5. Архитектурная акустика помещений и ее задачи. Диффузное и зеркально отражения звука, условия, определяющие их, построение мнимых источников. Критический интервал запаздывание звуков.

Анализ временной структуры ранних отражений, которые особенно важны в процессе восприятия как речи, так и музыки, не может быть сделан методами статистической теории, опери­рующей с энергиями огромного количества отражений, а требует подхода, основанного на применении методов геометрической акустики. В его основе лежит расчет геометрических отражений, который является основным способом контроля правильности выбора формы помещения и очертаний его внутренних поверхно­стей, опасности образования эха и порхающего эха, а также для определения акустического качества помещения.

Г лавной задачей архитектурной акустики является создание таких архитектурно-планировочных и конструктивных решений, которые обеспечили бы наиболее полное выполнение основных характеристик звукового поля, определяющих оптимальные ус­ловия слухового восприятия при сохранении возможно лучших условий видимости.

Существуют два вида отражений от поверхностей помеще­ния: зеркальное и диффузное. Поэтому надо знать достаточно оп­ределенно, когда будет тот или иной вид отражений. Последнее условие зависит от соотношения между размерами отдельных элементов расчленений, имеющихся на поверхности, и длиной звуковой волны. Если эти размеры того же порядка, что и длина звуковой волны, то отражение приобретает диффузный характер. В том же случае, когда размеры неровностей заметно меньше ли­бо, наоборот, в несколько раз больше длины волны, то звуковые волны отражаются зеркально (рис. 3). На обычных поверхностях зала, имеющих членения, звуки одних частот могут о тражаться зеркально, а других - диффузно.

Суть геометрического метода состоит в том, что при опреде­ленных условиях вместо звуковых волн можно рассматривать звуковые лучи, в направлении которых распространяются эти волны. При этом построение этих отраженных лучей осуществля­ется по правилам закона геометрических отражений, известного в оптике. Для зеркального отражения справедливы два закона:

1)Луч падающий и луч отражённый лежат в одной плоско­сти с нормалью в точке падения.

2)Угол падения равен углу отражения.

Применение этих законов позволяет построить мнимый ис­точник звука при однократном отражении звуковых волн от по­верхности.

- Используется (рис. 4) мнимый источник S', симметричный с дей­ствительным точечным источником S по отношению к отражающей плоскости и находящийся по дру­гую ее сторону. Для построения мнимого источника необходимо опустить из точки S перпендикуляр SO на отражающую плоскость АВ и на продолжении его отложить от­резок OS', равный отрезку SO. Прямые, проведенные из мнимого источника S , после пересечения ими отражающей плоскости удовлетворяют условию равенства углов падения и отражения, т.е. являются искомыми отраженны­ми лучами, создаваемыми действительным источником S. Дан­ная поверхность создает однократные отражения от всех точек поверхности АВ, лежащих между точками О и В.

М етод мнимых источников применим и при построении от­ражений от криволинейных поверхностей: если требуется найти отражение от какой-либо точки О кривой поверхности С (рис. 5) при заданном положении источника Q, то следует в точке О по­строить плоскость Т_к, касательную к поверхности С. Мнимый источник в этом случае - точка Q₁, расположенная симметрично действительному источнику от­носительно касательной к плос­кости; продолжение ОМ прямой O₁O после пересечения ее с по­верхностью. С является искомым отраженным лучом. Для каждой точки отражающей поверхности приходится находить свой мни­мый источник Q₁, в отличие от плоскости, у которой для отражения от любой ее точки мнимый источник один и тот же (при заданном положении источника Q). Иногда возникает необходимость в построении мнимого ис­точника при вторых отраже­ниях. В этом случае первый мнимый источник становится как бы истинным, а дальше построение ведется так как описано ранее (рис. 6).

Рассмотренные приемы построения геометрических отражений относятся к случа­ям, когда лучевая плоскость параллельна одной из плоскостей проекций (вертикальной или горизонтальной). Не пред­ставляет затруднений 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.

Д ля примера на рис.7 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 (читать q - ку) q и q'. 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 t' и t'. Прямые q 'а и qа являются вертикальной и горизонтальной проекциями луча, исходящего из источника и достигающего точки отражения.

Вертикальную проекцию мнимого источника q₁' находим, опустив из точки перпендикуляр q'O' на прямую t't' и отло­жив на его продолжении отрезок Oq₁', равный отрезку q'O'. Сносим точку q₁' на горизонтальную прямую, проходящую через точку q, находим горизонтальную проекцию мнимого источника q ₁. Продолжения прямых q₁а и q₁'а' , лежащие вправо от точек а' и а, являются соответственно вертикальной и горизон­тальной проекциями отраженного луча.

