципы компромиссного акустического решения многоцелевых залов средней вместимости применимы и для залов музыкально-драматических театров.
В крупных многоцелевых залах вопрос совмещения различных звуковых программ значительно осложняется. Наряду с необходимостью регулирования времени реверберации здесь часто возникают трудности с обеспечением слушательских мест малоза- паздывающими первыми отражениями. Тенденция к строительству широких залов, а также требования кинотехно — а
Рис. 9.47. Пример располо — ное и рассеянное сгграже —
Жения поверхностей зала, ние звука (продольный раз
Ов вспенивающих направлен — рез и план)
Логии приводят к тому, что ширина зала в передней части нередко составляет 30—40 м, а высота — 10 м и более. При таких размерах запаздывание первых отражений, поступающих в переднюю зону мест, значительно превосходит 30 мс. Компромиссное решение в залах подобного типа далеко не всегда оказывается целесообразным.
В настоящее время помимо компромиссного варианта имеется еще два подхода к акустическому решению многоцелевых залов. Первый из них связан с использованием средств электроакустики. В зале обеспечивается время реверберации, необходимое для проведения речевых мероприятий и кинопоказа (см. рис. 9.17). Увеличение времени реверберации при исполнении концертных программ осуществляется с помощью систем искусственной реверберации (амбиофонии). При применении этого способа достигаются оперативность и широкие пределы регулирования времени реверберации. Обеспечение слушательских мест ма — лозапаздывающими отражениями
(формирование оптимальной структуры отражении) реализуется с помощью высококачественных громкоговорителей, устанавливаемых в местах, откуда естественные звуковые отражения приходят слишком поздно. Регулируя запаздывание и уровень звука громкоговорителей по отношению к прямому звуку, можно добиться естественности звучания и правильной локализации основного источника звука (певца, музыканта). С помощью громкоговорителей, установленных на боковых стенах зала, возможна имитация боковых отражений, важных для качественного звучания музыки.
Электроакустическое решение требует сложной, дорогостоящей аппаратуры, очень квалифицированного обслуживания и исключает использование зала для музыкальных программ в условиях естественной акустики. Это решение становится неизбежным в залах вместимостью более 3 тыс. слушателей, когда обеспечение естественной слышимости оркестра связано с трудностями. Характерным примером большого многоцелевого зала, акустика которого решена с помощью зву — котехнических средств, является зал Кремлевского Дворца съездов, вмещающий 6 тыс. зрителей.
Второй подход к акустическому решению крупных многоцелевых залов основан на использовании средств архитектурной акустики. Эти средства включают переменное звукопоглощение, а также трансформации звукоот — ражающих поверхностей и объема зала. Переменное звукопоглощение служит для регулирования времени реверберации зала. Объем и отделку зала выбирают таким образом, чтобы
Обеспечить в нем время реверберации, рекомендуемое для исполнения симфонической музыки. Уменьшения гулкости добиваются путем внесения в ре — верберирующее пространство зала эффективного широкополосного звуко — поглотителя.
Возможные изменения частотной характеристики времени реверберации, возникающие при внесении в зал звукопоглотителя, не играют большой роли для речевых программ, кинопоказа и мероприятий со звукоусилением. При тщательном подборе и проверке звукопоглотителя эти изменения могут быть заранее учтены, и переменное звукопоглощение в известных пределах можно использовать для регулирования времени реверберации при различных видах музыкальных исполнений.
Обеспечение достаточно большой разницы в реверберации (0,6—0,7 с) зависит от количества звукопоглотителя, характеристик используемого материала и способа его размещения на поверхности зала. Чаще всего используют способ, когда слой пористого звукопоглотителя, располагающийся обычно в верхних частях боковых стен (см. рис. 9.18), прикрывается поворачивающимися звукоотражающими панелями типа жалюзи (рис. 9.48). Поворот панели закрывает или открывает поверхность звукопоглотителя. Иногда одна сторона панели делается звукопоглощающей, а другая — звукоотра- жающей (рис. 9.49). При повороте панелей на 180° звукопоглощение в зале меняется.
Глава 9. Акустика залов 413
Эти способы, однако, имеют существенный недостаток. Из-за неизбежных щелей между панелями эффективность переменного поглощения, особенно в области низких частот, сильно снижается. Для уменьшения влияния щелей панели должны быть больших размеров. Более удачным решением является полное удаление звукопоглотителя из реверберирующего
414 Часть ///. Архитектурная акустика
Рис. 9.48. Прикрытие звука- поглотителя (1) поворачивающимися панелями
АААЛААААААААЛАААААААААААААЛЛАЛДД
1
\
Пространства зала. Это может быть осуществлено в виде механических систем раздвижных, подъемно-опускных или наматываемых на катушку штор (рис. 9.50). Шторы должны убираться в короба или шкафы, а щель, через которую они пападают в зал, должна хорошо закрываться. Для того чтобы обеспечить достаточное поглощение в области низких частот, не следует оставлять зазор между краями смежных штор.
