3. В модели и натуре на сходственных часто- тах безразмерные импедансы всех сходственных граничных поверхностей должны сохраняться оди- наковыми:

^L мод ^{= 1} нат "Р"

нат мод

= ; /

мод ■ 'нат.

мод нат

Рассмотрим более подробно, как практически можно выполнять три перечисленных условия при моделировании распространения шума в помеще­ниях больших объемов и городской застройке.

Выполнение требований геометрического по­добия модели и натуры обычно не встречает боль­ших затруднений. Масштаб модели большого про­мышленного цеха или городской застройки наибо­лее целесообразно принять равным 1:10. В этих ус­ловиях размеры модели помещения в плане могут колебаться от 1 до 10 м, а по высоте — от 0,5 до 3 м; модели городской застройки не будут превышать размеры 100x100 м в плане и 3—4 м по высоте. Та­кой масштаб моделирования позволяет проводить модельные исследования на не слишком высоких частотах /мод, лежащих ниже 5—8 кГц. На более высоких частотах уже нельзя пренебрегать затуха­нием звука в воздухе, которое может полностью на­рушить подобие, так как это затухание пропорци­онально квадрату частоты. При этом как в модели, так и в натуре воздух может иметь одинаковые тем­пературу и влажность.

Наиболее трудно выполнить условие равенст­ва импедансов граничных поверхностей. Однако при упрощенном моделировании можно ограни­читься условием равенства коэффициентов звуко­поглощения граничных поверхностей.

Не менее важен выбор источников звука для моделирования, излучающих на частотах 5—8 кГц достаточно большую акустическую мощность. Эта мощность должна обеспечивать в моделях помеще­ний или моделях городской застройки уровни шу­ма, лежащие выше шумового фона и в диапазоне измерений аппаратуры для измерений шума.

Исследования на моделях помещений можно разделить на две группы. Во-первых, модели ис­пользуются для проверки теоретических формул, их уточнения и получения эмпирических зависи­мостей, поскольку экспериментальные исследова­ния в действующих цехах затруднены или вообще невозможны и только на моделях можно легко из­менять отдельные параметры помещения (форму, звукопоглощение, рассеиватели и т.п.), изучая их влияние на звуковое поле.

Во-вторых, уменьшенные модели применя­ются на стадии проектирования отдельных поме­щений сложной формы — концертных залов, аудиторий и т.п. — для оптимизации их акустиче­ского качества. К такого рода моделям предъявля­ются повышенные требования, поскольку необхо­димо обеспечить подобие нестационарных звуко­вых полей в натуре и в модели. Для этого по воз­можности обеспечивается подобие граничных условий на ограждающих поверхностях, условий дифракции, затухания в воздухе.

Моделирование распространения шума в жи­лой застройке может осуществляться в масштабе от 1:5 до 1:20. Выбор масштаба определяется конкрет­ными условиями поставленной задачи. При этом следует принимать во внимание, что слишком крупный масштаб затрудняет изготовление, транс­портирование и установку моделей и увеличивает стоимость работ, а слишком мелкий не позволяет правильно воспроизвести натуру и приводит к большим погрешностям при измерениях. Исходя из этих соображений и размеров рабочей площадки заглушённой камеры или акустического полигона обычно принимают масштаб 1:10.

В настоящее время для оценки и нормирова­ния транспортного шума широко используются уровни звука в дБА. Поэтому исследования на мо­делях жилой застройки следует вести на частотах звука, характерных для спектров транспортного шума и притом таких, уровни звука на которых в той или иной степени эквивалентны по значению и характеру изменениям уровня, измеряемым по кривой коррекции А. Специальные исследования показали, что такими частотами в спектрах шума автотранспортных потоков и железнодорожных поездов являются соответственно 500 и 800 Гц (5000 и 8000 Гц на модели).

