РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

Рассмотрим несколько теорий, позволяющих составить представление о процессах распространения звуковых волн в различных помещениях.

Одна из таких теорий геометрическая (лучевая) теория

Основные положения. Геометрическая (лучевая) теория акустических процессов в помещениях основана на законах геометрической оптики. Движение звуковых волн рассматривают подобно движению световых лучей. В соответствии с законами геометрической оптики при отражении от зеркальных поверхностей угол отражения b равен углу падения a, и падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Это справедливо, если размеры отражающих поверхностей много больше длины волны, а размеры неровностей поверхностей много меньше длины волны.Характер отражения зависит от формы отражающей поверхности. При отражении от плоской поверхности (рис.7, а) возникает мнимый источник И', место которого ощущается на слух подобно тому, как глаз видит мнимый источник света в зеркале. Отражение от вогнутой поверхности (рис.7, б) приводит к фокусировке лучей в точке И'. Выпуклые поверхности (колонны, пилястры, крупные лепные украшения, люстры) рассеивают звук (рис.7, в).

Рис. 7

При своем распространении звуковые волны, доходя до какой-либо преграды, частично отражаются от нее, а частично ее огибают. Последний эффект определяется дифракционной способностью волн и зависит от соот­ношения между размерами преграды и длиной волны. Для звуковых волн в воздухе в диапазоне частот 30— 15 000 Гц дифракция может наблюдаться при размерах преград от нескольких сантиметров до нескольких мет­ров. При встрече звуковых волн с преградами больших размеров дифракционный эффект присутствует только на краях преграды. Часть энергии звуковых волн отра­жается, а часть поглощается, соотношение этих частей определяется свойствами материала преграды. Для учета этого эффекта введены понятия коэффициентов поглощения и отражения звука. Отношение интенсив­ности отраженных звуковых волн І_отр к интенсивности падающих І_пад называется коэффициентом отражения а_отр = І_отр/І_пад, а отношение поглощенной энергии к па­дающей — коэффициентом поглощения а = І/І_пад, где І— интенсивность поглощенной энергии. Если нет ди­фракции, то а=1— а_отр . Заметим, что коэффициенты поглощения и отражения зависят от частоты. Отражен­ные волны интерферируют с падающими волнами и об­разуют стоячие волны с пучностями и узлами.

Роль начальных отражений. Немаловажным для слухового восприятия является запаздывание отраженных звуковых волн. Звук, излученный источником, доходит до преграды (например, стены) и отражается от нее. Процесс многократно повторяется с потерей при каждом отражении части энергии. На места слушателей (или в точку расположения микрофона) первые запаздывающее импульсы, как правило, приходят после отражения от потолка и стен зала (студии).

Вследствие инерционности слуха человек обладает способностью сохранять (интегрировать) слуховые ощущения, объединять их в общее впечатление, если они длятся не более 50 мс (точнее 48 мс). Поэтому к полезному звуку, подкрепляющему исходный, относятся все волны, которые достигают уха в течение 50 мс после исходного звука. Запаздыванию на 50 мс соответствует разница в пути 17 м. Концентрированные звуки, приходящие позднее, воспринимаются как эхо. Отражения от преград, укладывающиеся в указанный промежуток времени, являются полезными, желательными, так как они увеличивают ощущение громкости на значения, доходящие до 5 - 6 дБ, улучшают качество звучания, придавая звуку "живость", "пластичность", "объемность". Таковы эстетические оценки музыкантов.

Исследования начальных отражений методом акустического моделирования были проведены в Научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ) под руководством А. И. Качеровича. Изучалось влияние на качество звучания речи и музыки формы, объема, линейных размеров, размещения звукопоглощающих материалов. Получены интересные результаты.

