| Министерство образования и науки Российской Федерации
Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия
Кафедра общественных дисциплин
Курсовая работа
Проектирование естественной акустики зала многоцелевого назначения
Выполнила студентка 311 группы
Перязева Галина
Проверил преподаватель
Ланин В.А.
Новосибирск – 2009
Вводная часть
К многоцелевым относят залы, предназначенные как для речевых, так и для музыкальных программ: лекционные аудитории, конференц-залы, клубные залы, залы драматических и музыкально-драматических театров и т.п.
Большинство таких залов оснащено, конечно, системой озвучивания; однако практика показывает, что хорошая естественная акустика зала предопределяет и хорошую электроакустику. Более того, для качественного звучания симфонической и камерной музыки в концертных залах хорошая естественная акустика просто необходима и ее трудно «улучшить» применением электроаппаратуры.
Для чисто речевых программ основным и, пожалуй, единственным субъективным критерием оценки акустических качеств помещения ( зала) является разборчивость речи ( РР)
. Для уже функционирующих залов слоговую (артикуляционную) разборчивость речи можно оценить экспериментально, как долю (в %) правильно слышимых слогов на определенных слушательcких (зрительских) местах, произносимых диктором со сцены (кафедры) из специальной таблицы.
Существуют и методики оценки разборчивости речи для проектируемых залов, если известна их форма (в плане и разрезе). Они основаны на том, что установлены определенные связи между разборчивостью речи, как субъективным критерием качества зала, и объективными физическими характеристиками звукового поля в помещении: уровнем полезного звукового сигнала (по отношению к уровню шума), временем реверберации звука и структурой звуковых отражений на определенных слушательных местах.
Эта связь отражается мультипликативной формулой Кнудсена:
 ,
где PP – разборчивость речи (в %), KL
– коэффициент, определяемый соотношением уровней «сигнал-шум», KR
– коэффициент, зависящий от времени реверберации звука и от структуры ранних отражений.
Для чисто музыкальных залов подобного рода субъективных критериев оценки качества звучания значительно больше (по Беранеку, их более десяти). Лишь для некоторых из них в настоящее время установлена однозначная связь с физическими характеристиками звукового поля.
Тем не менее, опыт строительства концертных залов и многоцелевых залов, а также современные экспериментальные методы исследования структуры звуковых отражений в реальных залах и на моделях позволяют сформулировать некоторые общие принципы и рекомендации на стадии проектирования залов, по крайней мере, в части недопущения в них явных акустических дефектов: фокусирования звуковой энергии в отдельных слушательских зонах, различного рода эхо, искажения тембра звучания, нарушения локализации источника звука на сцене и других.
Проектирование естественной акустики зала многоцелевого назначения включает в себя следующие основные пункты:
1. Выбор оптимальной формы и размеров зала. Построение лучевого эскиза (в плане и разрезе).
2. Проверка некоторых потолочных и стеновых звеньев (поверхностей) зала на допустимость метода геометрических (зеркальных) отражений звука от них.
3. Проверка ряда слушательских мест на «критический интервал запаздывания»; по сути – это проверка на возможность образования эха.
4. Расчет и корректировка времени реверберации в зале.
5. Мероприятия по обеспечению ( улучшению) диффузности звукового поля в помещении.
6. Оценка разборчивости речи.
I
Лучевой эскиз зала
На рисунке 1 показан один из возможных вариантов выбора размеров зала многоцелевого назначения (на ~ 460 мест) и очертания его ограждающих поверхностей (в вертикальном разрезе и плане). Сцена – портального типа, предусмотрена и оркестровая яма. Сценическая коробка в явном виде на схеме не изображена (только авансцена) и в последующих расчетах учитывается лишь косвенно.
Некоторые геометрические параметры зала:
Длина зала L »25м, средняя ширина Bср
»17,8 м; высота в проема сцены H» 7,5м, высота в средней части зала Hср
» 9м, L/Bср
= 1,4, Bср/
Hср
= 1,97
Площадь пола Sпола
» 420 м2
, площадь потолка Sпотол
=450 м2
;
Площадь стен Sстен
»1045м2
;
Площадь авансцены Sав.
»20 м2
;
Площадь поверхностей оркестровой ямы Sяма
» 20 м2
;
( авансцена нависает над оркестровой ямой на 1/3 ее ширины)
Площадь проема сцены (портала) Sпорт.
» 78,75 м2
;
Площадь пола, занятого креслами Sзрит.
» 230 м2
;
Свободная площадь пола ( площадь проходов) Sпрох.
