Обеспечение достаточной диффузности звукового поля

В каждой точке звукового поля зала сказывается действие прямых и отраженных звуковых волн, которые приходят в рассматриваемую точку после многократных отражений от внутренних поверхностей с различным временем запаздывания по сравнению с прямыми волнами. В замкнутом помещении звуковые волны, отражаясь от его поверхностей, движутся по разнообразным направлениям. В результате этого в помещении образуется сложное звуковое поле. Важное значение в акустике помещений имеет понятие "диффузное поле", характеризуемое тем, что во всех точках поля усредненные во времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии постоянны. Такое, диффузное поле является идеальным, не достижимым в реальных помещениях, но для создания хорошей акустики помещения следует, по возможности, приблизиться к нему.

Следовательно, одна из важнейших характеристик звукового поля - степень его диффузности - это равномерность распределения потоков звуковой энергии по различным направлениям. Чем больше отражений звуковых волн, тем более однородным становится звуковое поле, тем больше будет у слушателя впечатление, что звуковые волны приходят к нему равномерно со всех направлений. Это качество особенно важно для залов, предназначенных для слушания музыки.

Для повышения диффузности необходимо, чтобы значительная часть внутренних, поверхностей зала создавала рассеянное, направленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, описанными выше секциями и тому подобными неровностями. Вместе с тем требуется и направленность ранних звуковых отражений. При акустическом проектировании следует сочетать эти несколько противоречащие друг другу требования при помощи разной степени расчленения отдельных поверхностей зала.

Гладкие большие поверхности не способствуют достижению хорошей диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (обычно это бывают боковые стены зала): они вызывают "порхающее эхо", возникающее в результате многократного отражения звука между ними (рис. 27). Расчленение таких стен ослабляет этот эффект и увеличивает диффузность. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (рис. 28).

Рис. 27. Возникновение "порхающего" (вибрирующего) эха:

а - возникновение вибрирующего эха преимущественно в передней зоне помещения;

б - в высоких помещениях и над отражающими полами (перекрытиями) "порхающее" (вибрирующее) эхо распространяется беспрепятственно;

в - если полы и перекрытия выполнены как звукопоглощающие, звуковые волны теряют энергию, распространению звука создается препятствие;

где h -главное направление распространения звука;

f -звуковые лучи "порхающего" (вибрирующего) эха

На поверхностях, создающих направленные малозапаздывающие по отношению к прямому звуку отражения, членение может совсем отсутствовать, а если оно имеется, то не должно создавать, сильного рассеивания. Таковы, например,секции, показанные на рис. 17 б, в. Эти секции дают направленные отражения и несколько рассеивают отраженный звук.

Рис. 28. Непараллельные боковые стены: а - скос обеих стен;

б - скос одной стены

Кроме того, эхо не будет образовываться, если будут соблюдаться условия, рассмотренные на рис. 29,когда разность расстояний (a + b) - r или (c+ d+ е) - r меньше 17 м.

Рис. 29. Схема распространения звука без возникновения эха

На поверхностях, дающих малозапаздывающие отражения, недопустимо устройство поперечных прямоугольных пилястр или ребер по типу рис. 30,а. Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, причем возникают показанные на рисунке зоны, лишенные геометрических отражений. Это характерно также для пилястр или ребер любого профиля, имеющего прямой угол со стороны источника (см. рис. 30 б).

Сильно рассеивающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных на слушательские места. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Особо выгодны для этой цели элементы, имеющие криволинейное выпуклое сечение (например, по типу на рис. 20 или по типу III на рис. 31), которые рассеивают также и более короткие волны. Обладают этим свойством и треугольные пилястры (тип II на рис. 31).

Рис. 30. Отражение от поперечных пилястр и ребер:

а - прямоугольные пилястры или ребра;

б - пилястры или ребра с прямым углом и наклонной гранью

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от шага пилястр (см. рис. 31). Заштрихованная область на рисунке показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в указанных на этом рисунке областях частот.

Пилястры выпуклого и треугольного сечений рассеивают такие и более высокие частоты по сравнению с получающимися из рисунка. Мелкие элементы размером 10¸20 см рассеивают лишь частоты выше 1000 Гц.

Эффективное рассеивание в области частот 200¸600 Гц дают пилястры с размерами 1¸2 м по ширине и 0,5¸1 м по глубине при шаге членения 2¸4 м. Если их очертание подвергнуть дальнейшему членению, то есть придать крупным элементам дополнительную мелкую деталировку или сделать их выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений улучшается, если их шаг нерегулярен, то есть расстояния между смежными членениями не одинаковы по всей расчлененной поверхности.

Рис. 31. Размеры периодических членений поверхностей, обеспечивающие рассеянное отражение звука в указанных границах частот

Балконы, лоджии и скошенные стены (см. рис. 28) повышают диффузность звука в зале также и на таких низких частотах, на которых пилястры, применяемые в архитектурной практике, не дают достаточного рассеивания (см. рис. 31).