Рис. 9.49. Поворачивающиеся панели со звукопогло
Щающей отделкой одной стороны
1 — звукопоглотитель
Масса ткани для штор должна быть не менее 1 кг/м2, а сопротивление продуванию должно находиться в пределах от 1 до 3 р с. Кроме того, ткань следует располагать на определенном расстоянии от стены (не менее 200 мм). Из эстетических соображений ткань обычно приходится прикрывать декоративной решеткой, которую необходимо делать достаточно редкой и нерегулярной. Ткань для переменного звукопоглощения должна также обладать достаточной механической прочностью, не давать вредной в санитарно-гигиеническом отношении пыли, быть огнестойкой и не поражаться молью. Шерстяные ткани типа технического сукна менее желательны, так как требуют комбинированной пропитки — защиты от возгорания и моли. Успешнее могут быть использованы льняные ткани. Наиболее подходящими поверхностями для размещения переменного звукопоглотителя являются верхние части стен зала.
Задача трансформации отражающих поверхностей заключается в обеспечении слушательских мест (особенно передней зоны) интенсивными малоза — паздывающими отражениями, необходимыми для звуковых программ, проходящих в условиях естественной акустики. Обычно эта задача решается путем трансформации примыкающих к сцене поверхностей потолка и стен, т. е. путем уменьшения в требуемых случаях высоты и ширины зала в его передней части. Чаще всего предлагается вариант устройства подъемно-опускного участка потолка (звукоотража — теля) над авансценой (рис. 9.51).
Снижение звукоотражателя, призванное уменьшить запаздывание отражений, оказывается полезным и с точки зрения расположения громкого-
Глава 9. Акустика залов 415
Рис¦ 9.50. Звукопоглощение иггоры
7
А — наматываемые на катушку; б — раздвижные; 1 — нама тывающаяся штора; 2 — декоративная решетка; 3 — раздвижная штора
Ворителей системы звукоусиления. При более низком расположении громкоговорителей, опускаемых вместе со звукоотражателем, обеспечивается лучшая локализация первичного источника звука, а микрофон лучше экранируется от прямого звука громкоговорителей.
Несмотря на акустическую эффективность, трансформации отражающих поверхностей в парадной, зрительской части зала осуществляются довольно редко. Гораздо более распространенным вариантом является устройство оркестровой раковины, которая монтируется на сцене зала из отдельных элементов, имеющих достаточные жесткость и массу. Желательно, чтобы поверхностная масса этих элементов составляла 20 кг/м2; в любом случае она должна быть не менее 10 кг/м2 (чаще всего элементы раковины изготовляются из дерева с соответствующей огнезащитной пропиткой). При выборе размеров и формы оркестровой раковины следует использовать рекомендации, касающиеся проектирования эстрады концертного зала (см. рис. 9.43). Устройство раковины позволяет в определенной мере решить вопрос уменьшения запаздывания первых отражений, обеспечить слушателей дополнительными (в частности, боковыми) отражениями и улучшить акустические условия для исполнителей.
Потолка в передней час — вариант концертного зала;
Ти зала / _ опускаемая часть потол
6)
Рис. 9-51. Трансформация а — вариант кинозала; 6 —
Ка
Рис. 9.52. Трансформация 1 — трансформируемая ра —
Объема шла ковина; 2 — опускаемая
Часть потолка
Если добиться минимального числа щелей между элементами раковины, то наряду с полезными отражениями можно, как показывает опыт, увеличить время реверберации зала в области средних частот примерно на 0,2 с. Элементы раковины со стороны, обращенной к сцене, целесообразно отделать звукопоглотителем с тем, чтобы в разобранном состоянии раковина увеличивала звукопоглощение на сцене. Увеличение звукопоглощения в пространстве сцены весьма полезно для кинопоказа и мероприятий со звукоусилением.
При переходе от одного вида использования зала к другому (например, от симфонического концерта к оперному спектаклю и наоборот) может быть также использована трансформация объема. Такая трансформация обычно сопровождается изменением вместимости помещения и удаления слушателей от сцены. Уменьшение объема наиболее просто осуществляется путем отгораживания дальней части зала разборной перегородкой. Иногда для уменьшения объема отделяется верхний балкон с помощью опускающейся части потолка (рис. 9.52).
416 Часть 111. Архитектур ноя акустика
Залы кинотеатров. Особенностью кинозала является отсутствие первичного источника звука. Зрители воспринимают заранее записанный звуковой сигнал, воспроизводимый в зале с помощью заэкранных громкоговорителей и громкоговорителей эффектов.
При этом запись осуществляется с таким расчетом, чтобы характер звучания соответствовал изображаемой на экране обстановке (гулкое звучание в большом помещении, "сухое" — в открытом пространстве или маленькой комнате). Так как этот характер не должен меняться при воспроизведении записи, то в залах кинотеатров обычно стремятся обеспечить сравнительно небольшое время реверберации.
Как показывает опыт, приемлемое для кинозалов время реверберации практически соответствует рекомендуемому для речи (см. рис. 9.17). Частотная характеристика времени реверберации может быть ровной или с некоторым подъемом в сторону низких частот. Возрастание времени реверберации на частоте 125 Гц не должно превышать 20% (по сравнению со временем реверберации на частоте 500 Гц). Для кинозала при рекомендуемом объеме на одно место (4— 6 м3) и наличии мягких кресел с тканевой обивкой спинки и сиденья значения времени реверберации, соответствующие кривой на рис. 9.17, могут быть обеспечены без значительной звукопоглощающей отделки интерьера. При наличии в зале жестких кресел количество специальной звукопоглощающей отделки существенно возрастет.