Существенную роль играет направление прихода начальных отражений. Если запаздывающие сигналы, т.е. все ранние отражения, поступают к слушателю с того же направления, что и прямой сигнал, слух почти не различает разницы в качестве звучания по сравнению со звучанием только прямого звука. Возникает впечатление "плоского" звука, лишенного объемности. Между тем даже приход только трех запаздывающих сигналов по разным направлениям, несмотря на отсутствие реверберационного процесса, создает эффект пространственного звучания. Качество звучания зависит от того, с каких направлений и в какой последовательности приходят запаздывающие звуки. Если первое отражение поступает с фронтальной стороны, звучание ухудшается, а если с тыльной стороны, то резко ухудшается.

Весьма существенно время запаздывания начальных отражений по отношению к моменту прихода прямого звука и относительно друг друга. Длительности запаздывания должны быть различными для наилучшего звучания речи и музыки. Хорошая разборчивость речи достигается, если первый запаздывающий сигнал поступает не позже 10 - 15 мс после прямого, а все три должны занимать интервал времени 25 - 35 мс. При звучании музыки наилучшее ощущение пространственности и "прозрачности" достигается, если первое отражение приходит к слушателю не ранее 20 мс и не позже 30 мс после прямого сигнала. Все три запаздывающих сигнала должны располагаться в промежутке времени 45 - 70 мс. Наилучший пространственный эффект достигается, если уровни запаздывающих начальных сигналов незначительно отличаются друг от друга и от уровня прямого сигнала.

При подключении к структуре начальных отражений (первого, второго, третьего) остальной части отзвука наиболее благоприятное звучание получается в том случае, когда вторая часть процесса начинается после всех дискретных отражений. Подключение же процесса реверберации (отзвука) сразу же за прямым сигналом ухудшает качество звучания.

При обеспечении оптимальной структуры начальных (ранних) отражений звучание музыки остается хорошим даже при значительном (на 10 - 15%) отклонении времени реверберации от рекомендуемого. Достижение оптимального запаздывания отраженных сигналов по отношению к прямому звуку выдвигает требование к минимальному объему помещения, которое не рекомендуется нарушать.

Полученные результаты дали возможность выработать рекомендации в отношении времени запаздывания и размеров зала. Учитывалось, что первый запаздывающий сигнал, как правило, приходит от потолка, второй - от боковых стен, третий - от задней стены зала. Разные требования по времени задержки начальных отражений объясняются особенностями речи и музыкальных звуков и различием решаемых акустических задач.

Чтобы добиться хорошей разборчивости речи, запаздывания должны быть сравнительно небольшими. При звучании музыки нужно подчеркнуть мелодическое начало, для обеспечения слитности звуков необходимо большее время запаздывания начальных отражений. Отсюда вытекают рекомендуемые размеры концертных залов: высота и ширина не менее 9 и 18,5 м соответственно и не более (у портала) 9 и 25 м.

Увеличивать высоту и ширину зала в некоторой мере можно лишь на расстоянии от портала сцены (эстрады), превышающем примерно 1/4 - 1/3 общей длины зала: высоту до 10,5 м, ширину до 30 м. Длину зала выбирают, учитывая необходимость получать на самых удаленных слушательских местах достаточную энергию прямого звука. Исходя из этого обстоятельства, рекомендуют выбирать длину зала по партеру не более 40 м, а по балкону - 46 м.

В таблице приведены сведения о геометрии некоторых залов, акустические качества которых считаются хорошими (n - вместимость зала, l_п - наибольшее удаление слушателя от эстрады в партере, l_б - то же на балконе, Δ_t1 - время запаздывания первого отражения).

Таким образом, минимальные размеры помещения для воспроизведения музыки (высота и ширина) не связаны с его вместимостью, а определяются необходимой структурой начальных отражений. Даже если помещение предназначено для исполнения музыки в отсутствии слушателей (студия звукозаписи, звукового вещания, ателье записи музыки, зал прослушивания киностудии), его размеры должны определяться только качеством звучания музыки. "Экономить" на этих размерах - значительно ухудшать качество звучания.