В качестве материала для моделей зданий по практическим соображениям чаще всего использу­ют фанеру. Сравнение коэффициентов звукопог­лощения строительных материалов, применяемых для облицовки жилых домов, и фанеры толщиной 4 мм на моделируемых частотах показало, что эти коэффициенты отличаются незначительно, т.е. фанера вполне пригодна для подобных исследова­ний. Для изготовления моделей зданий ее набива­ют на жесткий каркас из деревянных брусков.

Обычно модели устанавливаются на асфаль­товой или бетонной поверхностях рабочей площад­ки, которые достаточно точно моделируют поверх­ность территории жилой застройки.

Источники шума, используемые для имити­рования шума транспортных потоков, в процессе исследований на акустическом полигоне неодно­кратно менялись и совершенствовались. Выбор ис­точников шума определяется достаточно высокой звуковой мощностью на частотах 5000 и 8000 Гц, ненаправленностью, соответствием размеров излу­чающей поверхности источников шума размерам автомобилей, стабильностью работы во времени.

Всем перечисленным требованиям отвечает электромеханический шариковый источник шума, разработанный специально для исследований на моделях. Уровни звуковой мощности такого источ­ника на частотах 5000 и 8000 Гц составляют 76— 78 дБ. Для имитации линейного источника шума, т.е. шума автотранспортных потоков и железнодо­рожных поездов, использовали 20 таких источни­ков, устанавливая их в ряд на расстоянии 2 м друг от друга соответственно приведенному минималь­ному разрыву между автомобилями в транспорт­ном потоке при многорядном движении. На рис. 8.37 представлена кривая снижения уровня звукового давления, создаваемого этим источни­ком, на высоте 0,3 м над рабочей площадкой поли­гона. Полученная кривая близка к теоретической кривой снижения уровня звука от линейного ис­точника шума на открытой территории в натурных условиях.

Все измерения проводились в безветренную погоду при температуре воздуха 15—20°С и отно­сительной влажности воздуха 50—60%.

Для обоснования разработанной методики мо­делирования проведены исследования шумового режима жилой застройки ряда микрорайонов Мо­сквы, Волгограда и Волжского и их моделей. Ис­точниками шума при измерениях в натурных усло­виях служили как точечные источники типа пере-

носной бензиновой электростанции АБ-1, так и ав­тотранспортные потоки и железнодорожные поез­да. В качестве примера можно привести результаты исследования распространения шума железнодо­рожных поездов на территории жилого квартала, расположенного вблизи линии Ярославской же­лезной дороги между платформами "Заветы Ильи­ча" и "Правда", и на его модели.

Сравнение результатов измерений в натуре и на модели удобно производить по относительным уровням звукового давления, представляющим со­бой разность между уровнями в какой-то постоян­ной точке (такой точкой обычно является место ус­тановки микрофона, контролирующего стабиль­ность работы источников шума) и уровнями в точ­ках на территории застройки. Сравнение представленных в качестве примера на рис. 8.38 относительных уровней звукового давления, изме­ренных в натуре и на бетонной площадке полигона, показывает правомочность применения метода мо­делирования для решения поставленной задачи.

При моделировании звукоизолирующих кон­струкций модель должна быть подобна натуре. Как однослойные, так и слоистые звукоизолирующие конструкции должны быть изготовлены из одних и тех же материалов, но все их размеры должны быть изменены в соответствии с масштабом моделирова­ния (как и частота звука). Тогда разность уровней звукового давления в камерах высокого и низкого уровня, отделенных друг от друга испытываемой конструкцией, на сходственных частотах будет в модели и натуре одинаковой.

Если исследуется передача звука по конструк­циям, то необходимо правильно моделировать узлы примыкания. Уровни виброскорости будут в исход­ных точках модели и натуры отличаться на одну и ту же величину. Метод моделирования звукоизоля­ции предполагает, что коэффициенты потерь мате­риалов конструкции мало зависят от частоты. Это условие выполняется для большинства строитель­ных VI конструкционных материалов, если масштаб моделирования не слишком мал (1:5—1:20).