При размещении требуемого количества звукопоглотителя на поверхностях кинозала не следует располагать звукопоглотитель на участках потолка и стен, дающих малозапаздывающие отражения, особенно к зрителям центральных и задних мест (рис. 9.53). Отражения от этих участков позволяют компенсировать уменьшение уровня прямого звука, связанное с удалением от заэкранных громкоговорителей. При полной звукопоглощающей отделке указанных участков для обеспечения достаточной громкости в последних рядах приходится увеличивать усиление, в результате чего громкость
Глава 9. Акустика залов 417
Рис. 9.55. Размещение зву- ренних поверхностях зала копоглотителя (1) на внут — кинотеатра
В передних рядах оказывается чрезмерной. Как уже отмечалось, при стационарном экране требуется звукопор — лощающая отделка стены за экраном.
Спортивные залы. Создание комфортных акустических условий в спортивных залах означает прежде всего обеспечение достаточной разборчивости речи и снижения уровня шума, возникающего при проведении различных спортивных мероприятий. Следует отметить, что снижение уровня шума помимо улучшения акустических условий для спортсменов и зрителей способствует повышению разборчивости речи. В залах, предназначенных для проведения соревнований в присутствии зрителей и для видов спорта, требующих музыкального сопровождения, необходимо также обеспечить хорошее звучание музыки.
Спортивные залы, сооруженные без учета акустических требований, имеют, как правило, слишком большое время реверберации, снижающее разборчивость речи, повышающее уровень шума и ухудшающее звучание музыки. Поэтому основная задача акустического решения спортивного зала — уменьшение времени реверберации до значений, соответствующих рекомендуемым для многоцелевых залов (см. рис. 9.17). Кроме того, в больших спортивных залах часто возникает необходимость подавления поздних звуковых отражений, вызывающих эхо или порхающее эхо.
Снижение времени реверберации и ослабление поздних отражений является также необходимым условием хорошей работы системы озвучения, особенно если предусмотрено использование микрофонов. Система озвучения обычно устраивается в тех случаях, когда требуется передача речевой информации или музыкальное сопровождение спортивных мероприятий. В спортивных залах, имеющих места для зрителей, практически всегда необходима система озвучения.
Размеры спортивного зала выбираются в соответствии с технологическими требованиями, зависисящими от вида спорта. Увеличение размеров сверх технологической необходимости крайне нежелательно, так как ведет к росту времени реверберации и запаздывания отраженного звука. Если размеры зала, а следовательно и его воздушный объем соответствуют технологическим требованиям, то основным средством снижения времени реверберации служит звукопоглощающая отделка внутренних поверхностей. При выборе звукопоглощающей отделки, необходимой для снижения времени реверберации в спортивных залах, часто возникают трудности. Первая из них связана с тем, что расчет времени реверберации, на основе которого выбирается звукопоглощающая отделка в несоразмерных (плоских и длинных) залах, является лишь ориентировочным. Вторая трудность заключается в том, что при вертикальных отражающих стенах звукопоглощающая отделка потолка не приводит к ожидаемому (расчетному) снижению времени реверберации.
В спортивных залах с вертикальными отражающими стенами звуко — поглотитель следует равномерно распределять по внутренним поверхностям. Если звукопоглотитель располагается только на потолке (наиболее распространенный вариант), то для повышения его эффективности можно
А — наклон стен к потолку; б — членение стен; 1 — зву — копоглотитель
Рекомендовать наклон вертикальных стен к звукопоглощающему потолку или их расчленение (рис. 9.54). При наклоне всех стен к потолку скос должен составлять 3—4°, а при наклоне только двух смежных стен — 6—8°. В случае расчленения вертикальных стен следует использовать систему горизонтальных членений, обеспечивающих рассеянное отражение звука в достаточно широком диапазоне частот. Вертикальные членения эффекта не дают. Наклон стен к звукопоглощающему потолку может комбинироваться с их расчленением и звукопоглощающей отделкой. Решение в каждом конкретном случае выбирается с учетом архитектурных и конструктивных особенностей зала.
Б)_______________________________________ /__________________________________
Рис. 9.54. Разрез спорггив — ного зала
При выборе типа звукопоглотителя для отделки спортивного зала, учитывая широкополосный характер шума, следует отдавать предпочтение материалам и конструкциям, имеющим коэффициент звукопоглощения 0,6 в диапазоне частот 125—4000 Гц. Если свободных внутренних поверхностей зала не хватает для размещения требуемой по расчету звукопоглощающей облицовки, го следует применять зву — копоглотители кулисного типа (см. табл. 111.16 Приложения).
Звукопоглотители кулисного типа обеспечивают большее звукопоглощение, чем плоские облицовки, занимающие такую же площадь внутренней поверхности зала. Как звукопоглощающие облицовки, так и кулисные звукопоглотители при необходимости следует защищать от механического повреждения дополнительным экраном в виде металлической сетки или декоративной решетки из любого материала, обладающего достаточной прочностью. Желательно, чтобы коэффициент перфорации декоративной решетки был не менее 0,7. В бассейнах пористый звукопоглотитель следует обертывать в пленку толщиной не более 30 мкм.
В больших спортивных залах нередко возникает необходимость ослабления эха или порхающего эха. Эти неблагоприятные акустические эффекты особенно характерны для спортивных залов, которые большей частью имеют параллельные стены, значительную длину, а также вогнутые поверхности, расположенные напротив плоских поверхностей (потолок и пол). Средства ослабления эха и порхающего эха рассмотрены в п. 9.3. Следует отметить, что мероприятия, направленные на повышение эффективности звукопоглощающего потолка, полезны и для ослабления эффектов эха и порхающего эха.