Статистическая теория. Допустим, что коэф­фициент поглощения ограничивающих поверхностей данного помещения очень мал, поэтому каждый звуко­вой луч будет многократно отражаться от поверхно­стей, прежде чем его уровень упадет до неслышимого значения. Вследствие этого усредненные потоки энер­гии в каждой точке звукового поля помещения будут одинаковыми во всех направлениях, причем звуковая энергия рассредоточится по помещению так, что ее плотность в каждой точке будет одинаковой. Такое зву­ковое поле называют диффузным.

Для диффузного поля можно статистически опреде­лить среднюю длину пробега звукового луча между двумя последующими отражениями. Для помещения прямоугольной формы с размерами, близкими к так называемому «золотому» сечению (длина : ширина : вы­сота = 2 : 1,41 : 1), получена следующая средняя длина свободного пробега звукового луча :

(7.1)

где V — объем помещения; S — общая поверхность стен, потолка и пола.

Оказывается, что и для помещений более сложной формы и с размерами, отклоняющимися от «золотого» сечения, средняя длина свободного пробега звукового луча с достаточной точностью все же может определять­ся равенством (7.1).

Между двумя последующими отражениями среднее (статистическое) время пробега

(7.2)

Эта величина служит базой для вывода основных урав­нений акустических процессов в помещениях. Рассмот­рим эти процессы в установившемся режиме. В этом случае количество энергии, излучаемой источником зву­ка, должно быть равно количеству поглощаемой энергии за один и тот же промежуток времени. За промежуток времени, равный среднему времени свободного пробега звукового луча, излучаемая энергия W_изл = P_а, где Ра — акустическая мощность источника звука.

В залах, аудиториях, жи­лых помещениях и т. п. коэффициент поглощения доста­точно велик (0,2—0,4), поэтому интенсивность звуковой волны при каждом отражении от таких поверхностей резко уменьшается. Вследствие этого уже нельзя счи­тать, что в каждой точке помещения будут сходиться звуковые лучи всевозможных направлений и примерно с одинаковой интенсивностью и что плотность энергии в каждой точке помещения будет одинаковой. В таких помещениях плотность энергии распределяется по по­мещению неравномерно: наблюдаются пучности и узлы колебаний

Плотность энергии в помещении в установившемся режиме прямо пропорциональна акустической мощности источника звука и обратно пропор­циональна общему поглощению помещения.

Общее поглощение измеряется в сэбинах (Сб) или в квадратных метрах (1 Сб равен поглощению 1м₂ открытого окна без учета дифракции). Если поверх­ности помещения будут иметь неодинаковые коэффи­циенты поглощения, то на основе статистических зако­нов можно говорить о среднем коэффициенте поглоще­ния

где S_k — участки поверхностей помещения; a_k— их ко­эффициенты поглощения.

Так как в помещении, как правило, находятся люди и различные предметы, поглощающую поверхность ко­торых трудно учесть, то для удобства расчетов введе­ны эквивалентные коэффициенты поглощения для лю­дей и предметов на их единицу. В этом случае произ­ведение эквивалентного коэффициента поглощения а_п на число предметов N_п будет также исчисляться в сэ­бинах или метрах квадратных, и общее поглощение бу­дет суммой поглощений поверхностей и предметов:

Оказывается, что даже при резком различии в коэффи­циентах поглощения формула среднего коэффициента достаточно точна, хотя плотность энергии около участ­ков поверхности с экстремальными коэффициентами по­глощения будет значительно отклоняться от своего сред­него значения в помещении.

