[Теория] Звук в закрытом помещении

[TContinental]

Звук в закрытом помещении
Аркадий Ефимов

Канал звукового вещания начинается с микрофона, расположенного в помещении, откуда идет передача, и заканчивается громкоговорителем, находящимся в комнате слушателя. Акустические свойства этих помещений влияют на характер звучания вещательной программы. Для понимания этого влияния необходимо рассмотреть некоторые вопросы акустики помещений.

Структура звукового поля в помещении существенно сложнее структуры звукового поля в свободном пространстве.

Звуковые волны, излучаемые источником звука, достигая поверхностей, ограничивающих помещение, частично поглощаются преградами, частично отражаются от них (направленно или рассеянно). После многочисленных отражений, когда поглощенная энергия станет равна излученной, устанавливается стационарное звуковое поле. Оно состоит из энергии, непосредственно (без отражений) достигающей точки, в которой находится приемник звука, и энергии многократно отраженных волн (диффузной энергии). Интенсивность звука непосредственной, прямой волны уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, интенсивность энергии диффузного звука примерно одинакова во всех точках помещения.

Наряду с прямой волной, идущей от источника звука, в помещениях существуют и отраженные волны. Они образуются при отражении от преград, то есть на границе двух сред с различными удельными акустическими сопротивлениями аналогично тому, как отражаются электромагнитные волны на границе сред с различными электрическими и магнитными свойствами (с разными волновыми сопротивлениями). Частным случаем отражения электромагнитных волн является отражение волн напряжения и тока на стыке электрических линий с различными волновыми сопротивлениями. Непременное условие отражения — размеры преград должны быть соизмеримы с длиной волны или больше ее.

При отражении звуковых волн от плоских препятствий (достаточно больших размеров по сравнению с длиной волны) справедлив закон геометрической оптики: угол отражения равен углу падения.

Характерным недостатком акустики помещений является наличие в ряде случаев стоячих волн. Они образуются при нормальном (перпендикулярном) падении волны на плоскую поверхность. В результате сложения непосредственной (прямой) и отраженной волн возникают максимумы (пучности) и минимумы (узлы) звукового давления и колебательной скорости, причем у преграды -максимум звукового давления и минимум колебательной скорости. Явление стоячих волн особенно ярко выражено при движении волны между двумя параллельными поверхностями, когда на расстоянии между преградами укладывается целое число длин полуволн.

Рассмотрим некоторые понятия, относящиеся к акустическим свойствам помещений: коэффициент поглощения и звукопоглощение.

Коэффициент поглощения — отношение энергии, поглощенной преградой, к энергии падающей волны.

Теоретически коэффициент поглощения изменяется от нуля (полное отражение) до единицы (полное поглощение). Следует заметить, что коэффициент поглощения полностью поглощающей поверхности (открытый проем) оказывается больше единицы вследствие того, что энергия, поступающая в проем, «собирается» с большей площади, чем площадь проема вследствие дифракции волн у границ проема.

Поглощение звуковой энергии преградой обусловлено вязкой деформацией поверхностного слоя материала или трением частиц воздуха в порах материала.

Материал преграды не является абсолютно упругим, смещение частиц вызывает потери на трении, в конечном счете, нагрев материала. Чем выше частота, тем все чаще за один и тот же промежуток времени повторяется деформация материала и отбор энергии, тем больше коэффициент поглощения.

Примеры коэффициентов поглощения некоторых материалов и предметов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Материал 125 Гц 4000 Гц
Бетонная стена 0,01 0,04
ДВП 0,3
0,42
Жесткий стул 0,02 0,04
Мягкое кресло 0,24 0,29
Человек 0,2 0,63

Познакомимся с понятием «поглощение». Это понятие — количественная оценка поглощающих свойств материалов или предметов. Поглощение какой-либо поверхности или предмета выражают эквивалентной площадью идеально поглощающей поверхности (а = 1), которая поглощает такое же количество энергии звуковой волны, что и рассматриваемые поверхности или предметы. Для поверхностей поглощение определяют произведением коэффициента поглощения на площадь поверхности.

Поскольку а — безразмерный коэффициент, поглощение имеет размерность площади. Итак, звукопоглощение выражают квадратными метрами эквивалентной полностью поглощающей поверхности. Единицей поглощения является 1 м2 открытого проема. Эта единица называется сэбином (Сб).

Звуковая энергия поглощается не только поверхностями преград помещения, но и воздухом. Эти дополнительные потери обусловлены вязкостью и теплопроводностью воздуха, а также молекулярными потерями. Значение этих потерь зависит от плотности, влажности и температуры воздуха и быстро растет с частотой.