9.7. Моделирование
Акустики залов
Применение техники моделирования для проектирования акустики залов имеет довольно длительную историю. Первыми стали использоваться водяные и оптические модели. Водяные модели дают только двухмерную картину распространения звука, причем в силу дисперсии волн на поверхности жидкости эта картина получается размытой. Оптические модели применимы только для исследования
Глава 9. Акустика залов 419
Стационарных звуковых процессов, причем на очень высоких частотах. В акустике залов, как известно, основное значение имеют переходные процессы. В настоящее время оба типа моделей практически не используются.
Послевоенное развитие архитектурной акустики характеризуется широким внедрением методов исследования звуковых воздушных колебаний в уменьшенных (масштабных) моделях залов. Особенно эффективным оказалось масштабное моделирование при решении практических задач акустики залов. В последние годы интенсивно используется электроакустическое моделирование звуковых процессов в заглушённых камерах, а также моделирование акустики залов на ЭВМ.
Масштабное моделирование. Для того чтобы получить в масштабной модели близкую к реальной картину поведения звука, необходимо соблюсти условия подобия звуковых колебаний в зале и его модели. Если выполнена геометрически точная модель зала в линейном масштабе щ (например, л/ = — 1/20), то в этой модели подобие должно осуществляться на частоте /м = Fop/ni. Обеспечение подобия при масштабном моделировании связано с двумя трудностями. Первая из них обусловлена граничными условиями, а вторая — поглощением звука в воздухе. Полное подобие граничных условий означает равенство импедансов поверхностей зала и его модели. Так как на практике этого добиться чрезвычайно трудно, то обычно ограничиваются равенством реверберационных коэффициентов звукопоглощения поверхностей модели и оригинала на соответствующих частотах /м = /ор/я/.
Подобие поглощения звука в воздухе при заданной температуре и влажности соблюдается в том случае, если показатели затухания тор в зале на частоте /ор и тм в модели на^ соответствующей частоте /М = /ор/я/ будут связаны соотношением тм =
= торя/. Для этого требуется, чтобы показатель затухания звука в воздухе Т был прямо пропорционален частоте. В действительности показатель затухания растет при увеличении частоты гораздо быстрее.
При модельных измерениях в переходном режиме (импульсные измерения, измерения времени реверберации) влияние поглощения звука можно исключить путем расчетной коррекции или с помощью специального компенсирующего усилителя в приемном тракте. В случае стационарных и натуральных сигналов влияние поглощения можно только уменьшить, используя для этого почти полное высушивание воздуха в модели или повышение его относительной влажности почти до 100%. Этой же цели можно достичь путем замены воздуха в модели другим газом с меньшим показателем затухания.
Несмотря на отмеченные трудности с соблюдением подобия звуковые процессы в масштабной модели достаточно хорошо соответствуют звуковым процессам, проходящим в моделируемом зале. При использовании масштабного моделирования приходится решать три взаимосвязанные задачи: выбор масштаба модели, подбор материалов для нее и определение комплекса акустических исследований, которые будут проводиться в модели.
В практике моделирования применяются масштабы моделей от 1/8 до 1/40. Выбор масштаба моделирования зависит от задач исследований и размеров моделируемого зала. Масштабы 1/30—1/40 применяют в тех случаях, когда требуется получить качественное представление о структуре звуковых отражений в ограниченном сверху диапазоне частот.
Масштабы 1/8—1/10 используются при необходимости детального исследования звуковых процессов в широком диапазоне частот, а также при проведении субъективной оценки акустического качества залов. При работе с моделями масштаба 1/8—1/10 наряду с импульсными обязательно используются стационарные и натуральные сигналы. В связи с этим приходится осуществлять мероприятия по ослаблению поглощения звука в воздухе, которые требуют специального оборудования и герметизации моделей. Для проведения самих исследований (особенно субъективной оценки) необходима уникальная акустическая аппаратура. Все это делает моделирование в масштабе 1/8—1/10 чрезвычайно сложной и дорогостоящей процедурой.
Разумным компромиссом, как показала практика, является масштаб щ « 1/20. Модель в таком масштабе позволяет на основе импульсных измерений проводить количественную объективную оценку акустического качества залов. Применение импульсных сигналов, как было отмечено, дает возможность исключить влияние поглощения звука в воздухе. Модель зала в масштабе щ — 1/20 получается сравнительно небольшой, достаточно простой и дешевой. Так как верхним пределом модельного диапазона частот считают 100 кГц, при таком масштабе в натуре будут охвачены частоты до 5 кГц. Детали интерьера размером менее 5 см будут сказываться на частотах выше 5 кГц и поэтому в модели не воспроизводятся.
Основным условием подбора материалов при масштабном моделировании является, как указывалось, подобие коэффициентов звукопоглощения соответствующих поверхностей помещения-оригинала и модели. С точки зрения подбора материалов внутренние поверхности любого зала следует разделить на три группы: звукоотра- жающие поверхности, поверхности со звукопоглощающей облицовкой и поверхность слушательских мест.
