Глава 11. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.

Любые акустические измерения обычно проводят в зоне свободного поля, т. е. там, где отсутствуют отражения волн от любых препятствий. Акустические измерения имеют ряд специфических осо­бенностей. Так, измерение характеристик электроаку­стической аппаратуры необходимо проводить в усло­виях свободного поля, т. е. когда можно пренебречь влиянием отраженных волн. В обычных помещениях это условие невыполнимо, а проводить измерения на открытом воздухе сложно и не всегда возможно.

Во-первых, на открытом воздухе трудно избежать отраже­ний от ряда поверхностей, например, от земли.

Во-вто­рых, проведение измерений в этом случае зависит от атмосферных условий и может приводить к большим погрешностям, не говоря уже о ряде других неудобств.

В-третьих, на открытом воздухе трудно избежать влияния шумов. Поэтому для измерений в свободном поле пользуются специальными звукозаглушенными каме­рами, в которых отраженные волны практически отсут­ствуют.

Акустические измерения в помещении - это количественная оценка значения отдельных величин, влияющих на качество осуществляемой в данном помещении звукопередачи. Сравнение измеренных величин с эталонными величинами акустически безупречных помещений позволяет обнаружить основные недостатки помещений, подвергающиеся исследованию. Одной из наиболее важных величин количественной оценки акустических условий помещения следует считать времяреверберации.Но знание данного параметра не даст полной акустической картины. Для более полной характеристики акустических свойств помещения дополнительно измеряют:

- частотную характеристику реверберации;

- флуктуацию звука в процессе затухания;

- акустическое отношение или эффективную реверберацию.

Все эти измерения связаны с зависимостью акустических свойств помещения от:

- частоты колебаний, излучаемых источником звука;

- звукопоглощающей способности материалов;

- геометрических параметров помещения;

- местонахождения слушателей.

Указанные параметры, дающие, в основном, временные характеристики звуковых процессов, позволяют установить величину и причины тех или иных нарушений. Но вследствие того, что все они имеют статистическую основу, указать источник этих нарушений не всегда удается.

Для ряда измерений (например, для измерения мощности громкоговорителя, измерения коэффициентов поглощения и т. д.) требуется диффузное поле. В обыч­ных помещениях звуковое поле далеко от состояния диффузности. Поэтому строят специальные помещения, в которых можно создать диффузное поле. Соответст­вующие помещения называют реверберационными (или гулкими) камерами. Звукозаглушенную и реверберационную камеры называют звукомерными.

Звукомерные камеры.

Заглушенная камера-специально оборудованное помещение для акустических измерений в условиях, приближающихся к условиям свободного открытого пространства (в свободном звуковом поле). Оказывается, не так просто оборудовать заглушённую камеру (рис. 11.1). Прежде всего трудно получить большое поглощение звука. Если, например, коэффи­циент поглощения материала, располагаемого на огра­ничивающих поверхностях камеры, будет равен 0,99, то при этом интенсивность отраженной волны будет составлять 0,01 от интенсивности волны, падающей на эти поверхности: I_отр=а_отрI_пад=0,01 I_пад. А по давле­нию это отношение будет составлять 0,1, так как I_отр / I_пад = Р²_отр/P²_пад. Давление в пучности будет рав­но 1,1 P_пад , а в узле — 0,9P_пад . Неравномерность по давлению составит 1,1/0,9=1,2. Следова­тельно, ошибка изме­рения может достигать 20%. Если же задать­ся ошибкой не более 5%, то коэффициент поглощения ограничи­вающих поверхностей должен быть не менее 0,9994. На средних и высоких частотах уда­ется получить такой 'высокий коэффициент поглощения. Но на низких частотах почти невозможно. Даже в лучших камерах ошиб­ка измерения получается больше 5% на частотах ниже 100 Гц. Но и для получения таких коэффициентов по­глощения толщина материалов доходит до 1,5—2 м и более. Для увеличения поглощающей способности мате­риала его изготовляют в виде узких пирамид или клинь­ев 3 (см. рис. 11.1) высотой до 1,5 м, с основанием 15х15 или 15х30 см, укрепленных основаниями на ли­стовом поглощающем материале. В качестве погло­щающих материалов используют стекловолокно и дру­гие негорючие волокнисто-образные материалы (стекло­вата опасна в эксплуатации, но она самая дешевая из поглощающих материалов). Между стенами и этим по­глощающим материалом с некоторым зазором распо­лагают дополнительный поглощающий листовой материал.

В камере не должно быть каких-либо предметов, могущих отражать звуковые волны. Поэтому всякие приспособления для установки аппаратуры и сама аппа­ратура должны иметь очень малые размеры по сравне­нию с длинами звуковых волн. Микрофоны и громкого­ворители подвешивают на растяжках или блоках, вра­щающие устройства скрывают под поглощающим мате­риалом и только их оси могут выходить наружу. Для подхода к аппаратуре применяют убирающийся трап .

