Расчет акустики

1. Акустический комфорт

Чтобы создать помещение, в котором звучание будет самого высокого качества, нужно использовать приемы, основанные на знании правил архитектурно-строительной акустики, на практическом положительном опыте в этой сфере. Правила эти основаны на изучении законов распространения звуковых волн в закрытом помещении, на законах отражения и поглощения звука различными видами поверхности, поскольку отраженные волны в огромной степени влияют на качество звучания музыки и речи. Также немаловажное значение имеет конкретный выбор материалов, предполагаемых к использованию в каждом конкретном случае.

Акустический комфорт помещения складывается из трех составляющих:

  • высокая разборчивость речевого звучания;
  • минимальный шумовой фон;
  • достаточная степень звукоизоляции.

Задача проектировщиков и строителей вполне конкретная: провести такой расчет акустики, чтобы полезные звуки подчеркивались и акцентировались, а посторонние, нежелательные, устранялись до уровня, не нарушающего комфорт восприятия.

2. Геометрия зала

Для создания зала с хорошим звучанием нужно выполнить несколько обязательных требований. Первое - думать об акустике нужно еще на стадии проектирования, ведь вносить поправки в акустический расчет уже построенного помещения значительно сложнее, чем все необходимое рассчитать заранее. Второе, и, вероятно, самое главное - качество звука в первую очередь зависит от геометрических параметров помещения. Поэтому выбор формы зала является важнейшим этапом для достижения цели – акустического комфорта.

расчет акустики

Рассмотрим наглядно, каковы особенности движения звука любом помещении. От стен волны отражаются зеркально, и при каждом отражении теряют часть энергии, количество которой зависит от степени звукопоглощения конкретного материала. При акустическом расчете также необходимо учитывать, что вогнутые поверхности (куполы, рампы) фокусируют звуковые волны на себе, а выгнутые (волнообразные потолки и т.д.) – звук рассеивают. Многократно отражаясь от преград, звуковые волны постепенно теряют энергию.

3. Реверберация

Этим термином называют постепенное затухание отраженных звуковых волн в помещении. Самые сильные отражения, которые являются первыми, зритель может воспринимать отдельно, они могут быть слышны отчетливо. Последующие отражения, называемые «реверберационным хвостом», уже ощутимо не выделяются, а превращаются в подобие шума. Время реверберации, за которое уровень давления звука понижается на 60 дБ, является наиболее важным акустическим параметром помещения. Численный показатель этого параметра наиболее часто находят при помощи формулы Сэбина, американского физика, основателя изучения архитектурной акустики.

T = 0.1 * 64 * V / A

В этой формуле Т – время реверберации, V – общий объем помещения, А – общее поглощение звука, получаемое из суммы площадей всех поверхностей, умноженных на коэффициент звукопоглощения.

A = a1 * S1 + a2 * S2 + …

ai - коэффициент звукопоглощения

Si - площадь поверхности

Итак, время реверберации – важнейшая характеристика для акустического расчета. Здесь нужно сделать оговорку. Данная формула пригодна только при звуковом поле, называемом диффузным, т.е. при возможных равновероятных направлениях движения звука, которое возможно в квадратных, прямоугольных и тому подобных залах. В помещениях «коридорного» типа у звуковых волн есть ограничения для движения, поэтому расчет акустики там будет иным.

график ревербации зала

График оптимального времени реверберации для залов разного назначения:

  1. органная музыка;
  2. симфоническая музыка;
  3. опера;
  4. многоцелевые помещения;
  5. залы для лекций и заседаний.

4. Резонансные колебания зала

Чем ниже частоты звуковой программы, тем сильнее помещение является резонатором, и процесс реверберации в такой ситуации является процессом затухания собственных частот колебания поверхностей. В прямоугольном помещении собственные частоты можно рассчитать по формуле:

Здесь с – скорость движения звуковых волн, L, B и H – параметры, определяющие габариты зала. Резонансные частоты тем будут ближе одна к другой, чем выше собственная частота. На определенной частоте, называемой критической, многие резонансные нюансы уже не различимы, они сливаются. Правила геометрической акустики начинают работать, когда данная частота превышена.

акустический расчет

5. Пропорции помещения

Для формирования диффузного звукового поля не желательно нарушать следующие пропорции:

  • длина зала не должна превышать его ширину более чем вдвое;
  • ширина может быть больше высоты максимально в два раза;
  • избегать поверхностей большой протяженности, расположенных параллельно (они образовывают очень неприятное для слуха «порхающее эхо»).

Наиболее подходящая форма помещения для комфортной акустики – трапеция.

6. Дополнительный фонд звукопоглощения

При расчете акустики необходимо учитывать, что время реверберации в одном из частотных диапазонов может превышать оптимальное. Как правило, для малых залов оптимальное значение будет равняться 1 секунде, для больших помещений – до 2,32 секунды. Чтобы избежать превышения времени реверберации, вносится дополнительный фонд звукопоглощения. Необходимое количество материала, поглощающего звук, приблизительно вычисляется следующим способом.

Если при расчете по данной формуле: T = 0.1 * 61 * V / A время избыточно, то используют формулу: Sпоглотителя = △A / αпоглотителя

Здесь показатель △A = A опт - A - необходимый фонд звукопоглощения, который необходим для оптимизации времени реверберации.

7. Театральное эхо

Расчет акустики помещения делается не только на основе математических формул. Чтобы избежать такого неприятного явления, как «театральное эхо», необходимо знать, как отражается звук в зависимости от взаимного расположения стен.

расчет театрального эхаотражение звука в зале

Если задняя стена примыкает к потолку под прямым углом, этого вредного явления не избежать. А если этот угол развернуть и превратить в тупой, театральное эхо исчезнет. При проектировании зрительных залов эти нюансы необходимо учитывать.