420 Часть ///. Архитектурная акустика
К первой группе относятся оштукатуренные поверхности (по твердому основанию или металлической сетке),
Поверхности, выполненные из массивного дерева, бетона, естественного камня, облицовочного кирпича, гипсовых неперфорированных плит, керамики и т. п. Коэффициенты поглощения таких поверхностей в диапазоне 100—5000 Гц составляют 0,02—0,06. Получить такие же коэффициенты в частотном диапазоне модели принципиально невозможно. Дело в том, что каждая твердая поверхность обеспечивает некоторое минимальное звукопоглощение, возрастающее с частотой,
*мин — 1,8 10(9.26)
Коэффициенты ниже мин в модели получить уже нельзя. Для имитации звукоотражающих поверхностей обычно используют лакированный гипс, оргстекло, стекло и полистирол. Коэффициенты звукопоглощения этих материалов мало отличаются друг от друга и близки к <ХМИн. Таким образом, имитируя звукоотражающие поверхности помещения-оригинала, приходится принимать существенно большие коэффициенты звукопоглощения. Так, поверхность, выполненная к штукатурки и окрашенная масляш краской, обеспечивает сС = 0,02 на частоте 2000 Гц. Выполнив эту поверхность в модели из оргстекла, получим на соответствующей частоте 40 кГц (щ = 1/20) об « 0,04, т. е. в 2 раза больше. Следует, однако, отметить, что на результаты акустических измерений в модели такая разница не оказывает значительного влияния вследствие малых абсолютных значений коэффициентов звукопоглощения.
При имитации поверхностей второй группы такая разница в коэффициентах звукопоглощения совершенно недопустима, так как приводит к очень большим ошибкам в результатах модельных акустических измерений. Поэтому при подборе звукопоглощающих материалов для внутренних поверхностей модели необходимо стре-
Глава 9. Акустика залов 421
Миться к тому, чтобы коэффициенты звукопоглощения эффективных модельных поглотителей не отличались от натурных более чем на 10%. Подбор, как правило, осуществляют с использованием обычных материалов (ткани, пленки, войлок, вата, поролон и т. п.). Из этих материалов на основе измерения коэффициента звукопоглощения ос в модели реверберацион — ной камеры выбирают те, которые обеспечивают требуемое значение и частотную зависимость ot. На рис. 9.55 и 9.56 в качестве примера приведены частотные характеристики двух материалов, используемых при моделировании.
Для имитации поверхности слушательских мест в моделях масштаба щ = 1/20 удачным оказалось применение слоя ваты толщиной около 10 мм. Частотная характеристика такого слоя показана на рис. 9.57 (кривая /). Здесь же дана частотная характеристика сС площади занятых слушательских мест плотностью 0,6 м2 на место (кривая 2). Видно очень хорошее совпадение обеих характеристик.
Как уже отмечалось, модели в масштабе щ = 1/20 применяются для объективной оценки акустического качества залов. Основу этой оценки составляют импульсные модельные измерения, блок-схема которых практически не отличается от блок-схемы натурных импульсных измерений (см. рис. 9.9). Разница заключается только в типах источника и приемника звука. При измерениях в модели используются специальный (модельный) искровой разрядник и измерительный микрофон малого диаметра (1/4 или 1/8 дюйма).
Наиболее часто в ходе модельных импульсных измерений проводится визуальный анализ импульсных осциллограмм Pit). Эти осциллограммы, снимаемые (как и в натуре) в логарифмическом масштабе, особенно
0,8 0,6 0,М
20
5 10
40
Слоя поролона толщиной 3 мм
5 70
20
40
Слоя поролона тол щиной 12 мм, ?юкрытого пленкой толщиной 50 мкм
0,2 О
125 2,5
Рис. 9.55. Частотная характеристика коэффициента звукогюглощения оС
7,25 2,5
Рис. 9.56. Частотная характеристика коэффициента звукопоглощения оС
Ifiu t НАТУРА)
1000
500
250
Ос
0,75
0.5
0.25
70
10
2000 mo
2 |
|||
Ч |
|||
1 |
ЬО 80
Рис. 9.57. Частотные характеристики коэффициентов звчкоюглощения ОС
Ft кГц (МОДЕЛЬ)
Занятых слушательских мест и слоя ваты (nl = 1/20)
422 Часть III. Архитектурная акустика
Рис; 9.58. Осциллограммы, снлтыг в Универсальном зале в Гаване
Дб
-10
-20
А — модель; б — натура
Ог-
-10
-20 х-
100
150
50
0
\____ I
200 м С
Удобны для модельных измерений. Закрывая те или иные поверхности модели звукопоглотителями, можно выяснить, какие именно поверхности дают сильно запаздывающие отражения, вызывают концентрацию отраженного звука или другие дефекты структуры отражений. Изменив очертания какой — либо поверхности модели или внеся в модель новую отражающую поверхность, можно оперативно оценить достигаемый эффект.
Как показывает опыт импульсных измерений, между осциллограммами, снятыми при одинаковых условиях в натуре и в модели, имеется вполне хорошее соответствие. В виде примера на рис. 9.58 приведены две осциллограммы, полученные в зале и его масштабной модели. В модели, как и в зале, можно также получить энергетические критерии акустического качества на основе функции (9.1). При измерениях времени реверберации в приемный тракт вводится фильтр.
Электроакустическое моделирование. Этот способ моделирования звуковых процессов является в основном инструментом субъективных акустических исследований. Для проведения таких исследований создается многоканальная электроакустическая установка, громкоговорители которой располагаются в заглушённой камере вокруг места прослушивания. Установка позволяет создавать различные звуковые поля и оперативно менять их параметры. С помощью установки можно воссоздавать акустические условия закрытого помещения, имитируя прямой звук, звуковые отражения и реверберацию. При этом имеется возможность изменения уровня, спектра и направления прихода прямого и отраженного звуков, а также изменения уровня, продолжительности и частотной характеристики реверберации. Испытуемый, располагающийся в заглушённой камере на месте прослушивания, оценивает предлагаемые ему различные звуковые картины.