Членение с мелким регулярным шагом 5¸20 см (отделка поверхностей деревянными рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические отражения коротких звуковых импульсов (ударов, хлопков и т.п.), в результате чего возникает неприятное подсвистывание, искажающее звук. Поэтому отделок с таким членением следует избегать.

Интересным является прием членения плоских или овальных стен с переменными параметрами членения. Размеры элементов членения в каждом горизонтальном разрезе различны и вызывают рассеянное отражение в широком диапазоне частот; различный наклон поверхностей в вертикальном разрезе также способствует эффективному рассеиванию звука (рис. 32).

Рис. 32. Схема оформления стены с переменными параметрами членения

Влияние формы отражающей поверхности на расхождение звуковых лучей показано на рис. 33:

а - при одном близко расположенном точечном источнике звука расхождение звуковых лучей после отражения их плоской поверхностью происходит в одной плоскости, положение мнимого источника звука зеркально по отношению к истинному;

б - при одном находящемся на значительном удалении источнике звука звуковые лучи после отражения их плоской поверхностью остаются параллельными в одной плоскости;

в - при выпуклой поверхности отражения расхождение звуковых лучей увеличивается, звук рассеивается;

г - при вогнутой поверхности расхождение звуковых лучей после отражения уменьшается, звук концентрируется.

Рис. 33. Геометрические отражения:

а - при одном близкорасположенном точечном источнике звука;

б - при одном находящемся на значительном удалении источнике звука;

в - при выпуклой поверхности отражения;

г - при вогнутой поверхности отражения

В качестве диффузоров могут служить цилиндрические, треугольные, пилообразные и зубчатые поверхности или кессоны (рис. 34-38).

Рис. 34. Диффузоры из цилиндрических поверхностей, треугольных или пилообразных призм и квадратных кессонов, где рекомендуемые: b - от 0,8 до 2,0 м; h - от 0,4 до 0,5 м

Эффективно также пластическое членение стен окнами и простенками, причем откосы окон должны быть глубиной не менее 0,5 м, а оставляемые между ними простенки от 0,5 ¸ 2,0 м. Подобные результаты можно получить устройством по всей поверхности поглощающих и отражающих поверхностей.

Рис. 35. Диффузоры в студии CBS США

Рис. 36. Зал конгрессов

на Александерплац в Берлине.

Декоративный пояс, вид сбоку

Рис. 37. Диффузоры в радиостудии Центра Родена, Париж

Рис. 38. Зал с куполом (зал конгрессов, Берлин): отраженный от купола звук поглощается сидящими слушателями и направляется к ним слегка наклонными стенами. Отражения от угла между куполом и стенами рассеиваются декоративным поясом на задней стене (а) и вблизи сцены (б)

Следующим фактором, воздействующим на диффузную и прямую составляющие звукового поля, является форма помещения. Упрощенно соотношение сторон прямоугольного помещения может быть определено согласно разд. 3, п. 3.1 и графику (рис. 39).

При этом необходимо отметить, что пределы оптимального соотношения сторон имеют второстепенное значение и поэтому могут сильно колебаться.

Существенным является требование к достаточному озвучиванию слушателей при равномерном уровне прямого и диффузного звука во всех зонах помещения. Это возможно при наименьшем удалении источника звука от слушателя, определенных формах помещения при равном числе слушателей.

На рис. 40 представлены четыре принципиально различных плана помещений с равной полезной площадью поверхности S_п при различных общих площадях поверхности S_общ и средних расстояниях до слушателей d. Оптимальные соотношения приведены в табл. 5.

Прямоугольные помещения вытянутой формы не являются оптимальным решением.

Рис. 39. Оптимальные пропорции помещений: а - распределение собственных частот прямоугольного помещения с параллельными ограничивающими поверхностями с соотношением сторон I=Х:У:

1 - благоприятная область, 2 - неблагоприятная область;

б - область применения диаграммы.

Таблица 5

Оптимальные соотношения параметров зала

Однако даже при благоприятных вариантах требуемый уровень обеспечивается лишь для определенной зоны. Поскольку уровень диффузного звука во всех зонах помещения является равномерным, а уровень прямого звука с расстоянием сокращается, теоретическое требование об одинаковых условиях для обоих уровней в больших помещениях не может быть обеспечено. Его следует заменить на более высокий уровень прямого звука для каждого слушателя. При этом следует иметь в виду, что расстояние до зрителей может быть уменьшено как путем выбора благоприятной формы плана, так и путем повышения уровня пола помещения (см. разд. 4; п. 4.3).

Рис. 40. Форма помещений в плане.

Еще один способ изменения расстояния между слушателями и источником звука в очень больших помещениях - использование балконов и галерей (см. п. 3.2 рис. 1). При этом желательно увеличить высоту расположения источника звука, что способствует улучшению озвучивания прямым звуком (рис. 41 ¸ 43).