На рис. 7.1 приведены кривые нарастания и зату­хания звука в помещении для плотности энергии при наличии диффузного поля в нем (сплошные кривые). Поле в помещении в практических случаях отклоняется от диффузного, в частности, плотность энергии в раз­личных точках помещения в силу интерференции огра­ниченного числа звуковых волн может довольно зна­чительно отличаться от среднего значения. Например, если рассматривать точку, в которой был узел стоячей волны от двух каких-либо звуковых лучей, то при ис­чезновении одного из них (в процессе затухания звука в помещении) уровень звука в этой точке может повы­ситься на некоторое время, пока не исчезнет и другой звуковой луч. Поэтому в практических случаях звук затухает не монотонно: кривая затухания (и соответ­ственно — нарастания) отклоняется от экспоненциаль­ной. Эти отклонения могут быть довольно заметной ве­личины. Чем значительней отклоняется поле от состоя­ния диффузности, тем больше эти отклонения(см. рис. 7.1, пунктирные кривые). Кривые затухания и нара­стания звука выглядят нагляднее (применительно к слуховому восприятию человека), если изобразить их в логарифмическом масштабе по оси ординат, т. е. в виде затухания и нарастания уровней звука.

Как и следовало ожидать, уровень уменьшается по линейному закону (рис. 7.1б). Для слуха этот процесс

Рис. 7.1. Кривые нарастания и затухания звука в помещении: а) уровень плотности энергии в помещении для диффузного по­ля (сплошная линия), фактические уровни (пунктир); б) уровни интенсивности звука в диффузном поле (оплошная линия), факти­ческие уровни (пунктир).

происходит довольно медленно. В то же время нара­стание уровня звука происходит довольно быстро (рис. 7.1б), так как при уменьшении переменной части выра­жения до 0,1 уровень будет отличаться от макси­мального на величину 10 lg 0,9 =0,4 дБ (за такое же время уровень уменьшится только на 20 дБ). На рис. 7.1 6 (пунктир) приведена и реальная кривая зату­хания для уровней звука.

Процесс затухания звука получил название ревер­берации.

Реверберация в связанных помеще­ниях.

На практике очень часто имеют дело со связан­ными помещениями, т. е. с такими, процессы в которых могут зависеть от параметров обоих помещений. Например, два зала, связанные между собой открытыми дверьми или небольшой аркой;

Рис. 7,2. Связанные помещения без обратной связи: а) схема ; б) кривые затухания уровня:

1 — в первичном помещении; 2 — во вторичном помещении при условии его независимости; 3 — результирующая при передаче звука из первичного поме­щения; 4 — эквивалентная реверберация

Процессы в студии проходят независимо от процес­сов в помещении, в котором прослушивают передачу, т. е. без обратной связи, а в первом — они определяют­ся параметрами обоих помещений, т. е. имеет место обратная связь. Помещение в котором находится пер­вичный источник звука, называется первичным, а дру­гое помещение — вторичным.

В первичном помещении без обратной связи процесс затухания звука происходит как обычно (рис. 7.2б, кри­вая, а во вторичном — медленнее (рис. 7.2, кривая 3), так как громкоговоритель после выключения пер­вичного источника звука еще продолжает работать, пе­редавая реверберационный процесс, происходящий в первичном помещении. Характерно, что во вторичном помещении, как показывают теория и эксперимент, крутизна наклона кривой уровня звука сначала плавно уменьшается после выключения первичного источника звука (рис. 7.2б, кривая 3), а затем приближается к крутизне наклона кривой затухания уровня в том по­мещении, в котором процесс реверберации происходит медленнее. Физически понятно, что, как в любых свя­занных цепях, кривая затухания звука во вторичное помещении должна определяться медленным процес­сом. Наибольшее отклонение результирующей кривой затухания от этого процесса получается при одинако­вой реверберации в обоих помещениях.

При наличии обратной связи между помещениями процесс происходит аналогично. Можно свести это к случаю отсутствия обратной связи, если ввести соот­ветствующие поправки в уравнения, определяющие про­цессы в связанных помещениях без обратной связи.

Исторические примеры. По сохранившимся до наших времен культовым и зрелищным сооружениям видно, что основные положения лучевой теории были известны древним строителям и что эти положения неукоснительно соблюдались. Размеры греческих и римских театров на открытом воздухе были выбраны такими, чтобы в наибольшей степени использовать энергию отраженных волн.