Глава 9. Акустика залов 423
‘ШШШШ
Блок-схема установки электроакустического моделирования, разработанной и осуществленной в НИИСФ, показана на рис. 9.59. Установка такого рода является пока единственной в стране. Сигнал (сухая запись речи или музыки) поступает на коммутационный щит непосредственно или через линию задержки, имеющую на выходе шесть каналов, в каждом из которых время задержки может быть установлено в пределах от 1,6 до 300 мс. Далее сигналы идут на пульт усиления и частотной коррекции, причем сигнал, имитирующий реверберацию, предварительно проходит через листовой ревербератор, который обеспечивает изменение времени реверберации на частоте 500 Гц от 1 до 4 с. На пульте осуществляются усиление, частотная коррекция и слуховой контроль сигнала в отдельных каналах.
ПУЧК — пульт усиления и частотной коррекции; Г — громкоговоритель; ПУ — переговорное устройство; ИМ — измерительный микрофон; Л/У — микрофонный усилитель; ПФ — полосовой фильтр; ЗО — запоминающий осциллограф
Рис. 9.59. Блок-схема уста~ моек и электроакустического моделирования
А/ — магнитофон; ЦЛЗ — цифровая линия задержки; ГШ — генератор шума; МКЩ — матричный комму тационный щит; ЛР — листовой ревербератор;
С пульта сигналы подаются на громкоговорители, расположенные в заглушённой камере вокруг испытуемого. Громкоговоритель Г\ имирирует прямой звук, громкоговорители Г2 и Г& имитируют отражения от боковых стен, громкоговоритель — отражение от задней стены, а громкоговоритель Гд — отражение от потолка. Громкоговорители Гз, А, Гв и /7 воссоздают реверберирующий звук. В любой канал установки можно подавать и подмешивать шумовой сигнал с генератора шума. Предусмотрена также возможность переговоров испытуемого с оператором. Контроль сигнала в точке прослушивания осуществляется с помощью специального контрольно-измерительного тракта.
424 Часть III. Архитектурная акустика
С использованием электроакустического моделирования у нас в стране и за рубежом решен ряд важных задач, связанных с влиянием параметров звукового поля на восприятие звуковых сигналов, в первую очередь натуральных. Следует отметить, что электроакустическое моделирование в комбинации с масштабным позволяет проводить субъективную оценку акустического качества проектируемого зала. В модели зала, выполненной в масштабе п[ — 1/20, проводятся импульсные измерения, в результате которых в различных точках модели определяются уровни, запаздывание и направление прихода наиболее интенсивных отражений, а также время реверберации зала. Затем с помощью электроакустической установки для каждой точки импульсных измерений формируется звуковая картина, соответствующая значениям указанных параметров. Эта картина предъявляется слушателям для оценки.
Математическое моделирование. Моделирование акустики залов на ЭВМ основано на принципах геометрической оптики, в соответствии с которыми распространение звука рассматривается как движение звуковых лучей (см. п. 9.3). Это, естественно, накладывает определенные ограничения на практическое применение математического моделирования. Существуют два основных метода моделирования: прослеживания звуковых лучей и мнимых источников. Программы расчета по обоим методам включают математическое описание зала, источника и приемной поверхности, расчет движения звуковых лучей и расчет акустических характеристик зала.
При использовании метода прослеживания звуковых лучей зал формируется из плоских ограждающих поверхностей. В память ЭВМ вводятся размеры, расположение и коэффициенты звукоотражения этих поверхностей. Источник звука принимается точечным в пространстве и импульсным во времени. При этом непрерывный фронт излучения звука заменяется четным числом звуковых лучей, равномерно распределенных по сферической поверхности, окружающей источник. Эта поверхность разбивается на одинаковые участки, число которых соответствует числу звуковых лучей. Каждому из лучей приписывается доля энергии излучения, пропорциональная площади участка. Путь каждого луча обычно прослеживается до его пересечения с приемной поверхностью (поверхностью слушательских мест).
При пересечении луча и приемной поверхности фиксируются координаты точки пересечения, направление и время прихода луча, его энергетический вес, длина пройденного пути, число отражений, а также начальное направление луча источника. В результате могут быть рассчитаны ход и время реверберации, а также получены упрощенные картины импульсных откликов зала и различные критерии акустического качества.
Метод мнимых источников используется для исследования залов прямоугольной формы с плоскими и гладкими внутренними поверхностями. Источник звука также принимается точечным в пространстве и импульсным во времени. В данном случае не требуется дискретизации источника (замена непрерывного фронта излучения отдельными лучами), так как строится пространственная решетка мнимых источников. Процесс моделирования движения звуковых лучей сводится к соединению прямыми линиями приемника звука и мнимых источников. Это позволяет достаточно просто определить плотность звуковой энергии и запаздывание звука, соответствующие каждому лучу, соединяющему мнимый источник и точку приема. По этим данным строится импульсный отклик зала и рассчитываются акустические критерии.