8.5. Технико-экономическая

эффективность

мероприятий

по шумозащите

и звукоизоляции

Мероприятия по борьбе с шумом носят прежде всего социальный характер, так как на­правлены на сохранение здоровья людей. В то же время эти мероприятия дают и большой экономи­ческий эффект.

Годовые приведенные затраты 3 на осуществ­ление мероприятий по борьбе с шумом определяют по формуле

3 = С + Е_НК, (8.14)

где С — годовые эксплуатационные расходы, тыс. руб/год; Ей - 0,12 — нормативный коэффи­циент эффективности капитальных вложений; К — капитальные вложения по варианту шумоза­щитных мероприятий, тыс. руб.

Выбор мероприятий по борьбе с шумом необ­ходимо производить на основе многовариантного анализа ожидаемых затрат с целью получения максимального значения годового экономического эффекта:

Э = (Р—3) максимум, (8.15)

где 3 — годовые приведенные затраты, тыс. руб/год; Р — годовой экономический резуль­тат от мероприятий по борьбе с шумом, тыс. руб/год.

Экономическая эффективность капитальных вложений в мероприятия по борьбе с шумом опре­деляется сроком их окупаемости Т, годы:

Т = К/(Р—С). (8.16)

где К — единовременные капитальные вложения на мероприятия по шумозащите; С — текущие издержки (эксплуатационные расходы).

Мероприятия экономически оправданы, если значение Г оказывается меньше нормативного сро­ка окупаемости вложений: Т - 1/Е_н - 1/0,12 --8,3 года.

Для определения годового ущерба от действия транспортного или иного шума на население необ­ходимо построить карты шума и подсчитать число людей, проживающих на участках с теми или ины­ми эквивалентными уровнями шума.

Экономическую оценку годового У ущерба от действия шума на население в условиях жилых по­мещений на расчетной территории определяют по формуле

У - Ун + Уд, (8.17)

где индексы "н" и "д" означают ночное и дневное время.

Величины Ун и У_д определяют по формулам

^ макс

Ун = Е^ЭКВ AWNhU); (8.18)

^экв^⁰^ г макс А экв

У_д = £ В(М_аф, (8.19)

^LA экв ⁼⁴⁰«^БА где ЛГ_н(0 и ЛГд(0 — число людей, проживающих на расчетной территории в комнатах, в которых экви­валентный уровень шума в ночное и дневное время /-Аэкв, дБА, находится в пределах выше нор­мативных значений А (/) и В([) — размерные мно­жители, значение которых определяют по приве­денной в табл. 1 прил. 1 "Временной типовой мето­дике определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого на­родному хозяйству загрязнением окружающей сре­ды" (М.: Экономика, 1986).

Пример. Определить годовой экономический ущерб от действия транспортного шума на населе­ние микрорайона численностью 20 тыс. чел. Значе­ния La экв д и La экв н в жилых помещениях соот­ветственно равны 70 и 50 дБА.

Значения ЛГд(/) и Nh(D приведены в табл. 8.23 и 8.24, а множители А([) и B(D взяты из упомяну­той выше таблицы.

Общий годовой экономический ущерб от дей­ствия транспортного шума на население микрорай­она У- 1080550 + 438250- 1518800 руб/год.

Зная годовой экономический ущерб от дейст­вия шума, можно более обоснованно назначать ме­роприятия по борьбе с ним и расчитать экономиче­скую эффективность мероприятий по шумоглу-шению, как разность ущербов с и без мероприятий по шумоглушению.

Г л а в а 9. АКУСТИКА ЗАЛОВ

Акустическое качество зала или открытого театра полностью оп­ределяется его архитектурными пара­метрами: формой, размерами, очерта­нием и отделкой поверхностей. Пра­вильный с точки зрения акустических требований выбор этих параметров яв­ляется гарантией хорошей акустики будущего сооружения. Тесная связь архитектурных форм культурно-зре­лищных сооружений с акустикой про­слеживается на протяжении практиче­ски всей истории архитектуры.

