4.10. Общие принципы акустического проектирования залов

Акустическое решение проектируемого или реконструируемого зала прежде всего зависит от его функционального назначения и вместимости. Однако приемы, используемые при акустическом проектировании, являются общими для залов различного назначения. К ним относятся:

- соблюдение основных пропорций зала;

- расчеты времени реверберации;

- расчеты геометрических отражений звука;

- разработка мероприятий по улучшению диффузности звукового поля в зале.

Независимо от назначения зала в них должны быть обеспечены достаточно низкий уровень шума, отсутствие эха, порхающего эха и тембровые искажения.

Основные размеры и пропорции зала должны выбираться из следующих условий:

≤ ; 1< <2; 1< <2,

где - длина зала по его центральной оси, м;

- предельно допустимая длина зала, м;

и - соответственно средние ширина и высота зала, м;

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.

При проектировании акустики зрительных помещений большое значение имеет форма помещения в плане и разрезе, а также пластическая отделка интерьера. Прямоугольная форма в плане с плоским горизонтальным потолком допустима только для небольших лекционных залов вместимостью до 200 человек. Во всех других случаях зрительных залов оптимальной формой плана является трапециевидная с углом раскрытия 10-12^о. Наличие параллельных плоских поверхностей несет опасность появления «порхающего эха», криволинейных вогнутых – фокусирования звука.

Наибольшую опасность с точки зрения образования эха, представляют вогнутые поверхности, которые концентрируют отраженный звук в небольшой области зала.

Наиболее неблагоприятный вариант зала, когда центр кривизны находится вблизи источника звука (рис. 4.31, а). В этом случае значительное запаздывание отраженного звука приводит к образованию слышимого эха. Ситуация улучшается при увеличении расстояния между центром кривизны и источником звука (рис. 4.31, б). Опасность образования эха ослабевает, если расстояние от поверхности до источника не менее чем в 2 раза меньше радиуса кривизны (рис. 4.31, в).

Рис.4.31. Отражение звука от вогнутой поверхности при различном взаимном положении источника и центра кривизны: Q - источник звука; O - центр кривизны; Ф - фокус; r - радиус кривизны.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что позволяет сократить длину зала и повысить диффузность звукового поля на низких частотах. При проектировании балконов необходимо стремится, чтобы отношение выноса балкона а₁ к средней высоте подбалконной пазухи h₁ не превышало 1,5 (рис. 4.32).

Для пазухи над балконом (если нет вышележащего балкона) отношение а₂/h₂ может быть увеличено до 2. При соблюдении этих требований наблюдаются благоприятные акустические условия на местах, расположенных на балконе и под ним.

Рис. 4.32. Оптимальные соотношения пазух над балконом и под ним: 1 – вариант наклонного потолка

Пол партера и балкона должен иметь профиль, обеспечивающий хорошую видимость сцены и уменьшающий поглощение прямого звука при его распространении над сидящими слушателями и экранирование слушателями друг друга. Для этой же цели высота сцены должна возвышаться над уровнем пола прилегающего к сцене партера не менее 1 м.

В зрительных залах допустимое отклонение времени реверберации от оптимальных значений не должно превышать ± 10%. При большем отклонении величин необходимо внести изменения в конструктивное решение зала.

Время реверберации является необходимым, но иногда недостаточным критериям оценки акустических качеств зала. В больших зрительных залов на качество звучания значительное влияние оказывает не только реверберация звука, но и структура ранних отражений.

Необходимая структура ранних отражений в зрительных залах обеспечивается пластической отделкой интерьера и специальными звукоотражательными экранами, располагаемыми на пути распространения звуковых волн, которые через некоторые интервалы времени после одного или нескольких отражений доходят до зрителя.

С помощь графического анализа осуществляется проверка равномерности поступления в зоны слушательских мест первых отражений от стен и потолка с допустимыми запаздываниями , которые для речи составляют 20-25 мс, а для музыки - 30-35 мс. Построения проводятся по законам лучевой (геометрической) оптики. Запаздывание первых отражений , мс, определяют по формуле

= , (4.32)

где l_отр - длина пути отраженного звука, м;

l_пр - длина пути прямого звука, м;

с - скорость звука в воздухе (с = 340 м/с).

Радиус прямого действия звука r_пр составляет для речи 8-9 м, для музыки - 10-12 м. Для зрительских местах, расположенных в пределах прямого действия звука, усиление с помощью отражений не требуется. Начиная с r_пр интенсивные первые отражения должны перекрывать всю зону зрительских мест. Данные расчета позволяют проанализировать как структуру первых отражений в отдельных точках (зонах) зала, так и распределение этих отражений по всей площади слушательских мест.

Анализ ранних отражений основан на применении способов геометрической акустики. Расчет геометрических отражений звуковых волн (главным образом первых) является основным способом контроля правильности выбора формы зала и очертаний его внутренних поверхностей. Данные расчета позволяют проанализировать структуру первых отражений в отдельных точках зала и распределение их по всей площади слушательских мест. С помощью расчета геометрических отражений производится оценка опасности возникновения эха.

Сущность расчета геометрических отражений основана на понятии фронта звуковой волны и метода звукового луча, в направлении которого распространяются эти волны. Распределение звуковых лучей принимается аналогично распределению световых лучей в геометрической оптике, базирующихся на двух законах геометрического отражения:

1) падающей и отраженной от какой-либо точки поверхности лучи образуют равные углы (угол падения и угол отражения) с нормалью к отражающей поверхности в этой точке;

2) падающий и отраженный лучи лежат совместно с нормалью в одной плоскости (лучевая плоскость).