9.8. Системы озвучения
Залов
Система озвучения зала представляет собой совокупность электроакустических и усилительных устройств, предназначенных для воспроизведения и усиления звукового сигнала. Системы озвучения делятся на системы звуковоспроизведения и системы звукоусиления. Последние отличаются от систем воспроизведения наличием микрофонов, располагающихся обычно на сцене или на эстраде. Звукоусиление применяется в тех случаях, когда мощность первичного источника (оратора, певца, музыканта) недостаточна для создания необходимого уровня звукового сигнала на площади слушательских мест. Для обычных речевых программ (речь оратора) звукоусиление требуется уже при объеме более 2000 м3. При высоких уровнях шума и переглушенности зала звукоусиление может потребоваться и при меньших объемах.
В настоящее время системами звукоусиления оборудуются практически все зрительные залы как целевого, так и многоцелевого назначения. В залах, эксплуатируемых в основном в режиме естественной акустики (залы драматических и оперных театров, концертные залы), системы звукоусиления используются при проведении собраний, конференций, эстрадных концертов, а также для создания различных звуковых эффектов.
Требования к системам озвучения. Система озвучения должна прежде всего обеспечивать необходимый уровень звука на площади слушательских мест. Максимальный уровень, который должна создавать система, определяется из условия естественности звучания первичного источника звука. Для музыкальных программ такой уровень составляет 90—94 дБ, что соответствует уровню звука симфонического оркестра в центральной зоне зала. Для речевых программ максимальный уровень должен составлять 80— 86 дБ. Такой уровень обеспечивает оратор на расстоянии 1 —1,5 м. Наряду с необходимым уровнем звука система озвучения должна обеспечивать и достаточно равномерное его распределение по площади слушательских мест. Разница между максимальным и минимальным уровнями, создаваемыми системой на площади мест, не должна превышать 6 дБ для музыки и 8 дБ для речи. В случае речевых программ должна быть также обеспечена соответствующая разборчивость речи.
Расположение громкоговорителей в зале не должно приводить к появлению заметного или мешающего эха. Этот эффект может возникнуть, если звук ближайшего к слушателю громкоговорителя приходит значительно раньше звука первичного источника или другого громкоговорителя. Для оценки опасности эхообразования, как и в случае естественной акустики, можно пользоваться пороговыми кривыми, приведенными на рис. 9.14. Эффект эха в системах озвучения устраняется (при неизменном расположении громкоговорителей) с помощью задержки электрического сигнала, поступающего на ближайший к слушателю громкоговоритель или группу громкоговорителей.
Глава 9. Акустика залов 425
С расположением громкоговорителей связано и требование правильной локализации первичного источника звука. Нарушение локализации часто встречается в широких залах при расположении громкоговорителей по бокам сцены или на боковых стенах. Способом ослабления этого эффекта является устройство дополнительной группы громкоговорителей, расположенной над первичным источником. Такую группу обычно называют верхним звуковым порталом. Уровень звука, создаваемый верхним порталом, должен быть преобладающим.
426 Часть III. Архитектурная акустика
Рис. 9.60. Оптимальная форма частотной характеристики зеукопередачи е зале с системой озвучения
83
725
250
500
1000
2000
ШО 8000
Частота, г*
И, наконец, очень важное требование, которому должна удовлетворять система озвучения, — отсутствие тембровых искажений. При проверке выполнения этого требования на вход системы подаются электрические сигналы постоянного уровня, но различной частоты. Это могут быть синусоидальный сигнал с плавно меняющейся частотой или третьоктавные полосы "розового" шума. Изменения уровня звукового сигнала, принятого в различных точках зала, не должны выходить за пределы области, показанной на
Рис. 9.60.
Типы систем озвучения. В зависимости от расположения громкоговорителей по отношению к озвучиваемой площади системы озвучения подразделяются на сосредоточенные (централизованные), зональные и распределенные.
Громкоговорители сосредоточенных систем располагаются в пределах ограниченного пространства на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. В зрительных залах громкоговорители сосредоточенной системы размещаются обычно над верхним порталом и по его бокам (рис. 9.61). Если
Слушательские места охватывают об — *
Ласть расположения первичного источника звука, то громкоговорители могут быть сгруппированы в звуковую люстру (рис. 9.62). Сосредоточенная система обеспечивает хорошую локализацию источника и используется при стереофоническом озвучении залов.
Однако сосредоточенные системы не всегда позволяют обеспечить требуемую неравномерность звукового поля.
Зональные системы чаще всего используются в комбинации с сосредоточенными для "подзвучки" определенных зон зала. Это позволяет обеспечить требуемые уровень и неравномерность на всей площади слушательских мест. Зонами подзвучки обычно явля-
Рис. 9.61. Сосредоточенная система расположения громкоговорителей (продольный разрез и план)
Глава 9. Акустика залов 427
Ются передние ряды партера, а также места на балконах и под балконами (рис. 9.63). Группа громкоговорителей, размещаемых в барьере сцены, помимо повышения уровня звука улучшает для передней зоны мест партера локализацию первичного источника звука. Зональные группы громкоговорителей на боковых стенах залов используются для создания объемного звучания (повышения пространственного впечатления). Электрические сигналы поступают на громкоговорители зональных систем, как правило, через линии задержки.
Распределенные системы озвучения устраиваются обычно в залах значительной длины или малой высоты. В первом случае громкоговорители располагаются в виде цепочек (рис. 9.64), а во втором — в узлах регулярной сетки, на которую разбивается поверхность потолка (рис. 9.65). Шаг цепочки громкоговорителей должен выбираться с таким расчетом, чтобы запаздывание сигналов соседних громкоговорителей не вызывало эха. К распределенным системам следует отнести и кресельную систему, используемую в основном для усиления речевых программ. При кресельной системе небольшой громкоговоритель размещается в спинке каждого кресла, обеспечивая прямым звуком сидящего позади слушателя.