» 170 м2
;
Общая площадь ограждений
Sогр
= Sпола
+ Sпотолка
+ Sстен
+ Sпорт.
+ Sямы
+ +Sавансц.
= 2033,75 м2
;
Объем зала V= Sпола
´Hср
+Vорк. ямы
» 3820 м3
;
Удельная площадь на слушателя (общая)
S уд.
= Sпол
/N = 0,9 м2
/чел;
Удельный объем на слушателя Vуд
=V/N=8,3 м3
/чел.;
Высота источника звука на авансцене ( акустический центр) hисп
=1,5 м;
Высота голов (ушей) слушателей над уровнем пола h c
луш.
=1,2 м;
Максимальная вместимость зала N =460 зрителей.
Рисунок 1
Пояснения к рис.1:
V и U – положения источника звука (исполнителя) на авансцене (в плане и на разрезе, соответственно);
V1
*
, V2
*
, – положения «мнимых источников» звука от стеновых элементов 1 и 2, соответственно – зеркальные отражения действительного источника V от этих элементах (V3
*
, и V4
*
, не показаны).
U1
*
, U2
*
, U3
*
– положения «мнимых источников» от потолочных элементов 1, 2 и 3, соответственно- зеркальные отражения действительного источника U от этих элементов.
II
Проверка потолочных и стеновых звеньев на допустимость геометрических (зеркальных) отражений
Лучевой метод анализа формы зала предполагает, что отражение звуковых волн от его ограждающих поверхностей происходит по закону «зеркала» (как в геометрической оптике для света). Такое допущение заведомо справедливо, если размеры отражательных звеньев потолка и стен намного превосходят длину звуковой волны (lmin
>> ). Если же , то такое допущение слишком грубо и, по существу, не допустимо.
Для промежуточных случаев (между этими двумя крайними), когда размеры отражателя звука соизмеримы с длиною звуковой волны, имеется более определенный критерий, учитывающий не только размеры отражателя, но и взаимное расположение источника и приемника звука (слушателя) по отношению к такому отражательному элементу.
Применим этот критерий допустимости зеркальных отражений для 1-го элемента потолка (рисунок №2), ориентируясь на среднюю длину звуковой волны  м.
На этом рисунке :
2a – минимальный размер плоского отражателя;
2b – его наибольший размер (ширина 1-го потолочного элемента в плане, против его середины С1
);
R0
– расстояние от исполнителя на авансцене до центра отражателя;
R – расстояние от центра отражателя до слушателя М;
g – угол падения (отражения) звуковой волны с нормалью  к плоскости отражателя.
В конкретном примере:
a = 3м, b = 6,7 м,  , R0
= 7,6м, R = 15м, l =1м.
Предварительно вычисляем два вспомогательных параметра:
 , 
Рисунок 2
Тогда ошибка в уровне силы звука, отраженного от потолочного элемента 1 и приходящего к слушателю М (в приближении волновыми свойствами звука) составит:
 дБ.
∆L< 5 дБ ,
то метод геометрической акустики здесь оправдан.
III
Проверка слушательских мест на критический интервал запаздывания ( на эхо)
Для залов многоцелевого назначения критическое время (интервал) запаздывания первых отражений по отношению к прямому звуку принимается равным  мс ( для чисто музыкальных залов оно выше (50/80 мс).
При скорости звука в воздухе С=340 м/с это соответствует различию в длинах пробега прямого и отраженного звуков, приходящих к слушателю, порядка  м.
Таким образом, проверка слушательных мест на возможность образования простого эха (на стадии проектирования зала) сводится к измерению (по плану и разрезу зала) различия в «длинах пробега» прямого звука от источника на авансцене и первых отражений от стен и потолка, приходящих к слушателю:
.
рисунок №3
 м;
 м;
 м ( м)
Сделаем проверку на критический интервал запаздывания потолочных отражений для слушателей не на осевой линии зала. В этом случае нужно делать вспомогательные построения на разрезе и плане зала.
На рисунке №4 показана схема расчета «длины запаздывания» звуковой волны, отраженной от 1-го потолочного элемента для слушателя С не на осевой линии зала.
Здесь, С – положение слушателя на плане зала, С* – его положение на разрезе зала; К и К1
– положение участка потолка (в разрезе и плане, соответственно), от которого поступает отражение к слушателю
 м,
 м,
 м ( м).
IV
Расчет и корректировка времени реверберации
За стандартное время реверберации принимается время, в течение которого плотность звуковой энергии в помещении уменьшается в 106
раз (уровень силы звука и звукового давления ослабевают на дБ).
