Работа № 1 Измерение реверберационных параметров помещений

1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения и расчета ряда реверберационных параметров помещений.

2. Общие сведения

Под реверберационными параметрами помещений понимаются некоторые промежутки времени, продолжительность которых вносит изменения в переходные процессы в первичном (прямом) звуке источника, отсутствующие в свободном пространстве. Возникающие переходные процессы обусловлены отражениями от поверхностей помещения, которые приходят к слушателю с достаточной интенсивностью и задержкой во времени в виде отзвуков. Кроме того, отзвуки предыдущих речевых или музыкальных импульсов, накладываясь во времени в паузы сигналов, маскируют их, что в целом ухудшает качество звукопередачи как за счет таких мультипликативных помех, так и их аддитивных составляющих при значительных (более 200 мс) запаздываниях отражений.

Наиболее известным временным параметром (характеристикой) помещений является время стандартной реверберации T₆₀, которое, исходя из формального удобства, обычно находят по процессу затухания энергии. T₆₀ – это такой промежуток времени после выключения (или в паузах) прямого звука, в течение которого звуковая энергия в помещении уменьшается в 10⁶ раз, что по уровню энергии составляет 60 дБ. Несмотря на широкое использование на практике, T₆₀ является величиной среднестатистической, так как его измерение и расчет справедливы лишь при достаточно большом количестве отражений (не менее 150), приходящих в любую точку прямоугольных и соразмерных помещений, и экспоненциальной зависимости затухания (нарастания) энергии, что характерно только для идеализированных диффузных полей. В этом случае отношение энергии E(T₆₀) (в момент t=T₆₀) к энергии в установившемся (стационарном) режиме E₀ (при t=0) равно

,

где – показатель затухания помещения с объемом V и площадью S всех поверхностей помещения со средним коэффициентом звукопоглощения , включающим в себя коэффициенты звукопоглощения всех объемных элементов (стулья, зрители и т.п.); с – скорость звука в воздухе.

Отсюда получается классическая зависимость Сэбина для диффузного поля в помещении, когда [1,2], т.е.

. (1.1)

При  >0,2 в помещениях диффузное поле в целом не обеспечивается, поэтому более точной является формула, полученная Эйрингом, но также для соразмерных помещений (отношение длины к высоте помещения меньше пяти) [3]

(1.2)

В общем случае в (1.1) и (1.2) необходимо учитывать влияние поглощения звука в воздухе, что осуществляется путем введения в знаменатели дополнительного слагаемого 4V (где   показатель затухания звука в воздухе, 1/м). Тогда, например, в (1.2) будем иметь [4]

(1.3)

Необходимо отметить, что на частотах выше 4 кГц расчет и измерение T₆₀ теряют смысл, поскольку слагаемое 4V стано­вится гораздо больше, чем звукопоглощение поверхностей помещений.

Для несоразмерных помещений (отношение длины к высоте больше пяти) в формулу для T₆₀ необходимо вводить не среднее, а точное значение длины свободного пробега звуковой волны в данном помещении или использовать нормально-логарифмическое распределение средних коэффициентов затухания по трем координатным осям помещения. Данная нормализация дает следующее выражение T₆₀ (формула Арау) для помещений нормального типа (с тремя парами взаимнопараллельных поверхностей)

, (1.4)

где X, Y и Z – соответственно, отношение сумм площадей двух противоположных поверхностей помещения, обеспечивающих отражения при распространении звуковых волн вдоль осей х, у и z к общей площади;  соответственно, средние коэффициенты звукопоглощения указанных поверхностей.

Физиологическая особенность слуха человека, заключающаяся в том, что ощущения пропорциональны логарифму раздражения, позволяет значительно упростить процедуру аппаратурного моделирования слухового восприятия путем измерения T₆₀ с помощью логарифмического самописца уровней, когда процесс затухания уровня энергии в диффузном поле (e^-T) подчиняется линейной зависимости (-Tlge). При этом в ряде случаев нет необходимости регистрировать уменьшение уровня на 60 дБ. Вполне достаточно ограничиться разницей в уровне порядка N=30дБ [3] и найти T₆₀ по измеренному промежутку времени t_u , т.е. T₆₀30дБ, а t_u N(30)дБ, тогда

, (1.5)

где l  путь, пройденный регистрирующей бумагой самописца при уменьшении уровня звука на N(30) дБ;  скорость движения бумаги.

Однако линейность хода затухания уровня энергии, являющаяся своеобразной мерой акустического достоинства помещений, на практике встречается сравнительно редко. Более часто кривые затухания изобилуют пиками и изломами, обусловленными отдельными (не диффузными) отражениями, особенно проявляющимися при близком расположении приемника (слушателя) и источника. Время стандартной реверберации, измеренное по таким аномальным кривым, уже не в полной мере характеризует акустические условия в помещениях. Поэтому для оценки помещений по кривым затухания энергии были предложены и другие временные параметры.

Так, исходя из условий лучшей корреляции со слуховым восприятием (по ранним отражениям), используется время раннего спада T₁₀ , или EDT (Early Determination Time) – это время реверберации, определяемое по начальному участку кривой затухания энергии в пределах от 0 до –10 дБ. При расчете T₁₀ наклон начального участка аппроксимируется до –60 дБ. Понятно, что при линейной зависимости до –60 дБ Т₁₀ будет равно T₆₀, что, как правило, требуется для диффузного поля. Таким образом высчитываются и параметры T₂₀ (участок –5 … –25 дБ ), Т₃₀ (–5 ... –35 дБ ) [2].

Расчет данных параметров пока теоретически не обоснован, но некоторое приближение к ним имеет зависимость для времени эквивалентной реверберации, которое определяется с учетом свойств слуха, расстояния r между источником и микрофоном, а также их направленных свойств по формуле

, (1.6)

где r₀=r_г/r – нормированный радиус гулкости, учитывающий, кроме r, направленные свойства источника и общее звукопоглощение помещения; _м – коэффициент направленности микрофона.

В целом большую информацию об акустических свойствах помещений дают так называемые энергетические критерии качества звукопередачи, определяемые (подобно слуху) по процессам нарастания звуковой энергии, но более сложным образом (см. работу №3).