Вертикальная проекция отраженного луча пересекает в точке е' поверхность 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 qe и q'e', равна полному пути от­раженного звука от источника до точки приема с проекциями е и е'. Эта длина равна расстоянию от мнимого источника до точки приема. Прямая с проекциями qe и q'e' дает путь прямого зву­ка. Как видна из рис.7, длина пути отраженного звука (от источ­ника до точки приема) равна: l_отр= (q₁ е)²+(ƒ ’ q₁') (7)

где f’ - точка пересечения горизонтальной прямой, прове­денной через точку е', с вертикальной прямой q₁'q₁. Длина прямого звука: l_пр= (qе)²+(е ’ е₁) (8)

где e₁ — точка пересечения горизонтальной прямой, прове­денной через точку q' ,с вертикальной прямой e'e.

Критический интервал запаздывания звуков Для обеспечения распознавания двух разнородных сигналов необходимо, чтобы запаздывание отраженных звуков должно быть меньше половины промежутка времени между отдельными сигналами. Это связано с тем, что барабанная перепонка к мо­менту прихода последующего сигнала должна быть подготовле­на, т. е. она должна иметь как можно меньше впечатлений от предыдущего сигнала (во всяком случае это справедливо для ре­чи). Потому для наиболее четкого восприятия звукового сигнала очень важен промежуток времени между моментами прихода прямого и первого отраженного звуков. Предельное значение это­го промежутка времени, не ухудшающего восприятие речи, назы­вается критическим интервалом запаздывания.

Численное значение критического интервала зависит от не­которых факторов:

1. Специфичности прослушиваемого материала (число сло­гов или нот за одну секунду) - чем быстрее следуют друг за дру­гом эти слуховые раздражения, тем меньше должен быть крити­ческий интервал.

2.Интенсивности отраженного звука по сравнению с пря­мым - чем меньше уровень интенсивности отраженного сигнала по сравнению с прямым, тем больше может быть величина ин­тервала.

3.Направления прихода отраженного сигнала по сравнению с прямым: отдельные исследования показали, что если отражен­ный сигнал приходит к слушателю сзади, то численное значение критического интервала меньше, чем когда оба звуковых сигнала приходят спереди.

4.Частотного состава (тембра): если заглушаются низкие частоты, то критический интервал возрастает незначительно, в то время как приглушение высоких частот может значительно его увеличить.

Быстрота нормальной речи может меняться от 5 до 10 слогов в секунду. Эксперименты показали, что для хорошей разборчиво­сти речи желательно, чтобы это опоздание составляло величину не больше 30 мс (оптимально 20 мс).

Музыкальные сигналы более длительны, чем речевые, и при восприятии музыкальных сигналов не очень оправданным будет требование полного затухания барабанной перепонки к моменту прихода следующей ноты, ибо при плавной мелодии это создаст превратный музыкальный образ - ноты будут отрывисты.

Исходя из значения критического интервала можно оценить, насколько может быть больше путь, проходимый отра­женным лучом по сравнению с прямым, до момента образования эха, т. е. за время равное Δt кр .

Дня речи это составит величину критического интервала Δ1кр = с * Δt кр = 340 * 0,02 = 7 м; для залов многоцелевого назна­чения – 10 м; для музыкальных - 17 м.

Для выяснения критического интервала запаздывания звука для разных точек зрительного зала надо знать истинную длину звукового луча которую, имея план и разрез зала, можно опреде­лить простым измерением лишь для прямых и отраженных от элементов потолка лучей, лежащих в плоскости, перпендикуляр­ной задней стене и сцене. Для всех остальных случаев (и прямых и отраженных лучей) их величины могут быть определены только через длины проекций луча на плане и разрезе зала как это было отмечено ранее.

Если Δl = loтp – lпр ≤ Δ1кр то критический интервал за­паздывания для данной точки выполняется. Если Δ1 > Δ1кр, то необходимо приблизить поверхность отражения к источнику зву­ка.

Методика определения истинной длины прямого луча и от­раженного от боковой поверхности та же, только необходимо на­чинать с плана.

Какие же точки необходимо проверять в зале для выяснения вопроса выполнимости критического интервала? Это связано, по существу, с анализом отражающего действия всех поверхностей зала, но при этом можно ограничиваться проверкой отраженных лучей от точек поверхностей, лежащих ближе к источнику звука, именно они создадут отраженные лучи, которые могут привести к невыполнению критического интервала запаздывания.