Древние греки, хорошо знавшие геометрию, по всей вероятности, име­ли определенное представление о за­кономерностях распространения звука. Об этом свидетельствуют сохранивши­еся до наших дней открытые греческие театры (рис. 9.1). Крутой подъем ам­фитеатра обеспечивал не только хоро­шую видимость происходящего на сце­не, но и хорошую слышимость прямого звука. Каменные поверхности орхест­ры, сцены и скенея (стены позади сце­ны) позволяли направить к слушате­лям звуковые отражения, усиливаю­щие прямой звук.

Туристов, посещающих античные театры, поражает, что на расстоянии 50—70 м хорошо слышно гида. Нель­зя, однако, забывать, что и сегодня уровни шума в зонах расположения античных театров очень невысокие, чем и объясняется хорошая слыши­мость речи гида. Следует отметить, что в современных залах, когда они не заполнены, даже при далеко не идеальной акустике артиста довольно хорошо слышно со сцены. Картина ме­няется при заполнении зала, когда по­является шумовой фон. Недаром греки во время представлений использовали актерские маски — своего рода мега­фоны, а хор на орхестре повторял сло­ва актеров.

Часто акустику греческих театров связывают с таинственными "звучащи­ми вазами", которые обычно устанав­ливались у первых рядов или под ме­стами для слушателей. Витрувий в своем трактате утверждал, что эти со­суды, имевшие достаточно узкое гор­ло, должны были усиливать звук. Он также отмечал, что сосуды были на­строены на разную высоту звука.

Механизм действия "звучащих ваз" впоследствии объяснил Гельмгольц. По его имени они называются резонато­рами Гельмгольца. В основном эти со­суды играют роль поглотителей звука низких частот, улучшая тем самым разборчивость речи. Такие резонаторы обнаружены в старых французских, русских и скандинавских культовых сооружениях. Являясь в основном зву-копоглотителями, резонаторы Гельм­гольца при их слабом демпфировании способны давать послезвучание на ча­стоте резонанса. В этом случае "зву­чащие вазы" в греческих театрах мог­ли служить в качестве системы неко­торого местного усиления звука.

Акустика открытых греческих те­атров получила дальнейшее развитие в Древнем Риме. В римских театрах сценическая часть дополнена звукоот-ражающим козырьком и боковыми по­верхностями (рис. 9.2), благодаря че­му структура звуковых отражений в амфитеатре значительно обогащалась. Нередко верхняя часть театра затяги­валась солнцезащитным тентом, слу­жившим одновременно и звукоотража-ющей поверхностью. При наличии тента открытый театр преобразовывал­ся в закрытое помещение.

Средневековье не внесло большого вклада в развитие архитектурной аку­стики. Хотя построенные в те годы ка­федральные соборы до сих пор с ус­пехом используются для хоровых вы­ступлений и исполнения органной му-

зыки, их архитектура определялась от­нюдь не требованиями акустики. Сле­дует отметить плохую разборчивость речи в средневековых соборах вслед­ствие их чрезмерной гулкости. Поэто­му для улучшения слышимости речи проповедника его кафедра размеща­лась обычно высоко, а над ней устра­ивался звукоотражающий козырек. Тем самым обеспечивалась интенсив­ность прямого звука, поддержанного ранними звуковыми отражениями. Се­годня большинство этих соборов обо­рудовано системами звукоусиления.

