Цель этого направления – возможность проектировать залы с заданным качеством звучания и слышимости.
Еще в античные времена в Греции и Риме строители замечали, что во вместительных залах можно добиться хорошей слышимости. В XIX в. Физик У. Сэбин доказал, что затухание гула и скорость этого затухания играют важную роль в строительной и архитектурной акустике.
Суть эффекта комнаты
Акустические свойства помещений обусловлены тем, что их границы препятствуют распространению звуковой волны наружу. Внутри комнаты или зала звук отражается от пола, потолка, стен и предметов. Одна часть энергии при этом поглощается, другая – рассеивается. Сам воздух обладает свойством поглощения звука, но основная доля приходится на мебель и все, что наполняет помещение. Шумы низких частот хорошо поглощаются стеклянными панелями, перегородками, паркетной доской.
В рамках исследований реакций различных помещений на звуковые импульсы было получен график, который носит название RIR (room impulse response) – дословно, «ответ комнаты на звуковой импульс». Общий вид характеристики представлен ниже.
Интерпретация результатов такова. Отражение звукового сигнала начинается уже в самом начале воспроизведения звука и называются «ранним» (early reflections). Однако они не воспринимаются отдельно, а сливаются с прямым воспроизведением. Это проявление эффекта предшествования. Он заключается в том, что предпочтительным является восприятие прямой звуковой волне, а не отраженной. В результате человек может определить местонахождение источника звуковых колебаний, не учитывая отраженный сигнал. Однако в разных комнатах степень влияния ранних отражений также разнится, поэтому качество воспроизведения зависит от времени задержки отражения.
Артикуляция и ревербация
В строительной акустике опираются на два параметра для оценки помещений с точки зрения распространения звука.
Артикуляционные тесты
Критерий артикуляция позволяет оценить слышимость речи. Единица измерения – процент %, который показывает долю верно распознанных слов и слогов относительно всех произнесенных. Для слогов этот параметр должен быть не ниже 85%. Изначально артикуляционные тесты проводились в лаборатории Белла для оценки качества передачи слов по телефону. Впоследствии датский ученый М. Г.-Х. Кнудсен адаптировал исследования для залов.
Кнудсен вывел формулу для определения величины артикуляции Р в процентах, в которую включил влияющие на значение факторы:
- громкость kl;
- ревербацию kr;
- посторонние шумы kn;
- форма зала ks.
Таким образом, выражение имеет вид:
P = 96kl∙kr∙kn∙ks
Свои опыты Кнудсен проводил в разных условиях:
- в помещении (присутствуют все факторы);
- на открытом воздухе (нет ревербации);
- в абсолютной тишине (отсутствуют внешние шумы).
В результате, даже исключая отдельные параметры, ученому не удалось добиться 100%-ной артикуляции: максимально 96%. Это свидетельствует о том, что невозможность достичь идеальной слышимости, а можно только использовать определенные приемы для повышения уровня разборчивости речи.
Ревербация
Под ревербацией понимается постепенное затухание звукового сигнала. Время реверебации – важный параметр акустических свойств помещений. Суть явления проявляется в том, что в пустом зале звуковые волны будут распространяться дольше, чем после его меблировки. Звуковая энергия при распространении обязательно перейдет в другой вид, например, в колебательную энергию стен. Затем, после отражения от вертикальных перегородок будет иметь место трение воздушных частиц и частиц покрытия стены, поэтому гладкость стен играет определенную роль: потеря сигнала будет меньше, если внутренняя отделка помещения не содержит пор и рельефа.
Ученые пришли к выводу, что механическое рассеяние звука способно нарушать закономерности отражения и ослаблять эхо.
Эксперименты с акустикой вышеупомянутого У. Сэбина заключались в ряде опытов по ослаблению ревербации в результате наличия ковров на стенах залов, гардеробных, занавеса. Ученый получил уравнение для времени ревербации t:
где V – объем помещения, м3;
a – усредненный коэффициент поглощения;
S – суммарная площадь поверхности стен, м2;
0,612 – коэффициент, определяющий падение интенсивности звука на 60 дБ.
Время t здесь характеризует среднее значение, при котором звуковая энергия уменьшится до 1/1000000 от исходной величины.
Произведение aS предполагает сумму поглощений всех материалов помещения, например, a1S1 – для дерева, a2S2 – для штукатурки, a3S3 – ковровое покрытие и пр. Тогда при расчете ревербации общий показатель: aS = a1S1 + a2S2 +…+ anSn. Единица измерения – сэбин.
Таким образом, при расчете акустики помещения необходимо обращать внимание на устранение эхо и концентрации звуковых волн, а также стремиться к снижению времени ревербации.