6. Отражение звука от плоских, выпуклых вогнутых поверхностей и их влияние на акустику зала. Эхо. Фокусирование звуковой энергии. Некоторые приемы устранения эха и фокусирования.

Эхо. Поздние звуковые отражения при определенных услови­ях могут вызвать эхо - заметное на слух повторение прямого зву­ка. Заметность эха и его мешающее действие зависят от целого 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. Наиболее низкий порог - для речи, а наиболее высокий - для медленных скрипичных и органных пассажей. Эхо, заметное при речевом сигнале, может совсем не мешать восприятию при ис­полнении музыкальных произведений.

Н а субъективную оценку эха влияют и другие физические параметры звукового поля. К ослаблению эха приводят достаточ­но интенсивные промежуточные отражения, расположенные (по времени запаздывания) между эхом и прямым звуком. Немаловажным условием для возникновения эха является и абсолютный уровень прямого звука, при увеличении которого порог заметности (мешающего действия) эха уменьша­ется. Существенное значение для формирования эха имеет также спектр запаздывающего отражения. Так же, немаловажным фактором, влияющим на порог эха, является направление прихода позднего звукового отражения. Было установлено, что время появления слышимого эха за­висит от частоты импульса. Для частоты 500 Гц оно составляет 45 мс, для частоты 1000 Гц - 35 мс и для частоты 2000 Гц - 25 с.

З вучное эхо. Когда к слушателю приходит группа эхосигналов, образованных одним и тем же первичным звуком, но разде­ленных столь короткими промежутками времени, что они уже не воспринимаются слухом как отдельные звуки, то получается так называемое звучное эхо, причем длина волны основного тона соответствует расстоянию между двумя эхосигналами.

фортиссимо по Отношению к некоторой ожидаемой громкости на месте прослу­шивания.

Порхающее эхо. Многократное или порхающее эхо пред­ставляет собой периодическую последовательность эха. Порхаю­щим обычно считается, по крайней мере, трехкратное эхо. Пор­хающее эхо возникает прежде всего при отражении звука между двумя параллельными поверхностями, скажем в вестибюлях и длинных коридорах, пол которых как правило, покрыт плитками, но может быть и между вертикаль­ными поверхностями. Например, звук выстрела во дворе замка Симонетта в Италии, недалеко от Милана, имеющего здание в плане в виде буквы П, повторяется 40 - 50 раз. Вероятность его появления можно предугадать между большими остекленными параллельными поверхностями.

Особенно силь­ное порхающее эхо наблюдается при отражении звука между вогнутой и плоской поверхно­стью или между двумя вогнутыми поверхностями. На практике это можно наблюдать в помещениях со сводчатым или куполообразным покрытием и плоским горизонтальным полом, например, как это наблюдалось в одном из танцевальных залов, где каждое шестое отражение возвраща­лось в исходную точку (рис. 1). Порхающее эхо связано не просто с отражением звуков, но и с взаимодействием отраженных волн друг с другом, т.е. с интерференцией звука (приход в точку волн в одной фазе приводит к их усилению, а в противоположных фа­зах - к ослаблению).

Можно отметить также, что порхающее эхо возникает не только между двумя поверхностя­ми, но и большим количеством непараллельных поверхностей, как, например, это имело место в одной из студий Датского Дома радио (рис. 2).

Связи субъективной оценки порхающего эха и объективных характеристик звукового поля ис­следованы довольно слабо, прак­тически отсутствуют объективные критерии оценки. 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.

Устранение мешающих акустических эффектов (стр.27-36)

Метод геометрических отражений позволяет на стадии про­ектирования определять наличие целого ряда неблагоприятных акустических эффектов, наиболее крупными из которых являются простое эхо, порхающее и звучное эхо, высокий уровень прони­кающих шумов. Они могут ухудшить или даже сделать невоз­можным восприятие полезного сигнала. Кроме того, эхо является причиной нарушения правильной локализации источника звука. Порхающее эхо может стать причиной искажения тембра сигна­ла. Меры по устранению мешающих факторов должны прово­диться на стадии проектирования, в готовом зале исправлять их затруднительно, а иногда и невозможно. Наибольшую опасность с точки зрения образования эха могут представлять вогнутые по­верхности и весьма важно знать, как расположены источник зву­ка и приемник относительно фокуса вогнутой поверхности.

Если источник звука рас­положен в фокусах сферы, по­верхностей, образованных вращением параболы, цилинд­рической поверхности, то 'от­раженные волны пойдут парал­лельным пучком. Отражения такого рода создаются, например, в рупорных устройствах, использующихся в мегафонах, громкоговорителях, музыкальных раковинах эстрад (рис. 10).

Естественно, что обратный ход звуковых волн (из бесконеч­ности параллельным пучком) даст действительную концентра­цию их в фокусе криволинейной поверхности. Ответим только, что лучи должны идти параллельно главной оптической оси.

Интересен случай возможной концентрации в зале эллипти­ческой формы: если источник звука будет находиться в 0днОМ из фокусов эллипса, то звуковые волны, отражаясь от Поверхностей, собираются в другом фокусе.Если источник находится за фокусом, но не слишком далеко, не в бесконечности, то звуковые волны, отражаясь от поверхности, соберутся в одной точке, положение которой определяется из уравнения: 1/а+1/b = 2/R. (15) где а - расстояние от источника звука до сферической по­верхности;

Ь - расстояние от сферической поверхности до точки, в которой сходятся отраженны.

