4. Содержание отчёта

В отчёт следует включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки;

3) таблицы измеренных и вычисленных величин с соответствующими графиками и выводами к ним.

5. Контрольные вопросы

1) Каково назначение заглушённых комнат (камер) и какие основные требования предъявляются к ним?

2) Чем будут отличаться частотные характеристики чувствительности одного и того же громкоговорителя, снятые в заглушённой и реверберационной камере?

3) Как по зависимости звукового давления (или по его уровню) определяют качество заглушённой комнаты?

4) Как влияет на оценку качества заглушённой комнаты направленность излучателя?

5) Какая существует связь между направленностью излучателя и отражённой энергии от поверхности помещения?

6) С какой целью поверхности заглушённых комнат обрабатывают звукопоглощающими материалами в виде клиньев?

Литература

1. ОСТ 4.275.008-79. Камеры звукомерные, заглушенные. Общие технические условия.- Л.: НИИРПА, 1980.

2. Акустика: Учебник для вузов/Ш.Я Вахитов и др. Под ред. проф. Ю.А. Ковалгина.- М.: Горячая линия – Телеком, 2009.

3. Аннерт В., Стеффен Ф. Техника звукоусиления. Теория и практика.- М.: ПКФ «Леруша», 2003.

Работа № 5 Исследование влияния волновых процессов в помещениях на электроакустическую характеристику звукопередачи

1. Цель работы: состоит в ознакомлении с методикой определения собственных колебаний замкнутого объема воздуха на макете помещения и оценка их влияния на электроакустическую характеристику звукопередачи.

2. Общие сведения

Согласно волновой теории архитектурной акустики замкнутый объем воздуха в помещении представляет собой трехмерную колебательную систему с распределенными параметрами. Такая система обладает определенным спектром собственных частот, на которых она может совершать колебания с соответствующими постоянными затухания. При воздействии звукового сигнала от источника в помещении возникают колебания на собственных частотах и на частотах вынуждающего звука. По прошествии некоторого времени собственные колебания затухают каждое со своей скоростью, и мы слышим сигнал, воспроизводимый источником звука. После отключения источника или в паузах сигнала наступает свободный режим, и вся система колеблется на собственных модах и соответствующих им собственных частотах. Это значит, что в свободном режиме (режиме реверберации) слушатель воспринимает не тот сигнал, который воспроизводится излучателем, а колебательный процесс, происходящий на собственных частотах помещения. Поскольку каждое собственное колебание затухает со своей скоростью, то вместе они образуют интерференционную картину постепенно затухающего отзвука, или реверберацию.

Реакция воздушного объема на возбуждение может привести к существенному изменению характера звукопередачи, если частотный спектр собственных колебаний помещения заметно разрежен, а его составляющие по амплитуде и частоте отличаются от спектральных составляющих сигнала. Данное обстоятельство приводит к появлению на сквозной амплитудно-частотной характеристике тракта (электроакустической характеристике) ряда пиков и провалов, особенно заметных при малом звукопоглощении и больших интервалах между собственными частотами, что особенно характерно для области низких частот. Такая характеристика позволяет, в первом приближении, судить о тембральных искажениях, вносимых помещением в первичный сигнал.

Возникающие собственные колебания представляют собой стоячие волны, имеющие на границах помещения ( в предположении их абсолютной жесткости) пучности звукового давления и узлы колебательной скорости частиц воздуха. Эти граничные условия предполагают существование в данном объеме только таких собственных колебаний (или мод), при которых на каждом из размеров помещения укладывается целое число полуволн. Если звуковые волны распространяются вдоль одного из размеров помещения, а количество полуволн по двум другим размерам равно нулю, то такие волны называются осевыми. Если волны распространяются в плоскости, параллельной одной из граней прямоугольного помещения, то количество полуволн по третьему размеру равно нулю. Такие волны называются касательными. Волны, распространяющиеся в произвольном направлении и имеющие отличные от нуля количества полуволн по всем трем размерам помещения, называются косыми.

Собственные частоты помещения, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, для любых типов волн можно определить по следующей формуле [1]:

. (5.1)

Здесь n_{x ,} n_y, n_z - целые числа от 0 до ∞, соответствующие количеству полуволн на каждом из размеров помещения; l_x, l_y, l_z – соответственно длина, ширина и высота помещения, м ; c – скорость звука в воздухе.