При измерениях коэффициента поглощения материалов в измерительной камере разделить эти две составляющие потерь трудно. Поэтому достоверных данных о коэффициентах поглощения материалов на частотах выше 4…6 кГц нет.

В теории акустики помещений большее внимание уделяется переходным процессам, процессам установления, а не установившимся процессам. Это объясняется тем, что звучание музыки и речи представляет собой нестационарные процессы, а установившийся процесс в помещении является идеализацией и не представляет большого практического интереса.

В момент включения источника звука уровень звукового давления диффузного звука равен нулю. По мере распространения и многократного отражения звуковых волн плотность энергии диффузного поля нарастает и соответственно нарастает уровень звукового давления.

После выключения источника звука плотность энергии прямого звука исчезает практически мгновенно, а плотность энергии диффузного звука ввиду потерь энергии на преградах и в воздухе начинает постепенно убывать. Соответственно спадает уровень звукового давления.

Процесс спада уровня звукового давления на слух более заметен, чем процесс нарастания. Процесс нарастания маскируется звучанием источника звука. Процесс спада (реверберация, отзвук) идет в отсутствии прямого звука и потому хорошо воспринимается слухом. Заметим, что слух воспринимает не весь процесс спада уровня, а лишь его начальную часть, поскольку его продолжение маскируется шумами помещения или лежит ниже порога слышимости.

Экспериментально полученные графики нарастания и спадания уровней звукового давления в помещении отличаются от идеализированных. В реальных помещениях имеются причины, нарушающие этот ход: неравномерность распределения поглощающих материалов по преградам помещения, влияние резонансов помещения и др.

Следует различать понятия «реверберация» и «время реверберации». Реверберация (буквально «отражение») — физический процесс. Время реверберации — его количественная оценка. Для определенности за длительность процесса реверберации принимают время, за которое плотность диффузной звуковой энергии уменьшается в 106 раз, звуковое давление в 103 раз, уровень звукового давления на 60 дБ.

Рассмотрим основные положения и области применения наиболее распространенных теорий акустических процессов в помещениях: лучевой, волновой, статистической.

Старейшей теорией, объясняющей акустические процессы в помещениях, является лучевая. Движение звуковых волн в помещении рассматривается на основе положения геометрической оптики: угол отражения равен углу падения. Положения лучевой теории применимы, если линейные размеры помещения много больше длины волны. В этом случае можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот и анализ временной структуры поля вести, пользуясь достижениями лучевой теории. С помощью графических построений, натурного или компьютерного моделирования определяют наилучшие форму и размеры помещения. При этом профилю помещения и его плану придают такую форму, чтобы направить звуковые волны от источника звука на слушательские места, а временные задержки, обусловленные начальными отражениями (первыми, вторыми, третьими и т. д.), оптимизировать для получения наилучшего восприятия.

Методы лучевой теории просты и наглядны, а полученные результаты весьма важны для практических целей, главным образом, для проектирования концертных и театральных залов.

Однако применять методы лучевой теории для определения времени реверберации затруднительно в силу следующих обстоятельств:

не учитываются фазовые соотношения при отражении от преград,
значения коэффициента поглощения при косом, скользящем падении волн на преграду неопределенны, так что пространственное усреднение затруднительно,
из-за нестационарности звукового поля звукопоглощение преград зависит не только от свойств самих преград, но и от общего поглощения помещения, от наличия стоячих волн, образующихся при нормальном падении. Для одинаковых материалов их коэффициенты поглощения в помещениях с разным общим поглощением будут существенно различаться. Отличие может достигать 50 и даже 100%. Несмотря на перечисленные недостатки, методы лучевой теории широко используются в практике строительства больших залов.
В волновой теории, разработанной Морзом, Болтом, Дрейзеном и другими, помещение рассматривается как объемный резонатор с множеством собственных (резонансных) частот. Акустические процессы в нем рассматриваются как возбуждение собственных колебаний, их установление и постепенный спад после выключения источника возбуждения.

Для помещений небольшого объема плотность резонансных частот, особенно на нижних частотах, невелика, интервалы между ними составляют несколько герц и даже более. Поэтому спектр отзвука в таких помещениях заметно отличается от спектра возбуждающего сигнала. С увеличением объема помещения и с ростом частоты спектр собственных частот быстро уплотняется и практически становится сплошным, а не дискретным.