Хорошая акустическая репутация оперных и концертных залов XVIII— XIX вв. едва ли является результатом их акустической проработки. Скорее, это результат совпадения функцио­нальных и эстетических требований с акустическими, хотя, безусловно, при сооружении этих залов учитывался оп­ределенный акустический опыт. Мно­гоярусная система классических опер­ных залов позволяла при их значи-

24 3-Ю08

тельной вместимости (до 3 тыс. слу­шателей) обеспечить сравнительно не­большое удаление зрителей от сцены (рис. 9.3). Эта система обеспечивала также хорошее рассеяние звуков раз­ных частот, что важно для повышения диффузности звукового поля и ослаб­ления концентрации звука от вогну­тых стен.

Весьма благоприятными для аку­стики оказались архитектурные пара­метры старых концертных залов. Это относится к форме залов, основным размерам и отделке (рис. 9.4). Срав­нительно небольшая ширина при пря­моугольном плане и значительной вы­соте обеспечивали существенный вклад важных боковых ранних отражений в формирование звукового поля. Благо­даря богатому членению внутренних поверхностей и отсутствию звукопог-лотителей в классических залах, как правило, наблюдались значительное время реверберации и высокая степень диффузности звукового поля.

Научный подход к вопросам аку­стического решения залов наметился в конце XIX столетия. Теоретические основы акустики были разработаны лордом Рэлеем и изложены в его книге "Теория звука", вышедшей в 1877 г. Начало развитию архитектурной аку­стики в ее практическом аспекте по­ложили более поздние работы Сэбина, связанные с исследованием ревербера­ции звука в закрытых помещениях. Введенное им время реверберации дол­го оставалось практически единствен­ным критерием оценки акустики по-

мещений различного назначения. Од­нако постепенно выяснилось, что вре­мя реверберации явно недостаточно для акустической оценки залов и осо­бенно отдельных зон слушательских мест в них. Это заставило исследова­телей искать новые дополнительные критерии акустического качества по­мещений.

С развитием электронной техники появилась возможность более подробно анализировать начальную часть ревер-берационного процесса, характеризую­щуюся так называемой структурой

ранних звуковых отражений. Важную роль здесь сыграли импульсные аку­стические измерения, послужившие основой разработки большого числа локальных акустических критериев. Следует отметить, что значительная часть существующих в настоящее вре­мя критериев (что очень важно для акустического проектирования) изме­ряется на уменьшенных моделях за­лов. В последние годы все более ши­рокое распространение получают ме­тоды моделирования акустики помеще­ний на ЭВМ.

Развитие архитектурной акустики как науки оказало весьма существен­ное влияние на проектирование заль­ных помещений. Широкое распростра­нение получили формы залов, напо­минающие рупор. Ширина таких залов увеличивается по мере удаления от сцены, а потолок формируется таким образом, чтобы большую долю отра­женного звука направить на удален­ные места (рис. 9.5). Такие формы с акустической точки зрения оказались бо­лее подходящими для многоцелевых за­лов и залов с речевыми программами.

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 звукоотражаюших 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,

607 Часть III. Архитектурная акустика

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.

9.1. 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

уровня сигнала, а не его интенсивно­сти. Поэтому процесс реверберации иг­рает в акустике залов особенно важ­ную роль.

Для количественной оценки ревер­берации Сзбин 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-

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 диффузное™ 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,а. 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-

ше коэффициент звукоотражения, тем меньше уровень отражения.

Важное значение имеет время за­паздывания первого отражения At\, 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-

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-

ваемый импульсным откликом зала p(t), 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) = I р²Ши (9.1)

о

которая равна сумме квадратов звуко­вых давлений отдельных отражений, поступивших в точку приема к мо­менту времени х. В последние годы для нахождения Е(х) 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

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

_r=o,3₅/-5--W <⁹-²>

где 5общ — общая площадь внутренних поверхно­стей зала, м²; <£ — средний коэффициент звуко­поглощения.

На этих расстояниях при полной диффузное™ отраженного звука уро­вень звукового давления в пределах точности измерений должен оставаться постоянным, а при неполной диффуз-ности — 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 д L от уровня, соот­ветствующего полностью диффузному звуковому полю. О значительном на-

рушении диффузности свидетельству­ют значения д L ^> 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

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

где Рс — слоговая разборчивость, %; кь — коэффи­циент, учитывающий влияние уровней речи и шу­ма; KR — коэффициент, учитывающий влияние реверберации.