Рис. 7.3

Театры (рис.7.3) содержали три основные части:

• сцену (shena) глубиной 3,5 - 4 м в Греции и 6 - 8 м в Риме, на которой разыгрывалось театральное действие;
• площадку перед сценой - орхестру (orhestra буквально "место плясок"), на которой располагался хор и выступали танцоры;
• поднимающиеся ступенями зрительские места вокруг орхестры, образующие так называемый амфитеатр (от греческих слов amphi - "с обеих сторон", "кругом" и theatron - "место зрелищ").

Звуки от исполнителей достигали зрителей, располагавшихся на амфитеатре, прямым путем 1, а также после отражений от поверхности орхестры (луч 2) и стены 3, находящихся позади сцены (рис.7.4,а). Плоскость орхестры покрывали хорошо отражающим материалом. Как указывал Витрувий, высоту стены 3 следовало выбирать равной высоте парапета 4, ограждавшего верхний ряд амфитеатра, "для улучшения акустики". Видимо, речь шла о том, чтобы не допустить излишнего рассеяния звуковой энергии в пространстве. Глубину сцены в греческих театрах делали небольшой, чтобы лучи 5, отраженные от задней стены, не слишком запаздывали по отношению к прямому лучу 1 и не ухудшали разборчивость речи актеров. Часть звуковой энергии, отразившись от стен 3 и 4, уходила вверх. В современных крытых театральных залах эта энергия отражается потолком вниз и увеличивает интенсивность звука на зрительских местах. На орхестре происходили танцы и располагался хор, повторявший реплики актеров, т.е. выполнявший задачу звукоусиления. При расположении хора в точке 1 звуковые лучи, отразившись от стены 3 (рис.7.4,б), приходят к зрителю с большой задержкой во времени, вызывающей эхо. Для уменьшения этого недостатка в римских театрах хор стали располагать ближе к сцене, в точке 2. Тогда для направления энергии в сторону зрителей начали использовать отражения от сцены (ее высота в римских театрах достигала 3,5 м), а освободившуюся часть орхестры заняли танцоры. В современных театрах перед сценой находятся музыканты, и на них перешло название занимаемой ими площадки.

Рис. 7.4

Особую роль в усилении и обогащении звучания играли так называемые "гармоники" - системы резонаторов в виде бронзовых цилиндрических сосудов и глиняных кувшинов-амфор. Они располагались в нишах стены позади зрительских мест и под скамьями. Греки считали, что для благозвучия речи и музыки резонаторы должны быть подобраны или настроены по тонам музыкальных гамм: энгармонической, хроматической и диатонической.

• Первая система, по мнению их создателей, придавала звукам торжественность и строгость;
• Вторая, благодаря "толпящимся" нотам, - утонченность, нежность звучанию;
• Третья - из-за консонансности интервалов - естественность музыкальному исполнению.

Очевидно, что античные архитекторы при строительстве театров искали и находили технические пути передачи зрителям и слушателям не только смысловой (семантической), но и художественной (эстетической) информации, стремились обогатить музыкальное звучание.

Рациональной формой и разумно выбранными размерами отличались театральные и концертные залы 18 и 19 веков. Ряд хороших в акустическом отношении театральных и концертных залов был построен в разных странах в 20 веке.

Рис. 7.5

Неудачные решения. Казалось бы, опыт, накопленный за тысячелетия, должен использоваться современными архитекторами и строителями. Между тем множатся примеры неудовлетворительных акустических решений, например, строительство залов круглой или эллиптической в плане формы (кинотеатр "Колизей" в Санкт-Петербурге, концертный зал им. Чайковского в Москве и др.). В них образуются зоны фокусировки отраженных лучей и зоны, в которые отраженные лучи либо не попадают, либо попадают с большой временной задержкой. В круглом зале (рис.7.5) касательный к стене луч 1 и при последующих отражениях остается в близкой к стене зоне. Лучи 2, распространяющиеся примерно в диаметральном направлении, образуют после отражения мнимое изображение источника И', в котором интенсивность звука, как и в кольцевой зоне возле стены, повышена. Неудовлетворительными являются залы с плоским потолком и низким порталом сцены (рис.7.6, а). Зона АВС оказывается своеобразной ловушкой для значительной части, излучаемой источником звука энергии. Только зона DE дает полезные отражения, но они попадают лишь в удаленную часть зала ЕС. Предпочтительнее конструкции с рассеивающим потолком (рис.7.6,б), акустической раковиной и козырьком (рис.7.6,в).