С позиций волновой теории объясняют различные акустические недостатки помещений: заметное изменение тембра звука в небольших помещениях, неприятное подчеркивание некоторых частотных составляющих, явление «порхающего эха», неудовлетворительное звучание в помещениях, пропорции которого сильно отличаются от «золотого сечения», — кубической формы или сильно вытянутого в одном направлении, с вогнутыми поверхностями и т. д.

По-видимому, на основе волновой теории можно определить время реверберации на каждой из резонансных частот помещения, если известны добротность помещения-резонатора или коэффициенты поглощения материалов на этих частотах, хотя в существующей литературе таких расчетных формул не имеется.

Статистическая теория разработана на протяжении ХХ века в трудах У. Сэбина и Ф. Эйринга, а также их последователей. В ней оперируют неограниченным числом отражений, происходящих при движении волн по множеству путей, но пренебрегают прямым путем. Введены статистические параметры: средняя статистическая длина пробега между двумя отражениями и средняя статистическая задержка сигнала на этом пути. Суммируя эти задержки за время, в которое плотность звуковой энергии уменьшится в 106 раз, определяют важнейший числовой акустический параметр помещения — время реверберации Т.

Получающееся расчетное значение времени реверберации тем ближе к истинному, чем медленнее спадает звуковая энергия, то есть чем меньше коэффициент поглощения и чем ближе соотношение размеров помещения к «золотому сечению».

Огромным достижением статистической теории явилась возможность численно определить время реверберации. Однако следует всегда критически относиться к получаемым результатам и не доверять им слепо.

Все статистические формулы имеют общий недостаток: если количество отражений мало, то средняя статистическая оценка времени реверберации невозможна. Так в помещении размером 12 × 9 × 6 м (объем 650 м3) средняя статистическая длина свободного пробега между двумя отражениями равна 5,5 м. Пусть Т = 1 с, при этом полезным слышимым является лишь часть этого времени, например 0,4 с. За это время звук пробегает 130 м и число отражений составит 23, что не слишком много.

Для зала размерм 40 × 30 × 15 м (объем 18000 м3) длина пробега составит 16 м, и количество отражений составит 8. Ясно, что при этом серьезная статистическая оценка времени реверберации невозможна.

Поэтому в больших залах, особенно сильно заглушенных, для оценки акустического качества важнее изучать распределение во времени прихода прямых волн и начальных отражений.

Выводы статистической теории неприменимы и для оценки небольших помещений, линейные размеры которых соизмеримы с длиной волны (или меньше ее) и с большим коэффициентом поглощения.

Наконец, в выводах статистической теории не учитывается энергия прямых волн. Поэтому результаты расчетов тем точнее, чем более удалена точка наблюдения от точки, в которой расположен источник звука.

Время реверберации является важным, но не единственным критерием акустического качества помещения. Оно характеризует акустические свойства помещения в целом, но слуховая оценка звучания на отдельных слушательских местах будет различной ввиду разного соотношения плотностей звуковой энергии прямого и диффузного звука. Изменение акустического отношения воспринимается слушателем как изменение времени реверберации. При восприятии музыки акустическое отношение изменяется в пределах от 6…8 (симфоническая музыка) до 10…12 (органная музыка), для четкого восприятия речи акустическое отношение должно быть менее единицы.

Рассмотрим понятие эффективной (эквивалентной) реверберации и соответствующего ему времени эффективной реверберации.

В этом понятии учтена не только энергия диффузного звука, но и энергия прямого звука, приходящая в точку приема. Значение эффективной реверберации существенно зависит от расстояния между источником и приемником звука. При малом расстоянии оно значительно меньше эффективной реверберации. Микрофон, обладающий направленными свойствами, воспринимает меньшую долю диффузной энергии, чем ненаправленный. Поэтому при применении направленного микрофона значение эффективной реверберации уменьшается.

Для достижения лучшего художественного впечатления музыка разных жанров должна исполняться при различном времени реверберации, называемом оптимальным. Поэтому для исполнения произведений разных жанров (симфоническая, камерная, эстрадная музыка, художественное чтение и т. д.) необходимы специализированные студии с различным временем реверберации. Его достигают выбором размеров студии и соответствующей ее отделкой различными звукопоглощающими материалами.

Различают три основных вида звукопоглощающих материалов и конструкций:

мягкие материалы (плотные, тяжелые ткани);
пористые материалы с жесткой структурой;
различные акустические конструкции.
Коэффициент поглощения первых и вторых материалов увеличивается с ростом частоты. Для восполнения недостаточного звукопоглощения этих материалов на нижних частотах применяют акустические конструкции резонансного действия — перфорированные панели и мембранные конструкции Г. Бекеши.