После постройки и ремонта камеру проверяют на неравномерность поля и определяют возможную ошиб­ку измерения во всем диапазоне частот. Высокие тре­бования предъявляют и к звукоизоляции камеры. Дело в том, что в камерах иногда приходится измерять уровни собственных шумов микрофона (0—20) дБ и пороги слышимости людей (0÷—10) дБ. Поэтому уро­вень шумов в критических полосках слуха должен быть ниже порога слышимости. Это требование трудно выполнить, так как для этого необходимо, чтобы об­щий уровень проникающих шумов с типовыми спектра­ми был не более 15 дБ на средних частотах. В лучших камерах все же реализуют это требование. Но для это­го камера имеет двойные стены, причем внутрен­ние стены устанавливают на изолированном фундамен­те с плавающим полом и подвесным потолком. Между стенами, полом и потолком ставят виброизоли­рующие прокладки . Внешние стены также имеют свой фундамент, изолированный от общего фундамента здания. Камеры строят вдали от проездов с выходом в тихие места. Двери из аппаратной в камеру делают двойные с теми же поглощающими материалами. Они входят в проем на «конус» и имеют уплотнители, зажимаемые специальными затворами.

Для получения полезного объема камеры 4х4х4 м внешние размеры камеры получаются примерно 10х10х12 м (высота получается несколько больше из-за установки разных приспособлений).

Стены, пол и потолок Звукомерной камеры покрываются звукопоглощающими материалами, обеспечивающими практически полное отсутствие отражённых звуковых волн. В звукомерной камере большого размера удаётся получить поглощение до 99% энергии звуковой волны в диапазоне частот от 50 — 70 Гц до самых высоких слышимых частот.

В звукомерной камере проводятся: градуировка измерительных микрофонов, испытания громкоговорителей, исследования шума машин, трансформаторов и других объектов, определение порога слышимости и других измерения для целей физиологической акустики.

Реверберационная камера(звонкая, диффузная) Реверберационная камера должна иметь очень хо­рошо отражающие поверхности, и все предметы в ней также должны хорошо отражать звуковые волны. Уда­ется получить средний коэффициент поглощения около 0,015, что обеспечивает время реверберации в камере с объемом 90 м³ не менее 7—9 с. При таком поглоще­нии диффузность поля получается достаточно высо­кой и обеспечивает точность измерений не ниже 2—3%. На низких частотах из-за резонансов камеры диффуз­ность поля получается хуже, чем на высоких, поэтому измерения на частотах ниже 100 Гц дают повышенную ошибку измерений. У этого типа камеры звукоизоля­ция ниже, чем у заглушённой камеры, примерно на 25 дБ, но для измерений в диффузном поле этого достаточно, так как проникающие шумы не превышают 40 дБ. В звукомерных камерах размеща­ют только измерительный микрофон и по мере на­добности испытуемый микрофон и измерительный громкоговоритель или испытуемый громкоговоритель. Всю остальную измерительную аппаратуру распола­гают в аппаратной, изолированной от камеры. Измери­тельные громкоговорители работают от соответствую­щих генераторов. Так как практически самый лучший громкоговоритель имеет неравномерность частотной ха­рактеристики не менее 6 дБ, то обычно применяют ав­томатическое регулирование чувствительности громко­говорителя с тем, чтобы развиваемое им звуковое дав­ление во всем измерительном диапазоне частот не от­клонялось от заданного более чем на 2—3%. Для регулиров­ки применяют измерительный микрофон с усилителем, подключаемый к авторегулятору. При изменении зву­кового давления, создаваемого громкоговорителем, ав­торегулятор изменяет напряжение на громкоговори­теле так, чтобы звуковое давление осталось прежним. Тот же измерительный микрофон входит в состав изме­рителя звукового давления, дающего возможность от­счета звукового давления непосредственно в паскалях или децибелах.

Измерительный громкоговоритель чаще всего дела­ют в виде агрегата, причем каждый элемент агрегата работает только в своем диапазоне. Однако есть и ши­рокодиапазонные измерительные громкоговорители, стоящие очень дорого, так как они требуют специальной подгонки их характеристик. Для высокочастотных эле­ментов агрегата используют конденсаторные громкого­ворители или малые рупорные электродинамические. Для низкочастотного и среднечастотного элементов ис­пользуют диффузорные громкоговорители.

Измерительные микрофоны, как правило, конденса­торные, так как они имеют равномерную частотную ха­рактеристику в широком диапазоне частот (от 20 Гц До 40 кГц) и малые размеры.

Стены реверберационной камеры изготовляют из железобетона и кирпича, а внутренняя поверхность реверберационной камерыоблицовывают материалами с минимальным звукопоглощением (высокомарочным цементным раствором, мрамором и др.) Звуковое поле в реверберационной камере создаётся 2—4 громкоговорителями, направленными в углы камеры

В реверберационной камере объёмом 200 м3производят измерения коэффициента звукопоглощения материалов, градуировку измерительных микрофонов и шумомеров, измерения мощности излучения громкоговорителей, акустической отдачи машин и др. источников шума, субъективные исследования слуха, измерения уровня громкости шумов. Иногда Р. к. пользуются также для измерения характеристик электромагнитных волн; в этом случае её отделывают изнутри медной фольгой. Две смежные Р. к. объёмом 50 м3, каждая с общим проёмом в одной из стен, -применяются для изучения звукоизолирующих свойств различных материалов и конструкций в архитектурной и строительной акустике. Качество Р. к. характеризуется временем реверберации и равномерностью звукового поля.