Коэффициент кь определяется по диаграммам в зависимости от уровней речи Lp и шума Ь_ш. Эти диаграммы, представленные на рис. 9.11, позволя­ют получить кь для спектров шума пустого и заполненного залов. Уровни речи и шума на данном слушательском месте определяются путем измерений или расчета.

Для определения коэффициента кц существует ряд способов, основанных, как правило, на оценке импульсного отклика зала pit). Наиболее известный из них базируется на предложенной Р. Тиле величине четкости, Представ-

ляющей собой отношение полезной энергии £50 ко всей энергии Е импульсного отклика:

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 УХ>г. Следует отметить, что сама по себе четкость L>r 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

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.

Гулкость зала — понятие, харак­теризующее длительность процесса за­тухания звука на месте прослушива­ния. Субъективная оценка зависит от вида музыки (органная, симфониче­ская, камерная) и ее стиля. Основным объективным показателем гулкости по­мещения является стандартное время реверберации Т.

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

Область оптимальных значений do 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.

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

Буквенными индексами в этом вы­ражении обозначены виды диаграмм направленности микрофона, использу­емого для получения импульсных от­кликов помещений (К — круговая ди­аграмма, R — 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 Lj находится в области от -5 до -7 дБ.

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 Lst при возбуждении воздушного объема поме­щения стационарным звуковым сигна­лом (шумом) или путем измерения об­щей энергии импульсного отклика

_{Еоо - Tp}²_{U)dt * Jp}²_{U)dt ,(9.7)}

о о

где Т — время реверберации помещения.

Так как при оценке акустического качества нас прежде всего интересует влияние самого помещения, то Lst и Еве обычно нормируются на величи­ну, пропорциональную мощности ис­точника звука (относительная гром­кость Д L). При стационарном воз­буждении звукового поля относитель­ная громкость

Д L = Lst — Lp, (9.8)

где Lst — общий уровень звукового давления на слушательском месте; Lp — общий уровень звуко­вой мощности источника.

Оптимальные значения Л L за­висят от объема зала и составляют от -5 до -10 дБ для залов объемом около 1000 м³ 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 Тф, причем для музыкальных помещений считает­ся весьма желательным подъем Тф 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 500-1000 Гц.

Более целесообразно использовать для объективной оценки тембра час­тотную характеристику передачи (ЧХП) звука от источника к точке приема

Аф - Ц — Lio, (9.9)

где Ц — уровень звукового давления в i-й полосе частот; Lio — опорный уровень звукового давления в i-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 ненап­равленного микрофона в 1/3-октавных полосах частот в диапазоне 63— 8000 Гц. Источник звука располагает­ся на сцене зала. При оценке тембра

620 Часть III. Архитектурная акустика

где Ао — среднее значение величин А, полученных в данной точке зала во всем частотном диапазоне измерений.

Зависимость A\(f) не должна су­щественно отклоняться от оптималь­ной кривой, изображенной на рис. 9.13 (пределы допустимых откло­нений показаны штриховкой).

Очень важным условием нормаль­ного восприятия как речи, так и му­зыки является отсутствие мешающих акустических факторов, к которым от­носятся эхо, порхающее эхо, наруше-

ние 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.

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 зрительно-

го образа со слуховым) особенно важна в речевых помещениях. 6 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 (шорох), 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 октав­ных полосах частот в диапазоне 63— 8000 Гц не должны превышать значе­ний, указанных в СНиП И-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

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 бал­кона а\ к средней высоте подбалкон-ной пазухи hi не превышало 1,5 (рис. 9.16). Это требование относится и к устройству лож. Для пазухи над балконом (если нет вышележащего

балкона) отношение ai/hi 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.