Увеличение коэффициента поглощения мягких и пористых материалов с ростом частоты объясняется возрастанием потерь на трение при изгибах нитей тканей и при трении частиц воздуха о стенки пор в материалах с жесткой структурой.

Немаловажным для достижения хороших акустических свойств помещений — студий, театров, концертных залов — является защита этих помещений от внешних шумов. Хорошая звукоизоляция достигается применением двойных стен, конструкцией «помещение в помещении», исключением окон, применением массивных дверей с хорошим притвором по всему периметру двери. Обмен воздуха в помещении производится с помощью системы кондиционирования воздуха с акустическими фильтрами в воздуховодах.

Не следует смешивать понятия «звукопоглощение» и «звукоизоляция»! Понятие «звукопоглощение» характеризует потери звуковой энергии внутри помещения, понятие «звукоизоляция» характеризует потери звуковой энергии при прохождении сквозь преграды.

Рассмотрим понятие собственной звукоизоляции преграды.

Собственная звукоизоляция характеризует ослабление звука преградой. Собственная звукоизоляция равна разности уровней интенсивности звука до и после преграды или, иначе формулируя, десяти логарифмам отношения мощностей, падающей на преграду и прошедшей сквозь нее. Собственная звукоизоляция увеличивается с ростом частоты, толщины и плотности преграды.

В идеале преграда колеблется как единое целое, линейные размеры преграды много больше длины волны, а плоская волна падает на преграду нормально. Однако при диффузном поле собственная звукоизоляция получается на 6 дБ меньше. Это объясняется тем обстоятельством, что значение проникающей сквозь преграду мощности обусловлено не значением мощности, а действующим давлением у преграды. При одном и том же давлении мощность, падающая в форме плоской волны, вчетверо больше диффузно падающей мощности. Это и дает разницу в 6 дБ.

Если же преграда закреплена по периметру и деформируется как мембрана, а не колеблется как поршень, то собственная звукоизоляция уменьшается примерно еще на 15 дБ. Последний случай ближе к реальности. Примерные значения звукоизоляции, усредненные в полосе частот от 100 до 3000 Гц, приведены в таблице 2.

Таблица 2
Кирпичная стена толщиной полкирпича 12 см 47 дБ
То же толщиной кирпича
25 см 53 дБ
Два кирпича
50 см 59 дБ
Окно с одиночным остеклением
15… 25 дБ
С двойным остеклением
25... 35 дБ
Одиночная дверь
15... 30 дБ
Двойная дверь с тамбуром 30
... 40 дБ

При составной преграде, содержащей участки с различной собственной звукоизоляцией, при различных уровнях акустических шумов за каждым из участков, мощность проникающего шума определяется суммированием мощностей, прошедших через различные участки, а затем полученное значение мощности пересчитывают в акустический уровень.

Студии — сложные, дорогостоящие в строительстве и эксплуатации сооружения. Поэтому еще в 60-е годы ХХ века И. Г. Дрейзен выдвинул идею т. н. бесстудийной записи. Причиной послужило расширяющееся применение адаптиризованных и электронных музыкальных инструментов. Запись может вестись в любом, даже акустически неприспособленном помещении. Электрические сигналы, получаемые от этих инструментов, подаются прямо в микшерный пульт. Музыканты слышат звучание своих инструментов через головные телефоны.

Звучание записи, лишенной реверберации, было бы бедным, «сухим». Поэтому электрические сигналы, поступающие от инструмента, нуждаются в облагораживании путем введения искусственной реверберации и электрических эффектов. Существуют несколько видов устройств искусственной реверберации: «комната эха», магнитофонные, листовые, пружинные, цифровые ревербераторы. Но в настоящее время применяются только цифровые ревербераторы.

Лучшее понимание акустических процессов в помещении, уточнение их аналитического выражения, совершенствование компьютеров и программ позволило перейти к более совершенной имитации процесса реверберации. Появилась новая отрасль техники звукового вещания и звукозаписи — компьютерная акустика.

В память компьютера вводятся программы преобразования электрических сигналов, отображающих исходные акустические сигналы. В зависимости от поставленных эстетических задач, преобразованиям подвергаются электрические сигналы всех инструментов, входящих в ансамбль, либо только часть их. Художественное, эстетическое качество преобразования зависит от степени совершенства программ.