Рис. 9.62. Расположение громкоговорителей в виде люстры
Рис. 9.64. Распределенная система расположения громкоговорителей в длин
Ном зале (продольный разрез и план)
Рис. 9.65. Распределенная система расположения громкоговорителей в широ
Ком зале с низким пагоп ком (продольный разр*’з и план)
В практике проектирования и строительства крупных многоцелевых за-
Рис. 9.63. Комбинация сосредоточенной и зональной систем расположения громкоговорителей 1 — централизованная группа; 2 — группа подзвучки передних рядов; 3 — группа подзвучки мест балкона; 4 — группа подзвучки про странства под балконом
428 Часть III. Архитектурная акустика
Рис. Я66. Мероприятия по ослаблению акустической обратной связи
1 — членение или звукопоглощающая отделка; 2 — членение
Лов в настоящее время используется комбинация разных систем, включающая централизованную группу громкоговорителей, зональные группы,
Громкоговорители эффектов, кресель-
»
Ные громкоговорители и громкоговорители искусственной реверберации (ам — биофонии).
Акустические мероприятия в залах с системами звукоусиления. При работе в зале системы звукоусиления помимо звука первичного источника на микрофон воздействуют прямой звук громкоговорителя и звуковые отражения от поверхностей (рис. 9.66). В результате возникает так называемая акустическая обратная связь, которая может привести к нарушению нормального режима работы системы звукоусиления. Для того чтобы обеспечить надежность работы системы, при акустическом проектировании зала необходимо предусмотреть ряд дополнительных мероприятий.
Прежде всего не следует завышать время реверберации по сравнению с оптимальным. Громкоговорители централизованной группы должны размещаться таким образом, чтобы прямой звук от них не попадал в зону расположения микрофонов. Средний коэффициент звукопоглощения поверхностей зала, примыкающих к местам расположения микрофонов, должен быть не ниже (целесообразно несколько выше), чем в целом по залу. Это условие выполняется в залах с выделенным сценическим объемом, в котором практически всегда имеются занавесы, кулисы и декорации. В залах, где зрительская часть и сцена решены в виде единого объема, целесообразно предусмотреть звукопоглощающую отделку или расчленение примыкающих к сцене поверхностей стен и потолка (см. рис. 9.66), которые не должны быть вогнутыми. Если зал используется для концертных исполнений в естественном звучании, то звукопоглощение в сценической части необходимо делать переменным (см. п. 9.6).
Для повышения надежности работы системы звукоусиления весьма полезно ослабить приходящие на сцену отражения от задней стены зала или от угла между задней стеной и потолком. Ослабить такие отражения можно с помощью приемов, показанных на рис. 9.26, или путем расчленения задней стены (см. рис. 9.66). При разработке архитектурно-акустического решения зала, особенно околосценического пространства, необходимо предусмотреть места для расположения громкоговорителей. Декоративные решетки, прикрывающие отверстия для громкоговорителей, должны иметь перфорацию не менее 70%. Наибольший размер поперечного сечения стержней решетки не должен превышать 1 см.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Градостроительные меры борьбы с шумом / Г. Л. Осипов, В. Г. Прутков, И. А. Шишкин, И. Л. Карагодина. — М.: Стройиздат, 1975. — 214с.
2. Защита от шума в градостроительстве / ГЛ. Осипов, В. Е. Коробков, А. Д. Климухин и др. / Под ред. Г. Л. Осипова. — М.: Стройиздат, 1993. — 96 с. — (Справ, проектировщика).
3. Ковригин С. Д., Крышов С. П. Архитектурно-строительная акустика. — М.: Высшая школа, 1986.— 255 с.
4. Макриненко Л. И. Акустика помещений общественных зданий. — М.: Стройиздат, 1986. — 176 с.
5. Снижение шума в зданиях и жилых районах / Под ред. Г. Л. Осипова и Е. Я. Юдина. — М.: Стройиздат, 1987. — 558 с.
6. СНиП И-12-77. Глава "Защита от шума".— М.: Стройиздат, 1978. — 49 с.
Глава 9. А куст и ка залов 4 29
7. Справочник по защите от шума и вибраций жилых и общественных зданий / Под ред. В. И. За- борова. — Киев: Буд1вельник, 1984. — 158 с.
М 1:500 1
10 20 зо
» ¦ 1.-х-
ВЫСОТА СТОЯНИЯ СОЛНЦА
22 АПРЕЛЯ — 22 АВГУСТА
700 м
3
Чэ
К
Ья
О *
Я 35 5
Приложение И. 1. Инфляционный график (55° с. ш., 22 апреля — 22 августа), М 1:500 (1:50; 1:5). Здания высотой до 40 м
Приложения 431
432 Приложения
§
W
П р и л о ж е н и е П.2. Графики II для расчета естественного освещения помещений по методу A. M. Данилюка и график III (НИИСФ) для расчета среднего значения КЕО в помещениях с верхним освещением
434 Приложения
Таблица III. la. Коэффициенты звукопоглощения некоторых материалов и конструкций
Материалы и конструкции |
Коэффициент звукопоглощения для частоты, Гц |
||
125 |
250 | 500 | 1000 |
2000 Г4000 |