Если источник, звука находится на расстоянии меньшем R / 2 (R - радиус сферической или ци­линдрически по­верхности)

(a≤R/ п,п>2). (рис 11)от вогнутой поверхности то Звуковые лучи никогда не фокусируются а

пределах помещения и энергия распределяется по всей отраженной поверхности, скажем, поверхности пола.

Если центр кривизны расположен вблизи от ис­точника звука, то концентрация звука получается особенно силь­ной, а точки концентрации перемещаются вместе с пе­ремещением источника зву­ка.

Концентрация отражен­ного звука и его большое запаздывание приводит к сильному эхо, но и при меньшем запаздывании по­лучается неприятная мест­ная неравномерность звуко­вого поля. Средствами борьбы с концентрацией энергии является изменение геометрии вогнутой поверхности, ее звукопоглощающая отделка или члене­ние.

Изменение геометрии поверхности сводится к увеличении радиуса кривизны до значений, составляющих не менее, чем у военное расстояние от поверхности до источника звука. Однако двукратное превышение в ряде случаев может оказаться недостаточным. Так, например, если такой вогнутой поверхностью будет задняя стена или барьер балкона, то интенсивность отражённой волны при R=2a, будет убывать значительно медленнее, чем при сферическом распространении (рис. 14). Такое отражение, имея значительное запаздывание, вызовет эхо на сиене или в первых рядах партера, которые обычно лишены интенсивных промежуточных отражений. Кроме того перемещение источника звука будет приводить и к перемещению точки концентрации. В рассмотренных случаях речь шла о первых отражениях от вогнутых поверхностей Во­гнутые поверхности в зале могут быть причиной концен­трации вторых отражений, имеющих, как правило, весьма значительное запаздывание. Такой эффект наблюдается в залах с вогнутой задней стеной (с круглой или овальной фор­мой зала) при горизонтальном или наклонном потолке (рис. 15).

Круглая или овальная форма плана зрительного зала, несмотря на свою привлекатель­ность с точки зрения восприятия, неудобна как с точки зрения возможности эхообразования, так и зон концентрации не только от первично отраженных волн, так и возможных случаев образо­вания зон вторичных отражений, как это изображено на рис 16.

Поздние отражения от уг­ла между вогнутой стеной и потолком концентриру­ются в передней зоне за­ла, вызывая сильное эхо. Цифрой 1 обозначена зо­на концентрации первич­ных отражений, цифрой 2 - зона концентрации вто­ричных отражений.

Достаточно простыми способами ослабления возможности образования эха на передних рядах при овальной задней поверхности является компоновка сопряжения задней стены и потолка так, чтобы от­раженные звуки попадали к слушателям последних рядов с воз­можно меньшим запаздыванием.

Рациональные типы примыкания потолка к задней стене(рис.17):

а) наклон задней стены;

б) наклон примыкающего к стене участка потолка;

в) наклон участка потолка, и задней стены;

г) острый угол между потолком и задней стеной .

Возможно эхо и при плоской задней стене, но оно не является

ощутимой помехой из-за слабой интенсивности отраженного сигнала и исправляется теми же приведенными приемами.

Ослабление концентрации отраженного звука можно достичь и путем звукопоглощающей отделки вогнутой поверхности, но это не всегда возможно, а иногда даже и нежелательно.

Третьим достаточно эффективным средством ослабления концентрации является членение вогнутой поверхности, но так, чтобы размеры их были близки к длине волны рассеиваемых зву­ков. Особенно выгодны в этом отношении элементы с криволи­нейной поверхностью (выпуклой) (рис. 18). '

Концентрация звука является причиной возникновения интенсив­ного порхающего эха Она усиливает­ся, если напротив плоскости размеща­ется вогнутая поверхность или же при расположении двух вогнутых поверх­ностей друг против друга.

Увеличение радиуса кривизны или отклонение противоположных стен от параллельности (в пределах 5°) не дает существенного ослабления поохающего эха. Большего успеха здесь можно добиться путем звукопо­глощающей отделки, особенно если v она требуется и для снижения времени реверберации или же путем расчлене­ния, по крайней мере, одной из проти­воположных стен.

Двойное фокусирование может встретиться в метро со сводчатым по­толком (рис. 19). Не исключен случай образования нескольких фокусов, на­пример, в круглом зале (рис. 20).

Условие, соответствующее рис. 20 может встретиться и в зрительном за­ле. Например, концертный зал Дома Брукнера в Линце (Австрия).

В помещениях, имеющих гладкие вогнутые поверхности (в плане эллиптической или круглой формы), может иметь место еще один акустический феномен. Если около поверхности, как можно ближе к ней, произнести шепотом слово, то отраженные многократно от поверхности звуковые волны могут проходить по хордам разного размера достаточно большое расстояние и после концентрации их уровень сигнала намного больше, чем по пря­мому направлению. Этот феномен иногда называют эффектом шепчущих сводов или шепчущих галерей.