Возможны различные варианты составления программы. Один из них — это моделирование процесса реверберации во временной области в соответствии с сэбиновским его представлением. Производится имитация в виде последовательности импульсов (сигналов), следующих один за другим со все более уменьшающимися интервалами. Требующаяся нерегулярность следования импульсов может быть получена путем применения генератора псевдослучайных чисел. Длительность процесса реверберации имитируется скоростью спада уровней импульсов. Этот процесс до некоторой степени имитируется во всех устройствах искусственной реверберации, но при использовании компьютера управление можно сделать более гибким. Например, изменяя плотность следования импульсов во времени, можно моделировать размеры помещения.

Известно, что процесс реверберации можно представить и в частотной области, т. е. воспользоваться волновым представлением процесса. Реверберацию рассматривают как постепенное затухание составляющих собственных резонансных частот (мод) помещения. Эти составляющие возбуждаются соответствующими составляющими спектра вещательного сигнала. Такое представление ближе к действительности. Задача составления программы сводится к математическому описанию размеров и формы помещения и выбору мест положения источников и приемников звука.

Сложнее задать коэффициент поглощения отражающих плоскостей. Скорость затухания собственных колебаний замкнутого объема различна, а сам процесс затухания во времени не является регулярным. Он определяется типом волн (осевые, касательные, косые), свойствами поглощающих поверхностей на разных частотах и углами падения волн на эти поверхности.

Важной составляющей знаний об акустике помещений и свойствах электроакустических преобразователей являются акустические измерения.

Различают три вида акустических измерений:

измерения акустических свойств помещений;
измерения свойств звукопоглощающих и звукоизолирующих материалов;
измерения параметров электроакустических преобразователей.
Главными задачами акустических измерений, проводимых в студиях и залах различного назначения, являются:

измерение времени реверберации;
определение времени направлений прихода запаздывающих отраженных акустических сигналов;
измерение уровней звукового давления в различных точках помещения;
проверка акустических недостатков помещения — фокусировки звука, «порхающего эха»;
измерение уровня проникающих в помещение акустических шумов.
Время реверберации определяют с помощью самописца уровней или реверберометра. Процедура измерения происходит следующим образом:

Измерительный сигнал создается генератором шума. Он проходит через набор полуоктавных или третьоктавных полосовых фильтров, усилитель мощности и поступает на находящийся в помещении ненаправленный громкоговоритель. Звук, воспринятый микрофоном, усиливается микрофонным усилителем, проходит набор полосовых фильтров, аналогичный первому, и поступает на самописец. После установления в помещении стационарного звукового поля громкоговоритель выключается и самописец фиксирует на бумажной ленте спад уровня. Уровнеграмма графически обрабатывается, и по скорости спада уровня определяют время реверберации. Измерения повторяют в различных полосах частот.

При втором методе исходным звуком служит импульс, получаемый при выстреле из спортивного стартового пистолета или разрядом конденсатора большой емкости. Отзвук выстрела или разряда записывают на магнитную ленту, а затем пропускают, как и в первом случае, через разные полосовые фильтры и полученные уровнеграммы обрабатывают, как и в первом случае.

Реверберометр, подключенный к микрофону, непосредственно показывает результат измерения времени реверберации в числовом виде.

Важно знать, насколько близки к оптимальным значениям времени запаздывания начальных откликов помещения на исходный звук. Звуковое поле в помещении возбуждают коротким тональным импульсом. Импульсный отклик помещения в виде серии запаздывающих импульсов наблюдают непосредственно на экране осциллографа с временной разверткой.

По осциллограмме, называемой в данном случае рефлектограммой, определяют промежутки времени между приходами к микрофону запаздывающих отраженных импульсов, находят полезные и вредные отражения.

Для определения направлений прихода запаздывающих импульсов пользуются поворотным остронаправленным микрофоном. Этим же методом можно определить диффузность поля в помещении, возбуждая поле сигналом переменной частоты («воющим тоном»).

Уровни звукового давления измеряют обычным шумомером в различных точках помещения. По результатам измерений определяют неравномерность уровней звукового поля и сравнивают ее с допустимой (обычно 4 дБ).

Акустические недостатки помещения вида фокусировки звука и «порхающего эха» определяют измерениями или на слух. Для оценки уровня проникающего шума пользуются также шумомером.

Коэффициент звукопоглощения различных акустических материалов определяют с помощью реверберационной («гулкой») камеры по разнице времени реверберации пустой камеры и камеры, в которую внесены исследуемые образцы. А вот амплитудно-частотные характеристики и диаграммы направленности микрофонов и громкоговорителей исследуют в заглушенной акустической камере, методики измерений приведены в соответствующих руководствах.