Для многоцелевых залов оценку оптимального времени реверберации на частоте 500 Гц (средне-частотный диапазон речи и музыки) можно провести по формуле:
(с),
Для рассматриваемого зала объемом V= 3820 м3
.
 с,  с.
Реальное время реверберации зала существенно зависит от его общего звукопоглощения. Поэтому для расчета времени реверберации на ряде опорных частот (125, 500 и 2000 Гц) необходимо предварительно вычислить общее звукопоглощение А в зале на этих частотах.
Для удобства, да это правильно и по существу, общее звукопоглощение в зале представляют суммой трех членов:
А = Апост.
+ Аперем.
+ Адобав.
К постоянному звукопоглощению относят поглощение звука всеми ограждающими поверхностями и его вычисляют по формуле:
 ,
где,  – площади элементов ограждающих поверхностей (м2
);
 – коэффициенты звукопоглощения материала поверхности.
К переменному звукопоглощению относят поглощение звука слушателями на креслах и пустыми креслами (из расчета 70% заполнения зала)
 ,
где а1
и а2
– эквивалентное звукопоглощение на одного слушателя и на одно кресло, соответственно.
Добавочное звукопоглощение связано с поглощением звука небольшими отверстиями, щелями, нишами, гибкими элементами отделки, люстрами, аппаратурой и т.п. , которые всегда имеются в зале, что трудно учесть в первых 2-х слагаемых. Его вычисляют по формуле:
 ,
где  – эмпирические коэффициенты добавочного звукопоглощения (на 3-х частотах), а ( Sогр
- Sзрит
) – общая площадь ограждений за вычетом площади пола, занятой слушателями.
Для вычисления постоянного звукопоглощения нужно определиться с конкретными материалами ограждающих поверхностей. Первоначально рекомендуют выбирать обычные строительные материалы (а не специальные звукопоглощающие материалы и конструкции). Их список приведен в приложении.
В качестве материалов ограждающих поверхностей выберем следующие:
Потолок (S1
) – бетон с железением поверхности;
Стены (S2
) – штукатурка по металлической сетке;
Проходы зрителей (свободный пол) (S3
) – линолеум на твердой основе;
Проем сцены, оборудованной декорациями (S4
);
Авансцена (S5
) – паркет;
Оркестровая яма (S6
) – деревянная обшивка, сосна толщиной 19 мм;
Портьеры плюшевые на дверях (S7
= 12м2
).
Результаты расчета постоянного звукопоглощения (на 3-х частотах) представим в виде соответствующей таблицы.
| Ограждающие поверхности S(м2
)
|
Постоянное звукопоглощение
|
| 125 Гц
|
500 Гц
|
2000 Гц
|
| 
|
 (м2
)
|
|
(м2
)
|
|
 (м2
)
|
| 1. Потолок, S1
=450
|
0,01
|
4,5
|
0,01
|
4,5
|
0,02
|
9,0
|
| 2. Стены, S2
=1045
|
0,04
|
41,8
|
0,06
|
62,7
|
0,04
|
41,8
|
| 3. Проходы, S3
=170
|
0,02
|
3,4
|
0,03
|
5,2
|
0,04
|
6,8
|
| 4. Проем сцены S4
=78,75
|
0,2
|
15,75
|
0,3
|
23,625
|
0,3
|
23,625
|
| 5. Авансцена S5
=20
|
0,04
|
0,8
|
0,07
|
1,4
|
0,06
|
1,2
|
| 6. Орк. яма S6
=20
|
0,1
|
2,0
|
0,1
|
2,0
|
0,08
|
1,6
|
| 7. Портьеры S7
=12
|
0,15
|
1,8
|
0,55
|
6,6
|
0,7
|
8,4
|
| |
|
|
|
Переменное звукопоглощение
– кресла и слушатели на креслах
(70% заполнения зала)
| |
125 Гц
|
500 Гц
|
2000 Гц
|
| а1
|
А=а1
N
|
а1
|
А=а1
N
|
а1
|
А=а1
N
|
| 1. Слушатель на мягком кресле N1
=322
|
0,25
|
80,5
|
0,4
|
128,8
|
0,45
|
145
|
| 2. Кресла N2
=138
|
0,08
|
11,0
|
0,12
|
16,56
|
0,1
|
13,8
|
| |
|
|
|
Добавочное звукопоглощение:
,
; ;
.