Рис. 7.6

Неудовлетворительным в акустическом отношении являлся знаменитый зал Альберт-холл в Лондоне шириной 56 м при высоте 39 м. Ввиду необычайно большой высоты зала разница в пути между прямым звуком и звуками, отраженными от потолка, достигала 60 м, что давало запаздывание почти на 200 мс. Центр кривизны вогнутого потолка находился в зоне, занятой слушателями, что порождало сильное эхо.

Примером неудачного акустического решения может служить Большой зал Центрального театра Российской армии (ЦТРА). Основные недостатки зала: большая ширина, равная в середине зала 42 м, и чрезмерно высокий потолок - у портала 18 м над планшетом сцены (рис.7.7). Отражения от боковых стен не приходят в центральную часть зала, а первые отражения от потолка поступают в середину партера с запаздыванием более 35 мс. В результате разборчивость речи в партере низкая, несмотря на близость актеров к публике. Форма задней стены зала и парапета балкона является частью окружности, центр которой расположен на авансцене в точке О. Звуки, отраженные от задней стены и парапета балкона, возвращаются в эту же точку и прослушиваются как сильное эхо, ибо запаздывание превышает 50 мс. При перемещении актера в точку И сопряженные фокусы И' и И" смещаются в партер. В результате эхо возникает в первых рядах партера.

Когда-то хорошей акустикой отличался актовый зал МТУСИ, где даже проводились симфонические концерты, транслировавшиеся по радио. Акустические условия значительно ухудшились после косметического ремонта зала. Была изменена конструкция ограждения балкона, в глубине которого был поставлен отражающий щит. Сильные отражения от парапета и щита ухудшили звучание в партере. Из-за больших запаздываний снизилась разборчивость речи.

Примером неудачного акустического решения является и Центральный концертный зал гостиницы "Россия" в Москве. Квадратная в плане форма зала привела к обеднению спектра собственных частот, низкий потолок создает малую задержку первых отражений, а большая ширина зала приводит к тому, что отражения от стен не попадают в первую половину партера. Трижды пытались улучшить звучание заменой звукопоглощающих материалов и их размещением в зале. Однако скомпенсировать заведомо неудачную исходную форму зала не удалось.

Рис. 7.7

Даже в помещениях с правильно выбранными формой и линейными размерами, пропорции которых приближаются к "золотому сечению", обнаруживаются недостатки звучания, устранение которых занимает много времени, сил и средств. В тщательной подготовке к нормальной эксплуатации нуждаются студии звукового и телевизионного вещания. Примером может служить комплекс работ по подготовке студии N5 Государственного дома радиовещания и звукозаписи (ГДРЗ). Студия предназначена для исполнения произведений крупных форм с участием симфонического оркестра и хора в присутствии слушателей. Ее линейные размеры (29,8 х 20,5 х 14 м) почти соответствуют "золотому сечению", расчетное время реверберации на средних частотах 2,3 с. Ввиду большой высоты и ширины время прихода начальных отражений не оптимально. Для уменьшений длины путей отраженных лучей над местом расположения оркестра и на боковых стенах были укреплены отражающие панели. Потребовалось несколько раз изменять положение панелей и уменьшать площадь звукопоглощающих конструкций, прежде чем музыканты и звукорежиссеры признали качество звучания хорошим. Из этого примера видно, насколько тонкой и скрупулезной является акустическая настройка помещений.