Из формулы (5.1) видно, что каждую из собственных частот прямоугольного помещения можно формально рассматривать как вектор с компонентами

, , . (5.2)

Общее количество собственных частот n(f) для всех типов волн определяется равенством:

, (5.3)

где V, S, L – соответственно объем, площадь всех поверхностей и длина всех ребер помещения; f_n - граничная частота, до которой определяется значение n(f); q – добавочный член (меньший единицы), обеспечивающий целочисленность n(f).

Следует отметить, что выражение (5.3) носит приближенный характер для помещений, имеющих кратное соотношение сторон и, особенно, кубических. В этих случаях одни и те же собственные частоты могут соответствовать различным комбинациям n_x, n_y и n_z для косых, касательных и осевых волн, что приводит к так называемому вырождению собственных частот, то есть уменьшению их фактического количества по сравнению с расчетным. Уменьшение количества собственных частот в одном частотном интервале и увеличение в другом приводит к существенным искажениям звукопередачи. Для исключения этого явления необходимо стремиться к тому, чтобы помещение для записи или воспроизведения звукового сигнала имело не кратные и, тем более, не равные размеры. Важность оптимального выбора соотношений сторон прямоугольных помещений для записи и воспроизведения звука подчеркивается и в ряде международных стандартов и рекомендаций (ISO, OIRT и др.) [2].

Не менее информативной характеристикой помещения с точки зрения волновой теории является средняя плотность спектра собственных частот Δn (или количество собственных частот, приходящихся на заданный частотный интервал Δf), которая получается путем дифференцирования выражения (5.3) по f_n:

. (5.4)

Как видно из выражения (5.4), в области высоких частот, и, особенно для косых мод, в больших помещениях наблюдается высокая плотность спектра, что означает слабую избирательность передачи к высокочастотным составляющим звукового сигнала источника. В то же время на низких частотах преобладают осевые и касательные волны, с большой энергией, но с незначительной плотностью спектра. Это явление особенно сильно проявляется в малых помещениях. Известно, что малые помещения существенно искажают тембр звуковых сигналов, особенно низкочастотных. Средний интервал между соседними составляющими спектра в низкочастотной области приблизительно равен 8с/L. Поэтому для небольших помещений он может составлять 10 и более герц.

По данным различных исследований, если плотность спектра в частотном интервале Δf=1Гц составляет 3 и более, то помещение практически не дает тембрального «окрашивания» звука. При такой плотности спектра пики передаточной функции помещения (электроакустической характеристики) даже значительного уровня (до 20 дБ) на слух не воспринимаются.

Таким образом, наиболее критичным к возможности возникновения тембральных искажений звукового сигнала оказывается тот участок частотного диапазона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) помещения, где плотность спектра собственных частот менее трех. При этом нижнюю граничную частоту f_нн этого участка можно найти из (5.4), если принять условие возникновения первого волнового резонанса для волн косого типа как Δn = 1 при Δf = f_n (здесь f_n соответствует моде n_x = 1, n_y = 1, n_z = 1). Тогда получим для косых и, более строго, осевых мод.

, . (5.5)

Соотношения (5.5) характеризуют необходимый, но не достаточный частотный предел ограничения тембральных искажений и допустимости использования статистической теории архитектурной акустики, поскольку здесь плотность спектра гораздо меньше трех. Если же положить в (5.4) Δn=3, а Δf=1Гц, то получим величину f_нв, задающую верхнюю предельную частоту низкочастотного диапазона, начиная с которой к звуковому полю в помещении допустимо применение положений статистической теории архитектурной акустики. Эта частота определится как

. (5.6)

Из сопоставления (5.5) и (5.6) легко определить тот участок частотной характеристики звукопередачи в помещении (около 4-х октав), в пределах которого без принятия соответствующих мер возможно возникновение тембральных искажений звука. Общая же характеристика передачи помещения, как в стационарном, так и переходных режимах зависит также от характеристик излучателей и приемников, их взаимного расположения, и, кроме того, от характеристик согласующей и усилительной аппаратуры [3].

Для количественной оценки качества звуковоспроизведения в помещении введено понятие его электроакустической характеристики [4]. Электроакустическая характеристика конечной цепи представляет собой частотную зависимость уровня звукового давления, выраженного в децибелах относительно произвольного опорного давления, измеренного в заданном диапазоне частот в определенной точке зоны прослушивания при подаче «розового» шума постоянной электродвижущей силы на вход основного регулятора громкости, предшествующего усилителю мощности. Для получения этой характеристики в заданном помещении необходимо провести измерения и усреднить среднеквадратические значения звуковых давлений не менее, чем в пяти различных точках звукового поля помещения.