Полное звукопоглощение зала:
 ;
 ;
 ;
Средний коэффициент звукопоглощения  и функция от него
 :
 ,
 ,
 .
Расчетные времена реверберации звука на 3-х опорных частотах вычисляем по формулам Сэбина-Эйринга:
125 Гц,  ,
500 Гц,  ,
2000 Гц,  ,
Вычисляем относительные различия между Tопт
и Трасч
(в %):
125 Гц,  ,
500 Гц,  ,
2000 Гц,  .
Видно, что на всех 3-х опорных частотах расчетные времена реверберации выше оптимальных (>10%), значит общее звукопоглощение в зале мало и его необходимо увеличить.
Один из возможных способов увеличения звукопоглощения состоит в том, что часть площади боковых стен ( их верхнюю область) облицовывают специальными звукопоглощающими материалами, и, таким образом, увеличивают Апост
.
В качестве материала облицовки выбираем плиты «Силакпор» с воздушной прослойкой 200 мм.
Коэффициенты звукопоглощения таких плит на выбранных опорных частотах следующие (табл. III.1а– Арх. Физика).
f =: 125 Гц 500 Гц 2000Гц
 =: 0,5 0,6 0,55
Берем под облицовку часть площади стен Sобл
= S22
= 150 м2
. Оставшаяся часть стен площадью S21
=1033-150=883, м2
– штукатурка по металлической сетке.
| Ограждающие поверхности S(м2
)
|
Постоянное звукопоглощение
|
| 125 Гц
|
500 Гц
|
2000 Гц
|
|
|
 (м2
)
|
|
(м2
)
|
|
 (м2
)
|
| 1. Потолок, S1
|
…
|
…
|
…
|
…
|
…
|
…
|
| Стены, S2
1
=883
|
0,04
|
35,3
|
0,06
|
53
|
0,04
|
35,3
|
| Стены, S22(облицовки)
=150
|
0,5
|
75
|
0,6
|
90
|
0,55
|
82
|
| ….
|
…
|
…
|
…
|
…
|
…
|
…
|
| 7. Портьеры S7
|
…
|
…
|
…
|
…
|
…
|
…
|
125 Гц 500 Гц 2000 Гц
  
и станет равным:
   .
Пересчитываем времена реверберации
 ,
 ,
 .
 ,  ,
 .
Вычисляем относительные различия между Tопт
и Трасч
(в %):
125 Гц,  ,
500 Гц,  ,
2000 Гц,  .
V
Обеспечение диффузности звукового поля
Диффузное звуковое поле характеризуется тем, что во всех точках поля усредненные по времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии постоянны. Другими словами, звуковое поле в помещении однородно и изотропно.
Идеально диффузным ( на 100%) звуковое поле не бывает ни в каком зале; можно говорить лишь о степени его диффузности ( ).
При наличии одного источника звука в помещении большая степень диффузности преобладает в «дальней зоне» отраженных звуков на расстояниях от источника звука
 .
Высокая степень диффузности звукового поля особенно важна для музыкальных залов; она обеспечивает экспоненциальность реверберационного процесса и постоянство времени реверберации в любой точке зала.
Конечно, и простейшая прямоугольная форма зала (в плане и разрезе) дает определенную диффузность звукового поля за счет большого числа последовательных отражений от его ограждающих поверхностей. Но для высокой диффузности звукового поля желательна не только более сложная форма стен и потолка, но и наличие в зале рассеивающих звук элементов. Ими могут быть как объемные элементы (колонны, барельефы, глубокие ниши, элементы декора), так и специальные рассеивающие структуры и членения ограждающих поверхностей (потолочные балки, пилястры, кессоны).
Отметим, что мелкие членения хорошо рассеивают высокочастотный звук, низкочастотные же звуки (с большой длиной волны  ) хорошо рассеиваются барельефами лож, балконов выпуклой цилиндрической формы.
На рисунке приведен график Гануса, указывающий форму, размеры и шаг периодических членений стен (пилястр), дающих эффективное рассеивание звука в соответствующих областях частот.
Рис. Форма пилястр
b – ширина, d – глубина, q – шаг пилястр.
Если в зале для уменьшения времени реверберации используется облицовка поверхностей звукопоглощающими материалами (ЗПМ), то их желательно наносить на поверхность не сплошным слоем, а «раздельно - кусочно». Такая облицовка не только увеличивает звукопоглощение, но обладает эффектом рассеяния звуковой энергии (деформация фронта волны из-за различных фазовых условий отражения на краях ЗПМ).
|