Встречаются залы, рассчитанные на небольшое количество слушателей, соответственно небольшой площади и невысокие. Авторы их, по-видимому, полагали, что при небольших размерах зала "все будет хорошо слышно". В действительности в таких залах на слушательских местах образуется плотная структура начальных отражений. Из-за этого при небольшом времени реверберации звучание оказывается "плоским", подобно звучанию на открытом воздухе, а при большом времени реверберации теряется "прозрачность" звучания, начинается маскировка последующих музыкальных звуков предыдущими.

Также неудовлетворительны большей частью так называемые актовые залы. Они предназначаются для собраний, т.е. для звучания речи. Низкий потолок, гладкие параллельные стены, лишенные акустической отделки порождают неоптимальные начальныфяе отражения. Попытки проводить в них концерты не приносят успеха. Музыка звучит в них плохо. Хуже всего, что концерты в таких залах портят публику. Ниже всякой критики акустика так называемых "концертно-спортивных" залов.

В нашей стране большой вред качеству театральных и концертных залов принесла "борьба с архитектурными излишествами". "Излишествами" были объявлены все звукорассеивающие и звукопоглощающие конструкции и даже мягкая обивка кресел, призванная служить эквивалентом отсутствующих зрителей. В результате - на слушательских местах плохая структура начальных отражений, невысокая диффузность, а при частичном заполнении - чрезмерная "гулкость".

Лучшие залы. Непревзойденными по качеству звучания остаются Колонный зал Дома союзов, Большой и Малый залы Московской консерватории, Большой зал Санкт-Петербургской филармонии и некоторые другие залы старой постройки.

К достижениям отечественной архитектурной акустики следует отнести зрительные залы Детского музыкального театра, Театра им. Евг. Вахтангова, Московского драматического театра им. А.С. Пушкина, Дворца культуры ЗиЛ, студии Государственного дома звукозаписи, ателье записи звука и зал прослушивания "Мосфильма". При их проектировании и строительстве были учтены положения и рекомендации отечественных и зарубежных акустиков.

В этих залах соблюдены требования геометрической акустики: рационально выбраны форма и размеры, что обеспечило высокую степень диффузности поля и оптимизацию времен запаздывания начальных отражений. В каждом конкретном случае выбраны свои архитектурно-планировочные решения. Залам сравнительно небольшой ширины придана форма прямоугольного параллелепипеда. Таковы Большой и Малый залы Московской консерватории, Большой зал московского Дома ученых. При небольшой ширине количество отражений, приходящих на места слушателей, быстро нарастает со временем и в завершающей части процесса реверберации настолько велико, что обеспечивает хорошую диффузность поля. В залах большой ширины (Колонный зал Дома союзов, Большой зал Санкт-Петербургской филармонии) введены звукорассеивающие конструкции в виде ряда колонн. В современных залах большой вместимости хорошего рассеяния звуков достигают членением стен и потолка и установкой крупных рассеивающих поверхностей на стенах.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОМЕЩЕНИЯ.

Акустическое отношение. Звуковое поле в по­мещении можно представить как сумму составляющих поля «прямого» звука, создаваемого звуковыми волна­ми, не испытавшими ни одного отражения, и поля, соз­даваемого отраженными звуковыми волнами. Поле от­раженных звуковых волн почти всегда можно считать, близким к диффузному. Поэтому эту составляющую по­ля часто и называют диффузной составляющей.

Отно­шение плотности энергии отраженных звуков к плотно­сти энергии прямого звука, т. е. R = ε_диф/ε_пр или

называют акустическим отношением. Переходя к уровням, имеем

Величину ΔL_R называют также акустическим отноше­нием, выраженным в децибелах,

Отраженные звуковые волны в той или иной степе­ни являются помехами, поэтому акустическое отноше­ние — характерный показатель акустических свойств, помещения в установившемся режиме.