Построение отраженных звуковых лучей от плоскости и криволинейной поверхности приведены на рис. 4.33.

При построении геометрических отражений от плоскости (рис. 4.33, а) используется мнимый источник звука Q₁, симметричный с действительным источником Q по отношению к отражающей поверхности и находящийся по другую ее сторону. Для построения мнимого источника необходимо из точки точечного источника Q опустить перпендикуляр QA и на его продолжении отложить отрезок Q₁A, равный отрезку QA. Прямая, проведенная из мнимого источника Q₁, после пересечения или отражения плоскости позволяет получить равенство углов падения и отражения.

При построении отражений от криволинейной поверхности (рис. 4.33, б) при заданном положении точечного источника Q необходимо в точке 0 построить плоскость T_к, касательную к криволинейной С. Мнимый источник Q₁ строится аналогично, как это показано в предыдущем примере. Продолжение ОМ прямой Q₁O после пересечения с криволинейной поверхностью C является искомым отраженным лучем.

В случае с криволинейной поверхностью для каждой точки отражающей поверхности необходимо строить свой мнимый источник Q₁, в отличие от плоскости, у которой для отражения от любой ее точки мнимый источник один и тот же при постоянном положении точечного источника Q.

Рис. 4.33. Построение геометрических отражений от плоскости(а) и криволинейной поверхности (б)

Построение отраженных звуковых лучей от выпуклых криволинейных поверхностей свидетельствуют о звукорассеивающихся свойствах этого вида пластической отделки стен и потолка, поэтому в практике этот вид пластической отделки широко используется для создания дуффузионного звукового поля.

Диффузность звукового поля может быть достигнута двумя средствами: за счет расположения на стенах помещения звукопоглощающих материалов в виде равномерных участков или за счет создания рельефа на поверхностях стен и потолка. Однако, применение звукопоглотителей может оказаться нежелательным, если оно приводит к уменьшению времени реверберации помещения по сравнению с оптимальным. Применение рельефа является более рациональным и особенно эффективным, когда длина звуковых волн близка к размерам рельефных деталей. Особенно пригодны для этой цели элементы с криволинейным выпуклым сечением, которые рассеивают также и более короткие волны.

Участки рельефа должны быть достаточно большими (не менее 1,5 – 2 м). Отдельные мелкие неровности поверхностей стен и потолка не обеспечивают надлежащего рассеяния звуковой энергии. Хорошо рассеивают звуки в диапазоне средних и высоких частот членения в виде цилиндрических и призматических форм, а в диапазоне звуковых волн низкой частоты – прямоугольной формы членения (рис. 4.34).

Ориентировочные размеры периодических членений, обеспечивающие рассеяние отраженного звука в зависимости от разных частот приведены на рис. 4.35.

Заштрихованная область на рис. 4.35 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в указанных на этом рисунке областях частот.

Мелкие элементы членения размером 10 – 20 см рассеивают отраженный звук на частотах выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание отраженного звука в области частот 200 – 600 Гц дают пилястры размером 1 – 2 м по ширине и 0,5 – 1 м по глубине при шаге членения 2 – 4 м. Пилообразные членения глубиной 15 -20 см и шагом 1,2 -1,5 м эффективны начиная с 600 Гц.

Рис.4.34. Формы и размеры пластических архитектурных членений, обеспечивающих

рассеивание отражений

Рис.4.35. Ориентировочные размеры периодических членений, обеспечивающие рассеяние отраженного звука разных частот: b – ширина элемента; d – глубина профилировки; g – период членения

Рассеивающий эффект членения улучшается, если их шаг нерегулярен, т.е. расстояние между смежными членениями неодинаковы по всей поверхности.

При примыкании задней стены зала к потолку под углом 90⁰ или меньше отраженный звук от потолка и задней стены, имея значительное запаздывание, может вызвать эхо на сцене и в первых рядах зрителей, так как эти зоны лишены интенсивных промежуточных отражений (рис. 4.36).

Для ослабления такого эха следует выполнить наклонной часть потолка у задней стены или наклонной заднюю стену зала (рис. 4.37).

При проектировании зрительных залов необходимо предусмотреть ряд шумозащитных мероприятий с целью ослабления проникающих в зальные помещения уличных шумов. С точки зрения шумозащиты особое значение имеют расположение здания и его внутренняя планировка.

Рис. 4.36. Распределение звуковых отражений в залах с горизонтальным (а) и наклонным (б) потолком

Рис.4.37. Рациональные типы примыкания потолка к задней стене: 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

При проектировании зрительных залов необходимо предусмотреть ряд шумозащитных мероприятий с целью ослабления проникающих в зальные помещения уличных шумов. С точки зрения шумозащиты особое значение имеют расположение здания и его внутренняя планировка. Желательно, чтобы здание располагалось как можно дальше от шумной магистрали, а если это невозможно, оно должно отступать от красной линии. Зрительный зал необходимо размещать в центральной части здания, размещая вокруг него вспомогательные помещения (фойе, буфет, вестибюли, коридоры и т.п.), которые защищают зал от непосредственного проникновения уличного шума. Окна зала не должны быть обращены в сторону шумных проездов и их следует проектировать с учетом шумопонижения. Инженерное оборудование здания (вентиляторы, насосные, холодильные установки, шахты лифтов, трансформаторные и т.п.) не должны примыкать к залу. Для повышения звукоизоляции между залом и фойе входы должны иметь плотно закрывающие двери или тамбуры с двумя дверями.