В реальных условиях акустическое отношение для удаленных точек помещения в редких случаях бывает меньше единицы, а иногда доходит до 10—15, т. е. уро­вень отраженных волн, как правило, выше уровня по­ля прямого звука.

Если акустическое отношение велико, то это свиде­тельствует о высоком уровне отраженных звуков, за­паздывающих по отношению к прямому звуку и являю­щихся помехами для его восприятия. Например, при акустическом отношении больше четырех отраженный звук уже создает большие помехи для приема речи. Для музыкальных передач акустическое отношение больше 6—8 (а для органной музыки 10—12) не реко­мендуется. При малом акустическом отношении (менее двух) музыка звучит сухо. Для речи допускается акус­тическое отношение немного меньше единицы. Расстоя­ние от источника звука, для которого R = l, называют радиусом гулкости, так как при больших расстояниях диффузная составляющая становится больше состав­ляющей прямого звука (в звучании появляется гул­кость) .

Четкость звучания. Акустическое отношение полностью не характеризует восприятие звука в помещении. Поэтому ввели еще одно понятие—четкости звучания. Под ним понимается отношение плотности энергии прямого звука ε_пр, суммируемого с плотностью отраженных звуковых волн, приходящих в данную точку помещения в течение τ=60 мс после прихода прямого звука ε_τ≤60 мс к общей плот­ности энергии:

Четкость звучания характеризует относительную величину всей полезной энергии ε_пол (включая и полезную часть энергии отра­женных звуков в общей плотности энергии).В этом ее преимуще­ство перед акустическим отношением. Чем больше четкость звуча­ния, тем меньше влияют помехи от запаздывающих лучей из-за явления реверберации. Из-за трудности измерения этой величины она пока ненормирована.

Время реверберации. Основная характери­стика помещения — время реверберации, т. е. время затухания звука. Поскольку средние уровни сигналов в помещении значительно выше уровней шумов в них и, конечно, значительно выше порога слышимости, то условились оценивать процесс затухания звука време­нем уменьшения плотности энергии и интенсивности звука в 10⁶ раз, а по звуковому давлению в 10³ раз. Это время называют временем стан­дартной реверберации. В литературе очень часто его называют просто временем реверберации.

Для случая малых коэффициентов поглощения время стандартной реверберации

Эта формула называется формулой Сэбина. Как видим, время стандартной реверберации обратно пропорцио­нально общему поглощению помещения.

В реальных поме­щениях (кроме специальных) время стандартной ревер­берации бывает в пределах от нескольких десятых се­кунд до нескольких секунд. Помещения с малым вре­менем реверберации называют заглушёнными, а с боль­шим — гулкими.

Здесь следует сказать, что постоянная времени слуха, находящаяся в пределах 125—150 мс, соответствует времени стандартной реверберации около 0,85—1,05 с, так как согласно общему определению пос­тоянная времени соответствует уменьшению звукового давления в e раз, т. е. на 8,68 дБ. Откуда T_суб = 60x125/8,68 = 850 мс. Следовательно, время реверберации ниже 0,85 с менее заметно для слуха из-за маскировки собственным процессом затухания колебаний в ухе.

При распространении звука в воздухе происходит затухание колебаний из-за вязкости среды и, вследствие этого, как бы увеличивается поглощение a′S. При рас­чете времени реверберации к поглощению помещения добавляют поправку на затухание энергии в воздухе. Поправка зависит от объема, поскольку энергия зату­хает по всему помещению. Чтобы привести это затуха­ние к поверхностному, введен коэффициент затухания μ, обратно пропорциональный линейным размерам поме­щения. Таким образом, получается дополнительное пог­лощение, обусловленное вязкостью и равное 4μV, a время стандартной реверберации будет опреде­ляться выражением

Эта формула носит название полной формулы Эйринга.

Дополнительное поглощение обычно невелико, с ним приходится считаться только в больших помещениях и притом на частотах выше 1000 Гц.